Luce elettrica

In occasione del Cagliari FestivalScienza 2015 (Exmà 11-15 novembre 2015) è stata allestita una mostra storica con un laboratorio interattivo avente per tema la Luce Elettrica. Un’esposizione di lampade a incandescenza, di varie forme e dimensioni, celebra la fine di un sistema di illuminazione. Apparecchi storici, quali i rocchetti di Ruhmkorff, vengono utilizzati per alimentare sorgenti luminose attraverso scariche elettriche nel vuoto e nei gas rarefatti.

 

Luce elettrica: l'elettricità per illuminare

La "Luce Elettrica", invenzione ed evoluzione della lampadina ad incandescenza, di Alessandro De Rubeis.

La luce sta cambiando. Tra il 2009 e il 2012 l’Unione Europea ha messo al bando le vecchie lampadine a incandescenza.
La scala evolutiva della lampadina è degna di Darwin: dalle lampadine ad arco a quelle a incandescenza, dalle lampade a scarica ai LED.
La tecnologia ha puntato nel tempo a diversi traguardi: all’inizio illuminare meglio, poi allungare la vita della lampadina, ora ridurre i consumi. Se nelle lampadine a incandescenza il 5% dell’energia era utilizzata per produrre luce e il 95% si disperde in calore, le lampadine a fluorescenza e i LED convertono in luce rispettivamente il 25% e il 50% dell’energia utilizzata.

 

Invenzione ed evoluzione della lampadina

Storia della lampadina

Quante volte la luce di una lampadina ha restituito la serenità ad un bimbo che aveva paura del buio?
Con un semplice gesto e con una lieve pressione su di un interruttore, la stanza si illumina di un improvviso chiarore ci riporta la visione completa di tutto quanto è intorno a noi. Con questo gesto sembra quasi che ci riappropriano del dominio delle cose in un mondo che ormai sentiamo come nostro.
È il fare luce che manifesta subitaneamente il nostro potere, dissipando le tenebre che nascondono gli oggetti che ci circondano e sembrano suscitare nel nostro animo inconsci e ancestrali terrori, simili a quelli avvertiti dai nostri lontani antenati preistorici costretti ad angoscianti e drammatiche condizioni di vita.
Oggi la lampadina elettrica, questo oggetto tanto familiare con la sua luce improvvisa e benefica, ci riporta, rompendo l'oscurità, alla reale struttura e dimensioni delle cose senza che noi ci si accorga che questo controllo sulla realtà non è affatto scontato; quante volte infatti un improvviso blackout, facendoci restare al buio, ci riporta ad una condizione naturale che non conosciamo più.
La lampadina non poteva, per l'immediatezza della sua luce, non essere associata al lampo di genio che all'improvviso con un rapido balenare in un'intuizione ci rende chiaro un concetto, una verità prima nascosta.
Per tutti, quindi, la lampadina, è il simbolo della rapidità del pensiero intuitivo.
Il noto personaggio disneyano, Archimede Pitagorico, nella cui testa, ogni volta che concepisce una geniale invenzione si accende una lampadina, esprime efficacemente questa simbologia.

Lampadine a incandescenza di varie forme, dimensioni, viròla, potenze, tensioni e caratteristiche del bulbo e del filamento

Lampadine a incandescenza di varie forme, dimensioni, viròla, potenze, tensioni e caratteristiche del bulbo e del filamento (collezione De Rubeis).
 

Tuttavia la lampadina di cui in tanti si contesero il merito dell'invenzione, ebbe una lunga e travagliata storia, essa fu il prodotto non solo di geniali scoperte ma, soprattutto, di continue e laboriose ricerche, del lavoro lungo e impegnativo di tanti uomini.
Oggi, Thomas Alva Edison (1847 – 1831) viene unanimemente considerato l'inventore di questa meraviglia che è la lampadina elettrica, ma le cose non stanno proprio così, numerosi sono i contributi di tanti altri ricercatori che con la loro genialità e con intelligente pazienza e dedizione, hanno avuto un posto importante in questa storia.

