Da quale materiale sono stati prodotti i primi filamenti di lampadine a incandescenza?
doc-7856
I primi filamenti di lampadina di successo sono stati fatti di carbonio (da carta carbonizzata o bambù). I primi filamenti di carbonio ha avuto un coefficiente di resistenza negativo di temperatura - come hanno ottenuto più caldo, la loro resistenza elettrica è diminuita. Ciò ha reso la lampada sensibile alle fluttuazioni dell' alimentazione elettrica, in quanto un piccolo aumento di tensione potrebbe causare il riscaldamento del filamento, riducendone la resistenza e provocando un maggiore assorbimento di energia e calore. Nel processo "lampeggiante", i filamenti di carbonio venivano riscaldati dalla corrente che li attraversava, mentre in un recipiente sottovuoto contenente vapori di idrocarburi (di solito benzina). Il carbonio depositato sul filamento da questo trattamento ha migliorato l' uniformità e la resistenza dei filamenti così come la loro efficienza. Un filamento metallizzato o "grafitizzato" è stato prima riscaldato in un forno ad alta temperatura prima di lampeggiare e il gruppo lampada. Ciò ha trasformato il carbonio in grafite che ha ulteriormente rafforzato e lisciato il filamento. Questo ha anche modificato il filamento per avere un coefficiente di temperatura positivo, come un conduttore metallico, e ha contribuito a stabilizzare il consumo di energia della lampada, la temperatura e l' uscita della luce contro piccole variazioni nella tensione di alimentazione.
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doc-7867
Le lampade ad incandescenza sono carichi resistivi quasi puri con un fattore di potenza pari a 1. Ciò significa che la potenza effettivamente consumata (in watt) e la potenza apparente (in volt) sono uguali. Le lampadine a incandescenza sono di solito commercializzate in base all' energia elettrica consumata. Ciò si misura in watt e dipende principalmente dalla resistenza del filamento, che a sua volta dipende principalmente dalla lunghezza, dallo spessore e dal materiale del filamento. Per due lampadine della stessa tensione, tipo, colore e chiarezza, la lampadina di potenza superiore dà più luce.
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doc-7836
Una lampadina a incandescenza, una lampada ad incandescenza o un globo di luce ad incandescenza è una luce elettrica con un filamento di filo riscaldato ad una temperatura elevata, facendo passare una corrente elettrica attraverso di essa, fino a quando si illumina con luce visibile (incandescenza). Il filamento caldo è protetto dall' ossidazione con una lampadina al vetro o al quarzo riempita di gas inerte o evacuata. In una lampada alogena, l' evaporazione del filamento è impedita da un processo chimico che trasferisce il vapore metallico sul filamento, prolungandone la vita. La lampadina viene alimentata con corrente elettrica tramite morsetti passanti o fili incassati nel vetro. La maggior parte delle lampadine sono utilizzati in una presa che fornisce supporto meccanico e connessioni elettriche.
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doc-7852
Le lampadine a incandescenza sono costituite da un involucro di vetro stagno all' aria (l' involucro, o lampadina) con un filamento di filo di tungsteno all' interno della lampadina, attraverso il quale passa una corrente elettrica. I fili di contatto e una base con due (o più) conduttori forniscono collegamenti elettrici al filamento. Le lampadine a incandescenza contengono di solito un supporto in stelo o in vetro ancorato alla base della lampadina che permette ai contatti elettrici di scorrere attraverso l' involucro senza perdite di aria o gas. Piccoli fili incorporati nello stelo sostengono a loro volta il filamento e i suoi fili conduttori.
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doc-7839
Nel 1872, il russo Alexander Lodygin inventò una lampadina a incandescenza e ottenne un brevetto russo nel 1874. Ha usato come bruciatore due barre di carbonio a sezione ridotta in un ricevitore di vetro, ermeticamente sigillato e riempito di azoto, elettricamente disposte in modo che la corrente potesse passare al secondo carbonio quando il primo era stato consumato. In seguito visse negli Stati Uniti, cambiò nome in Alexander de Lodyguine e ottenne brevetti per lampade ad incandescenza con filamenti di cromo, iridio, rodio, rutenio, osmio, molibdeno e tungsteno e una lampadina che utilizzava un filamento di molibdeno fu mostrata alla fiera mondiale del 1900 a Parigi.
