فكرة عمل المصباح الكهربائي وتاريخ اختراعه

المصدر الرئيسي للضوء الطبيعي على الأرض هو الشمس، تاريخيًا كان مصدر آخر مهم للضوء للبشر هو النار حيث عرف الإنسان القديم المصباح بعد أن اكتشف النيران وهي من أوائل الظواهر الطبيعية التي تنتج الضوء بالإضافة إلى أهميتها الشديدة في حياتنا والمهام التي كانت تؤديها ولا تزال تؤدي العديد من المهام الحيوية منها: الإضاءة ، تحضير الطعام، تسخين المياه، التدفئة، التخلص من بعض المخلفات والعديد من الوظائف الأخرى ، من نيران المخيمات القديمة إلى مصابيح الكيروسين الحديثة، ومع تطور المصابيح الكهربائية وأنظمة الطاقة، حلت الإضاءة الكهربائية محل ضوء النار بشكل فعال.

اسماء المصباح الكهربائي

أطلق على المصباح العديد من الأسماء منها السراج الذي يعني اللامع، والفتيل المضاء وقنديل البحر وهو مصباح مصنوع من الزجاج يشبه الكأس ، بفتيل مضاء بالزيت وغيرها من الأسماء.وقد ذكر المصباح في القرآن الكريم للدلالة على مصدر الضوء، والضوء هو شكل من أشكال الطاقة التي ينتجها مصدر الإنارة وهو يتكون من فوتونات تسافر بسرعة كبيرة وتتصرف فوتونات الضوء مثل الموجات والجسيمات وسنتحدث في هذا المقال عن تاريخ وفكرة عمل المصباح وأشهر الأنواع.

أول فكرة للمصباح الكهربائي

تم التحقيق في الفكرة الأساسية لاستخدام الكهرباء لتوليد الضوء لأول مرة منذ أكثر من ٢٠٠ عام بواسطة الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي، حيث أظهر أنه عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر الأسلاك فإن مقاومتها تتسبب في ارتفاع درجة حرارتها إلى النقطة التي ينبعث منها الضوء، لكنه حدد أيضًا المشكلة الرئيسية لإنشاء أول ضوء ساطع عملي حيث أنه قام بالعثور على مادة رخيصة اشتعلت ببراعة واستمرت لساعات عديدة.

توماس إديسون والمصباح الكهربائي الأول

توماس ألفا إديسون في عام 1878 بدأ توماس إديسون بحثًا جادًا لتطوير مصباح متوهج عملي وفي 14 أكتوبر 1878 قدم إديسون أول طلب براءة اختراع لـأضواء كهربائية محسّنة.ومع ذلك، استمر في اختبار عدة أنواع من المواد للخيوط المعدنية لتحسين تصميمه الأصلي وبحلول 4 نوفمبر 1879 قدم براءة اختراع أمريكية أخرى لمصباح كهربائي باستخدام خيوط كربون أو شريط ملفوف ومتصل.

على الرغم من أن براءة الاختراع وصفت عدة طرق لإنشاء خيوط الكربون بما في ذلك استخدام خيوط القطن والكتان والجبائر الخشبية والأوراق الملفوفة بطرق مختلفة.في الواقع يدعي بعض المؤرخين أنه كان هناك أكثر من 20 مخترعًا للمصابيح المتوهجة قبل إطلاق المصباح الخاص بإديسون ومع ذلك غالبًا ما يُنسب إلى إديسون الاختراع لأن نسخته كانت قادرة على التفوق في الأداء على الإصدارات السابقة بسبب مجموعة من ثلاثة عوامل:

مادة متوهجة فعالة.
فراغ أعلى مما كان بإمكان الآخرين تحقيقه.
مقاومة عالية جعلت توزيع الطاقة من مصدر مركزي مجدي اقتصاديًا.

تطورات اختراع المصباح على مدار الوقت

لمبات الإضاءة المبكرة في عام 1802 ، اخترع همفري ديفي أول ضوء كهربائي حيث جرب الكهرباء واخترع بطارية كهربائية وعندما قام بتوصيل الأسلاك بالبطارية وقطعة من الكربون توهج الكربون ،مما أدى إلى إنتاج الضوء.كان اختراعه معروفًا باسم مصباح القوس الكهربائي على الرغم من أنها تنتج الضوء إلا أنها لم تنتجها لفترة طويلة وكانت ساطعة جدًا للاستخدام العملي.

على مدى العقود السبعة التالية ابتكر مخترعون آخرون مصابيح كهربائية ولكن لم تظهر أي تصميمات للتطبيق التجاري.الأهم من ذلك في عام 1840 وضع العالم البريطاني وارن دي لا رو خيطًا من البلاتين ملفوفًا في أنبوب مفرغ ومرر تيارًا كهربائيًا خلاله. استند التصميم إلى مفهوم أن نقطة انصهار البلاتين العالية ستسمح له بالعمل في درجات حرارة عالية وأن غرفة التفريغ ستحتوي على جزيئات غاز أقل للتفاعل مع البلاتين مما يحسن من طول عمرها.على الرغم من التصميم الفعال فإن تكلفة البلاتين جعلته غير عملي للإنتاج التجاري.

