János Sárközi:
La ĉefa direkto de la evoluigo de elektraj lumigiloj ekde la komenco estis la pligrandigo de ties ekonomio. Nome ricevi per la sama elektra potenco laŭeble la plej multan lumon. La efikecon montras la grando de la kvociento: L/W Lumeno/Vato; la lumenefikgrado (luminous efficacy).
Lumeno estas la mezurunuo de la flukso de videbla lumo, la mezurunuo de tiu parto de energio de elektromagneta vibrado, kiun la homa okulo kapablas percepti. La perceptemo de homa okulo dependas de la ondolongo de la observita lumo. Per statistikaj esploradoj oni determinis eksperimente la kurbo-linion, kiu montras, kiamaniere la perceptemo de la homa okulo dependas de la lumondolongo (fig. 1.).
Figuro 1.
La maksimumo de la kurbo situas ĉe 555 nanometra ondolongo, kiu estas verd-flava lumo. Se troviĝus lumigilo, kiu povas radii nur en tiu ondolongo, per unu vato ĝi povus produkti 680 lumenojn. Tiu lumenvaloro estas povuma ekvivalento de la lumo (1 W = 680 L).
Estis evidente, ke ardanta solida korpo povas produkti la plej grandan lumon, kiam la temperaturo de la korpo estas laŭeble la plej granda. Tion formulas la leĝo de Wien: Per la altigo de la temperaturo de ardanta korpo, ties radiad-energio-maksimumo formigras al la direkto de pli mallongaj ondoj (fig. 2.).
| (ondolongo al kiu apartenas |
Figuro 2.
Ardantaj solidaj korpoj elradias la energion ĉefe kiel longondan varmradiadon, nur malgrandan parton de la energio ili enradias kiel videblan lumon. La baro de la temperatur-leviĝo estas la fandopunkto, resp. la forvaporado de la materialo.
La unuaj karbo-filamentaj elektraj lampoj radiis malfortan ruĝ-flavan lumon, kaj ili atingis nur rendimenton nur ĉ. 2 L/W.
Poste anstataŭ karbo-filamentoj oni komencis uzi filamenton el volframo, (ties fandopunkto estas 3400 °C, la plej alta el inter metaloj), poste simplan volfram-spiralon, poste gasplenaĵon en la ampolo, — por malgrandigi la forvaporadon de la filamento — kaj por ekvilibrigi la perdon, kiun kaŭzas la varmkondukado de la gaso, oni komencis uzi duoblan spiralizitan volfram-filamenton. Tiamaniere la rendimento atingis valoron 10 … 13 L/W ĉe normalaj lampoj, kies vivdaŭro estas 1000 horoj. Specialaj lampoj kun mallonga vivdaŭro povis atingi pli ol 15 L/W-ojn.
Kaj la vivdaŭro, la intenso de la lumo kaj la rendimento strikte kunligiĝas kun la temperaturo de la filamento. Se oni levas la temperaturon de certa filamento per la grandigo de la elektra tensio, la lum-intenso kreskas laŭ la 3, 5-a potenco, la vivdaŭro malkreskas laŭ la 13-a potenco de la relativa tensio-ŝanĝo. La kaŭzo: Per la levigo de la temperaturo kreskas la videbla parto de la elradiata energio, sed samtempe forte akceliĝas la forvaporado de la filamento, kion la neŭtrala gasplenaĵo nur iom povas mildigi. Tial la temperaturo de la filamento ne estas plu altigebla, el la konsumata energio la lampo povis transformi en lumon maks. 3-4 %-ojn, la restanta 96-97 % fariĝis ĉefe senutila varmradiado. (La temperaturo de la Sun-surfaco estas 6500 °K. Solida korpo se povus ardi en tiu temperaturo, produktus 14,1 % lumon el la konsumata energio. Tio estas teorie la maksimumo.) Dum jardekoj ŝajnis, ke en tiu direkto la elektra lumigado ne povas pluevolui.
