Appunti Fisica tecnica ambientale

LAMPADE AD INCANDESCENZA

Il filamento metallico, avvolto di solito a spirale, è posto

all’interno di un’ampolla di vetro nella quale è praticato il

vuoto oppure è immesso un gas inerte (azoto, argon) e/o

un alogeno (iodio, bromo). Applicando agli estremi del

filamento una differenza di potenziale, si genera un campo

elettrico e si ha un passaggio di corrente attraverso il

filamento, che dà luogo ad un incremento di temperatura

del filamento stesso; esso si comporta come un corpo nero

ad alta temperatura ed emette energia raggiante secondo

uno spettro di emissione continuo, una porzione del quale

nel campo del visibile. La temperatura massima alla quale

il filamento, di solito in tungsteno, può arrivare è dell’ordine

di 2000 – 3000 K.

→ LAMPADE AD INCANDESCENZA GLS

Le lampade a incandescenza GLS possono avere l’ampolla riempita con un gas inerte

(azoto o argon) oppure in essa può essere praticato il vuoto (generalmente per potenze

inferiori a 25 W). Il gas inerte esercita una pressione sul filamento, ostacolando il

passaggio in fase vapore del metallo. Per effetto delle loro ridotte dimensioni, le lampade

GLS possono costituire una fonte di abbagliamento: per ovviare a questo inconveniente,

possono utilizzarsi apparecchi schermati o diffondenti; in alternativa, si può rendere

scabra la superficie interna dell'ampolla, trattandola con acidi, oppure il vetro può essere

opacizzato con una miscela di silice e biossido di titanio, oppure specchiato o colorato.

La vita media delle lampade GLS è breve, dell'ordine delle 1000 ore. L'efficienza luminosa

è funzione della potenza di alimentazione, comunque non supera i 20 lumen/W. I vantaggi

di queste lampade sono l'elevato indice di resa cromatica, pari a 100, l'economicità, la

facilità di installazione e sostituzione, la molteplicità di fogge e potenze di alimentazione

disponibili sul mercato.

→ LAMPADE AD INCANDESCENZA REFLECTOR

Sono lampade ad incandescenza in cui parte dell'ampolla è trattata con una finitura a

specchio, che indirizza il flusso luminoso, assolvendo in parte alle funzioni

dell'apparecchio illuminante.

Nelle lampade Reflector con vetro pressato, la parte posteriore del bulbo ha la forma di un

paraboloide. Intervenendo sull'elemento frontale (o lente) si può variare l'ampiezza

dell'angolo di apertura del fascio luminoso. Sono disponibili lampade con un angolo di

apertura compreso tra 10° (spot) e 30° (wide-flood). La lente può essere trasparente o

colorata.

Nelle lampade Reflector con vetro soffiato la riflessione

può essere effettuata in due modalità:

- dalla parte posteriore del bulbo, grazie ad una forma pseudo parabolica e alla

presenza di un sottile strato argentato, mentre la parte anteriore del bulbo (satinata

od opacizzata) favorisce la diffusione del flusso luminoso;

- dalla parte emisferica anteriore del bulbo, mentre quella posteriore è trasparente o

satinata.

→ LAMPADE AD INCANDESCENZA ALOGENE

Le lampade ad alogeni sono caratterizzate dalla presenza nel bulbo, oltre che del gas

inerte, di un alogeno (iodio o bromo) per dar luogo al ciclo rigenerativo del

tungsteno. Le particelle di tungsteno, provenienti dal filamento interno, si combinano con

gli elementi alogeni presenti nel bulbo dando origine agli alogenuri di tungsteno, gas

trasparenti che non aderiscono alle pareti interne della sorgente, grazie a dei moti

convettivi che tendono a far tornare questi gas nella regione prossima al filamento. Poiché

gli alogenuri di tungsteno sono composti stabili entro un dato intervallo di temperature,

spegnendo la lampada avviene la dissociazione. Il tungsteno ritorna libero depositandosi

nuovamente sul filamento e lasciando liberi gli elementi alogeni pronti a riprendere il ciclo

ad ogni accensione. Il primo alogeno ad essere utilizzato è stato lo iodio; attualmente si

usa spesso un composto del bromo.

Vantaggi:

- aumento della efficienza specifica (compresa tra 20 e 25 lm/W, a seconda della

potenza di alimentazione)

- Maggiore durata (2000 – 6000 h) della lampada, in quanto sulla parete interna del

bulbo non si formano depositi opachi di tungsteno.

Le lampade alogene possono essere suddivise in due categorie:

1. a tensione di rete (230 V);

2. a bassissima tensione di rete (12 V).

Le lampade alogene alimentate a 230 V più utilizzate sono le tubolari; l’attacco permette

di utilizzarle in sostituzione delle normali lampadine a incandescenza. Le lampade

alogene a bassissima tensione hanno dimensioni più contenute rispetto a quelle a 230 V

e potenze modeste, che le rendono adatte a locali di piccole e medie dimensioni. Tutte le

lampade a bassissima tensione di rete, per funzionare, necessitano di un trasformatore.

