Hogyan működnek a fénycsövek

Napjainkban mindenhol fénycsöveket látunk – irodákban, üzletekben, raktárakban, utcasarkokon… Még az emberek otthonában is találunk fénycsöveket. De annak ellenére, hogy mindenhol ott vannak körülöttünk, ezek a készülékek a legtöbb ember számára teljes rejtélyek. Mi is történik azokban a fehér csövekben?

Ebben a cikkben kiderítjük, hogyan tudnak a fénycsövek ilyen fényes ragyogást kibocsátani anélkül, hogy perzselően forróvá válnának, mint egy közönséges izzó. Azt is megtudjuk, miért hatékonyabbak a fénycsövek az izzólámpáknál, és megnézzük, hogyan használják ezt a technológiát másfajta lámpákban.

A fénycsövek megértéséhez segít egy kicsit magáról a fényről tudni. A fény az atom által kibocsátott energia egy formája. Sok kis részecske-szerű csomagból áll, amelyek energiával és lendülettel rendelkeznek, de tömegük nincs. Ezek a részecskék, az úgynevezett fényfotonok, a fény legalapvetőbb egységei. (További információkért lásd: Hogyan működik a fény?)

Legyen fény

Az atomok fényfotonokat bocsátanak ki, amikor elektronjaik gerjesztett állapotba kerülnek. Ha olvastad a Hogyan működnek az atomok, akkor tudod, hogy az elektronok negatív töltésű részecskék, amelyek az atommag körül mozognak (amelynek nettó töltése pozitív). Az atom elektronjainak különböző energiaszintjei vannak, több tényezőtől függően, beleértve a sebességüket és az atommagtól való távolságukat. A különböző energiaszintű elektronok különböző pályákat foglalnak el. Általánosságban elmondható, hogy a nagyobb energiájú elektronok az atommagtól távolabbi pályákon mozognak.

Amikor egy atom energiát nyer vagy veszít, a változás az elektronok mozgásában fejeződik ki. Amikor valami energiát ad át egy atomnak – például hő -, egy elektron átmenetileg magasabb (az atommagtól távolabb lévő) pályára kerülhet. Az elektron csak a másodperc töredékéig tartja ezt a pozíciót; szinte azonnal visszahúzódik az atommag felé, az eredeti pályájára. Miközben visszatér eredeti pályájára, az elektron a többletenergiát foton, bizonyos esetekben fényfoton formájában szabadítja fel.

A kibocsátott fény hullámhossza attól függ, hogy mennyi energia szabadul fel, ami az elektron adott helyzetétől függ. Következésképpen a különböző típusú atomok különböző típusú fényfotonokat bocsátanak ki. Más szóval, a fény színét az határozza meg, hogy milyen atomot gerjesztettek.

Ez az alapvető mechanizmus működik szinte minden fényforrásban. A fő különbség e források között az atomok gerjesztésének folyamatában van. Egy izzó fényforrásban, mint például egy közönséges izzó vagy gázlámpa, az atomokat hővel gerjesztik; egy fényrúdban az atomokat kémiai reakció gerjeszti. A fluoreszkáló lámpák rendelkeznek az atomok gerjesztésére szolgáló egyik legkidolgozottabb rendszerrel, amint azt a következő részben látni fogjuk.

Le a csövekbe

A fénycső központi eleme egy lezárt üvegcső. A cső tartalmaz egy kis higanyt és egy inert gázt, általában argont, amelyet nagyon alacsony nyomáson tartanak. A cső foszforport is tartalmaz, amelyet az üveg belseje mentén vonnak be. A cső két elektródával rendelkezik, egy-egy elektróda mindkét végén, amelyek egy elektromos áramkörhöz vannak csatlakoztatva. Az elektromos áramkör, amelyet később megvizsgálunk, egy váltakozó áramú (AC) tápegységre van csatlakoztatva.

Amikor a lámpát bekapcsoljuk, az áram az elektromos áramkörön keresztül az elektródákhoz áramlik. Az elektródákon jelentős feszültség van, így az elektronok a gázon keresztül vándorolnak a cső egyik végéből a másikba. Ez az energia a csőben lévő higany egy részét folyadékból gázzá változtatja. Ahogy az elektronok és a töltött atomok a csőben mozognak, néhányuk összeütközik a gáznemű higanyatomokkal. Ezek az ütközések gerjesztik az atomokat, és az elektronokat magasabb energiaszintre emelik. Amikor az elektronok visszatérnek eredeti energiaszintjükre, fényfotonokat bocsátanak ki.

