Lampada a scarica
La lampada a scarica è un tipo di lampadina basata sull'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un plasma di gas ionizzato. La ionizzazione del gas è ottenuta per mezzo di una scarica elettrica (da cui il nome) attraverso il gas stesso.
È costituita da una ampolla o un tubo di vetro o quarzo contenente il gas e almeno due elettrodi tra cui avviene la scarica. Possono essere presenti elettrodi supplementari per l'innesco. Solitamente le lampade a bassa pressione sono a forma di tubo diritto o curvato ad U, mentre le lampade ad alta pressione sono costituite da una piccola ampolla di quarzo (adatto a resistere a temperature più elevate). La lampada può essere contenuta in un involucro in vetro con la fuzione di schermare i raggi ultravioletti, ospitare eventuali elementi accessori e proteggere il tubo.
L'emissione luminosa è monocromatica o limitata alle righe di emissione spettrale del gas contenuto, se questo è a bassa pressione. Il gas può anche essere il vapore di un elemento solido o liquido, per esempio mercurio o sodio. In questo caso però la lampada non è subito efficiente, poiché è necessario che il materiale evapori o sublimi per effetto del calore prodotto dalla scarica nel gas accessorio. Possono essere necessari diversi minuti perché la lampada inizi a produrre una luce accettabile, e in molti casi questo è un grave limite.
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Alimentazione ed accensione
La caratteristica tensione/corrente di una lampada a scarica presentano una soglia a tensione costante in corrispondenza di una intensità di corrente caratteristica dipendente dal gas, dalla temperatura e dalle condizioni di funzionamento. Ne consegue che l'alimentazione deve avvenire in corrente costante. Per ottenere questo si pongono in serie al tubo degli induttori o meno frequentemente dei condensatori.
La tensione di rete nono è sufficiente per innescare la scarica. È necessario provvedere con opportuni circuiti a provocare una prima ionizzazione del gas. Questo può essere ottenuto provocando un momentaneo aumento della tensione di alimentazione per mezzo di trasformatori, oppure applicando un impulso di alta tensione (migliaia di volt) ad un elettrodo posto sulla superficie esterna del tubo. Il campo elettrico generato è sufficiente ad avviare la ionizzazione. In altri tubi è presente un elettrodo di innesco a brevissima distanza da uno dei due elettrodi ordinari. Questo elettrodo viene brevemente alimentato con la normale tensione di rete, sufficiente per innescare un piccolo arco. Il riscaldamento e l'emissione di ioni e radiazioni provoca l'innesco del restante gas.
Un modo ulteriore per accendere la lampada è di sottoporla ad un campo elettromagnetico ad alta frequenza, da decine di kilohertz a molti megahertz. Esistono lampade ad induzione, in cui non si hanno connessioni elettriche tra interno ed esterno del tubo ed il gas è ionizzato da una radiazione elettromagnetica indotta dall'esterno. Se si avvicina una lampada fluorescente all'antenna di un potente trasmettitore radio si può osservare una emissione di luce.
Una volta innescata la scarica, questa si propaga a valanga a tutto il gas, il quale si mantiene ionizzato indefinitamente. In condizioni di regime la tensione ai capi del tubo si mantiene a valori più bassi della tensione di rete, e non è più necessario l'intervento dei circuiti accenditori.
Tipi più comuni
Il fenomeno dell'emissione di luce da parte di una scarica elettrica è stato studiato a partire dalla seconda metà del XIX secolo da scienziati quali Charles Wheatstone e Jean Foucault. La scarica era ottenuta accostando due elementi metallici o barrette di grafite in aria atmosferica. Questo tipo di lampada è stata usata per diverso tempo prima dell'invenzione della lampadina ad incandescenza ed anche successivamente dove erano richiesti flussi luminosi elevati. Gli svantaggi principali di questa tecnica sono: il rapido consumo degli elettrodi, la necessità di regolarne continuamente la distanza (sia per l'innesco che per l'usura), l'instabilità della luce prodotta e l'eccessiva intensità di questa per usi comuni. I primi problemi erano in parte risolti con l'utilizzo di meccanismi ad orologeria che avvicinavano progressivamente gli elettrodi.
Successivi studio e perfezionamenti crearono una varietà di lampade in cui la scarica avviene attraverso un gas a pressione inferiore a quella atmosferica. Le principali attualmente in uso sono:
Sodio a bassa pressione
L'emissione è in luce monocromatica gialla alla lunghezza d'onda caratteristica di emissione del sodio, di 589 nanometri. È usata nell'illuminazione stradale in incroci soggetti a nebbia. A causa dell'emissione monocromatica in una lunghezza d'onda ottimale per l'occhio umano, presenta una efficienza luminosa molto elevata.
Sodio ad alta pressione (SAP)
Aumentando la pressione, il vapore di sodio si allontana dallo stato di gas ideale e il suo spettro di emissione si allarga rispetto alla riga spettrale monocromatica tipica. La luce prodotta da queste lampade è di colore bianco tendente al giallo, con rendimento luminoso elevato ed elevata durata di vita (oltre 15000 ore). Particolari accorgimenti costruttivi fanno fronte all'aggressività chimica del sodio.
Vapore di mercurio a bassa pressione
Emettono prevalentemente nello spettro ultravioletto. La luce emessa è ionizzante e dannosa per esposizione diretta. Vengono usate per sterilizzare ambienti ed oggetti. Se l'interno del tubo viene rivestito con materiale fluorescente in grado di assorbire l'energia ultravioletta e riemettere nello spettro visibile, si ottiene la lampada fluorescente.
Vapore di mercurio ad alta pressione
Con l'aumento della pressione l'emissione si sposta in luce bianca-azzurra, rendendo la lampada utilizzabile per l'illuminazione.
Vapori di alogenuri metallici
Sono lampade al mercurio con l'aggiunta di sali di diversi alogeni. Aggiungendo diverse righe spettrali al mercurio migliorano lo spettro luminoso. Sono molto utilizzate nell'illuminazione pubblica di strade, parchi, stadi, esterni di edifici.
A luce miscelata
Si tratta di lampade al mercurio ad alta pressione in cui il reattore di alimentazione è sostituito da un filamento collocato assieme alla lampada in un tubo secondario. Durante il funzionamento, il filamento diventa incandescente ed emette luce come in una lampada ad incandescenza, che miscelata con quella prodotta dal mercurio offre una tonalità più naturale. Per contro si ha un notevole abbassamento del rendimento energetico.