La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas."— Transcript della presentazione:

1 Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas

2 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: 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 lilluminazione 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 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)

3 Atomo in configurazione stabile o neutra: 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 Per provocare eccitazione o ionizzazione occorrono: interazioni con fotoni aventi lunghezza donda nellultravioletto e nel visibile interazioni con fotoni aventi lunghezza donda nellultravioletto e nel visibile urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica. urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica. Diseccitazione: Diseccitazione: Dalla condizione di eccitazione, latomo torna nella configurazione stabile iniziale, mediante dissipazione dellenergia acquisita nella eccitazione attraverso emissione di quanti di energia. Se la lunghezza donda dellenergia emessa è nello spettro del visibile si ha emissione di luce dovuta alla scarica Stato di eccitazione : 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 latomo tende spontaneamente a tornare alla configurazione iniziale, a più basso contenuto di energia, di equilibrio stabile, riemettendo lenergia immagazzinata. Ionizzazione: Ionizzazione: l'energia assorbita provoca l'uscita dellelettrone dall'ultima orbita (elettrone libero senza alcun legame con lo ione originario, l atomo è ionizzato, lenergia è detta di ionizzazione). Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

4 Nella 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) Nelle lampade a scarica leffetto termoionico viene usato per la produzione di elettroni primari mentre quello fotoelettrico interviene allinterno della massa gassosa. Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa mediante urti elastici (senza alcuna dissipazione di energia meccanica) ed anelastici (parte dellenergia meccanica dellelettrone viene dissipata sotto forma di energia di deformazione del corpo urtante o di quello urtato). Velocità dell'elettrone libero bassa: Velocità dell'elettrone libero bassa: l'elettrone libero (massa << di quella della molecola) conserva l'energia cinetica precedente all'urto, ma varia la quantità di moto cambiando la direzione della velocità dopo l'urto Velocità dell'elettrone libero sufficientemente elevata: Velocità dell'elettrone libero 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. Velocità dellelettrone libero molto elevata: Velocità dellelettrone libero 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 entro la massa del gas (SCARICA). Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

5 Lelettrone libero responsabile dell'urto non deve avere esattamente la giusta quantità di energia di eccitazione o di ionizzazione, ma soltanto non deve averne di meno. L'eventuale eccesso rimane dopo l'urto sotto forma di energia cinetica del solo elettrone libero, nel caso della eccitazione, o dei due elettroni liberi nel caso della ionizzazione. Composizione spettrale della luce emessa da una lampada a scarica (sodio alta pressione) Emissione spettrale a righe - presenti componenti relative solo ad alcune lunghezze donda entro fasce più o meno strette tipiche dellelemento chimico gassoso che riempie il bulbo Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

6 Curva caratteristica della scarica nel gas La produzione di ioni per urti determina una corrente elettrica tra i due elettrodi (scarica) rappresentabile come funzione della differenza di potenziale V: V = V(I) V = V(I) detta caratteristica del tubo a scarica La curva caratteristica può essere ottenuta sperimentalmente con un voltmetro, in parallelo con il tubo alimentato da una data f.e.m. costante attraverso una resistenza modulabile (reostato) in serie gas V R f.e.m. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

7 CURVA CARATTERISTICA DELLA SCARICA NEI GAS Primo tratto: Andamento quasi lineare a comportamento ohmico, con piccole variazioni di corrente anche per importanti variazioni di potenziale. Corrente non autonoma (10 -8 ÷ A), formata prevalentemente dagli ioni primari prodotti dagli elettroni liberi. Energia degli ioni non sufficiente a ionizzare o eccitare altri atomi. La scarica non emette luce, per cui è detta oscura. Secondo tratto: la corrente elettrica ( A) è aumentata a tal punto da generare ioni secondari, alimentandosi da sé, diventando autonoma (scarica Townsend) Aumento di ionizzazione ed eccitatazione con conseguente diseccitazione ed emissione di luce (regime di luminescenza). Terzo tratto: Ionizzazione con processo a valanga Ulteriore aumento della corrente ( A) e diminuzione della differenza di potenziale tra gli elettrodi. Accumulo di cariche di segno opposto in prossimità degli elettrodi, che alterano l'andamento del campo elettrico. Al centro concentrazione di cariche di entrambi i segni che si spostano nei versi opposti contribuendo sia alla ionizzazione che alla eccitazione. Scarica a bagliore in prossimità del catodo dovuta ad ioni primari e secondari e ad elettroni e ioni estratti direttamente dagli elettrodi per l'impatto degli ioni primari e secondari. Differenza di potenziale quasi costante (< di quella dinnesco) non più tra gli elettrodi ma tra il catodo e l'estremità della carica spaziale positiva che ha coperto gran parte del volume a disposizione. Quarto tratto: Ulteriore aumento della corrente (> 1 A) Scarica ad arco alla quale concorrono gli elettroni emessi per effetto termoionico dal catodo riscaldato fino a 900 °C per limpatto con gli ioni positivi: Diminuzione della tensione. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

8 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: Alimentazione stabilizzata Isolamento termico mediante intercapedine vuota con un secondo tubo più esterno o rivestimento con ossidi di iridio e stagno o mediante doratura trasparente alla luce ma riflettente linfrarosso. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

