El origen de las lámparas incandescentes
La lámpara incandescente es una fuente de luz eléctrica que calienta el filamento a un estado incandescente y emite luz visible a través de radiación térmica. A partir de 1879, T.A. Edison en los Estados Unidos fabricó lámparas incandescentes de fibra de carbono (filamento de carbono). Con la mejora continua de los materiales y estructuras de los filamentos y de los gases de relleno, también ha aumentado en consecuencia la eficiencia luminosa de las lámparas incandescentes. En 1959, Estados Unidos desarrolló una lámpara halógena de tungsteno regulable, extremadamente pequeña, basada en lámparas incandescentes. La tendencia de desarrollo de las lámparas incandescentes es principalmente desarrollar bombillas de bajo consumo. Las lámparas incandescentes con diferentes usos y necesidades tienen diferentes estructuras y componentes. La eficiencia de la luz incandescente es baja, pero el color de la luz y el rendimiento de captación de luz son buenos. Es la fuente de luz eléctrica de mayor producción y más utilizada.
En la segunda mitad del siglo XIX, se empezó a experimentar con bombillas incandescentes, utilizando corriente para calentar el filamento en el vacío. En 1879, T.A. Edison de los Estados Unidos fabricó una lámpara incandescente de fibra de carbono (filamento de carbono), que trajo luz eléctrica al hogar por primera vez. En 1907, A. Justin inventó el alambre de tungsteno cepillado y lo convirtió en una lámpara incandescente de filamento de tungsteno. Poco después, I. Langmuir de los Estados Unidos inventó el alambre de tungsteno en espiral y llenó la burbuja de vidrio con nitrógeno, un gas inerte, para suprimir la evaporación del alambre de tungsteno; en 1915, se llenó con una mezcla de argón y nitrógeno; En 1912, para minimizar la superficie de contacto entre el filamento y el gas, el japonés Miura Shunichi desarrolló el filamento de tungsteno de una sola hélice a una doble hélice, lo que mejoró enormemente la eficiencia luminosa. En 1935, A. Claude de Francia llenó la bombilla con criptón y xenón, mejorando aún más la eficiencia luminosa. Desde 65438 hasta 0959, Estados Unidos desarrolló la lámpara halógena de tungsteno más pequeña con la atenuación de luz más pequeña basada en lámparas incandescentes. La historia del desarrollo de las lámparas incandescentes es la historia de la mejora de la eficiencia luminosa de las bombillas. La eficiencia de la producción de lámparas incandescentes también aumentó rápidamente. En la década de 1980, la producción de las líneas de producción de alta velocidad de lámparas incandescentes ordinarias alcanzaba las 8.000 piezas/hora y se utilizaban computadoras para el control de calidad.
Se cree generalmente que el inventor de la luz eléctrica fue el gran inventor Edison. De hecho, la investigación experimental en esta área comenzó mucho antes que Edison.
En el documento de patente estadounidense de 1845, Starr de Cincinnati propuso que los filamentos de carbono podrían usarse en burbujas de vacío. Basándose en esta idea, el cisne británico utilizó tiras de papel carbonizado como filamentos e intentó hacer pasar corriente eléctrica a través de ellas para producir luz. Sin embargo, debido a la mala tecnología de aspiración de la época, el aire que quedaba en la bombilla provocó que el filamento se quemara rápidamente. Por tanto, la vida útil de este tipo de lámpara es bastante corta, sólo una hora, y no tiene ningún valor práctico. En 1878, la aparición de las bombas de vacío permitió a Swann volver a investigar las lámparas incandescentes. En octubre de 1879, la lámpara incandescente que inventó fue probada con éxito en público y recibió críticas favorables.
En 1879, Edison también comenzó a estudiar la luz eléctrica. Él cree que la clave para extender la vida útil de las lámparas incandescentes es aumentar el grado de vacío de la bombilla y utilizar materiales resistentes al calor con bajo consumo de energía, fuerte luminiscencia y bajo precio como filamentos. Edison probó más de 1.600 materiales resistentes al calor, pero los resultados no fueron los ideales, 1879 1265438+. Como resultado, la luz emitida por el hilo de algodón carbonizado fue brillante y estable y duró más de 10 horas. Así nació la lámpara incandescente de filamento de algodón carbonizado, por la que Edison recibió una patente.
