La Bombilla de Luz Incandescente ¡y se hizo la luz!




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fecha de publicación06.01.2016
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La Bombilla de Luz Incandescente - ¡y se hizo la luz!



Varios inventores estudiaron relativamente temprano, la idea de crear luz con el encendido de alambres. Entre 1830 y 1840, se llevaron a cabo experimentos con alambres de platino y tiras de carbón, que brillaban con la ayuda de la electricidad. Los bulbos de vidrio ya eran utilizados en ellos para evitar la oxidación. Sin embargo, el platino se consumía rápidamente y las bombas eran incapaces de crear el vacío suficiente. El suministro de electricidad era también un inconveniente, ya que en esos tiempos únicamente se conseguían baterías. No fue hasta 1866 en que Werner von Siemens descubrió el principio del dínamo, y construyó máquinas que proveían un flujo constante de electricidad.

En 1854, el mecánico de precisión alemán, Heinrich Göbel construyó la primera bombilla eléctrica que se consumía durante un período sostenido de tiempo. Utilizó como filamentos hilos de bambú carbonizados, y evacuó el gas del bulbo llenándolo con mercurio, dejándolo luego salir para sellar el bulbo cerrado.

El norteamericano Thomas Alva Edison desarrolló la primera bombilla de luz incandescente comercialmente exitosa, en 1879. Era un bulbo de carbón que se produjo masivamente. También proveyó los accesorios necesarios, tales como interruptores, portalámparas, distribuidores y dínamos apropiados. Como la publicidad ya era importante para el éxito en aquellos tiempos, Edison exhibió una muy admirada instalación de miles de sus bombillas, en la Exhibición de Electricidad de París, en 1881.

En el 1900, se desarrolló el primer filamento de osmio metálico. Este tipo de lámpara de osmio consumía la mitad de energía que la lámpara de carbón, mientras que producía la misma cantidad de luz. En 1903 se desarrolló la primera bombilla con filamento de tántalo en Berlín, y muy poco después, se probaron los filamentos de tungsteno, el metal con el punto más alto de fusión. La lámpara de tungsteno consumía sólo una tercera parte de la energía requerida por la lámpara de carbón, para alcanzar la misma luminosidad – este mismo material es utilizado en las bombillas actuales.

Bombilla eléctrica

NECESIDAD

La necesidad fundamental de la bombilla eléctrica fue encontrar un medio más eficiente y seguro de las que

ya había.

Antes de la invención de la bombilla eléctrica los únicos medios de iluminación eran el fuego, las velas, y las

lamparas de aceite, pero todas tenían problemas (poca iluminación, poca seguridad, necesitan mucho repuesto,

etc.)

La ampolleta se adapto fácilmente debido a sus ventajas: su eficiencia luminosa, duración, etc.

Material y funcionamiento

Es un globo de cristal en el que se ha hecho un vacío y dentro del cual se halla un filamento metálico que, al

ser atravesado por una corriente eléctrica, emite luz visible.
La bombilla eléctrica, también conocida como ampolleta o lámpara incandescente, es una fuente artificial de luz, y funciona justamente mediante la incandescencia. El proceso consiste en corriente eléctrica que fluye a través de un delgado filamento, el cual se calienta y por lo mismo emite luz. La cubierta de vidrio que todos conocemos impide que el oxígeno circundante llegue a este filamento, lo cual ocasionaría su ruptura por oxidación (por lo tanto el interior de la bombilla esta al vacío o relleno con algún gas noble). Este sencillo e ingenioso principio nos ha acompañado silenciosamente durante nuestras vidas y ha revolucionado al mundo.

Para saber más en detalle cómo funciona o está construida la ampolleta o bombilla, debemos profundizar en el asunto de la emisión de la luz. El tipo de filamento que se utiliza por lo general es de tungsteno; cuando los electrones que pasan a través de este filamento se topan sus átomos, ocurre que algunos de los electrones de estos átomos aumentan su nivel de energía y por consiguiente quedan en órbitas superiores. Al retornar a su órbita original liberan fotones, que son nada menos que la luz en su aspecto de partícula. Al mismo tiempo se libera energía electromagnética infrarroja, que es lo que percibimos como el calor que emana la ampolleta.

