ההיסטוריה של התאורה

אור הוא משאב קריטי אשר משפיע על חייהם של כמעט כל היצורים החיים על פני כדור הארץ, וקיומו או היעדרו הינם בסיס משמעותי לאורח חייהם והישרדותם. לכן זה לא מפתיע במיוחד שמשחר ההיסטוריה האדם התעסק בשליטה על אור – החל מגילוי האש והשליטה בה על ידי האדם הקדמון, דרך המצאת נורות החשמל הראשונות בשלהי המאה ה-19 ועד לנורות הלד המודרניות של ימינו. השליטה באור הביאה לשינויים משמעותיים בהתנהגותם של בני אדם אשר בראשם הרחבת הפעילות אל שעות הלילה.

הפקת אור מכל סוג שהוא דורשת שימוש באנרגיה, אשר בנוסף לאור מפיקה גם תוצר לוואי בצורת חום; ככל שחלק גדול יותר מהאנרגיה שהושקעה בתהליך "התגלגל" לאור (על חשבון החום), כך נחשבת הפעולה יעילה יותר. מונח זה מכונה "נצילות" (מסומנת על ידי האות היוונית "אטא" η) ובהקשר של נורות חשמליות מוגדר מתמטית על ידי היחס

כלומר האנרגיה שנהפכה לאור חלקי כלל האנרגיה שהושקעה בתהליך.

על מנת להפיק אור ביעילות ולפי דרישה היה על האדם לרתום את חוקי הטבע לטובתו ולפתח טכנולוגיות חדשות באמצעות התקדמות מחקרית בתחום הפיזיקה. בפוסט זה אסקור את התפתחות טכנולוגיות התאורה החשמלית לאורך השנים.

נורות הלהט

נורות החשמל הראשונות – הלא הן נורות הלהט, הפיקו אור באמצעות עיקרון "קרינת גוף שחור": כל גוף בטבע תמידית פולט קרינה בכל אורכי הגל, כאשר לפי חוק פלאנק עוצמת הקרינה באורך גל מסוים תלויה באורך הגל ובטמפרטורת הגוף:

כאשר בנוסחה המפחידה הזו מייצגת את אורך הגל, הוא קבוע בולצמן, הוא קבוע פלאנק, היא מהירות האור בריק, ו- היא טמפרטורת הגוף.

בטמפרטורות יום-יומיות עוצמות הקרינה הנפלטת מגופים הן קטנות, ועל מנת להפיק אור שביכולתינו לראות (קרינה חזקה מספיק באורכי הגל שבתחום האור הנראה) צריך לחמם את הגוף הפולט, והרבה. זה בדיוק העיקרון עליו פועלות נורות הלהט: על ידי העברת זרם חשמלי בתיל מתכתי עמיד לחום ובעל התנגדות חשמלית גבוהה, התיל מתחמם לטמפרטורות בהן עוצמת קרינת הגוף השחור שלו (באורכי הגל הנראים לעין) גבוהה מספיק כדי לייצר אור שאנחנו מסוגלים להבחין בו. הנצילות החשמלית בנורות אלו עמדה על פחות מחמישה אחוזים, כלומר למעלה מתשעים וחמישה אחוזים מהאנרגיה המושקעת בנורה מתבזבזת על חום (שזה הגיוני כי מראש המטרה בשיטה זו היא לחמם את תיל המתכת).

מעבר להבנת העקרונות הפיזיקליים הנדרשים לפעולתה, בניית הנורה עצמה ובחירת החומרים ממנה תהיה עשויה היו אתגריים הנדסיים לא קטנים, דבר ההופך את נורות הלהט של המאה ה-19 לפריצת דרך טכנולוגית והנדסית.

נורות הפריקה

עם התפתחות הטכנולוגיה הומצאה שיטה מתוחכמת יותר להפקת אור על ידי פריקה חשמלית בגז: מתברר כי תחת תנאים מתאימים, העברת זרם חשמלי באמצעות אלקטרודות דרך גזים מסוימים המצויים בשפורפרת זכוכית אטומה, גורמת להם לפלוט קרינה באורכי גל שונים. רלוונטים במיוחד בהקשר זה הם הגזים האצילים אשר מפיקים אור בהיר במיוחד בצבעים מובחנים, ובהתאם החלו להתפתח נורות ההליום, הניאון והקסנון. בניגוד לנורות הלהט, נורות הפריקה יכולות להפיק אור צבעוני.