Amint azt az előző részben láttuk, a foton hullámhosszát az atomban lévő elektronok adott elrendeződése határozza meg. A higanyatomok elektronjai úgy vannak elrendezve, hogy többnyire az ultraibolya hullámhossztartományban bocsátanak ki fényfotonokat. A szemünk nem érzékeli az ultraibolya fotonokat, ezért ezt a fajta fényt látható fénnyé kell alakítani a lámpa megvilágításához.

Itt jön a képbe a cső foszforporos bevonata. A foszforok olyan anyagok, amelyek fényt bocsátanak ki, amikor fénynek vannak kitéve. Amikor egy foton egy foszforatomot ér, a foszfor egyik elektronja magasabb energiaszintre ugrik, és az atom felmelegszik. Amikor az elektron visszaesik a normál szintre, újabb foton formájában energiát szabadít fel. Ennek a fotonnak kisebb az energiája, mint az eredeti fotonnak, mivel egy kis energia hő formájában elveszett. A fénycsövekben a kibocsátott fény a látható spektrumban van – a foszfor fehér fényt bocsát ki, amelyet láthatunk. A gyártók a fény színét a foszforok különböző kombinációival változtathatják.

A hagyományos izzólámpák is kibocsátanak egy jó kis ultraibolya fényt, de ebből semmit sem alakítanak át látható fénnyé. Következésképpen az izzólámpa működtetéséhez felhasznált energia nagy része kárba vész. A fénycső ezt a láthatatlan fényt hasznosítja, és így hatékonyabb. Az izzólámpák több energiát veszítenek a hőkibocsátás révén, mint a fénycsövek. Összességében egy tipikus fénycső négyszer-hatszor hatékonyabb, mint egy izzólámpa. Az emberek azonban általában izzólámpákat használnak otthon, mivel ezek „melegebb” fényt bocsátanak ki – több vörös és kevesebb kék fényt.

Amint láttuk, a fénycső teljes rendszere az üvegcsőben lévő gázon keresztül áramló elektromos áramtól függ. A következő részben megnézzük, hogy a fénycsőnek mit kell tennie ahhoz, hogy ez az áram létrejöjjön.

Főzés gázzal

Az előző szakaszban láttuk, hogy a fénycső üvegcsövében lévő higanyatomokat a fénycső üvegcsövében áramló elektronok gerjesztik. Ez az elektromos áram olyasmi, mint a közönséges vezetékben folyó áram, de szilárd anyag helyett gázon halad át. A gázvezetők több szempontból is különböznek a szilárd vezetőktől.

A szilárd vezetőkben az elektromos töltést az atomról atomra, negatív töltésű területről pozitív töltésű területre ugráló szabad elektronok szállítják. Mint láttuk, az elektronok mindig negatív töltéssel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy mindig pozitív töltések felé húzódnak. Gázban az elektromos töltést az atomoktól függetlenül mozgó szabad elektronok hordozzák. Az áramot ionok is hordozzák, olyan atomok, amelyek elektromos töltéssel rendelkeznek, mert elvesztettek vagy nyertek egy elektront. Az elektronokhoz hasonlóan az ionok is ellentétes töltésű területek felé húzódnak.

Ahhoz tehát, hogy a fénycsőben lévő gázon keresztül áramot tudjunk küldeni, a fénycsőnek két dologgal kell rendelkeznie:

• Szabad elektronok és ionok.
• A cső két vége közötti töltéskülönbség (feszültség).

Általában kevés ion és szabad elektron van egy gázban, mivel az összes atom természetes módon semleges töltést tart fenn. Következésképpen a legtöbb gázon keresztül nehéz elektromos áramot vezetni. Amikor bekapcsolunk egy fénycsövet, először is sok új szabad elektront kell bevezetni mindkét elektródáról.

Ennek többféle módja is van, amint azt a következő néhány szakaszban látni fogjuk.

Indítás

A klasszikus, mára már többnyire háttérbe szorult fénycső kialakítás egy speciális indítókapcsoló mechanizmust használt a cső felgyújtásához. Az alábbi ábrán látható, hogyan működik ez a rendszer.

Amikor a lámpa először bekapcsol, a legkisebb ellenállás útja a megkerülő áramkörön és az indítókapcsolón keresztül vezet. Ebben az áramkörben az áram a cső mindkét végén lévő elektródákon halad át. Ezek az elektródák egyszerű izzószálak, mint amilyeneket egy izzólámpában találunk. Amikor az áram átfolyik a megkerülő áramkörön, az elektromosság felmelegíti az izzószálakat. Ezáltal elektronok forrnak le a fémfelületről, amelyek a gázcsőbe jutnak, és ionizálják a gázt.

