منابع نور: از خورشید تا لامپ‌های LED
نور چیست و چگونه تولید می‌شود؟
نور نوعی انرژی است که به شکل امواج بسیار کوچک و سریع حرکت می‌کند. این امواج می‌توانند در خلا (فضای خالی) نیز حرکت کنند، به همین دلیل است که نور خورشید به زمین میرسد. نور زمانی تولید می‌شود که اتم‌های یک ماده انرژی دریافت کنند. این انرژی باعث می‌شود الکترون‌های داخل اتم‌ها برای لحظه‌ای به سطح انرژی بالاتری بپرند. وقتی این الکترون‌ها به جایگاه اولیه خود بازمی‌گردند، انرژی اضافی را به صورت فوتون، که ذره‌ای از نور است، آزاد می‌کنند.
دسته‌بندی اصلی منابع نور
منابع نور را می‌توان به دو دسته بسیار بزرگ تقسیم کرد: منابع طبیعی و منابع مصنوعی.
| منبع نور طبیعی | منبع نور مصنوعی | توضیح |
|---|---|---|
| خورشید | لامپ رشتهای | ستاره‌ای که نور و گرمای زمین را تأمین می‌کند در مقابل لامپی که با گرم کردن یک رشته فلزی نور تولید می‌کند. |
| آتش | لامپ فلورسنت (مهتابی) | احتراق سوخت (مثلاً چوب) در مقابل لامپی که با برانگیختن گاز داخل لوله توسط الکتریسیته نور تولید می‌کند. |
| رعد و برق | لامپ LED | تخلیه الکتریکی عظیم در طبیعت در مقابل دیود نوری که با حرکت الکترون‌ها در یک ماده نیمه‌هادی نور ساطع می‌کند. |
| کرم‌های شب‌تاب | صفحه نمایش موبایل | تولید نور از طریق یک واکنش شیمیایی (بیولومینسانس) در مقابل تولید نور توسط دیودهای نوری بسیار کوچک. |
سفر در تاریخچه نورپردازی مصنوعی
انسان‌ها همیشه به دنبال کنترل نور برای روشنایی پس از غروب خورشید بوده‌اند. این سفر با کشف آتش آغاز شد. پس از آن، از چراغ‌های پیه‌سوز و چراغ‌های نفتی استفاده کردند که با سوختن یک ماده (مانند روغن یا نفت) نور تولید می‌کردند. انقلاب بزرگ با اختراع لامپ رشتهای توسط توماس ادیسون در سال 1879 میلادی رخ داد. این لامپ با گذر جریان برق از یک رشته نازک تنگستن، آن را تا حد گداختن و نور دادن داغ می‌کرد. بعدها لامپ‌های فلورسنت (مهتابی) آمدند که بازدهی انرژی بهتری داشتند و امروزه، لامپ‌های LED (دیود نورافشان) به دلیل مصرف انرژی بسیار کم و عمر طولانی، به منبع نور غالب تبدیل شده‌اند.
نحوه عملکرد انواع لامپ‌ها
هر نوع لامپ، نور را به روش متفاوتی تولید می‌کند. درک این تفاوت‌ها به ما کمک می‌کند انتخاب بهتری داشته باشیم.
۱. لامپ رشتهای: ساده‌ترین نوع لامپ. جریان الکتریکی از یک رشته فلزی نازک (معمولاً تنگستن) عبور می‌کند. مقاومت این رشته در برابر جریان برق، باعث داغ شدن شدید آن (تا 2700 درجه سانتی‌گراد) و در نتیجه، نورانی شدن آن می‌شود. بخش زیادی از انرژی در این لامپ‌ها به گرما تبدیل می‌شود نه نور، به همین دلیل بازدهی پایینی دارند.
۲. لامپ فلورسنت (مهتابی): در داخل لوله این لامپ‌ها، گاز کم‌فشاری مانند آرگون و کمی جیوه وجود دارد. با عبور جریان برق، الکترون‌های داخل گاز برانگیخته شده و با اتم‌های جیوه برخورد می‌کنند. این برخورد، نور نامرئی فرابنفش (UV) تولید می‌کند. این نور به پوشش فسفرینی روی دیواره داخلی لوله برخورد کرده و آن را وادار به تابش نور مرئی می‌کند. این لامپ‌ها نسبت به لامپ‌های رشتهای انرژی کمتری مصرف می‌کنند.