Lampade dicroiche: l’emissione nell'infrarosso è invece limitata rivestendo le lampade

lineari con un film multistrato dicroico ad assorbimento selettivo che, pur essendo

lievemente iridescente, lascia passare la radiazione visibile, mentre rinvia al filamento

buona parte di quella infrarossa. LAMPADE A SCARICA

Una lampada a scarica in gas è costituita da un tubo di vetro o quarzo ermeticamente

chiuso; in corrispondenza delle estremità, sono posizionati due elettrodi, l'anodo

(positivo) e il catodo (negativo). Il tubo contiene un gas oppure una piccola quantità di

metallo che vaporizza quando fra gli elettrodi si innesca il passaggio di corrente, che in un

gas prende il nome di scarica.

Applicando agli estremi degli elettrodi una differenza di potenziale, gli elettroni liberi

presenti nel gas non si muovono più caoticamente, ma migrano verso l'anodo instaurando

una corrente elettrica. Durante il loro movimento, gli elettroni urtano gli atomi del gas,

cedendogli una parte dell'energia cinetica che possiedono, la cui entità dipende dalla

velocità alla quale avviene l'urto. A bassa velocità l'elettrone devia dalla sua traiettoria,

mentre l'atomo si riscalda. Ad alta velocità l'atomo diventa eccitato: l'energia che ha

ricevuto viene utilizzata dagli elettroni più esterni per passare su orbitali a cui competono

livelli energetici più elevati.

Quando l'urto avviene ad altissima velocità, l'elettrone più esterno abbandona l'atomo, che

si trasforma in uno ione. Questo si può legare ad un elettrone libero, emettendo luce,

oppure può urtare contro la parete del bulbo, producendo calore. Sotto l'azione del

campo elettrico interno al bulbo, gli elettroni strappati agli atomi si comportano come

elettroni liberi.

Applicando una tensione opportuna, detta tensione d'innesco, la velocità degli elettroni è

tale da dar luogo a urti ad altissima velocità. Il fenomeno della ionizzazione del gas si

accresce rapidamente (valanga elettronica), con gli ioni che si spostano verso il catodo,

mentre gli elettroni, molto più velocemente, migrano verso l'anodo.

Nonostante la diminuzione della tensione applicata agli elettrodi, la ionizzazione si

accrescerebbe all'infinito, facendo diminuire la resistenza elettrica della colonna di gas

frapposta tra i due elettrodi, fino a portare alla distruzione della lampada. Per rendere

possibile il funzionamento della lampada a scarica va quindi inserito in serie un reattore o

alimentatore che limita la corrente che circola nel circuito.

Gli atomi, potendo subire diversi stati di eccitazione, emettono radiazioni aventi diversa

lunghezza d'onda. Vi sono radiazioni che ricadono direttamente nel campo del visibile,

altre nell'infrarosso e nell'ultravioletto.

Per aumentare l'efficienza specifica della lampada, la

parete interna del tubo è rivestita con polveri

fluorescenti, che sono eccitate dalla radiazione

ultravioletta incidente e, quando ritornano allo stato di

equilibrio iniziale, emettono energia luminosa.

SPETTRI DI EMISSIONE DELLE LAMPADE A SCARICA

Le sorgenti luminose gassose, operanti a bassa pressione, emettono in genere radiazioni

secondo uno spettro a righe; talvolta emettono anche secondo uno spettro continuo, a cui

competono però emissioni specifiche minori.

Il numero delle linee spettrali dipende dalla natura del gas, mentre l'emissione

specifica e l'ampiezza dell'intervallo di lunghezze d'onda è funzione della pressione

e dalla temperatura del gas.

A bassa pressione le linee sono più strette e l'emissione specifica della sorgente risulta

minore; al crescere della pressione aumenta non solo l'emissione specifica, ma anche

l'ampiezza delle righe, fino a che si sovrappongono e compare uno spettro continuo.

LAMPADE A SCARICA IN GAS TRADIZIONALI:

→ LAMPADE AL SODIO A BASSA PRESSIONE

Nelle lampade al sodio a bassa pressione la scarica avviene in un tubo di vetro

ripiegato ad U, ai cui estremi sono posti i due elettrodi. Inizialmente la scarica viene

innescata in un gas ausiliario (neon o argon). Quando viene raggiunta la temperatura di

200°C, il sodio evapora e la scarica passa dal gas ausiliario al vapore emittente. La

superficie interna del secondo tubo è rivestita di uno strato di ossido di indio che lascia

passare il 91% delle radiazioni luminose e riflette

verso il tubo interno il 90% delle radiazioni

infrarosse.

L'elevata efficienza delle lampade al sodio a

bassa pressione (100-200 lm/W) è dovuta al

fatto che l'emissione avviene quasi

esclusivamente in corrispondenza dell'intervallo

di lunghezze d'onda 589589.6 nm, in prossimità

quindi del massimo della sensibilità dell'occhio

umano. La luce prodotta ha un colore giallo-verde.