El éxito no detuvo a Edison. Continuó su búsqueda de un material resistente al calor que fuera más fuerte y duradero que la lana de carbono. En 1880, Edison desarrolló una lámpara de filamento de bambú carbonizado, que alargó enormemente la vida útil del filamento. Ese mismo año 10, Edison construyó su propia fábrica en Nueva Jersey y comenzó la producción en masa. Se trata de la primera lámpara incandescente comercializada en el mundo. El británico Swann también instaló una fábrica en Benwell, un suburbio de Newcastle, en 1818.
La invención de la lámpara incandescente suele atribuirse a Edison en Estados Unidos y a Swann en Reino Unido. En el Reino Unido se celebró el centenario de la invención de la luz eléctrica en 1978+00, mientras que en Estados Unidos se celebró un año después, en el 110.
La competencia entre los dos inventores es muy feroz y las disputas sobre patentes son casi inevitables. Posteriormente, los dos llegaron a un acuerdo para formar una empresa conjunta, Edison Swan Electric Company, para producir lámparas incandescentes en el Reino Unido.
La moderna lámpara incandescente de tungsteno fue producida con éxito en una prueba por el inventor estadounidense Coolidge en 1908. El cuerpo luminoso es un filamento extraído de metal de tungsteno. La característica más valiosa de este material es su alto punto de fusión, lo que significa que permanece sólido a altas temperaturas. De hecho, la temperatura del filamento de una lámpara incandescente encendida alcanza los 3000°C. Precisamente porque el filamento caliente produce radiación luminosa, la lámpara eléctrica emite una luz brillante.
Debido a que algunos átomos de tungsteno se evaporarán hasta convertirse en gas a altas temperaturas y se depositarán en la superficie de vidrio de la bombilla, lo que hará que la bombilla se vuelva negra. Por lo tanto, las lámparas incandescentes parecen "grandes barrigas", lo que permite que los átomos de tungsteno depositados se propaguen. a una superficie mayor. De lo contrario, la bombilla se volverá negra en poco tiempo. Debido a que el filamento continúa sublimándose, gradualmente se hará más delgado hasta que finalmente se rompa. En este momento, la vida útil de una bombilla termina.
De entre todos los aparatos de iluminación eléctrica, las lámparas incandescentes son las menos eficientes. Sólo una pequeña parte de la energía eléctrica que consumen, es decir, un 12%-18%, puede convertirse en energía lumínica, y el resto. se utiliza como energía térmica. En cuanto al tiempo de iluminación, la vida útil de este tipo de lámparas no suele superar las 1.000 horas. En este punto, las luces halógenas duran mucho más que las luces incandescentes normales. Una lámpara halógena suele ser un pequeño tubo de vidrio fluorescente. En comparación con las lámparas incandescentes, la característica especial de las lámparas halógenas es que el filamento de tungsteno puede "autoregenerarse". De hecho, el filamento y la carcasa de vidrio de esta lámpara están llenos de algunos elementos halógenos, como el yodo y el bromo. A medida que el filamento se calienta, los átomos de tungsteno se evaporan y se mueven hacia las paredes del tubo de vidrio. A medida que se acercan al tubo de vidrio, el vapor de tungsteno se "enfría" a aproximadamente 800°C y se combina con átomos de halógeno para formar haluros de tungsteno (yoduro de tungsteno, bromuro de tungsteno). El haluro de tungsteno se mueve hacia el centro del tubo de vidrio y aterriza sobre el filamento corroído. Debido a que el haluro de tungsteno es inestable, se descompondrá en vapor de halógeno y tungsteno cuando se caliente, de modo que el tungsteno se depositará en el filamento para compensar la parte evaporada. Este ciclo prolongará la vida útil del filamento. Por lo tanto, el filamento de una lámpara halógena puede hacerse relativamente pequeño y el cuerpo de la lámpara es muy compacto. Las lámparas halógenas se utilizan generalmente en lugares donde se necesita luz concentrada, como la iluminación local en escritorios o salas de estar.
Recientemente, el gobierno australiano ha lanzado un plan para adoptar gradualmente equipos de iluminación fluorescente de bajo consumo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Las bombillas incandescentes estarán prohibidas a partir de 2010.
Este es el primer plan del mundo para eliminar progresivamente las bombillas incandescentes. Para ahorrar energía y proteger el medio ambiente, ¡las bombillas incandescentes se apagarán!
