În 1909, chimistul şi inventatorul francez Georges Claude crea primul tub fluorescent. Astăzi aceste dispozitive sunt omniprezente şi totuşi principiul lor de funcţionare este o enigmă pentru cei mai mulţi dintre noi. Aflaţi în continuare ce se întâmplă în interiorul unei lămpi fluorescente.
Cum emit atomii lumină?
Pentru a înţelege pe deplin modul de funcţionare a lămpilor fluorescente e nevoie de o scurtă introducere în natura luminii. În articolul despre
spectrul electromagnetic se menţionează că lumina este o formă de radiaţie electromagnetică. Adică fotoni, cuante de energie care în anumite condiţii sunt eliberate de atomii constituenţi ai diferitelor substanţe întâlnite în natură.
Când se întâmplă acest lucru?
Unul din modelele atomice moderne, puţin simplificat pentru uşurinţa înţelegerii, dar în acord cu realitatea, ne prezintă atomul ca fiind format dintr-un nucleu (încărcat pozitiv şi alcătuit din protoni (sarcina pozitivă) şi neutroni) în jurul căruia orbitează sarcinile negative, electronii. Creşterea sau scăderea nivelului energetic al unui atom corespunde saltului electronilor între orbitele permise de elementul chimic în cauză (diferite de la o substanţă la alta). Când transferăm energie unei material, de exemplu încălzindu-l, electronii atomilor constituenţi înmagazinează energie "sărind" pe nivele orbitale superioare, schimbându-şi astfel zona de mişcare în jurul nucleului. Cum atomii tind să revină la o stare naturală de echilibru, acei electroni excitaţi îşi menţin noile poziţii pentru foarte puţin timp, iar în momentul revenirii la starea iniţială eliberează o anumită cantitate de energie sub forma unui foton cu o anumită lungime de undă. Această lungime de undă, care dă culoarea luminii emise, depinde de cantitatea de energie eliberată, deci de însăşi anatomia materialului excitat (încălzit sau bombardat cu altă formă de radiaţie electromagnetică).
Fluorescenţa
Dicţionarele limbii române definesc fluorescenţa ca fiind proprietatea unor substanţe de a emite lumină vizibilă atâta vreme cât sunt bombardate cu radiaţii ultraviolete. Este vorba deci de următorul fenomen care are loc în anumite materiale: absorbţia de fotoni caracteristici radiaţiei ultraviolete, urmată, în consecinţă, de eliberarea altor fotoni, cu o lungime de undă mai mare, din spectrul vizibil, diferenţa de energie transformându-se în vibraţii moleculare sau căldură. Fenomenul a fost denumit după fluorura de calciu - un mineral, compus chimic al fluorului, întâlnit în natură şi care manifestă proprietăţile descrise anterior.
Cum funcţionează lămpile fluorescente?
La alimentarea lămpii cu energie electrică, calea cu cea mai mică rezistenţă este prin circuitul care are în componenţă starterul (în timpul funcţionării normale curentul electric trece prin amestecul de gaze din interiorul tubului, după cum se va vedea ulterior). Curentul electric străbate cei doi electrozi ai lămpii, încălzindu-i, ceea ce duce la eliberarea de electroni în interiorul tubului, deci, în consecinţă, la ionizarea argonului. Starterul este la rându-i un mic tub care funcţionează tot pe principiul descărcării electrice într-un amestec de gaz ionizat, neon de cele mai multe ori. Când curentul electric alimentează iniţial circuitul de bypass (să convenim să numim astfel circuitul cu starter), se generează un arc electric între cei doi electrozi ai starterului, realizându-se conexiunea, iar starterul se aprinde. Unul din cei doi electrozi ai starterului este un bimetal care se îndoaie la căldură. Starterul aprins generează pe lângă lumină şi căldură, astfel că electrodul bimetalic se îndoaie şi realizează contactul cu celălalt electrod al starterului. Dispare astfel arcul electric, gazul din interior nu mai este ionizat, şi starterul se stinge, iar bimetalul nu mai primeşte cantitatea de căldură necesară şi revine la forma iniţială, deschizând circuitul.
În tot acest timp filamentele lămpii au ionizat gazul din interiorul tubului, dând naştere unui mediu conductiv din punct de vedere electric. Tubul mai are nevoie de o tensiune iniţială pentru a se stabili un arc electric, iar aceasta este generată de balast. Când curentul electric străbate circuitul de bypass, balastul, în principiu o bobină, generează un câmp magnetic care este menţinut de alimentarea cu energie electrică. La deschiderea starterului, pentru o scurtă perioadă de timp balastul nu mai este alimentat, se schimbă brusc intensitatea câmpului magnetic al bobinei, ceea ce duce la apariţia unui vârf de tensiune de 1000-2000 de volţi, suficient pentru a stabili descărcarea în amestecul de argon şi vapori de mercur la presiune joasă.
