هناك نقاش على الإنترنت، ويقول الكثير من الناس إن مصابيح LED ستصبح أكثر سخونة من مصابيح الهالوجين؟
أجاب أحدهم بأن قدرة مصباح الهالوجين الأمامي العادي 55 كيلوواط، وقدرة مصباح فيليبس H7 LED الأمامي 25 كيلوواط، وسطوع مصباح الهالوجين 1000 لومن، وسطوع مصباح LED الأمامي 6000 لومن. هل سيسخن المصباح ذو القدرة الأعلى والسطوع الأقل أكثر من المصباح ذي القدرة الأقل والسطوع الأعلى؟ ألا يتعارض هذا مع قانون حفظ الطاقة؟
تعتقد شركة CoolMotor أن المصباح ذو الطاقة العالية والسطوع المنخفض لن يسخن أكثر من المصباح ذي الطاقة المنخفضة والسطوع العالي، وهو ما لا يتوافق مع قانون حفظ الطاقة.
الاستنتاج صحيح، لكن عملية حل المشكلة خاطئة
دعوني أحاول شرح منطق السائل من حيث المبدأ:
سواءً كان مصباح LED أو مصباح زينون أو مصباح هالوجين، فجميعها مصابيح كهربائية، أي أجهزة تحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. وحدة الطاقة هي الجول (J)، ووحدة القدرة هي الواط (W). 1 واط = 1 جول/1 ثانية، مما يعني أن القدرة هي الشغل المبذول بواسطة 1 جول من الطاقة في 1 ثانية، ولذلك تُسمى قدرة.
كلما زادت قدرة الجهاز، زاد استهلاكه للطاقة. على سبيل المثال: "قدرة مصباح الهالوجين الأمامي العادي 55 واط، وقدرة مصباح فيليبس H7 LED الأمامي 25 واط"، عندها يستهلك مصباح الهالوجين كهرباء أكثر، ومن المفترض أن يبذل جهدًا أكبر، ولكن في الواقع، يكون التدفق الضوئي المنبعث منه أقل من التدفق الضوئي المنبعث من مصباح LED. ووفقًا لقانون حفظ الطاقة، فإن الطاقة الزائدة المستخدمة لن تختفي من العدم، بل ستتحول حتمًا إلى أشكال أخرى من الطاقة.
توضح الإجابة أعلاه ما قاله مستخدم الإنترنت: إن المصباح عالي الطاقة ومنخفض السطوع لن يولد حرارة أكثر من المصباح منخفض الطاقة والسطوع، وهو ما لا يتوافق مع قانون حفظ الطاقة، لذلك يُعتقد أن مصابيح LED الأمامية يجب أن تولد حرارة أقل من مصابيح الهالوجين.
هذا الاستنتاج صحيح، لكن عملية الاستنتاج خاطئة. لأن الأسباب التالية قد تؤدي أيضاً إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وانخفاض السطوع:
تختلف حساسية العين البشرية للضوء باختلاف درجات حرارة اللون والأطوال الموجية (أي الألوان).
لا تستطيع العين البشرية تمييز سوى الضوء المرئي، أما الضوء غير المرئي المحوّل فلا يُدرج ضمن التدفق الضوئي.
1. تختلف حساسية العين البشرية للضوء باختلاف درجات حرارة اللون والأطوال الموجية (أي الألوان).
يؤدي هذا إلى ظهور الضوء ذي القدرة نفسها ولكن بدرجات حرارة لونية أو ألوان مختلفة بشكل متباين في سطوعه للعين البشرية، مما ينتج عنه حالة تكون فيها قدرة الإشعاع عالية والتدفق الضوئي منخفضًا. ولجعل التدفق الضوئي متوافقًا مع الإحساس البديهي للبشر، تُدمج الوظيفة البصرية في عملية تحويل التدفق الضوئي. ومع ذلك، فإن التدفق الضوئي عند 3000 كلفن أقل بكثير من التدفق الضوئي عند 6500 كلفن، وهو ما يتوافق مع الإدراك الفعلي للعين البشرية. ومن المصادفة أن درجة حرارة لون مصابيح الهالوجين تبلغ حوالي 3000 كلفن فقط، بينما تبلغ درجة حرارة لون معظم مصابيح LED الأمامية 6500 كلفن. وهذا يفسر أيضًا ندرة وجود درجات حرارة لونية منخفضة في مصابيح LED الأمامية، لأن خفض درجة حرارة اللون سيؤدي إلى تقليل التدفق الضوئي بشكل كبير.