בפשטות, כאשר נוצר הפרש מתחים גבוה בין האלקטרודות שבשפורפרת, מושרה בתוכה שדה חשמלי. השדה החשמלי גורם לחלק מאטומי הגז לאבד חלק מהאלקטרונים שלהם, כלומר אותם אטומים עוברים יינון. האלקטרונים שהשתחררו נעים בתוך השפורפרת, אך השדה החשמלי מושך אותם אל עבר האלקטרודה בעלת המטען החיובי (אנודה), בעוד האטומים המיוננים (אשר נושאים מטען חיובי בעקבות אובדן האלקטרונים) מואצים על ידי השדה החשמלי אל עבר האלקטרודה בעלת המטען השלילי (קטודה). כתוצאה מכך נוצרות התנגשויות בין אטומי גז מיוננים לבין אטומי גז שאינם מיוננים, במהלכן האטומים שאינם מיוננים מוסרים אלקטרונים אל האטומים המיוננים ומשווים את מטענם, ובכך עוברים יינון גם הם ומואצים אל עבר הקטודה. כאשר האטומים המיוננים "מקבלים" אלקטרונים בחזרה, אלקטרונים אלו עוברים לרמת אנרגיה נמוכה יותר ופולטים פוטון (יחידת אור) הנושא את הפרש האנרגיות בין הרמות.

מכמות האנרגיה שנושא הפוטון ניתן לחשב את אורך הגל של האור, כלומר את צבעו. נדגים על נורות המכילות גז מימן:

לפי התרשים לעיל אלקטרון שיגיע מ-"אינסוף" ויעצר ברמה 5, יגרום לפליטה של

לפי קשר פלאנק-איינשטיין (אותו פלאנק מחוק פלאנק כמה פסקאות למעלה) מתקיים קשר ישר בין האנרגיה האצורה בפוטון לבין תדירות הגל שלו:

כאשר היא האנרגיה, היא תדירות הגל ו- הוא קבוע פלאנק. נזכור כי הקשר בין התדירות לאורך הגל הוא כאשר C היא מהירות האור. כלומר נוכל לפתח את קשר פלאנק-איינשטיין לכדי נוסחה המכילה את אורך הגל:

על מנת לקבל את אורך הגל במטרים נצטרך להמיר את יחידת האנרגיה שלנו מאלקטרון-וולט אשר נוחה לעבודה בסדרי גודל קטנים, אל היחידה הסטנדרטית ג'אול [J] אשר מתאימה לשיטה המטרית:

לאחר ההמרה נקבל

נציב בקשר שפיתחנו ביחד עם קבוע פלאנק ומהירות האור ונקבל

למעשה, אלקטרונים יכולים לרדת בין רמות האנרגיה "בחלקים". כלומר, בנוסף ללרדת ישירות מ"אינסוף" לרמה 2, אלקטרון יכול גם לרדת קודם מ"אינסוף" לרמה 4, ורק לאחר מכן לרדת מרמה 4 לרמה 2. בכל אחת מהירידות יפלוט יון המימן אורך גל מתאים כפי שחישבנו קודם. אם נרצה לחשב את כל אורכי הגל הנפלטים האפשריים, נצטרך לחזור על החישוב שביצענו למעלה עבור כל אחד ואחד מההפרשים הקיימים בין שתי רמות אנרגיה שונות. מבין כל המעברים האפשריים, רק ארבעה פולטים קרינה באורך גל שעין אנושית יכולה לראות (400~700 ננו-מטר):

רמה התחלתית	רמה סופית	הפרש אנרגיות [eV]	אורך גל נפלט [nm]
n=6	n=2	3.02	410.2
n=5	n=2	2.86	434
n=4	n=2	2.55	486.1
n=3	n=2	1.89	656.3

בתמונה למעלה המציגה סוגים שונים של נורות פריקה, אפשר לראות כי צבע הנורה המכילה מולקולות מימן (H₂) הוא כחלחל-סגלגל, בהתאם לשלושת אורכי הגל השמאליים בספקטרום הפליטה. מכאן ניתן ללמוד שהמעבר מרמה 3 לרמה 2 אשר מפיק את האור האדום, פחות דומינננטי ומתרחש בתדירות נמוכה יותר מאשר שאר המעברים.

