ელექტრონათურა

ელექტრონათურა.

საკმარისად ცხელი სხეულები ანათებენ. ეს ჩვენ ყოველდღიური ცხოვრებიდან ვიცით. მაგალითებია: სპირალიანი ელექტროღუმელი, ანთებული სიგარეტი, სამჭედლოში გავარვარებული რკინა.
ნათების ფერი დამოკიდებულია სხეულის ტემპერატურაზე.
ამ სურათზე ტემპერატურები მოყვანილია ე.წ. კელვინის სკალით. ცელსიუსის სკალით 0 გრადუსს შეესაბამება კელვინის სკალით 273 გრადუსი.
მზის ზედაპირის ტემპერატურა შეადგენს 5770 K-ს. ამიტომ ბუნებრივ მზის განათებას აქვს ის ფერი, რომელიც ნაჩვენებია სურათზე 6000K ტემპერატურის მახლობლობაში.
ერთი შეხედვით, კარგი იქნებოდა, ხელოვნური განათებისთვის გამოგვეყენებინა 6000K -მდე გავარვარებული სხეული, რაც საშუალებას მოგვცემდა მივახლოვებოდით ბუნებრივ პირობებს (თუმცა, აქვე უნდა ვთქვათ, რომ ნივთიერება, რომელიც ასეთ ტემპერატურას გაუძლებდა არ გვაქვს), მაგრამ ეს ასე არ არის. საქმე ის არის, რომ ასეთი განათება თრგუნავს ადამიანის ორგანიზმში ჰორმონის გამომუშავებას, რომელსაც მელატონინი ეწოდება და რომელიც მნიშვნელოვან როლს თამაშობს  ადამიანის დღე-ღამური ციკლების რეგულაციებში. ხელოვნურ განათებას ჩვენ მივმართავთ საღამოს ან ღამის პირობებში, როდესაც მელატონინი ინტენსიურად უნდა გამომუშავდებოდეს და ამდენად, სჯობს ისეთი განათება ვიხმაროთ, რომელიც მის გამომუშავებას არ შეაფერხებს. დადგენილია, რომ მაქსიმალურად კომფორტულია ისეთი განათება, რომელიც შეესაბამება 3500K -ზე ნაკლები ტემპერატურის მქონე სხეულებს.
რა თქმა უნდა, სინათლეს გამოასხივებენ არა მარტო გაცხელებული სხეულები. სინათლის წყაროს შეიძლება წარმოადგენდეს მაგალითად, ციცინათელა, ან  შუქდიოდი, რომელიც სულაც არ არის ცხელი, კომპიუტერის მონიტორი და მრავალი სხვა საგანი თუ მოწყობილობა.  ტერმინი color temperature (ფერის ტემპერატურა ?) გამოიყენება ასეთი წყაროების შესადარებლად გავარვარებულ სხეულებთან. თუ მონიტორის ფერის ტონი ისეთივეა, როგორც 6000K ტემპერატურის მქონე სხეულისა, მაშინ ამბობენ, რომ მონიტორის გამოსხივების color temperature 6000K -ს შეადგენს. ზემოთ ნათქვამის გათვალისწინებით ცხადია, რომ ასეთი მონიტორის წინ ღამეების თენება თქვენს ჯანმრთელობას არ წაადგება (ისევე როგორც, ზოგადად – უძილობა).
ამჟამად საყოველთაოდ გავრცელებული, ტომას ალვა ედისონის მიერ გამოგონილი ვარვარების ელექტრო ნათურის (იხ. პუბლიკაცია „ომის კანონი“) მოქმედების პრინციპი ეფუძნება ვოლფრამის სპირალში დენის გავლის შედეგად მის გაცხელებას და ამ გზით გავარვარებული სპირალის მიერ სინათლის გამოსხივებას.
