Material del filamento de la bombilla: Lo que necesitas saber
Un filamento de bombilla es un alambre delgado que brilla cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Es el componente principal de una bombilla incandescente, que produce luz calentando el filamento a una alta temperatura. El material del filamento debe tener ciertas propiedades para soportar el calor y producir una luz brillante y estable. En este artículo, exploraremos la historia, las características y los usos de diferentes materiales de filamentos de bombillas, así como las ventajas y desventajas de las bombillas incandescentes.
¿Qué es una Bombilla Incandescente?
Una bombilla incandescente se define como una luz eléctrica que produce luz calentando un filamento de alambre a una alta temperatura hasta que brilla. El filamento está encerrado en un bulbo de vidrio que contiene un vacío o un gas inerte para prevenir la oxidación y la evaporación del material del filamento. La bombilla está conectada a una fuente de alimentación por dos contactos metálicos en la base, que están unidos a dos cables rígidos que sostienen el filamento en su lugar.
El principio de la iluminación incandescente fue descubierto por muchos inventores en los siglos XVIII y XIX, pero la primera bombilla incandescente práctica y comercialmente exitosa fue desarrollada por Thomas Edison en 1879. Utilizó un filamento de bambú carbonizado que duraba aproximadamente 1200 horas. Más tarde, mejoró su diseño utilizando un filamento de hilo de algodón carbonizado que duraba aproximadamente 1500 horas.
¿Cuáles son las Propiedades de un Buen Material de Filamento de Bombilla?
El material del filamento de la bombilla debe tener las siguientes propiedades para funcionar bien como fuente de luz incandescente:
Punto de fusión alto: El filamento debe ser capaz de soportar temperaturas de hasta 2500°C sin fundirse o romperse.
Baja presión de vapor: El filamento no debe evaporarse ni sublimarse a altas temperaturas, lo que causaría que la bombilla se oscureciera y redujera su brillo y eficiencia.
Libre de oxidación: El filamento no debe reaccionar con oxígeno u otros gases en la bombilla a altas temperaturas, lo que causaría que se corroiera o quemara.
Alta resistividad: El filamento debe tener una alta resistencia eléctrica, lo que significa que se opone al flujo de corriente eléctrica. Esto hace que se caliente y emita luz cuando una corriente pasa a través de él.
Bajo coeficiente térmico de expansión: El filamento no debe expandirse ni contraerse significativamente cuando se calienta o se enfría, lo que causaría que se deformara o rompiera.
Bajo coeficiente de resistencia térmica: El filamento no debe cambiar significativamente su resistencia cuando se calienta o se enfría, lo que afectaría su corriente y brillo.
Alto módulo de Young y resistencia a la tracción: El filamento debe ser capaz de soportar el estrés mecánico causado por su propio peso y vibración sin caerse o romperse.
Suficiente ductilidad: El filamento debe poder estirarse en un alambre muy delgado sin romperse ni agrietarse.
Capacidad de convertirse en forma de filamento: El filamento debe poder formarse en una bobina o doble bobina, lo que aumenta su superficie y brillo sin aumentar su longitud o resistencia.
Alta resistencia a la fatiga: El filamento debe ser capaz de soportar ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento sin debilitarse o fallar.
¿Cuáles son los Tipos de Materiales de Filamento de Bombilla?
A lo largo de los años, se han utilizado diferentes tipos de materiales para fabricar filamentos de bombillas. Algunos de estos materiales se enumeran a continuación:
Carbón
El carbón fue el primer material utilizado para fabricar filamentos de bombillas por Edison y otros inventores. Tiene un punto de fusión alto (3500°C), baja presión de vapor, alta resistividad (1000-7000 µΩ-cm) y bajo coeficiente de resistencia térmica (-0.0002 a -0.0008 /°C). Sin embargo, también tiene baja resistencia a la oxidación, un alto coeficiente térmico de expansión (2 a 6 /K), baja resistencia a la tracción y un alto efecto de oscurecimiento en la bombilla. Los filamentos de carbón tienen una eficiencia de aproximadamente 4.5 lúmenes por vatio (lm/W) y una temperatura de operación de hasta 1800°C.
El carbón también se utiliza para fabricar resistencias sensibles a la presión, que se utilizan en reguladores de voltaje automáticos, y cepillos de carbón, que se utilizan en máquinas de corriente directa.
Tántalo
El tantalo fue introducido como material de filamento de bombilla por Werner von Bolton en 1902. Tiene un punto de fusión alto (2900°C), baja presión de vapor, alta resistividad (12.4 µΩ-cm) y bajo coeficiente térmico de expansión (6.5 /K). Sin embargo, también tiene baja resistencia a la oxidación, alto coeficiente de resistencia térmica (0.0036 /°C), baja resistencia a la tracción y baja eficiencia (3.6 W/potencia en velas). Los filamentos de tantalo tienen una temperatura de operación de hasta 2000°C.
El tantalo ya no se utiliza ampliamente como material de filamento de bombilla debido a su baja eficiencia y escasez.
Wolframio
El wolframio es el material más comúnmente utilizado para fabricar filamentos de bombillas hoy en día. Fue utilizado por primera vez por William D. Coolidge en 1910. Tiene un punto de fusión muy alto (3410°C), baja presión de vapor, alta resistividad (5.65 µΩ-cm), alta resistencia a la tracción, alta resistencia a la oxidación y bajo efecto de oscurecimiento en la bombilla. Sin embargo, también tiene un alto coeficiente de resistencia térmica (0.005 /°C) y un alto coeficiente térmico de expansión (4.3 /K). Los filamentos de wolframio tienen una eficiencia de aproximadamente 12 lm/W y una temperatura de operación de hasta 2500°C.
El wolframio también se utiliza como electrodo en tubos de rayos X y como material de contacto eléctrico en ciertas aplicaciones.
¿Cómo se Fabrican los Filamentos de Bombilla?
Los filamentos de bombilla se fabrican mediante diversos procesos, dependiendo del material utilizado. Algunos de estos procesos se describen a continuación:
Carbón
Los filamentos de carbón se fabrican carbonizando materiales orgánicos como bambú, hilo de algodón, pulpa de papel, etc., en una atmósfera inerte a altas temperaturas (1000-1500°C). El material carbonizado se estira en alambres finos y se enrolla en bobinas.
Tántalo
Los filamentos de tantalo se fabrican mediante técnicas de metalurgia de polvos. Se mezcla polvo de tantalo con un ligante y se prensa en varillas o alambres. Las varillas o alambres se sinterizan a altas temperaturas (2000-2500°C) en un vacío o atmósfera de gas inerte. Las varillas o alambres sinterizados se estiran en alambres finos y se enrollan en bobinas.
Wolframio
Los filamentos de wolframio se fabrican mediante varios pasos:
Se extrae mineral de wolframio o scheelita y se convierte en ácido tungstato o paratungstato de amonio.
El ácido tungstato o paratungstato de amonio se reduce con gas hidrógeno para formar polvo de wolframio.
El polvo de wolframio se mezcla con un ligante y se prensa en varillas o alambres.
Las varillas o alambres se sinterizan a altas temperaturas (2000-3000°C) en un vacío o atmósfera de gas inerte.
Las var