2. لا تستطيع العين البشرية تمييز سوى الضوء المرئي، ولا يُدرج الضوء غير المرئي المُحوَّل ضمن التدفق الضوئي.
الضوء موجة كهرومغناطيسية ذات نطاق ترددي واسع جدًا، ولا تستطيع العين البشرية تمييز (رؤية) سوى الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات بين 380 و800 نانومتر، والمعروفة بالضوء المرئي. تستقبل أعيننا الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات المختلفة على شكل ألوان مختلفة. وكما ذكرنا سابقًا، ترتبط وحدة التدفق الضوئي بالوظيفة البصرية. إذا كان مصدر الضوء يُنتج كمية كبيرة من الضوء غير المرئي، كالأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، فلن تُحتسب هذه الأشعة ضمن التدفق الضوئي، ولكنها تستهلك طاقة.
إذن لماذا يكون الاستنتاج بأن "مصابيح LED التي لها نفس القدرة تولد حرارة أقل من مصابيح الهالوجين" صحيحًا؟
أشار مستخدم الإنترنت في الاقتباس إلى الفرق بين مصادر الضوء الساخن ومصادر الضوء البارد؛ وقد قمت بفهم المنطق العام لهذه الإجابة:
تبلغ نسبة التحويل الكهروضوئي لمصادر الضوء الباردة 30%، ولكن معظم الضوء المنبعث منها هو ضوء مرئي، لذا يتم تحويل الطاقة المتبقية إلى طاقة حرارية، وبالتالي ستولد حرارة؛ تبلغ نسبة التحويل الكهروضوئي للمصابيح المتوهجة (مصابيح الهالوجين) 2%، ولكن يتم تحويل جزء كبير منها إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي، لذا فإن مصادر الضوء الباردة ليست باردة في الواقع.
في الواقع، يُستخدم النصف الأول لشرح سبب توليد مصادر الضوء الباردة للحرارة، وهذا صحيح، لكنه مخطئ في استخدام مصادر الضوء الساخنة كمثال مضاد، لأنه نسي تعريف مصادر الضوء الساخنة: مصادر الضوء الساخنة هي مصادر ضوئية تُثار بالطاقة الحرارية. أي أن مبدأ انبعاث الضوء في مصابيح LED يختلف تمامًا عن مبدأ انبعاث الضوء في مصابيح الهالوجين. فسبب انبعاث الضوء في مصابيح الهالوجين هو سخونتها. فكلما زادت سخونة الفتيل، ارتفعت درجة حرارة اللون وزاد التدفق الضوئي، وهو ما يُعرف بإشعاع الجسم الأسود. أما مبدأ انبعاث الضوء في مصابيح LED فهو ببساطة: عندما يمر تيار كهربائي في وصلة P/N، فإنها تُشع طاقة على شكل ضوء. فهي لا تحتاج إلى حرارتها الخاصة لانبعاث الضوء. على العكس من ذلك، فإن المادة المستخدمة في بناء وصلة P/N ليست مقاومة لدرجات الحرارة العالية. فعند ارتفاع درجة الحرارة، قد تنهار وصلة P/N. لذلك، فإن مصابيح LED حساسة للغاية للحرارة. فباستخدام التقنية الحالية، تتلف مصابيح LED عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة 150 درجة مئوية.
هل تعلم لماذا تحتاج مصابيح LED إلى مراوح لتبديد الحرارة، بينما لا تحتاج مصابيح الهالوجين إلى ذلك؟
لأن مصابيح LED حساسة للحرارة، على عكس مصابيح الهالوجين، لذا تُزود مصابيح LED بمراوح. ليس الأمر أن مصابيح LED أكثر سخونة من مصابيح الهالوجين والزينون، بل إن مصابيح LED نفسها غير مقاومة لدرجات الحرارة العالية.
