ÁNH SÁNG ĐƯỢC TẠO RA NHƯ THẾ NÀO??
Đã bao giờ bạn đặt ra câu hỏi: “Ánh sáng được tạo ra như thế nào?” Thực tế, có rất nhiều nguồn tạo ra ánh sáng, mỗi loại lại có những bước sóng và bức xạ khác nhau. Hãy cùng tìm hiểu ngay sau đây!
1. Bộ tản nhiệt
Bộ tản nhiệt là cụm từ dùng để chỉ các cơ quan phát ra bức xạ điện từ do nhiệt độ tăng, Ví dụ mặt trời hoặc đèn sợi đốt. Nếu một vật rắn bị nung nóng đến nhiệt độ khoảng 525 độ C, nó sẽ bắt đầu phát ra ánh sáng đỏ mờ. Nếu nhiệt độ tăng lên, màu sẽ thay đổi từ đỏ xỉn sang đỏ tươi, cam, vàng, trắng và sáng trắng xanh khi nó gần đến điểm nóng chảy.
Bộ tản nhiệt black-body
Các đặc tính chính xác của bức xạ từ vật bị nung nóng phụ thuộc một số vào loại vật thể (loại vật liệu) được nung nóng. Vì vậy, để phân tích chính xác các đặc tính này, cần có một định nghĩa rõ ràng về loại vật thể được gia nhiệt. Lúc này, một bộ hấp thụ ánh sáng hoàn hảo, hay còn được gọi với cái tên “black-body” để khi ở nhiệt độ thấp nó cũng có thể phát ra bức xạ mà mắt chúng ta có thể trông thấy được là lựa chọn hàng đầu. Bởi vì trông nó sẽ có màu đen tuyền, do vậy nó được gọi là bộ tản nhiệt “black-body”.
Quang phổ ánh sáng
Thành phần ánh sáng do nguồn sáng phát ra được gọi là quang phổ. Nói cách khác, quang phổ ánh sáng cho thấy thành phần của các màu sắc hoặc bước sóng khác nhau của ánh sáng phát ra. Trong phạm vi sóng có thể nhìn thấy, tất cả các bước sóng, với tỷ lệ khác nhau, đều có trong quang phổ.
Nhiệt độ màu
Nhiệt độ của bộ tản nhiệt black-body xác định chính xác quang phổ của bức xạ và do đó cảm nhận được màu sắc của ánh sáng. Do đó, để đặc trưng cho màu sắc của bộ tản nhiệt, các nhà khoa học đã sử dụng “nhiệt độ màu” theo phương pháp giải thích, là nhiệt độ của phần thân được làm nóng. Thông thường, biểu thị nhiệt độ màu bằng K:
Ví dụ:
Ngọn lửa của một ngọn nến (gồm các hạt cacbon phát sáng ở nhiệt độ khoảng 2.000 K) phát ra ánh sáng màu vàng.
Dây tóc của đèn sợi đốt (nhiệt độ khoảng 2700K đến 2800K) có màu trắng vàng, và mặt trời vào buổi trưa (nhiệt độ khoảng 5000K) có màu trắng.
Nhiệt độ màu càng thấp thì màu của ánh sáng càng ấm (đỏ hơn) và lượng bức xạ hồng ngoại được tạo ra càng cao.
Mặt khác, nhiệt độ màu càng cao, màu của ánh sáng càng lạnh (xanh hơn) và lượng bức xạ tử ngoại tạo ra càng thấp.
Phân bố công suất quang phổ
Sự phân bố công suất quang phổ của các bộ bức xạ black-body có nhiệt độ màu khác nhau, như được minh họa trong hình dưới. Biểu đồ hình cho thấy rằng, năng lượng được bức xạ không chỉ trong vùng khả kiến mà còn trong vùng hồng ngoại và đối với nhiệt độ có nhiệt độ cao hơn 3000K, cả trong phạm vi tia cực tím. Với sự gia tăng nhiệt độ, đỉnh của năng lượng bức xạ chuyển sang các bước sóng ngắn hơn (vùng màu xanh lam của quang phổ). Giữa 3700K và 7600K, đỉnh nằm trong vùng có thể nhìn thấy.
