ILLUMINOTECNICA -...

CORSO DI FISICA TECNICA 2 AA 2013/14

ILLUMINOTECNICA

Lezione n° 5:

Lampade a scarica in gas

Ing. Oreste Boccia

Primi studi sulla scarica elettrica in tubi riempiti con gas a bassa pressione alla fine del XIX secolo (Sir William Crookes ed altri)

Fino ai primi anni ’50, l’orientamento è stato quello di utilizzare:

lampade ad incandescenza e fluorescenti per gli interni

lampade a scarica al neon e simili per gli esterni e per le insegne luminose

lampade a vapori di sodio per l’illuminazione stradale.

In seguito intensa sperimentazione con vapori di mercurio (luce blu e radiazioni UV) e vapori di sodio (luce monocromatica giallognola)

Verso il 1930 comparsa dei tubi fluorescenti (con vapori di mercurio e pareti interne ricoperte da depositi di polvere fluorescente)

Dagli anni ‘70 grande impulso delle lampade al sodio ad alta pressione buone sia per interni che per esterni.

Più recentemente sono apparse in commercio le lampade allo xenon con luce simile a quella naturale del sole.

Primo tubo pieno di neon con emissione di luce monocromatica rossa utilizzata per scopi decorativi e per insegne pubblicitarie (Georges Claude)

Prime lampade al neon in commercio nel 1910 per insegne luminose (Georges Claude)

Corso di Fisica Tecnica 2 – Ing. Oreste BOCCIA AA 2013/14

Cenni storici

• Atomo in configurazione stabile o neutra: tutti gli elettroni occupano le loro orbite naturali caratterizzate ciascuna dal proprio livello energetico.

Cenni al fenomeno fisico della scarica elettrica nei gas

Per provocare eccitazione o ionizzazione occorrono: • interazioni con fotoni aventi lunghezza d’onda nell’ultravioletto e nel visibile • urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica.

• Diseccitazione: Dalla condizione di eccitazione, l’atomo torna nella configurazione stabile iniziale, mediante dissipazione dell’energia acquisita nella eccitazione attraverso emissione di quanti di energia. Se la lunghezza d’onda dell’energia emessa è nello spettro del visibile si ha emissione di luce

• Stato di “eccitazione” : uno o più elettroni acquistando quanti ben definiti di energia saltano su orbite stazionarie più distanti dal nucleo (atomo “eccitato”) Stato di equilibrio instabile, dal quale l’atomo tende spontaneamente a tornare alla configurazione iniziale, a più basso contenuto di energia, di equilibrio stabile, riemettendo l’energia immagazzinata.

• Ionizzazione: l'energia assorbita provoca l'uscita dell’elettrone dall'ultima orbita (elettrone libero senza alcun legame con lo ione originario, l’ atomo è “ionizzato”, l’energia è detta di ionizzazione).


Gli elettroni che hanno probabilità più elevate di essere eccitati mediante l’intervento di forze esterne sono quelli di valenza, quelli, cioè, che ruotano su orbite più esterne.

L’energia in eccesso (ΔE=E2-E1) viene acquistata da un particolare elettrone che viene così

promosso ad un orbitale avente energia (E2) superiore rispetto a quella (E1) occupata quando l’atomo è in uno stato di quiete.

Il sistema rimane in tale stato per un tempo Δt piuttosto breve poiché esso non è uno stato di

equilibrio per il sistema e risulta dunque essere instabile, dopo di che l’atomo torna nel suo stato fondamentale emettendo sotto forma di fotone l’energia acquistata. Poiché questa è uguale alla differenza fra i due valori di energia consentiti, il fotone emesso avrà energia:

ΔE = E2 – E1 = hν

Sapendo che la frequenza ν = c/λ, dove c è la velocità del fotone e λ la sua lunghezza d’onda, possiamo ricavare la lunghezza d’onda corrispondente a ΔE che è pari a:

E

hc


In una massa gassosa possono essere già presenti elettroni liberi oppure essere emessi da un catodo metallico opportunamente riscaldato (effetto termoionico - Edison) oppure opportunamente illuminato (effetto fotoelettrico): il riscaldamento o l’irraggiamento forniscono agli elettroni l’energia cinetica necessaria per superare la barriera di potenziale superficiale.

