Una lámpara de vapor de mercurio es una lámpara de descarga de gas que utiliza un arco eléctrico a través de mercurio vaporizado para producir luz . [1] La descarga del arco generalmente se limita a un pequeño tubo de arco de cuarzo fundido montado dentro de un bulbo más grande de vidrio sodocálcico o de vidrio de borosilicato . [1] El bulbo exterior puede ser transparente o estar recubierto con fósforo ; En cualquier caso, la bombilla exterior proporciona aislamiento térmico , protección contra la radiación ultravioleta que produce la luz y un montaje conveniente para el tubo de arco de cuarzo fundido. [1]
Las lámparas de vapor de mercurio son más eficientes energéticamente que las lámparas incandescentes con eficacias luminosas de 35 a 55 lúmenes/vatio. [1] [2] Sus otras ventajas son una larga vida útil de la bombilla en el rango de 24.000 horas y una salida de luz blanca clara y de alta intensidad. [1] [2] Por estas razones, se utilizan para la iluminación cenital de grandes áreas, como en fábricas, almacenes y estadios deportivos, así como para el alumbrado público . Las lámparas de mercurio transparente producen una luz verdosa debido a la combinación de líneas espectrales del mercurio. [2] Esto no favorece el color de la piel humana , por lo que este tipo de lámparas no suelen utilizarse en las tiendas minoristas. [2] Las bombillas de mercurio con "color corregido" superan este problema con un fósforo en el interior de la bombilla exterior que emite en longitudes de onda rojas, ofreciendo una luz más blanca y una mejor reproducción del color .
Las luces de vapor de mercurio funcionan a una presión interna de alrededor de una atmósfera y requieren accesorios especiales, así como un balastro eléctrico . También requieren un período de calentamiento de cuatro a siete minutos para alcanzar la máxima potencia luminosa. Las lámparas de vapor de mercurio se están volviendo obsoletas debido a la mayor eficiencia y el mejor equilibrio de color de las lámparas de halogenuros metálicos . [3]
Charles Wheatstone observó el espectro de una descarga eléctrica en vapor de mercurio en 1835 y notó las líneas ultravioleta en ese espectro. En 1860, John Thomas Way utilizó lámparas de arco que funcionaban en una mezcla de aire y vapor de mercurio a presión atmosférica para iluminar. [4] El físico alemán Leo Arons (1860-1919) estudió las descargas de mercurio en 1892 y desarrolló una lámpara basada en un arco de mercurio. [5] En febrero de 1896, Herbert John Dowsing y H. S. Keating de Inglaterra patentaron una lámpara de vapor de mercurio, considerada por algunos como la primera lámpara de vapor de mercurio verdadera. [6]
La primera lámpara de vapor de mercurio que logró un éxito generalizado fue inventada en 1901 por el ingeniero estadounidense Peter Cooper Hewitt . [7] A Hewitt se le concedió la patente estadounidense 682.692 el 17 de septiembre de 1901. [8] En 1903, Hewitt creó una versión mejorada que poseía cualidades de color más satisfactorias que finalmente encontraron un uso industrial generalizado. [7] La luz ultravioleta de las lámparas de vapor de mercurio se aplicó al tratamiento del agua en 1910. Las lámparas Hewitt utilizaban una gran cantidad de mercurio. En la década de 1930, las lámparas mejoradas de forma moderna, desarrolladas por la empresa Osram-GEC , la empresa General Electric y otras, llevaron al uso generalizado de lámparas de vapor de mercurio para la iluminación general.