Tamen okazis revolucia ŝanĝo per malkovro de uzeblco de kemiaj kombinaĵoj, kiuj enhavas halogenajn elementojn (jodo, bromo, kloro, fluoro). Tiuj halogenaj kombinaĵoj miksitaj en la neŭtralan gasplenaĵon, malhelpas la rapidan forvaporiĝon de la volframo per la jena kemia procezo:
La volfram-vaporo de la filamento migras al la direkto de malalttemperatura ampolo-parieto. Dumvoje estiĝas kemia reakcio kun la halogena elemento, ekz. fariĝas WJ2 (volframjodido). Tiu kombinaĵo estas tre vaporiĝema, tial ĝi ne povas kondensiĝi sur la parieton. Denove ĝi remigras al la filamento, tie malkomponiĝas, denove estiĝas volframvaporo kaj jodo. Per tiu konstanta cirkula procezo proksime ĉe la filamento forte pligrandiĝas la parta premo de la volframvaporo, kaj tio efike malhelpas la forvaporadon de volframo. Por tiu celo la plej konvena estas la bromo.
Ĉar la volfram-filamento forvaporiĝas nur modere, oni povas levi la temperaturon de la fadeno, do la intenso de la lumo signife pligrandiĝas sen la mallongigo de la vivdaŭro. Tiamaniere oni sukcesis atingi rendimentan valoron pli ol 25 L/W, konservante la 1000 horan vivdaŭron.
Tiu kemia procezo bezonas, ke la ampolo havu altan temperaturon, (ĉ. 500...900 °K), tial la ampolo estas produktata el mallarĝa kvarc-tubo. Nuntempe tiaspecaj lampoj estas uzataj por specialaj celoj; aŭtoreflektoro, filmprojekciado, lumigado de scenejo por fotografado, por kinofilmfarado k. t. p.
Malgraŭ tiuj grandaj rezultoj la rendimento (lumefikgrado) de tiaspecaj lampoj, kie la lumfonto estas ardanta solida korpo, signife jam ne kreskigeblas plu. Per volfram-fadena lampo teorie maks. 50 L/W estus atingebla, sed en la praktoiko la maksimumo estas 30 L/W.
Alia ebleco por lumigiloj estas la uzo de elektraj malŝargiĝoj en gasoj kaj elektraj arkoj. En tiuj fenomenoj la lumon radias ekscititaj gasatomoj. Por lumigiloj unue pruviĝis la plej konvena la vaporo de la hidrogeno. Per tiu oni evoluigis la lumtubon kun malalta gaspremo, poste la hidrargo-vaporan lampon kun alta vapor-premo.
La lumtubo estas vitrotubo, kies du finoj enhavas volframfilamenton, kiu estas kovrita per speciala katodmaterialo. Tiu materialo povas facile emisii elektronojn pro varmefiko. La tubo estas vakuita, poste plenigita per malaltprema argono, kaj per malgranda hidrargo-guto. La ena surfaco de la tubo estas kovrita per fosforeska tavolo.
Figuro 3.
La cirkvito de la lumtubo (kaj de ĉiu ilo en kiu funkcias gasmalŝargiĝo aŭ arko) enhavas ankaŭ memindukan bobenon. (Nur ĉe alterna kurento.) Tiu necesas por bremsi la senbridan kreskiĝon de la kurento. Enŝaltante la tubon, speciala ŝaltilo fermas la cirkviton inter la du fadenoj, ili komencas ardi kaj emisii elektronojn. Poste la sama ŝaltilo malfermas la cirkviton, pro la ĉeso de la kurento, la bobeno produktas induktan tensio-impulson, kiu ekirigas la malŝargiĝon en la tubo. Dum la funkciado rapidaj elektronoj kunpuŝiĝas al neŭtraj gasatomoj, al vaporatomoj de hidrargo, faras el ili jonojn aŭ ekscitas ilin. La ekscititaj hidrarg-atomoj elradias ĉefe nevideblan ultraviolan radiadon (96 % 253,7 nm ondolonga radiado). Tiu ultraviola radiado ekscitas la fosforeskan tavolon, tial ĝi emisias videblan radiadon. La koloro de tiu radiado dependas de la materialo de la fosforeska tavolo. Iu ajn koloro estas estigebla per konvena elekto de la komponantoj de la fosforeska tavolo. Por ĝenerala lumigado oni uzas diversajn nuancojn de la blanka koloro.
Per lumtuboj oni povas atingi 60-70 L/W lumefikgradojn, do per la sama elektra povumo la lumtubo produktas ĉ. kvaroblan lumon ol la fadena lampo. Nur ekzistas problemo: La fadenaj lampoj, kiel ĉiu ardanta korpo emisias kontinuan spektron, vidigas la prilumigitajn objektojn preskaŭ en la natura koloro. Male, la lumtubo ne emisias kontinuan spektron, troviĝas kelkaj intensivaj strioj, kaj dume nigraj intervaloj.
