چراغ مواد: راهنمای جامع

چراغ یک دستگاه است که با استفاده از مخمر در ماده قابل اشتعال یا سایر ابزارهای تولید نور مانند گاز و چراغ‌های الکتریکی نور تولید می‌کند. چراغ‌ها حداقل از حدود ۷۰,۰۰۰ سال پیش اختراع شده‌اند و با گذشت زمان برای استفاده از مواد و طراحی‌های مختلف تکامل یافته‌اند. در این مقاله، ما انواع مختلف موادی را که برای ساخت چراغ استفاده می‌شوند و خصوصیات و عملکرد آنها را بررسی خواهیم کرد.

چراغ ماده چیست؟

ماده چراغ هر ماده‌ای است که برای ساخت چراغ یا بخش‌های آن استفاده می‌شود. مواد چراغ می‌توانند به دو دسته اصلی تقسیم شوند: مواد عایق و مواد رسانا. مواد عایق آنهایی هستند که جریان الکتریکی را از عبور خود می‌مانند، مانند شیشه، سرامیک و پلاستیک. مواد رسانا آنهایی هستند که اجازه می‌دهند جریان الکتریکی از آنها عبور کند، مانند فلزات و آلیاژها.

مواد عایق برای تشکیل مسدود یا پوشش چراغ استفاده می‌شوند که منبع نور را از عوامل خارجی محافظت می‌کند و روشنایی و کیفیت نور را تحت تأثیر قرار می‌دهد. مواد رسانا برای تشکیل فیلامنت، الکترود، سیم ورودی و پایه یا پایانه چراغ استفاده می‌شوند که اتصال الکتریکی و پشتیبانی برای منبع نور را فراهم می‌کنند.

انواع مواد چراغ

انواع مختلفی از مواد چراغ برای مقاصد و کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند. برخی از رایج‌ترین آنها عبارتند از:

شیشه

شیشه یک ماده شفاف است که از شن یا سیلیکا ذوب شده با مواد دیگر ترکیب شده‌است. شیشه به‌طور گسترده به عنوان مسدود یا پوشش برای چراغ‌ها استفاده می‌شود، زیرا می‌تواند دما و فشار بالا را تحمل کند و به اشکال و رنگ‌های مختلف شکل داده شود. شیشه می‌تواند نور را با کمترین ضرر یا تحریف منتقل کند و می‌تواند شیمیایی بی‌اثر و مقاوم در برابر خوردگی باشد.

برخی از انواع شیشه‌ای که برای چراغ‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از:

• شیشه سیلیکات سدیم-لیم: این رایج‌ترین نوع شیشه است که نقطه ذوب پایینی دارد و برای چراغ‌های فیلامنتی استفاده می‌شود. این شیشه حدود ۶۷٪ سیلیکا، به همراه اکسید سدیم، اکسید کلسیم و افزودنی‌های دیگر دارد.

• شیشه سیلیکات آلکالی-سنگین: این نوع شیشه مقاومت الکتریکی بالاتری نسبت به شیشه سدیم-لیم دارد و برای بخش داخلی لامپ استفاده می‌شود. این شیشه شامل اکسید سنگین، اکسید پتاسیم و افزودنی‌های دیگر است.

• شیشه بوروسیلیکات: این نوع شیشه مقاومت حرارتی بالاتری و ضریب تغییر حجم حرارتی پایین‌تری نسبت به شیشه سدیم-لیم دارد و برای چراغ‌های با قدرت بالا، مانند پروژکتورهای سینما استفاده می‌شود. این شیشه شامل اکسید بور، اکسید آلومینیوم و افزودنی‌های دیگر است.

• شیشه سیلیکات آلومینیوم: این نوع شیشه مقاومت حرارتی پایین‌تری نسبت به شیشه بوروسیلیکات دارد اما شاخص انکسار بالاتری دارد و برای چراغ‌های با قدرت کم و خروجی نور بالا استفاده می‌شود. این شیشه شامل آلومینیوم، مگنزیوم و افزودنی‌های دیگر است.

• کوارتز: این نوع شیشه از سیلیکا خالص یا دی‌اکسید سیلیس ساخته شده‌است که نقطه ذوب و شفافیت بسیار بالایی دارد. این شیشه برای چراغ‌های تانژستن هالوژن که در دماهای بسیار بالا کار می‌کنند استفاده می‌شود. این شیشه فقط شامل مقدار کمی از فلزات و گروه‌های هیدروکسیل است.