وفي عام 1850 ابتكر الفيزيائي الإنجليزي جوزيف ويلسون سوان مصباحًا كهربائيًا وقام بتغليف خيوط ورقية مكربنة في لمبة زجاجية مفرغة وبحلول عام 1860 كان لديه نموذج أولي عملي للمصباح الكهربائي ولكن عدم وجود فراغ جيد وإمدادات كافية من الكهرباء نتج عنه مصباح كان عمره الافتراضي قصيرًا جدًا بحيث لا يمكن اعتباره مصدرًا فعالًا للضوء.ولكن في سبعينيات القرن التاسع عشر أصبحت مضخات التفريغ الأفضل متاحة واستمر سوان في تجربة المصابيح الكهربائية وفي عام 1878 طور سوان مصباحًا كهربائيًا طويل الأمد باستخدام خيط قطني معالج والذي قضى أيضًا على مشكلة اسوداد اللمبة المكربنة.

فكرة عمل المصباح الكهربائي

يوجد العديد من الأنواع المختلفة من المصابيح الكهربائية وتختلف على حسب نوعها حيث أن المصباح الكهربائي ليس كما كان من قبل حيث صاحب تطور التكنولوجيا تطورًا في علم الكهرباء والإنارة أيضًا.

مبدأ التوهج الناتج عن الحرارة

المصابيح المتوهجة لم تعد كما كانت من قبل بسبب أنها تستهلك الكثير من الطاقة حيث أنها تقوم على مبدأ التوهج الناتج عن الحرارة وهو كما يلي:

ذرات العناصر بشكل عام تكون محاطة بمدارات ويكون للمدار الواحد طاقة معينة يجب أن يمتلكها الإلكترون ليبقى داخل المدار.
إذا انتقل الإلكترون من مدار واحد إلى مدار أعلى مما يجب أن يكتسب الطاقة والعكس يحدث أيضًا حيث أنه إذا انتقل إلى مدار أقل منه يجب عليه أن يفقد طاقة.
الذرة عندما تكتسب طاقة ترتفع الإلكترونات إلى مدار أعلى في الطاقة وهذا يسبب في حدوث عدم استقرار للذرة لذلك لا بد من فقد الطاقة لعودة الإلكترونات إلى مسارها الطبيعي ولذلك فأنها تشع الطاقة في شكل يسمى بالفوتونات والتي تعطينا الضوء.
يحدث ذلك من خلال استخدام سلك ملفوف بشكل دوامة من التنجستين بين قطبين، وعند تفعيل المصباح تقوم الطاقة ك بالتدفق خلال السلك الذي يقوم بتوصيل الطاقة الكهربائية في عملية إنتاج الحرارة للحصول على الضوء.
لذلك تم استبدالها لاحقًا بمصابيح موفرة للطاقة مما يوفر ما يقرب من ٨٠% من الطاقة .

أنواع المصابيح الكهربائية

هناك أربعة أنواع شائعة من المصابيح الكهربائية وهي:

المصابيح الباعثة للضوء (LED):

أحد أكثر أنواع المصابيح كفاءة في استخدام الطاقة، فهو لا ينبعث منه أي حرارة ولا يحتوي على زئبق وينبعث منه ضوء ساطع.
كما أنها توفر ضوءًا موجهًا لذا فهي رائعة للإضاءة وتدوم طويلاً حتى 50000 ساعة وهي رائعة للأماكن المعتمة والتي يصعب الوصول إليها.

المصابيح المتوهجة:

هذه هي أكثر أنواع المصابيح شيوعًا وعادة ما تكون الأقل تكلفة حيث ينبعث منها ضوء دافئ وعادة ما يستمر لمدة تصل إلى عام وهي تكون أطول من مصابيح الهالوجين ولكن ليس بطول مصابيح CFL أو مصابيح LED.
كما أنها ليست موفرة للطاقة مثل الأنواع الأخرى من المصابيح.

الفلورسنت المدمج (CFL):

يمكن لهذه المصابيح الموفرة للطاقة أن تصدر مجموعة واسعة من الألوان حسب الطراز الذي تختاره وغالبًا ما يستغرقون بعض الوقت للإحماء ويصبحون أكثر إشراقًا. يمكن استخدامه لإضاءة المساحات الكبيرة مثل العلية والغرف الكبيرة والمطابخ كما إنها أقل تكلفة من مصابيح LED ويمكن أن تدوم لفترة أطول من المصابيح المتوهجة.
وتحتوي هذه المصابيح على الزئبق، لذا تعامل معها بحذر وبمجرد أن تحترق يمكن إعادة تدويرها.

الهالوجين:

تبعث هذه الأضواء ضوءًا أبيض يحاكي ضوء النهار في ساعات بعد الظهر وهي موفرة للطاقة وقابلة للتعتيم ورائعة للإضاءة المريحة والأضواء المعلقة وإضاءة الخزانة.
هذا المصباح لديه أقصر عمر من الأربعة ومع ذلك من المهم ملاحظة أنها تسخن بسرعة لذا يجب إبعادها عن المواد التي تسبب الحريق.
نوصي أيضًا باستخدام القفازات لتغيير اللمبة لأنه من الممكن أن ينفجر المصباح إذا كان ساخنًا جدًا.

وفي النهاية من أجل فهم طبيعة العلم والعالم الذي نعيش فيه غالبًا ما يستخدم العلماء النماذج في بعض الأحيان، هناك حاجة إلى عدة نماذج لشرح خصائص وسلوكيات الظاهرة. على سبيل المثال لفهم سلوك الضوء، هناك حاجة إلى نموذجين ويجب التفكير في الضوء على أنه موجات وجزيئات.