مبدأ عمل المصباح المتوهج وبنية المصباح المتوهج

المصباح الكهربائي الذي يعمل على مبدأ اللمعان الحراري يُسمى مصباح لامع. بعبارة أخرى، المصباح الذي يعمل بسبب التوهج الناتج عن تيار كهربائي يمر فيه يُسمى مصباح لامع.

كيف تعمل المصابيح اللامعة؟

عند تسخين جسم، تصبح الذرات داخل الجسم متحمسة حرارياً. إذا لم يصهر الجسم، فإن الإلكترونات الخارجية للذرات تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى بسبب الطاقة الموردة. الإلكترونات في هذه المستويات الطاقية الأعلى ليست مستقرة، وتتراجع مرة أخرى إلى مستويات طاقة أقل. أثناء انخفاضها من مستويات طاقة أعلى إلى مستويات طاقة أقل، تطلق الإلكترونات طاقتها الإضافية على شكل فوتونات. يتم إصدار هذه الفوتونات من سطح الجسم على شكل إشعاع كهرومغناطيسي.

سيكون لهذا الإشعاع أطوال موجية مختلفة. جزء من هذه الأطوال الموجية ضمن نطاق الأطوال الموجية المرئية، وجزء كبير منها ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء. الموجة الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء هي طاقة حرارية، والموجة الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية ضمن نطاق الأطوال الموجية المرئية هي طاقة ضوئية.

اللمعان يعني إنتاج الضوء المرئي عن طريق تسخين جسم. يعمل المصباح اللامع بنفس المبدأ. أبسط شكل للمصدر الصناعي للضوء باستخدام الكهرباء هو المصباح اللامع. هنا نستخدم تيار كهربائي ليمر عبر سلك دقيق ورقيق لإنتاج الضوء المرئي. يرفع التيار درجة حرارة السلك إلى حد يجعله مضيئاً.

تاريخ المصباح اللامع

عادة ما يعتبر أن توماس إديسون هو مخترع المصباح اللامع، ولكن التاريخ الحقيقي ليس كذلك. كان هناك العديد من العلماء الذين عملوا وصمموا نماذج أولية للمصباح اللامع قبل إديسون. أحد هؤلاء كان الفيزيائي البريطاني جوزيف ويلسون سوان. من السجلات، يتضح أنه حصل على أول براءة اختراع للمصباح اللامع. فيما بعد، اندمج إديسون وسوان لإنتاج المصابيح اللامعة على نطاق تجاري.

بناء المصباح اللامع

يتم توصيل السلك الدقيق بين سلكين قادمين. يتم توصيل أحد أسلاك القاعدة بالاتصال السفلي والآخر ينتهي على القاعدة المعدنية للمصباح. يمر كل من أسلاك القاعدة عبر دعم زجاجي مثبت في الوسط السفلي للمصباح. يتم استخدام سلكين داعمين مرتبطين بالدعم الزجاجي لدعم السلك الدقيق في منتصفه. يتم عزل الاتصال السفلي عن القاعدة المعدنية بواسطة مواد عازلة. يتم تغليف النظام بأكمله بواسطة كرة زجاجية ملونة أو مطلية أو شفافة. قد تكون الكرة الزجاجية مملوءة بالغازات غير النشطة أو تكون خالية من الهواء اعتمادًا على تصنيف المصباح اللامع.

يتم إخلاء السلك الدقيق للمصابيح اللامعة بإحكام مع كرة زجاجية مناسبة الشكل والحجم. تُستخدم هذه الكرة الزجاجية لعزل السلك الدقيق عن الهواء المحيط لمنع أكسدة السلك وإلى الحد الأدنى من تدفق الحمل الحراري حول السلك وبالتالي الحفاظ على درجة حرارة السلك عالية.

إما أن تكون الكرة الزجاجية خالية من الهواء أو مليئة بالغازات غير النشطة مثل الأرجون بنسبة صغيرة من النيتروجين تحت ضغط منخفض. تُستخدم الغازات غير النشطة لتقليل تبخر السلك الدقيق أثناء تشغيل المصابيح. ولكن بسبب تدفق الحمل الحراري للغاز غير النشط داخل الكرة، سيكون هناك احتمال أكبر لفقدان حرارة السلك أثناء التشغيل.

مرة أخرى، الفراغ هو عازل حراري رائع، ولكنه يسرع تبخر السلك الدقيق أثناء التشغيل. في حالة المصابيح اللامعة المليئة بالغاز، يتم استخدام 85٪ من الأرجون مختلط بـ 15٪ من النيتروجين. يمكن استخدام الكريبتون أحيانًا لتقليل تبخر السلك لأن وزن الجزيء لغاز الكريبتون أعلى بكثير.