 

Modelli di lampadine a incandescenza realizzate da Thomas Alva Edison e da Alessandro Cruto

Modelli di lampadine a incandescenza realizzate da Thomas Alva Edison e da Alessandro Cruto.


Lampadina ad arco

Prima della lampadina ad incandescenza che sfruttava il passaggio di corrente attraverso un filamento, si registrano molti casi di utilizzo di lampadine che sfruttavano l'invenzione dell'arco elettrico di Humphrey Davy (1809). Nel corso delle sue ricerche egli scoprì che una corrente elettrica poteva essere utilizzata per rendere incandescente una strisciolina metallica che produceva effetti luminosi.

Modellino didattico per la riproduzione degli esperimenti sull’arco voltaico e su suoi effetti luminosi (collezione De Rubeis).

Modellino didattico per la riproduzione degli esperimenti sull’arco voltaico e su suoi effetti luminosi (collezione De Rubeis).

Questo tipo di lampadina si rivelò poco adatta agli usi domestici, sia per gli alti costi e ingombri delle batterie di alimentazione, che per l'intensità della luce prodotta. Fu utilizzata in situazioni che richiedevano elevata potenza luminosa come i fari, per sostituire le lampade a petrolio o a gas, o nell'illuminazione pubblica.
La diffusione delle lampade ad arco fu, comunque, molto rapida e favorì lo sviluppo di una fiorente industria fin dai primi decenni dell'800.
 

La lampada ad incandescenza

Un ulteriore è importantissimo passo avanti fu compiuto con l'invenzione della lampadina ad incandescenza. A questo riguardo un ruolo non secondario, in questa storia, ebbe un italiano, contemporaneo di Edison: Alessandro Cruto da Piossasco; egli inventò e realizzo un sofisticato procedimento di produzione di lampadine a incandescenza quando si era appena agli albori di questa invenzione e mentre Edison affrontava, con le sue ricerche, il tentativo di risolvere i problemi connessi alla durata e all'efficienza del filamento delle lampadine.
Uno dei problemi che si ponevano era infatti quello della breve durata dell'elemento radiante; la presenza di ossigeno dentro l'ampolla della lampada, unitamente al elevatissima temperatura, né provocava la rottura e ne limitava la durata.
Occorreva eliminare meglio l'aria dentro l'ampolla che ospitava il filamento e si tentò con la pompa a vuoto utilizzata dal tedesco Hermann Sprengel (1865). Questa però si rivelò lenta e inadatta per una produzione industriale.
Oltre al problema del vuoto, si poneva quello del filamento a causa della sua fusione dovuta alle elevatissime temperature.
Già Humphrey Davy nel 1820, aveva individuato il platino come materiale adatto.
Nel 1838, in Belgio Marcellin Jobard mostrò che un bastoncino di carbone bruciava più a lungo in un ambiente privo di aria. Nel 1840 Warren de la Rue mostrò ancora che la presenza anche minima di aria in una lampada al platino ne avrebbe impedito la utilizzabilità pratica.

 Filamento in tungsteno di una lampadina ad incandescenza di recente produzione: si può osservare la doppia spiralizzazione.

Filamento in tungsteno di una lampadina ad incandescenza di recente produzione: si può osservare la doppia spiralizzazione (foto: Wikipedia: Lampada a incandescenza).
 

È interessante rilevare che un orologiaio tedesco, Heinrich Göbel, emigrato in America nel 1848, fu, forse, il primo a produrre e utilizzare lampadine elettriche a filamento di carbone incandescente, che egli riuscì a produrre artificialmente con bottigliette di acqua di colonia, parzialmente svuotate da aria e dotate di un filamento a striscia di bambù. Da notare che solo nel 1893 fu legalmente riconosciuta la sua precedenza su Edison.
Fu nel 1878 che Thomas Alva Edison, durante una visita a dei laboratori elettrici nel Connecticut, si rese conto dell’importanza di sviluppare l’idea di una lampada ad incandescenza che potesse essere impiegata per fini pratici.