ჩვეულებრივ ნათურაში ვოლფრამის სპირალის ტემპერატურა 2200K  – 2800K ფარგლებში მდებარეობს.  ვოლფრამის არჩევანი იმით არის განპირობებული, რომ იგი ერთ-ერთი ყველაზე ძნელად დნობადი მეტალია, მისი  დნობის ტემპერატურა 3650K-ს შეადგენს. მიუხედავად იმისა, რომ ნათურაში სპირალის მუშა ტემპერატურა მნიშვნელოვნად ნაკლებია  დნობის ტემპერატურაზე, ნათურები მაინც ხშირად იწვება. ეს გარემოება იმით აიხსნება, რომ ვარვარებისას ვოლფრამის ატომები ამოიფრქვევიან სპირალიდან, ანუ ვოლფრამი ორთქლდება (იმის მსგავსად, როგორც ეს სითხეებში ხდება, როდესაც ზედაპირთან ახლოს მდებარე მაღალი ენერგიის მოლეკულები ამოიფრქვევიან სითხის ზედაპირიდან), სპირალი თანდათან წვრილდება და ბოლოს, წყდება. თუ ნათურის კოლბიდან ჰაერი ამოტუმბულია, მაშინ  ვოლფრამის აორთქლებული ატომები ჯდებიან  მინის სფეროს კედლებზე, რაც იწვევს მინის თანდათანობით გაშავებას. ამ არასასურველი ეფექტის თავიდან ასაცილებლად კოლბას დიდი დიამეტრისას აკეთებენ, რადგან დიამეტრის გაზრდით, სფეროს ზედაპირის ფართი რადიუსის კვადრატის პროპორციულად იზრდება და, ამრიგად, ამოფრქვეული ატომები უფრო დიდ ფართობზე გადანაწილდებიან და, შესაბამისად, უფრო თხელი ფენით ფარავენ კოლბის ზედაპირს. რაც უფრო მეტია სპირალის ტემპერატურა, ანუ რაც უფრო მძლავრია ნათურა, მით უფრო ინტენსიურია ვოლფრამის აორთქლება და, შესაბამისად, მეტი უნდა იყოს კოლბის დიამეტრი, რათა დიდი ხნის განმავლობაში შეინარჩუნოს გამჭვირვალობა. კიდევ უფრო უკეთეს შედეგს მივაღწევთ, თუ კოლბაში ვაკუუმს ინერტული აირით (აზოტით, არგონით ან კრიპტონით) შევავსებთ. ამ შემთხვევაში ვოლფრამიდან ამოფრქვეული ატომები ეჯახებიან ინერტული აირის ატომებს და უფრო ძნელად აღწევენ კოლბის კედლებამდე. ინერტული აირით ავსება სულაც არ იცავს ნათურას გადაწვისაგან. ასეთ ნათურებში სპირალის გაწყვეტისას შეიძლება წარმოიშვას ელექტრული განმუხტვა – ე.წ. ელექტრული რკალი, იმის მსგავსად, როგორც ეს ელექტროშედუღებისას ხდება. ამ დროს ადგილი აქვს ვოლფრამის ძალიან ინტენსიურ დნობას, რომლის დროსაც ნადნობის შხეფები ხვდება მინას, რაც მის გასკდომას იწვევს თანმხლები ხმამაღალი ტკაცუნით.
ნათურის  სპირალის ტემპერატურის გაზრდა იწვევს არა მარტო ნათების ფერის ტონის შეცვლას, არამედ გამოსხივებული სინათლის სიმძლავრის გაზრდასაც. სურათზე მოყვანილია გამოსხივების u სიმძლავრის დამოკიდებულება გამოსხივების  ტალღის სიგრძეზე სხვადასხვა T ტემპერატურების მნიშვნელობებისათვის. გრაფიკიდან ჩანს, რომ ტემპერატურის ზრდას თან ახლავს გამოსხივების პიკის ტალღის სიგრძის წანაცვლება მოკლეტალღოვანი უბნისაკენ (უფრო ლურჯი ფერისკენ), ამასთან ტემპერატურის ზრდასთან ერთად მკვეთრად იზრდება გამოსხივების სიმძლავრეც. ეს გრაფიკი წარმოადგენს ე.წ პლანკის გამოსხივების კანონის ილუსტრაციას.