ولكن هذا يكلف أكثر. يتم ملء الغازات في الكرة عند حوالي 80٪ من الضغط الجوي. يتم ملء الغاز في الكرة للمصابيح التي تزيد قدرتها عن 40 واط. ولكن للمصابيح أقل من 40 واط، لا يتم استخدام غاز.

تظهر أجزاء المصباح اللامع المختلفة أدناه.

السلك الدقيق للمصباح اللامع

في أيامنا الحالية، تتوفر المصابيح اللامعة بأحجام مختلفة مثل 25، 40، 60، 75، 100 و200 واط وما إلى ذلك. هناك أشكال مختلفة للمصابيح، ولكن بشكل عام، جميعها مستديرة. هناك ثلاثة مواد أساسية تُستخدم لإنتاج السلك الدقيق للمصابيح اللامعة، وهي الكربون والتانتالوم والتنجستن. كان الكربون يستخدم سابقًا كمادة للسلك الدقيق، ولكن حاليًا يتم استخدام التنجستن بشكل أساسي لهذه الغاية.

نقطة الانصهار للسلك الدقيق من الكربون حوالي 3500°م، ودرجة الحرارة التشغيلية لهذا السلك حوالي 1800°م، وبالتالي فإن احتمال التبخر قليل جداً. بسبب ذلك، فإن المصابيح اللامعة ذات السلك الدقيق من الكربون تكون خالية من التعتيم بسبب تبخر السلك. يحدث تعتيم السلك عندما تترسب جزيئات مادة السلك على الجدار الداخلي للكرة الزجاجية بسبب تبخر السلك أثناء التشغيل.

يصبح هذا التعتيم بارزًا بعد فترة طويلة من عمر المصباح. كفاءة مصباح الكربون ليست جيدة وهي حوالي 4.5 لومين لكل واط. تم استخدام التانتالوم كسلك دقيق، ولكن كفاءته ضعيفة للغاية وهي حوالي 2 لومين لكل واط. لهذا السبب، فإن التانتالوم نادر الاستخدام كعنصر سلك دقيق.

المادة الأكثر استخدامًا حاليًا للسلك الدقيق هي التنجستن بسبب كفاءتها الإشعاعية العالية. يمكن أن تعطي 18 لومين لكل واط عندما تعمل عند 2000°م. يمكن أن تصل هذه الكفاءة إلى 30 لومين لكل واط عند العمل عند 2500°م. نقطة الانصهار العالية هي معيار رئيسي لمواد السلك الدقيق حيث يجب أن تعمل عند درجات حرارة عالية دون أن تتعرض للتبخر.

رغم أن التنجستن له نقطة انصهار أقل قليلاً من الكربون، إلا أن التنجستن أكثر تفضيلاً كمادة للسلك الدقيق. هذا بسبب درجات الحرارة التشغيلية العالية التي تجعل التنجستن أكثر كفاءة إشعاعية. قوة السلك الدقيق من التنجستن عالية بما يكفي لتحمل الاهتزازات الميكانيكية.

عمر المصابيح اللامعة

مهما كانت تقنية التصنيع، فإن كل نوع من المصابيح اللامعة له عمر تقريبي. هذا بسبب ظاهرة تبخر السلك الدقيق والتي يمكن تقليلها ولكن لا يمكن تجنبها تماماً.

بسبب تبخر السلك الدقيق، تتعتيم الكرة الزجاجية بمرور الوقت. نتيجة لتبخر السلك الدقيق، يصبح السلك أرق مما يجعله أقل كفاءة إشعاعية وأخيراً ينكسر السلك. بما أن المصابيح اللامعة متصلة مباشرة بخط التغذية، فإن التقلبات في الجهد تؤثر على أداء المصباح.

قد تبين أن الكفاءة الإشعاعية للمصباح اللامع تناسب مربع الجهد الم alimentado, pero al mismo tiempo, la vida útil de la lámpara es inversamente proporcional a la 13ª a la 14ª potencia del voltaje de suministro. Las principales ventajas de las lámparas incandescentes son que son lo suficientemente baratas y muy adecuadas para la iluminación en pequeñas áreas. Sin embargo, estas lámparas no son eficientes en energía y aproximadamente el 90% de la energía eléctrica de entrada se pierde como calor.

توفر المصابيح اللامعة في السوق

هناك أشكال وأحجام متنوعة ومغرية للمصابيح المتاحة في السوق. تأتي المصابيح PS30 بشكل الكمثرى، والمصباح T12 أسطواني بقطر 1.5 بوصة، والمصباح R40 مع مظلة مصباح منعكسة قطرها 5 بوصات. بناءً على توافر القدرة، فإن المصابيح شائعة في السوق بـ 25، 40، 60، 75، 100، 150 و200 واط وما إلى ذلك. يمكننا اتباع الجدول أدناه للحصول على بيانات مهمة حول المصباح اللامع.