Principio della Lampada a Incandescenza e Costruzione della Lampada a Incandescenza

La sorgente luminosa elettrica che funziona in base al fenomeno incandescente è chiamata Lampada Incandescente. In altre parole, la lampada che funziona a causa del riscaldamento del filamento causato dalla corrente elettrica che vi passa attraverso, è chiamata lampada incandescente.

Come funzionano le Lampade Incandescenti?

Quando un oggetto viene riscaldato, gli atomi all'interno dell'oggetto diventano termicamente eccitati. Se l'oggetto non si fonde, gli elettroni degli strati esterni degli atomi saltano a livelli energetici più alti a causa dell'energia fornita. Gli elettroni su questi livelli energetici più alti non sono stabili, quindi ricadono nuovamente a livelli energetici inferiori. Mentre cadono da livelli energetici più alti a livelli inferiori, gli elettroni rilasciano la loro energia extra sotto forma di fotoni. Questi fotoni vengono poi emessi dalla superficie dell'oggetto sotto forma di radiazione elettromagnetica.

Questa radiazione avrà diverse lunghezze d'onda. Una parte delle lunghezze d'onda è nella gamma visibile, mentre una parte significativa delle lunghezze d'onda è nella gamma infrarossa. L'onda elettromagnetica con lunghezze d'onda nella gamma infrarossa è energia termica, mentre l'onda elettromagnetica con lunghezze d'onda nella gamma visibile è energia luminosa.

Incandescente significa produrre luce visibile riscaldando un oggetto. Una lampada incandescente funziona secondo lo stesso principio. La forma più semplice di sorgente artificiale di luce utilizzando l'elettricità è una lampada incandescente. Qui usiamo la corrente elettrica per farla passare attraverso un filamento sottile e fine per produrre luce visibile. La corrente eleva la temperatura del filamento a tal punto che diventa luminoso.

Storia della Lampada Incandescente

Si ritiene comunemente che Thomas Edison sia stato l'inventore della lampada incandescente, ma la storia effettiva non è stata così. Ci sono stati numerosi scienziati che hanno lavorato e progettato prototipi per la lampada incandescente prima di Edison. Uno di questi era il fisico britannico Joseph Wilson Swan. Dai documenti risulta che ha ottenuto il primo brevetto per la lampada incandescente. Successivamente, Edison e Swan si sono uniti per produrre lampade incandescenti su scala commerciale.

Costruzione della Lampada Incandescente

Il filamento è collegato tra due fili di contatto. Un filo di contatto è connesso al contatto del piede e l'altro termina sulla base metallica della lampada. Entrambi i fili di contatto passano attraverso un supporto di vetro montato al centro inferiore della lampada. Due fili di supporto, anch'essi attaccati al supporto di vetro, vengono utilizzati per sostenere il filamento nella sua porzione centrale. Il contatto del piede è isolato dalla base metallica tramite materiali isolanti. L'intero sistema è racchiuso da una lampada di vetro colorata, fosforica o trasparente. La lampada di vetro può essere riempita con gas inerti o mantenuta vuota a seconda della potenza della lampada incandescente.

Il filamento delle lampade incandescenti è sigillato ermeticamente all'interno di una lampada di vetro di forma e dimensioni appropriate. Questa lampada di vetro viene utilizzata per isolare il filamento dall'aria circostante per prevenire l'ossidazione del filamento e minimizzare la corrente convettiva intorno al filamento, mantenendo così alta la temperatura del filamento.

La lampada di vetro è mantenuta vuota o riempita con gas inerti come argon con una piccola percentuale di azoto a bassa pressione. I gas inerti vengono utilizzati per minimizzare l'evaporazione del filamento durante il servizio delle lampade. Tuttavia, a causa del flusso convettivo dei gas inerti all'interno della lampada, ci sono maggiori probabilità di perdita di calore del filamento durante l'operazione.

Inoltre, il vuoto è un ottimo isolante termico, ma accelera l'evaporazione del filamento durante l'operazione. Nel caso delle lampade incandescenti a gas, viene utilizzato un miscuglio dell'85% di argon e il 15% di azoto. Occasionalmente, può essere utilizzato il criptone per ridurre l'evaporazione del filamento, poiché il peso molecolare del gas criptone è abbastanza alto.