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doc-7837
Le lampadine ad incandescenza sono molto meno efficienti della maggior parte degli altri tipi di illuminazione elettrica; le lampadine ad incandescenza trasformano meno del 5% dell' energia che utilizzano in luce visibile, con lampadine standard mediamente intorno al 2,2%. L' energia rimanente viene convertita in calore. L' efficacia luminosa di una tipica lampadina ad incandescenza è di 16 lumen per watt, rispetto a 60 lm/W per una lampadina fluorescente compatta o a 150 lm/W per alcune lampade LED bianche. Alcune applicazioni della lampadina ad incandescenza utilizzano deliberatamente il calore generato dal filamento. Tali applicazioni includono incubatrici, box per cova del pollame, luci di calore per vasche di rettile, riscaldamento a infrarossi per processi industriali di riscaldamento ed essiccazione, lampade lava e il giocattolo Easy-Bake Oven. Le lampadine ad incandescenza in genere hanno una durata di vita breve rispetto ad altri tipi di illuminazione: circa 1.000 ore per le lampadine domestiche contro le 10.000 ore per le lampade fluorescenti compatte e 30.000 ore per i LED di illuminazione.
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doc-9186
Un filamento LED è costituito da più dadi LED collegati in serie su un substrato longitudinale comune che formano una barra sottile che ricorda un filamento a incandescenza tradizionale. Questi vengono utilizzati come alternativa decorativa a basso costo per le lampadine tradizionali, che in molti paesi vengono gradualmente eliminate. I filamenti richiedono una tensione piuttosto alta per illuminare alla luminosità nominale, permettendo loro di lavorare in modo efficiente e semplice con le tensioni di rete. Spesso un raddrizzatore semplice e limitatore di corrente capacitiva sono impiegati per creare una sostituzione a basso costo per una lampadina tradizionale senza la complessità di creare un convertitore di corrente alta e a bassa tensione, che è richiesto dai LED monoblocco. Di solito sono imballati in un involucro sigillato con una forma simile a quella delle lampade che sono stati progettati per sostituire (ad es. una lampadina) e riempito con azoto inerte o anidride carbonica per eliminare efficacemente il calore.
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doc-7865
La lampada alogena riduce l' evaporazione irregolare del filamento ed elimina l' oscuramento dell' involucro riempiendo la lampada con un gas alogeno a bassa pressione, piuttosto che con un gas inerte. Il ciclo alogeno aumenta la durata di vita della lampadina e ne previene l' oscuramento riposizionando il tungsteno dall' interno della lampadina sul filamento. La lampada alogena può far funzionare il suo filamento ad una temperatura superiore a quella di una lampada standard a gas di potenza simile senza perdita di vita operativa. Tali lampadine sono molto più piccole delle normali lampadine ad incandescenza, e sono ampiamente utilizzati dove l' illuminazione intensa è necessaria in uno spazio limitato. Lampade a fibra ottica per microscopia ottica è una tipica applicazione.
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doc-7851
Philips ha introdotto nuove lampadine ad incandescenza "ibride", richieste dalla legislazione di vari paesi che impongono una maggiore efficienza delle lampadine. Gli incandescenti "Halogena Energy Saver" possono produrre circa 23 lm/W; circa il 30% in più di efficienza rispetto agli incandescenti tradizionali, utilizzando una capsula riflettente per riflettere la radiazione infrarossa precedentemente sprecata fino al filamento da cui può essere riemessa come luce visibile. Questo concetto è stato sperimentato da Duro-Test nel 1980 con un prodotto commerciale che produceva 29,8 lm/W. Riflettori più avanzati basati su filtri di interferenza o cristalli fotonici possono teoricamente portare ad una maggiore efficienza, fino ad un limite di circa 270 lm/W (40% della massima efficacia possibile). Le prove di laboratorio hanno prodotto fino a 45 lm/W, avvicinandosi all' efficacia delle lampadine fluorescenti compatte.
