Fényforrások. a petróleumlámpától a kompakt fénycsövekig. Riedel Miklós április 14.

Átírás

1 ELTE Kémiai Intézet Alkímia ma Fényforrások a petróleumlámpától a kompakt fénycsövekig Riedel Miklós április 14. 1

2 De La Tour: Magdolna a füstölő lánggal 1640 körül 2

3 Csontvári Kosztka Tivadar Jajcei villanyerőmű éjjel, 1903 Villanyvilágított fák Jajcéban, 1903 Bortnyik Sándor Lámpagyújtó

4 Elektromágneses sugárzás, fény Ultraibolya Látható tartomány Hősugárzás 4

5 Folytonos spektrum 555 nm Feketetest-sugárzás A szem érzékenysége a napfényhez igazodott napfény gyertya, petróleumlámpa, gázlámpa ívlámpa izzólámpa 5

6 Gyertya, mécses, fáklya, izzó testek Feketetest-sugárzás A láng fényét a felizzó koromszemcsék adják Régebben a lámpák fényerősségét gyertyafényben adták meg Hasonló elven működik petróleumlámpa karbidlámpa 6 10 gyertya fénye 6

7 600 ºC hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódnak A láng szélén a hőmérséklet 1600 ºC is lehet A zónák jól látszanak oxigén éghető anyag 7

8 Gázvilágítás 1801 Párizs 1802 Anglia William Murdoch Világító gáz nyílt láng ég csövön vezetve fénykibocsátás hasonló a gyertyához A gáz előállítása szén, fa száraz lepárlása később földgáz 8

9 Gázvilágítás Hatásfok javítása Gázharisnya (intenzív fehér fény) % MgO, 20% La2O3 and 20% Y2O % ThO2, 1% CeO2 manapság Y2O3, ZrO2 Kép saját α sugárzással felvéve Carl Auer von Welsbach ( ) Sugárterhelés Th α - és β -sugárzás 220 Rn keletkezik α sugárzás Háttér 2,4 msv/év Kempingező 0,005 msv/év Lenyeli a gázharisnyát 2 msv 9

10 Villanyvilágítás Volta-oszlop 1800 Alessandro Volta ( ) Cink-, vörösréz- és sóoldattal átitatott karton- vagy bőrkorongokból állt. A leideni palackot mindig fel kellett tölteni (dörzsöléssel) A Volta-oszloppal viszont sikerült állandó áramforráshoz jutni Ez tette lehetővé a villanyvilágítást. Később dinamó (Siemens, Jedlik Ányos), erőművek10

11 Ívfény 1808 Humphry Davy ívlámpa 2000 elemből összeállított Volta-oszlop 2 db puha szénrúd érintkező csúcsok a szénpálcákat széthúzzák, vakító fehér fény a fényív hosszú ideig nem szakad meg 1877 Jablocskov ( ) Párizs - sugárutakat világított meg ívlámpákkal A villanyvilágítás szép, de költséges A lámpák naponkénti karbantartást igényeltek Az ívlámpa lakások, üzletek, világítására alkalmatlan volt 11

12 Izzólámpa kezdetei Olvadáspontok Platina Molibdén Tantál Ozmium Volfrám Szén (szublimál) C o Magas olvadáspontú fémek Nagy ellenállás (a vezetékhez képest) Mindennapi használatra Oxigéntől védi az üvegbúra Vákuum vagy inert gáz (nitrogén, argon) Nagyon sokan kísérleteznek vele 12

13 Szénszálas izzólámpa Thomas Edison ( ) Joseph Swan ( ) elszenesített gyapotból 1200 óra élettartam 600 (!) bambuszfajtából 4 bizonyult megfelelőnek 1,4 lm/watt Az izzólámpát 1879 szilveszterén mutatta be a meghívott újságíróknak. 13

14 Villanyvilágítás 1882 Budapest izzólámpás villanyvilágítás, ideiglenesen a Vigadóban 1883 Nemzeti Színház 1884 Keleti Pályaudvar világítása 1884 Temesváron épült az első közcélú erőmű Gázvilágítás Villanyvilágítás Than Károly 14