Vengono attualmente costruite nell'unica forma tubolare, con potenze che variano dai 18

ai 180 W. La resa cromatica Ra è circa 0.

→ LAMPADE AL MERCURIO A BASSA PRESSIONE

In queste lampade, comunemente chiamate

fluorescenti, la scarica avviene in un tubo, ripiegato o

lineare, contenente vapori di mercurio a bassa

pressione e ai cui estremi sono posti gli elettrodi. La

superficie interna del tubo è rivestita con polveri

fluorescenti che assorbono la radiazione ultravioletta e

la riemettono in parte nel visibile. Perciò l'indice di

resa cromatica dipende dalla composizione delle

polveri del rivestimento, e comunque varia tra 85 e

100.

Le lampade fluorescenti possono essere distinte in:

- lineari → sono costituite da un tubo rettilineo o forgiato ad U o a cerchio e sono

prodotte con polveri fluorescenti diverse per ottenere varie temperature e rese del

colore. L'efficienza luminosa varia tra 53 e 94 lm/W, in funzione della potenza e

dell'indice di resa cromatica. La vita media di queste lampade è compresa tra

12.000 e 15.000 ore, per cicli di accensione di 8 ore;

- compatte → il tubo è ripiegato su se stesso due o più volte e presenta diametri

ridotti (10-15 mm), allo scopo di miniaturizzare la sorgente e renderla utilizzabile in

tutti gli apparecchi predisposti per lampade ad incandescenza. L'efficienza del

sistema lampada-reattore è di circa 50 lm/W nel caso di reattore ferromagnetico e

di 60 lm/W per un reattore elettronico. Rispetto alle migliori lampade ad

incandescenza alogene, presentano un'efficienza specifica doppia, una vita di

6000 ore (contro le 2000 ore delle alogene) e un indice di resa cromatica

leggermente più basso.

→ LAMPADE AL SODIO AD ALTA PRESSIONE

Nelle lampade al sodio ad alta pressione la scarica è innescata fra due

elettrodi posti alle estremità di un tubo contenente una lega di sodio e

mercurio e un gas ausiliario, xenon o argon. Il tubo è generalmente

realizzato in allumina sinterizzata, un materiale ceramico che coniuga

un’elevata resistenza all'attacco dei vapori di sodio ad alta temperatura

con una buona trasparenza alla radiazione visibile.

La distribuzione spettrale della radiazione luminosa emessa dipende dalla pressione dei

vapori di sodio; l'incremento della pressione consente una distribuzione spettrale della

luce più continua: l'indice di resa cromatica cresce (da 30 a 80), ma l'efficienza

specifica diminuisce (da 65 – 125 lumen/W a 30 – 40 lumen/W). La vita media di

questa tipologia di lampade varia da 5000 a 12000 h.

→ LAMPADE AL MERCURIO AD ALTA PRESSIONE

Nelle lampade al mercurio ad alta

pressione i due elettrodi sono posti alle

estremità di un tubo in quarzo;

inizialmente la scarica elettrica si

instaura nel gas ausiliario (argon), per

poi passare al vapore di mercurio. Il tubo

di scarica è posto all'interno di un

bulbo tubolare privo di aria, che limita

le dispersioni di calore per

convezione verso l'ambiente e assicura una protezione elettrica delle parti in tensione

della lampada. A causa della sua elevata pressione (100 kPa – 2.5 MPa), il vapore di

mercurio emette direttamente nel campo del visibile, con due bande principali centrate nel

blu-azzurro e nel giallo-verde, che conferiscono alla luce un colore bianco-azzurro.

Difettando del rosso, l'indice di resa cromatica è molto basso.

Sono disponibili lampade che, utilizzando differenti polveri, emettono anche in

corrispondenza del rosso.

Tali caratteristiche di colore risultano accettabili nelle applicazioni in esterni, dove però la

scarsa efficienza luminosa (compresa tra 30 e 55 lm/W) rappresenta un punto debole; per

questa ragione, nonostante la durata elevata (12000 h) ed il basso costo, negli impianti di

nuova concezione sono state soppiantate da tipologie più efficienti, come le lampade a

vapori agli alogenuri o a vapori di sodio ad alta pressione. La gamma spazia da tagli di

piccola potenza, nell’illuminazione residenziale (50 – 80 W), a tagli per l’illuminazione

stradale o industriale (da 125 a 1000 W).

→ LAMPADE AD ALOGENURI

Nel tubo di scarica in quarzo delle

lampade ad alogenuri, oltre al mercurio e

all'argon, si immettono ioduri di sodio,

tallio e indio. Quando la lampada

raggiunge le condizioni di regime, gli

ioduri non sono completamente

vaporizzati, ma nella zona centrale

dell'arco le molecole cominciano a

dissociarsi in alogeni e metalli che,

eccitati dalla scarica, emettono radiazioni distribuite nel campo del visibile e vanno

a coprire buona parte delle lacune dello