Princípio da Lâmpada Incandescente e Construção da Lâmpada Incandescente

A fonte de luz elétrica que funciona no princípio do fenômeno incandescente é chamada de Lâmpada Incandescente. Em outras palavras, a lâmpada que funciona devido ao brilho do filamento causado pela corrente elétrica que passa por ela, é chamada de lâmpada incandescente.

Como as Lâmpadas Incandescentes Funcionam?

Quando um objeto é aquecido, os átomos dentro do objeto se tornam termicamente excitados. Se o objeto não derreter, os elétrons das órbitas externas dos átomos saltam para níveis de energia mais altos devido à energia fornecida. Os elétrons nesses níveis de energia mais altos não são estáveis, eles caem novamente para níveis de energia mais baixos. Ao cair de níveis de energia mais altos para níveis mais baixos, os elétrons liberam sua energia extra na forma de fótons. Esses fótons são então emitidos da superfície do objeto na forma de radiação eletromagnética.

Esta radiação terá diferentes comprimentos de onda. Uma parte desses comprimentos de onda está no intervalo visível, e uma parte significativa está no intervalo infravermelho. A onda eletromagnética com comprimentos de onda no intervalo do infravermelho é energia térmica, e a onda eletromagnética com comprimentos de onda no intervalo visível é energia luminosa.

Incandescente significa produzir luz visível aquecendo um objeto. Uma lâmpada incandescente funciona pelo mesmo princípio. A forma mais simples de fonte artificial de luz usando eletricidade é uma lâmpada incandescente. Aqui usamos corrente elétrica para fluir através de um filamento fino e delicado para produzir luz visível. A corrente eleva a temperatura do filamento a tal ponto que ele se torna luminoso.

História da Lâmpada Incandescente

Geralmente, considera-se que Thomas Edison foi o inventor da lâmpada incandescente, mas a história real não foi exatamente assim. Havia vários cientistas que trabalharam e projetaram protótipos de lâmpadas incandescentes antes de Edison. Um deles foi o físico britânico Joseph Wilson Swan. De acordo com os registros, ele obteve a primeira patente para a lâmpada incandescente. Posteriormente, Edison e Swan se uniram para produzir lâmpadas incandescentes em escala comercial.

Construção da Lâmpada Incandescente

O filamento é fixado entre dois fios condutores. Um fio condutor está conectado ao contato do pé e o outro termina na base metálica da lâmpada. Ambos os fios condutores passam por um suporte de vidro montado no meio inferior da lâmpada. Dois fios de suporte também estão ligados ao suporte de vidro, usados para suportar o filamento em sua parte central. O contato do pé é isolado da base metálica por materiais isolantes. Todo o sistema é encapsulado por uma lâmpada de vidro colorida, fosfatada ou transparente. A lâmpada de vidro pode ser preenchida com gases inertes ou mantida sob vácuo, dependendo da classificação da lâmpada incandescente.

O filamento das lâmpadas incandescentes é evacuado hermeticamente com uma lâmpada de vidro de formato e tamanho adequados. Esta lâmpada de vidro é usada para isolar o filamento do ar circundante, para evitar a oxidação do filamento e minimizar a corrente de convecção ao redor do filamento, mantendo assim a temperatura do filamento alta.

A lâmpada de vidro é mantida sob vácuo ou preenchida com gases inertes como argônio com uma pequena porcentagem de nitrogênio sob baixa pressão. Gases inertes são usados para minimizar a evaporação do filamento durante o uso das lâmpadas. No entanto, devido ao fluxo de convecção de gás inerte dentro da lâmpada, há maiores chances de perda de calor do filamento durante a operação.

Novamente, o vácuo é um excelente isolante de calor, mas acelera a evaporação do filamento durante a operação. No caso de lâmpadas incandescentes preenchidas com gás, 85% de argônio misturado com 15% de nitrogênio é usado. Ocasionalmente, o criptônio pode ser usado para reduzir a evaporação do filamento, pois o peso molecular do gás criptônio é bastante alto.

