مصباح الإضاءة

المصابيح هي مصدر الإضاءة الكهربية حيث تقوم بتحويل القدرة الكهربية إلى قدرة ضوئية , ويوجد أنواع كثيرة من مصابيح الإضاءة تختلف في تركيبها وطرق تشغيلها وكفاءتها ولون إضاءتها .

مصابيح التنجستين الهالوجينية

الأصل أنها مصابيح تنجستين وأضيف لها أحد الهالوجين ( يود - بروم - فلور ) ويصدر عنها حرارة عالية لذا يتم استخدام الكوارتز في زجاج البصيلة الخاص بها , وفكرة عمله أنه عندما يتحد بخار التنجستين مع الهالوجين المضاف فإن الجزيئات الناتجة تقترب من الفتيل التنجستين الساخن وترسب عليه , وبالتالي فقد إختفت معه ظاهرة السواد الداخلي . وهذه الدورة إسترجاعية أي أن المادة المتكونة مع ارتفاع درجة حرارة الفتيل تتحلل مرة أخرى إلى تنجستين وهالوجين وهكذا .
وقد أدت فكرة هذه الدورة إلى إطالة عمر المصباح إلى 2000 ساعة كحد أدنى بدلا من 1000 ساعة , وإلى زيادة الكفاءة الضوئية إلى 21 لومن / وات مع الإحتفاظ بأمانة نقل الألوان عالية تقترب من 100 %. لكن لا يفضل معه خفض الجهد. و للتخلص من ظاهرة التسويد تم خفض الغلاف الزجاجي إلى 90 % من حجم المصباح متوهج عادي له نفس القدرة .
وتستخدم بكثرة في الأماكن التي تحتاج إلى قدرة صغيرة وإضاءة عالية , وأمانة عالية لنقل الألوان مثل أجهزة تسليط الشرائح ( بروجكتور ), ومصابيح السيارات , وإضاءة المسارح , كما يستخدم في المنازل والمحلات.
أما القدرة بالوات فلها تنوع كبير وأشهرها : 20 - 35 - 50 - 75 - 100 - 150 - 300 - 500 .

مصابيح التفريغ الغازي

تنتج مصابيح التفريغ غازية الضوء من طريق مرور الكهرباء عبر غاز تحت الضغط , بدلا من توهج الفتيلة كما في المصابيح المتوهجة . ومثل هذة العملية تسمى بالتفريغ الكهربائي , ولذا تسمى هذة المصابيح أحيانا بمصابيح التفريغ الكهربائي . وتضم هذه العائلة من المصابيح : المصابيح الفلورية , ومصابيح النيون , ومصابيح الصوديوم منخفضة / عالية الضغط , ومصابيح بخار الزئبق عالية الضغط , ومصابيح الهاليد المعدنية .

الفكرة العامة

الفكرة العامة لكافة هذة المصابيح هو حدوث قوس كهربي خلال غاز تحت ضغط منخفض أو مرتفع . وفي أغلب هذة المصابيح يكون هناك غازين خاملين بداخل المصباح : الأول يكون سريع التأين ويسمى غاز البدء , ويحتاج لجهد عالي عند البدء , أما الغاز الثاني فتستثار ذراته باصطدام الإلكترونات المنبعثة من إلكترودات اللمبة ( التي تصنع غالبا من التنجستين ) , ويصاحب ذلك إنبعاث للخطوط الطيفية الخاصة بهذة الذرات , ولذا ستختلف الألوان الصادرة من هذه المصابيح حسب الغاز الثاني الموجود بداخلها , وتسمى اللمبة غالبا باسم هذا الغاز ( الصوديوم , النيون , الزئبق ) .
وينشأ عن القوس الكهربي في الغاز الثاني تيار عالي جدا , لا سيما وأن مقاومة القوس سالبة أي أنها تنقص مع زيادة التيار فتحدث زيادة مضطردة في قيمة التيار , ولذا نحتاج إلى ملف كابح يوصل على التوالي مع المصباح للحد من هذا التيار طوال مدة تشغيل المصباح . 

