theme_low_nl.jpg
navigation_hor.gif
wp66c4f79a.png
wpc93c757f.png
wp6ae220f8.png

wp433bb93d.png

wpb0070428.png

wp70b65a1c.png

wpcd57c3be.png

wpb1655a51.png

wp64990778.png

wpd61a112e.png

View this site in English

wp2e1cdf6b.gif
wpd5013b37.gif
wpe515f21e.gif

gasdruk en temperatuur

veldsterkte

boogontlading

glimontlading

donkere ontlading

botsende elektronen

ultraviolet emissie

extralicht/zonvervangers/ ultraviolet-emissie

de temperatuur van de zon

de temperatuur van de zon
Aan de wetten van Wien en Stefan-Boltzmann (zie infrarood-emissie) valt eenvoudig te zien dat het mogelijk zou moeten zijn om zoveel energie toe te voeren aan materie dat deze bij oplopende temperaturen eerste een deel blauw licht en vervolgens ook ultraviolette straling af gaat geven. In de processen aan de oppervlakte van de zon treedt dit verschijnsel inderdaad op en een deel van de ongeveer vier procent aan ultraviolette straling in zonlicht valt aan dit effect toe te schrijven. Het gemeten

en48x32.gif
wp8e22e2d8.png

golflengtemaximum van ongefilterd zonlicht ligt rond de 500 nanometer en is dus groen van kleur (zie elektromagnetisch spectrum). Dat wij de kleur van de zon als geel ervaren, heeft te maken met filtering en een relatief grote verstrooiing van blauw licht door de atmosfeer maar ook met een relatief grote gevoeligheid van onze ogen voor geel

wpbeda2bae.jpg

licht. Uit de verschuivingswet van Wien volgt uit het golflengtemaximum van 500 nm een effectieve temperatuur van ca. 5800K. In een normale gloeilamp blijft de temperatuur echter beperkt tot zo'n 2800K en de ultraviolette straling van een gloeilamp blijft daardoor eveneens beperkt tot hoogstens een paar tiende procenten van de totale door de gloeidraad uitgezonden elektromagnetische straling.

wpd9f52a5e.gif

© copyright 2005-2016 - extralicht.nl
v3.33

veldsterkte
Wat in de voorgaande paragrafen buiten beschouwing is gebleven, is de invloed van de gasdruk, de temperatuur en de veldsterkte op de processen in de ontladingsbuis. Deze grootheden zijn echter van cruciaal belang voor de aard- en effectiviteit van een gasontlading. Bij te weinig gasatomen of -moleculen (een lage gasdruk) komt de ontlading niet op gang of vinden er weinig botsingen plaats waardoor er ook weinig elektromagnetische (ultraviolette) straling wordt geproduceerd. Bij teveel gasatomen- of moleculen (een hoge gasdruk) hebben de vrije elektronen onvoldoende gelegenheid om snelheid te ontwikkelen en zullen er voornamelijk elastische botsingen plaatsvinden. Een belangrijke grootheid in dit verband is de gemiddelde vrije weg L die aangeeft welke afstand een elektron gemiddeld in de lengterichting van een elektrisch veld kan doorlopen zonder in botsing te komen met een gasatoom. In een rekenvoorbeeld: De ionisatie energie van kwik is ongeveer 10 eV. De gemiddelde veldsterkte F is de spanning UL tussen kathode en anode, gedeeld door d, de afstand tussen kathode en anode. Als UL=500 volt en d=2 cm dan is F gelijk aan 500/0,02 = 25.000 V/m. Om een kwikatoom te kunnen ioniseren, zou een elektron in dat veld dan een botsingsvrij traject L nodig hebben van (10 V)/(25.000 V/m) ofwel 0,4 mm. Op atoomschaal gemeten is dit een lange weg die alleen gehaald kan worden in een atmosfeer waar maar weinig gasatomen aanwezig zijn dus bij een lage gasdruk. In de praktijk zijn de waarden echter gunstiger omdat het veldsterkteverloop tussen kathode en anode niet lineair is. De grootste spanningsval vindt plaats direct na de kathode in een gebied in de orde van één tot enkele millimeters. Hier vinden dan ook de eerste en meeste ionisaties plaats en hiervandaan bewegen zich de meeste ionen naar de kathode om daar nieuwe elektronen vrij te maken. Bij een rustige glimontlading kan in dit ionisatiegebied nog een specifiek lichteffect zichtbaar zijn, veroorzaakt door recombinaties van elektronen die net in de eerste botsing hun energie zijn kwijtgeraakt met atomen die net geïoniseerd zijn en nog weinig snelheid hebben opgebouwd richting kathode. Bij een boogontlading verdwijnt dit verschijnsel in het geweld van de thermische emissie van de kathode. Na het eerste ionisatiegebied neemt de spanningsval tot vlak bij de anode slechts weinig af. De veldsterkte is hier net genoeg om een kolom van heet gas (plasma) te vormen waarin in een delicaat evenwicht voortdurend ionisaties optreden en het is deze kolom die verantwoordelijk is voor de afgifte van de gewenste ultraviolette straling.

