Material do Fio da Lâmpada: O que Você Precisa Saber
O filamento de uma lâmpada é um fio fino que brilha quando uma corrente elétrica passa por ele. É o componente principal de uma lâmpada incandescente, que produz luz aquecendo o filamento a uma temperatura elevada. O material do filamento deve ter certas propriedades para suportar o calor e produzir uma luz brilhante e estável. Neste artigo, exploraremos a história, as características e os usos de diferentes materiais de filamentos de lâmpadas, bem como as vantagens e desvantagens das lâmpadas incandescentes.
O que é uma Lâmpada Incandescente?
Uma lâmpada incandescente é definida como uma luz elétrica que produz luz aquecendo um fio de filamento a uma temperatura muito alta até que ele brilhe. O filamento está encerrado em um bulbo de vidro que contém um vácuo ou um gás inerte para evitar a oxidação e a evaporação do material do filamento. O bulbo está conectado a uma fonte de energia por dois contatos metálicos na base, que estão ligados a dois fios rígidos que mantêm o filamento no lugar.
O princípio da iluminação incandescente foi descoberto por muitos inventores nos séculos XVIII e XIX, mas a primeira lâmpada incandescente prática e comercialmente bem-sucedida foi desenvolvida por Thomas Edison em 1879. Ele usou um filamento de bambu carbonizado que durou cerca de 1200 horas. Mais tarde, ele melhorou seu design usando um filamento de fio de algodão carbonizado que durou cerca de 1500 horas.
Quais são as Propriedades de um Bom Material de Filamento de Lâmpada?
O material do filamento da lâmpada deve ter as seguintes propriedades para funcionar bem como uma fonte de luz incandescente:
Ponto de fusão alto: O filamento deve ser capaz de suportar temperaturas de até 2500°C sem derreter ou quebrar.
Baixa pressão de vapor: O filamento não deve evaporar ou sublimar em altas temperaturas, o que causaria o escurecimento do bulbo e reduziria sua luminosidade e eficiência.
Livre de oxidação: O filamento não deve reagir com o oxigênio ou outros gases no bulbo em altas temperaturas, o que causaria sua corrosão ou queima.
Alta resistividade: O filamento deve ter uma alta resistência elétrica, o que significa que ele opõe-se ao fluxo da corrente elétrica. Isso faz com que ele aqueça e emita luz quando uma corrente passa por ele.
Baixo coeficiente térmico de expansão: O filamento não deve expandir ou contrair significativamente quando aquecido ou resfriado, o que causaria sua deformação ou quebra.
Baixo coeficiente de temperatura de resistência: O filamento não deve alterar significativamente sua resistência quando aquecido ou resfriado, o que afetaria sua corrente e luminosidade.
Alto módulo de Young e resistência à tração: O filamento deve ser capaz de suportar o estresse mecânico causado pelo seu próprio peso e vibração sem ceder ou quebrar.
Suficiente ductilidade: O filamento deve ser capaz de ser puxado em um fio muito fino sem quebrar ou rachar.
Capacidade de ser convertido em forma de filamento: O filamento deve ser capaz de ser formado em uma espiral ou dupla espiral, o que aumenta sua área superficial e luminosidade sem aumentar seu comprimento ou resistência.
Alta resistência à fadiga: O filamento deve ser capaz de suportar ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento sem enfraquecer ou falhar.
Quais são os Tipos de Materiais de Filamento de Lâmpada?
Diferentes tipos de materiais foram utilizados para fabricar filamentos de lâmpadas ao longo dos anos. Alguns desses materiais são listados abaixo:
Carbono
O carbono foi o primeiro material usado para fabricar filamentos de lâmpadas por Edison e outros inventores. Ele tem um ponto de fusão alto (3500°C), baixa pressão de vapor, alta resistividade (1000-7000 µΩ-cm) e baixo coeficiente de temperatura de resistência (-0,0002 a -0,0008 /°C). No entanto, também tem baixa resistência à oxidação, alto coeficiente térmico de expansão (2 a 6 /K), baixa resistência à tração e alto efeito de escurecimento no bulbo. Os filamentos de carbono têm uma eficiência de aproximadamente 4,5 lumens por watt (lm/W) e uma temperatura de operação de até 1800°C.
O carbono também é usado para fabricar resistores sensíveis à pressão, que são usados em reguladores de tensão automáticos, e escovas de carbono, que são usadas em máquinas DC.
Tântalo
O tântalo foi introduzido como material de filamento de lâmpada por Werner von Bolton em 1902. Ele tem um ponto de fusão alto (2900°C), baixa pressão de vapor, alta resistividade (12,4 µΩ-cm) e baixo coeficiente térmico de expansão (6,5 /K). No entanto, também tem baixa resistência à oxidação, alto coeficiente de temperatura de resistência (0,0036 /°C), baixa resistência à tração e baixa eficiência (3,6 W/candle power). Os filamentos de tântalo têm uma temperatura de operação de até 2000°C.
O tântalo não é mais amplamente utilizado como material de filamento de lâmpada devido à sua baixa eficiência e escassez.
Tungstênio
O tungstênio é o material mais comumente usado para fabricar filamentos de lâmpadas hoje. Foi primeiramente usado por William D. Coolidge em 1910. Ele tem um ponto de fusão muito alto (3410°C), baixa pressão de vapor, alta resistividade (5,65 µΩ-cm), alta resistência à tração, alta resistência à oxidação e baixo efeito de escurecimento no bulbo. No entanto, também tem um alto coeficiente de temperatura de resistência (0,005 /°C) e um alto coeficiente térmico de expansão (4,3 /K). Os filamentos de tungstênio têm uma eficiência de aproximadamente 12 lm/W e uma temperatura de operação de até 2500°C.
O tungstênio também é usado como eletrodo em tubos de raios-X e como material de contato elétrico em certas aplicações.
Como são Feitos os Filamentos de Lâmpada?
Os filamentos de lâmpada são feitos por diversos processos, dependendo do material usado. Alguns desses processos são descritos abaixo:
Carbono
Os filamentos de carbono são feitos carbonizando materiais orgânicos, como bambu, fio de algodão, pasta de papel, etc., em atmosfera inerte a altas temperaturas (1000-1500°C). O material carbonizado é então esticado em fios finos e enrolado em espirais.
Tântalo
Os filamentos de tântalo são feitos por técnicas de metalurgia de pó. O pó de tântalo é misturado com um aglutinante e prensado em barras ou fios. As barras ou fios são então sinterizados a altas temperaturas (2000-2500°C) em vácuo ou atmosfera de gás inerte. As barras ou fios sinterizados são então esticados em fios finos e enrolados em espirais.
Tungstênio
Os filamentos de tungstênio são feitos por várias etapas:
O minério de tungstênio é extraído dos minerais wolframite ou scheelite e convertido em ácido tungstílico ou paratungstato de amônio.
O ácido tungstílico ou paratungstato de amônio é reduzido com gás hidrogênio para formar pó de tungstênio.
O pó de tungstênio é misturado com um aglutinante e prensado em barras ou fios.
