تاریخچه نور و روشنایی

 تاریخچه نور و روشنایی

در طول تاریخ  منابع تامین نور تغییرات فراوانی داشته است. در ابتدا برای روشنایی از سوزاندن چوب و استفاده از آتش برای روشنایی بهره می بردند. سیر تکاملی روشنایی و نور در طول تاریخ به حدی گسترده است که میتوان آن را شاهدی بر پیشرفت بشر در نظر گرفت. استفاده از آتش مسیر تکاملی فوق العاده بشر برای ساختن تمدن را میسر ساخت و از آن برای پخت غذا، گرما، روشنایی و غیره بهره برده است. سیر تکامل آن از مشعل هایی که از چربی و روغن گیاهی به عنوان ماده سوختنی بهره میبردند تا شمع و بعد ها چراغهای نفتی تغییر کرده است.انسان ها همچنان به دنبال روش های جدید برا یایجاد روشنایی بودند. در طول تکامل چراغهایی که از سوخت فسیلی استفاده میکردند، فیتیله آن ها از پنبه به پارچه تغییر کرده است. در سالهای قبل از میلاد مسیح شمع ها از موم ساخته می شدند و در قرن 18 ام از پارافین ساخته و توسط ماشین ها به تولید انبوه رسیده است.

اولین چراغ در حدود 70000 سال قبل از میلاد اختراع شد. یک سنگ توخالی، پوسته یا سایر اشیا یافت شده طبیعی پر از خزه یا مواد مشابه بود که با چربی حیوانات آغشته شده و مشتعل می‌شد. انسان‌ها با ظروف سفالین دست‌ساز، آلبستر و لامپ‌های فلزی تقلید از اشکال طبیعی را آغاز کردند. بعداً فیتیله‌هایی برای کنترل میزان سوختن اضافه شدند. درحدود قرن 7 قبل از میلاد، یونانی‌‌ها شروع به ساخت لامپ‌های سفالی برای جایگزینی مشعل‌های دستی کردند. کلمه لامپ از کلمه یونانی lampas گرفته شده است.

چراغهای روغنی:

در قرن 18ام، مشعل مرکزی اختراع شد که پیشرفت عمده ای در طراحی لامپ ها داشته است. منبع سوخت در یک محفظه ی فلزی قرار داشت و برای کنترل شدت سوختن و شدت نور از یک لوله فلزی قابل تنظیم استفاده شده بود. تقریبا در همان زمان، دودکش های کوچک شیشه ای استوانه ای به لامپ ها اضافه شدند تا هم از شعله محافظت کنند و هم جریان هوا به شعله را کنترل کنند. آمی ارگند، یک  شیمیدان سوئیسی اولین عامل استفاده از یک چراغ روغنی با یک فیتیله مدور و توخالی است که در سال 1783 توسط دودکش شیشه ای احاطه شده است.

چراغهای گازی:

در سال 1792، اولین استفاده تجاری از روشنایی گاز هنگامی آغاز شد که ویلیام مرداک از گاز ذغال سنگ برای روشنایی خانه خود استفاده کرد. فریدریش وینزر (وینسور) مخترع آلمانی اولین شخصی بود که در سال 1804 نور گاز زغال سنگ را ثبت اختراع کرد و ترمولامپی با استفاده از گاز تقطیر شده از چوب در سال 1799 ثبت اختراع شد. در اوایل قرن نوزدهم، بیشتر شهرهای ایالات متحده و اروپا خیابان‌هایی داشتند که چراغ گاز داشتند. روشنایی گاز برای خیابان‌ها جای خود را به فشار کم سدیم و فشار زیاد جیوه در دهه 1930 داد و توسعه روشنایی الکتریکی در آغاز قرن نوزدهم جایگزین روشنایی گاز در خانه‌ها شد.