gasdruk en temperatuur
Bij een lage gasdruk wordt de ionisatie in de plasmakolom voornamelijk veroorzaakt door botsingen tussen vrije elektronen en gas atomen. De temperatuur van de vrije elektronen kan zeer hoog zijn maar omdat de massa van de atomen veel groter is en omdat slechts een beperkt deel van de atomen geïoniseerd raakt, zal de gemiddelde gastemperatuur slechts weinig stijgen. Een voorbeeld van de toepassing van lagedruk gasontlading zijn lampen van het

wpc8bcf6c5.jpg

Cooper-Hewitt type waarvan de kathode gevormd wordt door een relatief grote poel kwik in een vacuüm gezogen buis. De boogontlading vindt plaats tussen een hotspot op het oppervlak van de poel en de anode. Op de hotspot verdampt het kwik maar de kwikdamp condenseert weer in het koelere anodedeel van de buis en loopt vandaar terug naar de kwikpoel. Een

goede warmteafvoer is daarbij essentieel omdat de gasdruk toeneemt met de temperatuur. Stroombegrenzing zorgt er voor dat de werktemperatuur zo laag blijft dat niet al het kwik van de kathode verdampt. De atmosfeer binnen de ontladingsbuis is dan verzadigd met kwikdamp en dit type UV-straler wordt dan ook wel verzadigingslamp genoemd. Bij lampen die werken met een hogere gasdruk zou, door de afname van de gemiddelde vrije weg, het aantal ionisaties afnemen als er geen andere maatregelen werden genomen. De afname kan worden gecompenseerd door een verhoging van de spanning en daarmee van de veldsterkte. De gewenste ionisatiespanningen worden dan weer bereikt maar het aantal botsingen is nu veel groter waardoor ook de temperatuur van het gas zal toenemen. Omdat de druk p evenredig is met de absolute temperatuur T volgens de formule p=nkT (waarin n het aantal gasatomen en k de constante van Boltzmann) zullen druk en temperatuur blijven stijgen tot er een nieuw thermisch evenwicht wordt bereikt. Het merendeel van de ionisaties is nu het gevolg van thermische uitstoot van elektronen in de plasmakolom en door deze extra elektronen hoeft de veldsterkte dan ook niet evenredig groter te worden om de toegenomen gasdruk te compenseren. Bij gasontladingen onder lage druk en verzadigde kwikdamp vindt het proces van ionisatie plaats over de hele doorsnede van de

ontladingsbuis. Bij hogere druk verplaatst het proces zich naar de kern van de buis waardoor er tussen de vlamboog en de wand van de buis een thermisch isolerend vacuüm ontstaat waardoor de temperatuur van de vlamboog kan oplopen tot zo'n 6000 ºC, veel hoger dus dan het smeltpunt van de omhullende buis. Het aanwezige kwik in een hoge-

