Principio de la Lámpara Incandescente y Construcción de la Lámpara Incandescente

La fuente de luz eléctrica que funciona según el principio del fenómeno incandescente se llama Lámpara Incandescente. En otras palabras, la lámpara que funciona debido al calentamiento del filamento causado por corriente eléctrica a través de ella, se llama lámpara incandescente.

¿Cómo funcionan las Lámparas Incandescentes?

Cuando un objeto se calienta, los átomos dentro del objeto se excitan térmicamente. Si el objeto no se derrite, los electrones de las órbitas externas de los átomos saltan a niveles de energía más altos debido a la energía suministrada. Los electrones en estos niveles de energía más altos no son estables, vuelven a caer a niveles de energía más bajos. Al caer de niveles de energía más altos a niveles más bajos, los electrones liberan su energía extra en forma de fotones. Estos fotones luego se emiten desde la superficie del objeto en forma de radiación electromagnética.

Esta radiación tendrá diferentes longitudes de onda. Una parte de las longitudes de onda está en el rango visible, y una parte significativa de las longitudes de onda está en el rango infrarrojo. La onda electromagnética con longitudes de onda dentro del rango infrarrojo es energía térmica y la onda electromagnética con longitudes de onda dentro del rango visible es energía lumínica.

Incandescente significa producir luz visible calentando un objeto. Una lámpara incandescente funciona bajo el mismo principio. La forma más simple de fuente artificial de luz usando electricidad es una lámpara incandescente. Aquí usamos corriente eléctrica para fluir a través de un filamento fino y delicado para producir luz visible. La corriente eleva la temperatura del filamento hasta tal punto que se vuelve luminoso.

Historia de la Lámpara Incandescente

Generalmente se considera que Thomas Edison fue el inventor de la lámpara incandescente, pero la historia real no fue así. Hubo numerosos científicos que trabajaron y diseñaron prototipos de lámparas incandescentes antes que Edison. Uno de ellos fue el físico británico Joseph Wilson Swan. Según los registros, obtuvo la primera patente para la lámpara incandescente. Más tarde, Edison y Swan se fusionaron para producir lámparas incandescentes a escala comercial.

Construcción de la Lámpara Incandescente

El filamento está conectado a dos cables de alimentación. Un cable de alimentación está conectado al contacto de pie y el otro termina en la base metálica de la bombilla. Ambos cables de alimentación pasan a través de un soporte de vidrio montado en la parte inferior media de la bombilla. Dos cables de soporte también están conectados al soporte de vidrio, y se utilizan para sostener el filamento en su parte media. El contacto de pie está aislado de la base metálica por materiales aislantes. Todo el sistema está encapsulado por una bombilla de vidrio coloreada, fosforada o transparente. La bombilla de vidrio puede estar llena de gases inertes o mantenerse en vacío, dependiendo de la potencia de la lámpara incandescente.

El filamento de las lámparas incandescentes está sellado herméticamente con una bombilla de vidrio de forma y tamaño adecuados. Esta bombilla de vidrio se utiliza para aislar el filamento del aire circundante para prevenir la oxidación del filamento y minimizar la corriente de convección alrededor del filamento, manteniendo así la temperatura del filamento alta.

La bombilla de vidrio se mantiene en vacío o se llena con gases inertes como argón con un pequeño porcentaje de nitrógeno a baja presión. Los gases inertes se utilizan para minimizar la evaporación del filamento durante el servicio de las lámparas. Sin embargo, debido a la corriente de convección de gas inerte dentro de la bombilla, hay mayores posibilidades de perder calor del filamento durante la operación.

De nuevo, el vacío es un gran aislante de calor, pero acelera la evaporación del filamento durante la operación. En el caso de las lámparas incandescentes llenas de gas, se usa un 85% de argón mezclado con un 15% de nitrógeno. Ocasionalmente, se puede usar criptón para reducir la evaporación del filamento debido a que el peso molecular del gas criptón es bastante alto.

Pero cuesta más. A aproximadamente el 80% de la presión atmosférica, se llenan los gases en la bombilla. Se llena de gas en la bombilla con una potencia superior a 40 W. Pero para una bombilla de menos de 40 W, no se usa gas.