אמנם הדגמנו את ספקטרום הפליטה על מימן, אך לכל חומר ספקטרום פליטה שונה שנגזר מההבדלים בין רמות האנרגיה של החומר.

סוג נוסף של נורת פריקה היא הנורה הפלואורסצנטית, בה קרינת האולטרה-סגול הנפלטת בתהליך הפריקה החשמלית אינה בתחום האור הנראה, אך במגע עם הציפוי הזרחני המצוי על פנים צינור הנורה מופק אור הנראה לעין.

נורות הפריקה יעילות יותר מנורות הלהט ונצילותן נעה בטווח של 55-70 אחוזים.

נורות ה-LED

הסוג השלישי והאחרון של תאורה מלאכותית שפותחה על ידי האדם הוא תאורת LED, או בשמה המלא Light-Emitting Diode. אופן הפעולה של תאורת לד מעט מורכב יותר מאשר סוגי הנורות הקודמים, ואכן לאנושות לקחת זמן רב יותר לפתח אותה. טכנולוגיה זו מבוססת על תופעת האלקטרולומינציה בה חומר מוצק פולט אור כתגובה ישירה למעבר זרם חשמלי בו (בשונה מפליטת קרינת גוף שחור כמו בנורות הלהט). על אף שתופעה זו נצפתה כבר בתחילת המאה ה-19, רק לאחר השגת הבנה פיזיקלית מעמיקה יותר של תחום המוליכים-למחצה הצליחו חוקרים לפתח את נורות הלד הראשונות לשימוש מעשי בשנות השישים של המאה העשרים.

כדי להבין איך עובדת דיודה פולטת אור, כדאי קודם להבין מה זו דיודה רגילה ואת עקרון הפעולה שלה. מדובר ברכיב המאפשר לזרם חשמלי לעבור דרכו רק בכיוון מסוים, בניגוד למוליך רגיל דרכו מטען חשמלי יכול לזרום בכל כיוון. זרם חשמלי, בפשטות, הוא תנועה של אלקטרונים חופשיים בתוך חומר אחיד. אלקטרונים נושאים מטען חשמלי שלילי, וימשכו תמיד אל עבר מטען חשמלי חיובי.

על מנת לבנות דיודה, מצמידים זה לזה שני מוליכים-למחצה – שאלו חומרים אשר מוליכים חשמל אבל לא מאוד טוב. המוליכים למחצה בהם משתמשים בדיודות עוברים תהליך "אילוח" (Doping), בו יוצרים "פגמים" מכוונים בטוהר החומר. במקרה של דיודות סטנדרטיות, מצמידים זה לזה שני גושי סיליקון (צורן), אשר באחד מהם מחליפים חלק מהאטומים באטומי אלומיניום, ובשני מחליפים חלק מאטומי הסיליקון באטומי זרחן. נכנה אותם חומר P וחומר N.

כיוון שאלומיניום וזרחן הם יסודות הסמוכים לסיליקון בטבלה המחזורית, באופן טבעי לזרחן יש אלקטרון אחד יותר מאשר לסיליקון בכל אחד מהאטומים שלו, ולאלומיניום אלקטרון אחד פחות. מצב זה יוצר עודף של אלקטרונים חופשיים בחומר N ומחסור אלקטרונים בחומר P ("חורים"). האלקטרונים נושאים מטען שלילי כדרכם, וה"חורים" נושאים מטען חיובי בהיעדר אלקטרונים חיוניים. כשהחומרים מוצמדים, לאלקטרונים החופשיים יש נטייה לעבור מחומר N אל חומר P ולמלא את "החורים" שנגרמו מהחוסר באלקטרונים. כעת חלק מה"חורים" עברו אל הקצה של חומר N.