botsende elektronen
Een veel effectievere manier om op kunstmatige wijze ultraviolette straling op te wekken, is om gebruik te maken van gasontlading. Het principe daarvan berust op het aanbrengen van een potentiaalverschil tussen twee geleiders (elektroden) die door lucht of een ander gasvormig medium van elkaar gescheiden zijn. Bij voldoende hoge spanning kan er een continue vonkoverslag plaatsvinden tussen de twee elektroden waarbij een sterke elektromagnetische straling wordt afgegeven. Van nature kan een dergelijke lichtboog al een flinke component ultraviolette straling bevatten en door een juiste samenstelling van het gasmedium en/of de elektroden kan deze UV-straling nog verder verhoogd worden. Hoewel elektrische gasontlading, in zijn natuurlijke vorm als bliksem, ouder is dan de mensheid zelf, is het mechanisme erachter pas in de eerste helft van de 19e eeuw enigszins duidelijk geworden. Bij een gasontlading wordt een groot deel van de lading getransporteerd door elektronen in een proces dat vergelijkbaar is met dat van elektrische stromen in vaste stoffen (zie infrarood-emissie). Anders dan bij vaste stoffen echter, blijven de elektronen niet in de geleidingsbaan van hun atoom maar worden ze daar door botsingen met andere elektronen uit vrijgemaakt. De kern van het achterblijvende atoom heeft een positieve lading die gelijk is aan de negatieve lading van zijn elektronen samen. Door het ontbreken van een elektron krijgt het overblijvende atoom dus per saldo een positieve lading. Een dergelijk positief geladen atoom wordt een ion genoemd. Deze ionen zijn niet, zoals bij vaste stoffen, aan een rooster gebonden maar kunnen vrijelijk bewegen en daardoor bijdragen aan het transport van lading, zij het met tegengestelde polariteit en in tegengestelde richting als een elektron. In zijn meest eenvoudige vorm vindt de gasontlading plaats tussen twee elektroden die aan de uiteinden van een aan beide zijden afgesloten glazen buis zijn aangebracht. Over de elektroden wordt een gelijkspanning aangebracht waarbij de negatieve elektrode de

kathode en de positieve elektrode de anode wordt genoemd (onthou KNAP: Kathode Negatief, Anode Positief). De spanning veroorzaakt een elektrisch veld tussen de elektroden. Dit veld oefent kracht uit op de elektronen van de kathode en tracht ze naar de anode te trekken. Bij voldoende hoge veldsterkte kunnen er inderdaad elektronen worden

losgerukt uit de kathode en als de afgesloten buis volledig vacuüm zou zijn, zouden deze zich ongehinderd en met steeds toenemende snelheid naar de anode bewegen om daar, onder afgifte van elektromagnetische straling, op te gaan in het materiaal van de anode. Dit levert echter niet de ultraviolette straling op die nodig is om een hoogtezon te maken. Om dat te bereiken wordt de buis gevuld met een gas. Er treden dan botsingen op tussen de uit de kathode vrijgemaakte elektronen en de gasatomen. De manier waarop een dergelijke botsing zal verlopen, is onvoorspelbaar maar er zijn een beperkt aantal mogelijkheden. Als de botsing met weinig energie plaatsvindt, zal het gasatoom even uit balans raken maar verder geen verandering ondergaan. Een dergelijke elastische botsing vindt daar plaats waar het vrije elektron nog onvoldoende snelheid heeft weten te winnen. Bij een botsing met meer energie kan een elektron van het atoom worden aangeslagen ofwel in een hogere energiebaan worden gebracht. Dit kan op verschillende manieren gebeuren en de meeste van de hieruit ontstane toestanden zijn instabiel en het elektron zal snel terugvallen in zijn oorspronkelijke baan. Bij het terugvallen, geeft het elektron elektromagnetische straling af in de vorm van een foton waarvan de golflengte volgens de wet van Planck karakteristiek is voor de betreffende energiesprong (zie infrarood-emissie). Sommige energietoestanden zijn echter metastabiel, dat wil zeggen dat het elektron zich enige tijd in zijn nieuwe baan kan handhaven. Als het elektron, voor dat dat gebeurt, opnieuw in botsing komt met een vrij elektron, kan het in een nog hogere energiebaan terechtkomen of het gasatoom zelfs geheel verlaten. Het atoom wordt dan geïoniseerd en krijgt netto een positieve lading. Ionisatie kan ook bij een enkele botsing optreden als de kinetische energie van het botsende vrije elektron voldoende groot is. Na een dergelijke ionisatie zijn er dan twee vrije elektronen die ieder in het elektrische veld weer snelheid kunnen opdoen en deelnemen aan het botsingsproces. Tenslotte kan in een relatief klein aantal gevallen het vrije elektron wordt ingevangen door een bij eerdere botsingen geïoniseerd atoom en daar de plaats van een ontbrekend elektron innemen, wederom onder afgifte van een foton met een karakteristieke elektromagnetische straling. Bij voldoende aantallen vrije elektronen en gasatomen zullen alle mogelijke soorten botsingen en bijbehorende energiesprongen zich voordoen waarbij er onder gegeven omstandigheden steeds een bijbehorende kansverdeling is op het voorkomen van de verschillende botsingsvarianten. Veranderen de omstandigheden zoals bijvoorbeeld de gasdruk of de temperatuur dan blijft het aantal mogelijke varianten gelijk maar zal de kansverdeling tussen het voorkomen van de verschillende varianten veranderen. Iedere energiesprong heeft daarbij zijn eigen karakteristieke elektromagnetische straling en het emissiespectrum van een gasontladingslamp bevat daardoor een aantal duidelijke pieken