El mercurio del tubo es líquido a temperaturas normales. Es necesario vaporizarlo e ionizarlo antes de que la lámpara pueda producir su máxima potencia luminosa. [1] Para facilitar el encendido de la lámpara, se monta un tercer electrodo cerca de uno de los electrodos principales y se conecta a través de una resistencia al otro electrodo principal. Además del mercurio, el tubo se llena con gas argón a baja presión. Cuando se aplica energía, si hay suficiente voltaje para ionizar el argón, el gas argón ionizado formará un pequeño arco entre el electrodo de arranque y el electrodo principal adyacente. A medida que conduce el argón ionizado, el calor de su arco vaporiza el mercurio líquido; A continuación, el voltaje entre los dos electrodos principales ionizará el gas mercurio. Se inicia un arco entre los dos electrodos principales y la lámpara luego irradiará [9] principalmente en las líneas de emisión ultravioleta, violeta y azul . La vaporización continua del mercurio líquido aumenta la presión del tubo de arco entre 2 y 18 bar , dependiendo del tamaño de la lámpara. El aumento de presión da como resultado un mayor brillo de la lámpara. [10] [11] Todo el proceso de calentamiento dura aproximadamente de 4 a 7 minutos. Algunas bombillas incluyen un interruptor térmico que pone en cortocircuito el electrodo de arranque con el electrodo principal adyacente, extinguiendo el arco de arranque una vez que se enciende el arco principal.
La lámpara de vapor de mercurio es un dispositivo de resistencia negativa . Esto significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta la corriente a través del tubo. Entonces, si la lámpara está conectada directamente a una fuente de voltaje constante como las líneas eléctricas, la corriente que la atraviesa aumentará hasta destruirse a sí misma. Por lo tanto, requiere un balastro para limitar la corriente que lo atraviesa. Los balastros de las lámparas de vapor de mercurio son similares a los balastros utilizados con las lámparas fluorescentes . De hecho, las primeras lámparas fluorescentes británicas fueron diseñadas para funcionar con balastos de vapor de mercurio de 80 vatios. También hay disponibles lámparas de vapor de mercurio con balasto propio. Estas lámparas utilizan un filamento de tungsteno en serie con el tubo de arco para actuar como balastro resistivo y agregar luz de espectro completo a la del tubo de arco. Las lámparas de vapor de mercurio con balasto propio se pueden atornillar a un casquillo de luz incandescente estándar suministrado con el voltaje adecuado.
Un diseño de lámpara muy relacionado, llamado lámpara de halogenuros metálicos, utiliza varios compuestos en forma de haluros metálicos con mercurio. Comúnmente se utilizan yoduro de sodio y yoduro de escandio . Estas lámparas pueden producir luz de mucha mejor calidad sin recurrir a fósforos. Si usan un electrodo de arranque, siempre hay un interruptor de cortocircuito térmico para eliminar cualquier potencial eléctrico entre el electrodo principal y el electrodo de arranque una vez que la lámpara está encendida. (Este potencial eléctrico en presencia de haluros puede causar la falla del sello vidrio/metal). Los sistemas de halogenuros metálicos más modernos no utilizan un electrodo de arranque independiente; en cambio, la lámpara se enciende mediante pulsos de alto voltaje como ocurre con las lámparas de vapor de sodio de alta presión.
Las lámparas con balastro automático (SB) son lámparas de vapor de mercurio con un filamento de tungsteno en su interior conectado en serie con el tubo de arco que funciona como balastro eléctrico. Este es el único tipo de lámpara de vapor de mercurio que se puede conectar directamente a la red eléctrica sin balastro externo. Estas lámparas tienen sólo la misma eficiencia o ligeramente mayor que las lámparas incandescentes de tamaño similar, pero tienen una vida útil más larga. Dan luz inmediatamente después del arranque, pero generalmente necesitan unos minutos para volver a encenderse si se interrumpe la energía. Debido a la luz emitida por el filamento, tienen propiedades de reproducción cromática ligeramente mejores que las lámparas de vapor de mercurio. Las lámparas con balasto propio suelen ser más caras que una lámpara de vapor de mercurio estándar.
