Lâmpada de vapor de mercúrio - Mercury-vapor lamp

Uma luz de vapor de mercúrio de 175 watts aproximadamente 15 segundos após o início.
Um close de uma lâmpada de vapor de mercúrio de 175 W. O pequeno cilindro diagonal na parte inferior do tubo de arco é um resistor que fornece corrente para o eletrodo de partida.

Uma lâmpada de vapor de mercúrio é uma lâmpada de descarga de gás que usa um arco elétrico através do mercúrio vaporizado para produzir luz . A descarga do arco é geralmente confinada a um pequeno tubo de quartzo fundido montado dentro de um bulbo maior de vidro de borosilicato . O bulbo externo pode ser transparente ou revestido com um fósforo ; em ambos os casos, o bulbo externo fornece isolamento térmico , proteção contra a radiação ultravioleta que a luz produz e uma montagem conveniente para o tubo de arco de quartzo fundido.

As lâmpadas de vapor de mercúrio são mais eficientes em termos de energia do que as incandescentes e a maioria das lâmpadas fluorescentes , com eficácias luminosas de 35 a 65 lumens / watt. Suas outras vantagens são uma longa vida útil da lâmpada na faixa de 24.000 horas e uma saída de luz branca clara de alta intensidade. Por essas razões, eles são usados ​​para iluminação de grandes áreas, como em fábricas, armazéns e estádios de esportes, bem como para postes de luz . Lâmpadas de mercúrio transparentes produzem luz branca com uma tonalidade verde-azulada devido à combinação de linhas espectrais do mercúrio. Isso não é agradável para a cor da pele humana , então essas lâmpadas normalmente não são usadas em lojas de varejo. Lâmpadas de mercúrio com "correção de cor" superam esse problema com um fósforo no interior da lâmpada externa que emite luz branca, oferecendo melhor reprodução de cores .

Eles operam a uma pressão interna de cerca de uma atmosfera e requerem acessórios especiais, bem como um reator elétrico . Eles também requerem um período de aquecimento de quatro a sete minutos para atingir a saída de luz total. As lâmpadas de vapor de mercúrio estão se tornando obsoletas devido à maior eficiência e melhor equilíbrio de cores das lâmpadas de iodetos metálicos .

Origens

Lâmpada Cooper Hewitt, 1903
Produção de lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão, 1965

Charles Wheatstone observou o espectro de uma descarga elétrica no vapor de mercúrio em 1835 e observou as linhas ultravioletas nesse espectro. Em 1860, John Thomas Way usou lâmpadas de arco operadas em uma mistura de ar e vapor de mercúrio à pressão atmosférica para iluminação. O físico alemão Leo Arons (1860–1919) estudou as descargas de mercúrio em 1892 e desenvolveu uma lâmpada baseada em um arco de mercúrio. Em fevereiro de 1896, Herbert John Dowsing e H. S. Keating, da Inglaterra, patentearam uma lâmpada de vapor de mercúrio, considerada por alguns como a primeira verdadeira lâmpada de vapor de mercúrio.

A primeira lâmpada de vapor de mercúrio a alcançar grande sucesso foi inventada em 1901 pelo engenheiro americano Peter Cooper Hewitt . Hewitt recebeu a patente US 682.692 em 17 de setembro de 1901. Em 1903, Hewitt criou uma versão melhorada que possuía qualidades de cor superiores que eventualmente encontraram uso industrial generalizado. A luz ultravioleta das lâmpadas de vapor de mercúrio foi aplicada ao tratamento de água em 1910. As lâmpadas Hewitt usavam uma grande quantidade de mercúrio. Na década de 1930, lâmpadas aprimoradas de forma moderna, desenvolvidas pela empresa Osram-GEC , General Electric e outras, levaram ao uso generalizado de lâmpadas de vapor de mercúrio para iluminação geral.