wp5a98eabe.jpg

(een lijnspectrum), dit in tegenstelling tot het continuespectrum van een gloeiend voorwerp dat wel een maximum maar geen afzonderlijke pieken kent. Het is voor de constructie van een hoogtezon nu de kunst om een gas te gebruiken waarvan de golflengte van één of meerdere veel voorkomende energiesprongen in het ultraviolette

gebied ligt. Kwikdamp voldoet aan deze voorwaarde met energiesprongen waarvan de corresponderende golflengtes 365 en 313 nanometer bedragen.

gasontlading.jpg

donkere ontlading
Bij een gloeidraad neemt de elektrische weerstand bij oplopende temperatuur toe. Dit zorgt er voor dat de stroom door een gloeidraad zich stabiliseert indien er een spanning over wordt aangelegd (zie infrarood-emissie). Bij een gasontladingsbuis treedt deze stabilisatie niet altijd op. Afhankelijk van het soort ontlading dat plaatsvindt, kan de weerstand bij toenemende stroom en temperatuur zowel toe- als afnemen. Als dat laatste het geval is, gaat er dus bij gelijkblijvende spanning meer stroom lopen en ook de temperatuur van het gas neemt toe. De weerstand neemt daardoor verder af waardoor er opnieuw meer stroom gaat lopen. Dit proces gaat door totdat de stroom en de temperatuur zo zijn toegenomen dat de buis of de elektroden het begeven. Om deze kettingreactie tijdig te stoppen, zal de stroom dus begrensd moeten worden en de meest eenvoudige manier om dat te bereiken is het in serie schakelen van een belasting waarvan de weerstand bij toenemende stroom en/of temperatuur groter wordt of op zijn minst gelijk blijft (zie elektrische schakelingen). In de

wp1703b634.jpg

figuur hiernaast is een vereenvoudigde weergave van een stroom-spannings-karakteristiek van een ontladingsbuis gegeven. Voor een goed begrip is de karakteristiek hier en daar disproportioneel weergegeven om de verschillende ontladingsvormen in één grafiek zichtbaar te krijgen. Bij een weergave op schaal zou steeds minstens één van de overgangen niet goed zichtbaar zijn. Ook zijn de overgangen rond D en G scherper weergegeven dan in

werkelijkheid het geval is. De diagonale rechte lijnen representeren de stroom-spannings-karakteristiek van een in serie geschakelde weerstand bij verschillende waardes van U. Bij I=0 is ook UR nul en bij UL=0 is UR gelijk aan de voedingsspanning U en loopt volgens de wet van Ohm de maximale stroom U/R door de weerstand. In een stabiele situatie F is UR gelijk aan U minus UL en dat is steeds op het snijpunt van de beide karakteristieken. Indien de voedingsspanning nul is, is er geen elektrisch veld en loopt er geen stroom door de ontladingsbuis. Dit is punt A in de karakteristiek. In de buis wordt echter wel voortdurend een beperkt aantal elektronen vrijgemaakt door de altijd aanwezige gamma- en kosmische straling. Wordt er nu een minimale voedingsspanning over de weerstand en de ontladingsbuis aangebracht dan ontstaat

er een zwak elektrisch veld en zullen de vrije elektronen zich onder invloed van dit veld in de richting van de anode gaan bewegen. In punt B van de karakteristiek is deze stroom maximaal geworden. Het aantal vrije elektronen is nu alleen afhankelijk van de achtergrondstraling en verder verhogen van de spanning heeft tot aan punt C geen toename van deze stroom tot gevolg. Er is in deze situatie sprake van een donkere- of Townsend ontlading, genoemd naar de wetenschapper John S. Townsend die naar dit fenomeen veel onderzoek heeft gedaan.

