پرینسیپ لامپ گرمایی و ساختار لامپ گرمایی

منبع نور الکتریکی که بر اساس پدیده تابش گرمایی کار می‌کند، به آن لامپ تابشی گفته می‌شود. به عبارت دیگر، لامپی که به دلیل تابیدن فلزی که توسط جریان الکتریکی گرم می‌شود، به آن لامپ تابشی گفته می‌شود.

چگونه لامپ‌های تابشی کار می‌کنند؟

وقتی یک شیء گرم می‌شود، اتم‌ها در داخل آن از لحاظ حرارتی برانگیخته می‌شوند. اگر شیء ذوب نشود، الکترون‌های مدار خارجی اتم‌ها به سطوح انرژی بالاتر جهش می‌کنند. الکترون‌های در این سطوح انرژی بالا پایدار نیستند و دوباره به سطوح انرژی پایین‌تر بازمی‌گردند. در حین بازگشت از سطوح انرژی بالا به پایین، الکترون‌ها انرژی اضافی خود را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند. این فوتون‌ها سپس از سطح شیء به صورت تابش الکترومغناطیسی خارج می‌شوند.

این تابش طول موج‌های مختلفی خواهد داشت. بخشی از این طول موج‌ها در محدوده طول موج قابل مشاهده است و بخش قابل توجهی از طول موج‌ها در محدوده مادون قرمز قرار دارد. امواج الکترومغناطیسی با طول موج در محدوده مادون قرمز انرژی گرما و امواج الکترومغناطیسی با طول موج در محدوده قابل مشاهده انرژی نور هستند.

تابشی به معنای تولید نور قابل مشاهده با گرم کردن یک شیء است. یک لامپ تابشی بر اساس همین اصل کار می‌کند. ساده‌ترین نوع منبع مصنوعی نور با استفاده از برق یک لامپ تابشی است. در اینجا ما از جریان الکتریکی برای جریان از طریق یک فلز ریز و نازک برای تولید نور قابل مشاهده استفاده می‌کنیم. جریان دمای فلز را به حدی افزایش می‌دهد که آن را روشن می‌کند.

تاریخچه لامپ تابشی

معمولاً فکر می‌شود که توماس ادیسون مخترع لامپ تابشی بوده است، اما تاریخ واقعی اینطور نبوده است. تعداد زیادی از دانشمندان قبل از ادیسون روی طراحی پروتотیپ لامپ تابشی کار کرده‌اند. یکی از آنها فیزیکدان بریتانیایی جوزف ویلسون سوان بود. از رکورد مشخص می‌شود که او اولین پتنت لامپ تابشی را دریافت کرده است. سپس ادیسون و سوان برای تولید لامپ‌های تابشی در مقیاس تجاری با یکدیگر ادغام شدند.

ساختار لامپ تابشی

فلز به دو سیم اتصال متصل می‌شود. یک سیم اتصال به تماس پایه و دیگری به قسمت فلزی پایه لامپ متصل می‌شود. هر دو سیم اتصال از طریق پشتیبانی شیشه‌ای که در وسط پایین لامپ نصب شده است عبور می‌کنند. دو سیم پشتیبان نیز به پشتیبانی شیشه‌ای متصل شده‌اند که برای پشتیبانی از فلز در بخش وسط آن استفاده می‌شوند. تماس پایه از قسمت فلزی توسط مواد عایق جدا شده است. کل سیستم در یک لامپ شیشه‌ای رنگی یا پوششی یا شفاف قرار دارد. لامپ شیشه‌ای ممکن است با گازهای غیرفعال پر شده یا خلا کامل باشد، بسته به مقدار لامپ تابشی.

فلز لامپ‌های تابشی با لامپ شیشه‌ای با شکل و اندازه مناسب به صورت محکم خلاء می‌شود. این لامپ شیشه‌ای برای جداسازی فلز از هوای اطراف برای جلوگیری از اکسیداسیون فلز و کاهش جریان تابشی اطراف فلز و حفظ دمای بالای فلز استفاده می‌شود.

لامپ شیشه‌ای ممکن است خلاء یا با گازهای غیرفعال مانند آرگون با درصد کمی از نیتروژن در فشار کم پر شود. گازهای غیرفعال برای کاهش تبخیر فلز در طول عمر لامپ استفاده می‌شوند. اما به دلیل جریان تابشی گاز غیرفعال در داخل لامپ، احتمال از دست دادن گرما از فلز در حین عملکرد بیشتر خواهد بود.

