Surse de lumina

Surse de lumina

1 Emisia luminoasa

Problematica

- incandescenta, luminescenta

- legile emisiei termice

- descarcarile in gaze sau/si vapori metalici

- spectre de radiatii

Sursele electrice de lumina sunt convertoare de energie care asigura transformarea energiei electrice in radiatie electromagnetica cu o anumita lungime de unda; la baza acestei conversii stau diferite fenomene, dintre care cele uzuale sunt incandescenta si luminescenta. Incandescenta este starea unui corp care emite radiatii vizibile datorita temperaturii sale ridicate, in timp ce luminescenta reprezinta emiterea de radiatii vizibile datorita excitatiei atomilor sau moleculelor unor substante, excitatie obtinuta in alt fel decat prin incalzire. Emisia luminii este determinata de trecerea electronilor dintr-o stare energetica ridicata intr-una mai scazuta; ceea ce difera este modul de excitare a electronilor si in consecinta, distributia spectrala a radiatiei emise. Corpurile solide incandescente emit un spectru continuu, in timp ce luminescenta descarcarilor electrice in gaze sau/si vapori metalici se caracterizeaza prin linii spectrale discrete.

Incandescenta. Corpurile care emit radiatii electromagnetice ca rezultat al cresterii temperaturii proprii se numesc radiatoare termice. Caracteristicile spectrale si energetice ale radiatiei materialelor incandescente respecta legile radiatiei termice ale 'corpului negru' (corpul ideal care absoarbe complet toate radiatiile incidente; el emite pentru fiecare lungime de unda densitatea maxima de energie pentru temperatura considerata, motiv pentru care este numit si radiator integral).

Cantitatea de energie radiata pe intreg domeniul lungimilor de unda de un corp negru incalzit la o anumita temperatura este exprimata prin legea lui Stefan-Bolzmann

,

distributia spectrala a energiei radiate respectand legea lui Plank

,

in care s 10^-8 W/m²K⁴; T - temperatura de incalzire a corpului negru, K; c₁ = 3,741 10^-16 Wm², c₂ = 1,4388 10^-2 mK, l - lungimea de unda, mm.

Exemplu. Filamentul unei lampi cu incandescenta are un diametru de 0,006 cm si o lungime de 60 cm. El consuma 100 W. Considerand ca este un corp negru, sa se determine temperatura la care lucreaza acest filament.

Solutie. Aria suprafetei laterale a filamentului este 2prl=2p(0,003)(60)=1,13 cm². Densitatea de putere radianta este M=100/1,13=88,5 W/cm². Temperatura filamentului este T = ⁴ 10^-12 =1990K.

Legea deplasarii maximului (legea a 2-a Wien)

evidentiaza reducerea lungimii de unda pentru care se obtine maximul energiei radiate odata cu cresterea temperaturii corpului si este reprezentata grafic prin linia punctata din figura. Cresterea temperaturii radiatorului determina o crestere rapida a cantitatii de energie emise, cu o contributie sporita a lungimilor de unda mai mici, deci si a eficientei radiatorului termic. Eficienta maxima la lungimea de unda l =555 nm se obtine la temperatura de 5195 K ce nu poate fi atinsa de wolframul care se topeste la o temperatura inferioara acestei valori (3655 K). Spectrul radiatiei termice este continuu si cuprinde atat intregul domeniu vizibil (cu lungimea de unda intre 380 si 760 nm) cat si domeniile ultraviolet si infrarosu.

Legile lui Stefan, Plank si Wien sunt valabile numai pentru corpul negru. Emitanta energetica pentru corpurile reale este afectata de un factor subunitar e

,

Factorul de emisie sau emisivitatea (mai mica decat 1 pentru orice corp real) depinde de lungimea de unda a radiatiei emise; din acest motiv, corpurile reale se numesc si radiatoare selective. Filamentul de wolfram are emisivitatea e=0,346 la temperatura de 2900 K.

Luminescenta. Dupa natura energiei primare care produce excitarea, luminescenta este de mai multe tipuri, tehnica iluminatului folosind in special fenomenul de fotoluminescenta. La randul sau, aceasta cuprinde descarcarile in gaze, fluorescenta si fosforescenta. Radiatia este un rezultat al excitarii electronilor din atomii substantelor aflate in stare gazoasa sau solida. Luminescenta este efectul luminos produs prin excitarea electronilor de valenta ai atomilor unei substante (solide sau gazoase). Apare ca rezultat direct al unei descarcari electrice in vapori metalici si/sau gaze ori ca urmare a iradierii unor substante solide (fenomen cunoscut sub numele de fluorescenta). Caracteristicile spectrale si energetice ale acestor radiatii sunt stabilite de legile fizicii cuantice. Spectrul radiatiei luminescente este discontinuu, fiind determinat de elementul chimic utilizat, de presiunea mediului de descarcare, materialul si temperatura electrozilor si altele. Radiatia gazelor este caracterizata prin linii spectrale discrete, iar radiatia vaporilor metalici - prin benzi de emisie inguste. Numai o parte din liniile spectrale se gaseste in domeniul vizibil. Radiatia ultravioleta poate fi transformata in radiatie vizibila prin fluorescenta unei pulberi depuse pe peretele interior al tubului de descarcare.

