EVOLUCIÓN DE LAS LAMPARAS

Análisis histórico

La ampolleta eléctrica fue ideada por el norteamericano Thomas Alva Edison, en 1879. Anteriormente, en 1801, se empleó el alumbrado eléctrico producido por arco voltaico o arco eléctrico, debido a Humphry Davi (inglés, 1778 - 1829); de preferencia se usó en el alumbrado público y fue abandonado por diversos inconvenientes prácticos (desgaste y separación de carbones; la unión en serie de varios focos, y muchos otros).

Las primeras ampolletas eléctricas de Edison se componían de un filamento de carbón (obtenido del bambú) el cual se encerraba al vacío en un globo de vidrio para evitar su combustión.

En toda ampolleta el fabricante anota sus características que son la potencia y el voltaje:

Potencia: Capacidad para realizar alguna cosa o producir un efecto. Cociente entre el trabajo realizado por una máquina y el tiempo empleado en realizarlo.

(formula)

Tensión: Es la energía o movimiento con la que se desplazan los electrones. Unidad voltios (V).

(fórmula)

Tipos de lámparas

Existen dos tipos de lámparas incandescentes: las que contienen un gas halógeno en su interior y las que no lo contienen

Lámparas de halógeno

La intensidad luminosa que proporciona una lámpara de incandescencia depende, de la temperatura que alcance su filamento; cuanto más elevada sea, mayor intensidad luminosa se obtiene.

El desarrollo tecnológico de los últimos años, a hecho evolucionar considerablemente las lámparas de incandescencia hasta la obtención de las lámparas de halógeno, en las cuales se conserva el filamento, de tungsteno o wolframio, mientras que en el interior de la ampolla se sustituye el argón por un gas halógeno (generalmente yodo), sometido ahora a mayor presión

Las lámparas incandescentes fueron la primera forma de generar luz a partir de la energía eléctrica. Desde que fueran inventadas, la tecnología ha cambiado mucho produciéndose sustanciosos avances en la cantidad de luz producida, el consumo y la duración de las lámparas. Su principio de funcionamiento es simple, se pasa una corriente eléctrica por un filamento hasta que este alcanza una temperatura tan alta que emite radiaciones visibles por el ojo humano.

La incandescencia se puede obtener de dos maneras. La primera es por combustión de alguna sustancia, ya sea sólida como una antorcha de madera, líquida como en una lámpara de aceite o gaseosa como en las lámparas de gas. La segunda es pasando una corriente eléctrica a través de un hilo conductor muy delgado como ocurre en las bombillas corrientes. Tanto de una forma como de otra, obtenemos luz y calor (ya sea calentando las moléculas de aire o por radiaciones infrarrojas). En general los rendimientos de este tipo de lámparas son bajos debido a que la mayor parte de la energía consumida se convierte en calor.

La duración de una lámpara viene determinada básicamente por la temperatura de trabajo del filamento. Mientras más alta sea esta, mayor será el flujo luminoso pero también la velocidad de evaporación del material que forma el filamento. Las partículas evaporadas, cuando entren en contacto con las paredes se depositarán sobre estas, ennegreciendo la ampolla. De esta manera se verá reducido el flujo luminoso por ensuciamiento de la ampolla. Pero, además, el filamento se habrá vuelto más delgado por la evaporación del tungsteno que lo forma y se reducirá, en consecuencia, la corriente eléctrica que pasa por él, la temperatura de trabajo y el flujo luminoso. Esto seguirá ocurriendo hasta que finalmente se rompa el filamento. A este proceso se le conoce como depreciación luminosa.

Partes de una lámpara

Las lámparas incandescentes están formadas por un hilo de wolframio que se calienta por efecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz visible. Para evitar que el filamento se queme en contacto con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos elementos con funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.

• Filamento

Para que una lámpara incandescente emita luz visible, es necesario calentar el filamento hasta temperaturas muy elevadas. Esto se consigue pasando una corriente eléctrica a través de un material conductor por efecto Joule.

Como la temperatura depende de la resistencia eléctrica es necesario que esta última sea muy elevada. Para conseguirlo podemos actuar de dos formas. En primer lugar, que el filamento esté compuesto por un hilo muy largo y delgado; de esta manera los electrones tendrán más dificultad para pasar por el cable y aumentará la resistencia. Y la segunda posibilidad es emplear un material que tenga una resistividad eléctrica elevada.

También es muy importante que el filamento tenga un punto de fusión alto y una velocidad de evaporación lenta que evite un rápido desgaste por desintegración del hilo. De esta manera se pueden alcanzar temperaturas de funcionamiento más altas y, por tanto, mayores eficacias.

Para mejorar la eficacia luminosa de las lámparas se arrolla el filamento en forma de doble espiral. De esta manera se consigue que emitiendo la misma cantidad de luz, el filamento presente una menor superficie de intercambio de calor con el gas que rellena la ampolla, por lo que las pérdidas por este motivo se reducen al mínimo.

