برق , علوم پایه , فیزیک 51 بازدید

در مقاله «گاز نجیب — به زبان ساده» با عنصر نئون با عدد اتمی 10 آشنا شدیم. دیدیم که یکی از کاربردهای گازهای نجیب در حوزه روشنایی و تزئینات است که در مقاله «لامپ زنون — به زبان ساده» با فیزیک و اصول کارکرد مدل خاصی از آن‌ها، یعنی لامپ‌های زنون آشنا شدیم. در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به بررسی لامپ نئون بپردازیم. به صورت کلی فیزیک لامپ نئون همانند لامپ زنون بر اساس تخلیه الکتریکی است.

لامپ تخلیه الکتریکی
شکل (۱): نمایی از لامپ‌های تزئینی تخلیه الکتریکی

با ما در ادامه این مطلب همراه باشید تا بیشتر با لامپ‌ نئون که رنگی در طیف نارنجی – قرمز ایجاد می‌کند، آشنا شوید.

گاز نجیب
شکل (۲): عناصر گروه 18 از جدول تناوبی به گازهای نجیب موسوم هستند.

اتم‌ها و تابش نور

در مقاله «اتم — به زبان ساده» با فیزیک و ساختار اتم‌ها آشنا شدیم. دیدیم که اتم‌ها متشکل از پروتون، نوترون و الکترون هستند. پروتون و نوترون‌ها در هسته اتم قرار داشته که این هسته حدوداً کل جرم اتم را شامل می‌شود. الکترون‌ها نیز در مدار یا ترازهای انرژی در اطراف هسته قرار دارند.

اتم
شکل (3): شماتیکی از یک اتم که از هسته (شامل پروتون و نوترون) و الکترون‌‌هایی که به دور آن قرار گرفته‌اند تشکیل شده است.

مطابق با مدل اتمی بور (Niels Bohr) که مدلی شبه کوانتومی است، الکترون‌ها در ترازهایی با انرژی مشخص در حال گردش هستند. در مقاله «معادله شرودینگر — به زبان ساده» دیدیم که دوبروی (Louis de Broglie) به هر ذره‌ای که تکانه $$P$$ را حمل می‌کند، موجی با طول موج λ نسبت داد. پس می‌توان الکترون‌ها (ذره) را که در مدارهایی به دور هسته چرخش می‌کنند، به صورت موجی با طول موج λ در نظر گرفت.

بور بیان کرد که الکترون‌ها تنها زمانی مدار یا تراز انرژیشان را تغییر می‌دهند که توسط عامل خارجی انرژی دریافت کنند یا انرژی خود را از دست بدهند. همان‌طور که می‌دانید الکترون‌های برانگیخته (ناپایدار) که در ترازهای بالا قرار دارند، تمایل به پایداری داشته و به همین جهت انرژی اضافی خود را در غالب فوتون (کوانتوم انرژی – کوانتوم نور) منتشر می‌کنند. بسته به اختلاف انرژی ترازهای جابه‌جایی الکترون‌ها در هر اتم، طول موج یا فرکانس فوتون تابش شده می‌تواند متفاوت باشد. در مقاله «طیف مرئی — به زبان ساده» دیدیم که امواج الکترومغناطیسی یا فوتون‌های وابسته به آن‌ها اگر فرکانسی بین $$400\ THz$$ تا $$790\ THz$$ داشته باشند، چشم ما قادر به تشخیص و دیدن آن‌ها است.

تابش فوتون
شکل (۴): تابش فوتون با انرژی $$hf$$ بر اساس مدل اتمی بور

با توجه به مطالب فوق، نتیجه می‌شود که اگر الکترون‌های برانگیخته اتم‌ها، فوتون‌هایی با فرکانس‌های ناحیه مرئی تابش کنند، چشم ما قادر به تشخیص آن‌ها است. اساس کار تمامی لامپ‌های تخلیه الکتریکی همین امر است. به بیانی ساده، به هنگام وقوع تخلیه الکتریکی، اتم‌های درون محفظه (غالباً گاز نجیب) انرژی گرفته و الکترون‌های آن‌ها شروع به تابش در فرکانس یا رنگی خاص می‌کنند. در این حالت گاز نجیب درون محفظه لامپ تبدیل به پلاسما می‌شود.

لامپ نئون

یکی از پرکاربردترین نوع از لامپ‌های تخلیه الکتریکی، لامپ نئون است. لامپ‌های تخلیه الکتریکی شامل محفظه‌ای شیشه‌ای بوده که هوای داخل آن را تخلیه و درون آن را از گازهای نجیب (نظیر نئون و زنون) پر می‌کنند. در دو انتهای این محفظه شیشه‌ای، الکترودهایی جهت اعمال اختلاف پتانسیل وجود دارند (شکل 5).

