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 una bombilla de vidrio de borosilicato o cal sódica más grande . [1] La bombilla exterior puede ser transparente o estar recubierta de un 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 de alta intensidad. [1] [2] Por estas razones, se utilizan para iluminación superior de áreas grandes, como en fábricas, almacenes y estadios deportivos, así como para farolas . 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 estas lámparas normalmente no se utilizan en tiendas minoristas. [2] Las bombillas de mercurio "con corrección de color" superan este problema con un fósforo en el interior de la bombilla exterior que emite en las longitudes de onda rojas, ofreciendo una luz más blanca y una mejor reproducción del color .
Las lámparas de vapor de mercurio funcionan a una presión interna de alrededor de una atmósfera y requieren accesorios especiales, así como un balasto 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 haluro metálico . [3]
En 1835, Charles Wheatstone observó el espectro de una descarga eléctrica en vapor de mercurio y observó 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 la iluminación. [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 auténtica. [6]
La primera lámpara de vapor de mercurio que alcanzó un gran éxito fue inventada en 1901 por el ingeniero estadounidense Peter Cooper Hewitt . [7] Hewitt recibió 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 usaban una gran cantidad de mercurio. En la década de 1930, las lámparas mejoradas de la 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 iluminación general.
El mercurio en el tubo es un líquido a temperaturas normales. Necesita ser vaporizado e ionizado antes de que la lámpara pueda producir su salida de luz completa. [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 generará un pequeño arco entre el electrodo de arranque y el electrodo principal adyacente. A medida que el argón ionizado conduce, 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 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 a entre 2 y 18 bar , dependiendo del tamaño de la lámpara. El aumento de la presión da como resultado un mayor brillo de la lámpara. [10] [11] El proceso completo de calentamiento demora aproximadamente entre 4 y 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 activa 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. Por lo tanto, si la lámpara está conectada directamente a una fuente de voltaje constante como las líneas eléctricas, la corriente a través de ella aumentará hasta destruirse a sí misma. Por lo tanto, requiere un balasto para limitar la corriente a través de ella. Los balastos de las lámparas de vapor de mercurio son similares a los balastos utilizados con las lámparas fluorescentes . De hecho, las primeras lámparas fluorescentes británicas se diseñaron para funcionar con balastos de vapor de mercurio de 80 vatios. También hay lámparas de vapor de mercurio con balasto propio disponibles. Estas lámparas utilizan un filamento de tungsteno en serie con el tubo de arco para actuar como un balasto 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 portalámparas incandescente estándar suministrado con el voltaje adecuado.
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Un diseño de lámpara muy relacionado, llamado lámpara de haluro metálico, utiliza varios compuestos en forma de haluros metálicos con el mercurio. El yoduro de sodio y el yoduro de escandio son de uso común. Estas lámparas pueden producir una luz de mucha mejor calidad sin recurrir a fósforos. Si utilizan 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 se enciende la lámpara. (Este potencial eléctrico en presencia de los haluros puede provocar la falla del sello de vidrio/metal). Los sistemas de haluro metálico más modernos no utilizan un electrodo de arranque separado; en su lugar, la lámpara se enciende utilizando pulsos de alto voltaje como en las lámparas de vapor de sodio de alta presión.
Las lámparas con balasto propio (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 balasto eléctrico. Este es el único tipo de lámpara de vapor de mercurio que se puede conectar directamente a la red eléctrica sin un balasto externo. Estas lámparas tienen la misma eficiencia o una eficiencia ligeramente superior a la de las lámparas incandescentes de tamaño similar, pero tienen una vida útil más larga. Emiten luz inmediatamente al encenderse, pero suelen necesitar unos minutos para volver a encenderse si se interrumpe la alimentación. Debido a la luz que emite 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 por primera vez una lámpara de vapor de mercurio, produce un resplandor azul oscuro porque solo 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 las bandas ultravioleta del mercurio. A medida que se enciende el arco principal y el gas se calienta y aumenta la presión, la luz se desplaza hacia el 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 plena intensidad, la luz de una lámpara de vapor de mercurio sin fósforos es claramente de color 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 trabajo. Si se interrumpe la descarga (por ejemplo, por interrupción del suministro eléctrico), no es posible que la lámpara vuelva a encenderse hasta que la bombilla se enfríe lo suficiente para que la presión caiga considerablemente. El motivo de que transcurra un período de tiempo prolongado antes de que la lámpara se vuelva a encender es la presión elevada, que genera un voltaje de ruptura más alto 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 similar o similar.
