Las lámparas de descarga de gas son una familia de fuentes de luz artificial que generan luz enviando una descarga eléctrica a través de un gas ionizado , un plasma .
Por lo general, estas lámparas utilizan un gas noble ( argón , neón , criptón y xenón ) o una mezcla de estos gases. Algunas incluyen sustancias adicionales, como mercurio , sodio y haluros metálicos , que se vaporizan durante el encendido para convertirse en parte de la mezcla de gases.
Las lámparas de encendido automático de un solo extremo están aisladas con un disco de mica y contenidas en un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) y una tapa de metal. [1] [2] Incluyen la lámpara de vapor de sodio que es la lámpara de descarga de gas en el alumbrado público. [3] [4] [1] [2]
En funcionamiento, una parte de los electrones se ve obligada a abandonar los átomos del gas próximos al ánodo por el campo eléctrico aplicado entre los dos electrodos, quedando estos átomos ionizados positivamente . Los electrones libres así liberados fluyen hacia el ánodo, mientras que los cationes así formados son acelerados por el campo eléctrico y fluyen hacia el cátodo .
Los iones suelen recorrer una distancia muy corta antes de colisionar con átomos neutros del gas, que les dan sus electrones. Los átomos que han perdido un electrón durante las colisiones se ionizan y se desplazan rápidamente hacia el cátodo, mientras que los iones que han ganado un electrón durante las colisiones vuelven a un estado de energía más bajo , liberando energía en forma de fotones . De este modo, se emite luz de una frecuencia característica. De esta forma, los electrones se transmiten a través del gas desde el cátodo hasta el ánodo.
El color de la luz producida depende de los espectros de emisión de los átomos que componen el gas, así como de la presión del gas, la densidad de corriente y otras variables. Las lámparas de descarga de gas pueden producir una amplia gama de colores. Algunas lámparas producen radiación ultravioleta que se convierte en luz visible mediante un revestimiento fluorescente en el interior de la superficie de vidrio de la lámpara. La lámpara fluorescente es quizás la lámpara de descarga de gas más conocida.
En comparación con las lámparas incandescentes , las lámparas de descarga de gas ofrecen una mayor eficiencia , [5] [6] pero son más complicadas de fabricar y la mayoría presentan una resistencia negativa , lo que hace que la resistencia en el plasma disminuya a medida que aumenta el flujo de corriente. Por lo tanto, generalmente requieren equipos electrónicos auxiliares como balastos para controlar el flujo de corriente a través del gas, evitando el descontrol de la corriente ( arco eléctrico ).
Algunas lámparas de descarga de gas también tienen un tiempo de encendido perceptible para alcanzar su máxima potencia luminosa. Sin embargo, debido a su mayor eficiencia, las lámparas de descarga de gas eran preferidas a las luces incandescentes en muchas aplicaciones de iluminación, hasta las recientes mejoras en la tecnología de las lámparas LED . [ cita requerida ]
La historia de las lámparas de descarga de gas comenzó en 1675 cuando el astrónomo francés Jean Picard observó que el espacio vacío en su barómetro de mercurio brillaba cuando el mercurio se movía mientras llevaba el barómetro. [7] Los investigadores, incluido Francis Hauksbee , intentaron determinar la causa del fenómeno. Hauksbee demostró por primera vez una lámpara de descarga de gas en 1705. [8] Demostró que un globo de vidrio evacuado o parcialmente evacuado, en el que colocó una pequeña cantidad de mercurio, mientras se cargaba con electricidad estática podía producir una luz lo suficientemente brillante como para leer. El fenómeno del arco eléctrico fue descrito por primera vez por Vasily V. Petrov en 1802. [9] [10] [11] En 1809, Sir Humphry Davy demostró el arco eléctrico en la Royal Institution of Great Britain. [12] [13] Desde entonces, las fuentes de luz de descarga se han investigado porque crean luz a partir de electricidad considerablemente más eficientemente que las bombillas incandescentes .
