Como funcionam as lâmpadas fluorescentes?

 

A Skylux, que possui programa de gestão ambiental, busca minimizar ao máximo os efeitos negativos do processo produtivo e ainda fabrica produtos voltados a eficiência energética, que utilizam sempre menos energia e possuem desempenho superior.
Todos os produtos Skylux são indicados para uso com lâmpadas fluorescentes. Mas será que todos sabem como funcionam essas lâmpadas? Você encontra iluminação fluorescente em todos os lugares: escritórios, lojas, armazéns, esquinas e nas casas das pessoas. Mas mesmo que estejam à nossa volta, estes dispositivos são um mistério para a maioria das pessoas. O que acontece dentro destes tubos brancos?
Neste artigo, 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.

Veja, a seguir, cada detalhe do processo de funcionamento das lâmpadas fluorescentes.

 

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, mas não possuem massa. Estas partículas, chamadas de fótons de luz, são as unidades mais básicas da 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.
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, como veremos a seguir.


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. O circuito elétrico, que examinaremos mais tarde, é ligado a uma alimentação de corrente alternada (CA).

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.
Como vimos na última seção, o comprimento da onda de um fóton é determinado pelo arranjo específico do elétron no átomo. 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 ultravioleta, 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 fosforosos são substâncias que emitem luz quando expostas à ambientes iluminados. Quando um fóton atinge 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, ele libera energia na forma de outro fóton. Este fóton tem menos energia do que o original porque parte dela foi perdida na forma de calor. Em uma lâmpada fluorescente, a luz emitida está no espectro visível, o fósforo emite a luz branca que podemos enxergar. Os fabricantes podem variar a cor da luz usando combinações de fosforosos diferentes.

As lâmpadas incandescentes convencionais também emitem uma boa quantidade de luz ultravioleta, mas elas não convertem nenhuma parte em luz visível. Conseqüentemente, muito da energia usada para iluminar uma lâmpada incandescente é desperdiçada. Uma lâmpada fluorescente coloca esta luz invisível para funcionar, por isso ela é mais eficiente. As lâmpadas incandescentes perdem mais energia através da emissão de calor do que as lâmpadas fluorescentes. Geralmente, uma lâmpada fluorescente comum é de quatro até seis vezes mais eficiente do que uma lâmpada incandescente. As pessoas geralmente usam as lâmpadas incandescentes em casa porque elas emitem uma luz mais "quente", mais vermelha e menos azul.
Como vimos, o sistema de lâmpada fluorescente depende de uma corrente elétrica fluindo através do gás no tubo de vidro. Na próxima seção, veremos do que a lâmpada fluorescente precisa para estabelecer esta corrente.

 

TRABALHANDO COM GÁS


Na seção anterior, vimos que os átomos de mercúrio no tubo de vidro da lâmpada fluorescente são excitados por elétrons que fluem por uma corrente elétrica. Esta corrente elétrica é parecida com a corrente de um fio elétrico comum, mas ela passa por um gás em vez de passar por um elemento sólido. Os condutores gasosos diferem dos condutores sólidos em vários aspectos.
Em um condutor sólido, a corrente elétrica é carregada por elétrons livres pulando de átomo para átomo, de uma área carregada negativamente para uma área carregada positivamente. Como vimos, os elétrons sempre têm uma carga negativa, o que significa que eles sempre são atraídos na direção de uma carga positiva. Em um gás, a carga elétrica é carregada por elétrons livres movendo-se independentemente dos átomos. A corrente também é carregada por íons (átomos que têm uma carga elétrica porque perderam ou ganharam um elétron). Como os elétrons, os íons são atraídos para áreas com cargas opostas às deles.
Para enviar uma corrente através do gás em um tubo, a lâmpada fluorescente precisa ter duas coisas:

1. Elétrons livres e íons.
2. Uma diferença na carga entre as duas extremidades do tubo (uma voltagem).

Geralmente, existem poucos íons e elétrons livres em um gás, porque todos os átomos mantêm uma carga neutra. Conseqüentemente, é difícil de conduzir uma corrente elétrica através da maioria dos gases. Quando você liga uma lâmpada fluorescente, a primeira coisa que ela precisa fazer é introduzir muitos elétrons livres novos dos dois eletrodos.