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 rellenar el extremo rojo, por lo demás muy deficiente, del espectro electromagnético . Estas lámparas se denominan generalmente lámparas "con corrección de color". La mayoría de las lámparas de vapor de mercurio modernas tienen este revestimiento. Una de las quejas originales contra las luces de mercurio era 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 utilizaran los fósforos era hacer funcionar la lámpara de mercurio junto con una lámpara incandescente . También hay un aumento del color rojo (por ejemplo, debido a la radiación continua) en las lámparas de vapor de mercurio de presión ultraalta (normalmente superior a 200 atm.), lo que ha encontrado aplicación en los proyectores de medios modernos. Cuando están en el exterior, las lámparas recubiertas o con corrección de color suelen identificarse 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, solo 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 presión media, están presentes las líneas de 200 a 600 nm. Las lámparas se pueden construir para emitir principalmente en el rango UV-A (alrededor de 400 nm) o UV-C (alrededor de 250 nm). Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión se utilizan comúnmente para fines de iluminación general. Emiten principalmente en el rango azul y verde.
Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión [15] suelen tener una ampolla 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 se puede utilizar para la 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 los lugares donde la contaminación lumínica es de suma importancia (por ejemplo, el estacionamiento de un observatorio ), se prefiere el sodio de 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; producen solo unas pocas líneas de mercurio distintas 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 balastos para lámparas de vapor de mercurio para iluminación general, con exclusión de los balastos para 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 bombillas fluorescentes compactas (CFL) y de diodos emisores de luz (LED) de repuesto para luminarias de vapor de mercurio, que no requieren modificaciones en la luminaria existente. El Departamento de Energía de los 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 producirían 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 causar 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, porque el tubo de arco seguiría funcionando, presentando un riesgo de seguridad. [20] Se han documentado casos en los Estados Unidos de lámparas dañadas en gimnasios por pelotas que golpean las lámparas, lo que resulta en quemaduras solares e inflamación de los ojos por la radiación ultravioleta de onda corta. [21] Cuando se utiliza en lugares como gimnasios, el dispositivo debe contener una protección exterior fuerte o una lente exterior para proteger la bombilla exterior de la lámpara. Como resultado de los casos documentados mencionados, algunos fabricantes estadounidenses fabricaron lámparas "de seguridad" que se queman deliberadamente si se rompe el vidrio exterior. Esto generalmente se logra utilizando una tira delgada de tungsteno, que se quema en presencia de aire, para conectar uno de los electrodos.
Las lámparas de vapor de mercurio típicas con una envoltura exterior de vidrio de borosilicato o cal sódica aún dejan escapar una cantidad relativamente grande de radiación ultravioleta de 365 nm. Esto puede provocar el envejecimiento acelerado de algunos plásticos utilizados en la construcción de luminarias, dejándolas significativamente decoloradas después de solo unos pocos años de servicio. El policarbonato sufre especialmente este problema y no es raro ver superficies de policarbonato relativamente nuevas colocadas cerca de la lámpara que han adquirido un color amarillento opaco después de poco tiempo.
Aunque otros tipos de HID se están volviendo más comunes, las lámparas de vapor de mercurio todavía se utilizan a veces para iluminación de áreas y alumbrado público en Estados Unidos, Canadá y Japón.
Las lámparas de vapor de mercurio se utilizan en la industria de la impresión para curar las tintas. Suelen ser de alta potencia para curar y fijar rápidamente las tintas utilizadas. Están cerradas y tienen protecciones para evitar la exposición humana, así como sistemas de extracción especializados para eliminar el ozono generado.
Las lámparas de vapor de mercurio a alta presión (y algunas lámparas de haluro metálico especialmente diseñadas) se utilizan en la espectroscopia molecular porque proporcionan una energía continua de banda ancha útil ("ruido") en longitudes de onda de milímetros y terahercios, debido a la alta temperatura de los electrones del plasma de arco; la línea principal de emisión ultravioleta 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 dichas frecuencias. Por ejemplo, una lámpara de mercurio estándar de 250 vatios para iluminación general produce una salida significativa de 120 GHz a 6 THz. Además, las longitudes de onda más cortas en el infrarrojo medio se emiten desde la envoltura del tubo de arco de cuarzo caliente. Al igual que con la salida ultravioleta, la ampolla exterior de vidrio es en gran parte opaca a estas frecuencias y, por lo tanto, para este propósito debe eliminarse (u omitirse en lámparas diseñadas específicamente para ese fin). [ cita requerida ]
Las lámparas especiales de vapor de mercurio de ultra alta presión, denominadas 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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