Effetto termoionico

L’effetto termoionico consiste nell'emissione indotta termicamente di elettroni da parte di un catodo metallico (polo −) riscaldato ad alta temperatura a seguito del passaggio di una corrente elettrica.

L'emissione degli elettroni avviene come conseguenza dell'aumento della loro energia cinetica, rivelato come aumento della temperatura, che permette loro di vincere la forza che li trattiene vincolati agli atomi del materiale. L’elettrone emesso tenderà a rimanere in prossimità del catodo emettitore, che si sarà caricato di una carica opposta nel segno. Tuttavia, il catodo tornerà nello stesso stato precedente all'emissione se collegato ad un generatore di f.e.m., il cui flusso di corrente neutralizzerà tale carica.

Il campo elettrico (generato all’interno del bulbo tramite il collegamento degli elettrodi al generatore di f.e.m.) fa si che gli elettroni liberi vengono attirati dall’anodo (polo +), quindi accelerano ed urtano le molecole del gas prima di giungere sull’anodo. In questo modo si genera un flusso di elettroni nel gas all’interno del bulbo che viene quindi attraversato da una corrente elettrica.


Catodo (-) Anodo (+)

f.e.m.

− +

Campo elettrico

e e

Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa mediante urti elastici ed anelastici.

• se la velocità dell'elettrone libero è bassa: l'elettrone libero (massa << di quella della molecola del gas) conserva approssimativamente l'energia cinetica precedente all'urto cedendone poca alla molecola di gas, ma varia la quantità di moto cambiando la direzione della velocità dopo l'urto; • se la velocità dell'elettrone libero è sufficientemente elevata: possibile scambio di energia sufficiente per la eccitazione: salto ad un livello energetico più elevato e ritorno allo stato iniziale con emissione di fotoni. • se la velocità dell’elettrone libero è molto elevata: possibile scambio di energia sufficiente per la ionizzazione: liberazione di un elettrone con formazione di uno ione positivo.

In questa situazione aumento delle cariche (elettroni liberi) che contribuiscono alla corrente elettrica entro la massa del gas.


Durante l’urto si possono verificare una delle seguenti situazioni:

La dipendenza dalla pressione è giustificata dal fatto che maggiore è la pressione, minore è il libero cammino medio, minore, quindi, è l’energia cinetica acquisita tra due urti consecutivi, minore, infine, è la capacità di partecipare alla eccitazione ed alla ionizzazione di altri atomi.


Il numero di ioni prodotti per urto nei tubi a scarica dipende in ragione diretta dal campo elettrico ed in ragione inversa dalla pressione: è pertanto possibile variare la produzione di ioni modulando opportunamente le due grandezze.

Per ragioni pratiche di contenimento dei consumi elettrici, di aumento della vita media delle lampade a scarica è importante lavorare con basse tensioni di accensione. Per questo si ricorre ad uno o più tra gli accorgimenti seguenti:

• Riempimento con gas rari (He, Ne, Ar, Kr, Xe) che si ionizzano facilmente;

• Riscaldamento del catodo per aumentare l'emissione degli elettroni liberi. Il catodo di tungsteno è riscaldato sino a circa 2200 °C;

• Copertura del catodo con uno strato di materiale fotosensibile come, per esempio, il cesio o con strati di ossidi di metalli alcalino-terrosi (ossido di bario , ossidi di stronzio , ossido di calcio ). Queste sostanze richiedono una temperatura di emissione di circa 700 °C.

Lampade a vapori di sodio a bassa pressione (0.1 mm Hg a lampada spenta)

Contengono xenon / elio / neon / argon che servono ad avviare la scarica che riscalda il tubo e

permette la evaporazione del sodio metallico inizialmente raccolto in pozzetti in piccole

quantità.

