كيف يعمل المصباح

المصباح الكهربائيّ

تُعتبر الشّمس المصدر الأساسيّ للنّور على سطح الأرض، إلى أنّ اختفاء هذا النّور في اللّيل كان سبباً لشعور الإنسان بالوحشة، وعدم المقدرة على القيام بأعماله، الأمر الذي أدى به للبحث بمختلف الوسائل لأن يجد شيئاً يحوِّل ليله إلى نهار، ويُمكِّنه من ممارسة حياته بشكل طبيعيّ، ويُسهِّل عليه القيام بالواجبات التي تحتاج لوقتٍ طويل، فتوالت الاكتشافات والاختراعات ليتوصّل في البداية إلى اكتشاف النّار عن طريق إجراء احتكاك بين قطعتين من الخشب، أو حجرين من حجر الصوّان لحين اشتعال النّار، ومن ثمّ اكتشف المصابيح الزيتيّة؛ وهي عبارة عن قدح صغير تتمّ تعبئته بالزّيت وتُوضع فتيلةٌ في داخله، وفي العام 200 قبل الميلاد توصّل الصينيّون القُدامى إلى ابتكار الشّمع باستخدام دهون الحيوانات وشحومها، ومع اكتشاف الكهرباء توصّل الإنسان إلى المَصابيح الكهربائيّة التي اعتُبِرت حجر الأساس لبداية الثّورة الصناعيّة الثّانية وتطوّرها.

تاريخ المصباح الكهربائيّ

توالت مراحل اكتشاف المصباح الكهربائيّ كالآتي:

• عام 1800م: اكتشف العالم الإيطاليّ فولت البطاريّة الكهربائيّة .
• عام 1810م: قام الكيميائيّ الإنجليزيّ همفري ديفي باكتشاف مبدأ القوس الكهربائيّ عن طريق إيصال طرفَي سلكين ببطاريّة، وإيصال الطّرف الآخر بالكربون، ممّا أدّى إلى تكون قوس كهربائيّ شديد الإضاءة والتوهّج.
• عام 1820م: وضع العالم الإنجليزيّ وارن دي لارو ملفّاً من البلاتينيوم داخل أنبوب مُفرّغ، ثم قام بتمرير تيار كهربائيّ خلاله، ممّا أدّى إلى نشوء ضوء، فسُمّي بالمِصباح الكهربائيّ البدائيّ، إلا أنّ هذا الاختراع لم يكن ناجحاً بسبب التّكلفة العاليّة لمعدن البلاتينيوم.
• عام 1860م: اكتشف العالم الإنجليزيّ جوزيف سوان أول مِصباح مُتوهّج من فتيلة كربونيّة داخل أنبوبة مُفرّغة من الهواء، إلى أنّ ضوء المِصباح كان خافتاً جدّاً، ويحتاج أن يكون مصدر الكهرباء قريباً جدّاً، ممّا اضطر سوان إلى البحث عن بدائل أُخرى للفتيلة.
• عام 1975م: قام العالم جوزيف سوان باستبدال فتيلة الكربون بفتيلة من القطن المُكربَن.
• عام 1878م: أجرى العالم جوزيف سوان عدّة اختبارات على 6000 نوع من الخيوط، ليجد أنّ أفضل الفتائل هي الفتائل المصنوعة من القطن المُكربَن.
• عام 1879م: قام العالم الأمريكيّ توماس أديسون بشراء براءة اختراع المِصباح الكهربائيّ من العالم جوزيف سوان.
• عام 1880م: وجد العالم توماس أديسون أنّ المِصباح الكهربائيّ ذا فتيلة الخيزران بقي مُضيئاً لمدّة تتراوح ما بين 1200-1500 ساعة.
• عام 1906م: قام الأمريكيّ ويلي ويتنيو بصنع مِصباح يحوي فتيلةً من معدن التّنغستون الذي لا يزال يُستخدَم حتّى اليوم.

أنواع المصابيح الكهربائيّة وطرق عملها

تعدّدت المصابيح الكهربائيّة التي تمّ اختراعها عبر الزّمن لتُناسب احتياجات الإنسان، وفيما يأتي أنواع المصابيح الكهربائيّة، وشرح مُبسّط لطريقة عملها:

المِصباح التقليديّ

يتكوّن المِصباح التقليلديّ أو المِصباح المُتوّهج (بالإنجليزيّة: Incandescent Bulb) من انتفاخ زجاجيّ يحوي على أحد الغازات النّبيلة حتى لا تُسبّب الاحتراق، والفتيلة لولبيّة الشّكل المصنوعة من مَعدن التنجستن ذي المُقاومة العالية، والقاعدة التي تصل التيّار الكهربائيّ من المصدر إلى الفتيلة، كما يوجد في أعلى الانتفاخ الزجاجيّ قطبين من معدن مُوصِل للكهرباء بحيث يتّصلان بفتيلة التّنجستن داخل المِصباح.

طريقة عمل المِصباح التقليديّ

عند تدفّق الإلكترونات النّاتجة من سريان التيّار الكهربائيّ عبر السّلك فإنّها ترتطم باستمرار بالذّرات المُكوّنة لهذا السّلك، وتُؤدّي الطّاقة النّاجمة عن كل ارتطام إلى اهتزاز الذرّات، ممّا يُؤدّي إلى ارتفاع درجة حرارتها، بالتّالي ارتفاع درجة حرارة السّلك، فتندفع الإلكترونات المُتواجدة في هذه الذرّات إلى مدار أبعد من النّواة مُؤقّتاً، ثمّ ترجع إلى مدارها الأصليّ، فيبعث الإلكترون طاقةً إضافيّةً على شكل فوتونات، ممّا يُؤدّي إلى توهّج السّلك، وسطوع الضّوء الأحمر أو الأصفر.

