Fósforo é um termo geral para qualquer substância que possa emitir luz quando exposta a radiação ou campos elétricos. Ele é derivado da palavra grega “phosphoros”, que significa “portador de luz”. Os fósforos são geralmente semicondutores, que têm três bandas de energia: banda de valência, banda de condução e banda proibida.
A banda de valência é o nível de energia mais baixo onde os elétrons estão normalmente presentes. A banda de condução é o nível de energia mais alto onde os elétrons podem se mover livremente. A banda proibida é a lacuna entre as bandas de valência e de condução, onde nenhum elétron pode existir.
Os fósforos podem ser ativados pela adição de impurezas ou dopantes, que criam níveis de energia adicionais dentro da banda proibida. Esses níveis de energia atuam como armadilhas para elétrons ou buracos (cargas positivas) que são excitados por radiação ou campos elétricos. Quando esses elétrons ou buracos retornam aos seus estados originais, eles liberam energia na forma de fótons de luz.
Como o Revestimento de Fósforo Converte a Radiação UV em Luz Visível
O processo de conversão da radiação UV em luz visível pelo revestimento de fósforo é chamado de fluorescência. A fluorescência ocorre quando um átomo ou molécula absorve um fóton de radiação de alta energia e emite um fóton de radiação de menor energia. A diferença de energia entre o fóton absorvido e o fóton emitido é dissipada como calor.
O seguinte diagrama ilustra como a fluorescência funciona em um revestimento de fósforo feito de sulfeto de zinco (ZnS) dopado com prata (Ag) como ativador.
Modelo de Fósforo de Sulfeto de Zinco
A – B :- Salto do Elétron
B – E :- Migração do Elétron
E – D :- Salto do Elétron
D – C :- Salto do Elétron
A – C :- Migração do Buraco
Um fóton de radiação UV com comprimento de onda de 253,7 nm atinge o revestimento de fósforo e excita um elétron de um átomo de enxofre (S) para um átomo de zinco (Zn). Isso cria um buraco positivo na banda de valência e um íon negativo (Zn^-) com um elétron extra na banda de condução.
O elétron extra migra de um íon Zn^- para outro através da rede cristalina na banda de condução.
Enquanto isso, o buraco positivo se move de um átomo de S para outro na banda de valência até chegar a um átomo de Ag, que atua como uma armadilha.
O átomo de Ag captura o elétron do íon Zn^- próximo a ele e se torna neutro (Ag^0). Isso libera um fóton de luz visível com comprimento de onda maior que o fóton UV.
O elétron do átomo Ag^0 salta de volta ao átomo de S onde o buraco foi criado, completando o ciclo.
A cor da luz visível depende da diferença de energia entre o nível de armadilha de Ag e o nível de Zn^-. Diferentes dopantes podem criar diferentes níveis de armadilha e, portanto, diferentes cores. Por exemplo, o cobre (Cu) pode produzir luz verde, o manganês (Mn) pode produzir luz laranja, e o cádmio (Cd) pode produzir luz vermelha.
Tipos e Aplicações do Revestimento de Fósforo
Existem muitos tipos de revestimento de fósforo que podem ser usados em lâmpadas fluorescentes, dependendo da cor e da qualidade de luz desejadas. Alguns tipos comuns são:
Halofosfato: Esta é uma mistura de halofosfato de cálcio (Ca5(PO4)3X) e tungstato de magnésio (MgWO4), onde X pode ser flúor (F), cloro (Cl) ou bromo (Br). Produz luz branca com um tom amarelado ou azulado, dependendo da proporção de F para Cl ou Br. Tem um índice de reprodução de cor baixo, o que significa que não pode render cores com precisão. A eficácia da lâmpada é de cerca de 60 a 75 lm/W.
Tri-fósforo: Esta é uma mistura de três fósforos diferentes, cada um emitindo uma cor primária de vermelho, verde e azul. A combinação dessas cores produz luz branca com um índice de reprodução de cor alto, de 80 a 90, e uma eficácia de lâmpada de cerca de 80 a 100 lm/W. As lâmpadas tri-fósforo são mais caras que as lâmpadas de halofosfato, mas oferecem melhor qualidade de cor e eficiência energética.
Multi-fósforo: Esta é uma mistura de quatro ou mais fósforos, cada um emitindo uma cor diferente do espectro visível. O objetivo é criar uma distribuição espectral suave e contínua que imite a luz natural do dia. As lâmpadas multi-fósforo têm o índice de reprodução de cor mais alto, acima de 90, e uma eficácia de lâmpada de cerca de 90 a 110 lm/W. Elas também são o tipo mais caro de lâmpadas fluorescentes, mas fornecem o melhor desempenho de cor e conforto visual.
O revestimento de fósforo pode ser aplicado de diferentes maneiras, como pulverização, imersão ou deposição eletroforética. A espessura e a uniformidade do revestimento afetam a saída e a qualidade da luz da lâmpada. O revestimento de fósforo também pode degradar-se com o tempo devido à exposição ao calor, à umidade e à radiação UV, resultando em redução da luminosidade e mudança de cor.
O revestimento de fósforo é amplamente utilizado em várias aplicações que requerem iluminação de alta qualidade e eficiente em termos de energia, como:
Iluminação geral: O revestimento de fósforo pode fornecer luz branca com diferentes temperaturas de cor e índices de reprodução de cor, dependendo das necessidades e preferências dos usuários. Por exemplo, a luz branca quente (2700 a 3000 K) é adequada para ambientes residenciais e de hospitalidade, enquanto a luz branca fria (4000 a 5000 K) é preferida para escritórios e espaços comerciais.
Iluminação de exibição: O revestimento de fósforo pode melhorar a aparência e a atratividade de produtos e obras de arte, fornecendo cores vivas e precisas. Por exemplo, lâmpadas tri-fósforo ou multi-fósforo podem ser usadas para exibir frutas, legumes, carnes, flores, pinturas, etc.
Iluminação médica: O revestimento de fósforo pode melhorar a visibilidade e o diagnóstico de condições médicas, fornecendo luz de alta qualidade e com aspecto natural. Por exemplo, lâmpadas multi-fósforo podem ser usadas para procedimentos cirúrgicos, exames dentários, tratamentos de pele, etc.
Iluminação especializada: O revestimento de fósforo pode criar diversos efeitos e funções emitindo diferentes cores ou comprimentos de onda de luz. Por exemplo, lâmpadas de luz negra usam fósforos que emitem radiação UV que pode fazer certos materiais brilhar no escuro. Lâmpadas germicidas usam fósforos que emitem radiação UV-C que pode matar bactérias e vírus. Lâmpadas de crescimento usam fósforos que emitem luz vermelha e azul que podem estimular o crescimento de plantas.
Conclusão
O revestimento de fósforo é um componente essencial das lâmpadas fluorescentes que converte a radiação UV em luz visível. Ele determina a cor e a qualidade da luz produzida pela lâmpada. Existem diferentes tipos de revestimento de fósforo que podem ser usados para diferentes aplicações e propósitos. O revestimento de fósforo pode fornecer soluções de iluminação de alta performance e eficientes em termos de energia para diversas necessidades e preferências.
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