הכתבה פורסמה במגזין אוטו בגיליון 235.
אפתח בהתנצלות: מי שסבל בשיעורי פיזיקה בנושא האור, ובשיעורי כימיה בנושא הטבלה המחזורית - כנראה שסבלו יימשך גם במדור זה, אך אני מבטיחכם כי אין בחינה בסוף סידרת כתבות זו...
בכתבה הקודמת ראינו כיצד התפתחה תאורת הרכב מפנסי הקרביד הראשונים לפנסים החשמליים, האטימים, מסוג ה- sealed beam. פנסים אלו היו מושתתים על נורת ליבון, רפלקטור וזכוכית ממקדת, ששימשה גם להגנה על הנורה. נורות הליבון בהן נעשה שימוש היו נורות רִיק, כפי שהמציא תומס אדיסון, בתחילה עם תיל מפחמן, בהמשך מטנטאלום ולבסוף עם תיל מטונגסטן, כנהוג עד היום בנורות הליבון בתאורה הביתית. אלא שברכב נוצרה בעיה אחרת, עוצמת האור תלויה בהספק הנורה, ההספק הוא מכפלת הזרם במתח. על מנת להגיע לעוצמת אור חזקה, שאת פשרה נסביר בהמשך, כאשר המתח שמספק מצבר הרכב הוא 12 וולט בלבד, נדרש זרם גדול. אם, לדוגמא, ברצוננו להשיג הספק של 60 וואט, שהוא ההספק המקובל בתאורת רכב, נדרשים 5 אמפר שלמים לכל נורה, וביחד - 10 אמפר. (אמפר כפול וולט = וואט). עוצמת זרם כזו היא בעייתית, שכן כאשר מצבר ממוצע מספק כ-52 אמפר-שעה, בעת הדלקת הפנסים צריך האלטרנטור להשקיע 20 אחוזים בהחזר ההשקעה רק עבור התאורה. וכאשר אנו משאירים את מתג האורות דלוק ועוזבים את המכונית, המצבר יספק מתח לנורות במשך כחמש שעות (10 אמפר בחמש שעות הם 50 אמפר-שעה), שבסיומן יתרוקן עד כדי חוסר יכולת להדליק את נוריות לוח המחוונים כשנשוב למכונית. ניתן לומר שמבין צרכני החשמל ברכב, תאורת החזית היא אחד הגזלנים הגדולים. מסיבה זו לא כדאי גם להתניע את המנוע כשפנסי החזית דולקים, כאשר המתנע דורש כל אמפר אפשרי מהמצבר.
שטף הוא לא רק בדיבור
כיצד פועלת הנורה? הזרם החשמלי המוזרם דרך תיל הלהט נתקל בהתנגדות גדולה למעברו, שכן החומר ממנו עשוי התיל הינו טונגסטן. בטבלה המחזורית נקרא חומר זה ^וולפראם^, ואחת מתכונותיו החשובות לענייננו היא יכולתו לעמוד בטמפרטורות גבוהות. כאשר הזרם ^נתקל^ בתיל הוא מחמם אותו עד כדי התלהטות, וזה מפיץ את האור המבוקש כחלק מניסיונו לסלק את החום הנוצר. הטמפרטורה של התיל בנורה ביתית של 75 עד 100 וואט עשויה להגיע לכ-2500 מעלות צלזיוס. אז נכון שנורה של 60 וואט בביתנו אינה נורה מי-יודע-מה חזקה, אך כאשר האור המופק על ידה מכוון לעבר הרפלקטור, הוא בעוצמה מספקת על מנת להאיר את דרכנו בעלטת הלילה. ככל שטמפרטורת התיל תהיה גבוהה, נקבל יעילות גבוהה יותר של אור ביחס לכל וואט מושקע, כאשר היעילות הגבוהה ביותר תושג בטמפרטורה של 6300 מעלות צלזיוס, אף יותר מאשר על פני השמש. לצערנו, החומרים המוצקים הידועים לנו כיום אינם מסוגלים לעמוד בחום כזה. העלאת טמפרטורת התיל תפיק יותר אור, אך אורך החיים יקטן בצורה משמעותית.
יעילות של נורה נמדדת בשטף האור שהיא מייצרת. שטף זה נמדד ביחידה הנקראת לוּמֶן - שטף האור הנוצר ממקור האור, במרחק של רגל אחת (כ-30.5 ס^מ). יעילות השטף האידיאלי עומדת על כ-240 לומן לוואט אחד, אך בפועל רוב הנורות מגיעות ליעילות של 20 לומן לוואט בלבד. ומדוע אנו מזכירים זאת? משום שלתאורת רכב חשיבות שטף האור גדולה יותר מאשר בבית. יעילות זו באה לידי ביטוי במרחק ההארה או בעוצמת האור הפוגע בשטח (ונמדד ביחידה הנקראת לוּקְס), והיא יורדת עם הזמן.