• شیشه مقاوم در برابر سدیم: این نوع شیشه به طور خاص برای چراغ‌های سدیم بخار طراحی شده‌است که نور شدیدی با یونیزه کردن بخار سدیم تولید می‌کنند. بخار سدیم خاصیت کاهنده قوی دارد که می‌تواند باعث سیاه شدن سریع شیشه‌های عادی شود. شیشه مقاوم در برابر سدیم شامل مقدار کمی از سیلیکا یا اکسیدهای دیگری است که به راحتی کاهنده هستند تا این اثر را جلوگیری کند.

سرامیک‌ها

سرامیک‌ها مواد غیرفلزی هستند که از خاک رس یا مواد غیرآلی دیگری که گرم شده و سخت می‌شوند ساخته شده‌اند. سرامیک‌ها برای چراغ‌ها استفاده می‌شوند زیرا می‌توانند به اشکال و اندازه‌های مختلفی شکل داده شوند و می‌توانند خصوصیات نوری مختلفی داشته باشند، مانند شفافیت یا نیمه‌شفافیت. سرامیک‌ها می‌توانند دما و فشار بالا را تحمل کنند و شیمیایی پایدار و مقاوم در برابر خوردگی باشند.

برخی از انواع سرامیک‌هایی که برای چراغ‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از:

• سرامیک‌های بلوری فلزی: این سرامیک‌ها از اکسیدهای فلزی مانند آلومینیوم، مگنزیم یا اکسیدهای فلزات نادر ساخته شده‌اند که گرم شده و سینتر شده‌اند تا بدنه‌های بلوری فلزی را تشکیل دهند. این سرامیک‌ها می‌توانند شفاف یا نیمه‌شفاف باشند بسته به متخلخل بودن و اندازه دانه‌ها. این سرامیک‌ها برای چراغ‌های فشار بالا مانند چراغ‌های سدیم بخار یا چراغ‌های هالید فلزی که نیاز به انتقال نور بالا دارند استفاده می‌شوند.

• سرامیک‌های معمولی: این سرامیک‌ها از خاک رس یا مواد طبیعی دیگری که با آب مخلوط شده و قبل از سوزاندن به اشکال مورد نظر شکل داده می‌شوند ساخته شده‌اند. این سرامیک‌ها شامل پورسلن و استیتیت هستند.

• پورسلن: این نوع سرامیک از خاک رس کائولین با اکسید فلدسپات، کوارتز و افزودنی‌های دیگر ساخته شده‌است. این سرامیک دارای قدرت مکانیکی خوب، مقاومت در برابر شوک حرارتی، خاصیت عایق الکتریکی و مقاومت در برابر رطوبت است. این سرامیک برای ساخت پایه یا پایانه چراغ‌ها استفاده می‌شود.

• استیتیت: این نوع سرامیک از تالک با خاک رس و افزودنی‌های دیگر ساخته شده‌است. این سرامیک خصوصیات بهتری نسبت به پورسلن در مورد مقاومت الکتریکی، هدایت حرارتی، قدرت دی‌الکتریک و ثبات ابعادی دارد. این سرامیک برای ساخت عایق‌ها یا پشتیبانی‌های چراغ‌ها استفاده می‌شود.

فلزات

فلزات عناصر یا آلیاژهایی هستند که هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارند. فلزات برای چراغ‌ها استفاده می‌شوند زیرا می‌توانند اتصال الکتریکی و پشتیبانی برای منبع نور فراهم کنند و همچنین نور را با توجه به سطح پایانی خود منعکس یا پخش کنند. فلزات می‌توانند به اشکال و اندازه‌های مختلفی با استفاده از ریخته‌گری، فرز، ماشین‌کاری یا جوشکاری شکل داده شوند.

برخی از انواع فلزاتی که برای چراغ‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از:

• تنگستن: این عنصر دارای نقطه ذوب بسیار بالا (۳۴۲۲°C) و مقاومت کششی (۱۵۱۰ MPa) است. این عنصر برای ساخت فیلامنت‌های چراغ‌های اینکاندسنت با استفاده از کشیدن آن به تارهای باریک و پیچاندن آن‌ها حول ماندرب‌های آهن یا مولیبدن استفاده می‌شود. فیلامنت‌های تنگستن مقاومت بالایی در برابر گرما و تبخیر دارند اما نیاز به ولتاژ بالا برای عملکرد دارند.