2. Đèn sợi đốt
Đèn sợi đốt là nguồn sáng duy nhất hiện có tạo ra ánh sáng do đốt nóng dây tóc. Để phân tích thực tế về các đặc tính của đèn sợi đốt, chúng ta thường có thể sử dụng các khái niệm Black- Body lý thuyết ở trên. Một chiếc đèn sợi đốt có nhiệt độ màu từ 2700K đến 2800K phát ra phần lớn năng lượng của nó dưới dạng bức xạ hồng ngoại, hoặc nhiệt. Chỉ khoảng 5% năng lượng tiêu thụ của đèn sợi đốt được chuyển đổi thành bức xạ hoặc ánh sáng nhìn thấy được. Vì dây tóc của đèn sợi đốt phải có nhiệt độ rất cao mới có thể phát ra ánh sáng, nên vật liệu của dây tóc bay hơi tương đối nhanh. Do đó, đèn sợi đốt có tuổi thọ tương đối ngắn, chỉ khoảng 1.000 giờ. Đó là lý do tại sao đèn sợi đốt có thời gian chiếu sáng ngắn nhưng lại tiêu thụ nhiều năng lượng.
Trong đèn sợi đốt halogen, nhiệt độ của dây tóc có thể tăng lên 3000K và hiệu suất của nó thực sự gấp 2 đến 3 lần so với đèn sợi đốt bình thường. Đèn halogen có thể đưa nhiệt độ lên cao hơn mà không cần dây tóc bay hơi nhanh hơn bằng cách đưa khí halogen vào bóng đèn. Vật liệu dây tóc bay hơi (vonfram) phản ứng hóa học với halogen theo cách một phần vật liệu bay hơi quay trở lại dây tóc. Quá trình này được gọi là chu trình halogen. Nhờ quá trình này, tuổi thọ của đèn halogen có thể dài hơn đáng kể so với đèn sợi đốt thông thường: lên đến 1.000 – 6.000 giờ.
Bộ tản nhiệt xả khí
Các bộ tản nhiệt phóng điện, trừ khi dưới áp suất cực cao (như trong lõi của mặt trời) sẽ là một chất khí không phát sáng khi bị đốt nóng giống như cách làm của một vật chủ nóng sáng. Cách hiệu quả nhất để làm cho khí phát ra ánh sáng là truyền một dòng điện qua nó. Đèn huỳnh quang là một ví dụ điển hình cho việc truyền điện qua chất khí để sinh ra ánh sáng.
Nguyên lý phóng điện
Lý giải việc tại sao một dòng điện đi qua chất khí tạo ra ánh sáng là do các dòng điện chạy tự do tương tác với các nguyên tử khí. Để có được các dòng điện chạy tự do trong chất khí, chất khí đó được “đưa” vào một ống trong suốt với một điện cực kín ở mỗi đầu. Điện cực dương, hoặc cực dương, nhận điện tích dương trong khi điện cực âm, hoặc cực âm, nhận điện tích âm (xem Hình bên dưới), còn phần trong suốt được gọi là ống phóng điện. Khi một hiệu điện thế được đặt vào giữa các điện cực, các điện tử tự do bị kéo ra khỏi điện cực nhiễm điện âm và chuyển sang cực dương nhiễm điện. Mỗi nguyên tử khí bao gồm một lõi tích điện dương (hạt nhân) và một số dòng điện mang điện tích âm quay quanh lõi.
Nếu một nguyên tử bị va chạm bởi một electron tự do chuyển động nhanh, ba điều có thể xảy ra, tùy thuộc vào tốc độ tương đối của các hạt va chạm:
Hình a). Nếu tốc độ tương đối thấp, nguyên tử sẽ hấp thụ một phần động năng của electron, nhưng không thay đổi về cấu trúc. Điều này được gọi là “va chạm đàn hồi” và dẫn đến sự tăng nhiệt độ của chất khí.
Hình b). Nếu tốc độ vừa phải, va chạm sẽ đẩy một trong các electron của nguyên tử khí tạm thời lên quỹ đạo cao hơn có năng lượng cao hơn. Đây được gọi là “va chạm thú vị”. Electron bị kích thích rất nhanh chóng rơi trở lại quỹ đạo ban đầu của nó có năng lượng thấp hơn. Sự khác biệt về năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ điện từ. Bước sóng của bức xạ phụ thuộc vào loại nguyên tử khí và áp suất của chất khí. Bước sóng này có thể rơi vào vùng hồng ngoại, phần nhìn thấy được hoặc phần tử ngoại của quang phổ, dẫn đến việc tạo ra nhiệt, ánh sáng nhìn thấy hoặc bức xạ tử ngoại, tương ứng.