გავარვარებული სხეულის ზედაპირის ყოველი კვადრატული მეტრიდან გამოსხივებული სიმძლავრე პირდაპირპროპორციულია კელვინის სკალით ათვლილი T ტემპერატურის მეოთხე ხარისხისა. იგი განისაზღვრება სტეფან-ბოლცმანის კანონით და გამოითვლება ფორმულით
ამ ფორმულაში შემავალი პროპორციულობის კოეფიციენტი ატარებს სტეფან-ბოლცმანის მუდმივას სახელწოდებას და იგი რიცხობრივად ტოლია
ამ სიდიდის ფორმულაში ჩასმით მივიღებთ, რომ 1000K ტემპერატურაზე გავარვარებული სხეულის ფართის ყოველი კვადრატული მეტრი გამოასხივებს 56,7 კილოვატ სიმძლავრეს.
სიზუსტისთვის უნდა ითქვას, რომ ზემოთ მოყვანილი მსჯელობები სამართლიანია ე.წ. აბსოლუტურად შავი სხეულისათვის, რომელიც წარმოადგენს ფიზიკაში მიღებულ აბსტრაქციას და გულისხმობს ისეთ სხეულს, რომელიც შთანთქავს მასზე დაცემულ მთელ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას ყველა დიაპაზონში და არაფერს აირეკლავს.
აბსოლუტურად შავი სხეულის მოდელს წარმოადგენს ღრუ სფერო, რომელსაც ზედაპირზე ძალიან მცირე ზომის ხვრელი აქვს დატანილი. ამ ხვრელში მოხვედრილი ნებისმიერი გამოსხივება მრავალჯერ აირეკლება სფეროს შიდა ზედაპირიდან და, რადგანაც, ყოველ არეკვლას თან ახლავს ენერგიის ნაწილობრივი შთანთქმაც, საბოლოოდ მთლიანად შთაინთქმება.
ვარვარების ნათურის შემდგომი სრულყოფა გულისხმობს მისი მუშაობის ხანგრძლივობის და სიმძლავრის გაზრდას, აგრეთვე, კოლბის ზომების შემცირებას. ყოველივე ამას შეიძლება მივაღწიოთ, თუ კოლბაში შევიყვანთ აქტიური ელემენტების – ჰალოგენების (ბრომი, იოდი) ორთქლს. ვოლფრამის აორთქლებული ატომები ეჯახებიან რა იოდის ატომებს, შედიან მათთან რეაქციაში და ქმნიან ქიმიურ ნაერთს, რის გამოც ვეღარ აღწევენ კოლბის კედლებამდე. თუ კოლბის ტემპერატურა ცელსიუსის 200 გრადუსზე მეტია, მაშინ ამ ქიმიური ნაერთის მოლეკულები არ ჯდებიან კოლბის ზედაპირზე და განაგრძობენ სითბურ მოძრაობას კოლბის შიგნით. ვოლფრამის სპირალის უშუალო სიახლოვეს ან მის ზედაპირზე მოხვედრისას, მაღალი ტემპერატურის ზეგავლენით ეს ქიმიური შენაერთი იშლება და ამრიგად ხდება ვოლფრამის აღდგენა. ეს გარემოება საშუალებას იძლევა გავზარდოთ სპირალის ტემპერატურა 3000K-მდე და, მაშასადამე გამოსხივების სიმძლავრეც.  ასევე შესაძლებელი ხდება საგრძნობლად შევამციროთ ნათურის კოლბის ზომებიც.
ასეთ ნათურებს ჰალოგენური ნათურები ეწოდება. ისინი  ფართოდ გამოიყენება ავტომობილების მაშუქებში და დარბაზების განათებისთვის განკუთვნილ მოწყობილობებში.