پروب ولتاژ بالا
تصویر (۵): نمایی از الکترودهای ولتاژ بالا برای یک لامپ تخلیه الکتریکی

به عبارت دیگر اتم‌های گاز نئون از طریق اعمال اختلاف پتانسیل برانگیخته شده (تبدیل به پلاسما) و الکترون‌ها با تابش‌ فوتون‌هایی با فرکانس (رنگ) ناحیه مرئی به ترازهای پایین‌تر می‌روند. میزان ولتاژ اعمالی به گاز درون محفظه جهت تبدیل آن به پلاسما، بستگی به چگالی و فشار گاز درون محفظه دارد. به طور حدودی میزان این ولتاژ در مرتبه کیلوولت است. لازم به ذکر است که این مقدار ولتاژ به ولتاژ شکست گاز نیز موسوم است. در واقع می‌توان گفت که این واژه از بحث شکست دی‌الکتریک‌ها در اثر اعمال میدان (ولتاژ) زیاد می‌آید.

با توجه به مطالب فوق، می‌توان فیزیک لامپ نئون را بر اساس شکل (6) به صورت زیر بیان کرد:

فیزیک لامپ تخلیه الکتریکی
شکل (۶): شماتیکی از فیزیک لامپ نئون

بر اساس شماره‌گذاری‌های شکل فوق، داریم:

  1. محفظه‌ای شیشه‌ای که هوای داخل آن تخلیه و با گاز نجیب (بی‌اثر) نئون پر شده است.
  2. در دو طرف محفظه الکترودهای ولتاژ بالا (High Voltage) جهت اعمال ولتاژ به گاز نئون و تبدیل آن به پلاسما وجود دارد. در شکل، الکترود سبز رنگ ترمینال مثبت و الکترود آبی رنگ ترمینال منفی است.
  3. در صورتی که منبع تغذیه خاموش باشد، تنها گاز نجیب نئون در محفظه وجود دارد. همچنین هنگامی که لامپ خاموش شود، در اثر بازترکیب مجدد الکترون‌ها با اتم‌ها، رفته رفته پلاسمای موجود در محفظه از بین رفته و تبدیل به گاز معمولی نئون می‌شود که به دلیل پایداری اتم‌ها و الکترون‌ها، هیچ گونه تابشی را (حداقل در طیف مرئی!) شاهد نیستیم (این عمل تقریباً سریع رخ می‌دهد).
  4. با اعمال اختلاف پتانسیل در مرتبه کیلوولت، گاز نئون درون محفظه، تبدیل به پلاسما (الکترون و یون مثبت) می‌شود. یون‌های ایجاد شده تمایل دارند تا به سمت الکترود منفی بروند. به هنگام کار با ولتاژهای بالا (به خصوص پروب‌های ولتاژ بالای آزمایشگاهی) رعایت نکات ایمنی بسیار مهم است.
  5. الکترون‌ها نیز تمایل دارند تا به سمت الکترود مثبت بروند.
  6. در این حین، الکترون‌ها، اتم‌های نئون (یونیزه نشده‌ها) و یون‌ها دائماً در حال برخورد با یکدیگر هستند. در پی این برخوردهای مکرر، الکترون‌های اتم‌ و یون‌ها برانگیخته شده و می‌توانند فوتونی با فرکانس (رنگ) قرمز (طیف نارنجی – قرمز) تابش کنند.
  7. برخوردهای مذکور با سرعت خیلی بالایی اتفاق می‌افتند. در نتیجه چشم ما شاهد تابشی پیوسته است. لازم به ذکر است که به دلیل دمای بالایی که لامپ نئون دارد، فوتون‌هایی با انرژی مادون قرمز (غیر قابل دیدن) نیز از لامپ نئون منتشر می‌شوند.

چرا نور لامپ نئون طیفی قرمز دارد؟

همان‌طور که در بخش اول این مقاله بیان کردیم، انرژی الکترون‌های یک اتم متناسب با شماره تراز (عدد کوانتومی $$n$$) است. الکترون‌ها می‌توانند با دریافت و یا دادن انرژی بین این تراز‌ها که مقدار انرژی گسسته دارند، جابه‌جا شوند. بسته به شماره ترازها (در واقع انرژی ترازها)، میزان انرژی که الکترون باید دریافت کند و یا بدهد، متفاوت است.