Ĉiu materialo povas radii spektron, kiu estas signifa je ĝi. Per ĝusta miksaĵo de komponantoj estas atingeble, ke la lumo mem de la tubo ŝajna blanka, tamen la prilumitaj objektoj brilas en falsa koloro. La kaŭzo estas, ke ĉiu korpo povas reflekti nur tiujn lumradiojn, kies koloro estas sama kiel tiu de la prilumita korpo. Ekz. oni povas fari lumtubon blanke radiantan per la miksaĵo de du fosforeskaj materialoj el kiuj unu radias flavan lumon, alia radias bluan lumon. Koloraj objektoj prilumigitaj per tiu lumo ŝajnas tute nigraj, se ili ne havas flavan aŭ bluan koloron. Aliaj koloroj restas nevideblaj, ĉar nur flava kaj blua lumo povas reflektigi.
La ĉefa tasko en la evoluigo de tiaspecaj lumigiloj estis plibonigi la kapablon por la kolorfidela prilumado de koloraj objektoj. Por tio estis necesa plenigi la videblan spektron de la lumigilo per densaj samfortaj spektrostrioj aŭ per kontinuaj partoj. La problemo iom estas solvebla per uzo de specialaj materialoj miksitaj en la fosforeskan materialon. (Ekz. magnezium-arsenato.)
Alia ebleco en la evoluigo estis la uzo de granda gas- aŭ metalvaporpremo en en la spaco de la elektra arko. Se la elektra arko okazas en granda premo, la spektrolinioj plidikiĝas, kaj estiĝas kontinuaj partoj en la spektro. To plibonigas la kolor-redonkapablon de lumigiloj.
Unua ano de la familio de tiaspecaj lampoj estis la granda vaporprema hidrarga lampo. La ĉefa parto de tiu lampo estas maldika diafana kvarcvitra tubo. En la du finoj troviĝas volfram-elektrodoj kovritaj per specialaj katodmaterialoj. Apud la elektrodoj troviĝas maldikaj drat-pecoj, help-elektrodoj, kiuj ebligas la ekfunkciadon de la lampo. La kvarctubo estas vakuita, kaj poste plenigita per malaltprema argono kaj per guto de hidrargo. Poste la kvarctubo estas muntita en hermetkan ampolon, kiu estas plenigita per argono. La ena surfaco de la ampolo estas kovrita per fosforeska tavolo.
Figuro 4.
Jen la funkciado: Post la enŝalto komenciĝas gasmalŝargo en la malaltprema gaso inter la elektrodo kaj la apuda helpelektrodo. La estiĝintaj elektronoj kaj jonoj ebligas la malŝargiĝon inter la du ĉefelektrodoj. Pro la varmefiko de la maŝagiĝo la hidrargo forvaporiĝas, la vaporpremo altiĝas je 5-15 baran (5-15 atm., 0,5-1,5 MPa) premon. La premo dependas de la temperaturo de la tubo, kiu havas 4-500 °C temperaturon. En tiu altprema vaporo funkcias elektra arko, kiu forte radias kaj en la videbla parto de la spektro kaj en ultraviola tereno. La videbla lumo estas iom bluriĉa, malvarma, tial la ultraviolan parton de la radiado la fosforeska tavolo transformas en ruĝkoloran radiadon, tiel la rezultanta lumo estas blanka, kaj ĝi ebligas sufiĉe bonan kolor-redonkapablon. La lumefikgrado estas 43 … 48 L/W.
Por anstataŭi la memindukan bobenon kaj plibonigi la kolor-redonkapablon estis evoluigita la miksluma lampo, kie la kvarctubo de altprema hidrargovapora lampo estas konstruita kun volframfilamenta lampo en komunan ampolon. La fadeno funkcias kiel vica rezistanco, barante la kurenton, samtempe ĝi ankaŭ lumas kaj ĝia ruĝoriĉa lumo kaj la bluriĉa lumo de la arko komune donas agrablan blankan lumon, kaj certigas bonan kolor-redonkapablon. La rezultata lumefikgrado estas 20-30 L/W. La ĉefa avantaĝo estas, ke ili estas senpere uzeblaj anstataŭ volfram-fadenaj lampoj ankaŭ en loĝejoj.