La stabilità della scarica dipende fortemente dalla temperatura di funzionamento (circa 250 °C)

1. Attacco a baionetta;

2. Catodo di tungsteno;

3. Piccole cavità

per la raccolta del

sodio metallico;

4. Tubo di scarica

Per mantenere una temperatura di funzionamento costante è necessaria una alimentazione

stabilizzata.


• Resa dei colori nulla, anzi, priva di significato;

• Efficienza luminosa: ≈ 200 (lm W-1).

• Decadimento del flusso luminoso: 87%.

• Tempo di riaccensione a caldo: quasi nullo.

• Tempo di riaccensione a freddo: ≈ 10 min.

• Temperatura di colore: ≈ 1700 K.

• Vita media: ≈ 10000 h.

Luce emessa concentrata entro una banda di lunghezze d’onda molto stretta tra 589.0 e 589.6 nm ove il coefficiente di visibilità relativa v() è molto elevato(≈ 0,86)

• Utilizzate dove non è richiesta una buona resa dei colori: illuminazione stradale ed autostradale, gallerie e grandi spazi esterni.

Elevatissima efficienza luminosa

• Luce emessa monocromatica giallo-arancione, poco adatta all’illuminazione degli interni.


Lampade a vapori di sodio ad alta pressione Apparse in commercio attorno al 1965.

Formate da due tubi: Tubo interno in ceramica o quarzo resistente all’aggressività del vapore di sodio ed alle elevate temperature (circa 1500 K); Tubo esterno con funzione di protezione; tra i due tubi viene fatto il vuoto.

Luce di colore giallo-bianco non adatta per l’illuminazione degli interni. Sono prevalentemente usate per parcheggi ed impianti sportivi.

• Efficienza luminosa: 90 (lm W-1) • Vita media di 12000 h • Decadimento del flusso luminoso: 90% • Tempo di messa a regime: alcuni minuti • Tempo di riaccensione a caldo: 1 ÷ 2 minuti

• Tempo di riaccensione a freddo: 5 ÷ 11 minuti • Temperatura di colore di 2000 K.


L’alta pressione (circa 10 ÷ 35 kPa) fa allargare lo spettro di emissione che diventa quasi continuo con un miglioramento della resa dei colori.

In commercio disponibili anche lampade ad alta pressione a luce corretta e nel 1986 sono apparse le lampade al sodio ad alta pressione a luce bianca, che possono essere utilizzate anche negli ambienti interni.


Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione (Fluorescenti)

Impropriamente dette tubi al neon, realizzate in quarzo e riempite con argon a pressione molto bassa (circa 1 Pa) per innescare la scarica e qualche goccia di mercurio che riscaldandosi evapora.

La scarica emette prevalentemente radiazioni UV ( ≈ 253,7 nm) riconvertite in radiazioni visibili dai fosfori che rivestono la parte interna del tubo per assorbire gli UV ed emettere radiazioni visibili (trasduttori di frequenza).

Lampade miniaturizzate con tubi di diametro di 10 mm piegati ad U o affiancati

Forma tubolare con alte rese cromatiche intorno a 95


Anche in forma compatta apparse negli anni ‘80, resa cromatica intorno a 85, scarsa presenza estetica.

La composizione dei fosfori influenza la temperatura di colore e la resa cromatica. Valori diversi della temperatura di colore: luce bianca fredda, calda o intermedia,

Luminanze non elevate, intorno a 7000 cd m-2, nessun rischio di abbagliamento.

Lettera: forma della lampada T: tubolare C: circolina (estremità adiacenti e rivolte in senso opposto) H: (Helicoid) di geometria elicoidale U: il tubo è ritorto su se stesso a forma di U

Numero: diametro della sezione in 1/8” Contrassegnate da una lettera ed un numero

Esempi: T-2 = 6 mm, T-5 =16 mm; T-8 = 25 mm; T-12 = 38 mm.


• Vita media: 5000 h (compatte); 15000 h(tubolari) • Efficienza luminosa: 60-100 (lm W-1). • Decadimento del flusso luminoso: 90%.

Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione

L’alta pressione (fino a 8 atm) sostituisce la funzione dei fosfori, riducendo la emissione UV a favore delle radiazioni visibili.