Princípio da Operação

O mercúrio no tubo é um líquido em temperaturas normais. Ela precisa ser vaporizada e ionizada antes que a lâmpada possa produzir sua saída de luz total. Para facilitar o acendimento da lâmpada, um terceiro eletrodo é montado próximo a um dos eletrodos principais e conectado por meio de um resistor ao outro eletrodo principal. Além do mercúrio, o tubo é preenchido com gás argônio a baixa pressão. Quando a energia é aplicada, se houver voltagem suficiente para ionizar o argônio, o gás argônio ionizado formará um pequeno arco entre o eletrodo inicial e o eletrodo principal adjacente. Conforme o argônio ionizado conduz, o calor de seu arco vaporiza o mercúrio líquido; a seguir, a voltagem entre os dois eletrodos principais irá ionizar o gás mercúrio. Um arco é iniciado entre os dois eletrodos principais e a lâmpada irradiará principalmente nas linhas de emissão ultravioleta, violeta e azul . A vaporização contínua do mercúrio líquido aumenta a pressão do tubo de arco entre 2 e 18 bar , dependendo do tamanho da lâmpada. O aumento da pressão resulta em um maior brilho da lâmpada. Todo o processo de aquecimento leva cerca de 4 a 7 minutos. Algumas lâmpadas incluem um interruptor térmico que curto-circuita o eletrodo inicial com o eletrodo principal adjacente, extinguindo o arco inicial assim que o arco principal atingir.

A lâmpada de vapor de mercúrio é um dispositivo de resistência negativa . Isso significa que sua resistência diminui à medida que a corrente através do tubo aumenta. Portanto, se a lâmpada estiver conectada diretamente a uma fonte de tensão constante como as linhas de força, a corrente que passa por ela aumentará até que se destrua. Portanto, é necessário um lastro para limitar a corrente através dele. Os reatores das lâmpadas de vapor de mercúrio são semelhantes aos reatores usados ​​com lâmpadas fluorescentes . Na verdade, as primeiras lâmpadas fluorescentes britânicas foram projetadas para operar com reatores de vapor de mercúrio de 80 watts. Existem também lâmpadas de vapor de mercúrio com lastro próprio disponíveis. Essas lâmpadas usam um filamento de tungstênio em série com o tubo de arco para atuar como um reator resistivo e adicionar luz de espectro total àquela do tubo de arco. Lâmpadas de vapor de mercúrio com lastro próprio podem ser aparafusadas em uma tomada de luz incandescente padrão fornecida com a tensão adequada.

Luz de vapor de mercúrio
Close após escurecer

Iodetos metálicos

Um projeto de lâmpada intimamente relacionado, chamado de lâmpada de haleto de metal, usa vários compostos em um amálgama com o mercúrio. Iodeto de sódio e escândio iodeto são comumente em uso. Essas lâmpadas podem produzir luz de qualidade muito melhor sem recorrer a fósforos. Se eles usarem um eletrodo de partida, há sempre um interruptor de curto-circuito térmico para eliminar qualquer potencial elétrico entre o eletrodo principal e o eletrodo de partida quando a lâmpada estiver acesa. (Este potencial elétrico na presença de haletos pode causar a falha da vedação de vidro / metal). Os sistemas de haleto de metal mais modernos não usam um eletrodo inicial separado; em vez disso, a lâmpada é ligada usando pulsos de alta tensão, como ocorre com as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão.

Lâmpadas com lastro próprio

As lâmpadas com lastro automático (SB) são lâmpadas de vapor de mercúrio com um filamento interno conectado em série com o tubo de arco que funciona como um reator elétrico. Este é o único tipo de lâmpada de vapor de mercúrio que pode ser conectada diretamente à rede elétrica sem um reator externo. Essas lâmpadas têm apenas a mesma ou um pouco mais de eficiência do que as lâmpadas incandescentes de tamanho semelhante, mas têm uma vida útil mais longa. Eles iluminam imediatamente na inicialização, mas geralmente precisam de alguns minutos para reiniciar se a energia for interrompida. Por causa da luz emitida pelo filamento, eles têm propriedades de reprodução de cor ligeiramente melhores do que as lâmpadas de vapor de mercúrio. As lâmpadas com lastro próprio são normalmente mais caras do que uma lâmpada de vapor de mercúrio padrão.