La historia de la bombilla eléctrica data de el 1800. Precisamente en 1801, un químico llamado Humphry Davy descubrió que al hacer pasar una corriente eléctrica por filamentos de platino, estos brillaban por algunos minutos; el principio estaba, pero no era muy práctico por aquel entonces. Generalmente se reconoce a Thomas Alva Edison en los Estados Unidos como quien inventó la ampolleta, pero es interesante saber que en Gran Bretaña se le atribuye el invento a Joseph Wilson Swan. Solo después de muchos experimentos Edison dio con un diseño cuyo filamento consistía en bambú carbonizado, y la duración de ese primer prototipo comercial era de aprox. 1200 horas (esto en 1880, y es en realidad increíble si consideramos que en 1879 sus intentos no duraban más de 14 horas). Como con muchos otros inventos, hubo todo una serie de disputas con respecto a las patentes, pero finalmente se le reconoció a Edison su invención; la verdad es que aunque muchos discrepas aún acerca de esto, Edison fue el primero en proponer una alternativa económicamente viable de bombilla eléctrica.

Entre los intentos para mejorar a la tradicional ampolleta encontramos a la lámpara halógena, que usa también un filamento de tungsteno pero el interior del recipiente va lleno de gas alógeno; el efecto es que se retarda el "quemado" en las partes que se van desgastando del filamento, lo que permite una vida mayor y un trabajo a mayor temperatura, lo que entrega una percepción de mayor brillo y color más agradable (blanco). El problema es justamente esta mayor temperatura, lo que las hace potencialmente peligrosas, y además la emisión de radiación UV. Para solucionar el problema, los fabricantes han incluido filtros UV en los vidrios.

Otras alternativas son las lámparas fluorescentes, que vemos principalmente en establecimientos de mayor tamaño, y últimamente los LED (Light Emiting Diode o en español diodo emisor de luz), de una increíble eficiencia y economía. Poco a poco estos LEDs se abren paso para ir reemplazando a las ampolletas o bombillas eléctricas para algunos usos cotidianos.


Material y funcionamiento

Es un globo de cristal en el que se ha hecho un vacío y dentro del cual se halla un filamento metálico que, al ser atravesado por una corriente eléctrica, emite luz visible.



THOMAS ALVA EDISON

El inventor estadounidense Thomas Edison vivió y trabajo toda su vida en Estados Unidos. Fue el inventor más productivo de todos los tiempos. Patento 1.903 inventos, entre ellos la lampara incandescente (similar a la bombilla eléctrica que usamos en nuestros días) y el fonógrafo. También mejoro el proyector cinematográfico. Fundo, asimismo, el primer laboratorio de investigación industrial.

Edison tuvo unos comienzos muy difíciles. Fue expulsado de la escuela porque se dudaba de su capacidad intelectual, cuando en realidad lo que padecía era sordera. Su madre lo educo en casa, donde a los 10 años de edad monto su primer laboratorio.

CONTEXTO HISTORICO

La bombilla eléctrica fue inventada en 1879 durante una segunda revolución industrial. En este periodo desarrollado durante él ultimo cuarto del siglo XIX descendió la natalidad y el crecimiento demográfico. Muchos campesinos se trasladaron desde el campo hasta la ciudad, en ese periodo. Las principales potencias se expandieron colonialmente. Hicieron su aparicíon nuevos sectores: químico, eléctrico y petróleo. A partir de 1920 las fabricas se automatizaron debido al uso de nuevos recursos energéticos (petróleo, electricidad) y nuevos metales.




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

Todos los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación electromagnética. Mientras más alta sea su temperatura mayor será la energía emitida y la porción del espectro electromagnético ocupado por las radiaciones emitidas. Si el cuerpo pasa la temperatura de incandescencia una buena parte de estas radiaciones caerán en la zona visible del espectro y obtendremos luz.



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.


Rendimiento de una lámpara incandescente

La producción de luz mediante la incandescencia tiene una ventaja adicional, y es que la luz emitida contiene todas las longitudes de onda que forman la luz visible o dicho de otra manera, su espectro de emisiones es continuo. De esta manera se garantiza una buena reproducción de los colores de los objetos iluminados.

Características de una lámpara incandescente

Entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las características fotométricas: la intensidad luminosa, el flujo luminoso y el rendimiento o eficiencia. Además de estas, existen otros que nos informan sobre la calidad de la reproducción de los colores y los parámetros de duración de las lámparas.

Características cromáticas

Los colores que vemos con nuestros ojos dependen en gran medida de las características cromáticas de las fuentes de luz. Por poner un ejemplo, no se ve igual una calle de noche a la luz de las farolas iluminadas por lámparas de luz blanca que con lámparas de luz amarilla.

A la hora de describir las cualidades cromáticas de las fuentes de luz hemos de considerar dos aspectos. El primero trata sobre el color que presenta la fuente. Y el segundo describe cómo son reproducidos los colores de los objetos iluminados por esta. Para evaluarlos se utilizan dos parámetros: la temperatura de color y el rendimiento de color que se mide con el IRC.