در توصیف کوانتومی، این انرژی به صورت بسته‌هایی کوانتیده موسوم به فوتون در نظر گرفته می‌شود. مطابق با طول موج دوبروی، فوتون (کوانتوم یا ذره نور) را می‌توان موجی با طول موج λ در نظر گرفت که ماهیت این موج، الکترومغناطیسی است. با این اوصاف، انرژی فوتون بسته به اختلاف انرژی دو ترازی که الکترون بین آن‌ها جابه‌جا می‌شد، متفاوت است. یعنی:

$$\large \triangle E = E_{2} – E_{1} = hf = \frac{hc}{\lambda}$$

مطلب فوق را در مقاله «طیف اتمی — به زبان ساده» برای اتم هیدروژن مشاهده کردیم و دیدیم که سری بالمر، لیمان و … هر یک رنگ (فرکانس) مخصص به خود را دارند. با توجه به مطالب گفته شده، اختلاف انرژی دو ترازی که الکترون‌های اتم نئون بین آن‌ها جابه‌جا می‌شود، مقداری است که منجر به تابش فوتونی با فرکانس قرمز می‌شود. پس به طور کلی، دلیل تابش رنگ‌های مختلف از لامپ‌های تخلیه الکتریکی، همین امر است.

به طور مثال نور تابش شده از لامپ آرگون، طیفی آبی – بنفش دارد. یا لامپ‌های زنون طیفی یخی رنگ دارند. با ترکیب گازهای مختلف با گاز نئون می‌توان شاهد تابش رنگ‌های متفاوتی بود. همچنین می‌توانید با استفاده از پوشش‌های فسفری روی لامپ نئون، رنگ‌های متفاوتی را نتیجه بگیرید. به طور مثال با استفاده از فسفر آبی روی لامپ نئون، می‌توانید نوری صورتی و با استفاده از فسفر سبز، نوری نارنجی داشته باشید.

در شکل زیر، رنگ خالص تابش شده از پلاسما‌های گاز نجیب نشان داده شده است.

لامپ پلاسما
شکل (7): لامپ‌های پرشده از گازهای نجیب که در اثر تخلیه الکتریکی، تبدیل به پلاسما شده‌اند. رنگ نور تابش شده از لامپ نئون طیف نارنجی – قرمز دارد.

مفهوم کاتد سرد

ممکن است که هنگام کار با لامپ نئون یا دیگر لامپ‌های تخلیه الکتریکی، عنوان کاتد سرد به چشمتان خورده باشد. این عبارت اغلب گمراه کننده بوده و در ذهن خواننده کاتدی با دمای پایین و سرد را پدید می‌آورد. عبارت کاتد سرد از این حیث به کار می‌رود که الکترون‌های پدید آمده در سیستم حاصل گسیل گرمایی یا ترمویونی نیستند. به عبارت دیگر، فیلمان‌های داغ در لامپ‌ها (نظیر یک لامپ معمولی با فیلمان تنگستن یا لامپ‌های تصویر در مانیتورهای قدیمی یا اسیلوسکوپ‌ها) باعث پدید آمدن الکترون‌ها و گسیل آن‌ها از طریق مکانیزم ترمویونی می‌شود.

در واقع با گرم شدن خیلی زیاد این کاتد‌ها، الکترون‌ها از طریق انرژی گرمایی، انرژی کافی جهت آزاد شدن از قید اتم‌ها را پیدا می‌کنند. از این حیث به لحاظ تاریخی به الکترون‌ها، پرتوهای کاتدی نیز می‌گویند. با این اوصاف، عبارت کاتد سرد در یک لامپ نئون به معنی سرد بودن الکترود‌های مثبت و منفی آن نیست. همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، لامپ نئون به دلیل دمای بالا، تابش‌هایی در طیف مادون قرمز نیز دارد.

تاریخچه

برای اولین بار مهندس فرانسوی جورج کلود (Georges Claude 1870-1960) لامپ نئون را در ۷ مارس 1910 میلادی اختراع و در فرانسه به ثبت رساند. این لامپ در حدود دهه 1920 میلادی به آمریکا راه پیدا کرد. شکل زیر پتنت (patent) ثبت شده از اختراع جورج کلود در آمریکا را در سال 1915 نشان می‌دهد.

اختراع لامپ نئون
شکل (۸): شکلی از لامپ نئون پتنت شده در آمریکا توسط جورج کلود در سال 1915 میلادی

در شکل فوق، قسمت قرمز رنگ، لوله شیشه‌ای حاوی گاز نئون است که دو الکترود ولتاژ بالای زرد رنگ در دو سمت آن قرار دارد. جورج کلود پی برده بود که ناخالصی‌های درون محفظه شیشه‌ای به شدت روی عملکرد لامپ اثر می‌گذارند. به همین جهت در وسط محفظه دریچه‌ای جهت خلأ کردن محفظه قبل از ورود گاز نئون تدارک دید (قسمت آبی رنگ). قسمت سبز رنگ نیز حاوی چوب یا ذغال جهت جذب ناخالصی‌های محفظه شیشه‌ای است.