Townsend.jpg

glimontlading
Als er sprake is van een donkere ontlading en de spanning wordt verder opgevoerd dan zullen de elektronen zich tengevolge van de toenemende veldsterkte met steeds groter snelheid in de richting van de anode gaan bewegen en met steeds hogere energie in botsing komen met gasatomen die zij op hun weg tegenkomen. Bij punt B in de stroom-spanningskarakteristiek is het merendeel van deze botsingen nog elastisch maar vanaf punt C worden sommige elektronen van de bij de botsingen betrokken atomen in een hogere energietoestand gebracht (aangeslagen). Bij een deel van deze botsingen kan zelfs een elektron uit de invloedssfeer van het atoom worden gestoten en op zijn beurt op weg gaan naar de anode. Als ook dit elektron voldoende energie krijgt om weer een volgend elektron vrij te maken, zullen uiteindelijk opeenvolgende lawines van elektronen ontstaan. Er is sprake van onregelmatige, individuele ontladingen waarvan het aantal per tijdseenheid een maat is voor de achtergrondstraling en het is dit type ontlading waarvan in een Geiger-Müller buis gebruik wordt gemaakt om radioactieve straling te meten. Een ander effect van de elektronenlawines zijn achterblijvende wolken geïoniseerde atomen die zich onder invloed van het elektrische veld in de richting van de kathode gaan bewegen en er uiteindelijk mee in botsing komen. Bij een klein deel van deze botsingen worden elektronen uit de kathode vrijgemaakt die, net als de elektronen die door de achtergrondstraling werden vrijgemaakt, onder invloed van het elektrische veld op weg gaan naar de anode. Het aantal ontladingslawines neemt daardoor verder toe totdat in punt D van de grafiek het punt wordt bereikt waarop er voldoende elektronen uit de kathode vrijkomen om het lawineproces continue en onafhankelijk van de achtergrondstraling in gang te houden. Het pad tussen kathode en anode wordt nu geleidend en de spanning over de ontladingsbuis neemt met een sprong af tot E. De bij punt D behorende spanning waarbij dit gebeurt, heet de vonkspanning. De stroom door en de spanning over de ontladingsbuis zullen zich nu stabiliseren in punt D' en de donkere ontlading is overgegaan in een zogenaamde glimontlading. Een glimontlading wordt gekenmerkt door een lage stroomsterkte, een hoge spanning en een relatief rustig ontladingsproces. De temperatuur van de kathode stijgt niet of nauwelijks door het beperkte maar voortdurende bombardement van de ionen die net genoeg elektronen vrijmaken om de glimontlading instand te houden. Er is sprake van een zogenaamde koude kathode emissie en dit proces

wpe304b382.jpg

wordt onder andere toegepast bij de overbekende reclameverlichting waar onze steden mee versierd zijn, een toepassing uit 1911 van Georges Claude. Ook sommige

glimontlading.jpg

zo wordt gekozen dat de ontlading begrensd wordt tot de gewenste glimontlading. De intensiteit per buislengte van de afgegeven ultraviolette straling is bij een glimontlading minder dan bij een boogontlading. Dit wordt deels gecompenseerd door de langere buislengte die bij glimontlading mogelijk is. Een bijzondere vorm van glimontlading

kan worden aangetroffen in hoogtezonnen van het merk Sun-Kraft. Deze firma gebruikte met kwikdamp gevulde ontladingsbuizen zonder elektrodes waarvan de kwikatomen werden geïoniseerd door de buis in een elektromagnetisch veld te plaatsen, een concept dat reeds in 1893 door Nikola Tesla gedemonstreerd was. Het veld werd opgewekt door een hoogfrequent oscillator en omdat elektrodes ontbraken, was de levensduur van deze ontladingsbuizen vrijwel onbeperkt zolang er geen mechanische breuk optrad. Tenslotte

wpaa2aa4ff.jpg

speelt glimontlading een belangrijke rol in automatische starters voor TL-buizen (zie elektrische schakelingen) die, behalve voor verlichting, ook veelvuldig worden toegepast in gezichtsbruiners en in armaturen voor lichttherapie.