La temperatura de color hace referencia al color de la fuente luminosa. Su valor coincide con la temperatura a la que un cuerpo negro tiene una apariencia de color similar a la de la fuente considerada. Esto se debe a que sus espectros electromagnéticos respectivos tienen una distribución espectral similar. Conviene aclarar que los conceptos temperatura de color y temperatura de filamento son diferentes y no tienen porque coincidir sus valores.

El rendimiento en color, por contra, hace referencia a cómo se ven los colores de los objetos iluminados. Nuestra experiencia nos indica que los objetos iluminados por un fluorescente no se ven del mismo tono que aquellos iluminados por bombillas. En el primer caso destacan más los tonos azules mientras que en el segundo lo hacen los rojos. Esto se debe a que la luz emitida por cada una de estas lámparas tiene un alto porcentaje de radiaciones monocromáticas de color azul o rojo.





Fuente de luz blanca.

Fuente de luz monocromática.

Efecto del color de la fuente sobre el color de los objetos

Para establecer el rendimiento en color se utiliza el índice de rendimiento de color (IRC o Ra) que compara la reproducción de una muestra de colores normalizada iluminada con nuestra fuente con la reproducción de la misma muestra iluminada con una fuente patrón de referencia.

Características de duración

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.

Para determinar la vida de una lámpara disponemos de diferentes parámetros según las condiciones de uso definidas.

  • La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lámpara se estropea, trabajando en unas condiciones determinadas.

  • La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la mitad de las lámparas de un lote representativo de una instalación, trabajando en unas condiciones determinadas.

  • La vida útil es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir un conjunto de lámparas de una instalación a mantenerlas. Esto se hace por motivos económicos y para evitar una disminución excesiva en los niveles de iluminación en la instalación debido a la depreciación que sufre el flujo luminoso con el tiempo. Este valor sirve para establecer los periodos de reposición de las lámparas de una instalación.

  • La vida media es el tiempo medio que resulta tras el análisis y ensayo de un lote de lámparas trabajando en unas condiciones determinadas.

La duración de las lámparas incandescentes está normalizada; siendo de unas 1000 horas para las normales, para las halógenas es de 2000 horas para aplicaciones generales y de 4000 horas para las especiales.

Factores externos que influyen en el funcionamiento de las lámparas

Los factores externos que afectan al funcionamiento de las lámparas son la temperatura del entorno dónde esté situada la lámpara y las desviaciones en la tensión nominal en los bornes.

La temperatura ambiente no es un factor que influya demasiado en el funcionamiento de las lámparas incandescentes, pero sí se ha de tener en cuenta para evitar deterioros en los materiales empleados en su fabricación. En las lámparas normales hay que tener cuidado de que la temperatura de funcionamiento no exceda de los 200º C para el casquillo y los 370º C para el bulbo en el alumbrado general. Esto será de especial atención si la lámpara está alojada en luminarias con mala ventilación. En el caso de las lámparas halógenas es necesario una temperatura de funcionamiento mínima en el bulbo de 260º C para garantizar el ciclo regenerador del wolframio. En este caso la máxima temperatura admisible en la ampolla es de 520º C para ampollas de vidrio duro y 900º C para el cuarzo.

Las variaciones de la tensión se producen cuando aplicamos a la lámpara una tensión diferente de la tensión nominal para la que ha sido diseñada. Cuando aumentamos la tensión aplicada se produce un incremento de la potencia consumida y del flujo emitido por la lámpara pero se reduce la duración de la lámpara. Análogamente, al reducir la tensión se produce el efecto contrario.


Efecto de las variaciones de tensión (%) sobre las características
de funcionamiento de las lámparas incandescentes

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.


Ampolla | Filamento | Soporte | Gas de relleno
Vástago | Hilos conductores | Casquillo

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 no halógenas

Entre las lámparas incandescentes no halógenas podemos distinguir las que se han rellenado con un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vacío en su interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Las lámparas incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia entre 25 y 2000 W y unas eficacias entre 7.5 y 11 lm/W para las lámparas de vacío y entre 10 y 20 para las rellenas de gas inerte. En la actualidad predomina el uso de las lámparas con gas, reduciéndose el uso de las de vacío a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W.