ვარვარების ნათურების მწყობრიდან გამოსვლის შემთხვევების უდიდესი ნაწილი მოდის წრედის ჩართვის მომენტზე. ეს განპირობებულია შემდეგი გარემოებებით: მეტალებს, მათ შორის ვოლფრამს, რომლისგანაც არის დამზადებული ნათურის სპირალი, ახასიათებთ ელექტრული წინაღობის დადებითი ტემპერატურული კოეფიციენტი (პუბლიკაცია „ომის კანონი“), რაც იმას ნიშნავს, რომ ტემპერატურის მატებისას, მათი ელექტრული წინაღობა იზრდება. სპირალში დენის გავლისას, მასში გამოყოფილი სიმძლავრე განისაზღვრება ფორმულით P=UI, სადაც U -სპირალზე მოდებული ძაბვის მნიშვნელობაა, ხოლო I -მასში გამავალი დენის ძალა. ნათურის  წრედის ჩართვამდე სპირალი ცივია და მისი წინაღობა მცირეა. წრედის ჩართვის მომენტში, წინაღობის სიმცირის გამო, სპირალში ძალიან დიდი დენი გადის. იგი განისაზღვრება ფორმულით I=U/R, სადაც R-სპირალის წინაღობაა. მაშასადამე, ამ მომენტში დიდია სპირალში გამოყოფილი სიმძლავრეც, რაც ზოგჯერ მის გადაწვას იწვევს. თუ გადაწვას გადაურჩა, მაშინ   სპირალში დენის გავლის გამო, იგი თბება, მისი წინაღობა იზრდება და რაღაც დროის გასვლის შემდეგ აღწევს მაქსიმუმს. ამ დროს სპირალში გამავალი დენის ძალა მინიმალურია, გამოყოფილი სიმძლავრე კი – ნომინალური, ანუ ისეთი, რომელზეც არის გათვლილი ნათურის მუშაობა. ზემოთ თქმულიდან ცხადია, რომ საჭიროა ნათურის დაცვა წრედის ჩართვის მომენტში. რომ შეგვეძლოს რაიმე ხერხით სპირალი წინასწარ საკმარისად შევათბოთ, ყველაფერი წესრიგში იქნებოდა. ამისთვის საჭიროა თავიდან სპირალს მცირე სიდიდის ძაბვა მოვდოთ და მხოლოდ მისი საკმარისად გახურების შემდეგ მივაწოდოთ სრული სამუშაო ძაბვა, ან რაიმე გზით შევზღუდოთ მასში გამავალი დენის ძალა. ნათურის ჩართვის ასეთ მეთოდს რბილი გაშვება (soft start) ეწოდება. ერთ-ერთი უმარტივესი სქემა, რომელიც მუდმივი დენის წყაროს წრედში ჩართული ნათურებისათვის გამოიყენება, ნაჩვენებია ნახაზზე.
R წინაღობის მნიშვნელობა დაახლოებით ტოლია HL ნათურის წინაღობისა ცივ მდგომარეობაში, ამიტომ ძაბვა ნათურაზე შეადგენს კვების ძაბვის მნიშვნელობის დაახლოებით ნახევარს და შედეგად,  ჩართვის მომენტში ნათურაში მცირე დენი გადის. ნათურის სპირალი თანდათან ხურდება, მისი წინაღობა მატულობს და, ამიტომ მატულობს მასზე მოდებული ძაბვის მნიშვნელობაც. ვინაიდან ძაბვის მნიშვნელობა HL ნათურაზე და K1 რელეს (იხ. პუბლიკაცია „ძრავების მართვა“) კოჭაზე ერთნაირია (ისინი პარალელურად არიან ჩართულნი), ამიტომ მატულობს K1 რელეს კოჭის ძაბვაც და რაღაც დროის გასვლის შემდეგ იგი მიაღწევს ისეთ მნიშვნელობას, რომ რელეს კონტაქტები გადაირთვებიან მეორე მდგომარეობაში. ამ მომენტიდან დაწყებული ნათურას მიეწოდება კვების ძაბვის სრული მნიშვნელობა და იგი სრული სიკაშკაშით ანათებს.