Ugyanakkor az elektromos áram érdekes eseménysorozatot indít el az indítókapcsolóban. A hagyományos indítókapcsoló egy kis kis kisülési izzó, amely neont vagy más gázt tartalmaz. Az izzó két elektródája közvetlenül egymás mellett helyezkedik el. Amikor az áram először áthalad a megkerülő áramkörön, egy elektromos ív (lényegében töltött részecskék áramlása) ugrik át ezen elektródák között, hogy kapcsolatot létesítsen. Ez az ív ugyanúgy világítja meg az izzót, mint ahogy egy nagyobb ív világítja meg a fénycsövet.

Az egyik elektróda egy bimetál szalag, amely melegítés hatására meghajlik. A meggyújtott izzó kis hőmennyisége meghajlítja a bimetálcsíkot, így az érintkezésbe kerül a másik elektródával. Mivel a két elektróda összeér, az áramnak már nem kell ívként ugrania. Következésképpen nem áramlanak töltött részecskék a gázban, és a fény kialszik. A fény hője nélkül a bimetálcsík lehűl, és elhajlik a másik elektródától. Ez megnyitja az áramkört.

Mire ez megtörténik, az izzószálak már ionizálták a fénycsőben lévő gázt, és elektromosan vezető közeget hoztak létre. A csőnek már csak egy feszültségrúgásra van szüksége az elektródákon, hogy elektromos ív jöjjön létre. Ezt a feszültséget a lámpa előtétje, egy speciális transzformátor biztosítja, amely az áramkörbe van bekötve.

Amikor az áram átfolyik a megkerülő áramkörön, mágneses mezőt hoz létre az előtét egy részében. Ezt a mágneses mezőt a folyó áram tartja fenn. Az indítókapcsoló kinyitásakor az áram rövid időre megszűnik az előtétből. A mágneses mező összeomlik, ami hirtelen áramugrást okoz – a ballaszt felszabadítja a tárolt energiát.

Ez az áramlökés segít kialakítani a gázon keresztül az elektromos ív létrehozásához szükséges kezdeti feszültséget. Ahelyett, hogy a megkerülő áramkörön keresztül áramlana és átugrana az indítókapcsoló résén, az elektromos áram a csövön keresztül folyik. A szabad elektronok összeütköznek az atomokkal, és más elektronokat ütnek ki, ami ionokat hoz létre. Az eredmény egy plazma, egy olyan gáz, amely nagyrészt ionokból és szabad elektronokból áll, és mind szabadon mozog. Ez utat teremt az elektromos áram számára.

A repülő elektronok becsapódása melegen tartja a két izzószálat, így azok továbbra is új elektronokat bocsátanak ki a plazmába. Amíg van váltakozó áram, és az izzószálak nem kopnak el, addig az áram továbbra is folyik a csőben.

Az ilyen lámpákkal az a probléma, hogy néhány másodpercbe telik, mire kigyulladnak. Manapság a legtöbb fénycsövet úgy tervezték, hogy szinte azonnal felgyulladjon. A következő részben megnézzük, hogyan működnek ezek a modern konstrukciók.

Azonnali világítás

Napjainkban a legnépszerűbb fénycső kialakítás a gyorsindítású lámpa. Ez a kialakítás ugyanazon az alapelven működik, mint a hagyományos indítólámpa, de nincs indítókapcsolója. Ehelyett a lámpa előtétje folyamatosan áramot vezet mindkét elektródán keresztül. Ez az áramáramlás úgy van beállítva, hogy a két elektróda között töltéskülönbség alakuljon ki, és így a csövön feszültség alakuljon ki.

Amikor a fénycsövet bekapcsolják, mindkét elektróda izzószála nagyon gyorsan felmelegszik, elektronokat forralva ki, amelyek ionizálják a csőben lévő gázt. Amint a gáz ionizálódott, az elektródák közötti feszültségkülönbség elektromos ív keletkezik. Az áramló töltött részecskék (piros) gerjesztik a higanyatomokat (ezüst), és elindítják a világítási folyamatot.

Egy alternatív módszer, amelyet az azonnali indítású fénycsövekben használnak, az elektródákra nagyon magas kezdeti feszültséget kapcsolnak. Ez a magas feszültség koronakisülést hoz létre. Lényegében az elektródák felületén lévő elektronfelesleg néhány elektront a gázba kényszerít. Ezek a szabad elektronok ionizálják a gázt, és az elektródák közötti feszültségkülönbség szinte azonnal elektromos ívet hoz létre.