Hình c). Nếu tốc độ lớn, có thể một êlectron ngoài cùng của nguyên tử khí bị đẩy ra hoàn toàn. Đây được gọi là “va chạm ion hóa”. Kết quả là các hạt tự do mới được tạo ra: các ion mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Các ion dương và điện tử âm sinh ra từ quá trình ion hóa sẽ di chuyển tương ứng về phía cực âm và cực dương. Trên đường đi, chúng có thể va chạm với các nguyên tử trung hòa trong khí, chính chúng góp phần vào quá trình phóng điện.
Thiết bị điện
Như đã mô tả ở trên, quá trình ion hóa làm tăng số lượng các điện tử chuyển động tự do. Với sự tăng này, dòng điện qua ống phóng điện cũng tăng theo. Lúc này, cần có một thiết bị giới hạn dòng điện để tránh sự gia tăng không giới hạn của dòng điện này, tùy thuộc vào cách hoạt động của nó mà có những tên gọi khác nhau: chấn lưu điện trở, cảm ứng hoặc điện tử (hình bên dưới).
Với hầu hết các bóng đèn phóng điện, chỉ riêng sự chênh lệch điện áp giữa các điện cực là không đủ để bắt đầu kéo các điện tử tự do ra khỏi catốt. Đèn cần một thiết bị đánh lửa tạm thời cung cấp một đỉnh điện áp cao hơn để giúp nó khởi động. Bộ khởi động có thể là các hạng mục riêng biệt hoặc (trong trường hợp cao cấp hơn) chức năng này có thể được kết hợp trong chấn lưu điện tử.
Đèn xả khí áp suất thấp
Trong đèn phóng điện có mức áp suất khí thấp, áp suất khí bên trong ống phóng điện gần bằng chân không (khoảng 10-5 bầu khí quyển) giúp nhiệt độ hoạt động thấp và tuổi thọ của đèn lâu (đèn compact hạ áp giúp nâng cao tuổi thọ sử dụng đèn lên gấp 2 – 3 lần). Đèn phóng điện khí áp suất thấp có mặt trong chiếu sáng sử dụng thủy ngân hoặc khí natri áp suất thấp. Một cái tên phổ biến thường được sử dụng trước đây là “đèn huỳnh quang” và đèn natri áp suất thấp.
Đèn phóng điện hiệu quả hơn nhiều so với đèn sợi đốt: đèn thủy ngân áp suất thấp hiệu quả hơn 8 lần và đèn natri áp suất thấp, với ánh sáng vàng đặc trưng, hiệu quả hơn tới 15 lần. Vì đèn phóng điện không sử dụng dây tóc đốt nóng để cung cấp ánh sáng nên chúng có tuổi thọ cao hơn nhiều so với đèn sợi đốt: đèn áp suất thấp có thể có tuổi thọ từ 10.000 đến hơn 25.000 giờ.
Đèn phóng điện cao áp
Trong đèn phóng điện cao áp, áp suất khí làm việc bên trong ống phóng điện chứa 1 khoảng không khí. Nhiệt độ của khí có thể lên tới 4.000 đến 6.000 độ C. Như trong phóng điện khí áp suất thấp, thủy ngân hoặc khí natri cũng được sử dụng trong đèn thủy ngân cao áp và đèn natri cao áp. Các loại đèn cao áp thủy ngân được gọi là đèn halogen kim loại, còn các loại đèn sử dụng natri thì có cái tên là đèn SON cao áp natri và đèn SON trắng. Nhóm đèn phóng điện cao áp đôi khi được gọi là đèn HID (Phóng điện cường độ cao).
Như đã đề cập, đèn phóng điện hiệu quả hơn nhiều so với đèn sợi đốt: đèn cao áp gấp 10 lần. Tuổi thọ của đèn cao áp cũng kéo dài hơn, từ 10.000 đến hơn 25.000 giờ.
Kết luận: Hy vọng với những thông tin chia sẻ trên đây đã có thể giúp bạn đọc có được cái nhìn đầy đủ hơn về các nguồn phát ra ánh sáng cũng như đặc điểm của từng loại. Nếu có ý kiến đóng góp, xin liên hệ hotline hoặc comment bên dưới bài viết cho chúng tôi!