Ce se întâmplă în interiorul lămpii?
Materialul emisiv depus la momentul fabricaţiei pe cei doi electrozi emite electroni, care migrează în interiorul gazului din tub. O parte din mercurul aflat în tub trece în formă gazoasă, iar amestecul gazos de argon şi vapori de mercur este puternic ionizat. Pe măsură ce electronii şi atomii încărcaţi pozitiv se mişcă în interiorul tubului, o parte dintre ei se ciocnesc cu atomii de mercur ai căror electroni sunt trimişi pe nivele superioare de energie. Când aceştia revin la nivelurile normale de energie, este eliberată radiaţie ultravioletă (vaporii de argon şi mercur au o asemenea structură chimică că în marea lor majoritate eliberează fotoni din zona luminii ultraviolete). Intră apoi în rol şi pulberea fluorescentă cu care a fost tratat interiorul lămpii. Radiaţia ultravioletă interacţionează cu materialul respectiv în aşa fel încât energia respectivă este convertită în cea mai mare parte în lumină vizibilă, o mică parte fiind cedată de amestecul luminofor şi sub formă de căldură.
Strămoşii lămpii fluorescente. Iluminarea cu ajutorul descărcării în neon ionizat
Lumina fluorescentă a urmat mai multor sisteme de iluminare care aveau la bază fenomenul de generare a unui arc electric într-un gaz ionizat. Se foloseşte acest sistem, generic cunoscut sub denumirea de neon, în special pentru lămpile decorative. În timp ce în cazul unora dintre aceste lămpi tubulare se foloseşte neonul, altele conţin alte gaze pentru a genera lumină de alte culori decât roşul-portocaliu emis de neon când este parcurs de curent electric.
Alături de neon, un alt gaz nobil , argonul, este cel mai des folosit. Argonul este o sursă de radiaţie ultravioletă, dar produce şi lumină vizibilă de culoare albastră. În combinaţie cu mercurul, aşa cum am descris anterior, argonul generează cantităţi însemnate de radiaţie ultravioletă, folosită pentru a excita pulberile fluorescente depuse în interiorul lămpilor fluorescente care, în schimb, radiază lumină vizibilă. Variate nuanţe de lumină vizibilă pot fi obţinute prin folosirea perşilor luminofori, dar şi prin colorarea sticlei din care sunt făcute tuburile. Deşi sticla lămpilor blochează doar o parte a luminii ultraviolete, cea mai mare parte a radiaţiei nu trece de stratul fluorescent din interiorul tubului, nereprezentând astfel un pericol.
În mod frecvent, o cantitate mică de argon este folosită şi în interiorul lămpilor cu neon, deoarece această combinaţie de neon şi argon generează arc electric la un voltaj mai mic decât neonul pur (are o rezistivitate electrică inferioară). Prin adăugarea acestei cantităţi mici de argon, în jur de 0,01% din total, culoarea luminii produse de lampă nu se modifică în mod semnificativ.
Iată în continuare un tabel cu radiaţia emisă de perşi compuşi gazoşi ionizaţi.
| Amestec chimic |
Neon |
Sodiu Halogen |
Sodiu
(Presiune scăzută) |
Argon |
Vapori de argon şi mercur |
Vapori de argon şi mercur + fosfor |
| Lungime de undă a luminii dominante (în nanometri) |
~640 nm |
~620 nm |
~550 nm |
~460 nm |
~420 nm |
Variabil, funcţie de fosforii aleşi |
Radiaţia electromagnetică emisă în tuburile cu descărcare (arc electric) în gaz. Comparaţie
Avantaje faţă de becul cu incandescenţă. Concluzii
În concluzie, este de reţinut că principiul de funcţionare a lămpii fluorescente constă în generarea de radiaţie electromagnetică în spectrul vizibil prin excitarea cu radiaţie ultravioletă a unei pulberi fluorescente. Lumina ultravioletă este produsă de o descărcare electrică întreţinută într-un amestec de argon şi vapori de mercur la presiuni scăzute.
O lampă fluorescentă consumă doar un sfert din energia electrică necesară unui bec cu incandescenţă pentru a genera aceeaşi luminozitate şi aceasta în special deoarece în cazul becurilor clasice o mare parte a energiei electrice se pierde sub formă de căldură. Durata medie de funcţionare a unui tub fluorescent este de până la 10 ori mai mare decât cea a unui bec clasic, dar acesta din urmă este în continuare preferate în special în interiorul locuinţelor pentru că emite o lumină mai "caldă", cu nuanţe de galben şi portocaliu. Lămpile fluorescente au devenit însă preponderente în special în mediile industriale şi în clădirile de birouri, acolo unde consumul de energie electrică inferior şi durata medie de funcţionare superioară reprezintă argumente puternice în favoarea folosirii acestora.
unde: 
sau 