בתוך נורות הלהט שורר ואקום. הסיבה לשימוש בואקום (רִיק) בתוך הנורה היא מניעת התחמצנות הטונגסטן, שהיתה גורמת לו מיד להישרף. ובכל זאת, למרות הריק השורר בתוך כדור הזכוכית, נשרפות הנורות. הכיצד? התחממות התיל והתקררותו במשך מחזורי פעולה רבים גורמת לתופעה הנקראת ^חֶשֶל^ - היסטרזיס. משמעה כי בתום כל מחזור פעולה החומר לא יחזור בדיוק למצבו הראשוני, שכן נגרם לו נזק. במקרה של תיל הטונגסטן, בכל מחזור מתפרק חלק מהחומר והחלקיקים הקטנים, משעה שאינם אחוזים עוד בתיל, נשרפים ויוצרים כתם שחור על פני כדור הזכוכית, הפוגע ביעילות שטף האור ממנה. מעבר לירידה בעוצמת התאורה הנובעת מכך, התיל הנותר מתכלה והולך עד שהתנגדותו למעבר הזרם גדלה, שכן ככל שתיל דק יותר, התנגדותו גדולה יותר, הטמפרטורה עולה והוא ניתך בנקודה החלשה ביותר שלו. זהו מנגנון הנורה הנשרפת.
מנדלאייב ושות'
כשהכימאי הרוסי דימיטרי מנדלאייב פירסם בשנת 1869 את ממצאיו לגבי המחזוריות של היסודות בטבע בטבלה הנקראת עד היום על שמו (הגם שלא היה היחיד שעסק בכך וגילה את המחזוריות הזו), היה יכול רק לשער עד כמה תגליתו משמעותית. לו היה חי אחרי שאלפרד נובל ייסד את הפרס על שמו, מותר להניח שהיה אחד מהזוכים בו. ומה לעבדקן הרוסי ולענייננו? התפרקות תיל הטונגסטן עקב התאדות חלקים ממנו בחום הנוצר יכולה להיות מעוכבת על ידי שימוש בו בסביבה של גזים מסוימים. גזים אלה, בחלקם הגזים האציליים עליהם עוד נרחיב כשנדון בנורות הקסנון, מאלצים את אטומי הטונגסטן שהתפרקו מהתיל לשוב אליו ולהתאחד עימו מחדש, ובכך מגדילים את אורך החיים של הנורה. אלא שפטור בלא כלום אי אפשר. הגז המקיף את התיל משמש להולכת חום אל מעטפת הנורה. הואיל ואפקט האור מושג באמצעות קרינת חום, הרי כשמנגנון פינוי החום כולל הולכה באמצעות חומר, ולא רק קרינה, יעילות התאורה יורדת. כלומר, ניסיוננו להשפיע על אורך החיים עלה לנו בעוצמת התאורה. לפיכך, יש כלל אצבע האומר מתי כדאי להשתמש בגז ומתי בואקום. הכלל אומר כי בזרמים נמוכים ותיל דק עדיף להשתמש בריק, בעוד שבזרמים גבוהים ותיל עבה עדיף להשתמש בגז. בנורה הביתית של 60 וואט, המקבילה לנורה המקובלת ברכב, הזרם הנצרך הוא בסך הכל כרבע אמפר, בגלל המתח הגבוה. אך במכונית, בשל המתח הנמוך, נדרש זרם גבוה, כאמור כ-5 אמפר, ולכן התפתחו נורות ההלוגן עבור פנסי החזית.
