נוסח השאלה המלא: למה וכיצד מוסיפים אדי יוד למנורת הלוגן? ומדוע צריך להעלות את טמפרטורת התיל? אשר
ראשית הערה כללית - האתר 'שאל את המומחה' כולל כבר מאות שאלות ותשובות, ומכיל מנוע חיפוש (תיבת החיפוש מופיעה בתיבה השמאלית העליונה). לפני הגשת שאלה, מומלץ לבצע חיפוש קצרצר באתר כדי לבדוק אם השאלה שרוצים לשאול נענתה כבר. (טיפ לחיפוש יעיל באתר: כמה שפחות מילים כך החיפוש מוצלח יותר, עדיף לחפש מילת מפתח בודדת).
ספציפית לגבי שאלותך (+הסבר כללי קצר):
מנורת הלוגן, פועלת על אותו העיקרון של מנורת ליבון רגילה: כלומר האור מופק על ידי חימום של חוט עשוי טונגסטן על ידי העברת זרם חשמלי בתוכו.
מדוע צריך להעלות את טמפרטורת התיל?
אם ניקח נורת ליבון רגילה, הבנוייה למתח חשמלי של 3 וולט, ונחבר אותה לשנאי המסוגל ליצר מתחים שונים (או למספר שונה של סוללות המחוברות בטור) ניתן לראות שכאשר מחברים את הנורה למתח גדול יותר מ 3 וולט היא מאירה באור חזק יותר מבמתח הפעולה הרגיל עקב התלהטות חזקה של חוט הלהט, וכעבור זמן לא ארוך של פעולה (תלוי במתח המסופק, ככל שיותר גבוה כך הזמן קצר יותר) המנורה 'נשרפת' ומפסיקה לעבוד. וההפך – בחיבור המנורה למתח נמוך מ 3 וולט חוט הלהט בקושי יתלהט, ויפיץ אור חלש (אך המנורה תחזיק זמן ארוך ביותר במצב זה).
כלומר יש קשר חזק בין טמפרטורת התיל לבין כמות האור שהוא פולט וגם להרכב אורכי הגל הנפלטים*.
מכאן שיש אינטרס להעלות את טמפרטורת התיל של מנורה כדי להפיק ממנה יותר אור. אך מצד שני – הגדלת כמות האור באה על חשבון אורך החיים של המנורה – בטמפרטורות גבוהות חוט הלהט "נשרף" במהירות. וכאן נכנס תפקידו של ההלוגן.
נורת ליבון רגילה
למה וכיצד מוסיפים אדי יוד למנורת הלוגן?
מה שקורה הוא לא שהחוט טונגסטן נשרף באמת (הרי המנורה מבודדת מחמצן על ידי כיפת הזכוכית שלה) אלא שפשוט הטונגסטן מתחמם כל כך עד שהוא מתאדה (הביטוי היותר מדוייק הוא ממריא, כי הוא הופך ממוצק לגז) מתוך החוט הדק עד שהחוט מתנתק. הטונגסטן הגזי מתעבה במקום אחר במנורה, קר יותר (כמו על חלקי הזכוכית הפנימיים שלה, ולכן הם מתכהים).
בנורת הלוגן – רצו לנצל את התופעה של אור חזק יותר במתחים גבוהים יותר/ טמפרטורות גבוהות יותר של חוט הטונגסטן (מסתבר שהאור המופק בתהליך זה הוא גם יעיל יותר מבחינה אנרגטית בהשוואה לפעולה רגילה, כלומר מתקבל יותר אור לכל ג'אול של אנרגיה שמושקע) ובכל זאת למנוע את התאדות החוט.
הפתרון היה – הוספת כמות קטנה של הלוגן (יוד או ברום, פשוט מוכנסים פנימה לתוך המנורה בעת הייצור, מכאן השם של המנורה, בפועל אין צורך להוסיף את ההלוגן עצמו ואפשר פשוט להוסיף תרכובת של טונגסטן עם הלוגן כפי שיובן מדוע בהמשך) ושימוש במנורה בעלת נפח קטן ביותר – במנורות הלוגן כמעט שאין חלל בין חוט הלהט לבין זכוכית הקוורץ העוטפת אותו.
נורת הלוגן, שימו לב לחלל הקטן בין חוט הלהט לבין מעטפת המנורה, בהשוואה לנורת ליבון רגילה. התמונות באדיבות ויקיפדיה
כיצד זה פותר את הבעיה?
אם הוּסף הלוגן טהור, כאשר המנורה נדלקת לראשונה, אטומי הטונגסטן (W) מגיבים עם ההלוגן ליצור תרכובת, למשל תגובה עם ברום (Br2) ליצירת טונגסטן-שש-ברומי( WBr6):ן
W + 3Br2 -> WBr6
טונגסטן-שש-ברומי ניתך בטמפ' של 286oC ומתאדה בטמפ' של 333oC. כלומר בתוך חלל המנורה, שמתחמם לכמה מאות מעלות צלזיוס (מחוט הטונגסטן הלוהט) נוצר גז של טונגסטן שש ברומי, לגז זה תפקיד כפול:
ראשית – חימום הגז לטמפ' גבוהה בתוך חלל קטן גורם ללחץ גבוה בתוך המנורה בזמן הפעולה, לחץ גבוה מוריד את קצב התאדות הטונגסטן ומאפשר עבודה בטמפ' גבוהות מבמנורה רגילה (וכאמור מאפשר אור חזק יותר), וזמן חיים ארוך יותר של המנורה.
שנית, מולקולות של גז שפוגעות בתיל הלוהט (מעל 3000 מעלות!) מתפרקות (בתהליך ההפוך לתגובה הכימית הרשומה למעלה) :
WBr6 -> W + 3Br2
כך שטונגסטן נדבק חזרה לתיל, ואטומי הלוגן משוחררים חזרה להגיב עם אטומים אחרים של טונגסטן שהתאדו לחלל או לדופן המנורה. כך נוצר במנורה מה שמכונה 'מעגל הלוגן' שמשיב חזרה אל חוט הלהט את מה שהתאדה ממנו.
התוצאה – מנורה שמאירה באור חזק ביותר, ביעילות אנרגטית גבוהה, ובאורך חיים ארוך ממנורות ליבון רגילות.
- נוסח הפטנט המקורי למנורת הלוגן כפי שהוגש על ידי חברת ג'נרל אלקטריק בשנת 1958 (באנגלית): לחץ כאן
- {כהערת אגב נציין כי לתופעה הפיזיקלית בה חומר חם פולט קרינת אור קוראים 'קרינת גוף שחור', דווקא. פיזיקאים ניסו להסביר במשך עשרות שנים, ללא הצלחה, את הקשר בין הטמפרטורה לבין פליטת האור. המדען מקס פלאנק הצליח בתחילת המאה ה-20 להסביר את התופעה, והסברו לתופעה בסיסית, לכאורה, זו, מהווה את אבן היסוד מכניקת הקוונטים!, ההסבר גם זיכה את פלנאק בפרס נובל. המימון למחקרו של פלאנק ניתן על-ידי חברות חשמל שניסו לייעל את צריכת החשמל של נורות...}
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