Descarcarea in gaze defineste miscarea particulelor incarcate intr-un spatiu umplut cu gaze sau vapori metalici, sub actiunea unui camp electric exterior. Tipul descarcarii depinde de felul campului electric, compozitia chimica si presiunea spatiului de descarcare, natura, configuratia si distanta dintre electrozi, parametrii circuitului electric etc.

Sursele de lumina care utilizeaza descarcarea in gaze sau vapori metalici lucreaza in zona descarcarii in arc, iar compozitia radiatiei emise depinde de compozitia chimica a mediului de descarcare si de presiunea acestuia (care poate depasi 10 atm). Daca in timpul descarcarii un electron liber intalneste un atom, el poate da nastere unei ciocniri elastice, poate excita sau poate ioniza atomul, in functie de energia de care dispune. In cazul excitarii, electronul liber cedeaza o parte din energia sa cinetica unui electron periferic al atomului; acesta trece de pe orbita sa stabila pe o orbita exterioara instabila unde sta un timp extrem de scurt (de ordinul 10^-7 s) si apoi revine in starea initiala, fie printr-o singura tranzitie, fie printr-o serie de salturi de pe nivelul de excitatie pe niveluri intermediare mai coborate. La fiecare din acesti pasi se emite o radiatie electromagnetica. Radiatia emisa la intoarcerea electronului pe nivelul de baza printr-o singura tranzitie se numeste radiatie de rezonanta. Ea se obtine cu consum minim de energie de excitare.

Cantitatea de energie cedata (deci cuantele de energie radiate) este egala cu energia primita si, conform teoriei lui Plank, se poate scrie:

in care: E_h este energia asociata orbitei de excitatie; E_l - energia asociata orbitei de baza; h - constanta lui Planck; n - frecventa; c - viteza luminii in vid; l - lungimea de unda, sau

unde V_d (DE) este diferenta de potential (in volti) dintre doua niveluri energetice atinse de electron intr-o singura tranzitie. Rezulta deci, ca fiecarui nivel energetic la care pot fi adusi electronii periferici ai atomului ii corespunde o anumita lungime de unda a radiatiei electromagnetice; deoarece fiecare element are un numar restrans de niveluri de excitatie posibile, numarul combinatiilor acestora determina numarul liniilor spectrale ce caracterizeaza elementul respectiv. Pe baza teoriei cuantice se pot calcula numarul si pozitia liniilor spectrale, rezultatele obtinute fiind in deplina concordanta cu observatiile experimentale.

Pentru anumite stari energetice ale atomului excitat (numite stari metastabile), nu apar radiatii electromagnetice, datorita faptului ca atomii pot fi dezexcitati prin ciocniri cu electronii liberi. Aceasta explica de ce emisia de lumina nu creste foarte mult odata cu cresterea curentului de descarcare. Translatiile din starile metastabile favorizeaza insa mecanismul de ionizare, determinand reducerea tensiunii de aprindere intr-un amestec de gaz (neon si argon) sau de gaz si vapori metalici (argon si mercur).

   

Pentru o substanta data, compozitia spectrala si intensitatea relativa a radiatiilor emise depind de presiune. De exemplu, pentru mercur (care prezinta un interes practic deosebit), la joasa presiune radiatia este concentrata in principal in domeniul ultraviolet (l =185 si l =254 nm). La inalta presiune, radiatia vizibila este relativ importanta, insa circa 50% din energie este radiata in UV (l=365 nm) si in IR Fluorescenta exprima proprietatea unor materiale solide sau lichide de a emite radiatii electromagnetice atunci cand sunt iradiate cu particule rapide sau cu radiatii electromagnetice. Fenomenul este explicat tot prin teoria cuantica, fiind asemanator cu emisia produsa la descarcarile in arc; intr-adevar, daca o cuanta de energie ridicata (un electron rapid poate fi privit astfel) este absorbita de materialul fluorescent, o parte din energie este transformata in caldura iar cealalta parte este emisa sub forma de radiatie electromagnetica. Radiatia emisa are o lungime de unda mai mare decat radiatia incidenta (regula lui Stokes), determinata de relatia
hn < hn (n este frecventa excitatiei iar n este frecventa emisa).

