ELTE Kémiai Intézet Alkímia ma Fényforrások a petróleumlámpától a kompakt fénycsövekig Riedel Miklós 2011. április 14. 1
De La Tour: Magdolna a füstölő lánggal 1640 körül 2
Csontvári Kosztka Tivadar Jajcei villanyerőmű éjjel, 1903 Villanyvilágított fák Jajcéban, 1903 Bortnyik Sándor Lámpagyújtó 1921 3
Elektromágneses sugárzás, fény Ultraibolya Látható tartomány Hősugárzás 4
Folytonos spektrum 555 nm Feketetest-sugárzás A szem érzékenysége a napfényhez igazodott napfény gyertya, petróleumlámpa, gázlámpa ívlámpa izzólámpa 5
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
600 ºC hőmérsékleten a szénhidrogének krakkolódnak A láng szélén a hőmérséklet 1600 ºC is lehet A zónák jól látszanak oxigén éghető anyag 7
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
Gázvilágítás Hatásfok javítása Gázharisnya (intenzív fehér fény) 1885 60% MgO, 20% La2O3 and 20% Y2O3 1891 99% ThO2, 1% CeO2 manapság Y2O3, ZrO2 Kép saját α sugárzással felvéve Carl Auer von Welsbach (1858 1929) 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
Villanyvilágítás Volta-oszlop 1800 Alessandro Volta (1745-1827) 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
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 (1847-1894) Párizs - sugárutakat világított meg ívlámpákkal A villanyvilágítás szép, de költséges A lámpák naponkénti karbantartást igényeltek Az ívlámpa lakások, üzletek, világítására alkalmatlan volt 11
Izzólámpa kezdetei Olvadáspontok Platina Molibdén Tantál Ozmium Volfrám Szén (szublimál) C o 1767 2623 3017 3033 3422 3825 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
Szénszálas izzólámpa Thomas Edison (1847 1931) Joseph Swan (1828 1914) elszenesített gyapotból 1200 óra élettartam 600 (!) bambuszfajtából 4 bizonyult megfelelőnek 1,4 lm/watt Az izzólámpát 1879 szilveszterén mutatta be a meghívott újságíróknak. 13
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
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
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
Izzólámpa volfrámszállal Edison 27 Irving Langmuir 1913 vákuum helyett argon és nitrogén kevésbé párolog Bródy Imre 1936 kripton rossz hővezető Bródy Imre (1891 1944) Dupla spirál 1931 Millner Tivadar, Tury Pál K, Na, Si, Al 171899-1988
Napfény 6000 K szem érzékenysége Izzólámpa hőmérséklete 2000 K - 3300 K Folytonos spektrum Kb. 2% fény, a többi hő Hogyan javítható ez a rossz hatásfok? 18
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
Halogénlámpa A hatásfok javítása magasabb hőmérséklet 3200-3400 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
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.
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
Fénycső Higanygőz és inert gáz Fénypor UV látható a higany spektruma Fényhasznosítás 60-70 lm/w 23
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
Fénycső Komoly gond a színvisszaadás A színkép egyenletességét az Ra index-szel jellemzik Ra index..100 Rossz színvisszaadás 25
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
Kompakt fénycső 1973 General Electric elektronikus előtét 40 khz Fényhasznosítás 60-70 lm/w 2 000 10 000 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
Speciális fénycsövek Szolárium 5% UVB, 95% UVA Pénzvizsgáló Fertőtlenítő (germicid) lámpa Kvarc csőben, a teljes Hg spektrum (UVB) 253,7 nm 28
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
Környezetvédelem? EU irányelv, energiacsökkentés Helyette halogén izzó kompakt fénycső LED A háztartásokban a világítás csak kb. 10% 30
Nagynyomású gázkisülő lámpa Gerjesztett és ionizált gáz (plazma) 31
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. 90-110 lm/w 32
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
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
LED LED fényemittáló dióda LED = Light Emitting Diode A LED-ek világítástechnikai alkalmazása most van elterjedőben. 30-60 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, 2009 35
LED Elektrolumineszcencia Vezetési sáv e energia szükséges TILTOTT SÁV Vegyérték sáv energia szabadul fel pl. foton e rekombináció elektron + lyuk rekombinációja foton kibocsátás 36
LED LED-ek spektruma Fehér LED RGB Fényporral (mint a fénycső) Y3Al5O12:Ce3+ 37
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 30 50 4,4 7,3% fénycső kompakt fénycső 57 72 8 11% hosszú fénycső 70 100 10 15% fémhalogén 65 115 9,5 17% nagy nyomású nátrium 85 150 12 22% kis nyomású nátrium 100 200 15 29% LED fehér 10 150 1,5 22% elméleti maximum 555 nm-es zöld fény Kisülési lámpák 683 38 100%
Színvisszaadás színvisszaadás Összegezés 39
A fényforrások és a kémia 40
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