Πώς λειτουργούν οι λαμπτήρες φωτισμού και ποιοι είναι πιο οικονομικοί; [ΣΧΛ]

Λαμπτήρες πυρακτώσεως.

Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι οι λάμπες που όλοι ξέρουμε. Είναι η εφεύρεση του Τόμας Έντισον, που χρησιμοποιούνται ήδη από το 1879.Το σχήμα τους θυμίζει δάκρυ, ενώ συνήθως φαίνεται και το εσωτερικό τους.

Ο τρόπος λειτουργίας οφείλεται στη θέρμανση ενός πάρα πολύ λεπτού νήματος βολφραμίου τυλιγμένου σε σπείρες, σε θερμοκρασία περίπου 3000 o C το οποίo ακτινοβολεί. Το χημικό στοιχείο βολφράμιο έχει σημείο τήξης 3422  o C είναι δηλαδή δύστηκτο. Το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει από το νήμα και καθώς «συγκρούονται» τα ηλεκτρόνια του ρεύματος με τα άτομα του λεπτού νήματος αυξάνεται η θερμοκρασία του και εκπέμπεται φως. Το νήμα βρίσκεται μέσα σε γυάλινο περίβλημα με χαμηλή πίεση 0,7 atm, και υπάρχει μείγμα αζώτου 7% και αργού 93% ή κενό αέρα για να μην οξειδώνεται.

Οι ώρες λειτουργίας κυμαίνονται από 750 ως 1500 με απόδοση 5%. Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς σε watt τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος ζωής. Το 95% της ενέργειας γίνεται θερμότητα ενώ το γυάλινο περίβλημα έχει θερμοκρασία 250 o C. Κύρια αιτία φθοράς και λήξης της ζωής  του λαμπτήρα πυράκτωσης είναι η εξάχνωση του νήματος βολφραμίου  (μετατροπή του στερεού κατευθείαν σε αέριο) που προοδευτικά το πάχος του μειώνεται μέχρις ότου να αποκοπεί στο σημείο όπου είναι πιο λεπτό. Το βολφράμιο μετά την εξάχνωση μεταφέρεται και επικάθεται στα ψυχρότερα σημεία της λάμπας γι’ αυτό και μαυρίζει. Άλλες σημαντικές αιτίες μείωσης της ζωής τους είναι η αύξηση της τάσης και τα ανάμματα των λαμπτήρων. Αύξηση της τάσης μόνο κατά 5%, προκαλεί ελάττωση της ζωής κατά 30%. Σε 1/10 sec περνάει ρεύμα σχεδόν 12 φορές μεγαλύτερο από το κανονικό. Επειδή η αντίσταση που παρουσιάζει το νήμα βολφραμίου είναι περίπου 12 φορές μικρότερη όταν είναι αυτό κρύο, σε σχέση με την αντίσταση που παρουσιάζει όταν είναι ζεστό, δηλαδή σε λειτουργία, έχουμε μείωση της ζωής τους.

Εξαιτίας της χρήσης περισσότερης ενέργειας σε σύγκριση με τις λάμπες φθορισμού και με άλλες λάμπες, η ΕΕ αποφάσισε τη σταδιακή απόσυρση των λαμπτήρων πυράκτωσης.

Λαμπτήρες αλογόνου.

Οι λαμπτήρες αλογόνου συναντώνται συνήθως μέσα σε εσοχές στις οροφές των σπιτιών. Έχουν παρόμοιο τρόπο λειτουργίας με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Αυτό σημαίνει ότι δημιουργούν πολύ θερμότητα, συνεπώς σπαταλάνε ενέργεια. Παρόλα αυτά, οι λάμπες αλογόνου είναι πιο αποτελεσματικές από τις λάμπες πυρακτώσεως, αφού τεχνολογικά είναι η φυσική συνέχειά τους.