Según los informes, el precio de las lámparas fluorescentes compactas es aproximadamente 10 veces mayor que el de las bombillas incandescentes, pero su vida útil es seis veces mayor que la de estas últimas. Para productos con el mismo brillo, las lámparas fluorescentes consumen menos de un. una cuarta parte de la potencia de las bombillas incandescentes. A medida que siguen surgiendo nuevos productos, también nacen constantemente nuevas fuentes de luz. Por ejemplo, el LED es un dispositivo semiconductor sólido emisor de luz, conocido como fuente de iluminación de cuarta generación o fuente de luz verde. Tiene las características de ahorro de energía, protección del medio ambiente, larga vida útil y tamaño pequeño. Su vida útil puede alcanzar entre 60.000 y 65.438+ horas, más de 10 veces la de las fuentes de luz tradicionales. La conversión de energía electroóptica es cercana al 100% y la misma eficiencia lumínica ahorra más del 80% de energía que las fuentes de luz tradicionales.
Las bombillas incandescentes se utilizan desde hace 128 años. Cuando la gente piensa en bombillas incandescentes, inevitablemente pensará en Edison. De hecho, mucho antes de Edison, el ingeniero eléctrico británico J. Swann comenzó a investigar las luces eléctricas ya a finales de la década de 1940. Después de casi 30 años de arduo trabajo, Swan finalmente encontró un filamento de carbono adecuado para filamentos de lámparas. El 18 de febrero de 1878, Swan produjo con éxito la primera bombilla incandescente. Poco después, también hizo una demostración de su bombilla de filamento de carbono en la Sociedad Química de Newcastle. Cuando su informe experimental sobre lámparas incandescentes se publicó en los Estados Unidos, también proporcionó a Edison una ayuda directa. A diferencia de Edison, Swann no solicitó una patente hasta 1880, después de inventar la bombilla incandescente. No se puso oficialmente en producción hasta 1881. Después de que la bombilla se puso en producción, no logró construir la central eléctrica ni la red de transmisión correspondientes como Edison. De esta manera, Edison vino de atrás y se convirtió en el reconocido inventor de la lámpara incandescente.
En el proceso de desarrollo de materiales filamentosos para bombillas incandescentes, Edison probó hilo de algodón, tiras finas de madera, paja, papel de gasa, hilo, cuerda de abacá, pelo de caballo, hilo de pescar, castañas, caucho duro, y corchos, ratán, fibra de maíz e incluso barbas y cabellos humanos.
La noche del 21 de octubre de 1879, Edison y sus ayudantes colocaron con éxito filamentos de carbono en la bombilla. Siguiendo las instrucciones de Edison, un experto en vidrio alemán bombeó el aire de la bombilla a una presión de sólo una millonésima de atmósfera, la selló y Edison encendió la corriente. La escena que habían estado esperando día y noche finalmente apareció frente a ellos. ellos: ¡la bombilla brillaba dorada! Después de 45 horas de uso continuo, el filamento de esta lámpara eléctrica se quemó. Esta fue la primera lámpara eléctrica con un valor práctico generalizado. Posteriormente, la gente designó este día como el día de la invención de la luz eléctrica. Desde entonces, Edison ha estado trabajando para mejorar las lámparas incandescentes. Para mejorar la calidad de la bombilla y prolongar su vida útil, Edison hizo todo lo posible para encontrar materiales adecuados para el filamento. A principios de mayo de 1880, había experimentado con aproximadamente 6.000 materiales de fibra vegetal.
Durante mucho tiempo, Edison envió a muchas personas por todo el mundo a buscar bambú adecuado para fabricar filamentos. En los nueve años transcurridos entre 65438 y 0908, el bambú japonés ha sido la principal materia prima para la fibra de carbono.
La bombilla incandescente inventada por Edison ha hecho grandes contribuciones a la civilización humana, pero para ahorrar energía y proteger el medio ambiente, ¡solo puede retirarse del escenario de la historia!
Suplemento: Las lámparas incandescentes tienen una ventaja que la mayoría de otros tipos de productos emisores de luz no tienen, es decir, son adecuadas para ocasiones que se inician con frecuencia.
Se trata de una lámpara incandescente ordinaria, compuesta principalmente por bombilla de vidrio, filamento, cable, columna de inducción, portalámparas, etc.