دوره آموزشی ویدئویی پروژه محور Comsol (استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه‌سازی تخلیه الکتریکی)

همان‌طور که در این مقاله مطرح کردیم، فیزیک و عملکرد لامپ‌ نئون، لامپ زنون و سایر لامپ‌های مشابه، بر اساس تخلیه الکتریکی است. مقوله تخلیه الکتریکی تنها برای ساخت و طراحی لامپ‌های نئون و زنون مطرح نبوده و برای مطالعه سیستم‌های پلاسمایی بسیار مورد توجه است. چرا که در دسترس‌ترین روش برای تولید پلاسمای مصنوعی، اعمال ولتاژهای بسیار بالا به گازهای نجیب بوده که به تخلیه الکتریکی موسوم است.

امروزه فیزیک و مهندسی پلاسما رفته رفته جای خود را در کاربردهای مختلف صنعتی و پزشکی نظیر ساخت قطعات نیمه‌رسانا، نمایشگرهای پلاسما، انرژی گداخت هسته‌ای، درمان زخم و بهبود پوست و … باز کرده‌اند. جهت تحقق هر کدام از کاربردهای معرفی شده و صد‌ها کاربرد دیگر، نیاز به یک تخلیه الکتریکی متناسب با فیزیک مسئله است.

امروزه بحث شبیه‌سازی به جهت کاهش هزینه‌های مطالعاتی و صرفه‌جویی در زمان و مواد مصرفی، قبل از مرحله ساخت و طراحی بسیار مورد توجه است. یکی از نرم‌افزارهایی که در همین راستا در بحث شبیه‌سازی سیستم‌های پلاسمایی بسیار پرکاربرد است، نرم‌ افزار چند منظوره کامسول مولتی فیزیک (COMSOL Multiphysics) بوده که ماژولی اختصاصی جهت شبیه‌‌سازی محیط‌های پلاسمایی دارد. با استفاده از ماژول مذکور می‌توان سیستم‌های مختلف پلاسمایی را در دمای پایین، شبیه‌سازی کرد.

ماژول پلاسما در نرم‌افزار کامسول، ابزاری تخصصی جهت شبیه‌سازی تخلیه الکتریکی تعادلی و غیرتعادلی است که می‌تواند گستره وسیعی از مسائل مهندسی پلاسما را پوشش دهد. از Plasma Module می‌توان در شبیه سازی انواع سیستم های یک، دو و سه بعدی استفاده کرد. در صورتی که دانشجوی فیزیک پلاسما هستید، یا به طریقی با سیستم‌های پلاسمایی سر و کار دارید، دوره آموزش ویدوئی زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

  • آموزش ویدئویی پروژه محور کامسول – استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه‌سازی تخلیه الکتریکی [لینک آموزش]

در دوره ویدئویی فوق، شبیه‌سازی تخلیه الکتریکی تابان (Glow Discharge)، تخلیه الکتریکی هاله (Corona Discharge) و تخلیه الکتریکی با سد دی‌الکتریک (DBD)، در فشارهای پایین و اتمسفری و با ولتاژهای DC و AC با گاز ورودی آرگون و هوا آموزش داده می‌شوند. همچنین نحوه ذخیره نمودارها و روش‌های تحلیل نتایج به طور کامل شرح داده خواهند شد.

دوره آموزش ویدئویی مذکور در ۸ ساعت و در ۵ فصل به شرح ذیل تدوین شده است:

در فصل اول از این دوره آموزشی، با مبانی فیزیک پلاسما، توصیف سیالی پلاسما و روش‌های شبیه‌سازی آن آشنا می‌شوید. همچنین چند منبع مفید در زمینه فیزیک و مهندسی پلاسما معرفی شده و در نهایب ماژول پلاسما در نرم‌افزار کامسول مورد بررسی قرار می‌گیرد.

فصل دوم از این مجموعه به شبیه سازی پلاسمای الکترون با مدل رانش – پخش در فشار پایین و ولتاژ ثابت DC اختصاص دارد. در فصل سوم نیز تخلیه الکتریکی تابان گاز نجیب آرگون در فشار پایین و ولتاژ ثابت DC بحث می‌شود.

در فصل چهارم به شبیه‌سازی تخلیه هاله یا کرونا گاز آرگون و هوا (غالباً تشکیل شده از نیتروژن) در فشار اتمسفری و ولتاژ ثابت DC می‌پردازیم. فصل پنجم نیز به شبیه‌سازی تخلیه الکتریکی با سد دی الکتریک (DBD) برای گاز آرگون و ولتاٰژ AC اختصاص دارد.

اگر مطلب فوق برایتان مفید بود، مطالب مرتبط زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

^^

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

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» 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. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

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 *

برچسب‌ها