Operação

Aquecimento de uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão de 80 W com correção de cor para metade do brilho

Quando uma lâmpada de vapor de mercúrio é ligada pela primeira vez, ela produzirá um brilho azul escuro porque apenas uma pequena quantidade de mercúrio é ionizada e a pressão do gás no tubo de arco é muito baixa, por isso grande parte da luz é produzida no mercúrio ultravioleta bandas. Conforme o arco principal é atingido e o gás se aquece e aumenta de pressão, a luz muda para a faixa visível e a alta pressão do gás faz com que as bandas de emissão de mercúrio se ampliem um pouco, produzindo uma luz que parece mais quase branca ao olho humano, embora ainda não é um espectro contínuo . Mesmo em intensidade total, a luz de uma lâmpada de vapor de mercúrio sem fósforo tem uma cor nitidamente azulada. A pressão no tubo de arco de quartzo sobe para aproximadamente uma atmosfera assim que o bulbo atinge sua temperatura de trabalho. Se a descarga for interrompida (por exemplo, pela interrupção do fornecimento de energia elétrica), não é possível que a lâmpada acenda novamente até que a lâmpada esfrie o suficiente para que a pressão caia consideravelmente. A razão para um período de tempo prolongado antes que a lâmpada acenda novamente é devido à pressão elevada, que leva a uma maior tensão de ruptura do gás interno (tensão necessária para iniciar um arco - lei de Paschen ), que está fora das capacidades do reator.

Considerações de cor

Exemplo de uma lâmpada de 125 W revestida com fósforo

Para corrigir o tom azulado, muitas lâmpadas de vapor de mercúrio são revestidas na parte interna do bulbo externo com um fósforo que converte parte das emissões ultravioleta em luz vermelha. Isso ajuda a preencher a extremidade vermelha do espectro eletromagnético, de outra forma muito deficiente . Essas lâmpadas são geralmente chamadas de lâmpadas de "cor corrigida". A maioria das lâmpadas de vapor de mercúrio modernas tem esse revestimento. Uma das reclamações originais contra as lâmpadas de mercúrio era que elas tendiam a fazer as pessoas parecerem "cadáveres sem sangue" por causa da falta de luz da extremidade vermelha do espectro. Um método comum de corrigir esse problema antes do fósforo ser usado era operar a lâmpada de mercúrio em conjunto com uma lâmpada incandescente . Há também um aumento na cor vermelha (por exemplo, devido à radiação contínua) em lâmpadas de vapor de mercúrio de ultra-alta pressão (geralmente maior que 200 atm.), Que encontrou aplicação em dispositivos compactos de projeção modernos. Quando do lado de fora, as lâmpadas revestidas ou com cor corrigida geralmente podem ser identificadas por um "halo" azul ao redor da luz sendo emitida.

Espectro da linha de emissão

Os picos mais fortes do espectro da linha de emissão são

Espectro de linha de vapor de mercúrio. A tonalidade verde-azulada das lâmpadas de vapor de mercúrio é causada pelas fortes linhas violeta e verde.
Comprimento de onda (nm) Nome (ver fotorresistente ) Cor
184,45 ultravioleta (UVC)
253,7 ultravioleta (UVC)
365,4 I-line ultravioleta (UVA)
404,7 H-line tolet
435,8 Linha G azul
546,1 verde
578,2 amarelo alaranjado
650 vermelho

Em lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão, apenas as linhas em 184 nm e 254 nm estão presentes. A sílica fundida é usada na fabricação para evitar que a luz de 184 nm seja absorvida. Em lâmpadas de vapor de mercúrio de média pressão, as linhas de 200–600 nm estão presentes. As lâmpadas podem ser construídas para emitir principalmente no UV-A (cerca de 400 nm) ou UV-C (cerca de 250 nm). Lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão são comumente usadas para fins de iluminação geral. Eles emitem principalmente no azul e no verde.

Limpeza ultravioleta

As lâmpadas de Hg de baixa pressão podem ser fontes pequenas, mas eficientes de luz ultravioleta profunda.

As lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão geralmente têm um bulbo de quartzo para permitir a transmissão de luz de comprimento de onda curto . Se o quartzo sintético for usado, então a transparência do quartzo é aumentada ainda mais e uma linha de emissão em 185 nm também é observada. Essa lâmpada pode então ser usada para irradiação germicida ultravioleta . A linha de 185 nm criará ozônio em uma atmosfera contendo oxigênio, o que ajuda no processo de limpeza, mas também é prejudicial à saúde.

Considerações sobre poluição luminosa

Para locais onde a poluição luminosa é de primordial importância (por exemplo, um estacionamento de observatório ), o sódio de baixa pressão é o preferido. Como ele emite linhas espectrais estreitas em dois comprimentos de onda muito próximos, é o mais fácil de filtrar. Lâmpadas de vapor de mercúrio sem fósforo são as segundas melhores; eles produzem apenas algumas linhas distintas de mercúrio que precisam ser filtradas.

