مقاومت نوری: راز تغییر مقاومت با نور
مقاومت نوری چیست و چگونه کشف شد؟
یک مقاومت نوری در واقع یک نوع مقاومت الکتریکی است، اما با یک ویژگی جادویی: مقدار مقاومت آن در برابر جریان برق، به مقدار نوری که به سطح آن می‌تابد، بستگی دارد. هرچه نور بیشتری به آن بتابد، مقاومت آن کمتر می‌شود و برعکس، در تاریکی مقاومت آن بیشتر می‌شود.
این پدیده برای اولین بار توسط دانشمندی به نام ویلوبی اسمیت۲ در قرن نوزدهم کشف شد. او متوجه شد که خاصیت رسانایی عنصر سلنیوم۳ وقتی در معرض نور قرار می‌گیرد، تغییر می‌کند. این کشف، پایه‌ای برای ساخت اولین مقاومت‌های نوری شد.
ساختار و مواد تشکیل‌دهنده داخلی
درون یک مقاومت نوری، از یک ماده نیمه‌رسانا۴ مانند سولفید کادمیوم۵ یا سلنیوم استفاده می‌شود. این ماده به شکل الگوی زیگزاگی روی یک صفحه سرامیکی قرار می‌گیرد. این الگو باعث می‌شود مسیر طولانی‌تری برای جریان برق ایجاد شود و در نتیجه بتواند مقاومت بالایی داشته باشد. وقتی فوتون‌های نور به این ماده برخورد می‌کنند، الکترون‌ها انرژی می‌گیرند و آزاد می‌شوند و در نتیجه جریان برق راحت‌تر از آن عبور می‌کند.
| شرایط نوری | مقاومت تقریبی (اهم) | وضعیت |
|---|---|---|
| تاریکی مطلق (شب) | 1 MΩ یا بیشتر | مقاومت بالا |
| اتاق کم‌نور | 10 kΩ | متوسط |
| روز آفتابی | 100 Ω | مقاومت پایین |
ساخت یک چراغ اتوماتیک؛ پروژه‌ای علمی و جذاب
یکی از ساده‌ترین و جالب‌ترین راه‌ها برای درک عملکرد LDR، ساخت یک چراغ قوه یا چراغ خواب اتوماتیک است. فرض کنید می‌خواهید یک چراغ داشته باشید که با تاریک شدن هوا به طور خودکار روشن شود.
وسایل مورد نیاز:
- یک عدد مقاومت نوری (LDR)
- یک عدد ترانزیستور (مثلاً مدل BC547)
- یک عدد مقاومت معمولی 10 kΩ
- یک عدد لامپ LED
- باتری 9V
- برد بورد و سیم‌های رابط
طراحی مدار: LDR و مقاومت 10 kΩ را به صورت سری به هم وصل کنید. نقطه اتصال این دو را به پایه بیس۶ ترانزیستور متصل نمایید. LED را به پایه کلکتور۷ ترانزیستور وصل کنید. وقتی نور کم می‌شود، مقاومت LDR زیاد می‌شود. این باعث می‌شود ولتاژ بیشتری به پایه بیس ترانزیستور برسد و ترانزیستور مانند یک کلید عمل کرده، جریان را از خود عبور داده و LED را روشن کند.
کاربردهای مقاومت نوری در زندگی روزمره
شاید جالب باشد که بدانید همین قطعه کوچک، در بسیاری از دستگاه‌های اطراف ما وجود دارد:
دوربین‌های عکاسی: در دوربین‌های قدیمی، LDR برای سنجش نور محیط استفاده می‌شد تا دریچه دیافراگم و سرعت شاتر به طور خودکار تنظیم شود.
چراغ‌های خیابانی: بسیاری از تیرهای چراغ برق از LDR برای تشخیص تاریکی هوا و روشن کردن خودکار چراغ‌ها استفاده می‌کنند.
دزدگیرها: در برخی سیستم‌های امنیتی، اگر یک پرتو نور به LDR برخورد کند و به طور ناگهانی این پرتو قطع شود (مثلاً کسی از آن عبور کند)، مدار متوجه شده و زنگ هشدار به صدا درمی‌آید.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، اکثر مقاومت‌های نوری معمولی فقط به شدت نور حساس هستند و نمی‌توانند بین رنگ‌های مختلف تمایز قائل شوند. برای تشخیص رنگ باید از سنسورهای پیشرفته‌تری مانند سنسور RGB استفاده کرد.
این اتفاق ممکن است به دلیل حساسیت بیش از حد مدار یا کثیف شدن سطح مقاومت نوری رخ دهد. اگر نور روز آنقدر کم شود که از آستانه حساسیت LDR پایین‌تر برود، مدار فکر می‌کند شب شده و چراغ را روشن می‌کند.
خیر، یکی از معایب اصلی LDRها، سرعت پاسخ‌دهی نسبتاً کند آن‌هاست. وقتی نور به طور ناگهانی تغییر می‌کند، LDR چند ده یا صد میلی‌ثانیه زمان نیاز دارد تا به حالت جدید برسد. بنابراین برای کاربردهای بسیار سریع مناسب نیستند.
پاورقی
۱ مقاومت نوری: Light Dependent Resistor (LDR) یا Photoresistor. قطعه‌ای که مقاومت الکتریکی آن با شدت نور تابیده شده تغییر می‌کند.
۲ ویلوبی اسمیت: Willoughby Smith. مهندس برق انگلیسی که خاصیت حساسیت به نور سلنیوم را کشف کرد.
۳ سلنیوم: Selenium. یک عنصر شیمیایی نیمه‌رسانا که در ساخت اولین سلول‌های نوری و یکسوسازها استفاده می‌شد.
۴ نیمه‌رسانا: Semiconductor. ماده‌ای که رسانایی الکتریکی آن بین رسانا و عایق قرار دارد و با شرایطی مانند دما یا نور می‌توان آن را تغییر داد.
۵ سولفید کادمیوم: Cadmium Sulfide (CdS). رایج‌ترین ماده مورد استفاده در ساخت مقاومت‌های نوری معمولی.
۶ بیس: Base. یکی از پایه‌های ترانزیستور که جریان عبوری از دو پایه دیگر را کنترل می‌کند.
۷ کلکتور: Collector. یکی از پایه‌های ترانزیستور.