مصابيح الفلوروسنت

المقصود بالمصباح الفلوري:

المصباح الفلوري هو مصباح بخار زئبقي منخفض الوزن، يستخدم الفلور لتوصيل الضوء المرئي، يعمل التيار الكهربائي في الغاز على تنشيط بخار الزئبق والذي يسلم الأشعة فوق البنفسجية من خلال عملية التفريغ، وتتسبب الأشعة فوق البنفسجية في أن تشع طبقة الفوسفور للجدار الداخلي للمصباح الضوء المرئي.

لقد تحول المصباح الفلوري بفعل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية مفيدة إلى حد كبير بكفاءة أكبر من المصابيح المتوهجة، تتراوح قابلية الإضاءة العادية لأطر الإضاءة الفلورية من (50 إلى 100) لومن لكل واط، وهو ما يعادل عدة أضعاف كفاية المصابيح المتوهجة ذات العائد الضوئي المكافئ.

كيف يعمل المصباح الفلوري؟

قبل المرور بمبدأ العمل للمصباح الفلوري، سنعرض أولاً دائرة المصباح الفلوري وبعبارة أخرى دائرة الضوء الأنبوبي.

هنا نقوم بتوصيل كابح واحد، ومفتاح واحد ويكون التوصيل على شكل سلسلة كما هو موضح، ثم نقوم بتوصيل الأنبوب الفلوري وبادئ التشغيل عبره.

• عندما نقوم بتشغيل المصدر الكهربائي، يمر الجهد الكامل عبر المصباح، وكذلك عبر بادئ التشغيل من خلال خانق التيار، لكن في تلك اللحظة، لا يحدث أي تفريغ و لا يخرج لومن من المصباح.
  
• عند هذا الجهد الكامل، يتم إنشاء تفريغ التوهج في البداية؛ وذلك لأن فجوة الأقطاب الكهربائية في لمبة النيون لبادئ التشغيل أقل بكثير من تلك الموجودة في مصباح الفلورسنت.
  
• ثم يتأين الغاز داخل بادئ التشغيل بسبب هذا الجهد الكامل ويسخن الشريط ثنائي المعدن، يؤدي ذلك إلى ثني الشريط ثنائي المعدن للاتصال بجهة الاتصال الثابتة، بعد ذلك، يبدأ التيار بالتدفق عبر بادئ التشغيل على الرغم من أن إمكانات التأين للنيون أكبر من تلك الموجودة في غاز الأرجون، ولكن لا تزال بسبب وجود فجوة صغيرة في القطب، يظهر تدرج الجهد العالي في لمبة النيون ومن ثم يبدأ تفريغ التوهج أولاً في البداية.
  
• بمجرد أن يبدأ التيار في التدفق من خلال ملامسات لمبة النيون الخاصة، ينخفض الجهد عبر لمبة النيون، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد عبر المحرِّض (الملف)، عند انخفاض الجهد أو عدم وجود جهد عبر لمبة النيون الخاصة، لن يكون هناك المزيد من تفريغ الغاز، وبالتالي يبرد الشريط المعدنين وينفصل عن جهة الاتصال الثابتة، في وقت كسر نقاط التلامس في لمبة النيون الخاصة، ينقطع التيار، وبالتالي وفي تلك اللحظة يأتي ارتفاع كبير في الجهد عبر المحرِّض (الملف).
  
• يأتي هذا الجهد العالي ذو القيمة العالية عبر أقطاب المصباح الفلوري (مصباح الأنبوب) ويضرب خليط الغازات (خليط غاز الأرجون وبخار الزئبق).
  
• تبدأ عملية تفريغ الغاز وتستمر، وبالتالي يحصل التيار مرة أخرى على مسار للتدفق عبر أنبوب المصباح الفلوري (أنبوب المصباح) نفسه، وأثناء تفريغ خليط الغاز، تكون المقاومة التي يوفرها الغاز أقل من مقاومة البادئ.
  
• ينتج عن تصريف ذرات الزئبق إشعاع فوق بنفسجي يؤدي بدوره إلى إثارة طلاء مسحوق الفوسفور لإشعاع الضوء المرئي.
  
• يصبح المبدئ غير نشط أثناء توهج مصباح الفلورسنت (مصباح الأنبوب)؛ لأنه لا يمر تيار عبر بادئ التشغيل في هذه الحالة.
  

المصباح الفلوري فيزيائياً:

عندما يتم تطبيق جهد عالي بما فيه الكفاية عبر الأقطاب الكهربائية، يتم إنشاء مجال كهربائي قوي، تسخّن كمية صغيرة من التيار عبر خيوط الأقطاب الكهربائية للملف الخيطي، ونظراً لأن الخيوط مطلية بالأكسيد، يتم إنتاج كمية كافية من الإلكترونات، وتندفع من القطب السالب أو الكاثود إلى القطب الموجب أو الأنود، وبسبب هذا المجال الكهربائي القوي، وأثناء حركة الإلكترونات الحرة، يتم إنشاء عملية التفريغ.

تتبع عملية التفريغ الأساسية دائماً ثلاث خطوات:

• تُشتق الإلكترونات الحرة من الأقطاب الكهربائية، ويتم تسريعها بواسطة المجال الكهربائي المطبق.
  
• يتم تحويل الطاقة الحركية للإلكترونات الحرة إلى طاقة الإثارة لذرات الغاز.
  
• يتم تحويل طاقة الإثارة لذرات الغاز إلى إشعاع.
  