15 Izzólámpa kezdetei Nernst-lámpa Kerámia rúd elektromos árammal izzítva cirkónium-dioxid ZrO2 ittrium-oxid Y 2O3 erbium-oxid Er2O3 Szilárd elektrolit fel kell hevíteni 1300 oc-ra, hogy vezetővé váljon Platina fűtőtest 2100 oc felett működik Nem kell vákuum vagy védőgáz Szép, fehér fény Kiszorítja a volfrámszálas izzó 15

16 Izzólámpa volfrámszállal Szénszálas 1,4 lm/watt Volfrámszálas izzó 7-14 lm/watt Just Sándor és Hanaman Ferenc 1904 Egyesült Izzó 1906 TUNGSRAM gyár 1905 William Coolidge 1910 Nehézkes előállítás Scheelit CaWO4 WO3 redukció hidrogénnel W-por Nem olvasztható meg, szinterelés dróthúzás 16

17 Izzólámpa volfrámszállal Edison 27 Irving Langmuir 1913 vákuum helyett argon és nitrogén kevésbé párolog Bródy Imre 1936 kripton rossz hővezető Bródy Imre ( ) Dupla spirál 1931 Millner Tivadar, Tury Pál K, Na, Si, Al

18 Napfény 6000 K szem érzékenysége Izzólámpa hőmérséklete 2000 K K Folytonos spektrum Kb. 2% fény, a többi hő Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? 18

19 Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? Típus Teljes hatásfok Fényhatásfok (lm/w) 60 W izzó 2,1% 14,5 Halogén izzó 3,5% 24 Fekete test 4000 K 7,0% 48 Fekete test 7000 K 14% 95 Monokromatikus zöld fény 555 nm 100% 683 a szem érzékenységi maximuma ez a maximum a lumen és a kandela definíciója fehér fényre kb. 240 lm/w a legjobb hatásfok 19

20 Halogénlámpa A hatásfok javítása magasabb hőmérséklet K a volfrám párolgásának (a búra feketedése) csökkentése bróm vagy jód W párolog melegebb hely WBrn W + nbr hidegebb hely melegebb hely kripton - gáz viszonylag nagy nyomáson kvarc vagy keményüveg búra (magas hőmérséklet!) 24 lm/w 3,5% 20

21 Gázkisülés gerjesztés az energiaszintek közötti elektronátmenet fénykibocsátással jár vonalas színkép fénykibocsátás hidrogén Az anyagok (elektronszintek) célszerű kiválasztásával az izzólámpához hasonló fényforrás készíthető. 21 Az anyagok megválasztásával a szín(hőmérséklet) is befolyásolható.

22 Gázkisülési cső neoncső???? 1910 Georges Claude Szín függ a gáz fajtájától Neon Hélium Nitrogén Szén-dioxid Kripton Argon vörös (neoncső) rózsaszín sárgás rózsaszín kékesfehér fehér kék reklámcsövek Sok UV-sugárzás is ez is hasznosítható 22

23 Fénycső Higanygőz és inert gáz Fénypor UV látható a higany spektruma Fényhasznosítás lm/w 23

24 Fénycső a higany spektruma kis nyomáson sok UV-sugárzás keletkezik (253,7 és 365 nm) Ennek hasznosítása fénypor látható fény az UV-fényt az üvegbúra nem engedi át (??) Vörös Zöld Kék Y2O3:Eu (Ce,Tb)MgAl11O19: Ce:Tb BaMgAl10O17:Eu R G B 24

25 Fénycső Komoly gond a színvisszaadás A színkép egyenletességét az Ra index-szel jellemzik Ra index..100 Rossz színvisszaadás 25

26 Fénycső Komoly gond a színvisszaadás nem egyenletes (folytonos) a színkép ( sávos ) fényporok Régebben kalcium halofoszfát Ca5(PO4)3(Cl,F):Sb3+, Mn2+ Újabban Ritka földfém LaPO4:Tb3+, Ce3+ Y2O3:Eu zöld és kék vörös 26

27 Kompakt fénycső 1973 General Electric elektronikus előtét 40 khz Fényhasznosítás lm/w óra (elvben) Titkos kód 830 Ra = 80 T/K = 3000 Kis mértékű UV-sugárzás Higanyt tartalmaz Ki-, bekapcsolás Lassan éri el a teljes fényét Beszerzési ára nagy Az elektronika minősége Az olcsó hamar tönkremegy Színvisszaadás (Ra) rossz 27