La carcasa de vidrio tiene forma esférica y está hecha de vidrio resistente al calor. Separa el filamento del aire y no solo puede transmitir luz sino que también desempeña una función protectora. Cuando la lámpara incandescente está funcionando, la temperatura de la bombilla de vidrio puede alcanzar unos 100°C.
El filamento está hecho de alambre de tungsteno que es mucho más delgado que un cabello y tiene forma de espiral. Parece que el filamento es muy corto, pero de hecho, este alambre de tungsteno en espiral extremadamente delgado se estira en línea recta, con una longitud de más de 1 metro.
Estas dos líneas son muy simples en la superficie, pero en realidad están compuestas de tres partes: línea interior, línea Dumex y línea exterior. El conductor interno se utiliza para conducir electricidad y fijar el filamento, y está hecho de alambre de cobre o alambre de hierro niquelado, el alambre rojo corto en el medio se llama alambre Dumex, que debe combinarse firmemente con el vidrio para evitarlo; fuga de aire; el conductor exterior es un cable de cobre y su tarea es conectar el portalámparas al encendido.
La parte de vidrio en forma de trompeta es la columna de inducción, que está conectada a la carcasa de vidrio y desempeña la función de fijar las partes metálicas. Utilice un tubo de escape para extraer el aire de la bombilla de vidrio y luego suelde el extremo inferior para sellarlo y que la lámpara no tenga fugas.
El portalámparas es una pieza metálica que conecta el portalámparas y la fuente de alimentación y se une a la carcasa de vidrio con pasta de soldadura.
Aquí es especialmente necesario hablar del filamento, porque es la lámpara la que emite la luz.
El filamento de tungsteno de las lámparas incandescentes, al igual que el filamento de carbono, le teme al aire. Si la bombilla de vidrio se llena de aire, cuando la temperatura del alambre de tungsteno sube por encima de los 2000 °C después de encenderlo, el aire lo atacará sin piedad, provocando que se queme rápidamente. Al mismo tiempo, se formará un tungsteno de color amarillo-blanco. Se generará trióxido, que se adherirá a la misma en el interior de la bombilla de cristal y en el interior de la lámpara.
Si queda menos aire en el bulbo de vidrio, el proceso anterior procederá lentamente y el tungsteno se combinará con la oxidación del aire para formar una fina mezcla azul de trióxido de tungsteno y óxido de tungsteno.
Todos estos son trucos del aire: el oxígeno del aire oxida el alambre de tungsteno a alta temperatura.
Por lo tanto, las bombillas de tungsteno deben evacuarse para eliminar todo el aire.
A veces tienes miedo de que la bomba de aire no esté limpia, por lo que tienes que aplicar un poco de fósforo rojo en la columna de detección de la bombilla. El fósforo rojo se convertirá en fósforo blanco cuando se caliente. El fósforo blanco puede reaccionar fácilmente con el oxígeno para formar pentóxido de fósforo sólido, que "comerá" el oxígeno y destruirá el oxígeno restante en el bulbo de vidrio.
Sin embargo, esto no soluciona todos los problemas. Las lámparas incandescentes se volverán negras con el tiempo y se apagarán después de un tiempo. ¿Sabes por qué?
De hecho, los filamentos de tungsteno se evaporan mucho más lentamente en el vacío que los filamentos de carbono. Sin embargo, cuando la temperatura de iluminación de las lámparas incandescentes aumenta mucho, la evaporación del tungsteno sigue siendo grave.
Las altas temperaturas a largo plazo hacen que los átomos de tungsteno en la superficie del alambre de tungsteno se evaporen y se difundan como vapor de agua, y luego se depositen capa por capa en la superficie interna de la bombilla de vidrio, causando que la bombilla de vidrio lentamente se vuelve negro y se vuelve cada vez más opaco.
La evaporación del tungsteno también hace que el alambre de tungsteno se vuelva cada vez más delgado y finalmente se queme.
Cuanto mayor sea la temperatura de trabajo del filamento, más rápido se evapora el tungsteno y menor será la vida útil de la lámpara incandescente.
¿Existe alguna forma de reducir la evaporación y prolongar la vida útil del filamento en condiciones de vacío?