El padre del tubo de descarga de gas a baja presión fue el soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler , quien a partir de 1857 construyó coloridos tubos artísticos de cátodo frío con diferentes gases en su interior que brillaban con muchos colores diferentes, llamados tubos Geissler . Se descubrió que los gases inertes como los gases nobles neón, argón, criptón o xenón, así como el dióxido de carbono funcionaban bien en los tubos. Esta tecnología fue comercializada por el ingeniero francés Georges Claude en 1910 y se convirtió en la iluminación de neón , utilizada en los carteles de neón .
La introducción de la lámpara de vapor de metal, que incluía varios metales dentro del tubo de descarga, fue un avance posterior. El calor de la descarga de gas vaporiza parte del metal y la descarga se produce entonces casi exclusivamente por el vapor de metal. Los metales habituales son el sodio y el mercurio debido a su emisión en el espectro visible.
Cien años de investigación han dado lugar a lámparas sin electrodos que se alimentan mediante fuentes de microondas o radiofrecuencia. Además, se han creado fuentes de luz de mucho menor potencia, lo que ha ampliado las aplicaciones de la iluminación de descarga al uso doméstico o en interiores.
Las lámparas Ruhmkorff fueron una forma temprana de lámpara eléctrica portátil, llamada así en honor a Heinrich Daniel Ruhmkorff y utilizada por primera vez en la década de 1860. La lámpara consistía en un tubo Geissler que se excitaba mediante una bobina de inducción Ruhmkorff alimentada por batería ; un transformador temprano capaz de convertir corrientes continuas de bajo voltaje en pulsos rápidos de alto voltaje. Inicialmente, la lámpara generaba luz blanca utilizando un tubo Geissler lleno de dióxido de carbono. Sin embargo, el dióxido de carbono tendía a descomponerse. Por lo tanto, en lámparas posteriores, el tubo Geissler se llenaba con nitrógeno (que generaba luz roja) y el vidrio transparente se reemplazaba con vidrio de uranio (que emitía fluorescencia con una luz verde). [14]
Destinada a ser utilizada en el entorno potencialmente explosivo de la minería, así como en entornos sin oxígeno como el buceo o como lámpara sin calor para su posible uso en cirugía, la lámpara fue desarrollada en realidad tanto por Alphonse Dumas, un ingeniero de las minas de hierro de Saint-Priest y de Lac, cerca de Privas , en el departamento de Ardèche , Francia, como por el Dr. Camille Benoît, un médico de Privas. [15] En 1864, la Academia Francesa de Ciencias otorgó a Dumas y Benoît un premio de 1.000 francos por su invención. [16] Las lámparas, tecnología de vanguardia en su época, ganaron fama después de ser descritas en varias de las novelas de ciencia ficción de Julio Verne . [17]
Cada gas, dependiendo de su estructura atómica, emite radiación de ciertas longitudes de onda, su espectro de emisión , que determina el color de la luz de la lámpara. Como una forma de evaluar la capacidad de una fuente de luz para reproducir los colores de varios objetos iluminados por la fuente, la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) introdujo el índice de reproducción cromática (IRC). Algunas lámparas de descarga de gas tienen un IRC relativamente bajo, lo que significa que los colores que iluminan se ven sustancialmente diferentes de cómo se ven bajo la luz del sol u otra iluminación de alto IRC.
Las lámparas se dividen en familias según la presión del gas y si el cátodo se calienta o no. Las lámparas de cátodo caliente tienen electrodos que funcionan a alta temperatura y se calientan con la corriente del arco en la lámpara. El calor expulsa electrones de los electrodos mediante emisión termoiónica , lo que ayuda a mantener el arco. En muchos tipos, los electrodos consisten en filamentos eléctricos hechos de alambre fino, que se calientan con una corriente separada al inicio, para iniciar el arco. Las lámparas de cátodo frío tienen electrodos que funcionan a temperatura ambiente. Para iniciar la conducción en la lámpara, se debe aplicar un voltaje lo suficientemente alto (el voltaje de encendido ) para ionizar el gas, por lo que estas lámparas requieren un voltaje más alto para encenderse.
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Las lámparas de baja presión tienen una presión de trabajo mucho menor que la presión atmosférica. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes comunes funcionan a una presión de aproximadamente el 0,3 % de la presión atmosférica.