En la actualidad el material con el que se fabrica el filamento debe tener un punto de fusión muy elevado porque se necesita aumentar mucho la temperatura para que la proporción entre la energía luminosa y la energía térmica generadas por el filamento sea rentable. Las primeras bombillas utilizaban filamentos de carbono, pero en la actualidad se fabrican con hilos extremadamente finos de volframio o tungsteno, cuya temperatura de fusión es de 3.410 ºC y por sus elevadas prestaciones que se ajustan a los requisitos exigidos además de ser una materia prima asequible.

El hilo es tan fino que el desplazamiento de las cargas eléctricas por él lo hace alcanzar temperaturas por encima de los 2.500 ºC. A estas temperaturas, el volframio se oxida y se evapora en el aire. Para aminorar este problema el filamento está dentro de la ampolla de vidrio en una atmósfera al vacío o inerte.

Tungsteno o wolframio: Metal (W o Tu) nº74, de masa atómica 183, 85 y densidad 19,2, que funde a 3410ºC, tiene un color gris casi negro y se utiliza para fabricar los filamentos de las lámparas incandescentes.

Descubierto por Scheele en 1781, el wolframio resiste bien a la acción de los ácidos, aunque es atacado por el cloro. Su compuesto mas importante es el anhídrido volframico WO3 (polvo amarillo insoluble), al que corresponden varios ácidos y sales. Reduciendo con hidrógenos los volframios alcalinos, se obtienen los bronces de volframio, polvos de aspecto metálico de varios colores, que se usan en decoración.

• Ampolla

La ampolla es una cubierta de vidrio que da forma a la lámpara y protege el filamento del aire exterior evitando que se queme. Si no fuera así, el oxígeno del aire oxidaría el material del filamento destruyéndolo de forma inmediata.

Las ampollas pueden ser de vidrio transparente, de vidrio blanco translúcido o de colores proporcionando en este último caso una luz de color monocromática en lugar de la típica luz blanca.

Vidrio: Cuerpo sólido, mineral, no cristalino, generalmente frágil, que resulta de la solidificación de las rocas o bien, del enfriamiento brusco de las lavas al contacto con el aire o el agua.

La mayoría de los vidrios están constituidos por mezclas de óxidos, de los que la sílice o el anhídrido bórico son imprescindibles para su formación.

• Soporte del filamento: vástago e hilos conductores

El filamento está fijado a la lámpara por un conjunto de elementos que tienen misiones de sujeción y conducción de la electricidad.

Los hilos conductores transportan la electricidad desde el casquillo a los hilos de soporte a través del vástago. Para evitar el deterioro de las varillas de soporte es necesario un material, normalmente se usa el molibdeno, que aguante las altas temperaturas y no reaccione químicamente con el tungsteno del filamento.

El vástago es de vidrio con plomo, un material con excelentes propiedades de aislante eléctrico, que mantiene separada la corriente de los dos conductores que lo atraviesan. Además, y gracias a su interior hueco sirve para hacer el vacío en la ampolla y rellenarla de gas (cuando se requiera).

• Gas de relleno

Aunque antiguamente se hacía el vacío en el interior de la ampolla, en la actualidad se rellena con un gas inerte por las ventajas que presenta. Con el gas se consigue reducir la evaporación del filamento e incrementar la temperatura de trabajo de la lámpara y el flujo luminoso emitido. Los gases más utilizados son el nitrógeno en pequeñas proporciones que evita la formación de arcos y el argón que reduce la velocidad de evaporación del material que forma el filamento. Las proporciones empleadas varían según la aplicación de la lámpara y la tensión de trabajo. Aumentando la presión del gas se consigue, además, disminuir la evaporación del filamento y aumentar la eficacia luminosa y vida de la lámpara.

• Casquillo

El casquillo cumple dos importantes funciones en la lámpara. Por un lado, sirve para conectar el filamento a la corriente eléctrica proveniente del portalámparas. Y por el otro, permite la sujeción de la lámpara a la luminaria evitando su deterioro. En su fabricación se usan habitualmente el latón, el aluminio o el níquel.

Los casquillos empleados en alumbrado general son de dos tipos: Edison (E) y Bayoneta (B). Para su nomenclatura se utiliza la inicial de la clase seguida del diámetro en milímetros. Por ejemplo, E25 quiere decir que tenemos una lámpara con casquillo Edison de 25 mm de diámetro.

Latón: (El latón es dúctil y maleable). Se consigue aleando el cobre y el cinc, se hace en diferentes proporciones dependiendo del uso posterior.

Cobre: Elemento metálico de color rojo pardo, brillante, maleable y dúctil. Símbolo químico: Cu; Tiene numerosas aleaciones, las mas conocidas son el latón y el bronce.

La energía que manipula es la energía eléctrica, es un tipo de energía potencial y la produce el desplazamiento de los electrones a través de los metales.

Ésta tiene a su favor el gran desarrollo de su tecnología y su elevado rendimiento de conversión. Entre sus desventajas hay que mencionar la carestía del transporte (las centrales están lejos de los consumidores) y los efectos negativos sobre el entorno (erosión del suelo, alteración en el régimen de los ríos).

En una lámpara de incandescencia, como las convencionales o las halógenas, la emisión de luz se produce por el calentamiento del filamento por la acción de la corriente eléctrica. La lámpara de incandescencia emite muchos más rayos infrarrojos que luz: es, ante todo, un emisor térmico.