برق , علوم پایه , فیزیک 92 بازدید

احتمالاً بارها چشمانتان را در مقابل نور سفید پرشدت فلاش‌های عکاسی زنون بسته‌اید. یا شاید در چراغ‌های خودرو خود، از لامپ‌های پرنوری موسوم به لامپ‌های زنون استفاده می‌کنید. همان‌طور که بارها شاهد بودید، نور حاصل از این چراغ‌ها یا فلاش‌ها بسیار پرشدت و خیره‌کننده است. اگر علاقمند هستید تا اطلاعات بیشتری در خصوص عملکرد و ساختار لامپ‌های تخلیه الکتریکی «آرک» (Arc Lamps)، به ویژه لامپ‌های زنون (Xenon Lamps) کسب کنید، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده به بررسی فیزیک لامپ زنون بپردازیم.

لامپ‌های تخلیه الکتریکی چگونه کار می‌کنند؟

همه لامپ‌ها می‌توانند نور تولید کنند. اما مکانیزم تولید نور در آن‌ها می‌تواند با یکدیگر متفاوت باشد. در لامپ‌های رشته‌ای (Incandescent light bulb) به هنگام عبور جریان الکتریکی از آن‌ها، فلز «فیلمان» (Filament) بسیار نازکی از جنس «تنگستن» (Tungsten) که در داخل حبابی شیشه‌ای قرار دارد، بسیار گرم شده و شروع به گسیل (تابش) نور می‌کنند.

فیلمان تنگستن
تصویر (۱): نمایی زوم شده از رشته نازک تنگستن در یک لامپ رشته‌ای. ضربه یا تکان‌های شدید باعث ریزش این رشته شده و در نتیجه لامپ روشن نمی‌شود.

نور تابش شده از لامپ‌های معمولی فرکانسی در ناحیه مادون قرمز و طیف مرئی (بیشتر در ناحیه قرمز و نارنجی) قرار دارد.

لامپ رشته‌ ای
تصویر (۲): نمایی از یک لامپ رشته‌ای

لامپ‌های «فلورسنت» (Fluorescent) که با عنوان لامپ‌های کم‌مصرف در بازار شناخته می‌شوند، نور را به شیوه متفاوتی تولید می‌کنند. در داخل حباب یا محفظه‌ این نوع لامپ‌ها معمولاً گازهایی نجیب نظیر نئون و آرگون به همراه بخار جیوه وجود دارد. جهت آشنایی بیشتر با گازهای نجیب به مقاله «گاز نجیب — به زبان ساده» مراجعه کنید. با اعمال ولتاژی در حدود ولتاژ شکست گاز نئون یا آرگون (توسط ترانس یا به طور دقیق‌تر «بالاست» (Ballast))، گازهای مذکور تبدیل به پلاسما شده و در نتیجه برخوردهای مکرر با عناصر جیوه، باعث تحریک آن‌ها می‌شوند. جیوه برانگیخته شده خود شروع به تابش فوتونی در ناحیه فرابنفش می‌کند. این فوتون یا امواج فرابنفش با برخورد به جداره لامپ که توسط لایه‌ای از ماده فلورسنت پوشیده شده است، باعث می‌شوند که ماده فلوسنت شروع به تابش در ناحیه مرئی کند. اگر دقت کرده باشید اکثر لامپ‌های مهتابی و کم‌مصرف موجود در بازار نوری سفید آبی (یخی) دارند. در واقع فرکانس نور تابیده شده در ناحیه آبی است.

لامپ کم مصرف
تصویر (۳): نمایی از یک لامپ فلورسنت، موسوم به لامپ‌های کم‌مصرف

لامپ‌های زنون، همانند لامپ‌های نئون، نمونه‌هایی از لامپ‌های قوس الکتریکی (Electric arc) یا به بیان دقیق‌تر لامپ‌های تخلیه الکتریکی هستند. می‌توانید قوس الکتریکی را نمونه‌ای کوچک از رعد و برق در نظر بگیرید که بین دو سطح مختلف ولتاژ زده می‌شود.