من المُمكن أن يكون الانتفاخ الزجاجيّ للمِصباح مُفرّغاً من الهواء، أو قد يحوي على خليط من غازَي النّيتروجين والأرغون، ويرجع السّبب في ذلك أنّه عند اهتزاز ذرّات التّنجستن فإنّها تنفصل عن المعدن، وترتطم بذرّات الآرغون، ومن ثمّ ترجع إلى السّلك (التّنجستن) ونظراً لأنّ الغاز الخامل لا يتفاعل مع أيّ عنصر آخر، وذلك لأنّه فاقدٌ للنّشاط الكيميائيّ، الأمر الذي يعني أنّ احتراق أيّ معدن أو حصول أيّ تفاعل بين المُكوّنات والآرغون أمر بعيد الاحتمال. ويبلغ عمر المِصباح التقليديّ 1000 ساعة تقريباً، وهي فترة قصيرة بالمُقارنة مع الأنواع الأخرى.

يندرج تحت المِصباح التقليديّ عدّة أنواع وهي:

• المِصباح العاكس (بالإنجليزيّة: Reflected Bulb): يُطلى المِصباح بمادّة تعمل على توجيه الضّوء في اتّجاه واحد فقط.
• مِصباح الهالوجين (بالإنجليزيّة: Halogen Bulb): يتمّ وضع معدن التّنجستن في أنبوب يحوي غازاً هالوجينيّ، ويتميّز بلونه الأبيض.
• مِصباح زينون (بالإنجليزيّة: Xenon Light): يُشبه مِصباح الهالوجين في طريقة عمله، ولكنّه يمتلك فترةَ عمر أكبر تصل إلى 20000 ساعة تقريباً.

مِصباح الفلورسنت

يتكوّن مِصباح الفلورسنت (بالإنجليزيّة: Fluorescent) من أنبوب زجاجيّ مُفرّغ من الهواء يحوي جزيئاتٍ من الزّئبق وغاز الآرغون، ومَطليّاً بطبقة من الفسفور، بالإضافة إلى قطبين كهربائيّين على طرفَي الأنبوب لإيصال الكهرباء، ويتّصل هذان القُطبان بفتيلتين من التّنجستن، كما يحوي على الكوابح لتوفير كميّة مُناسبة من الجهد الكهربائيّ بين القطبين.

طريقة عمل مِصباح الفلورسنت

عند مرور تيار كهربائيّ خلال الأنبوب تَسخُن فتيلتَي التّنجستون وتُتطلق الإلكترونات منها، فتصطدم هذه الإلكترونات بغاز الآرغون، ممّا يُؤدّي إلى تأيينها على شكل أيونات موجبة، فتتوجّه إلى القطب السّالب ذي الجهد المُنخفض، أمّا الإلكترونات فتتوجّه نحو القطب المُوجب ذي الجهد العاليّ، عند اصطدام هذه الإلكترونات والإيونات بالزّئبق فإن الزّئبق الموجود داخل الأنبوب يتإيَّن، ممّا يُؤدّي إلى انتقال الإلكترونات إلى مدارات أعلى، ثمّ ما تلبث أن تعود فتصدر الفوتونات الضوئيّة على شكل أشعة فوق بنفسجيّة ، فتُلامس هذه الفوتونات المادّة الفسفوريّة، ممّا يُؤدّي إلى صدور اللّون الابيض، وتتراوح فترة عمر هذا النّوع من المصابيح بين 10000-16000 ساعة تقريباً.

يندرج تحت مصباح الفلوروسنت عدّة أنواع، منها:

• مِصباح الفلورسنت المُدمَج (بالإنجليزيّة: Compact Fluorescent Lamps).
• مِصباح النّيون (بالإنجليزيّة: Neon Fluorescent Lamps).

مِصباح التّفريغ عالي الكثافة

يتكوّن مِصباح التّفريغ عالي الكثافة (بالإنجليزيّة: (High-Intensity Discharge (HID) من أنبوبة زجاجيّة تملك قطبين من التّنجستون على طَرَفيه، وتحوي على بخار إحدى العناصر، مثل الزّئبق ، أو الصّوديوم، أو هاليد المعدن.

طريقة عمل مِصباح التّفريغ عالي الكثافة =

عند مرور التيّار الكهربائيّ خلال الأنبوب ينشأ قوس كهربائيّ، وعند ارتطامه بالذرّات الموجودة داخل الأنبوب ينشأ ضوءٌ قويٌّ.

مِصباح الصمّام الثنائيّ الباعث للضّوء

يتميّز مِصباح صمّام الثنائيّ الباعث للضّوء (بالانجليزيّة: (Light Emitting Diodes (LEDs) بأنّه لا يحتوي على فتيلة، كما أنّه لا يحتوي على معادن ثقيلة، وتتراوح فترة عمره لمدّة تتراوح بين 35000 إلى 45000.

طريقة عمل مِصباح صمّام الثنائيّ الباعث للضّوء

يتكوّن هذا المِصباح من مادّة شبه موصلة للتيّار الكهربائيّ، وعند تطبيق جهد كهربائيّ على هذه المادة تبعث فوتوناتٍ ضوئيّةً.