La metalhalogenaj lampoj estas pluevoluigitaj altpremaj hidrargovaporaj lampoj. Krom hidrargo ili enhavas ankaŭ aldonaĵojn, NaJ, TlJ, InJ3, Disprozio-jodidojn. En la spektro de la arko ili havas densajn striojn kaj kontinuajn partojn en la tuta videbla tereno, ilia lumo estas simila al tiu de la Suno, tial ili ebligas tre bonan kolor-redonkapablon, kaj 80-90 L/W lumfikgradojn. En tiuj lampoj anstataŭ puraj metaloj oni devas uzi metaljodidojn tial, ĉar la metalvaporoj korodas la kvarc-tubon. La metaljodidoj en la arko malkomponiĝas je vaporo de metalo kaj jodo, sed en la proksimeco de la parieto de la tubo ili povas ekzisti nur en jodida formo, kiu ne korodas la kvarcon. La temperaturo de la kvarc-tubo devas esti 800-900 °C.
Por specialaj celoj estis evoluigitaj kseongas-arkaj lampoj, kun mallonga kaj kun longa elektra arko. En la mallongarka lampo la gaspremo estas 8-10 baroj (8-10 atm., 0,8-1,0 MPa) en malvarma stato. Dum uzado pro la varmiĝo tiu premo triobliĝas. Pro la granda premo kaj temperaturo de la arko (7000 °C) la lampo radias kontinuan spektron kies lumo estas simila al tiu de Suno. La distanco inter la volfram-elektrodoj estas nur 2-5 mm, tial la lumo estas tre koncentrita, punkto-simila. Oni uzas ilin ĉefe por kinofilm-projekciado.
La distanco inter la elektrodoj en la long-arka lampo estas 1-1,5 m. Ankaŭ tiu radias sunlumsimilan lumon. El inter elektraj lampoj ili havas la plej grandan povumon. Ĝi povas esti 1-75 KW. Ties grandega lumo estas konvena por prilumigado de grandaj placoj, grandaj laborterenoj.
Troviĝas terenoj, kie ne estas bezonata la kolorfidela prilumigado. Ekz. lumigado de aŭtoŝoseoj, placoj. Por tiuj celoj oni produktas natrio-vaporajn lampojn. La malaltprema natrio-lampo estas relative longa tubo, el speciala vitro. Ĝi enhavas natrio-gutojn kaj malaltpreman argonon aŭ ksenonon por ebligi la starton de la malŝargiĝo. La lumo de la malŝargiĝo estas flava, ĝia ondolongo estas proksime al la maksimumo de la perceptemo de la okulo, tial la lumefikgrado estas pli ol 100 L/W. (Teorie la lumefikgrado de tiu lampo povas esti 515 L/W, ĉar la maksimumo de la perceptemo de okulo estas ĉe 555 nm ondolongo (100 %), kaj la rezonanca spektro de Na troviĝas ĉe 589 nm, kie la okula perceptemo estas 77 %.
Ankaŭ la natro-vaporo lampo estas pluevoluigita por plibonigo de la kolor-redonkapablo. Tio estas la grandvaporprema natrio lampo. Pro la korodiveco de la alttemperatura, altprema natrio-vaporo, la elektra arko povas funkcii nur en diafana aluminio-oksida tubo (Lucalox tubo). Tiu lampo krom la flava spektrostrio radias ankaŭ kontinuan spektron, tial la lumo fariĝas agrable orflav-blanka. La lumefikgrado estas 120 L/W.
Dum la pasintaj 100 jaroj la evoluo de elektraj lumigiloj estis grandega. Pluevoluo estas ankoraŭ atendebla ĉe gasmalŝargiĝaj kaj elektraj arkaj lampoj. Estas konsiderinde, ke krom la alta lumefikgrado ili havas pli ol 10 000 horajn vivdaŭron.
Fine estas inde kompari la lumefikgradojn de diversaj lampoj:
| Normala volfram-filamenta lampo: | 10...13 L/W |
| Volframfilamenta lampo kun halogena plenigaĵo | 20...25 L/W |
| Ksenongas-arka lampo | 25...35 L/W |
| Grandprema hidrargo-vaporo lampo | 50 L/W |
| Lumtubo | 70 L/W |
| Metalvapor-miksaĵa lampo | 90 L/W |
| Natrio-vapor-lampo | 110...120 L/W |
Literaturo
Fonto: Konferenca kajero de AEST '81, Apliko de Esperanto en Scienco kaj Tekniko, Žilina
Enretigo: Hegedüs Imre kaj Szilvási László
Scienca kaj Teknika Esperanto-Biblioteko, STEB: http://www.eventoj.hu/steb/