Lámparas con gas

Lámparas de vacío

Temperatura del filamento

2500 ºC

2100 ºC

Eficacia luminosa de la  lámpara

10-20 lm/W

7.5-11 lm/W

Duración

1000 horas

1000 horas

Pérdidas de calor

Convección y radiación

Radiación

Lámparas halógenas de alta y baja tensión

En las lámparas incandescentes normales, con el paso del tiempo, se produce una disminución significativa del flujo luminoso. Esto se debe, en parte, al ennegrecimiento de la ampolla por culpa de la evaporación de partículas de wolframio del filamento y su posterior condensación sobre la ampolla.

Agregando una pequeña cantidad de un compuesto gaseoso con halógenos (cloro, bromo o yodo), normalmente se usa el CH2Br2, al gas de relleno se consigue establecer un ciclo de regeneración del halógeno que evita el ennegrecimiento. Cuando el tungsteno (W) se evapora se une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso. Cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno. Y así, el ciclo vuelve a empezar.



Ciclo del halógeno

El funcionamiento de este tipo de lámparas requiere de temperaturas muy altas para que pueda realizarse el ciclo del halógeno. Por eso, son más pequeñas y compactas que las lámparas normales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo que impide manipularla con los dedos para evitar su deterioro.

Tienen una eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo (150 a 2000W) según el uso al que estén destinadas. Las lámparas halógenas se utilizan normalmente en alumbrado por proyección y cada vez más en iluminación doméstica.



H A L O G E N A C I Ó N

Definición

Se entiende por halogenación al proceso por el cual se introduce en un compuesto orgánico uno o más átomos de halógeno.

Los procedimientos y condiciones difieren dependiendo de cada miembro de la familia de halógenos y también del tipo y estructura de la sustancia a halogenar.

Los derivados clorados, por obtenerse más económicamente, son los de mayor importancia industrial, los derivados bromados tienen ciertas ventajas por que el átomo de bromo es más fácilmente sustituible en reacciones subsiguientes, por que tienen ciertas aplicaciones farmacéuticas o colorantes.

Como puede observarse, las halogenaciones implican reacciones de:

Las bombillas halógenas

Una de las mejores opciones para dar una iluminación ambiental y nítida a una vivienda y a sus exteriores es recurriendo a las bombillas halógenas. Este producto permite llevar la luz a todos los espacios de una casa gracias a su gran potencia (algunas bombillas pueden alcanzar los 500 vatios) y su alta capacidad de iluminación.

De escaso tamaño, estas bombillas producen gran cantidad de luz blanca y pura. Sin embargo, también generan mucho calor, así que tendremos que tener cuidado en el momento de ubicarlas. Generalmente son utilizadas para ofrecer un haz indirecto, ya que focalizan mucho los puntos de iluminación. Son especialmente útiles para lámparas empotradas, de trabajo o luces ambientales.

Principales características
Para iluminar estancias, una opción muy viable para los que quieren deshacerse de las lámparas es empotrar en falsos techos las bombillas. Por otra parte, la luz halógena es demasiado intensa si estamos muy cerca, por eso siempre deben estar lejos de los ojos.

Las bombillas halógenas provistas de filtro son mucho menos agresivas en el caso de tener la fuente de luz muy cerca. Una buena opción para evitar esa intensidad de luz es poner una pequeña placa de vidrio, o bien focalizarla a paredes y techos.

Es recomendable usarlas con reguladores de potencia. Otra de sus ventajas es el bajo consumo: normalmente duran el doble que las bombillas convencionales, toda una ventaja en casas como las actuales que consumen gran cantidad de energía debido a los numerosos aparatos eléctricos con los que cuentas.

Iluminación y decoración
Los halógenos constituyen una buena alternativa frente a la iluminación convencional, puesto que la luz que proyectan es muy clara y nítida, resaltando ciertos detalles de las estancias que nos interesa distinguir de forma especial. Son perfectos también para zonas de trabajo. Igualmente, ofrecen mucho juego en lugares de recreo o en decoración, tanto en interior como al aire libre.

Para iluminar sutilmente los cuadros son excelentes, ya que destacan los colores del lienzo sin darles demasiados reflejos de luz. Recuerda que nunca deben estar muy próximos: el calor puede estropear la pintura. También son ideales para resaltar ciertos elementos decorativos, sobre todo aquellos compuestos de metal, cerámica o cristal.

Algunos detractores de este sistema de iluminación inciden en la sensación de frialdad que producen los halógenos, en comparación, por ejemplo, con las bombillas incandescentes. La luz convencional es mucho más cálida y completa, en el sentido de que focaliza menos la proyección de luz. Por otra parte, el efecto luminoso concentrado que provocan los halógenos en ciertas partes de la casa puede ser aprovechado por el decorador para dar mayor relevancia a unos elementos frente a otros. Es por ello que, en la mayoría de las casas actuales conviven en armonía los dos sistemas

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