La única forma de alargar la vida útil es bajar la temperatura y bajar la temperatura del filamento. Cuando la temperatura de funcionamiento del filamento de tungsteno alcanza los 2700 °C, la bombilla se apagará en menos de 1 hora. La temperatura de trabajo del alambre de tungsteno se reduce a 1700°C y la vida útil se puede extender a más de 1000 horas.
Sin embargo, esto no es una buena idea. Reducir la temperatura de trabajo del filamento de tungsteno, es decir, reducir su incandescencia, reducirá la eficiencia luminosa de la lámpara incandescente, haciéndola mucho menos brillante que a altas temperaturas.
Por tanto, el problema está claramente planteado a la gente: si una lámpara incandescente quiere emitir más luz, debe aumentar la temperatura de trabajo del filamento si se quiere reducir la evaporación del filamento de tungsteno; Para alargar la vida útil de la lámpara, hay que bajar su temperatura corporal. "Esto es una contradicción.
Nuestro requisito no es sólo tener una alta eficiencia luminosa, sino también reducir la evaporación del filamento de tungsteno.
Después de años de investigación, la gente se ha dado cuenta de que cuando la bombilla se llena de Aunque el filamento se oxidará rápidamente cuando se exponga al aire, la evaporación del tungsteno será más lenta.
La razón es realmente muy simple: el aire está compuesto de muchos componentes, y sólo el oxígeno, el óxido de tungsteno, representa 1/5 del aire total, mientras que el nitrógeno restante, que representa aproximadamente 4/5; No sólo no participa en la destrucción del tungsteno, sino que también lo hace. Algo bueno: dificulta el movimiento de las moléculas de tungsteno y ralentiza la tasa de evaporación del tungsteno.
Así que la gente encontró un buen amigo para proteger el alambre de tungsteno: el nitrógeno. El nitrógeno está en el aire y constituye la mayor parte. Se puede decir que "no se puede encontrar un lugar para conseguirlo y no es necesario trabajar duro para conseguirlo".
En el pasado, para garantizar la vida útil de las incandescentes lámparas, teníamos que extraer el aire de las bombillas de cristal de la forma más limpia posible. Ahora, para el mismo propósito, tenemos que hacer lo contrario y llenar el bulbo de vidrio con gas. El gas no reaccionará químicamente con el tungsteno.
Nitrogen es un tipo vago. Le gusta vagar solo y no le gusta tratar con nadie. No es útil en muchos lugares, pero se puede utilizar con lámparas incandescentes.
Si la bombilla es de vacío, entonces cuando el filamento de tungsteno se conecta a la fuente de alimentación y la temperatura aumenta, las moléculas de tungsteno estarán "listas para moverse" y dejarán el filamento en grandes cantidades, funcionando " como si estuvieran en tierra de nadie" Corre hasta ser succionado por la pared de la bombilla de cristal.
Una vez que la bombilla de vidrio se llena de nitrógeno, se formará una fina y estable capa protectora de gas alrededor del filamento incandescente, como una "cerca" viva. Cada molécula de nitrógeno es un guerrero valiente que protege el alambre de tungsteno. Es grosero y grosero con esas moléculas de tungsteno que intentan separarse del grupo y correr, contradiciéndolas violentamente y diciéndoles que regresen a sus trabajos y continúen sirviendo. la luz. De esta forma, la velocidad de evaporación del alambre de tungsteno es mucho más lenta.
El resultado es una bombilla incandescente llena de gas nitrógeno.
En 1913, Langmuir llenó una bombilla de vidrio con nitrógeno por primera vez. Esta fue otra innovación importante después de que el filamento de la lámpara incandescente se cambiara de filamento de carbono a filamento de tungsteno. Hasta ahora, la aireación sigue siendo la medida básica para inhibir la evaporación del alambre de tungsteno.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el oxígeno o el vapor de agua reaccionarán con el filamento de tungsteno durante el funcionamiento, por lo que existen requisitos muy estrictos para el contenido de oxígeno y agua del inflador; de lo contrario, la vida útil de la bombilla se verá afectada. ser muy acortado.
El inflado ralentiza la tasa de evaporación del filamento de tungsteno. Bajo la misma vida útil, el filamento puede funcionar a una temperatura más alta, por lo que la eficiencia luminosa de la bombilla inflable es mayor que la de la bombilla de vacío. En términos generales, la eficiencia luminosa de las bombillas inflables es más de 1/3 mayor que la de las bombillas de vacío.