Bans

Na UE, o uso de lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa eficiência para fins de iluminação foi proibido em 2015. Não afeta o uso de mercúrio em lâmpadas fluorescentes compactas , nem o uso de lâmpadas de mercúrio para outros fins que não a iluminação.

Nos Estados Unidos, os reatores para lâmpadas de vapor de mercúrio para iluminação geral, excluindo reatores de lâmpadas de vapor de mercúrio de aplicações especiais, foram proibidos após 1º de janeiro de 2008. Por causa disso, vários fabricantes começaram a vender fluorescente compacta (CFL) e diodo emissor de luz (LED). ) lâmpadas para luminárias de vapor de mercúrio, que não requerem modificações nas luminárias existentes. O Departamento de Energia dos EUA determinou em 2015 que as regulamentações propostas em 2010 para o tipo de vapor de mercúrio das lâmpadas HID não seriam implementadas, porque não gerariam economias substanciais.

Perigos ultravioleta

Algumas lâmpadas de vapor de mercúrio (incluindo lâmpadas de iodetos metálicos) devem conter um recurso (ou ser instaladas em um dispositivo que contenha um recurso) que evite o escape da radiação ultravioleta . Normalmente, o bulbo externo de vidro borossilicato da lâmpada desempenha esta função, mas deve-se tomar cuidado especial se a lâmpada for instalada em uma situação em que o invólucro externo possa ser danificado. Há casos documentados de lâmpadas danificadas em ginásios por bolas que atingem as lâmpadas, resultando em queimaduras de sol e inflamação dos olhos devido à radiação ultravioleta de ondas curtas. Quando usado em locais como ginásios, o acessório deve conter uma proteção externa forte ou uma lente externa para proteger o bulbo externo da lâmpada. Além disso, lâmpadas especiais de "segurança" são feitas que queimarão deliberadamente se o vidro externo for quebrado. Isso geralmente é conseguido usando uma tira fina de carbono, que queima na presença de ar, para conectar um dos eletrodos.

Mesmo com esses métodos, alguma radiação ultravioleta ainda pode passar pelo bulbo externo da lâmpada. Isso faz com que o processo de envelhecimento de alguns plásticos usados ​​na construção de luminárias seja acelerado, deixando-os significativamente descoloridos após apenas alguns anos de serviço. O policarbonato sofre especialmente com esse problema, e não é incomum ver superfícies de policarbonato razoavelmente novas posicionadas perto da lâmpada ficarem com uma cor amarela opaca depois de um curto período de tempo.

Usos

Iluminação de área e rua

Embora outros tipos de HIDs estejam se tornando mais comuns, as lâmpadas de vapor de mercúrio às vezes ainda são usadas para iluminação de áreas e ruas nos Estados Unidos.

Cura UV

Lâmpadas de vapor de mercúrio são usadas na indústria de impressão para curar tintas. Estes são tipicamente de alta potência para curar e endurecer rapidamente as tintas usadas. Eles são fechados e possuem proteções para evitar a exposição humana, bem como sistemas de exaustão especializados para remover o ozônio gerado.

Espectroscopia molecular

Lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão (e algumas lâmpadas de haleto de metal especialmente projetadas) encontram aplicação em espectroscopia molecular devido ao fornecimento de energia contínua de banda larga útil ("ruído") em comprimentos de onda de milímetro e terahertz, devido à alta temperatura de elétrons do plasma de arco; a principal linha de emissão de UV de mercúrio ionizado (254 nm) se correlaciona com um corpo negro de T = 11.500 K. Esta propriedade os torna entre as poucas fontes simples e baratas disponíveis para gerar tais frequências. Por exemplo, uma lâmpada de mercúrio de iluminação geral padrão de 250 watts produz uma saída significativa de 120 GHz a 6 THz. Além disso, comprimentos de onda mais curtos no infravermelho médio são emitidos do envelope do tubo de arco de quartzo quente. Tal como acontece com a saída ultravioleta, o bulbo externo de vidro é muito opaco nessas frequências e, portanto, para esse propósito, precisa ser removido (ou omitido em lâmpadas feitas para esse fim).

Projeção

Lâmpadas especiais de vapor de mercúrio de ultra alta pressão, chamadas lâmpadas de ultra-alto desempenho, são comumente usadas em projetores de vídeo digital , incluindo projetores DLP , 3LCD e LCoS .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos