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COMO FUNCIONAM AS LÂMPADAS FLUORESCENTES
1.0 Introdução Você encontra iluminação fluorescente em todos os lugares: escritórios, lojas, armazéns, esquinas e nas residências das pessoas. Mas mesmo que estejam à nossa volta, estes dispositivos é um mistério para a maioria das pessoas. O que acontece dentro destes tubos brancos?
Descobriremos como as lâmpadas fluorescentes emitem esta luz brilhante sem esquentarem como uma lâmpada comum. Também descobriremos porque as lâmpadas fluorescentes são mais eficientes que a iluminação incandescente e como esta tecnologia é usada em outros tipos de lâmpadas.
1.1 Que haja luz Para entender as lâmpadas fluorescentes, é importante saber um pouco sobre a luz. Luz é uma forma de energia que pode ser liberada por um átomo. Ela é composta de milhares de pequenos pacotes parecidos com partículas que possuem energia e força (momento), mas não possuem massa. Estas partículas, chamadas de fótons de luz, são as unidades mais básicas da luz.
1.2 Como funciona a luz. Os átomos liberam os fótons de luz quando seus elétrons são excitados. os elétrons são partículas carregadas negativamente que se movem em volta do núcleo do átomo (que tem carga positiva). Os elétrons de um átomo possuem diferentes quantidades de energia, dependendo de vários fatores, incluindo a velocidade e a distância do núcleo. Os elétrons de diferentes níveis de energia ocupam orbitais diferentes. De maneira geral, os elétrons com maior nível de energia se movem em orbitais mais distantes do núcleo.
Quando um átomo ganha ou perde energia, a mudança reflete-se no movimento dos elétrons. Quando alguma coisa como o calor, por exemplo, passa energia para o átomo, um elétron pode ser temporariamente impulsionado para uma órbita mais alta, ou seja, mais distante do núcleo. O elétron fica nesta posição por uma pequena fração de segundo e, quase que imediatamente, é atraído pelo núcleo, para a sua órbita original. Como ele retorna para a sua órbita original, o elétron libera a energia extra na forma de um fóton, em alguns casos um fóton de luz.
1.3 O COMPRIMENTO DE ONDA DA LUZ
O comprimento de onda da luz emitida depende da quantidade de energia liberada, que depende de uma posição particular do elétron. Conseqüentemente, diferentes tipos de
átomos irão liberar diferentes tipos de fótons de luz. Em outras palavras, a cor de uma luz é determinada pelo tipo de átomo excitado. Este é o mecanismo básico de quase todas as fontes de luz. A principal diferença entre estas fontes é o processo de excitação dos átomos. Em uma fonte de luz incandescente, como uma lâmpada elétrica comum ou uma lâmpada a gás (um lampião), os átomos são excitados pelo calor; em um bastão de luz, os átomos são excitados por uma reação química. As lâmpadas fluorescentes têm um dos sistemas mais elaborados para excitar os átomos.
1.4 O interior dos tubos O elemento principal de uma lâmpada fluorescente é o tubo selado de vidro. Este tubo contém uma pequena porção de mercúrio e um gás inerte, tipicamente o argônio, mantidos sob pressão muito baixa. O tubo também contém um revestimento de pó de fósforo na parte interna do vidro e dois eletrodos, um em cada extremidade, conectados a um circuito elétrico que é ligado a uma alimentação de corrente alternada (CA). 2
Quando você acende a lâmpada, a corrente flui pelo circuito elétrico até os eletrodos. Existe uma voltagem considerável através dos eletrodos, então os elétrons migram através do gás de uma extremidade para a outra. Esta energia modifica parte do mercúrio dentro do tubo de líquido para gás. Como os elétrons e os átomos carregados se movem dentro do tubo, alguns deles irão colidir com os átomos dos gases de mercúrio. Estas colisões excitam os átomos, jogando-os para níveis de energia mais altos. Quando os elétrons retornam para seus níveis de energia originais, eles liberam fótons de luz. Os elétrons nos átomos de mercúrio estão dispostos de tal maneira que liberam fótons de luz na faixa de comprimento de onda da ultravioleta. Nossos olhos não registram os fótons ultravioletas, então este tipo de luz precisa ser convertida em luz visível para iluminar a lâmpada. É aqui que o revestimento de pó de fósforo do tubo entra em ação. Os fósforos são substâncias que emitem luz quando expostas à luz. Quando um fóton atinge com um átomo de fósforo, um dos elétrons do fósforo pula para um nível mais alto de energia e o átomo se aquece. Quando o elétron volta para o seu nível normal de energia, ele libera energia na forma de outro fóton. Este fóton tem menos energia do que o original porque parte desta energia foi perdida na forma de calor. Em uma lâmpada fluorescente, a luz emitida está no espectro visível, o fósforo emite luz branca que podemos enxergar. Os fabricantes podem variar a cor da luz usando combinações de fósforos diferentes.
Fontes de luz
algum outro gás. A lâmpada de descarga tem dois eletrodos posicionados um ao lado do outro. Quando a eletricidade é inicialmente passada através do circuito secundário, um arco elétrico (em inglês) - essencialmente um fluxo de partículas carregadas - pula entre estes eletrodos para fazer uma conexão. Este arco ilumina a lâmpada de descarga da mesma maneira que um arco maior ilumina uma lâmpada fluorescente.
Um dos eletrodos é uma tira bimetálica que se entorta quando é aquecida. A pequena quantidade de calor da lâmpada de descarga acesa entorta a tira bimetálica, então ela faz contato com o outro eletrodo. Com os dois eletrodos se tocando, a corrente não precisa pular mais como um arco. Conseqüentemente, não vão existir partículas carregadas fluindo através do gás e a luz se apaga. Sem o calor da luz, a tira bimetálica esfria se afastando do outro eletrodo. Isto abre o circuito.