Tuttavia, costa di più. A circa l'80% della pressione atmosferica, i gas vengono introdotti nella lampada. I gas vengono introdotti nella lampada con una potenza superiore ai 40 W. Per le lampade con potenza inferiore ai 40 W, non vengono utilizzati gas.

Le varie parti di una lampada incandescente sono mostrate di seguito.

Filamento della Lampada Incandescente

Nel presente, le lampade incandescenti sono disponibili in diverse potenze come 25, 40, 60, 75, 100 e 200 watt, ecc. Esistono diverse forme di lampade, ma fondamentalmente tutte sono rotonde. Ci sono principalmente tre materiali utilizzati per produrre il filamento delle lampade incandescenti, e questi sono carbonio, tantalo e tungsteno. Il carbonio era precedentemente utilizzato come materiale per il filamento, ma attualmente il tungsteno è il più utilizzato a questo scopo.

Il punto di fusione del filamento di carbonio è di circa 3500°C, e la temperatura di funzionamento di questo filamento è di circa 1800°C, quindi la possibilità di evaporazione è piuttosto bassa. Grazie a ciò, le lampade incandescenti con filamento di carbonio sono libere dallo scurimento dovuto all'evaporazione del filamento. Lo scurimento del filamento della lampada si verifica quando le molecole del materiale del filamento si depositano sulla parete interna della lampada di vetro a causa dell'evaporazione del filamento durante l'operazione.

Questo scurimento diventa evidente dopo una lunga durata della lampada. L'efficienza della lampada a filamento di carbonio non è buona, è di circa 4,5 lumen per watt. Il tantalo è stato utilizzato come filamento, ma la sua efficienza è molto povera, è di circa 2 lumen per watt. Questo perché il tantalo è molto raramente utilizzato come elemento del filamento.

Il materiale per il filamento più ampiamente utilizzato oggi è il tungsteno, grazie alla sua alta efficacia luminosa. Può fornire 18 lumen per watt quando opera a 2000°C. Questa efficacia può arrivare fino a 30 lumen per watt quando opera a 2500°C. Il punto di fusione elevato è un criterio principale per il materiale del filamento, poiché deve funzionare a temperature molto elevate senza evaporarsi.

Anche se il tungsteno ha un punto di fusione leggermente inferiore rispetto al carbonio, il tungsteno è comunque preferibile come materiale del filamento. Questo è dovuto alle alte temperature operative che rendono il tungsteno molto più efficiente in termini di luminosità. La resistenza meccanica del filamento di tungsteno è abbastanza elevata per resistere alle vibrazioni meccaniche.

Durata della Vita delle Lampade Incandescenti

Qualunque sia la tecnologia di fabbricazione, ogni tipo di lampada incandescente ha una durata di vita approssimativa. Questo è dovuto al fenomeno di evaporazione del filamento, che può essere minimizzato ma non evitato completamente.

A causa dell'evaporazione del filamento, la lampada di vetro si scurisce nel tempo. A causa dell'evaporazione del filamento, il filamento diventa più sottile, rendendolo meno efficiente in termini di luminosità e, infine, il filamento si rompe. Poiché le lampade a filamento sono collegate direttamente alla linea di alimentazione, le fluttuazioni di tensione nella linea, influiscono sulle prestazioni della lampada.

Si è scoperto che l'efficacia luminosa di una lampada incandescente è direttamente proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione, ma allo stesso tempo, la durata della lampada è inversamente proporzionale alla 13esima o 14esima potenza della tensione di alimentazione. I principali vantaggi delle lampade incandescenti sono che queste sono abbastanza economiche e molto adatte per l'illuminazione in aree piccole. Tuttavia, queste lampade non sono efficienti in termini di energia e circa il 90% dell'energia elettrica di ingresso viene persa sotto forma di calore.

Disponibilità delle Lampade Incandescenti sul Mercato

Ci sono varie forme e dimensioni attraenti di lampade disponibili sul mercato. Le lampade PS30 hanno una forma a pera, le lampade T12 sono tubolari con un diametro di 1,5 pollici, le lampade R40 hanno un involucro a rif