Materialele fluorescente utilizate in tehnica iluminatului transforma radiatia ultravioleta emisa de vaporii metalici in timpul descarcarii in arc, in radiatie vizibila. Ele sunt substante anorganice cristaline de mare puritate carora li se adauga o cantitate precisa de material impurificator cu rol de activator. Mecanismul luminescentei este apropiat de cel al descarcarii in arc, dar aici centrele de emisie, desi relativ izolate, sunt puternic influentate de atomii ce ii inconjoara. In general, radiatia emisa consta din benzi spectrale largi a caror distributie depinde de natura centrilor emitenti si a atomilor inconjuratori, precum si de tipul retelei cristaline; spectrul radiatiei emise poate fi controlat prin tipul substantelor fluorescente, a naturii si numarului substantelor activante si prin perfectiunea retelei cristaline. Corectitudinea procesului tehnologic joaca un rol important in rezultatele finale (impuritatile nedorite sau cantitati prea mari de activator pot afecta negativ randamentul procesului de conversie a radiatiei UV in radiatie vizibila).

Unele pulberi fluorescente, cum este Apatita si alti halofosfati, prezinta o banda de emisie acoperind aproape intregul spectru vizibil, si produce astfel o lumina "alba" . Daca se doreste o redare a culorii deosebit de buna, este necesara combinarea unor diferite pulberi fluorescente, cu caracteristici de culoare diferentiate.

Lampile fluorescente Philips din seria 80 (si ale altor producatori) utilizeaza o mixtura de pulberi fluorescente avand benzi de emisie inguste in albastru, verde si rosu. Datorita acoperirii intregului spectru vizibil se obtine si o eficacitate luminoasa ridicata. Exista insa dezavantajul costului ridicat al acestor pulberi speciale. Pentru a scadea pretul lampii fluorescente se aplica un strat fluorescent de baza cu pulbere de halofosfati (care asigura cam 10% din emisia luminoasa) peste care se depune amestecul celor trei componente "trifosfor".

Cele mai utilizate materiale fluorescente pentru lampile cu vapori de mercur de inalta presiune si lampile cu halogenuri metalice si, respectiv, pentru tuburile fluorescente sunt prezentate in tabelele alaturate.

Fosforescenta. Unele materiale fluorescente prezinta o postluminescenta (persistenta emisiei de lumina dupa disparitia radiatiei excitante) care poate dura de la fractiuni de secunda la mai multe ore sau chiar zile. Fenomenul se numeste fosforescenta si se explica prin existenta unor niveluri energetice metastabile pe care electronii sunt retinuti pentru o anumita perioada. Nivelurile metastabile sunt situate in imediata apropiere a nivelurilor de excitatie responsabile pentru fluorescenta, trecerea electronilor pe acestea din urma facandu-se pe baza energiei termice a corpului; deoarece sunt implicate aceleasi stari, radiatiile emise pentru o substanta data sunt identice in fenomenele de fosforescenta si fluorescenta. Fosforescenta de scurta durata joaca un rol important in reducerea efectului stroboscopic determinat de alimentarea lampilor fluorescente in c.a.

Descarcarea in plasma. Lampa cu descarcare in plasma se afla in stare experimentala si se bazeaza pe aducerea in stare de plasma a unui amestec de sulf si argon cu ajutorul unei surse exterioare ce furnizeaza energie sub forma de microunde.

Intrebari

1. Luna plina poate fi considerata ca:

a. radiator selectiv

b. corp negru

c. sursa secundara de lumina

2. Temperatura la care lucreaza un filament de wolfram al lampii cu incandescenta este:

a. 2000 - 3000 K

b. 3000 - 4000 K

c. in jur de 5000 K

3. O lampa cu vapori de sodiu de joasa presiune emite 63 W sub forma de radiatie vizibila. Acestei radiatii ii corespunde un flux luminos de:

a. 43.000 lm

b. 12.600 lm

c. 8.820 lm

Compozitia spectrala si intensitatea relativa a radiatiilor emise de o descarcare in gaze sau vapori metalici depinde de:

a. natura mediului de descarcare

b. presiunea atmosferei din tubul de descarcare

c. compozitia chimica a pulberii fluorescente depuse pe peretele tubului de descarcare

Radiatia ultravioleta poate fi transformata in radiatie vizibila prin fluorescenta unei pulberi care:

a. este depusa pe peretele interior al tubului de descarcare

b. poate fi depusa pe suprafata exterioara a tubului

c. poate lipsi, nefiind absolut necesara

6. Radiatia descarcarii in vapori de mercur de joasa presiune este:

a. emisa in domeniul vizibil

b. emisa preponderent in domeniul ultraviolet

c. distribuita pe intregul spectru de radiatie electromagnetic