Emettono luce verde-blu ed UV Quasi assente la luce rossa (gli oggetti rossi illuminati da queste lampade appaiono marrone) Usate dove il rosso ha poca importanza Di solito installate nei parcheggi, lungo le autostrade etc.

Due bulbi:

quello interno in quarzo, di alcuni millimetri di diametro, contiene i vapori di mercurio ad alta pressione;

quello esterno di vetro svolge le funzioni di protezione del tubo principale e di custodia dei contatti degli elettrodi principali e di quelli di innesco.

Lungo l’asse del tubo principale si hanno temperature a regime anche di 5000 K mentre sull’involucro si raggiungono anche i 1000 K.


E’ possibile abbinare vapori di mercurio ad alta pressione e fosfori depositati sulla superficie interna del tubo ottenendo luce più bianca (i fosfori colmano la lacuna del rosso).

Inconveniente:

lunghi tempi di messa a regime ( 3-7 minuti) necessari al riscaldamento ed all’evaporazione delle gocce di mercurio;

lunghi tempi di riaccensione necessari per consentire un adeguato raffreddamento del bulbo che riporti la pressione interna a valori compatibili con la tensione di avvio della scarica.

• Vita media: 12000 h • Efficienza luminosa: ≈ 50 (lm W-1). • Decadimento del flusso luminoso: 78%. • Tempo di riaccensione a caldo: è di 4÷6 minuti

• Tempo di riaccensione a freddo è di 3 ÷ 5 minuti


Lampade ad alogenuri metallici

L’aggiunta degli alogenuri migliora le prestazioni della lampada: • Efficienza luminosa: 60 - 80 (lm W-1). • Resa cromatica: 60-93 %. • Vita media: 5000 h. • Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K. • Tempi di riaccensione: i più elevati tra tutte le lampade.

Apparse in commercio nel 1964

Particolare versione delle lampade a vapori di mercurio ad alta pressione con l’aggiunta di alogenuri metallici anche in miscela (ioduri di sodio, di cesio, di tallio e di indio, di disprosio, di torio).

I vapori degli alogenuri arricchiscono lo spettro di emissione del mercurio aggiungendo energia emessa nelle bande assenti, rendendo superfluo il compito dei fosfori.

Usate per l’illuminazione di ampi spazi interni ed esterni dove è importante la resa dei colori come nelle manifestazioni notturne con riprese televisive.


Lampade fluorescenti ad alta frequenza apparse nel 1991

Scarica generata da campi elettromagnetici alternati indotti in una bobina, alloggiata all’interno del bulbo, da una corrente elettrica ad elevata frequenza (≈ 104 Hz), generata a sua volta da un generatore esterno alla lampada.

La bobina sostituisce gli elettrodi delle lampade fluorescenti tradizionali.

Il campo elettromagnetico genera all’interno del gas (vapori di mercurio a bassa pressione e gas rari) fenomeni di eccitazione e ionizzazione delle molecole e conseguente scarica ed emissione di radiazioni UV.

Le radiazioni UV vengono convertite in radiazioni visibili da uno strato di polveri fluorescenti sulla superficie interna del bulbo.

Attualmente in commercio lampade di media potenza (55-85 W) con Tc= 2700 ÷ 4000 K

(luce bianca calda)

Vita media elevata (≈ 60000 h) grazie all’assenza di filamenti ed elettrodi

Tempi di accensione nulli

Ottima resa cromatica


Alta efficienza luminosa (70 lm W-1) e, quindi, consumi energetici molto bassi, elevati flussi

luminosi molto stabili nel tempo.

Lampade fluorescenti a luce miscelata

Felice connubio tra le due tipologie di funzionamento delle lampade elettriche:

• come lampade a scarica funzionano con vapori di mercurio e con i fosfori sulle pareti interne; • come lampade ad incandescenza funzionano con un filamento di platino.

Producono uno spettro luminoso continuo, tipico delle lampade ad incandescenza, con rinforzi in quelle bande dove ricorrono le righe di emissione della lampada a scarica.


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