لامپهای قوس الکتریکی:

سر همفری دیوی شیمیدان بریتانیایی از انگلستان اولین لامپ قوس کربنی برقی را در سال 1801 اختراع کرد. این اختراع اولین گام در تولید نور با انرژی الکتریکی بود. یک لامپ قوس کربنی با قلاب زدن دو میله کربن به یک منبع  برق کار می‌کند. جریان الکتریکی از طریق "قوس" کربن بخار شونده عبور می‌کند و یک نور شدید سفید ایجاد می‌کند. در این چراغ باتری به عنوان مولد جریان الکتریسیته عمل می‌کرد. این دانشمند در حین آزمایشات با نیروی الکتریسیته، موفق شد اولین باتری الکتریکی را بسازد. اما متاسفانه عملاً کارایی نداشت! چرا که پایداری این روشنایی به دلیل حرارت زیاد کوتاه می‌شد و میزان درخشش آن نیز به اندازه نیاز نبوده و در ضمن از زیبایی ظاهری نیز برخوردار نبوده و قابلیت نصب و استفاده در منازل را نداشت. تمام لامپ‌های قوس الکتریکی از جریان عبوری در انواع مختلف پلاسمای گاز استفاده می‌کنند. AE Becquerel از فرانسه در مورد لامپ فلورسنت در سال 1857 نظریه‌پردازی کرد. چراغ‌های کم فشار از یک لوله بزرگ پلاسمای گاز کم فشار استفاده می‌کنند و شامل چراغ‌های فلورسنت و علائم نئون است.

تصویر زیر ، اولین لامپی است که ادیسون طی بارها آزمون و خطا اختراع نمود. به طوری که خودش گفته است : " من نهصد و نود و نُه بار شکست نخورده ام ، بلکه نهصد و نود و نُه روش یاد گرفته ام که چگونه لامپ ساخته نمی شود."

لامپ ادیسون:

تصویر زیر ، اولین لامپی است که ادیسون طی بارها آزمون و خطا اختراع نمود. به طوری که خودش گفته است : " من نهصد و نود و نُه بار شکست نخورده ام ، بلکه نهصد و نود و نُه روش یاد گرفته ام که چگونه لامپ ساخته نمی شود."

 ادیسون لامپ را با استفاده از اصل زیر اختراع نمود :

"با عبور جریان برق از سیم ها ، نور و گرما تولید می شود. بعبارتی لامپ انرژی الکتریکی ورودی را به انرژی گرمایی و نور تبدیل می کند."

در لامپ ادیسون سیم ها از جنس پلاتین بودند که آن ها را در یک لامپ شیشه ای مهر و موم کرده بود. با اتصال دو سمت این فنر (سیم ها) به وسیله برقی لامپ قرمز می شد و شروع به تابیدن می کرد.

با توجه به گران بودن پلاتین این چراغ ها زیاد مشهور نشدند و مورد استفاده قرار نگرفتند. به همین علت جنس این سیم ها تغییرات زیادی کرد و از موادی مثل کربن ، تنگستن و تنتالوم نیز استفاده شد. که با توجه به بالابودن نقطه ذوب این فلزات میله های ساخته شده از این فلزات نیز به آسانی نمی شکند

لامپ های رشته ای:

لامپهای رشته ای همان لامپهایی هستند که دهها سال قبل مورد استفاده قرار می گرفت و اولین نسل لامپهای مصرفی مردم بود . نور لامپهای رشته ای گرم و یکنواخت است و شباهت زیادی به نور طبیعی دارد . به دست آوردن میزان نور متفاوت به تغییر ولتاژ برق امکان پذیر بود . حباب لامپهای رشته ای در اندازه و شکلهای متفاوت تولید می شود . حبابهای سفید رنگ علاوه بر ملایم کردن نور ، در زمان مطالعه مانع ناراحتی چشم می شود ، و حبابهای رنگین در مورد متنوعی از جشنها و نور پردازی حیاط گرفته تا استفاده از تاریکخانه چاپ عکس و چراغ خواب مورد استفاده قرار می گیرد . از آنجایی که رشته نازک درون لامپ بخصوص در انواع کم نورتر آن بسادگی گسیخته می شود ، لامپهای رشته ای ضد لرزش انتخاب مناسبتری برای مکانهایی است که لامپ در معرض تکان می باشد .از مضرات استفاده از لامپ های رشته ای می توان به مصرف بالای برق ، تولید گرمای زیاد ، و عمر کوتاه آن اشاره کرد .