وللملف الكابح وظيفة أخرى هي المحافظة على فرق الجهد خلال اللمبة ثابتا طوال فترة التشغيل , ومع وجود هذه الملفات أصبح من الضروري استخدام مكثفات لتحسين معامل القدرة في هذه النوعية من المصابيح بسبب إنخفاض معامل القدرة الخاص بها .
ويجب الإشارة هنا إلى أن للملف الكابح وظيفة أخرى تحدث تحديدا عند البدء فقط, حيث يساهم بصورة أساسية في توليد الجهد العالي اللازم لعملية البدء . فعند توصيل الكهرباء لدائرة المصباح يقوم البادئ بتوصيل تيار صغير يمر خلال الملف الكابح , وينشأ هذا التيار مجالا كهربيا صغيرا في الملف , لكن هذا البادئ سرعان ما يفصل وينقطع التيار. وهنا نستفيد من الحثية العالية التي يتميز بها الملف , حيث سيحاول هذا الملف الإبقاء على التيار داخلة ومنعه من الإنهيار ( فإذا زاد التيار خلاله فإنه يحاول منعه من الزيادة وإذا نقص فإنه يحاول منعه من النقصان, وهي القاعدة المعروفة بقاعدة لنز ) . وهذه الخاصية مفيدة جدا لأن محاولة الملف منع التيار من التناقص سينشأ عنها ظهور جهد عالي لحظي بين أطراف الملف وتتأثر اللمبة بهذا الجهد العالي فيحدث إنهيار لعزلية الغاز الموجود بداخلها فيحدث تفريغ للغاز, ويصبح موصلا. وقد يحتاج لعدة محاولات للوصول إلى التوصيل الدائم حيث تصبح درجة الحرارة داخله مناسبة . وهذه الفكرة العامة تكاد تكون مشتركة في كافة أنواع مصابيح التفريغ .
وباستثناء المصابيح الفلورية فإن مصابيح التفريغ الغازي لا تستخدم في المنازل , حيث تبدو ألوان الأشياء مختلفة عن لونها الطبيعي بدرجة كبيرة على الرغم من أنها تعمر مدة أطول , وتعطي ضوءا أشد , مقابل كل وات من القدرة , وهي من هذا الجانب أكفا من المصابيح المتوهجة .

مصابيح الصوديوم عالي الضغط

مثل الزئبق عالى الضغط مع اختلاف المادة , وتعتمد فكرة عمله على حدوث تفريغ لبخار الصوديوم عند ضغط عالي . والفرق بينه وبين الصوديوم منخفض الضغط أن طول موجات الإشعاع تكون على مدى أوسع من الطيف المرئي مما يجعل اللون أصفر ذهبي به كمية من اللون الأحمر وكمية صغيرة من الأزرق والبنفسج . وبالإضافة إلى الصوديوم تحتوي الأنبوبة على كمية من الزئبق وغاز الزينون الذي يساعد على عملية بدء المصباح . والغلاف الخارجي للمبة ينتج على شكل بيضاوي أو أنبوبي .
وقد استخدمت هذة التقنية بعد اكتشاف مادة أكسيد الألومنيوم التي لا تتفاعل مع الصوديوم حتي مع الضغط المرتفع والحرارة العالية , كما أنها مادة شفافة تقريبا لا تحجب الضوء . وتوضع الأنبوبة داخل غلاف زجاجي مفرغ لعزلها حراريا . وبالإضافة إلى الصوديوم تحتوي الأنبوبة على كمية من الزئبق حيث يرفع الزئبق الكفاءة الضوئية للمصباح عن طريق خفض المفاقيد الناتجة عند التوصيل الحراري والناتجة عن التوصيل الكهربي , كما يحتوي على غاز الزينون الذي يساعد في عملية بدء المصباح .
والمصباح له كفاءة ضوئية عالية 125 لومن / وات . وأمانة متوسطة لنقل الألوان تصل إلى 45% ولذا تستخدم في الإضاءة الخارجية . ويصل عمر المصباح إلى 24000 ساعة , وعند بدء التشغيل يحتاج المصباح إلى 6 دقائق ليصل إلى 80 % من أقصى شدة , ويحتاج بعد إطفاءة إلى 3 دقائق لإعادة تشغيله .

مصابيح الزينون

من نوعية مصابيح التفريغ عالي الجهد لكن بداخلها غاز الزينون الذي ينتج طيفا هو الأقرب إلى طبقة ضوء النهار . وتتميز هذة المصابيح بصغر الحجم وشدة النصوع ولذا تستخدم بكثرة في السيارات , كما تستخدم في الأعمال التي تحتاج لضوء عالي جدا ( سينما أو ملعب ) . ويبلغ متوسط عمرها من 1000 : 2000 ساعة فقط .
ويستخدم النوعية ذات الجهد المنخفض ( 12 فولت ) في البيوت بعد إضافة محول 220 / 12 فولت . ويعيبها أنها تولد منه حرارة عالية .

مصابيح النيون

هي من عائلة مصابيح التفريغ الغازي , وتتكون من أنابيب ( قطرها من 7 إلى 15 ملم ) مملوءة بغاز النيون ذو الضغط المنخفض جدا مخلوطا بقليل من الهيليوم , ويستخدم معها محول رفع للحصول على جهد الإشتعال في البداية , فتتوهج عندما تحدث عملية تفريغ كهربائية داخلها , علما بأن غاز النيون النقي في انبوب صاف يعطي ضوءا أحمر اللون , لكن يمكن إنتاج الضوء بألوان أخرى بمزج غاز النيون بغازات آخرى , أو استخدام أنابيب ملونة .