Dentro do invólucro do starter da lâmpada fluorescente convencional existe uma pequena lâmpada de descarga no gás
Quando isto acontece, os filamentos já ionizaram o gás no tubo fluorescente, criando assim um meio eletricamente condutivo. 5 O tubo só precisa de uma variação de voltagem através dos eletrodos para estabelecer um arco elétrico. Esta variação é fornecida pelo reator da lâmpada, que é um tipo de transformador especial conectado ao circuito. Quando a corrente flui pelo circuito secundário, ela cria um campo magnético em parte do reator. Este campo magnético é mantido pelo fluxo da corrente. Quando o starter é aberto, a corrente é brevemente cortada do reator. O campo magnético cai, o que cria um salto repentino na corrente, assim o reator libera a sua energia acumulada.
O reator, o starter e a lâmpada fluorescente são conectados a um circuito simples.
Este aumento repentino de corrente ajuda a criar a voltagem inicial necessária para estabelecer o arco elétrico através do gás. Ao invés de fluir pelo circuito secundário e pular através do intervalo no starter, a corrente elétrica flui pelo tubo. Os elétrons livres colidem com os átomos, liberando outros elétrons que criam íons. O resultado é um plasma, um gás composto principalmente de íons e elétrons livres, todos se movendo livremente. Isto cria um caminho para uma corrente elétrica. O impacto dos elétrons voando mantém os dois filamentos quentes que continuam a emitir novos elétrons para dentro do plasma. Enquanto houver corrente CA e os filamentos não estiverem desgastados, a corrente irá continuar a fluir através do tubo. O problema com este tipo de lâmpada é que leva alguns segundos para iluminar. Hoje em dia, a maioria das lâmpadas fluorescentes é projetada para acender quase instantaneamente.
1.7 Luz imediata Hoje, o modelo mais popular de lâmpada fluorescente é a lâmpada de partida rápida. Este modelo funciona com os mesmos princípios básicos da lâmpada tradicional, mas não tem starter. Ao invés disso, o reator da lâmpada canaliza corrente constantemente através dos dois eletrodos. Este fluxo de corrente é configurado para que exista uma diferença de carga entre os dois eletrodos, estabelecendo uma voltagem através do tubo.
Quando a lâmpada fluorescente é ligada, os filamentos dos dois eletrodos aquecem rapidamente e liberam os elétrons que ionizam o gás no tubo. Uma vez que o gás está ionizado, a diferença de voltagem entre os eletrodos estabelece um arco elétrico. 6 As partículas carregadas que fluem (em vermelho) excitam os átomos de mercúrio (em prateado), provocando o processo de iluminação.
As lâmpadas fluorescentes com starter e partida rápida têm dois pinos que se encaixam em dois pontos de contato no circuito elétrico Um método alternativo, usado em lâmpadas fluorescentes de acendimento instantâneo, é a aplicação de uma voltagem inicial muito alta nos eletrodos. Esta voltagem alta cria uma descarga de coroa (em inglês). Um excesso de elétrons na superfície do eletrodo força alguns elétrons para dentro do gás. Estes elétrons livres ionizam o gás e, quase instantaneamente, a diferença de voltagem entre os eletrodos estabelece um arco elétrico. Não importa como o mecanismo de ignição é configurado, o resultado final é o mesmo: um fluxo de corrente elétrica através de um gás ionizado. Este tipo de descarga elétrica através de um meio gasoso tem uma qualidade peculiar e problemática: se a corrente não for cuidadosamente controlada, ela irá aumentar continuamente e possivelmente explodirá o tubo.
1.8 Estabilidade do reator Uma diferença importante entre os sólidos e os gases é a resistência elétrica (oposto de fluxo da eletricidade). Em um condutor metálico sólido como um fio, a resistência é constante em qualquer temperatura, controlada pelo tamanho do condutor e pela natureza do material. Em uma descarga de corrente elétrica através de um meio gasoso, como nas lâmpadas fluorescentes, a corrente causa à diminuição da resistência. Isto porque como mais elétrons e íons fluem através de uma área em particular, eles se chocam com mais átomos que liberam elétrons e criam mais partículas carregadas. Desta maneira, a corrente aumenta sozinha em uma descarga elétrica através do gás, contanto que exista voltagem adequada (e a voltagem, em aplicações domésticas, é alta). Se a corrente de uma lâmpada fluorescente não for controlada, ela pode explodir os vários componentes elétricos. Um reator de lâmpada fluorescente funciona para controlar. O tipo mais simples de reator, geralmente conhecido como reator magnético, funciona mais ou menos como um indutor. Um indutor básico consiste de uma bobina de fios em um circuito que podem ser enrolados em um pedaço de metal... Envia corrente elétrica por um fio, ele gera um campo magnético. Posicionar o fio em espiras concêntricas amplifica este campo. 7 Este tipo de campo afeta não somente os objetos ao redor da espira, mas também a própria espira. Aumentando a corrente do circuito, aumenta-se o campo magnético que aplica uma voltagem oposta ao fluxo de corrente do fio.
1.9 Resumindo Um pedaço enrolado de fio em um circuito (um indutor) opõe alteração no fluxo da corrente através dele. Os elementos transformadores de um reator magnético usam este princípio para regular a corrente de uma lâmpada fluorescente. Um reator pode reduzir as mudanças na corrente, mas não pode pará-las. A corrente alternada que fornece energia a uma lâmpada fluorescente está constantemente se
