Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas

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

2 lampade ad incandescenza e fluorescenti per gli interni
Primi studi sulla scarica elettrica in tubi riempiti con gas a bassa pressione alla fine del XIX secolo (Sir William Crookes ed altri) 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) 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) 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 l’illuminazione stradale. 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

3 Cenni al fenomeno fisico della scarica
Atomo in configurazione stabile o neutra: tutti gli elettroni occupano le loro orbite naturali caratterizzate ciascuna dal proprio livello energetico. 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). 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 dovuta alla scarica Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

4 Velocità dell'elettrone libero bassa:
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 l’effetto termoionico viene usato per la produzione di elettroni primari mentre quello fotoelettrico interviene all’interno 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 dell’energia meccanica dell’elettrone viene dissipata sotto forma di energia di deformazione del corpo urtante o di quello urtato). 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: 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 dell’elettrone 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 L’elettrone 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. Emissione spettrale a righe - presenti componenti relative solo ad alcune lunghezze d’onda entro fasce più o meno strette tipiche dell’elemento chimico gassoso che riempie il bulbo Composizione spettrale della luce emessa da una lampada a scarica (sodio alta pressione) 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 DV: DV = DV(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
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 l’impatto con gli ioni positivi: Diminuzione della tensione. 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 d’innesco) 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. Primo tratto: Andamento quasi lineare a comportamento ohmico, con piccole variazioni di corrente anche per importanti variazioni di potenziale. Corrente non autonoma (10-8 ÷ 10-6 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

8 Lampade a vapori di sodio a bassa pressione (0
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. 1. Attacco a baionetta; 2. Catodo di tungsteno; 3. Piccole cavità per la raccolta del sodio metallico; 4. Tubo di scarica La stabilità della scarica dipende fortemente dalla temperatura di funzionamento (circa 250 °C) 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 l’infrarosso. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

9 Elevatissima efficienza luminosa
Luce emessa monocromatica giallo-arancione, poco adatta all’illuminazione degli interni. Luce emessa concentrata entro una banda di lunghezze d’onda molto stretta tra e nm ove il coefficiente di visibilità relativa v(l) è molto elevato(≈ 0,86) Elevatissima efficienza luminosa 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: ≈ h. Utilizzate dove non è richiesta una buona resa dei colori: illuminazione stradale ed autostradale, gallerie, incroci e grandi spazi esterni 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 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 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. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

11 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 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). Forma tubolare con alte rese cromatiche Lampade miniaturizzate con tubi di diametro di 10 mm piegati ad U o affiancati Anche in forma compatta apparse negli anni ‘80, resa cromatica intorno a 85, scarsa presenza estetica. 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 Numero: diametro della sezione in 1/8”
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. Numero: diametro della sezione in 1/8” Contrassegnate da una lettera ed un numero 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 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. 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. 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. Lungo l’asse del tubo principale si hanno temperature a regime anche di 5000 K mentre sull’involucro si raggiungono anche i 1000 K. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

15 Efficienza luminosa: ≈ 50 (lm W-1).
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. 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). Vita media: 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

16 Lampade ad alogenuri metallici 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. L’aggiunta degli alogenuri migliora le prestazioni della lampada: Efficienza luminosa: (lm W-1). Resa cromatica: %. Vita media: 5000 h. Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K. Tempi di riaccensione: i più elevati tra tutte le lampade. Usate per l’illuminazione 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 all’interno del bulbo da una corrente elettrica ad elevata frequenza (≈ 104 Hz) L’avvolgimento 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. UV convertiti in radiazioni visibili da uno strato di polveri fluorescenti sulla superficie interna del bulbo. Vita media elevata (≈ 6000 h) grazie all’assenza di filamenti ed elettrodi Tempi di accensione nulli Attualmente in commercio lampade di media potenza (55-85 W) con Tc= 2700 ÷ 4000 K (luce bianca calda) Ottima resa cromatica Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

18 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. 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 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