hoogtezonnen maken gebruik van glimontlading waarbij een kwartsglazen buis wordt gevuld met kwikdamp en de voorbelasting

boogontlading
Bij verder oplopende spanning en veldsterkte wordt het botsingsproces van de elektronen op de gasatomen en op de anode en van de gasionen op de kathode steeds heftiger en de temperatuur van het gas en de elektroden nemen toe. Rond punt G wordt dan een punt bereikt waarop de kathode onder het voortdurende ionenbombardement plaatselijk gaat gloeien en er, net als bij de gloeidraad van een gloeilamp, elektronen worden uitgestoten door thermische emissie. Bij een gloeilamp is deze thermische emissie ongewenst en wordt daarom zoveel mogelijk tegengegaan. Bij een gasontladingsbuis is het ontstaan van een plaatselijke gloeiing van de kathode juist een voorwaarde om een boogontlading tot stand te brengen. De omgeving van de door het gloeien ontstane hotspot bevat veel elektronen die door hun negatieve lading de positief geladen ionen aantrekken. Een deel van deze ionen zal recombineren met de elektronen rond de kathode maar het merendeel zal op de kathode botsen en daarmee de intensiteit van de hotspot verder verhogen. Opnieuw onstaat daarmee een kettingreactie die al snel de hele kathode zal doen opgloeien en de relatief rustige glimontlading gaat vanaf punt G in de grafiek vrij plotseling over in een boogontlading. Een

wp7a7e7e1b.jpg

boogontlading wordt  gekenmerkt door een hoge stroomsterkte, een lage spanning over de ontladingsbuis en een veel heftiger ontladingsproces dan bij een glimontlading. Er is vooral sprake van thermische elektronenemissie door de kathode. Zijn naam ontleent de boogontlading aan het verschijnsel dat een continue horizontale vonkboog onder

waardoor de spanning over de ontladingsbuis nog verder afneemt. In punt G'' is de spanningsafname bij toenemende stroom minder groot geworden en de spanningstoename over de weerstand gaat nu de spanningsafname over de buis compenseren. De stroom blijft echter toenemen omdat de som van de spanning over de buis en de weerstand nog steeds kleiner is dan de voedingsspanning U. Pas in punt G' wordt het evenwicht hersteld en vanaf daar is bij een verdere stroomtoename de spanningstoename over de weerstand groter dan de spanningsafname over de buis. De stroomtoename wordt daardoor tegengewerkt en stroom en spanning stabiliseren zich in G'. Wat in de grafiek niet tot uiting komt, is dat de stroom-spanningskarakteristiek van de ontladingsbuis ook afhankelijk is van de werktemperatuur. Ook hierin zit een versterkend element. Bij hogere temperaturen worden er meer elektronen vrijgemaakt en ontstaan er meer en heftiger botsingen waardoor er wederom meer elektronen worden vrijgemaakt. Door dit proces kan het nog wel één tot enkele minuten duren voordat de ontladingsbuis zijn uiteindelijke stationaire werkpunt heeft bereikt waarin sprake is van een stabiele continue boogontlading bij een gelijkblijvende werktemperatuur. Om te voorkomen dat de boogontlading door fluctuaties in de externe condities terugvalt naar een glimontlading wordt de voedingsspanning verhoogd tot het werkpunt H in de eerder getoonde grafiek. De hoogtezon doet zijn werk.

Sperti_Sun-Valley-PT9C.jpg

atmosferische omstandigheden enigszins naar boven wordt afgebogen onder invloed van de opstijgende opgewarmde lucht eromheen. Het werkpunt van de stroom zal zich in eerste instantie spontaan inregelen op G' en het achterliggende mechanisme

daarvan is in de figuur hiernaast nog eens grafisch weergegeven. Vanaf punt G heeft een kleine stroomtoename een grote spanningsafname over de ontladingsbuis tot gevolg. De spanning over de weerstand neemt door de toegenomen stroom wel iets toe, maar onvoldoende om de spanningsdaling over de ontladingsbuis te compenseren. De voeding U zal het spanningsverschil trachten te vereffenen door meer stroom te leveren

gasontladingslamp.jpg

druk ontladingsbuis is beperkt tot een druppel van maximaal een paar honderd milligram die door de hoge temperatuur in de buis volledig zal verdampen.

wpb50bd1b1.png