Στους λαμπτήρες αλογόνου η ζωή μειώνεται όταν τους πιάνουμε με γυμνό χέρι π.χ. κατά την τοποθέτηση. Αν συμβεί κάτι τέτοιο, αναπόφευκτα αφήνουμε λίπος από το σώμα μας πάνω στο γυαλί το οποίο απορροφά και κατακρατά πιο πολλή θερμότητα, με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται μεγαλύτερες θερμοκρασίες και να μειώνεται η ζωή του λαμπτήρα. Στους κοινούς λαμπτήρες το γυαλί βρίσκεται μακριά από το νήμα πυράκτωσης και δεν προκαλείται σοβαρό πρόβλημα όταν τους τοποθετούμε με γυμνό χέρι.

Οι λαμπτήρες ιωδίου - χαλαζία (ευρύτερα γνωστοί ως λαμπτήρες αλογόνου) περιέχουν αδρανές αέριο και ατμούς ιωδίου ή βρωμίου. Έχουν σχήμα σωλήνα μικρής διαμέτρου με αξονική διαμήκη διάταξη του νήματος βολφραμίου. Με τη βοήθεια των μορίων του ιωδίου τα εξαχνωμένα άτομα βολφραμίου επανατοποθετούνται στο νήμα και έτσι αυξάνεται σημαντικά ο χρόνος ζωής της λάμπας. Το γυαλί είναι χαλαζιακό και όταν λειτουργεί ο λαμπτήρας, η θερμοκρασία του φθάνει στους 600°C. Οι λαμπτήρες αλογόνου αναπτύχθηκαν για να λύσουν το πρόβλημα της μικρής διάρκειας ζωής των λαμπτήρων πυράκτωσης καθώς ένας τυπικός λαμπτήρας αλογόνου έχει διάρκεια ζωής περίπου 2000 ώρες, σχεδόν διπλάσια από έναν τυπικό λαμπτήρα πυράκτωσης. Και αυτοί όμως σταδιακά αποσύρονται.

Λάμπες φθορισμού.

Είναι σωλήνες κυλινδρικοί ή ελικοειδούς μορφής, που περιέχουν υδράργυρο 1 ως 5 mgr και πίεση 0,3 atm και έχουν εσωτερική επίστρωση φωσφόρου. Η ηλεκτρική ενέργεια που δίνεται στη λάμπα θερμαίνει μια μεταλλική κάθοδο (νήμα βολφραμίου με επίστρωση άλλων ουσιών) και έτσι εκπέμπονται ηλεκτρόνια στο σωλήνα. Αυτά με τη σειρά τους διεγείρουν μέσω κρούσης τα άτομα του υδραργύρου που βρίσκονται εκεί μέσα. Μετά την αποδιέγερση των ατόμων δηλαδή την επάνοδό τους στην προηγούμενη ενεργειακή κατάσταση εκπέμπονται υπεριώδεις ακτίνες που προκαλούν διέγερση στα άτομα της επίστρωσης του φωσφόρου. Αυτά μετά την αποδιέγερση τους εκπέμπουν ορατό φως. Λειτουργούν περίπου 8000 ώρες και έχουν κόστος 3 ως 10 φορές μεγαλύτερο από τις λάμπες πυρακτώσεως. Χρησιμοποιούν ως 75% λιγότερη ενέργεια και η απόδοσή τους είναι 30%. Κίνδυνος υπεριώδους ακτινοβολίας κατά την λειτουργία δεν υπάρχει.

Ο υδράργυρος είναι τοξικός και έχει σημαντική αρνητική επίδραση στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Η απελευθέρωση του υδραργύρου στο περιβάλλον αποτελεί σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα. Τι θα κάνουμε αν σπάσει μια λάμπα φθορισμού; Δεν χρειάζεται πανικός αλλά με ψυχραιμία πρέπει να γίνουν κάποιες ενέργειες, για να μειωθεί η έκθεσή μας στο υδράργυρο, ο οποίος αλλιώς μπορεί να παραμείνει στο εσωτερικό του σπιτιού μας για αρκετές εβδομάδες.

Ενέργειες πρόληψης.

1) Βάζουμε τις λάμπες σε σημεία που δύσκολα θα πέσουν.

2) Με προσοχή αφαιρούμε τις παλιές και βάζουμε τις νέες.

3) Καλό είναι να μην υπάρχουν τέτοιες λάμπες στα παιδικά δωμάτια γιατί κατά λάθος μπορεί να τις σπάσουν και εξάλλου τα παιδιά είναι πιο ευάλωτα σε τοξικές ουσίες.

4) Σε κάποιο σημείο του σπιτιού μας έχουμε τα απαραίτητα σύνεργα για να δράσουμε στην περίπτωση του σπασίματος. Πρέπει να υπάρχουν γάντια, μάσκα για τα μάτια, σκληρά χαρτόνια, δοχείο που κλείνει καλά, πλαστικές σακούλες που κλείνουν καλά, κολλητική ταινία κ.ά. όπως αυτά περιγράφονται στο σχετικό έγγραφο του Γενικού Χημείου του Κράτους.

5) Ανακυκλώνουμε τις λάμπες στα ειδικά σημεία ανακύκλωσης, που τις τοποθετούμε με προσοχή.

Ενέργειες απομάκρυνσης.

Αν σπάσει μια τέτοια λάμπα χρειάζεται πολύ καλός αερισμός του χώρου. Ανοίγουμε πόρτες και παράθυρα τουλάχιστον για 20 ως 30 λεπτά και απομακρύνουμε τους ανθρώπους και τα κατοικίδια ζώα από το χώρο. Η ταχύτητα εξάτμισης του υδράργυρου που έχει προσκολληθεί στα γυάλινα θραύσματα εξαρτάται από τη θερμοκρασία του δωματίου, άρα η εξάτμιση κατά τη διάρκεια μιας ζεστής καλοκαιρινής ημέρας θα είναι πιο γρήγορη. Κλείνουμε το air contision και τον ανεμιστήρα. Η συγκέντρωση των θραυσμάτων γίνεται με λίγο βρεγμένο πανί για να κολλήσει επάνω του ο υδράργυρος που βρίσκεται πάνω στην επίστρωση του φωσφόρου. Φοράμε γάντια και δεν χρησιμοποιούμε ηλεκτρική σκούπα για να τον απορροφήσουμε, γιατί θα γίνει διάχυση στο περιβάλλον. Όλα τα υλικά που μαζεύουμε και που χρησιμοποιούμε στον καθαρισμό μπαίνουν σε καλά κλεισμένη σακούλα. Δεν την ρίχνουμε στον κάδο των απορριμμάτων, αλλά σε ειδικούς κάδους σε καταστήματα ηλεκτρικών ειδών ή σε κατάλληλους κάδους του Δήμου ή στο πλησιέστερο νοσοκομείο όπως αναφέρει η Πολιτική Προστασία. Αφήνουμε μετά τον πλήρη καθαρισμό ανοιχτά τα παράθυρα για αρκετές ώρες.

Λαμπτήρες LED.

Οι λαμπτήρες LED είναι σχετικά καινούργιο είδος, με τη μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση σε σχέση με όλους τους υπόλοιπους. Δεν περιέχουν υδράργυρο και άρα δεν χρειάζονται ειδική ανακύκλωση, όπως οι λάμπες φθορισμού. Αυτό σε συνδυασμό με τη χαμηλή τους κατανάλωση, τις καθιστά τον τύπο λαμπτήρα που είναι πιο φιλικός προς το περιβάλλον. Το μοναδικό μειονέκτημα τους είναι το υψηλότερο κόστος αγοράς, όμως λόγω του μεγάλου χρόνου που αντέχουν και δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον είναι η καλύτερη επιλογή.

Το LED είναι τα αρχικά των λέξεων Light Emission Diode δηλαδή δίοδος εκπομπής φωτός. Τα LED που αποτελούν τις λάμπες έχουν μικρό μέγεθος και εκπέμπουν ελάχιστη θερμότητα. Με πολύ απλά λόγια σε ένα ημιαγωγό δημιουργούμε τάση οπότε υπάρχει ρεύμα σε επαφή pn. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές συναντώνται και βγαίνει φως. Το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από την χημική σύσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται και μπορεί να είναι υπεριώδες, ορατό ή υπέρυθρο. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται και κατά συνέπεια, το χρώμα του εξαρτάται από το χάσμα ενέργειας των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την δημιουργία της επαφής p-n, όπου το p είναι υλικό που έχει αποδέκτες και το n υλικό που έχει δότες. Το LED είναι στην ουσία μια ένωση p-n που έχει κατασκευαστεί από ένα ημιαγωγό άμεσου ενεργειακού χάσματος, και στην οποία η επανασύνδεση των ζευγών ηλεκτρονίων – οπών έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτονίων.