Nem számít, hogyan van kialakítva az indítómechanizmus, a végeredmény ugyanaz: elektromos áram áram folyik az ionizált gázon keresztül. Ez a fajta gázkisülés sajátos és problematikus tulajdonsággal rendelkezik: Ha az áramot nem szabályozzák gondosan, folyamatosan növekszik, és esetleg felrobbantja a lámpatestet. A következő részben kiderítjük, hogy miért van ez így, és megnézzük, hogy a fénycső hogyan tartja zavartalanul a dolgokat.

Ballaszt egyensúlya

Az előző szakaszban láttuk, hogy a gázok nem vezetik ugyanúgy az elektromosságot, mint a szilárd anyagok. A szilárd anyagok és a gázok közötti egyik fő különbség az elektromos ellenállásuk (az áramló elektromossággal szembeni ellenállás). Egy szilárd fémvezetőben, például egy vezetékben, az ellenállás adott hőmérsékleten állandó, amit a vezető mérete és az anyag jellege szabályoz.

Gázkisülésben, például fénycsőben az áram hatására az ellenállás csökken. Ennek oka, hogy mivel több elektron és ion áramlik át egy adott területen, több atomba ütközik, ami elektronokat szabadít fel, és így több töltött részecske keletkezik. Ily módon az áram magától emelkedik a gázkisülésben, amíg megfelelő feszültség van (és a háztartási váltakozó áram sok feszültséggel rendelkezik). Ha a fénycsőben lévő áramot nem szabályozzák, akkor a különböző elektromos alkatrészek kirobbanhatnak.

A fénycső előtétje ennek szabályozására szolgál. A legegyszerűbb előtét, amelyet általában mágneses előtétnek neveznek, úgy működik, mint egy induktor. Az alapvető induktor egy huzalból álló tekercsből áll egy áramkörben, amely egy fémdarab köré tekerhető. Ha olvastad a Hogyan működnek az elektromágnesek, akkor tudod, hogy amikor elektromos áramot küldesz egy vezetéken keresztül, az mágneses mezőt hoz létre. A huzal koncentrikus hurkokban való elhelyezése felerősíti ezt a mezőt.

Ez a fajta mező nemcsak a hurok körüli tárgyakra, hanem magára a hurokra is hatással van. A hurokban folyó áram növelése növeli a mágneses mezőt, amely a huzalban folyó árammal ellentétes feszültséget alkalmaz. Röviden, egy tekercselt huzalhossz egy áramkörben (induktor) ellenáll a rajta átfolyó áram változásának (a részletekért lásd: Hogyan működnek az induktorok). A mágneses előtétben lévő transzformátorelemek ezt az elvet használják a fénycső áramának szabályozására.

Az előtét csak lassítani tudja az áram változását — megállítani nem tudja. A fénycsövet tápláló váltakozó áram azonban folyamatosan megfordul, így az előtétnek csak rövid ideig kell meggátolnia az áram növekedését egy adott irányban. Ezen a webhelyen további információkat talál erről a folyamatról.

A mágneses előtétek viszonylag alacsony ciklusszámmal modulálják az elektromos áramot, ami észrevehető villogást okozhat. A mágneses előtétek alacsony frekvencián rezeghetnek is. Ez a forrása annak a hallható zümmögő hangnak, amelyet az emberek a fénycsövekhez társítanak.

A modern előtétek fejlett elektronikát használnak az elektromos áramkörön átfolyó áram pontosabb szabályozására. Mivel ezek magasabb ciklusszámot használnak, általában nem észlelhető az elektronikus előtétből származó villogás vagy zümmögés. A különböző lámpák speciális előtéteket igényelnek, amelyeket úgy terveztek, hogy fenntartsák a különböző csőkialakításokhoz szükséges speciális feszültség- és áramszinteket.

A fénycsövek mindenféle formában és méretben léteznek, de mind ugyanazon az alapelven működnek: Elektromos áram stimulálja a higanyatomokat, amelyek ennek hatására ultraibolya fotonokat bocsátanak ki. Ezek a fotonok pedig egy foszfort stimulálnak, amely látható fényű fotonokat bocsát ki. A legalapvetőbb szinten ennyi az egész!

Ha többet szeretne megtudni erről a figyelemre méltó technológiáról, beleértve a különböző lámpakialakítások leírását, nézze meg az alábbi linkeket.