افراد تاثیرگذار در فرآیند اختراع لامپ، به ایجاد یک ابزار روشنایی فکر می‌کردند که بدون نیاز به سوخت تا مدت‌ها روشن بماند. بااین حال شاید کسی تصور نمی‌کرد که روزی تنها با فشردن یک اهرم چند سانتی‌متری، در کسری از ثانیه لامپ روشن شود.
حقیقت این است که با وجود محاسبات زمانی نیز باید میان زمان فشردن کلید تا ایجاد روشنایی فاصله‌ای وجود داشته باشد، اما چرا لامپ سریع روشن می‌شود؟ آیا فاصله زمانی کوتاه تا ایجاد روشنایی به دلیل قوانین فیزیک است یا مخترعان در ایجاد آن نقش داشته‌اند؟ در ادامه این مطلب از مجله بروکس درباره روند روشن شدن لامپ و علت سرعت نور به شما خواهیم گفت.
لامپ چطور کار می‌کند؟
برای اینکه بدانید علت سرعت نور در لامپ چیست، باید ابتدا با عملکرد لامپ‌ها و ساختار آن آشنا شوید. همه لامپ‌ها بر خلاف تصور ساختار بسیار ساده‌ای دارند. مهم‌ترین بخش هر لامپ دو پایه فلزی هستند که به انتهای یک مدار الکتریکی متصل می‌شوند. این پایه‌ها با دو سیم ثابت شده و به یک رشته فلزی نازک متصل شده‌اند. این رشته وسط لامپ قرار دارد و توسط یک پایه شیشه‌ای نگهداری می‌شود.
هنگامی که لامپ به منبع تغذیه متصل است، جریان الکتریکی از طریق سیم و رشته فلزی از یک نقطه به نقطه دیگر جابه‌جا می‌شود. این فرآیند در قوانین فیزیک اینگونه تعریف می‌شود: ایجاد جریان الکتریکی با حرکت جرمی الکترون‌های آزاد (الکترون‌هایی که به اتم متصل نیستند) از یک ناحیه دارای بار منفی به یک ناحیه دارای بار مثبت.
حرکت الکترون‌ها در طول رشته ناهماهنگ است. این حرکت ناهماهنگ باعث می‌شود تا الکترون‌ها دائما به اتم‌های تشکیل‌دهنده رشته برخورد کنند. انرژی هر ضربه باعث ارتعاش یک اتم می‌شود و این جریان اتم‌ها را گرم می‌کند.
هرچه ارتعاش بیشتر باشد، رشته زودتر گرم شده و فرآیند انتقال جریان سریع‌تر اتفاق می‌افتد. حقیقت این است که در این بخش، ضخامت رشته‌ها تاثیرگذارترین عامل در فرآیند انتقال هستند.
رشته رسانا در یک لامپ، از یک فلز تنگستن بلند و فوق‌العاده نازک ساخته شده است. در یک لامپ معمولی ۶۰ وات، رشته تنگستن حدود ۲ متر طول دارد. این رشته با ضخامت کم خود، مسیر عبور جریان را سرعت می‌بخشد.
لامپ‌های رشته‌ای اولین و ساده‌ترین نوع ابزارهای روشنایی بودند که تا امروز نیز کاربرد دارند و از مهم‌ترین لوازم در صنعت نور و روشنایی به‌حساب می‌آیند. برای آشنایی بیشتر با سرگذشت این لوازم کاربردی، مقاله تاریخچه اختراع لامپ را بخوانید.
تاثیر سرعت الکترون‌ها در جریان برق
نور نوعی انرژی است که می‌تواند توسط یک اتم آزاد شود. این انرژی از تعداد زیادی ذره کوچک تشکیل شده که حرکت می‌کنند، اما جرم ندارند. این ذرات که فوتون‌های نوری نامیده می‌شوند، اساسی‌ترین واحدهای نوری هستند.
فوتون‌های نوری زمانی آزاد می‌شوند که الکترون‌ها برانگیخته می‌شوند. این الکترون‌ها سطوح مختلفی از انرژی را دارند و اوربیتال‌های متفاوتی را اشغال می‌کنند.
میزان و سرعت نور ساطع شده بستگی به میزان انرژی آزاد شده از مجموعه اتم‌ها و البته موقعیت خاص فوتون‌ها دارد. این مکانیزم اساسی تقریبا در همه منابع نوری وجود دارد.
فوتون‌ها در صورتی می‌توانند سرعت بالاتر و بهتری داشته باشند که میزان رسانایی سیم و رشته استاندارد باشد. برای مثال برخی از ساختارها مانند سیم مسی به الکترون‌ها اجازه می‌دهد آزادانه حرکت کنند، بنابراین مس الکتریسیته را بهتر هدایت می‌کند.
کشف فوتون باعث شد تا تاثیرات شگفت‌انگیز آن در بخش‌های مختلف هر صنعت نیز آشکار شود. برای مثال این روزها از فوتون برای اهداف پزشکی نیز استفاده می‌کنند. برای مثال در مقاله فوتون تراپی چیست؟ می‌توانید نمونه‌ای از این کاربرد را بخوانید.
علت سریع روشن شدن لامپ
جریان الکتریکی را می‌توان با جریان آب در یک لوله مقایسه کرد. هرچه فشار در یک طرف بیشتر باشد، جریان نیز قوی‌تر می‌شود.
حقیقت این است که برای پاسخ به این سوال که چرا لامپ سریع روشن می‌شود، یک پاسخ روشن وجود دارد. جهش انرژی، بار الکتریکی ایجاد می‌کند. همزمان با این اتفاق، نیروی الکتریکی برای حرکت به الکترون‌ها در یک جهت وارد می‌شود. از آنجایی که نور نوعی از انرژی است، انتقال آن نیز مانند انرژی‌های دیگر و البته با کمک حرکت اتم‌ها پرسرعت خواهد بود.