قوس الکتریکی
تصویر (۴): نمایی از یک قوس الکتریکی بین دو رشته سیم. ولتاژ مورد نیاز برای شکست هوا و ایجاد قوس به فاصله بین دو سطح ولتاژ، فشار و چگالی هوا بستگی دارد. نور بنفش رنگ به دلیل پلاسما شدن نیتروژن هوا است.

قوس الکتریکی در شرایط کنترل شده‌ای در داخل یک لوله شیشه‌ای پر شده از یک گاز در فشار کم یا زیاد (بسته به نوع کاربرد) بین دو الکترود اتفاق می‌افتد. این دو الکترود در دو انتهای لوله قرار داشته و به منبع تغذیه‌ای با ولتاژ بالا متصل است.

لامپ زنون
تصویر (۵): نمایی از الکترودهای ولتاژ بالا برای یک لامپ ۱۵ کیلووات زنون

در بخشی از مقاله «دی الکتریک — به زبان ساده» دیدیم که میدان الکتریکی حاصل از ولتاژهای قوی، باعث جدا شدن الکترون‌ها از اتم و در نتیجه افزایش الکترون‌های آزاد می‌شود. این الکترون‌های آزاد می‌توانند در یک مسیر (همانند رعدوبرق) به صورت ناگهانی شارش یابند.

در اینجا نیز به هنگام اعمال ولتاژهای بالا، بسته به فشار گاز زنون درون لوله شیشه‌ای، یک میدان الکتریکی بسیار قوی ایجاد شده که در نتیجه آن جدا شدن الکترون‌ها از اتم زنون و تشکیل یون‌های زنون را داریم. در واقع گاز زنون به پلاسما تبدیل می‌شود. در این میدان، الکترون‌ها به سمت قطب مثبت و یون‌ها به سمت قطب منفی حرکت کرده و در نتیجه، جریان الکتریکی بین دو الکترود، موسوم به قوس الکتریکی پدید می‌آید. نور حاصل از این قوس و پلاسمای زنون، بسته به عوامل مختلف می‌تواند نور سفیدی همانند نور خورشید تولید کند.

گازهای نجیب
تصویر (۶): لامپ‌های تخلیه الکتریکی پر شده از گازهای نجیب. نور تابش شده از هر عنصر، فرکانس (رنگ) متفاوتی دارد.

البته جدا از این نور، خود الکترود‌ها به دلیل اینکه حین عمل تا دمای نزدیک 3000 درجه سانتی‌گراد داغ می‌شوند، از خود نور تولید می‌کنند. از این حیث جنس الکترودها را تنگستن که نقطه ذوبی حدود 3400 درجه سانتی‌گراد دارد، انتخاب می‌کنند. رنگ نور تابش شده به نوع گاز مورد استفاده در لامپ بستگی دارد. در لامپ‌هایی که با گاز نئون پر شده‌اند، نور تابشی طیفی قرمز دارد. در لامپ‌های جیوه، نور تابشی سرد‌تر (منظور دمای رنگ) و روشن‌تر است. لامپ‌های زنون نیز نوری سفید‌تر و مثل نور سفید خورشید در روز دارند.

لامپ های تخلیه الکتریکی
شکل (۷): طول‌ موج‌های نور تابش شده از لامپ‌های جیوه، زنون و زنون-جیوه

در برخی لامپ‌ها جیوه و زنون به صورت ترکیبی در داخل لوله شیشه‌ای وجود داشته و در نتیجه طیف وسیع‌تری از فرکانس‌ها تابش می‌شود. در مقاله «طیف الکترومغناطیسی — به زبان ساده» دیدیم که می‌توانیم به فوتون‌های وابسته امواج الکترومغناطیسی دمایی نسبت دهیم. هرچه فرکانس بیشتر باشد، دما نیز بیشتر است. در امور مختلف و بحث روشنایی مرتبط به آن‌ها، دمای رنگ بسیار حائز اهمیت است.

دمای رنگ
شکل (۸): دمای فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی، رابطه مستقیمی با افزایش فرکانس دارد.

