Rodzaje źródeł światła
Lampa łukowa
Typ lamp, w których źródłem światła jest łuk elektryczny, który polega na przepływie prądu między dwiema elektrodami rozdzielonymi gazem pod ciśnieniem atmosferycznym lub zbliżonym. Gazem w lampie jest powietrze, a w lampach z bańką szklaną neon, argon, ksenon, pary sodu lub rtęci. W wyniku przepływu prądu przez gaz, głównie w wyniku silnego rozgrzania gazu, powstaje światło. Światło łuku elektrycznego demonstrował na początku XIX (1802, 1805, 1807 i 1809) Humphry Davy. Używając dwóch węglowych pręcików zasilanych z baterii składającej się z 2000 ogniw uzyskiwał łuk o długości do 10 cm.
Pierwsze lampy o zastosowaniu komercyjnym wytwarzano po 1850 roku, ale brak wydajnych źródeł prądu uniemożliwiał ich zastosowanie, dlatego inżynierowie skupili się na udoskonalaniu wynalezionej przez Michała Faradaya prądnicy jednobiegunowej.
Jedną z pierwszych udanych konstrukcji lampy, która odniosła komercyjny sukces była skonstruowana w 1876 lampa Pawła Jabłoczkowa.
W lampie łukowej wysoka temperatura łuku powoduje spalanie się elektrod, co utrudnia uzyskiwanie stabilnego światła. W celu stabilizacji łuku stosowano urządzenia zbliżające do siebie elektrody, lecz były one mało skuteczne i łuki często gasły.
Lampy łukowe były stosowane powszechnie przed wynalezieniem żarówki. Obecnie stosuje się jeszcze w specjalnych zastosowaniach ksenonowe lampy łukowe z wolframowymi elektrodami w zastosowaniach gdzie wymagana jest bardzo duża luminancja np. projektorach IMAX. Rtęciowe i ksenonowe lampy łukowe wykorzystywane są też powszechnie jako źródło światła (z UV włącznie) w mikroskopie fluorescencyjnym. Ideę wytwarzania światła w wyniku przepływu prądu elektrycznego w gazach wykorzystano w lampach wyładowczych, w których komora łukowa zamknięta jest w szczelnej bańce wypełnionej mieszaniną gazów. Braktlenu w procesie żarzenia się łuku zabezpiecza elektrody przed utlenianiem się, znacznie mniejsze ciśnienie gazu zwiększa długość łuku i przeciwdziała zużyciu elektrod.
Bańka zewnętrznaBarierę ograniczającą wydostawanie się szkodliwego światła ultrafioletowego na zewnątrz lampy stanowi jej bańka zewnętrzna, wykonana ze szkła o silnej absorpcji ultrafioletu, a ponadto pokryta od wewnątrz luminoforem. Luminofor przekształca znaczną część promieniowania ultrafioletowego na światło widzialne, leżące głównie w obszarze czerwieni. Luminofor pozwala zatem na poprawienie widma emitowanego światła (w stosunku do naturalnego światła słonecznego, widmo emisyjne łuku rtęciowego jest ubogie w czerwień). Ponadto, luminofor poprawia sprawność lampy i dodatkowo ogranicza emisję ultrafioletu (szkło bańki zewnętrznej pochłania tylko pewną część szkodliwego promieniowania).
Niebezpieczeństwo po uszkodzeniu bańki zewnętrznej - W większości wysokoprężnych lamp rtęciowych jarznik może nadal pracować po stłuczeniu zewnętrznej bańki, emitując duże ilości szkodliwego promieniowania ultrafioletowego. Emisja ultrafioletu z nieosłoniętego jarznika przy mocy lampy sięgającej 1000 W może powodować u osób znajdujących się w promieniu kilku metrów od lampy oparzenia skóry po kilku minutach ekspozycji, zaś obserwacja światła emitowanego przez jarznik, już po kilkunastu sekundach powoduje ryzyko uszkodzenia wzroku (tym bardziej niebezpieczne, że ból oczu pojawia się dopiero po kilku godzinach od naświetlenia). Ultrafiolet emitowany przez jarznik jest niebezpieczny nie tylko dla ludzi i zwierząt - powoduje on również przyspieszone niszczenie tworzyw sztucznych, m.in. poliwęglanów. Z uwagi na powyższe ryzyko, lampy takie powinny być instalowane w kloszach stanowiących dodatkowe zabezpieczenie przed ultrafioletem (oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi). Produkowane są również lampy częściowo zabezpieczone przed skutkami pęknięcia bańki, ulegające samozniszczeniu po kilkunastu minutach pracy z pękniętą bańką. Zabezpieczenie jest realizowane poprzez podłączenie jednej z elektrod przez dodatkowy, szeregowy rezystor węglowy o niewielkiej rezystancji (nie należy go mylić z rezystorem zapłonowym, obecnym na powyższym rysunku). Po uszkodzeniu bańki, gdy do jej wnętrza dostaje się powietrze, węgiel z rozgrzanego rezystora ulega przepaleniu, uniemożliwiając dalszą pracę jarznika. Lampy rtęciowe ustępują skutecznością świetlną lampom sodowym, metalohalogenkowym, a także nowoczesnym świetlówkom liniowym, dlatego coraz rzadziej spotyka się nowe instalacje z ich wykorzystaniem. Wcześniej były szeroko stosowane w oświetleniu zewnętrznym, hal przemysłowych oraz magazynów. Występuje w nich zjawisko stroboskopowe, podobnie jak w świetlówkach. Produkuje się lampy rtęciowe o mocach od 50 W do 2000 W. Lampy zwykłe mają sprawność od 36-61 lm/W, a rtęciowo-żarowe 10-26,5 lm/W.