בעקבות מעבר האלקטרונים אל החומר P, נוצר בין החומרים שדה חשמלי המנוגד לכיוון תנועת האלקטרונים, ומתחזק ככל שעוברים עוד אלקטרונים בין החומרים. מעבר האלקטרונים יעצר כאשר גודל השדה החשמלי בין החומרים ישתווה לגודל המשיכה של האלקטרונים להשלים "חורים" בחומר P.

במצב זה, אם ניקח מקור כוח בעל מתח הגבוה מספיק בכדי להתגבר על השדה החשמלי בין החומרים, ונחבר לחומר N את ההדק השלילי שלו ולחומר P את ההדק החיובי, נספק לחומר N עוד אלקטרונים עם מספיק אנרגיה בכדי לפרוץ את מחסום השדה החשמלי, ולאחר מכן להימשך חזרה להדק החיובי של מקור המתח. כלומר, נוצר זרם חשמלי. כאשר האלקטרונים עוברים דרך השדה החשמלי בין החומרים, הם פולטים חום

מנגד, אם נהפוך את מקור המתח וננסה להחליף את כיוון הזרם, האלקטרונים בחומר N ימשכו אל ההדק החיובי של מקור המתח, וה"חורים" בחומר P ימשכו אל ההדק השלילי, שכן בהיעדר האלקטרונים החיוניים הם נושאים מטען חיובי. כלומר, אנחנו רק מגדילים את השדה החשמלי בין החומרים, ויוצרים מצב של נתק. בכך הדיודה מאפשרת לזרם חשמלי לזרום בכיוון יחיד בלבד.

דיודה פולטת אור, במונחים פשוטים, היא דיודה רגילה אשר המוליך למחצה ממנו היא עשויה פולט גם אור בעת מעבר האלקטרונים בין חומר N לחומר P, ולא רק חום. צבע האור הנפלט תלוי בהרכב הכימי ששל החומרים.

תחילה פיתוח ה-LED לא היה בשורה משמעותית. נצילותן ועוצמתן הכוללת של נורות אלו היו נמוכות יחסית, וכיוון שתהליך ייצורן של הנורות היה יקר וחדש באותה העת מחירן היה גבוה בהתאם. עם השנים ייצור ה-LED הלך והשתכלל, והחל משנת 2008 החלה להירשם ירידה דרמטית במחירי הנורות בעקבות התפתחות טכנולוגיה זו. הבשורה האמיתית הגיעה בערך בשנת 2013 כאשר נצילות נורות הלד עקפה את נצילות נורות הפריקה ומאז רק המשיכה להשתפר. כיום, נצילותן של נורות לד מודרניות נעה בטווח של 90-95 אחוזים.

מאז ועד היום השימוש בטכנולוגית ה-LED התפוצץ, נהיה רחב יותר וחדר אל כל תחומי חיינו – תאורה לשימוש ביתי, פנסי מכוניות, עמודי תאורה ברחובות, צגי מחשב וטלויזיות – כל היישומים הללו ורבים אחרים עוברים לשימוש בלד. התחזיות הרווחות הן שמגמת שיפור הנצילות של נורות הלד ומגמת הירידה במחירן תמשיך להיות משמעותית בעשור הקרוב.

לצורך השוואה, עוצמת אור הזהה לזו המופקת מנורת להט בעלת הספק של כ-80 ואט, תוכל להיות מופקת מנורת פלואורסנט בעלת הספק של כ-23 ואט או מנורת לד בעלת הספק של כ-9 ואט בלבד. יתרונות נוספים של נורות הלד הם משך חייהן*, עמידותן המכנית למכות וזעזועים, זמן הדלקתן המהיר והשליטה המדויקת שהן מאפשרות באורכי הגל של האור המופק מהן. בשורה התחתונה, טכנולוגית ה-LED כאן כדי להישאר.

---

*להעמקה בנושא משך החיים של נורות בפרט ומוצרי חשמל בכלל, אני ממליץ לצפות בסרט התיעודי (קישור לצפייה ביוטיוב) או בסרטונים באינטרנט העוסקים בקונספירציית הנורה החשמלית ובהשבתה מתוכננת.