لامپ هالوژنی :

لامپ هالوژن نوعی لامپ رشته‌ای است که در آن گازهای فشرده و خنثی و مقدار اندکی از عناصر هالوژن مانند ید و برم اضافه شده‌است. چرخه موجود در لامپ‌های هالوژن که موجب ته‌نشین شدن مجدد تنگستن بخار شده بر روی رشته می‌شود نقش مؤثری در افزایش عمر این نوع لامپ‌های دارد. در این لامپ‌ها به علت وجود همین چرخه امکان بالا بردن دمای رشته بدون کاهش یافتن عمر لامپ نسبت به لامپ‌های معمولی نیز به وجود می‌آید که به افزایش بهره‌وری این لامپ‌ها می‌انجامد. این لامپ‌ها همچنین به علت اندازه کوچک و نور مناسب و آرامش بخششان، کابردهای خاص خودشان را در میان سیستم‌های روشنایی دارند.

به عنوان نمونه، یک لامپ التهابی 100 وات با اندازه بزرگش، با یک لامپ هالوژن خودرو در اندازه کوچک و همچنین با بهره نوری بالاتر،برابری می‌کند.

اولین لامپ‌ها از این دست در سال ۱۹۵۹ به وسیله شرکت جنرال الکتریک (GE) روانه بازار شد. در این لامپ‌ها از ید استفاده می‌شد و آن‌ها را کوارتز-ید (Quartz Iodine) می‌نامیدند. خیلی زود برم نیز به عنوان عنصری مناسب و با مزیت برای این کار شناخته شد. در آن زمان از این لامپ‌ها در کاربردهای خاص و برای روشنایی استادیوها، پروژکتورها و لامپ‌های خودرو استفاده می‌شد. بعدها در اوایل دهه ۱۹۷۰ حباب‌های خاصی نیز برای این لامپ‌ها ایجاد شد که آلومینوسیلیکا نام داشت. امروزه بالا رفتن تکنولوژی ساخت این لامپ‌ها موجب پایین آمدن قیمت این لامپ‌ها و افزایش بهره‌وری آن‌ها شده و امکان استفاده از این نوع لامپ‌ها در کاربردهای مختلفی ایجاد شده‌است.

نحوه عملکرد

در این لامپ‌ها وظیفه گاز هالوژن، ایجاد یک چرخه شیمیایی است که در ان تنگستن بخار شده در اثر حرارت از روی سطح رشته دوباره بر روی آن ته‌نشین شود. از آنجا که در لامپ‌های التهابی معمولی، تنگستن بخار شده، بر روی حباب لامپ ته‌نشین می‌شود ته‌نشین نشدن تنگستن بر روی حباب در لامپ‌های هالوژن موجب تمیز ماندن حباب و ثابت ماندن نور لامپ در طول عمر این لامپ‌ها می‌شود. عملکرد هالوژن در لامپ به این صورت است که هالوژن در قسمت‌های کم دماتر حباب با بخار تنگستن ترکیب می‌شود. این ترکیب با رسیدن با نقاط بسیار داغ لامپ یعنی روی رشته جداشده و دوباره به صورت هالوژن و تنگستن در می‌آید و به این ترتیب هالوژن تنگستن بخار شده را دوباره به رشته بازمی‌گرداند. از آنجا که هالوژن و بخار تنگستن باید با هم ترکیب شیمیایی شوند که دمای بسیار بالایی مورد نیاز است، پس باید تحمل حباب لامپ در مقابل این دما، باید از لامپ‌های معمولی بیشتر باشد. برای جلوگیری از آسیب دیدن حباب در این دما حباب این لامپ‌ها باید از کوارتز یا انواع دیگر شیشه‌ها با دمای ذوب بالا (مانند آلومینوسیلیکا) ساخته شود.

از آنجایی که کوارتز از مقاومت خوبی در مقابل فشار برخوردار است استفاده از این ماده این امکان را فراهم می‌آورد تا فشار گاز داخل حباب افزایش یابد و افزایش فشار گازهای داخل حباب باعث کاهش تبخیر تنگستن از روی رشته و افزایش عمر لامپ می‌شود. به هر حال در این لامپ‌ها تنگستن بخار شده معمولاً بر روی محل اولیه خود ته‌نشین نمی‌شود و در نهایت، رشته در قسمت‌هایی که بیشتر گرم می‌شوند نازک شده و قطع می‌شود. در این حال میگوییم لامپ سوخته است.

