El rincón de la Ciencia I.S.S.N.: 1579-1149

nº 41 (junio-2007)

¿Cómo funciona un tubo fluorecente? Preguntas y respuestas (RC-103)


Fernando Parias.


Los tubos fluorescentes son, como su propio nombre indica, tubos (pues si que empezamos bien, eso ya lo sabíais ¿verdad?), pero estos tubos están realizados con vidrio, y aquí viene la primera novedad: que es necesario que se fabriquen con vidrio. La explicación no es solamente que el vidrio sea transparente y aislante, porque el cristal de cuarzo también lo es y no serviría. El motivo es que el cristal de cuarzo NO ABSORBE las radiaciones ultravioletas mientras que el vidrio SI, de esta forma evitamos que salgan del tubo.

De lo anterior se deduce que los fluorescentes trabajan en la zona ultravioleta del espectro luminoso. Pero vamos a ver, si se nos ha dicho que el ojo humano no es sensible a esas longitudes de onda, entonces ¿para que se utilizan en el fluorescente?. Bien la contestación a esta pregunta necesita un poco de reflexión.

No es que se buscara esa zona del espectro por diseño, sino que ha sido impuesta por el gas que esta contenido en el interior del tubo, aunque en realidad no es un gas sino vapor, (esto es un pequeño lío y os estoy rayando ¿O no?), la cuestión es que el susodicho vapor proviene de un metal muy conocido y que está, en condiciones normales, en estado líquido, es decir el mercurio.

El porqué de la imposición en el uso del mercurio es muy sencilla, se necesita una cantidad constante de gas dentro del tubo para que no varíen sus características eléctricas de conductibilidad, y si el tubo esta herméticamente cerrado, ¿cómo se puede rellenar desde el exterior con gas cuando varíe su concentración por acción de la temperatura?. Por cierto, si a alguien se le ocurre otro sistema para conseguir esto, que lo patente porque se hace de oro, puesto que el mercurio es tóxico y se tiende a evitar su uso.

¿Y como hace el mercurio para controlar la cantidad de vapor que existe en el interior?. Buena pregunta, y en realidad es muy sencilla la contestación, simplemente se evapora en función de la presión que reina en el interior. Y esta presión esta calculada para que la cantidad de mercurio que se introduce dentro del tubo sea suficiente para encontrar el equilibrio. Cuando la presión baja, la presión del vapor de mercurio es mayor que la del tubo y se evapora restableciendo el equilibrio, y al contrario, si la presión sube, el exceso de vapor se condensa. Una vez que sabemos el porqué del mercurio, veamos, ahora sí, el funcionamiento eléctrico.

El vapor de mercurio se comporta como un aislante y por tanto no conduce la corriente eléctrica. Se necesita encontrar un método que lo vuelva conductor. Para entenderlo bien os pongo un ejemplo: el aire se comporta como un aislante, tiene una tensión de disrrupción de 30000 Voltios / cm. es decir, que soporta 30000 voltios entre dos electrodos separados un centímetro sin que SALTE ARCO ELECTRICO, y sin embargo todos hemos visto alguna vez caer un rayo desde las nubes a la tierra y ¡no están precisamente cerca!.

Dentro del tubo fluorescente no hay que llegar a la zona de salto de arco, puesto que entonces la resistencia del vapor se haría muy pequeña, sino que debemos hacer que se vuelva un poco conductor. Esto se consigue excitando a los electrones mas externos del vapor consiguiendo que salten a capas mas energéticas. Una vez conseguido esto, se produce una especie de efecto avalancha: los electrones excitados al retornar a sus posiciones originales emiten ondas electromagnéticas que a su vez comunican energía a los electrones de los átomos vecinos, preescitandoles, con lo que es necesario menos energía para llevarles a la capa de conducción.

Ahora nos encontramos con otro pequeño problema, (no os dejéis engañar, que en la resolución de estos problemas es donde reside la belleza de la  ciencia y la tecnología, y no es un handicap sino un acicate), el campo eléctrico necesario para conseguir excitar los electrones está por encima de los 311 voltios máximos que en teoría tiene una onda senoidal de 220 voltios de tensión eficaz, es decir, la tensión estándar de la red eléctrica, por lo que no es posible excitar los electrones mediante esa tensión.

Para resolver este problema se utiliza un sistema ingenioso y muy sencillo, el efecto termoiónico. Se aprecia en la imagen que en los extremos del tubo existen dos filamentos, estos filamentos están recubiertos de bismuto, un metal que emite electrones fácilmente al ser calentado. Y ya está, hemos encontrado la forma de disponer de electrones libres que emiten radiación ultravioleta al ser capturados por los átomos del vapor y que consiguen preexcitar los electrones de los átomos vecinos. Ya hemos conseguido el efecto avalancha, con lo que la tensión de la red eléctrica es ahora capaz de mantener la creación de esos electrones.

Para calentar los filamentos se utiliza el cebador que es un elemento constituido por una lámina bimetálica que al ser atravesado por una corriente eléctrica, y debido al efecto Joule, se calienta, provocando la dilatación de sus láminas, y como están realizadas con metales diferentes tienen diferentes factores de dilatación. ¿Que produce esto?, pues que un metal se dilate mas que el otro y por tanto obligue a que el conjunto se arquee, provocando la apertura del circuito eléctrico con lo que deja de pasar corriente por los filamentos y estos dejan de generar electrones térmicos.  Lo dejamos por ahora aquí.

Recapitulemos, tenemos un sistema en el cual existen electrones libres que al ser capturados emiten radiación ultravioleta, que a su vez preexcita a otros electrones que son arrancados de sus orbitas por un campo eléctrico existente. Solo nos queda convertir el ultravioleta en radiación visible, y tendremos completado el tubo. El encargado de ello es el fósforo, entre otras sustancias.

El fósforo es esa capa interna que le da la tonalidad blanca a los tubos, y esta recubriendo la superficie interna del tubo. Cuando la radiación ultravioleta choca con los átomos de fósforo, los excita y hace que salten a capas mas energéticas.  Devuelven parte de esa energía al ser capturados por los átomos vecinos o al volver a su capa de origen, y esa energía que devuelven si esta dentro del rango de la luz visible.

¿Y para que sirve la reactancia?, pues sirve para elevar la tensión en el inicio del cebado del tubo para que se produzca la avalancha. La reactancia es una inductancia (una bobina), que almacena energía en forma de campo magnético según siendo L la inductancia e I la intensidad. En el instante que el cebador abre el circuito, toda la energía almacenada en la bobina crea una tensión suficientemente elevada como para mantener el ciclo de avalancha antes citado.

Una vez que se establece la circulación de corriente, se debe mantener esta dentro de los límites de disipación de potencia dentro del tubo, puesto que el vapor en estado de conducción, tiene una tensión de mantenimiento de unos 50 voltios, y los 220 voltios son excesivos. Aquí viene la otra función de la reactancia, actuar como limitador de corriente para que caiga en ella el exceso de voltaje. Pero como estamos ante corriente senoidal no caerá la suma algebraica sino vectorial, ...., pero no me enrollo mas porque eso es harina de costal, entraríamos en el tema de los números complejos y se sale de las pretensiones de este artículo.