Cuando se enciende una lámpara de vapor de mercurio por primera vez, producirá un brillo azul oscuro porque sólo una pequeña cantidad de mercurio está ionizada y la presión del gas en el tubo de arco es muy baja, por lo que gran parte de la luz se produce en el mercurio ultravioleta . bandas. A medida que se produce el arco principal y el gas se calienta y aumenta su presión, la luz cambia al rango visible y la alta presión del gas hace que las bandas de emisión de mercurio se ensanchen un poco, produciendo una luz que parece más blanca para el ojo humano, aunque todavía no es un espectro continuo . Incluso a máxima intensidad, la luz de una lámpara de vapor de mercurio sin fósforo tiene un color claramente azulado. La presión en el tubo de arco de cuarzo aumenta aproximadamente a una atmósfera una vez que la bombilla ha alcanzado su temperatura de funcionamiento. Si se interrumpiera la descarga (por ejemplo, por interrupción del suministro eléctrico), la lámpara no podrá volver a encenderse hasta que la bombilla se enfríe lo suficiente como para que la presión baje considerablemente. El motivo de un período de tiempo prolongado antes de que la lámpara se vuelva a encender es debido a la presión elevada, lo que conduce a un mayor voltaje de ruptura del gas en el interior (voltaje necesario para iniciar un arco - ley de Paschen ), que está fuera de las capacidades del balasto. Debido a esto, muchas lámparas de vapor de mercurio tienen una lámpara secundaria que funciona como fuente de luz de respaldo hasta que la lámpara de vapor de mercurio pueda volver a encenderse. Esta lámpara suele ser una lámpara halógena de brillo cercano o igual.
Para corregir el tinte azulado, muchas lámparas de vapor de mercurio están recubiertas en el interior de la bombilla exterior con un fósforo que convierte una parte de las emisiones ultravioleta en luz roja. Esto ayuda a completar el extremo rojo del espectro electromagnético , que de otro modo sería muy deficiente . Estas lámparas generalmente se denominan lámparas de "color corregido". La mayoría de las lámparas de vapor de mercurio modernas tienen este revestimiento. Una de las quejas originales contra las luces de mercurio fue que tendían a hacer que las personas parecieran "cadáveres sin sangre" debido a la falta de luz del extremo rojo del espectro. [12] Un método común para corregir este problema antes de que se usaran fósforos era operar la lámpara de mercurio junto con una lámpara incandescente . También hay un aumento del color rojo (p. ej., debido a la radiación continua) en las lámparas de vapor de mercurio de presión ultraalta (normalmente superiores a 200 atm), que ha encontrado aplicación en los proyectores multimedia modernos. En el exterior, las lámparas recubiertas o de color corregido generalmente se pueden identificar por un "halo" azul alrededor de la luz que emiten.
Los picos más fuertes del espectro de la línea de emisión son [13] [14]
En las lámparas de vapor de mercurio de baja presión sólo están presentes las líneas a 184 nm y 254 nm. En la fabricación se utiliza sílice fundida para evitar que se absorba la luz de 184 nm. En las lámparas de vapor de mercurio de media presión están presentes líneas de 200 a 600 nm. Las lámparas pueden construirse para emitir principalmente en UV-A (alrededor de 400 nm) o UV-C (alrededor de 250 nm). Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión se utilizan habitualmente para fines de iluminación general. Emiten principalmente en azul y verde.
Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión [15] suelen tener una bombilla de cuarzo para permitir la transmisión de luz de longitud de onda corta . Si se utiliza cuarzo sintético, la transparencia del cuarzo aumenta aún más y también se observa una línea de emisión a 185 nm. Una lámpara de este tipo puede utilizarse entonces para irradiación germicida ultravioleta . [16] La línea de 185 nm creará ozono en una atmósfera que contiene oxígeno, lo que ayuda en el proceso de limpieza, pero también es un peligro para la salud.
Para lugares donde la contaminación lumínica es de suma importancia (por ejemplo, el estacionamiento de un observatorio ), se prefiere el sodio a baja presión . Como emite líneas espectrales estrechas en dos longitudes de onda muy cercanas, es el más fácil de filtrar. Las lámparas de vapor de mercurio sin fósforo son la segunda mejor opción; sólo producen unas pocas líneas distintas de mercurio que deben filtrarse.