مصابيح الدايود

وتسمى بمصابيح الدايود الباعث للضوء ( LED ) وتستخدم في تطبيقات عديدة في مجال الإلكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الحديثة كلمبات إشارة صغيرة حيث يضيء الدايود لتعلم المستخدم ان الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفاز في حالة الإستعداد أو في أجهزة الراديو عند إستقبال محطة عليه , و تدخل أيضا في الساعات الرقمية والريموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي إضاءة إشارات المرور .
وهي عبارة عن لمبة ضوء إلكترونية أي لا تحتوي على أي فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية , فهي تصدر الضوء من خلال حركة الإلكترونات في داخل مواد من أشباه الموصلات التي تتكون منها الترانستورات .
لكن حديثا بدأ التوسع في استخدام هذة النوعية من اللمبات , رغم أن عمر هذة اللمبات طويل إلا أن سعرها يعتبر عالي جدا . ويكثر استخدامها في التطبيقات ذات القدرة المنخفضة وخاصة في السيارات وتستخدم أيضا داخل المصباح فتعطي كفاءة ضوئية أعلى بكثير من اللمبات العادية ذات القدرة المماثلة . وتتميز بأنها تستهلك قدرا ضئيلا جدا من الطاقة , وكمية الحرارة المتولدة صغيرة جدا مقارنة بلمبات الزينون , لكنها عيبها أن ضوءها محدد الاتجاه  .
في بعض الأحيان يكون شكل لمبات الدايود على صورة خيط , وتكون اللمبات عبارة عن مربعات صغيرة مساحتها حوالي 5 * 5 ملم تقريبا ومتباعدة عن بعضها بمسافات صغيرة , وتكون قدرة كل لمبة حوالي 1 وات , ويصل سعر المتر منه إلى حوالي 50 دولار .

فكرة العمل

الضوء عبارة عن طاقة تنتج أو تنبعث من الذرة في صورة أشباه جسيمات ( وسميت أشباه جسيمات لأن الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن أن يكون موجة ويمكن أن يكون جسيم ) تسمي الفوتونات تكون لها كمية حركة وكتلتها صفر . تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الإلكترونات , ففي الذرّة تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية حول النواة , ويعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يمتلكها الإلكترون , فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر مدار الإلكترون أبعد عن النواة . وعندما ينتقل إلكترون من مدار منخفض إلى مدار أعلى فإنه يمتص طاقة حارجية ليتم الانتقال , وفي حالة عودة الإلكترون من المدار الأكبر إلى المدار الأدنى فإنه يتحرر من الطاقة التي يحملها الفوتون وتساوي فرق الطاقى بين المدارين .
وطاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الإلكترون وهذا يدل على أن طاقة الفوتون تكون متغيرة , والتغير في طاقة الفوتون يعني تغير في الطول الموجي له , وبالتالي فيمكن أن يكون فوتون على شطل ضوء مرئي أو ضوء غير مرئي .
وفي حالة الدايود فإن الإلكترونات الحرة تحرك عبر وصله الدايود في اتجاه الفجوة, وهذا يعني أن الإلكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو أنه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة فإن الطاقة تنطلق على شكل فوتون , ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا إذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الدايود . ففي الدايود المصنع من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في المنطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجرد , ولكن له تطبيقات هامه في جهاز التحكم ( في التلفاز كمثال ) حيث تنتقل التعليمات من الجهاز إلى التلفاز على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الإستقبال في التلفاز .

المصابيح الموفرة

وأشهر أنواعها هو CFL وتتميز بأنها تستهلك كمية صغيرة من الطاقة الكهربية لتعطي نفس كمية الضوء الصادرة من المصابيح العادية , فعلى سبيل المثال فلمبة CFL بقدرة 18 وات تعطي نفس كمية الضوء الصادرة من مصباح 75 وات . ويضاف إلى ذلك أن عمرها الإفتراضي يصل إلى خمسة أضعاف عمر اللمبة العادية , لكن بالطبع سعرها أغلى .

الإضاءة العامة

يمكن ملاحظة إجمالي الإضاءة العامة ( وخاصة في إنارة الشوارع ) بسهولة في الليل من الجو أو من الفضاء . وهذا الضوء هو مصدر التلوث الضوئي التي تثقل كاهل علماء الفلك .

الاستخدام

أصبح الكثيرون يفضلون في المنازل استخدام المصابيح الموفرة لكونها ذات لون أبيض وإستهلاكها من الطاقة بسيط , ولا يزال استخدام لمبات الهالوجين ( 12 فولت ) مفضلا في الإضاءة الموجهة القوية , وإن كان مصابيح الدايود بدأت تنافس في هذا المجال بالإضاف إلى أنه متوافر بأشكال وألوان متعددة .
وفي غرف المكاتب لا يزال يفضل استخدام لمبات الفلورسنت لضوئها الهادئ الأبيض , أما في الحدائق والمحلات الكبرى والملاعب فيفضل استخدام مصابيح الهاليد لكون إضاءتها بيضاء وقوية .
أما في الشوارع فمصابيح الصوديوم هي دائما الاختيار الأول تلية مصابيح الهاليد , أما لمبات الزئبق فلا نلجأ إليها سوى في حالة الرغبة في تكلفة إقتصادية غير مكلفة حيث أنها الأرخص لكن بالطبع يجب تحمل مشكلة أنها تحتاج لعدة دقائق لإعادة التشغيل .

إستخدامات آخرى

يمكن استخدام المصابيح الكهربية كمصادر للحرارة , كما في حاضنات ( البيض ) وأفران الخبز .
كما يتم استخدام مصابيح التنجستين كمقاوم حراري ( الثيرميستور ) في الدوائر الإلكترونية , وتستخدم أيضا في مكبرات الصوت .