• مولیبدن: این عنصر دارای نقطه ذوب بالا (۲۶۱۰°C) اما مقاومت کششی (۶۳۸ MPa) پایین‌تری نسبت به تنگستن است. این عنصر برای ساخت پشتیبان‌ها یا سیم‌های ورودی فیلامنت‌ها و همچنین الکترودهای چراغ‌های آرک استفاده می‌شود. مولیبدن ضریب تغییر حجمی مشابهی با برخی انواع شیشه دارد که امکان ایجاد مهر و موم‌های محکم با آن‌ها را فراهم می‌کند.

• نیکل: این عنصر دارای نقطه ذوب متوسط (۱۴۵۵°C) و مقاومت کششی (۷۵۸ MPa) است. این عنصر برای ایجاد پوشش الکتروپلیت روی مولفه‌های آهن یا فولاد برای افزایش سختی و الاستیسیته آن‌ها استفاده می‌شود. نیکل مقاومت بالایی در برابر خوردگی و اکسیداسیون دارد. این عنصر برای ساخت سیم‌های ورودی یا نوارهای دومتالیک، برای شروع‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

• آلومینیوم: این عنصر دارای نقطه ذوب پایین (۶۶۰°C) اما مقاومت کششی (۳۱۰ MPa) بالا است. همچنین سبک (۲.۷ g/cm3) و غیرمغناطیسی است. این عنصر مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد به دلیل لایه اکسید نازک روی سطح آن. آلومینیوم به راحتی در دسترس و ارزان قیمت است. این عنصر برای ساخت پایانه‌ها یا منعکس‌کننده‌های چراغ‌ها استفاده می‌شود.

• فولاد: این آلیاژی از آهن با کربن و عناصر دیگری مانند منگنز یا کروم است. فولاد دارای نقطه ذوب متغیر (۱۳۷۰°C – ۱۵۳۰°C) بسته به ترکیب خود اما مقاومت کششی (۴۰۰ MPa – ۲۰۰۰ MPa) بالا است. فولاد همچنین دارای خاصیت خوبی در برابر دگرگونی و تغییر شکل است. صفحات فولادی دارای مقاومت بالا اما قیمت پایین نسبت به سایر فلزات هستند. صفحات فولادی می‌توانند ریخته شده گرم یا سرد باشند، بسته به ضخامت و پایانه سطحی آن‌ها. صفحات فولادی می‌توانند با اینامل پورسلن پوشانده شوند تا ظاهر یا مقاومت در برابر خوردگی آن‌ها بهبود یابد.

• فولاد ضدزنگ: این آلیاژی از آهن با کروم (۱۲% – ۳۰%) و عناصر دیگری مانند نیکل یا مولیبدن است. فولاد ضدزنگ دارای مقاومت بالایی در برابر خوردگی به دلیل لایه اکسید کروم روی سطح آن است. فولاد ضدزنگ همچنین دارای خصوصیات مکانیکی خوبی مانند مقاومت (۵۱۵ MPa – ۱۰۳۵ MPa)، سختی (۹۵ HRB – ۴۰ HRC)، الاستیسیته (۴۵% – ۶۰%)، توتیک (۱۰۰ J – ۲۲۵ J)، مقاومت در برابر خستگی (۲۷۵ MPa – ۶۹۰ MPa)، مقاومت در برابر کریپ (۳۵ MPa – ۲۰۰ MPa)، مقاومت در برابر سایش (۰.۰۴ g – ۰.۴ g)، مقاومت در برابر خوردگی توسط جریان (۰.۰۲ mm – ۰.۲ mm)، مقاومت در برابر خوردگی توسط حفره (۰ mm – ۰.۰۵ mm)، مقاومت در برابر خوردگی توسط لکه (۰ mm – ۰ mm)، مقاومت در برابر خوردگی بین ذرات (۰ mm – ۰ mm)، مقاومت در برابر خوردگی گالوانیک (۰ mV – +۵۰ mV)، مقاومت در برابر خوردگی توسط فریکت (۰ mg – <۱ mg)، مقاومت در برابر ترد شدن به دلیل هیدروژن (>۱۰۰ MPa)، مقاومت در برابر خوردگی توسط استرس سولفید (>۱۰۰ MPa)، مقاومت در برابر کربوریزاسیون (>۱۰۰ MPa)، مقاومت در برابر نیتریداسیون (>۱۰۰ MPa)، مقاومت در برابر اکسیداسیون (>۱۰۰۰°C)، مقاومت در برابر سولفیداسیون (>۸۰۰°C)، مقاومت در برابر کربوریزاسیون (>۸۰۰°C)، مقاومت در برابر نیتریداسیون (>۸۰۰°C)، مقاومت در برابر دکربوری