Las Vegas, cidade amplamente iluminada por neon
 

FONTES DE LUZ


As lâmpadas fluorescentes são uma aplicação de iluminação de um tubo de descarga no gás. A luz negra é essencialmente uma lâmpada fluorescente sem revestimento de fósforo. Ela emite luz ultravioleta que faz os fosforosos de fora da lâmpada emitirem luz visível.
As luzes de neon são lâmpadas de descarga contendo gases, como o neon. Elas liberam luz visível e colorida quando o gás é estimulado por elétrons e íons. A iluminação de rua, em muitos casos, usa um sistema similar com tipos de gases diferentes.

 

LIGANDO UMA LÂMPADA

O projeto clássico de uma lâmpada fluorescente, que está fora de uso hoje em dia, usava um starter especial para iluminar o tubo. Você pode ver como este sistema funciona no diagrama abaixo.

Quando a lâmpada liga, o caminho de menor resistência é através de um circuito secundário e através do starter. Neste circuito, a corrente passa pelos eletrodos nas duas extremidades do tubo. Estes eletrodos são filamentos simples, como aqueles encontrados na lâmpada incandescente. Quando a corrente passa pelo circuito secundário, a eletricidade aquece os filamentos. Isto libera elétrons da superfície do metal e os envia para dentro do tubo de gás, ionizando o gás.
Ao mesmo tempo, a corrente elétrica inicia uma seqüência interessante de eventos no starter. O starter convencional é uma lâmpada de descarga pequena que contém néon ou 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 - 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.

Quando isto acontece, os filamentos já ionizaram o gás no tubo fluorescente, criando assim um meio eletricamente condutivo. 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 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. Na próxima seção, veremos como estes projetos modernos funcionam.

 

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 precisam de starter. Em vez 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. As partículas carregadas que fluem (no gráfico, em laranja) 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. 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. Na próxima seção, descobriremos o porquê disto e veremos como uma lâmpada fluorescente mantém o seu funcionamento sem problemas.

 

ESTABILIDADE DO REATOR

Vimos, na seção anterior, que os gases não conduzem eletricidade da mesma maneira que os sólidos. 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 a 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.


Os reatores Skylux são eletrônicos, mais evoluídos que os magnéticos;
Certificados pelo INMETRO, esses reatores garantem a estabilidade das lâmpadas.


Um reator de lâmpada fluorescente funciona para controlar isto. 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. Quando você envia corrente elétrica por um fio, ele gera um campo magnético. Posicionar o fio em espiras concêntricas amplifica este campo.
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. 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 revertendo, então o reator tem que inibir o aumento da corrente em um sentido em particular por um curto período de tempo.
Os reatores magnéticos modulam a corrente elétrica em uma taxa de ciclo relativamente baixa, que pode causar uma instabilidade perceptível. Os reatores magnéticos podem vibrar em uma freqüência baixa. Esta é a fonte do zunido que as pessoas associam às lâmpadas fluorescentes.
Os projetos dos reatores modernos (como os da Skylux) usam componentes eletrônicos avançados para regular mais precisamente o fluxo da corrente através do circuito elétrico. Como eles usam uma taxa de ciclo mais alta, você não nota a instabilidade ou o zunido do reator eletrônico. Lâmpadas diferentes necessitam de reatores especialmente projetados para manter a voltagem específica e os níveis de corrente necessários para projetos de tubos variados.

RESUMINDO


As lâmpadas fluorescentes estão disponíveis em todos os tamanhos e formas, mas elas funcionam com o mesmo princípio básico: uma corrente elétrica estimula os átomos de mercúrio e faz com que eles liberem fótons ultravioleta. Estes fótons, por sua vez, estimulam o fósforo que emite fótons de luz visível. Em poucas palavras, este é o processo básico de como funcionam as lâmpadas fluorescentes!
E para manter a estabilidade de suas lâmpadas com o que há de mais moderno neste processo, a Skylux produz reatores eletrônicos de diversos tipos, cada um com uma aplicação específica, e todos eles evitam ruídos, possuem ignição instantânea e são certificados pelo INMETRO.



Traduzido e adaptado de artigo da HowStuffWorks

Publicação: 30/07/2010

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