لامپ فلورسنت:

اين گروه عبارت است از تيوب‌های لامپی که به همراه مدار كنترل به صورت يكپارچه در‌آمده‌اند و در واقع يك واحد روشنايی كامل، به همراه كلاهك پيچی اديسونی يا كلاهك دو ميخی هستند.  ضریب بهره نوری لامپ های فلورسنت از اکثر لامپ های مورد استفادهه در روشنایی معابر کمتر بوده و حداکثر مقدار آن حدود 70 لومن بر وات می باشد. بستگی شدید شارنوری این لامپ ها به درجه حرارت محیط، یکی از ایرادهای آن ها است. از این رو جهت استفاده از لامپ های فلورسنت در روشنایی معابر باید از نوع آمالگام استفاده شود تا میزان شارنوری خروجی در برابر تغییرات درجه حرارت محیط پایدار گردد.

دو نقطۀ قوت این لامپ ها ضریب نمود رنگ بیش از 80 و نیز امکان دستیابی به لامپ هایی با توان های پایین است. قیمت این لامپ ها نیز مناسب می باشد.

راه اندازی لامپ های فلورسنت تلفات متفاوتی داشته به طوری که تلفات بالاست های القایی تا %30 نیز رسیده و تلفات بالاست های الکترونیکی حدود %10 می باشد. لامپ های فلورسنت نیز به خاطر دارا بودن بخار گاز جیوه برای محیط زیست مضر هستند.

همچنین لامپ های فلورسنت به خاطر داشتن طول بلند و نور خروجی مطبوع و ملایم، برای روشنایی ناحیه داخلی تونل در روز و نیز روشنایی تمام تونل در طول شب مناسب هستند. استفاده از این لامپ ها در امتداد محور تونل در ردیف های پیوسته ، یکنواختی بسیار خوب نور و جلوگیری از فلیکر را تضمین می کند. ولی باید دقت شود که در مواقع کاهش دمای داخل تونل به زیر صفر ، روشن شدن این لامپ ها با مشکل مواجه نگردد. کاربرد اصلی این لامپ ها در روشنایی داخل ساختمان ها است.

لامپ و چراغ روشنایی LED:

LED مخفف کلمات Light Emitting Diod می باشد که به معنی دیود نورافشان است. قطعات الکترونیکی به دو دسته هادی و نیمه هادی تقسیم بندی می شوند . که LED ها جزو دسته نیمه هادی هستند که اگر جریان الکتریسیته ازآن ها عبور کند از خود نور ساطع می کنند.

فردی به نام Henry Joseph Round در سال 1907 برای اولین باربا اتفاقاتی مواجه شد که متوجه شد زمانی که برق 10 ولت به کریستال کربوراندوم وصل می شود، نور زرد رنگی ساطع می شود. در همان سال 1907 فردی به نام Oleg Vladimirorich Loser در روسیه این موضوع را کشف کرد و در سال 1927 این موضوع را با عنوان اولین دیود نورافشان منتشر کرد. سپس در سال 1955 ، Rubin Braunstein گزارشی د رابطه با ایجاد نور مادون قرمز از یک سری دیود با اعمال جریان برق منتشر کرد. و در سال 1961 دونفر به نام های Gray Pittman و Bob Biard دستاوردی جدید داشتند و آن هم این بود که دریافتند اعمال جریان به دیود گالیم آرسنید ، نور مادون قرمز  ساطع می گردد. که همین را به شکل چراغ مادون قرمز با عنوان اختراع ثبت کردند. در سال 1962 Nick Holonyak ساخت LEDها با نوری قابل مشاهده و رنج کاملی از فرکانس ها را انجام داد. که منجر به دریافت جایزه نوبل شد. سرانجام در سال 1979 فردی به نام Shuji Nakamura از شرکت Nichia اولین LED آبی رنگ را اختراع کرد که این دانشمند بابت این اختراع جایزه نوبل دریافت کرد. در حال حاضر LED  ها رنگ بندی متنوعی دارند. و به علت قیمت بالای LED های اولیه تنها در آزمایشگاه های بسیار حرفه ای مورداستفاده قرار می گرفت.

 امروزه فقط نور لامپ مورد توجه کارخانجات سازنده لامپ نیست بلکه بیشتر سعی می کنند تا علاوه بر نور لامپ به موارد مانند عمر لامپ مصرف کم انرژی ، تولید کمتر حرارت ، سازگاری با محیط زیست و... توجه کنند .