في عملية التفريغ، ينفذ الخط الطيفي الواحد فوق (253.7) نانومتر، عند ضغط منخفض من بخار الزئبق؛ وذلك لتوليد (253.7) نانومتر من الأشعة فوق البنفسجية، يتم الاحتفاظ بدرجة حرارة المصباح بين 105 إلى 115 درجة فهرنهايت.

يجب أن تكون نسبة الطول إلى القطر للأنبوب بحيث يحدث فقدان القوة الكهربائية الثابتة عند كلا الطرفين، يُطلق على المكان الذي يحدث فيه فقدان القوة الكهربائية أو توهج الأقطاب الكهربائية منطقة سقوط الكاثود والأنود، وتكون هذه الخسارة عبارة عن قيمة واط صغيرة جداً.

مرة أخرى يجب أن تكون الكاثودات مطلية بأكسيد، يوفر الكاثود الساخن وفرة من الإلكترونات الحرة، حيث إن الكاثودات الساخنة تعني تلك الأقطاب الكهربائية التي يتم تسخينها عن طريق التيار المتداول ويتم توفير هذا التيار المتداول بواسطة الخنق أو معدات التحكم.
القليل من المصابيح لها كاثود بارد أيضاً، تحتوي الكاثودات الباردة على مساحة فعالة أكبر ويتم تطبيق جهد أعلى مثل 11 كيلو فولت عبرها للحصول على أيونات، يبدأ الغاز في التفريغ بسبب تطبيق الجهد العالي، ولكن عند 100 إلى 200 فولت ينفصل توهج الكاثود عن الكاثود، ويسمى سقوط الكاثود، كما يوفر هذا إمداداً كبيراً من الأيونات التي يتم تسريعها إلى القطب الموجب لإنتاج إلكترونات ثانوية عند التأثير والتي تنتج فيما بعد المزيد من الأيونات، لكن سقوط الكاثود في تصريف الكاثود الساخن يبلغ 10 فولت فقط.

تاريخ واختراع المصباح الفلوري:

• في عام 1852م، اكتشف السير جورج ستوكس تحول الأشعة فوق البنفسجية إلى إشعاع مرئي.
  
• من هذا الوقت حتى عام 1920م، تم إجراء أنواع مختلفة من التجارب لتطوير التصريفات الكهربائية ذات الضغط المنخفض والمرتفع في الزئبق وبخار الصوديوم، لكن كل تلك الدوائر التي تم تطويرها كانت غير فعالة في تحويل الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة المرئية، وكان بسبب انه لم تستطع الأقطاب إصدار إلكترونات كافية لإنشاء ظاهرة تفريغ القوس، ومرة أخرى تصادم العديد من الإلكترونات مع ذرات الغاز، وكان ذلك بشكل مرن، لذا فإن الإثارة لم تنشئ خطاً طيفياً لاستخدامه، ولكن تم القيام بالقليل من العمل والتطوير على مصابيح الفلورسنت.
  
• ولكن في عشرينيات القرن الماضي حدث تقدم كبير، تم اكتشاف حقيقة أن خليط بخار الزئبق والغاز الخامل عند ضغط منخفض فعال بنسبة 60٪ لتحويل طاقة الإدخال الكهربائية إلى خط طيفي واحد عند 253.7 نانومتر، يتم تحويل الأشعة فائقة الانتهاك إلى أشعة الضوء المرئية باستخدام مادة الفلورسنت المناسبة داخل المصباح، ومن ذلك الوقت، تم تمهيد المصباح الفلوريسنت لإدخاله في حياة الناس اليومية.
  
• لاحقاً، تلقى الدكتور دبليو إل إنفيلد في عام 1934م تقريراً من الدكتور (إيه إتش كرومبتون) حول استخدام المصباح المطلي الفلوريسنت، وتم إنشاء فريق بحث على الفور بواسطة (Enfield)، وبدأ في إنشاء مصباح الفلورسنت التجاري في عام 1935م، وقد أنتج فريقهم نموذجاً أولياً لمصباح فلورسنت أخضر بكفاءة حوالي 60٪.
  
• بعد مرور عامين ونصف، تم طرح مصابيح الفلورسنت باللون الأبيض وستة ألوان أخرى في السوق، حيث يتم استخدام خليط متنوع من مسحوق الفوسفور لإنتاج ألوان مختلفة من مصابيح الفلورسنت، تم تقديم المصباح الأول بأطوال (15 و 20 و 30 وات في 18 بوصة و 25 بوصة و 36 بوصة).
  
• بعد وقت قصير، تم إدخال مصباح 4 أقدام واستخدامه على نطاق واسع في الإضاءة المكتبية والمدرسية والصناعية، أعطت المصابيح المبكرة الضوء إلى حد ما مصفر إلى (3500K)، وفي وقت لاحق، تم تطوير (6500K) من مصابيح ضوء النهار بطريقة تنتج ضوء لمحاكاة متوسط ضوء السماء الشمالية في سماء ملبدة بالغيوم.
  
• بشكل عام، كانت المصابيح 4 أقدام، بقطر 1.5 بوصة، 40 وات متوفرة في السوق في عام 1940م، ولكن تم تغيير التصميم تدريجياً إلى الاستخدام الأفضل، تم تغيير جزء التفريغ من المصابيح، لكن الأرجون لا يزال مستخدماً على الرغم من أن الضغط أقل إلى حد ما من الضغط السابق، يتم الاحتفاظ ببخار الزئبق عند نفس الضغط مثل السابق، يتطلب هذا المصباح 425 مللي أمبير مع انخفاض الجهد من 100 إلى 105 فولت.