Lámparas fluorescentes , una lámpara de cátodo calentado, la lámpara más común en la iluminación de oficinas y muchas otras aplicaciones, produce hasta 100 lúmenes por vatio.
Iluminación de neón , una forma ampliamente utilizada de iluminación especializada de cátodo frío que consiste en tubos largos llenos de diversos gases a baja presión excitados por altos voltajes, que se utilizan como publicidad en carteles de neón .
Las lámparas de sodio de baja presión , el tipo de lámpara de descarga de gas más eficiente, producen hasta 200 lúmenes por vatio, pero a costa de una reproducción cromática muy deficiente . La luz amarilla casi monocromática solo es aceptable para el alumbrado público y aplicaciones similares.
Para encender una lámpara fluorescente se utiliza una pequeña lámpara de descarga que contiene un interruptor bimetálico . En este caso, el calor de la descarga se utiliza para activar el interruptor; el cebador está contenido en una carcasa opaca y no se aprovecha la pequeña salida de luz.
Las lámparas de incandescencia continua se producen para aplicaciones especiales en las que los electrodos pueden cortarse en forma de caracteres alfanuméricos y formas figurativas. [18]
Una bombilla parpadeante, bombilla de llama parpadeante o lámpara de incandescencia parpadeante es una lámpara de descarga de gas que produce luz ionizando un gas , normalmente neón mezclado con helio y una pequeña cantidad de gas nitrógeno , mediante una corriente eléctrica que pasa a través de dos pantallas de electrodos con forma de llama recubiertas de azida de bario parcialmente descompuesta . El gas ionizado se mueve aleatoriamente entre los dos electrodos, lo que produce un efecto parpadeante, que a menudo se comercializa como similar a la llama de una vela (ver imagen). [19]
Las lámparas de alta presión tienen una descarga que se produce en el gas a una presión ligeramente inferior o superior a la atmosférica. Por ejemplo, una lámpara de sodio de alta presión tiene un tubo de arco bajo una presión de entre 100 y 200 torr , aproximadamente entre el 14 % y el 28 % de la presión atmosférica; algunos faros HID para automóviles tienen hasta 50 bares o cincuenta veces la presión atmosférica.
Las lámparas de halogenuros metálicos producen una luz casi blanca y alcanzan una potencia luminosa de 100 lúmenes por vatio. Entre sus aplicaciones se incluyen la iluminación interior de edificios altos, aparcamientos, tiendas y campos deportivos.
Las lámparas de sodio de alta presión , que producen hasta 150 lúmenes por vatio, generan un espectro de luz más amplio que las lámparas de sodio de baja presión. También se utilizan para el alumbrado público y para la fotoasimilación artificial para el cultivo de plantas.
Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión son el tipo de lámpara de alta presión más antiguo y han sido reemplazadas en la mayoría de las aplicaciones por lámparas de haluro metálico y lámparas de sodio de alta presión. Requieren una longitud de arco más corta.
Una lámpara de descarga de alta intensidad (HID) es un tipo de lámpara eléctrica que produce luz mediante un arco eléctrico entre electrodos de tungsteno alojados dentro de un tubo de arco de alúmina fundida o cuarzo fundido translúcido o transparente . En comparación con otros tipos de lámparas, existe una potencia de arco relativamente alta para la longitud del arco. Algunos ejemplos de lámparas HID incluyen lámparas de vapor de mercurio , lámparas de haluro metálico , lámparas de haluro metálico de descarga cerámica , lámparas de vapor de sodio y lámparas de arco de xenón.
Las lámparas HID se utilizan normalmente cuando se desean altos niveles de luz y eficiencia energética.
La lámpara de destello de xenón produce un único destello de luz en el rango de milisegundos a microsegundos y se utiliza habitualmente en cine, fotografía e iluminación teatral. Las versiones especialmente robustas de esta lámpara, conocidas como luces estroboscópicas , pueden producir largas secuencias de destellos, lo que permite el examen estroboscópico del movimiento . Esto se ha utilizado en el estudio del movimiento mecánico, en medicina y en la iluminación de salas de baile.
