¿Cómo hace exactamente una bobina de Tesla que brille la luz fluorescente?

Los fotones de radiofrecuencia emitidos por una bobina de Tesla tienen una energía demasiado baja para excitar directamente a los átomos para que emitan fotones visibles (~2 eV) o UV (~6 eV). Un fotón de radio de 1 MHz ($h\nu=4\times 10^{-9}eV$) también tiene una energía demasiado baja para ionizar un átomo que requiere ~ 10 eV.

Lo que realmente sucede es que el campo eléctrico cercano de la bobina de Tesla acelera los electrones libres en el gas a baja presión del tubo. Estos electrones recogen suficiente energía antes de chocar con otro átomo de gas que ionizan ese átomo de gas. Luego, los electrones ionizados se aceleran y ionizan más átomos. Cuando los electrones vuelven a caer sobre los átomos ionizados, se emite luz visible (como en un tubo lleno de neón) o luz ultravioleta (del vapor de mercurio en un tubo fluorescente). El recubrimiento de fósforo en el interior del tubo fluorescente es excitado por los fotones UV o directamente por los electrones acelerados.

Para algunos números, suponga que el voltaje máximo entre los extremos de una bobina tesla de 1 metro de largo es$10^5$voltios El campo eléctrico cercano es entonces$10^5 volts/meter$. El camino libre medio de un electrón en el gas a baja presión (presión = 100 um Hg) es ~1 mm. Por lo tanto, el electrón se acelera a ~ 100 eV, que es energía más que suficiente para ionizar un átomo.

El campo eléctrico oscilante generado por una bobina de Tesla excita el gas, comúnmente, vapor de mercurio, dentro de la luz fluorescente, que produce una luz ultravioleta, que, a su vez, excita el material fluorescente, comúnmente, el recubrimiento de fósforo, que produce una luz visible. .

Las moléculas del material fluorescente pueden ser excitadas por UV de alta energía (hν), pero no pueden ser excitadas por RF de baja energía.

Así que la respuesta a tu primera pregunta es (ii).

En cuanto a su tercera pregunta, el mecanismo de excitación de las moléculas de gas dentro de una bombilla fluorescente por una bobina de Tesla es similar al mecanismo detrás del funcionamiento normal de la luz fluorescente: es un fuerte campo eléctrico que ioniza los gases.

En el funcionamiento normal, se aplica directamente un voltaje de CA relativamente bajo a los electrodos de la bombilla.

Con una bobina de Tesla, se aplica un voltaje de CA muy alto a un circuito que incluye la bombilla y una capacitancia parásita muy pequeña entre la bobina, la bombilla y otros objetos cercanos. Como resultado, solo una pequeña fracción del voltaje de la bobina se aplica a la bombilla, pero, considerando que incluso una pequeña bobina de Tesla puede generar voltajes del orden de cientos de kilovoltios, su pequeña fracción podría ser suficiente para ionizar el gas.

3. Si (ii) es cierto, entonces, ¿cómo pueden las ondas de radio excitar las moléculas de gas para generar UV?

ii) es lo que sucede, i) es poco probable que suceda, ya que las frecuencias de radio generalmente no excitan emisiones fuertes de frecuencia más alta, y la ruptura eléctrica en sólidos requiere una fuerza de campo eléctrico mucho mayor.

La bobina de Tesla produce ondas de radio, pero estas no son las que excitan las moléculas de gas. Es el campo eléctrico cerca de la bobina de tesla, donde es lo suficientemente fuerte como para inducir una ruptura eléctrica.$^*$del gas enrarecido.

Cerca de la bobina de Tesla, el campo eléctrico se parece más a un campo eléctrico radial procedente de la bobina que a un campo transversal de una onda de radio EM. Si coloca una lámpara de mercurio más lejos de la bobina, estará presente un campo eléctrico similar a la onda EM plana, pero su intensidad será mucho menor, no se producirá la ruptura y la lámpara no emitirá luz.

$^*$Durante la descomposición, las moléculas se excitan y algunas de ellas se rompen en componentes cargados: electrones casi libres e iones positivos. Cuando estos eventualmente se vuelven a juntar (recombinar), se genera radiación EM con espectro de línea. Algunas de estas líneas están en la región ultravioleta (la radiación visible y ultravioleta es típica de las descargas eléctricas en los gases).