انواع لامپ‌ زنون

به طور کلی می‌توان گفت که لامپ‌های زنون در دو نوع پیوسته (مثل چراغ خودروها) و فلاشی (همانند آنچه در دوربین‌های عکاسی است) وجود دارند.

فلاش زنون

فلاش‌های زنون که اغلب در دوربین‌های عکاسی کاربرد دارند، در یک لحظه (میلی‌ثانیه تا میکروثانیه) نور درخشان و سفیدی را تابش می‌کنند. این نور بین 10 تا 100 برابر از نور یک لامپ رشته‌ای روشن‌تر است.

فلاش عکاسی
تصویر (9): نمایی از یک فلاش عکاسی

نمونه‌های قابل حمل این فلش‌ها به صورت کوچک‌تر روی دوربین‌ها سوار می‌شوند. از آنجایی که تامین ولتاژ ناگهانی برای رخ دادن پدیده قوس در فلاش زنون از عهده باتری دوربین خارج است، این فلاش‌ها به همراه یک خازن با ولتاژی متناسب با فلاش همراه هستند. از آنجایی که خازن می‌تواند یکباره (با سرعت) زیادی تخلیه شود، ولتاژ مورد نیاز برای زدن فلاش را فراهم می‌کند. اگر دقت کرده باشید، زدن فلاش دوم بلافاصله پس از فلاش اول امکان پذیر نیست و شما باید به مدت زمان شارژ کامل دوباره خازن صبر کنید.

فلاش زنون کوچک
تصویر (۱۰): نمایی از یک فلاش زنون کوچک به همراه خازن‌های تامین کننده ولتاژ

لامپ زنون (نور پیوسته)

در این گونه از لامپ‌های زنون، متناسب با فشار گاز درون لامپ و فاصله دو الکترود، از ولتاژ کمتر و ثابتی برای تولید نور استفاده می‌کنند. در واقع این نوع لامپ زنون مثل لامپ‌های نئون به صورت مدام نور تابش می‌کند. نور تابش شده از این نوع لامپ زنون در مقایسه با نور فلاش‌ زنون، ملایم‌تر است. لامپ‌های مورد استفاده فانوس‌های دریایی یا پروژکتورهای فیلم‌برداری از این نوع هستند.

لامپ زنون
تصویر (۱۱): نمایی از یک لامپ زنون ۱۰۰۰ واتی که به طور پیوسته نور تابش می‌کند.

لامپ زنون HID

لامپ‌های زنون «تخلیه با شدت بالا» (High Intensity Discharge)، لامپ‌هایی به نسبت کوچکی هستند که در آن‌ها قوس الکتریکی بین دو الکترود که در فاصله‌ای حدود ۲ میلی‌متر از یکدیگر قرار دارند، زده می‌شود. این نوع از لامپ زنون که اکثراً اصطلاح HID به تنهایی برای آن‌ها به کار می‌رود در سال 1990 توسط شرکت «فیلیپس» اختراع شد. لامپ‌های مذکور که امروزه در چراغ جلوی خودروها به وفور استفاده می‌شوند، تا 50٪ نور بیشتری نسبت به لامپ‌های معمولی ایجاد می‌کنند.

لامپ زنون HID
تصویر (۱۲): نمایی از لامپ‌های زنون HID مورد استفاده در چراغ خودروها

البته یکی از اشکالات لامپ‌های زنون این است که همانند لامپ‌های فلورسنت، مقداری موج الکترومغناطیسی در طیف فرابنفش تولید می‌کنند که نیاز است تا فیلترهایی برای جذب این امواج به کار گرفته شود.

لامپ‌ زنون HID همانند لامپ‌های فلورسنت، نظیر مهتابی برای راه‌اندازی اولیه نیاز به «بالاست» (Ballast) دارند. بالاست ولتاژ اولیه که مقداری بیشتر از ولتاژ کاری لامپ است را تامین می‌کند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

به عنوان حامی، استارتاپ، محصول و خدمات خود را در انتهای مطالب مرتبط مجله فرادرس معرفی کنید.

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» فارغ‌التحصیل مقطع کارشناسی‌ ارشد در رشته فوتونیک و دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *