Lámpara de vapor de mercurio

Una lámpara de vapor de mercurio es una lámpara de descarga de gas que utiliza un arco eléctrico a través de mercurio vaporizado para producir luz . La descarga del arco generalmente se limita a un pequeño tubo de arco de cuarzo fundido montado dentro de una bombilla más grande de vidrio de cal sodada o borosilicato . La bombilla exterior puede ser transparente o estar recubierta de fósforo ; en ambos casos, proporciona aislamiento térmico , protección contra la radiación ultravioleta que produce la luz y un soporte conveniente para el tubo de arco de cuarzo fundido.

Las lámparas de vapor de mercurio son más eficientes energéticamente que las lámparas incandescentes con eficacias luminosas de 35 a 55 lúmenes/vatio. ^{[ 1 ]} Otras ventajas son una larga vida útil de la bombilla en el rango de 24 000 horas y una salida de luz de alta intensidad. ^{[ 1 ]} Por estas razones, se utilizan para iluminación de grandes áreas, como en fábricas, almacenes y estadios deportivos, así como para alumbrado público . Las lámparas de mercurio transparente producen una luz verdosa debido a la combinación de líneas espectrales del mercurio. ^{[ 1 ]} Esto no favorece el color de la piel humana , por lo que dichas lámparas no se suelen utilizar en tiendas minoristas. ^{[ 1 ]} Las bombillas de mercurio "corregidas del color" superan este problema con un fósforo en el interior de la bombilla exterior que emite en las longitudes de onda rojas, ofreciendo una luz más blanca y una mejor reproducción del color .

Las lámparas de vapor de mercurio funcionan a una presión interna de aproximadamente una atmósfera y requieren accesorios especiales, así como un balasto eléctrico . También requieren un período de calentamiento de cuatro a siete minutos para alcanzar su máxima potencia lumínica. Las lámparas de vapor de mercurio están quedando obsoletas debido a la mayor eficiencia y el mejor equilibrio cromático de las lámparas de halogenuros metálicos . ^{[ 2 ]}

Charles Wheatstone observó el espectro de una descarga eléctrica en vapor de mercurio en 1835 y notó las líneas ultravioleta en dicho espectro. En 1860, John Thomas Way utilizó lámparas de arco operadas en una mezcla de aire y vapor de mercurio a presión atmosférica para iluminación. ^{[ 3 ]} El físico alemán Leo Arons (1860-1919) estudió las descargas de mercurio en 1892 y desarrolló una lámpara basada en un arco de mercurio. ^{[ 4 ]} En febrero de 1896, Herbert John Dowsing y H.  S. Keating, de Inglaterra, patentaron una lámpara de vapor de mercurio, considerada por algunos como la primera lámpara de vapor de mercurio propiamente dicha. ^{[ 5 ]}

La primera lámpara de vapor de mercurio que alcanzó un éxito generalizado fue inventada en 1901 por el ingeniero estadounidense Peter Cooper Hewitt . ^{[ 6 ]} Hewitt obtuvo la patente estadounidense 682,692 el 17 de septiembre de 1901. ^{[ 7 ]} En 1903, Hewitt creó una versión mejorada que poseía cualidades cromáticas más satisfactorias, la cual finalmente encontró un uso industrial generalizado. ^{[ 6 ]} La luz ultravioleta de las lámparas de vapor de mercurio se aplicó al tratamiento de agua en 1910. Las lámparas de Hewitt utilizaban una gran cantidad de mercurio. En la década de 1930, las lámparas mejoradas de forma moderna, desarrolladas por la compañía Osram-GEC , General Electric y otras, llevaron al uso generalizado de lámparas de vapor de mercurio para iluminación general.

El mercurio en el tubo es líquido a temperaturas normales. Necesita vaporizarse e ionizarse antes de que la lámpara pueda producir su máxima emisión de luz. Para facilitar el encendido de la lámpara, se monta un tercer electrodo cerca de uno de los electrodos principales y se conecta a través de una resistencia al otro electrodo principal. Además del mercurio, el tubo está lleno de gas argón a baja presión. Cuando se aplica energía, si hay suficiente voltaje para ionizar el argón, el gas argón ionizado generará un pequeño arco entre el electrodo de arranque y el electrodo principal adyacente. A medida que el argón ionizado conduce, el calor de su arco vaporiza el mercurio líquido; luego, el voltaje entre los dos electrodos principales ionizará el gas mercurio. Se inicia un arco entre los dos electrodos principales y la lámpara irradiará ^{[ 8 ]} principalmente en las líneas de emisión ultravioleta, violeta y azul . La vaporización continua del mercurio líquido aumenta la presión del tubo de arco a entre 2 y 18 bar , dependiendo del tamaño de la lámpara. El aumento de presión produce un mayor brillo de la lámpara. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Todo el proceso de calentamiento dura aproximadamente de 4 a 7 minutos.

La lámpara de vapor de mercurio es un dispositivo de resistencia negativa . Esto significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta la corriente que la atraviesa. Por lo tanto, si la lámpara se conecta directamente a una fuente de voltaje constante, como la red eléctrica, la corriente aumentará hasta que se dañe. En consecuencia, requiere un balasto para limitar la corriente. Los balastos para lámparas de vapor de mercurio son similares a los utilizados en las lámparas fluorescentes . De hecho, las primeras lámparas fluorescentes británicas se diseñaron para funcionar con balastos de vapor de mercurio de 80 vatios. También existen lámparas de vapor de mercurio con autobalasto. Estas lámparas utilizan un filamento de tungsteno en serie con el tubo de arco para actuar como balasto resistivo y añadir radiación de cuerpo negro continua a la del tubo de arco. Las lámparas de vapor de mercurio con autobalasto se pueden enroscar en un portalámparas incandescente estándar con el voltaje adecuado.

Cuando se enciende una lámpara de vapor de mercurio, produce un brillo azul oscuro debido a que solo una pequeña cantidad de mercurio está ionizada y la presión del gas en el tubo de arco es muy baja, por lo que gran parte de la luz se produce en las bandas ultravioleta del mercurio. A medida que se produce el arco principal y el gas se calienta y aumenta su presión, la luz se desplaza al rango visible y la alta presión del gas hace que las bandas de emisión del mercurio se ensanchen ligeramente, produciendo una luz que parece más blanca para el ojo humano, aunque todavía no es un espectro continuo . Incluso a máxima intensidad, la luz de una lámpara de vapor de mercurio sin fósforos es claramente verdosa. La presión en el tubo de arco de cuarzo aumenta hasta aproximadamente una atmósfera una vez que la bombilla ha alcanzado su temperatura de funcionamiento. Si la descarga se interrumpe (por ejemplo, por una interrupción del suministro eléctrico), la lámpara no puede volver a encenderse hasta que la bombilla se enfríe lo suficiente como para que la presión disminuya considerablemente. La razón por la que la lámpara tarda más en volver a encenderse se debe a la elevada presión, que provoca una mayor tensión de ruptura del gas en su interior (tensión necesaria para iniciar un arco eléctrico, según la ley de Paschen ), la cual supera las capacidades del balasto. Por este motivo, muchas lámparas de vapor de mercurio cuentan con una lámpara secundaria que funciona como fuente de luz de respaldo hasta que la lámpara de vapor de mercurio pueda volver a encenderse. Esta lámpara suele ser una lámpara halógena de brillo similar o equivalente.

Consideraciones sobre el color

Para corregir el tinte verdoso, muchas lámparas de vapor de mercurio están recubiertas en el interior de la bombilla exterior con un fósforo que convierte una parte de las emisiones ultravioleta en luz roja. Esto ayuda a llenar el extremo rojo del espectro electromagnético , que de otro modo sería muy deficiente. Estas lámparas se denominan generalmente lámparas de "corrección de color". La mayoría de las lámparas de vapor de mercurio modernas tienen este recubrimiento. Una de las quejas originales contra las luces de mercurio era que tendían a hacer que las personas parecieran "cadáveres sin sangre" debido a la falta de luz del extremo rojo del espectro. ^{[ 12 ]} Un método común para corregir este problema antes de que se usaran fósforos era hacer funcionar la lámpara de mercurio junto con una lámpara incandescente . También hay un aumento del color rojo (por ejemplo, debido a la radiación continua) en las lámparas de vapor de mercurio de ultra alta presión (generalmente mayores de 200 atm.), que ha encontrado aplicación en los proyectores multimedia modernos. Cuando se utilizan en exteriores, las lámparas con revestimiento o corrección de color suelen identificarse por un "halo" azul alrededor de la luz que emiten.

Espectro de líneas de emisión

Los picos más fuertes del espectro de la línea de emisión son ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En las lámparas de vapor de mercurio de baja presión, solo están presentes las líneas de 184  nm y 254  nm. Se utiliza sílice fundida en su fabricación para evitar  la absorción de la luz de 184 nm. En las lámparas de vapor de mercurio de presión media,  están presentes las líneas de 200 a 600 nm. Estas lámparas pueden diseñarse para emitir principalmente en la región UV-A (alrededor de 400  nm) o UV-C (alrededor de 250  nm). Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión se utilizan comúnmente para iluminación general. Emiten principalmente en las regiones azul y verde.

Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión ^{[ 15 ]} suelen tener una bombilla de cuarzo para permitir la transmisión de luz de longitud de onda corta. Si se utiliza cuarzo sintético, la transparencia del cuarzo aumenta aún más y también se observa una línea de emisión a 185  nm. Dicha lámpara puede utilizarse entonces para la irradiación germicida ultravioleta . ^{[ 16 ]} La  línea de 185 nm genera ozono en una atmósfera que contiene oxígeno, lo que ayuda en el proceso de limpieza, pero también supone un riesgo para la salud.

Para lugares donde la contaminación lumínica es de suma importancia (por ejemplo, el estacionamiento de un observatorio ), se prefiere el sodio de baja presión . Dado que emite líneas espectrales estrechas en dos longitudes de onda muy cercanas, es la más fácil de filtrar. Las lámparas de vapor de mercurio sin fósforo son la segunda mejor opción; producen solo unas pocas líneas de mercurio distintivas que deben filtrarse.

En la UE, el uso de lámparas de vapor de mercurio de baja eficiencia para fines de iluminación se prohibió en 2015. Esto no afecta el uso de mercurio en lámparas fluorescentes compactas , ni el uso de lámparas de mercurio para fines distintos a la iluminación. ^{[ 17 ]}

En Estados Unidos, los balastos para lámparas de vapor de mercurio de iluminación general, excluyendo los balastos para lámparas de vapor de mercurio de aplicaciones especiales, fueron prohibidos después del 1 de enero de 2008. ^{[ 18 ]} Debido a esto, varios fabricantes comenzaron a vender bombillas fluorescentes compactas (CFL) y de diodos emisores de luz (LED) de repuesto para luminarias de vapor de mercurio, que no requieren modificaciones en la luminaria existente. El Departamento de Energía de Estados Unidos determinó en 2015 que las regulaciones propuestas en 2010 para las lámparas HID de vapor de mercurio no se implementarían, ya que no generarían ahorros sustanciales. ^{[ 19 ]}

El tubo de arco de las lámparas de mercurio produce una gran cantidad de radiación UV-C de onda corta que puede causar quemaduras en los ojos y la piel. Generalmente, la cubierta exterior de vidrio de la lámpara y, en algunas lámparas, también el recubrimiento de fósforo, bloquean esta radiación. Sin embargo, se debe tener cuidado si la cubierta exterior de la lámpara se rompe, ya que el tubo de arco continuaría funcionando, lo que representa un riesgo para la seguridad. ^{[ 20 ]} Se han documentado casos en los Estados Unidos de lámparas dañadas en gimnasios por pelotas que las golpean, lo que resulta en quemaduras solares e inflamación ocular por radiación ultravioleta de onda corta. ^{[ 21 ]} Cuando se utilizan en lugares como gimnasios, la luminaria debe tener una protección exterior fuerte o una lente exterior para proteger la bombilla exterior de la lámpara. Como resultado de dichos casos documentados, algunos fabricantes estadounidenses crearon lámparas de "seguridad" que se queman deliberadamente si se rompe el vidrio exterior. Esto generalmente se logra utilizando una tira delgada de tungsteno, que se quema en presencia de aire, para conectar uno de los electrodos.

Las lámparas típicas de vapor de mercurio con una envoltura exterior de vidrio sódico-cálcico o borosilicato permiten que escape una cantidad considerable de radiación UV de 365 nm. Esto puede provocar el envejecimiento acelerado de algunos plásticos utilizados en la fabricación de luminarias, causando una decoloración significativa tras solo unos pocos años de uso. El policarbonato es particularmente susceptible a este problema, y ​​no es raro observar superficies de policarbonato relativamente nuevas, situadas cerca de la lámpara, que adquieren un color amarillo opaco en poco tiempo.

• Historia del alumbrado público en los Estados Unidos
• Lista de fuentes de luz
• Lámpara de ultra alto rendimiento

• Waymouth, John (1971). Lámparas de descarga eléctrica . Cambridge, MA: The MIT Press. ISBN 978-0-262-23048-3.
• Museo de la Tecnología de Lámparas Eléctricas

• Contenido multimedia relacionado con las lámparas de vapor de mercurio en Wikimedia Commons.