En la UE, el uso de lámparas de vapor de mercurio de baja eficiencia para fines de iluminación se prohibió en 2015. No afecta al uso de mercurio en lámparas fluorescentes compactas , ni al uso de lámparas de mercurio para fines distintos de la iluminación. [17]
En los EE. UU., los balastros para lámparas de vapor de mercurio para iluminación general, excluyendo los balastros de lámparas de vapor de mercurio para aplicaciones especiales, fueron prohibidos después del 1 de enero de 2008. [18] Debido a esto, varios fabricantes han comenzado a vender fluorescentes compactos (CFL) y emisores de luz de reemplazo. bombillas de diodo (LED) para luminarias de vapor de mercurio, que no requieren modificaciones en la luminaria existente. El Departamento de Energía de EE. UU . determinó en 2015 que las regulaciones propuestas en 2010 para el tipo de lámparas HID de vapor de mercurio no se implementarían porque no generarían ahorros sustanciales. [19]
El tubo de arco de las lámparas de mercurio produce una gran cantidad de radiación UV-C de onda corta que puede provocar quemaduras en los ojos y la piel. Normalmente, la cubierta exterior de vidrio de la lámpara y, en algunas lámparas, también el revestimiento de fósforo, bloquean esta radiación. Sin embargo, se debe tener cuidado si la cubierta exterior de la lámpara se rompe, ya que el tubo de arco continuaría funcionando y representaría un peligro para la seguridad. [20] Ha habido casos documentados en los Estados Unidos de lámparas dañadas en gimnasios por bolas que golpearon las lámparas, lo que provocó quemaduras solares e inflamación de los ojos debido a la radiación ultravioleta de onda corta. [21] Cuando se utiliza en lugares como gimnasios, el dispositivo debe contener una protección exterior resistente o una lente exterior para proteger la bombilla exterior de la lámpara. A raíz de los casos documentados mencionados, algunos fabricantes americanos fabricaron lámparas de "seguridad" que se quemarían deliberadamente si se rompiera el cristal exterior. Esto generalmente se logra usando una tira delgada de tungsteno, que se quemará en presencia de aire, para conectar uno de los electrodos.
Las lámparas de vapor de mercurio típicas con una envoltura exterior hecha de cal sodada o vidrio de borosilicato aún permiten que una cantidad relativamente grande de radiación UV de 365 nm escape de la lámpara. Esto puede provocar el envejecimiento acelerado de algunos plásticos utilizados en la construcción de luminarias, dejándolos significativamente decolorados después de sólo unos pocos años de servicio. El policarbonato sufre particularmente este problema y no es raro ver que superficies de policarbonato relativamente nuevas colocadas cerca de la lámpara se vuelven de un color amarillo opaco después de poco tiempo.
Aunque otros tipos de HID se están volviendo más comunes, las lámparas de vapor de mercurio todavía se usan a veces para iluminación de áreas y calles en los Estados Unidos, Canadá y Japón.
Las lámparas de vapor de mercurio se utilizan en la industria gráfica para curar tintas. Por lo general, tienen alta potencia para curar y fijar rápidamente las tintas utilizadas. Están cerrados y cuentan con protecciones para evitar la exposición humana, así como sistemas de escape especializados para eliminar el ozono generado.
Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión (y algunas lámparas de halogenuros metálicos especialmente diseñadas) encuentran aplicación en espectroscopia molecular debido a que proporcionan energía continua ("ruido") de banda ancha útil en longitudes de onda milimétricas y de terahercios, debido a la alta temperatura de los electrones del plasma del arco; la principal línea de emisión UV del mercurio ionizado (254 nm) se correlaciona con un cuerpo negro de T= 11.500 K. Esta propiedad las convierte en una de las pocas fuentes simples y económicas disponibles para generar tales frecuencias. Por ejemplo, una lámpara de mercurio estándar de iluminación general de 250 vatios produce una potencia significativa de 120 GHz a 6 THz. Además, la envoltura del tubo de arco de cuarzo caliente emite longitudes de onda más cortas en el infrarrojo medio. Al igual que con la salida ultravioleta, la bombilla exterior de vidrio es en gran medida opaca en estas frecuencias y, por lo tanto, para este propósito debe retirarse (u omitirse en las lámparas fabricadas específicamente). [ cita necesaria ]
Las lámparas especiales de vapor de mercurio de ultra alta presión, llamadas lámparas de ultra alto rendimiento o lámparas UHP, se utilizan comúnmente en proyectores de vídeo digitales , incluidos los proyectores DLP , 3LCD y LCoS .
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Medios relacionados con la lámpara de vapor de mercurio en Wikimedia Commons