دوباره خلاء عایق گرمای بزرگی است، اما تبخیر فلز را در حین عملکرد تسهیل می‌کند. در مورد لامپ‌های تابشی پر از گاز، ۸۵٪ آرگون با ۱۵٪ نیتروژن استفاده می‌شود. گاهی اوقات کریپتون می‌تواند برای کاهش تبخیر فلز استفاده شود زیرا وزن مولکولی گاز کریپتون بسیار بالاتر است.

اما این کار بسیار هزینه‌بر است. در حدود ۸۰٪ فشار جو، گازها به لامپ پر می‌شوند. گاز به لامپ‌های با مقدار بیش از ۴۰ وات پر می‌شود. اما برای لامپ‌های کمتر از ۴۰ وات؛ گازی استفاده نمی‌شود.

اجزای مختلف یک لامپ تابشی در زیر نشان داده شده است.

فلز لامپ تابشی

در روزهای کنونی، لامپ‌های تابشی با مقدارهای مختلف وات مانند ۲۵، ۴۰، ۶۰، ۷۵، ۱۰۰ و ۲۰۰ وات و غیره موجود هستند. اشکال مختلفی از لامپ‌ها وجود دارد، اما عموماً همه آنها دایره‌ای شکل هستند. سه ماده اصلی برای تولید فلز لامپ‌های تابشی استفاده می‌شود که شامل کربن، تانتالوم و تنگستن هستند. کربن قبلاً برای ماده فلزی استفاده می‌شد، اما حالا تنگستن بیشتر برای این منظور استفاده می‌شود.

نقطه ذوب فلز کربن حدود ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد است و دمای عملکرد این فلز حدود ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد است، بنابراین احتمال تبخیر بسیار کم است. به دلیل اینکه فلز کربن، لامپ‌های تابشی از تاریک شدن به دلیل تبخیر فلز آزاد هستند. تاریک شدن لامپ وقتی رخ می‌دهد که مولکول‌های ماده فلزی به دلیل تبخیر فلز در طول عملکرد روی دیواره داخلی لامپ شیشه‌ای ترکیب می‌شوند.

این تاریک شدن پس از طول عمر بلند لامپ برجسته می‌شود. کارایی لامپ فلز کربن خوب نیست و حدود ۴.۵ لمبرن بر وات است. تانتالوم به عنوان فلز استفاده شد، اما کارایی آن بسیار ضعیف است و حدود ۲ لمبرن بر وات است. این به دلیل آن است که تانتالوم بسیار نادر به عنوان عنصر فلزی استفاده می‌شود.

ماده فلزی بیشتر استفاده شده در روزهای کنونی تنگستن است به دلیل کارایی نوری بالای آن. آن می‌تواند ۱۸ لمبرن بر وات تولید کند وقتی در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند. این کارایی می‌تواند تا ۳۰ لمبرن بر وات وقتی در دمای ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند. نقطه ذوب بالا معیار مهمی برای ماده فلزی است زیرا باید در دمای بسیار بالا بدون تبخیر کار کند.

با اینکه تنگستن دارای نقطه ذوب کمتری نسبت به کربن است، اما همچنان تنگستن بیشتر ترجیح داده می‌شود به عنوان ماده فلزی. این به دلیل دمای عملکرد بالا است که تنگستن را بسیار کارآمدتر می‌کند. قدرت مکانیکی فلز تنگستن بسیار بالا است تا بتواند از لرزش‌های مکانیکی تحمل کند.

عمر مفید لامپ‌های تابشی

هر چه تکنولوژی تولید باشد، هر نوع لامپ تابشی عمر مفید تقریبی خاصی دارد. این به دلیل پدیده تبخیر فلز است که می‌توان آن را کاهش داد اما نمی‌توان آن را کاملاً اجتناب کرد.

به دلیل تبخیر فلز، لامپ شیشه‌ای با گذشت زمان تار می‌شود. به دلیل تبخیر فلز، فلز ریزتر می‌شود که فلز را کمتر کارآمد می‌کند و در نهایت فلز شکسته می‌شود. از آنجا که لامپ‌های تابشی مستقیماً به خط تغذیه متصل هستند، نوسانات ولتاژ در خط، عملکرد لامپ را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

پیدا شده است که کارایی نوری یک لامپ تابشی مستقیماً متناسب با مجذور ولتاژ تغذیه است، اما در عین حال، عمر مفید لامپ به توان ۱۳ تا ۱