Las diversas partes de una lámpara incandescente se muestran a continuación.

Filamento de la Lámpara Incandescente

En la actualidad, las lámparas incandescentes están disponibles en diferentes potencias, como 25, 40, 60, 75, 100 y 200 vatios, etc. Hay diferentes formas de bombillas, pero básicamente todas son redondeadas. Principalmente, hay tres materiales utilizados para producir el filamento de las lámparas incandescentes, y estos son carbono, tantalio y tungsteno. El carbono se usaba anteriormente como material de filamento, pero actualmente se usa principalmente el tungsteno para este propósito.

El punto de fusión del filamento de carbono es de aproximadamente 3500oC, y la temperatura de operación de este filamento es de aproximadamente 1800oC, por lo que la probabilidad de evaporación es bastante baja. Debido a esto, las lámparas incandescentes con filamento de carbono están libres de oscurecimiento debido a la evaporación del filamento. El oscurecimiento de la lámpara ocurre cuando las moléculas del material del filamento se depositan en la pared interna de la bombilla de vidrio debido a la evaporación del filamento durante la operación.

Este oscurecimiento se hace prominente después de un largo período de vida de la lámpara. La eficiencia de la lámpara de filamento de carbono no es buena, es de aproximadamente 4.5 lúmenes por vatio. Se usó tantalio como filamento, pero su eficiencia es mucho menor, es de aproximadamente 2 lúmenes por vatio. Esto es porque el tantalio se usa muy raramente como elemento de filamento.

El material de filamento más ampliamente utilizado en la actualidad es el tungsteno debido a su alta eficacia luminosa. Puede dar 18 lúmenes por vatio cuando opera a 2000oC. Esta eficacia puede ser de hasta 30 lúmenes por vatio cuando opera a 2500oC. El punto de fusión alto es un criterio importante para el material del filamento, ya que debe trabajar a temperaturas muy altas sin evaporarse.

Aunque el tungsteno tiene un punto de fusión ligeramente inferior al del carbono, aún así, el tungsteno es más preferible como material de filamento. Esto se debe a las altas temperaturas de operación, que hacen que el tungsteno sea mucho más eficiente en términos de luminosidad. La resistencia mecánica del filamento de tungsteno es bastante alta para soportar las vibraciones mecánicas.

Vida Útil de las Lámparas Incandescentes

Cualquiera que sea la tecnología de fabricación, cada tipo de lámpara incandescente tiene una vida útil aproximada. Esto se debe al fenómeno de evaporación del filamento, que se puede minimizar pero no se puede evitar completamente.

Debido a la evaporación del filamento, la bombilla de vidrio se oscurece con el tiempo. Debido a la evaporación del filamento, el filamento se vuelve más delgado, lo que hace que el filamento sea menos eficiente en términos de luminosidad, y finalmente, el filamento se rompe. Como las lámparas incandescentes están conectadas directamente a la línea de suministro de energía, las fluctuaciones de voltaje en la línea afectan el rendimiento de la bombilla.

Se ha encontrado que la eficacia luminosa de una lámpara incandescente es directamente proporcional al cuadrado del voltaje de suministro, pero al mismo tiempo, la vida útil de la lámpara es inversamente proporcional a la 13ª a la 14ª potencia del voltaje de suministro. Las principales ventajas de las lámparas incandescentes son que estas son lo suficientemente baratas y muy adecuadas para iluminar pequeñas áreas. Sin embargo, estas lámparas no son eficientes en términos de energía y alrededor del 90% de la energía eléctrica de entrada se pierde como calor.

Disponibilidad de las Bombillas Incandescentes en el Mercado

Hay diversas formas y tamaños atractivos de bombillas disponibles en el mercado. Las lámparas PS30 tienen forma de pera, la bombilla T12 es tubular con un diámetro de 1.5 pulgadas, la bombilla R40 tiene un sobre de reflector con un diámetro de 5 pulgadas. Basándose en la disponibilidad de potencia, las bombillas son comunes en el mercado con 25, 40, 60, 75, 100, 150 y 200W, etc. Podemos seguir la tabla a continuación para obtener datos importantes sobre la