Los tubos fluorescentes forman parte de nuestra vida diaria.
Ya sea en nuestras cocinas o en las oficinas, se ponen debido principalmente a la luz azulada que emiten que “simula” la claridad del día y a su gran luminosidad.
Pero dentro de uno de estos tubos tiene lugar un fenómeno físico muy interesante.
El resumen es simple.
Se trata de crear un plasma a partir de un gas a baja presión en el interior de un tubo de descarga con el objetivo de que se emita radiación luminosa.
Ahora veamos lo que implica cada una de estas cosas.
Primero ¿qué es un plasma?
Digamos que un plasma es un estado de no equilibrio de la materia (a diferencia del sólido, líquido y gas) que se consigue a partir de un gas y que tiene una serie de propiedades físicas: hay átomos que no son neutros en su interior, electrones y cargas positivas (más o menos en igual cantidad) que se desplazan lo cual lo convierte en un excelente conductor eléctrico.
Aunque en estos últimos años se le viene considerando como tal, en realidad es un estado de la materia extraño, pues es un estado lejos del equilibrio.
Un plasma se extingue si desconectas la fuente que le da energía cosa que no ocurre con un gas o con un líquido o con un sólido.
Sin embargo se ha tendido a generalizar y el concepto de
“estado de la materia” ya abarca a estados lejos del equilibrio.
Se trata de una sopa hecha a partir de un gas cuyo ingrediente principal son átomos neutros.
Tras aplicársele una corriente eléctrica, parte de esos neutros pasan a ionizarse (perder electrones) puesto que el campo eléctrico dota a los electrones de la energía necesaria para librarse del átomo que los tiene ligados y poder circular libremente.
Esto deja al átomo neutro cargado positivamente y por tanto, hay cargas libres moviéndose.
La particularidad de esto es que la dinámica en un plasma no depende de fenómenos locales.
Normalmente, en un gas importa más o menos lo que interactúen las partículas con sus inmediatas vecinas, pero al entrar en juego las cargas eléctricas y los campos electromagnéticos la dinámica a media y larga distancia se vuelve muy importante, lo cual complica bastante las cosas.
Dijimos que un tubo fluorescente era un gas a baja presión en el interior de un tubo de descarga.
El que sea a baja presión se debe a que el espectro de la radiación luminosa resultante es distinto.
El gas a baja presión dentro de un tubo fluorescente suele ser argon o algún otro gas noble.
Son gases inertes que no emiten la radiación que interesa, pero que son necesarios puesto que es gracias a ellos a los que se crea el plasma y se controla mejor la cantidad de electrones que hay en él.
Entonces, se introduce en las lámparas vapor de mercurio.
El mercurio en condiciones de baja presión tiene una emisión en la banda de los ultravioleta.
Sin embargo, esta banda queda lejos del espectro visible con lo que no resultaría útil porque no serviría para ver.
Así que se recubre el interior de la lámpara con fósforo.
El fósforo absorbe los fotones ultravioletas emitidos por el mercurio y los reemite en el visible mediante el proceso de la fosforescencia.
Con esto se consigue que cerca del 30% de la energía se convierta en luz visible y el resto, la práctica totalidad es energía disipada en forma de calor.
Un apunte interesante del hecho de que el plasma sea un estado de no equilibrio es que existen varias temperaturas en el interior del plasma.
En un estado de equilibrio, las temperaturas tienden a equilibrarse y todos los elementos del sistema tienen la misma tarde o temprano.
Sin embargo, en un estado fuera del equilibrio esto no es así.
De este modo, se definen temperatura para los electrones, temperatura para los iones y temperatura para los neutros.
Cuando tocamos un tubo fluorescente notamos que está caliente pero que su temperatura no es excesivamente alta.
La principal contribución a esa temperatura que podemos notar, es la de los neutros y los iones debido a que son muy pesados y la temperatura depende de la masa.
Sin embargo, la temperatura electrónica es de varios miles o decenas de miles de grados incluso.
Pero la contribución de los electrones a la temperatura global es ínfima.
En cuanto al montaje técnico, como ya conté antes al ser un estado lejos del equilibrio hay que crearlo, y para “encender” el plasma hace falta una reactancia inductiva (cebador) que permita el encendido inicial del plasma y un balastro que se encargue de estabilizar la corriente eléctrica suministrada en el interior del tubo de descarga.
Y voilà, ya tenemos un plasma listo para encenderse al pulsar el interruptor.
La luz obtenida depende del gas que se emplee y también de las condiciones termodinámicas que se establezcan dentro del tubo.
Un gas a más alta presión dará, en general, luz diferente.
Por ejemplo, el vapor de mercurio a alta presión emite radiación en el visible de un tono azul-verdoso sin embargo se sigue empleando recubrimiento para aprovechar parte de la radiación que se sigue emitiendo en el ultravioleta.
Si en vez de vapor de mercurio empleásemos vapor de sodio, la luz obtenida sería una luz amarilla-anaranjada muy monocromática.
¿La ventaja?
Una gran eficiencia (en cuanto a cantidad de luz emitida por watio gastado en alimentar la lámpara) y una gran duración.
Por eso, a alta presión, se suele emplear en el alumbrado público.
Pero con un alto riego a la salud,
en caso de romperse un tubo o una lámpara de bajo consumo...
tema del cual ya hemos hablado.
Como vemos, los plasmas no son todos tan calientes como el plasma de fusión que existe en el interior de las estrellas ni tan frío y liviano como el plasma que conforma el gas del medio interestelar
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