اتم‌ها بسیار کوچک هستند و می‌توان گفت که قطر آن‌ها کم‌تر از یک میلیاردم متر است. در یک سیم مسی معمولی، هر ثانیه تریلیون‌ها الکترون از نقاط مشخصی در سیم عبور می‌کنند، اما حرکت آن‌ها مدل خاص خود را دارد. برای مثال اگر یک الکترون حرکت کند، همه باید حرکت کنند.
بنابراین وقتی کلید را روشن می‌کنید، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد شده توسط ژنراتور بلافاصله باعث ایجاد نیرویی می‌شود که محرک الکترون‌ها است. به عبارت دیگر هنگام روشن کردن یک کلید، یک الکترون را حرکت می‌دهید، اما سایر الکترون‌ها از انرژی ایجاد شده در سراسر سیم حرکت می‌کنند. به همین دلیل می‌توان گفت که تاثیر الکتریسیته به سرعت رخ می‌دهد. در ادامه این فرآیند، چراغ به محض زدن کلید روشن می‌شود و لازم نیست برای رانش جریان الکتریکی انتظار بکشید.
جالب است بدانید که سرعت انتقال جریان الکتریکی به تنهایی مانند سرعت نور است. به همین دلیل الکترون‌ها می‌توانند درون موج الکتریکی، در فاصله زمانی چند صدم ثانیه حرکت کنند. این امر به این دلیل است که خود الکترون‌ها در اطراف رشته رسانا ارتعاش دارند و به انرژی تولید شده در موج کمک می‌کنند، اما لزوما همراه آن حرکت نمی‌کنند. در حقیقت انرژی مهم‌ترین عامل سرعت جریان نور و روشن شدن لامپ است.
این روزها سرعت روشن شدن لامپ در بسیاری از صنایع و موقعیت‌ها، تاثیر مستقیمی بر عملکرد و کیفیت کار دارد. برای مثال، نور در صنعت هوایی همیشه یک راهنما برای خلبان بوده و تاخیر در روشن شدن لامپ‌های هدایت‌کننده می‌تواند خطراتی جدی به دنبال داشته باشد. در مطلب سیستم روشنایی در صنعت هوایی اهمیت نور در این صنعت را بخوانید.
گرما؛ عامل موثر بر سرعت جریان الکتریکی
اگرچه لامپ‌ها در کوتاه‌ترین زمان ممکن روشن می‌شوند، اما سرعت انتقال جریان در هر لامپ می‌تواند متفاوت از دیگری باشد. این تفاوت به دلایل مختلفی اتفاق می‌افتد که مهم‌ترین آن‌ها جنس رشته‌های رسانا و دمای تولید شده بر اثر انرژی است.
یک توستر داغ را در نظر بگیرید. دقت کنید که بعد از روشن کردن توستر و اتصال آن به منبع انرژی، المنت‌های درون آن تغییر رنگ می‌دهند. این تغییر رنگ نشان می‌دهد که دما بالا رفته است.
واقعیت این است که در همه لامپ‌ها و لوازم روشنایی نیز این فرآیند ایجاد گرما اتفاق می‌افتد، اما در بسیاری از موارد برای ما قابل مشاهده نیست. در توسترها و اجاق گازها، نور قرمز عاملی برای گرم شدن المنت‌ها برای پختن غذا است، اما در یک لامپ گرما عاملی برای سرعت حرکت جریان و روشن شدن انواع لامپ به حساب می‌آید.
همانطور که میدانید یکی از لامپ‌های کم‌مصرف و پرکاربرد امروزه لامپ LED است. در ادامه می‌توانید مقالهی تاریخچه لامپ LED را مطالعه کنید و با روش ساخت این لامپ آشنا شوید.
کلام آخر
قبل از اختراع لامپ، برای روشنایی کامل یک اتاق، تعدادی شمع یا مشعل نیاز بود؛ ابزارهایی که هم طول عمر کمی داشتند و هم برای روشن کردن آن‌ها وجود مقدماتی مانند سوخت ضروری بود. با اختراع لامپ، این چالش‌ها رفع شد و حالا میلیون‌ها نفر در سراسر جهان، از روشنایی الکتریکی در خانه‌های خود استفاده می‌کنند.
استفاده آسان از این فناوری نسبت به روش‌های قدیمی آن‌قدر مورد توجه بود که جهان هرگز به گذشته نگاه نکرد. این روزها کافی است یک کلید را فشار دهید تا در فاصله یک پلک‌زدن، نور در خانه شما جریان پیدا کند؛ جریان پرسرعتی که الکترون‌ها و انرژی آن‌ها عامل ایجاد آن هستند.
سوالات متداول:
دلیل روشن شدن لامپ بلافاصله بعد از زدن کلید چیست؟
جریان الکتریکی نوعی انرژی است و همچون دیگر انرژی‌ها با ایجاد ارتعاش، سرعت پیدا می‌کند، به همین دلیل لامپ سریع روشن می‌شود.
سرعت جریان الکتریکی چقدر است؟
جریان الکتریکی سرعتی برابر با سرعت نور دارد. به همین دلیل است که انتقال آن در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد.
چه عواملی بر سرعت جریان برق تاثیرگذارند؟
عواملی مانند گرما، جنس و ضخامت رشته رسانا بر سرعت انتقال جریان الکتریکی تاثیرگذار هستند.
سلام.خیلی عالی و مفید بود.
ممنون که برای جواب دادن به سوالات ما وقت میذارید.