رشته تنگستن: قلب تپنده لامپ رشتهای
۱. راز انتخاب تنگستن برای رشته لامپ
وقتی کلید لامپ را میزنید، جریان الکتریکی وارد رشتهای باریک میشود و آن را ظرف کسری از ثانیه به دمایی بیش از ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد میرساند. چه فلزی میتواند چنین گرمای سوزانی را تحمل کند؟ پاسخ این پرسش، فلز کمیابی به نام تنگستن است .
تنگستن با نماد شیمیایی W، رکورددار بالاترین نقطه ذوب در میان تمام فلزات است: ۳۴۲۲ درجه سانتیگراد . این یعنی رشته میتواند در دمای بسیار بالا به خوبی کار کند بدون اینکه ذوب شود یا از هم بپاشد. علاوه بر این، تنگستن چگالی بسیار بالایی دارد (همانطور که از نامش پیداست، "سنگ سنگین") و در دماهای بالا استحکام مکانیکی خود را حفظ میکند . در جدول زیر میتوانید ویژگیهای کلیدی تنگستن را با فلزات رایج دیگر مقایسه کنید:
| ویژگی / فلز | تنگستن (W) | مس (Cu) | آهن (Fe) |
|---|---|---|---|
| نقطه ذوب (°C) | ۳۴۲۲ | ۱۰۸۵ | ۱۵۳۸ |
| چگالی (g/cm³) | ۱۹.۳ | ۸.۹۶ | ۷.۸۷ |
| مقاومت الکتریکی نسبی | زیاد | کم | متوسط |
علاوه بر نقطه ذوب بالا، تنگستن خاصیت مهم دیگری دارد: مقاومت الکتریکی بالا. برای تولید نور کافی، رشته باید در برابر عبور جریان مقاومت کند تا گرم شود. اگر مقاومت کم بود (مثل مس)، جریان به راحتی عبور میکرد و گرمای قابل توجهی تولید نمیشد .
۲. مکانیزم تابش نور: از گرما تا روشنایی
مکانیزم کار لامپ رشتهای بسیار ساده اما هوشمندانه است. این لامپ بر اساس اصل تابش گرمایی کار میکند . وقتی الکترونها در اثر اختلاف پتانسیل در طول رشته به جریان میافتند، با اتمهای تنگستن برخورد کرده و انرژی جنبشی خود را به آنها منتقل میکنند. این برخوردها باعث ارتعاش شدید اتمها و افزایش دمای رشته میشود.
هر جسمی که دماي آن از صفر مطلق بالاتر است، تابش الکترومغناطیسی از خود ساطع میکند. با افزایش دما، هم میزان تابش بیشتر میشود و هم طول موج تابش به سمت طول موجهای کوتاهتر (نور مرئی) جابهجا میگردد. در دمای حدود ۲۷۰۰ درجه سانتیگراد، بخش قابل توجهی از تابش رشته در محدوده نور مرئی قرار میگیرد و ما شاهد درخشش زرد-نارنجی آشناي لامپ هستیم.
برای درک بهتر وابستگی مقاومت به دما، بیایید یک مثال عددی بزنیم. فرض کنید یک لامپ ۱۰۰ واتی را در نظر میگیریم که برای ولتاژ ۲۲۰ ولت ساخته شده است .
- حالت خاموش (دمای اتاق): اگر با اهممتر مقاومت رشته را اندازه بگیریم، عددی در حدود ۲۴ اهم را نشان میدهد.
- حالت روشن (محاسبه نظری): از رابطه توان الکتریکی $P = \frac{V^{2}}{R}$ میتوان مقاومت را در حالت روشن محاسبه کرد. با جایگذاری اعداد داریم:
$R = \frac{V^{2}}{P} = \frac{(220)^{2}}{100} = \frac{48400}{100} = 484 \ \Omega$
میبینید که مقاومت در حالت روشن (۴۸۴ اهم) حدود ۲۰ برابر حالت خاموش است . این افزایش عظیم مقاومت، ناشی از افزایش دماست و ثابت میکند که تنگستن دارای ضریب دمایی مثبت مقاومت است.