ההלוגנים הינם חומרים הנמצאים בצד ימין של הטבלה המחזורית וכוללים את הפלואור, הכלור, הברום,יוד ואסטטין. לחומרים אלו תכונות שונות, שהרלבנטית לענייננו היא יכולתם ליצור עם הטונגסטן תרכובת מלח המכונה ^הליד^. מלח נוצר כאשר בחומצה מתכת מחליפה מימן. כך למשל, תחמוצת פלואור תיצור פלואוריד, המוכר לנו כחומר למניעת עששת השיניים. נורות הלוגן מכילות גז אינרטי (אציל) וכן חומר הלוגני - בדרך כלל יוד, אך גם בברום נעשה שימוש. התגובה הכימית בין החומר ההלוגני לבין אטומי הטונגסטן הנפלטים מהתיל עקב החום יוצר יודיד או ברומיד, בהתאם לחומר בו נעשה שימוש. מלח זה מונע את הצטברות אטומי הטונגסטן על זכוכית הנורה, מצד אחד, ובכך מונע את השחרת הזכוכית וירידת שטף האור עם העליה בגיל הנורה. מצד שני, כאשר המלח בא במגע עם התיל, הטמפרטורה מפרקת אותו בחזרה וגורמת לאטומי הטונגסטן להתאחד מחדש עם התיל. אלא שלא תמיד זה יקרה בנקודה ממנה נפלטו אטומים אלה, ולכן גם נורת ההלוגן אינה חסינה בפני שריפתה. בשל הטמפרטורות הגבוהות בהן נדרש התהליך להתבצע (טמפרטורת הזכוכית צריכה להיות כ-250 מעלות על מנת שהמחזור ההלוגני הנזכר לעיל ייערך), הזכוכית חייבת להיות חזקה יותר. לכן נעשה שימוש בקווארץ או בזכוכית חזקה. על מנת שהטמפרטורה תישמר ברמתה צריך נפח הנורה להיות קטן כדי שהחום לא יאבד בהולכה, ולכן נורות ההלוגן קטנות יותר מנורות הריק.
כללי זהירות ובטיחות
נורת הלוגן צריכה להיות מטופלת כראוי בעת התקנתה. האיסור לגעת בה באצבעות הוא נכון. הסיבה לכך היא כי חומרים אורגניים כמו שומנים וכן מלחים הנמצאים על אצבעותינו, עלולים לעבור תהליך התפחמות על פני הזכוכית בשל הטמפרטורה הגבוהה בה היא נמצאת. התפחמות זו פוגעת בשטף האור וגורמת להתחממות יתר בנקודה בה נוצרה, התחממות המחלישה את מעטה הזכוכית. המלחים עלולים ליצור ריאקציה עם הקווארץ, להיספג בו ולהחלישו. בסופו של דבר עלולים חומרים אלה לגרום להיסדקות הזכוכית ואף לשבירתה.
שבירת נורת הלוגן עלולה להיות מסוכנת. בשל השימוש בזכוכית חזקה מהרגיל ניתן לדחוס את הגז בנורה בלחץ גבוה שיאט את קצב התאיידות הטונגסטן. אלא ששבירת הנורה עלולה לגרום להעפת שברי זכוכית בעוצמה ולפגוע באוחז בה או בנמצא בקרבתה המיידית. אשר על כן, נורות הלוגן אמורות להיות נתונות בפנס בצורה מוגנת.
השימוש בהלוגן אמור להסתכם ביעילות תאורה עבור אותו מתח והספק של עד 20 אחוזים יותר מנורת ריק, ובאורך חיים של פי שניים עד שלושה מנורה רגילה. השוני באורך החיים (בין פי שניים לפי שלושה) תלוי בסוג הגז האציל הממולא בנורה - בין הפשוט יותר (ארגון) לבין הטובים (והיקרים יותר) - קריפטון וקסנון, עליהם נרחיב בכתבה הבאה, כשנספר על נורות הקסנון.
בקצהָ של נורת ההלוגן יש מעין כיסוי מחוספס אפור ואטום לאור. הואיל והנורה מייצרת אור חזק אנו רוצים שינותב לעבר הרפלקטור ולא יבוזבז לריק. הציפוי האטום מונע מהאור להיזרק ישירות קדימה, למקום בו אין רפלקטור, ומחייב את כולו להיות מוסט לעבר הרפלקטור ובכך להגביר את כיווניותו.
בשוק נמצא סוגים רבים של נורות הלוגן, כולם בעלי סימול אחיד על-פי התקן האירופי ECE R37. על-פי תקן זה, כל נורות ההלוגן מסומנות באות H (ברור מדוע...), כשאחריהן באים מספרים. הסוגים הנפוצים ביותר הם H1, H4 ו- H7. הנפוצה ביותר היא ה- H4, בה נתונים שני חוטי תיל, כל אחד בעל הספק שונה ושטף אור שונה לטובת אור מעבר ואור דרך. נורה זו נמצאת במכוניות בהן פנס החזית הוא אחוד - האור הנמוך והגבוה נמצאים באותו פנס. נורה זו מזוהה על ידי חיבור החשמל בצורת האות ח' - שני קטבים חיוביים, אחד עבור כל תיל, וקוטב שלילי משותף. נורות ה-7 וה-1, לעומתה, מאופיינות בשני קטבים בלבד, שכן הן מותקנות בפנסים יחידים - האחד עבור האור הנמוך והשני עבור הגבוה. על מנת לדעת איזו נורה אמורה להיות מותקנת ברכבך, העף מבט בספר הרכב, ואם מכוניתך מיד שניה - הסתכל האם תקע החשמל לפנסים כולל שניים או שלושה חיבורים.