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doc-7860
Uno dei problemi della lampadina elettrica standard è l' intaglio del filamento dovuto all' evaporazione del filamento. Piccole variazioni di resistività lungo il filamento provocano la formazione di "hot spot" nei punti di resistività più elevata; una variazione del diametro di solo l' 1% determinerà una riduzione del 25% della vita utile. Questi punti caldi evaporano più velocemente del resto del filamento, il che aumenta la resistenza a quel punto, creando un feedback positivo che termina nel piccolo divario familiare in un filamento altrimenti sano. Irving Langmuir ha scoperto che un gas inerte, invece del vuoto, ritardava l' evaporazione. General service lampadine ad incandescenza lampadine oltre 25 watt circa in rating sono ora riempito con una miscela di argon per lo più e qualche azoto, o a volte krypton. Lampade funzionanti in corrente continua sviluppano irregolarità casuali di gradini di scale sulla superficie del filamento che possono tagliare la durata di vita a metà rispetto al funzionamento AC; leghe diverse di tungsteno e renio può essere utilizzato per contrastare l' effetto.
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doc-7846
Lo spettro emesso da un radiatore a corpo nero alle temperature delle lampadine ad incandescenza non corrisponde alle caratteristiche di sensibilità dell' occhio umano; la luce emessa non appare bianca, e la maggior parte di essa non rientra nella gamma di lunghezze d' onda a cui l' occhio è più sensibile. I filamenti di tungsteno irradiano per lo più radiazione infrarossa a temperature dove rimangono solidi - sotto i 3.695 K (3.422 °C; 6.191 °F). Donald L. Klipstein spiega così:"Un radiatore termico ideale produce la luce visibile in modo ottimale a temperature intorno ai 6.300 °C (6.600 K; 11.400 °F). Anche a questa temperatura elevata, molta radiazione è infrarossa o ultravioletta, e l' efficacia luminosa teorica (LER) è di 95 lumen per watt". Nessun materiale noto può essere utilizzato come filamento a questa temperatura ideale, che è più calda della superficie del sole.
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doc-16811
Il vuoto è utile in una varietà di processi e dispositivi. Il suo primo uso diffuso fu nella lampadina ad incandescenza per proteggere il filamento dalla degradazione chimica. L' inerzia chimica prodotta dal vuoto è utile anche per la saldatura a fascio elettronico, la saldatura a freddo, il confezionamento sotto vuoto e la frittura a vuoto. L' ultra-elevato vuoto viene utilizzato nello studio di substrati atomicamente puliti, in quanto solo un ottimo aspirapolvere conserva superfici pulite su scala atomica per un tempo ragionevolmente lungo (sull' ordine di minuti a giorni). Il vuoto da alto a ultra-alto elimina l' ostruzione dell' aria, permettendo ai fasci di particelle di depositare o rimuovere materiali senza contaminazione. Questo è il principio alla base della deposizione chimica del vapore, della deposizione fisica del vapore e dell' incisione a secco, che sono essenziali per la fabbricazione di semiconduttori e rivestimenti ottici e per la scienza delle superfici. La riduzione della convezione fornisce l' isolamento termico delle bottiglie di thermos. Il vuoto profondo abbassa il punto di ebollizione dei liquidi e favorisce il degassamento a bassa temperatura che viene utilizzato per l' essiccazione al congelamento, la preparazione di adesivi, la distillazione, la metallurgia e lo spurgo dei processi. Le proprietà elettriche del vuoto rendono possibili microscopi elettronici e tubi sottovuoto, compresi i tubi a raggi catodici. L' eliminazione dell' attrito dell' aria è utile per lo stoccaggio dell' energia del volano e per le ultracentrifughe.
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