Mas isso custa mais. A cerca de 80% da pressão atmosférica, os gases são preenchidos na lâmpada. O gás é preenchido na lâmpada com potência superior a 40 W. Mas para lâmpadas com potência inferior a 40 W, não há gás usado.

As várias partes de uma lâmpada incandescente são mostradas abaixo.

Filamento da Lâmpada Incandescente

Nos dias atuais, lâmpadas incandescentes estão disponíveis em diferentes classificações de potência, como 25, 40, 60, 75, 100 e 200 watts, etc. Existem diferentes formatos de lâmpadas, mas basicamente, todas são arredondadas. Existem principalmente três materiais usados para produzir o filamento de lâmpadas incandescentes, que são carbono, tântalo e tungstênio. O carbono era anteriormente usado como material para o filamento, mas atualmente o tungstênio é o mais utilizado para esse propósito.

O ponto de fusão do filamento de carbono é de aproximadamente 3500°C, e a temperatura de operação deste filamento é de aproximadamente 1800°C, portanto, a chance de evaporação é bastante baixa. Devido a isso, as lâmpadas incandescentes com filamento de carbono estão livres de escurecimento devido à evaporação do filamento. O escurecimento da lâmpada ocorre quando as moléculas do material do filamento são depositadas na parede interna da lâmpada de vidro devido à evaporação do filamento durante a operação.

Este escurecimento se torna proeminente após a longa vida útil da lâmpada. A eficiência da lâmpada de filamento de carbono não é boa, sendo de aproximadamente 4,5 lumens por watt. O tântalo foi usado como filamento, mas sua eficiência é muito pior, sendo de aproximadamente 2 lumens por watt. Isso porque o tântalo é muito raramente usado como elemento de filamento.

O material de filamento mais amplamente utilizado nos dias atuais é o tungstênio, devido à sua alta eficácia luminosa. Ele pode fornecer 18 lumens por watt quando opera a 2000°C. Esta eficácia pode chegar a 30 lumens por watt quando opera a 2500°C. O ponto de fusão elevado é um critério importante para o material do filamento, pois ele precisa funcionar em temperaturas muito altas sem ser evaporado.

Embora o tungstênio tenha um ponto de fusão um pouco inferior ao do carbono, ainda assim o tungstênio é preferível como material de filamento. Isso se deve às altas temperaturas de operação, que tornam o tungstênio muito mais eficiente em termos de luminosidade. A resistência mecânica do filamento de tungstênio é bastante alta para suportar vibrações mecânicas.

Vida Útil das Lâmpadas Incandescentes

Independentemente da tecnologia de fabricação, cada tipo de lâmpada incandescente tem uma vida útil aproximada. Isso se deve ao fenômeno de evaporação do filamento, que pode ser minimizado, mas não pode ser totalmente evitado.

Devido à evaporação do filamento, a lâmpada de vidro escurece ao longo do tempo. Devido à evaporação do filamento, o filamento fica mais fino, o que o torna menos eficiente em termos de luminosidade, até que finalmente o filamento se quebra. Como as lâmpadas incandescentes estão diretamente conectadas à linha de alimentação, as flutuações de tensão na linha afetam o desempenho da lâmpada.

Verificou-se que a eficácia luminosa de uma lâmpada incandescente é diretamente proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, mas ao mesmo tempo, a vida útil da lâmpada é inversamente proporcional à 13ª à 14ª potência da tensão de alimentação. As principais vantagens das lâmpadas incandescentes são que elas são suficientemente baratas e muito adequadas para iluminação em áreas pequenas. No entanto, essas lâmpadas não são eficientes em termos de energia, e cerca de 90% da energia elétrica de entrada é perdida como calor.

Disponibilidade das Lâmpadas Incandescentes no Mercado

Há vários formatos e tamanhos atraentes de lâmpadas disponíveis no mercado. As lâmpadas PS30 têm formato de pera, a lâmpada T12 é tubular com diâmetro de 1,5 polegadas, a lâmpada R40 tem envelope de lâmpada refletora com diâmetro de 5 polegadas. Com base na disponibilidade de potência, as lâmp