蛍光灯の放電について

Question

電球は熱くなるので無駄なエネルギーを消費しているといわれ、蛍光管は放電する欠点があるというしたがって電灯としては発光ダイオードがベストである、はわかるのですが。蛍光灯の放電とはどのような現象ですか。

kagakusuki · Accepted Answer

蛍光管の内部には低圧のガスと水銀が封入されていて、管内の両端には電極があります。
　この電極間に高電圧を加えると、通常は電流をあまり通さないガス中を、無理やり電流が流れます。
　これが放電です。
　一度放電が起ると、電流が流れた道筋にあるガスは温度が上がり、ガス中の原子の原子核とその周りを回っていた一部の電子の結びつきが切れて、ガスはプラズマになります。
　プラズマはガスと比べると電気抵抗が低いので、電圧があまり高くなくても(100Vでも)放電は持続するようになります。
　電流とは、電荷を持った粒子の流れのことで、金属やプラズマ中では、主に電子が流れています。
　この流れている電子が、ガス中に混ざりこんでいる水銀原子に衝突すると、電子の持っていたエネルギーで、紫外線が発せられます。
　紫外線は人間の目には見えない光で、そのままでは照明の役には立ちません。
　ですから蛍光管の内面には蛍光塗料というものが塗られています。
　蛍光塗料とは紫外線を吸収すると、可視光線を発する性質を持った物質を混ぜた塗料の事です。
　つまり蛍光管の内部では、
　電子のエネルギー⇒紫外線⇒可視光線
　というエネルギーの転換が行われているわけです。

　尚、放電することが何故欠点と言えるのか、私には判りません。
　(電極が消耗するからでしょうか?)

kagakusuki · Answer

>　正孔や余剰の電子がある所は一種の歪みであり、不安定なところがあります。
不安定であるという事は、エネルギーが高いという事でもあります。

　申し訳ありません。
　実を言うと、上記の説明は半分でたらめです。
　正孔や電子のエネルギーが高いのは確かですが、その理由は歪みであるからと言うだけではありません。
　ただ、それを説明するためには、量子力学から入って、パウリの排他原理、電子殻の構造、エネルギーバンド、等々を説明しなくてはならず。
　それらに関しても誤りの無い説明をしようとすると、ANo.4よりも長くなるため割愛致しました。
　もし、この辺りの事について、お知りになりたい場合は、半導体について判りやすく解説した専門書か、大学の教科書レベルの本で、勉強される必要があります。
　もしかすると、上記の単語の1つ毎に関してならば、【物理学】のカテゴリーで質問されれば、多少の予備知識は得られるかもしれません。

kagakusuki · Answer

>発光ダイオードと比べるとどうなるのでしょう？

　半導体には、シリコンやゲルマニウムといった、「各原子が原子同士の結合に関る電子を4個持っている」元素が使われています。
　中にはガリウム-ヒ素(ヒ化ガリウム)のように、結合に関る電子が、3個のものと5個のものの化合物を使っている場合もあります。
　半導体を電子回路の素子の材料として使う場合には、上記のような物質に微量の混ぜ物を加えて、性質を変化させています。
　結合に関る電子が5個ある物質を混ぜ物に使うと、混ぜ物の原子のある所では、その周囲よりも電子が1個余ります。
　これをN型半導体と呼びます。
　結合に関る電子が3個ある物質を混ぜ物に使うと、混ぜ物の原子のある所では、その周囲よりも電子が1個足りなくなります。
　これをP型半導体と呼びます。
　P型半導体に電圧を加えると、電子の足りない所の隣にある原子から、電子が移動して、混ぜ物の原子の周りの電子が4個になり、代わりに隣の原子の周りの電子が、1個足りなくなります。
　こうして、電子の足りない所は半導体中を移動する事が出来ます。
　電子は負の電荷を持つ粒子なので、この電子の足りない所は、その周りにある電気的に中性な原子から見ると、正の電荷を持っていることになります。
　これを正孔と呼びます。
　さて、半導体の結晶を作る時に、結晶中の場所によって混ぜるものを変えることで、片方がP型半導体、もう片方がN型半導体になった結晶を作り、これを素子として使ったものをダイオードと呼びます。
　ダイオードのP型半導体がプラス、N型半導体がマイナスになるように電圧を加えると、P型半導体の中の電子は繋いだ電線の方に流れ出し、次々と正孔が出来、生まれた正孔はマイナスの電気を帯びたN型半導体の方に移動して行きます。
　一方、N型半導体には繋いだ電線から次々と電子が流れ込み、電子はプラスの電気を帯びたP型半導体の方に移動して行きます。
　そうしてP型半導体とN型半導体の境界で、正孔と余剰の電子が出会うと、お互いに埋め合わさって消滅します。
　正孔や余剰の電子がある所は一種の歪みであり、不安定なところがあります。
不安定であるという事は、エネルギーが高いという事でもあります。
　従って、正孔と余剰の電子が消滅すると、エネルギーが解放されます。
　この時、解放されるエネルギーは、熱の形ではなく、直接光として放出されます。
　これが発光ダイオードの原理で、電気エネルギーが直接光に変わるので、効率が高いのです。
　もっとも、半導体の内部で、結晶に吸収されてしまう光もありますから、効率は100％にはなりません。
　それでも、電気抵抗の高いガスに電流を流したり、電子の全てが水銀原子に衝突するわけではない、蛍光灯よりは効率は高くなります。(発光ダイオードの設計によって違ってきますが)

参考ＵＲＬ
http://www.kictec.co.jp/solar/GENRI/Led1.htm
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/semi_cnd/semi_cnd.html
http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/led/
http://www2.broog.com/report/kyo2.htm

First_Noel · Answer

放電にもいろいろあるのですが，蛍光灯の中はグロー放電です．
グロー放電の特徴は，電圧は高いのですが，電流値はとても小さく，
従って電球より消費電力は一般に小さいです．

細かく言えば，グロー放電にも正常グローと異常グローがあり，蛍光灯は前者です．

グローの他には，タウンゼント放電，アーク放電，と言う放電形態があります．

HIRO_Y · Answer

簡単に話しますと，蛍光灯のなかで放電がおこります。放電とは電気が飛ぶことです。蛍光灯の管の中には放電しやすいようにガスが入っています。

　それで放電した電子が蛍光灯のガラスの表面に塗ってある蛍光塗料に衝突して，照明が点灯する。こんな感じです。

蛍光灯の放電について

蛍光管の内部には低圧のガスと水銀が封入されていて、管内の両端には電極があります。

> 正孔や余剰の電子がある所は一種の歪みであり、不安定なところがあります。

>発光ダイオードと比べるとどうなるのでしょう？

放電にもいろいろあるのですが，蛍光灯の中はグロー放電です．

簡単に話しますと，蛍光灯のなかで放電がおこります。

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　蛍光管の内部には低圧のガスと水銀が封入されていて、管内の両端には電極があります。

>　正孔や余剰の電子がある所は一種の歪みであり、不安定なところがあります。

　簡単に話しますと，蛍光灯のなかで放電がおこります。