۳. کاربردهای فراتر از روشنایی ساده
گرچه شاید امروزه کمتر از لامپهای رشتهای برای روشنایی منازل استفاده شود، اما گرمای تولیدی این لامپها کاربردهای ویژهای دارد. این جنبه از قلم نیفتاده است :
- گرمایش صنعتی و جانوری: در دستگاههای جوجهکشی، از گرمای لامپهای رشتهای برای تأمین دمای لازم جهت رشد تخمها استفاده میشود.
- خشککنندهها: در برخی فرآیندهای صنعتی مانند خشک کردن رنگ یا مواد، از لامپهای مخصوص فروسرخ (که همان لامپهای رشتهای با توان بالا هستند) بهره میگیرند.
- منابع نوری آزمایشگاهی: به دلیل تولید طیف پیوسته نوری (مشابه نور خورشید)، در برخی میکروسکوپها و ابزارهای دقیق نوری هنوز هم کاربرد دارند .
- اتومبیلها و چراغقوهها: در برخی خودروها و چراغقوههای مخصوص، هنوز از لامپهای رشتهای کوچک استفاده میشود.
۴. چالشهای مفهومی (پرسش و پاسخ)
❓ چالش اول: چرا لامپهای رشتهی قدیمی معمولاً در لحظه روشن کردن میسوختند؟
پاسخ: همانطور که در مثال عددی دیدیم، مقاومت رشته در حالت سرد بسیار کم است. در نتیجه، هنگام روشن کردن، مطابق قانون اهم ($I = V/R$) جریان لحظهای بسیار بالایی (جریان هجومی) از رشته عبور میکند که میتواند تا ۱۰ برابر جریان نامی باشد. اگر رشته در نقطهای ضعف یا نازکی داشته باشد، این جریان زیاد میتواند باعث ذوب شدن موضعی و سوختن آن شود .
❓ چالش دوم: چرا با گذشت زمان، داخل حباب لامپهای قدیمی تیره میشود؟
پاسخ: با وجود دمای بسیار بالای کار، تعداد کمی از اتمهای سطح رشته تنگستن انرژی کافی برای جدا شدن از توده فلز (تصعید) را به دست میآورند و تبخیر میشوند . این اتمها روی سطح داخلی حباب که خنکتر است، مینشینند و به مرور زمان لایهای تیره ایجاد میکنند. وجود گاز بیاثر (مانند آرگون) درون حباب، سرعت این فرایند را کاهش میدهد، اما کاملاً متوقفش نمیکند .
❓ چالش سوم: چرا لامپهای رشتهای بازده پایینی دارند؟
پاسخ: تنها حدود ۵ تا ۱۰ درصد از انرژی الکتریکی مصرفی یک لامپ رشتهای به نور مرئی تبدیل میشود . مابقی انرژی به صورت تابش فروسرخ (گرما) تلف میشود. برای تولید نور بیشتر باید دمای رشته را بالا برد، اما این کار باعث افزایش شدید تبخیر تنگستن و کاهش طول عمر لامپ میشود. بنابراین، یک سازش (Trade-off) اساسی بین بازده نوری و طول عمر وجود دارد .
۵. جمعبندی
پاورقی
1 رشته تنگستن (Tungsten Filament): سیم بسیار باریکی از جنس فلز تنگستن که درون لامپهای رشتهای قرار دارد و با عبور جریان برق، داغ و نورانی میشود.
2 تابش گرمایی (Thermal Radiation): گسیل امواج الکترومغناطیسی از سطح هر جسمی که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارد، که ناشی از ارتعاش و جنبش اتمها و مولکولهای تشکیلدهنده آن است.
3 ضریب دمایی مقاومت (Temperature Coefficient of Resistance): کمیتی که نشان میدهد مقاومت الکتریکی یک ماده به ازای هر یک درجه تغییر دما، چه مقدار تغییر میکند. برای فلزات این ضریب مثبت است.
4 تصعید (Sublimation): فرایند تبدیل مستقیم یک ماده از حالت جامد به حالت گاز بدون عبور از فاز مایع. تبخیر تنگستن در دمای بالا از این نوع است.
5 جریان هجومی (Inrush Current): جریان لحظهای و بالایی که در هنگام روشن شدن یک وسیله الکتریکی (به دلیل مقاومت کم اولیه) از آن عبور میکند.