9 Resa dei colori nulla, anzi, priva di significato; Resa dei colori nulla, anzi, priva di significato; Efficienza luminosa: 200 (lm W -1 ). Efficienza luminosa: 200 (lm W -1 ). Decadimento del flusso luminoso: 87%. Decadimento del flusso luminoso: 87%. Tempo di riaccensione a caldo: quasi nullo. Tempo di riaccensione a caldo: quasi nullo. Tempo di riaccensione a freddo: 10 min. Tempo di riaccensione a freddo: 10 min. Temperatura di colore: 1700 K. Temperatura di colore: 1700 K. Vita media: h. Vita media: h. Luce emessa concentrata entro una banda di lunghezze donda molto stretta tra e nm ove il coefficiente di visibilità relativa v( ) è molto elevato( 0,86) Utilizzate dove non è richiesta una buona resa dei colori: Utilizzate dove non è richiesta una buona resa dei colori: illuminazione stradale ed autostradale, gallerie, incroci e grandi spazi esterni Elevatissima efficienza luminosa Luce emessa monocromatica giallo-arancione, poco adatta allilluminazione degli interni. Luce emessa monocromatica giallo-arancione, poco adatta allilluminazione degli interni. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

10 Lampade a vapori di sodio ad alta pressione Apparse in commercio attorno al Formate da due tubi: Tubo interno in ceramica o quarzo resistente allaggressività 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 lilluminazione degli interni. Sono prevalentemente usate per parcheggi ed impianti sportivi. Efficienza luminosa: 90 (lm W -1 ) Efficienza luminosa: 90 (lm W -1 ) Vita media di h Vita media di h Decadimento del flusso luminoso: 90% Decadimento del flusso luminoso: 90% Tempo di messa a regime: alcuni minuti Tempo di messa a regime: alcuni minuti Tempo di riaccensione a caldo: 1 ÷ 2 minuti Tempo di riaccensione a caldo: 1 ÷ 2 minuti Tempo di riaccensione a freddo: 5 ÷ 11 minuti Tempo di riaccensione a freddo: 5 ÷ 11 minuti Temperatura di colore di 2000 K. Temperatura di colore di 2000 K. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

11 Lalta 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 più recentemente, nel 1986, sono apparse le lampade al sodio ad alta pressione a luce bianca, che possono essere utilizzate anche negli ambienti interni. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

12 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 depositati sulla parte interna del tubo per assorbire gli UV ed emettere radiazioni visibili (trasduttori di frequenza). Anche in forma compatta apparse negli anni 80, resa cromatica intorno a 85, scarsa presenza estetica. Lampade miniaturizzate con tubi di diametro di 10 mm piegati ad U o affiancati Forma tubolare con alte rese cromatiche Interessanti alternative alle lampade ad incandescenza: notevoli risparmi energetici (fino al 75%), costo leggermente maggiore, temperature notevolmente più basse. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

13 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 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

14 Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione Pressione fino a 8 atm per sostituire 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 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 lasse del tubo principale si hanno temperature a regime anche di 5000 K mentre sullinvolucro si raggiungono anche i 1000 K.

15 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 allevaporazione 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: h Vita media: h Efficienza luminosa: 50 (lm W -1 ). Efficienza luminosa: 50 (lm W -1 ). Decadimento del flusso luminoso: 78%. Decadimento del flusso luminoso: 78%. Tempo di riaccensione a caldo: è di 4÷6 minuti Tempo di riaccensione a caldo: è di 4÷6 minuti Tempo di riaccensione a freddo è di 3 ÷ 5 minuti Tempo di riaccensione a freddo è di 3 ÷ 5 minuti Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

16 Lampade ad alogenuri metallici Laggiunta degli alogenuri migliora le prestazioni della lampada: Efficienza luminosa: (lm W -1 ). Efficienza luminosa: (lm W -1 ). Resa cromatica: %. Resa cromatica: %. Vita media: 5000 h. Vita media: 5000 h. Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K. Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K. Tempi di riaccensione: i più elevati tra tutte le lampade. 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 laggiunta 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 lilluminazione di ampi spazi interni ed esterni dove è importante la resa dei colori come nelle manifestazioni notturne con riprese televisive. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

17 Lampade fluorescenti ad alta frequenza apparse nel 1991 Scarica generata da campi elettromagnetici alternati indotti in una bobina alloggiata allinterno del bulbo da una corrente elettrica ad elevata frequenza ( 10 4 Hz) Lavvolgimento sostituisce gli elettrodi delle lampade fluorescenti tradizionali. Il campo elettromagnetico genera allinterno 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. UV convertiti 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 T c = 2700 ÷ 4000 K (luce bianca calda) Vita media elevata ( 6000 h) grazie allassenza di filamenti ed elettrodi Tempi di accensione nulli Ottima resa cromatica Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

18 Lampade fluorescenti a luce miscelata Lampade per insegne luminose Riempite con neon a bassa pressione (luce di colore rosso vivo) oppure elio o argon o altri gas Il colore della luce dipende dal gas o dalla miscela di gas usati e dal colore del vetro. 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 a scarica funzionano con vapori di mercurio e con i fosfori sulle pareti interne; come lampade ad incandescenza funzionano con un filamento di platino che, in quanto resistenza elettrica in serie con il tubo, assolve anche al ruolo di limitatore della corrente elettrica rendendo superfluo il reattore. come lampade ad incandescenza funzionano con un filamento di platino che, in quanto resistenza elettrica in serie con il tubo, assolve anche al ruolo di limitatore della corrente elettrica rendendo superfluo il reattore. 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10


Scaricare ppt "Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas."

Presentazioni simili


Annunci Google