 

Incisione raffigurante l’interno dell’laboratorio di Edison

Incisione raffigurante l’interno dell’laboratorio di Edison.

In continuità con tanti che avevano già lavorato a questa idea, cominciò a sperimentare conduttori di platino. Continuò anche a tentare l’impiego di fibre vegetali carbonizzate. La sua ricerca fu quindi rivolta a numerosi altri materiali. Il 19 ottobre 1879 notò che un filamento di carbone carbonizzato aveva resistito per ben due giorni di impiego continuo. Il 31 dicembre dello stesso anno presentò al pubblico una lampada che aveva un filamento di carta di alta qualità carbonizzata. Cominciò quindi, nel 1880, con una società chiamata Edison Lamp Company, la produzione industriale di questo tipo di lampadina.
La ricerca continua di materiali sempre più idonei lo portò a valutare l’uso del bambù. Ne selezionò circa 1.600 campioni. Per circa dieci anni, continuò ad usarlo, solo un decennio dopo adotto il filamento metallico nella lampadina dell’inglese di J. W. Swan (1828 – 1914).
Il processo di evoluzione della lampadina andò avanti, gli industriali cercavano non solo di migliorare i rendimenti ma anche di ottenere una qualità cromatica della luce sempre più simile a quella della luce diurna con un aumento della temperatura di funzionamento dei filamenti.
Per questo scopo si seguirono due strade: si cercò di trovare filamenti metallici sempre migliori e si utilizzarono miscele gassose in grado sia di limitare l’evaporazione del filamento che l’annerimento del contenitore di vetro.

 

A sinistra, Edison fa gli esperimenti sulla carta carbonizzata per il suo sistema di luce elettrica. A Desta, carburazione al forno dei filamenti per lampadine a incandescenza.

A sinistra, Edison fa gli esperimenti sulla carta carbonizzata per il suo sistema di luce elettrica. A Desta, carburazione al forno dei filamenti per lampadine a incandescenza.

Nel 1902 Werner von Bolton utilizzò un filamento di tantalio (temperatura di fusione 2996 °C) che poteva vantare un rendimento luminoso di circa 7 lm/W, 5 volte superiore al filamento di carbone.
Successivamente, ci si concentrò sul tungsteno che ha un punto di fusione a 3480 °C.
Dopo decenni di tentativi, l’austriaco Franz Hanamann riesce, nel 1904, a realizzare un filamento con polvere di tungsteno in grado di sopportare temperature elevatissime senza venire distrutto rapidamente.
Finalmente nel 1909 William D. Coolidge (1873 – 1975) riuscì a mettere a punto un procedimento per la trafilatura del tungsteno ad alta temperatura che diventò il materiale definitivo per la costruzione di filamenti efficienti e duraturi, ancora oggi utilizzati nelle lampadine ad incandescenza.

 

Da un testo dello scorso secolo, descrizione del processo generale di fabbricazione delle lampadine incandescenti

Da un testo dello scorso secolo, descrizione del processo generale di fabbricazione delle lampadine incandescenti: 1) fabbricazione dei palloncini, 2) detersione dei palloncini, 3) fabbricazione dei filamenti, 4) trafilatura dei filamenti, 5) carbonizzazione dei filamenti, 6) saldatura degli attacchi, 7) chiusura del peduncolo del pallone, 8) introduzione del filamento, 9) prova dello spessore dei palloncini, 10) estrazione dell’aria, 11) prova del vuoto, 12) taratura delle lampadine, 13) fissaggio dello zoccolo, 14) spedizione.