۳. لامپ LED: یا دیود نورافشان[1] است. این لامپ‌ها بر اساس حرکت الکترون‌ها در یک ماده نیمه‌هادی (مثل سیلیکون) کار می‌کنند. وقتی جریان برق از این دیود عبور می‌کند، الکترون‌ها در حین حرکت بین لایه‌های مختلف، انرژی خود را به صورت فوتون (ذره نور) آزاد می‌کنند. این فرآیند بسیار کارآمد است و گرمای بسیار کمی تولید می‌کند. به همین دلیل LEDها بسیار کم‌مصرف و بادوام هستند.
- لامپ رشتهای: حدود 15 لومن بر وات
- لامپ فلورسنت: حدود 60 لومن بر وات
- لامپ LED: بیش از 100 لومن بر وات
کاربردهای نور فراتر از روشنایی
نور فقط برای دیدن استفاده نمی‌شود. کاربردهای علمی و عملی فراوانی دارد که زندگی ما را متحول کرده است.
فیبر نوری: از شیشه یا پلاستیک بسیار شفاف ساخته می‌شوند. نور با استفاده از پدیده بازتاب داخلی کلی در داخل این رشته‌های باریک به دام افتاده و مسافت‌های طولانی را می‌پیماید. از فیبر نوری برای انتقال داده‌های اینترنت، تلفن و سیگنال‌های تلویزیونی با سرعت بسیار بالا استفاده می‌شود.
لیزر: مخفف تقویت نور توسط گسیل القایی تابش[2] است. نور لیزر بسیار متمرکز، تکرنگ و هم‌فاز است. از لیزر در زمینه‌های بسیار مختلفی استفاده می‌شود: جراحی‌های دقیق (مثل چشم)، برش فلزات در صنعت، خواندن بارکدها در فروشگاه‌ها، چاپگرها، ویدیوپروژکتورها و سیستم‌های ارتباطی.
پزشکی: از نور UV برای ضدعفونی کردن وسایل و محیط استفاده می‌شود. نور قرمز و مادون قرمز در فیزیوتراپی برای کاهش درد و ترمیم بافت‌ها به کار می‌روند. همچنین از نوردرمانی برای درمان برخی بیماری‌های پوستی مانند یرقان در نوزادان استفاده می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، ماه یک منبع نور غیرفعال است. ماه نوری از خود تولید نمی‌کند. آنچه ما می‌بینیم نور خورشید است که از سطح ماه بازتاب شده و به چشم ما میرسد. به چنین اجسامی جسم غیرنورانی می‌گویند.
لامپ‌های قدیمی رشتهای، نور را با گرم کردن یک رشته تولید می‌کنند. در این فرآیند، بیش از 90% انرژی الکتریکی به گرما و تنها مقدار کمی به نور مرئی تبدیل می‌شود. اما لامپ‌های LED و فلورسنت، نور را از طریق روش‌های کارآمدتری (برانگیختن اتم‌ها و گازها یا حرکت الکترون در نیمه‌هادی) تولید می‌کنند که گرمای حاصل از آن بسیار کمتر است.
اولین ال ای دی‌ها فقط نورهای رنگی خاص (قرمز، سبز) تولید می‌کردند. ساخت LED آبی یک دستاورد بزرگ بود. برای تولید نور سفید، از یک تراشه LED آبی پرانرژی استفاده می‌شود که روی آن را با لایه‌ای از فسفر زرد می‌پوشانند. نور آبی این تراشه، فسفر زرد را برانگیخته می‌کند و باعث می‌شود نور زرد از خود ساطع کند. ترکیب نور آبی و زرد، به چشم انسان به عنوان نور سفید ادراک می‌شود.
پاورقی
[1]دیود نورافشان (Light Emitting Diode - LED): یک قطعه الکترونیکی نیمه‌هادی که با عبور جریان برق از خود نور ساطع می‌کند.
[2]لیزر (Laser): مخفف Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت نور توسط گسیل القایی تابش. دستگاهی که نور را به صورت پرتویی باریک، هم‌رنگ و بسیار متمرکز تولید می‌کند.
[3]فرابنفش (Ultraviolet - UV): نوعی تابش الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه‌تر از نور مرئی آبی و بنفش که برای چشم انسان نامرئی است.