28 Speciális fénycsövek Szolárium 5% UVB, 95% UVA Pénzvizsgáló Fertőtlenítő (germicid) lámpa Kvarc csőben, a teljes Hg spektrum (UVB) 253,7 nm 28

29 Környezetvédelem? Hg kibocsátás a környezetbe 4 5 mg Hg/lámpa Újabban 1,0 1,5 mg Hg/lámpa Veszélyes hulladék A gyártás is környezetszennyező 29

30 Környezetvédelem? EU irányelv, energiacsökkentés Helyette halogén izzó kompakt fénycső LED A háztartásokban a világítás csak kb. 10% 30

31 Nagynyomású gázkisülő lámpa Gerjesztett és ionizált gáz (plazma) 31

32 Nagynyomású gázkisülő lámpák Higanylámpa Nátriumlámpa Fémhalogén lámpa Az egyik legrégebbi nagy nyomású lámpa. Közvilágításban még alkalmazzák, de visszaszorulóban van. Színe jellegzetesen sápadt fehér. 50 lm/w Közvilágítási célra a legelterjedtebben használt fényforrás, elsősorban gazdaságossága, és magas élettartama miatt. Színe narancssárga, színvisszaadása gyenge. 130 lm/w Különböző fémek jodidjaival, néha bromidjaival adalékolt lámpa. A fémek kombinációjával egyedi színeket vagy kiváló színvisszaadást tesz lehetővé lm/w 32

33 Fémhalogén lámpa Fém-halogenidek gőzeiben játszódik le az ívkisülés pl.: NaI ScI3 InI3 DyI3 TlI Hatásuk: vonalgazdagabb a színkép jobb a színvisszaadás HoI3 Induláskor lilás argonív utána kékes fehér higanyív majd lassan a többi fém spektruma. kb. 10 perc higanylámpa színképe 33 színképe fémhalogén lámpa

34 Xenonlámpa Ívkisülés Nagy teljesítmény (több 1000 W is) Erősen pontszerű fény Fehér fény, jó színvisszaadás Nagy nyomás (több 10 bar, veszélyes) Filmtechnika, vetítőgépek Gépjárművek (újabban, fémhalogénnel) Ra 98 látható tartomány fényképezőgép vaku Igen nagy fényerő 3200 lumen kb. 42 watt esetén 34

35 LED LED fényemittáló dióda LED = Light Emitting Diode A LED-ek világítástechnikai alkalmazása most van elterjedőben lm/w, de van a 150 lm/w -es is. Nick Holonyak 1962 vörös GaAsP 1 lm/w 1960-as évek sárga 1970-es évek narancs 1980-as évek zöld Egyre növekvő fényhasznosítás Szabadság-híd, Budapest,

36 LED Elektrolumineszcencia Vezetési sáv e energia szükséges TILTOTT SÁV Vegyérték sáv energia szabadul fel pl. foton e rekombináció elektron + lyuk rekombinációja foton kibocsátás 36

37 LED LED-ek spektruma Fehér LED RGB Fényporral (mint a fénycső) Y3Al5O12:Ce3+ 37

38 Összegezés Hatásfokok Kategória lángok izzólámpa Típus lm/w % 0,3 0,04% gázharisnya 2 0,3% 100 W 14 2,0% halogén 24 3,5% gyertya ívlámpa xenon ,4 7,3% fénycső kompakt fénycső % hosszú fénycső % fémhalogén ,5 17% nagy nyomású nátrium % kis nyomású nátrium % LED fehér ,5 22% elméleti maximum 555 nm-es zöld fény Kisülési lámpák %

39 Színvisszaadás színvisszaadás Összegezés 39

40 A fényforrások és a kémia 40

41 Köszönet Babay-Bognár Krisztina, ELTE Balázs László, GE Hungary Borsányi János, Budapesti Műszaki Főiskola Pajkossy Tamás, MTA KK Anyag- és Környezetkémiai Intézet Tóth Zoltán, GE Hungary Varga Imre, ELTE VÉGE Köszönöm a figyelmüket! 41