Πλεονεκτήματα των LEDs

• Απόδοση: Τα LED παράγουν περισσότερο φως ανά watt σε σχέση με τις λάμπες πυρακτώσεως.

• Χρώμα: Εκπέμπουν φως συγκεκριμένου χρώματος χωρίς να χρειάζονται φίλτρα που απαιτούν οι παραδοσιακοί μέθοδοι φωτισμού.

• Μέγεθος: Είναι πολύ μικρά (μικρότερα από 2mm).

• Χρόνος ON/OFF: Έχουν γρήγορη απόκριση δηλαδή γρήγορα φθάνουν  σε κατάσταση πλήρους φωτεινότητας σε χρόνο microsecond.

• Ψυχρό φως: Εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα σε μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας που μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε ευαίσθητα αντικείμενα ή κατασκευές.

• Χρόνος ζωής: Έχουν μεγάλους χρόνους ζωής. Οι ώρες λειτουργίας τους κυμαίνονται από 35.000 έως 50.000 ώρες, αριθμός τεράστιος συγκριτικά με αυτόν των λαμπτήρων πυράκτωσης και των λαμπτήρων φθορισμού.

• Αντίσταση σε κραδασμούς: Είναι στοιχεία στερεάς κατάστασης, άρα δύσκολα παθαίνουν ζημιά από κραδασμούς όπως συμβαίνει με τις λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού.

• Εστίαση: Μπορούν να εστιάζουν το φως σε ένα συγκεκριμένο σημείο ή περιοχή. Οι λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού απαιτούν ένα εξωτερικό ανακλαστήρα για να συλλέγει το φως και να το κατευθύνει με ένα χρήσιμο τρόπο.

• Τοξικότητα: Δεν περιέχουν υδράργυρο όπως οι λάμπες φθορισμού.

Μειονεκτήματα των LEDs

• Υψηλό αρχικό κόστος: Τα LED σήμερα είναι ακριβότερα στην αγορά τους σε σχέση με τις άλλες λάμπες, αλλά το κόστος αντισταθμίζεται με την χαμηλή κατανάλωση ενέργειας που έχουν.

• Εξάρτηση από τη θερμοκρασία: Η λειτουργία τους εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών, τα LED μπορούν να υπερθερμανθούν και να υποστούν ζημιά.

• Ευαισθησία στην τάση: Τα LED είναι αρκετά ευαίσθητα στη τάση, άρα στο ρεύμα που τα τροφοδοτεί.

• Ποιότητα φωτός: Το χρώμα κάποιων αντικειμένων μπορεί να φαίνεται διαφορετικό κάτω από μια LED ψυχρού λευκού απ’ ότι θα φαίνονταν κάτω από το φως του ήλιου ή κάτω από μια λάμπα πυράκτωσης.

• Μόλυνση από το μπλε: Επειδή τα μπλε LED και αυτά του ψυχρού λευκού είναι πλέον ικανά να εκπέμπουν περισσότερο μπλε φως απ’ ότι οι κοινές πηγές φωτός, αυτό σημαίνει ότι τα LED μπορούν να προκαλέσουν περισσότερη φωτορύπανση απ’ ότι οι άλλες πηγές φωτός.

Η επιλογή λοιπόν του κατάλληλου λαμπτήρα για τον φωτισμό του χώρου μας είναι ξεκάθαρη. Μας βολεύουν τα LED αρκεί να μειωθεί και το κόστος της αγοράς τους.

ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δ. ΚΑΡΠΟΥΖΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ - ΧΗΜΕΙΑΣ