Wysokociśnieniowa lampa rtęciowa
Rodzaj lampy wyładowczej, w której światło powstaje dzięki wyładowaniu elektrycznemu w parach rtęci. W odróżnieniu od niskoprężnych lamp rtęciowych zwanych potocznie świetlówkami, w których następuje wyładowanie jarzeniowe, w wysokociśnieniowych lampach rtęciowych zachodzi wyładowanie łukowe. Lampa tego rodzaju była wynalazkiem amerykańskiego inżyniera Petera Hewitta.
Właściwym źródłem promieniowania jest umieszczony wewnątrz lampy jarznik. Jest to zamknięta rurka ze szkła kwarcowego z wyprowadzonymi na zewnątrz dwiemaelektrodami głównymi i jedną lub dwiema elektrodami pomocniczymi, zawierająca argon oraz rtęć. W temperaturze pokojowej prawie cała rtęć tworzy osadzone na ścianach jarznika krople. Pod wpływem napięcia ok. 180 woltów pomiędzy jedną z elektrod głównych a elektrodą pomocniczą (podłączoną szeregowo z rezystorem zapłonowym), następuje wyładowanie jarzeniowe (nazywane również wyładowaniem tlącym) w argonie. Wyładowanie to powoduje rozgrzanie gazu i odparowywanie znajdującej się w jarzniku rtęci. Wraz ze wzrostem temperatury następuje zmiana wyładowania z jarzeniowego na łukowe, charakteryzujące się niższym napięciem i znacznie wyższym prądem; wyładowanie to odbywa się pomiędzy elektrodami głównymi i jest źródłem światła zawierającego linie widmowe rtęci o dużym poszerzeniu ciśnieniowym. Część tych linii leży w obszarze ultrafioletu - emisja takiego światła na zewnątrz lampy prowadziłaby do niebezpiecznych poparzeń osób, uszkodzeń wzroku oraz przyspieszonego niszczenia oświetlonych przedmiotów z tworzyw sztucznych.
Niebezpieczeństwo po uszkodzeniu bańki zewnętrznej
W większości wysokoprężnych lamp rtęciowych jarznik może nadal pracować po stłuczeniu zewnętrznej bańki, emitując duże ilości szkodliwego promieniowania ultrafioletowego. Emisja ultrafioletu z nieosłoniętego jarznika przy mocy lampy sięgającej 1000 W może powodować u osób znajdujących się w promieniu kilku metrów od lampy oparzenia skóry po kilku minutach ekspozycji, zaś obserwacja światła emitowanego przez jarznik, już po kilkunastu sekundach powoduje ryzyko uszkodzenia wzroku (tym bardziej niebezpieczne, że ból oczu pojawia się dopiero po kilku godzinach od naświetlenia). Ultrafiolet emitowany przez jarznik jest niebezpieczny nie tylko dla ludzi i zwierząt - powoduje on również przyspieszone niszczenie tworzyw sztucznych, m.in. poliwęglanów. Z uwagi na powyższe ryzyko, lampy takie powinny być instalowane w kloszach stanowiących dodatkowe zabezpieczenie przed ultrafioletem (oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi). Produkowane są również lampy częściowo zabezpieczone przed skutkami pęknięcia bańki, ulegające samozniszczeniu po kilkunastu minutach pracy z pękniętą bańką. Zabezpieczenie jest realizowane poprzez podłączenie jednej z elektrod przez dodatkowy, szeregowy rezystor węglowy o niewielkiej rezystancji (nie należy go mylić z rezystorem zapłonowym, obecnym na powyższym rysunku). Po uszkodzeniu bańki, gdy do jej wnętrza dostaje się powietrze, węgiel z rozgrzanego rezystora ulega przepaleniu, uniemożliwiając dalszą pracę jarznika. Lampy rtęciowe ustępują skutecznością świetlną lampom sodowym, metalohalogenkowym, a także nowoczesnym świetlówkom liniowym, dlatego coraz rzadziej spotyka się nowe instalacje z ich wykorzystaniem. Wcześniej były szeroko stosowane w oświetleniu zewnętrznym, hal przemysłowych oraz magazynów. Występuje w nich zjawisko stroboskopowe, podobnie jak w świetlówkach. Produkuje się lampy rtęciowe o mocach od 50 W do 2000 W. Lampy zwykłe mają sprawność od 36-61 lm/W, a rtęciowo-żarowe 10-26,5 lm/W.
Ksenonowa lampa łukowa
lampa łukowa, w której światło powstaje dzięki wyładowaniu elektrycznemu w szklanej bańce wypełnionej ksenonem pod zwiększonym ciśnieniem. Charakteryzuje się białym światłem zbliżonym do światła słonecznego i wysokim wskaźnikiem oddawania barw. Ksenonowe lampy łukowe mają silnie zróżnicowaną moc, od 75 W do 15 kW. Stosowane są w projektorach filmowych[1]. Ksenonowa lampa łukowa to bańka szklana z zatopionymi elektrodami wolframowymi, wypełniona ksenonem. Ciśnienie gazu w stanie spoczynku to 5–15 atm, natomiast podczas pracy wzrasta do kilkudziesięciu atmosfer. Zapłon następuje poprzez podanie impulsu wysokiego napięcia (ok. 30 kV), który jonizuje gaz i powoduje powstanie łuku pomiędzy elektrodami, po czym napięcie jest obniżane do wartości roboczej wynoszącej zwykle 20–30 V (wielkości skrajne to 15–60 V). Lampy są zasilane prądem stałym o natężeniu do 200 A.