 

Lampadina di Cruto

Un personaggio di grande importanza per la storia della lampadina elettrica che merita un posto a se fu Alessandro Cruto, nato a Piossasco (TO) il 18 marzo 1847, lo stesso anno della nascita di Edison.
Fu un ricercatore autodidatta, non seguì corsi di studio regolari ma gli esperimenti ai quali si dedicò furono sostenuti da una grande intelligenza e da una innata e profonda curiosità.
Egli sperimentò, come i suoi contemporanei, gli stessi materiali ma la sua tecnologia, per diversi anni risultò la migliore disponibile sul mercato tanto che la Westinghouse preferì il suo brevetto a quello di Edison. Tuttavia, quest’ultimo grazie allo spirito di iniziativa e all’ingente impiego di capitali, riuscì ad imporsi come l’inventore della lampadina elettrica.
Cruto aprì ad Alpignano una fabbrica di lampadine. Questa fu rilevata dalla Edison nel 1910 e, infine, dalla Philips nel 1927. 

Lampada ad incandescenza con filamento di carbone a spira, costruita presso la Società Italiana di Elettricità Sistema Cruto di Alpignano. (collezione De Rubeis)


Lampada ad incandescenza con filamento di carbone a spira, costruita presso la Società Italiana di Elettricità Sistema Cruto di Alpignano (collezione De Rubeis).

 

La lampada alogena

Dopo la lampadina al tungsteno, un ulteriore progresso si ebbe con l’invenzione della lampadina alogena. Il filamento di tungsteno, a causa delle alte temperature evapora e i residui si depositano all’interno del bulbo sporcando il vetro e rendendolo meno trasparente. Anche il filamento di assottiglia e diventa fragile, quindi la lampadina si “fulmina”.
Questi problemi sono stati risolti con la lampada alogena. In questa il bulbo contiene una piccola quantità di gas alogeno, cioè generatore di sale. In questo modo le reazioni chimiche tra il gas e il tungsteno riportano gli atomi evaporati di questo elemento verso il filamento, quindi ne accresce la durata e si conserva la luminosità della lampadina eliminando ogni deposito dentro l’ampolla. Anche questa viene realizzata non più in vetro ma in quarzo, per renderla più resistente al calore; questo tipo di lampada fornisce quindi una splendida luce più bianca e intensa.

 

Con la lampadina il mondo è andato illuminandosi sempre più, anche nel nostro Paese i consumi sono molto aumentati, il 12% dell’elettricità domestica viene impiegata, infatti, per l’illuminazione.
Dopo secoli di oscurità e tenebre impenetrabili, oggi, le nostre città, i nostri ambienti, sono sempre più invasi dalla luce di milioni e milioni di fonti luminose artificiali, tanto da cambiare la nostra percezione del mondo. Soprattutto chi vive nelle grande città sempre più raramente può provare la grande emozione estetica e spirituale offerta dal cielo stellato che tante domande filosofiche ha suscitato sul senso della nostra esistenza e della nostra collocazione tra miliardi di stelle e corpi celesti. Quanti bimbi, nelle grandi città, non sanno più che cosa sia un cielo stellato!
Questo è un prezzo che paghiamo al grande progresso che ha dissolto le tenebre ma che rischia di farci smarrire il senso profondo di una realtà alla quale dobbiamo sempre richiamarci.
La lampadina simbolo della luce non deve cancellare o nascondere un’altra luce, quella del cielo, che ci riporta alla nostra autentica condizione umana.

 

Cronologia: inventori e sviluppo della lampada ad incandescenza

1802. Humphrey Davy dimostra il funzionamento della lampada ad arco in aria atmosferica. Nelle sue ricerche, utilizzando "a battery of immense size" riesce a creare una luce incandescente facendo passare la corrente attraverso un sottile filo di platino (England). Nel corso di tutto il XIX secolo molti ricercatori, sviluppando la scoperta di H. Davy, continueranno a lavorare sulle lampade ad incandescenza, studiando filamenti metallici o in carbonio, vetri evacuati o semi-evacuati. Tanti tra questi dispositivi sono rimasti allo stato sperimentale, solo alcuni sono stati brevettati.

1841. Frederick De Moleyns fu il primo a brevettare con successo una lampada ad incandescenza con tubo in vetro e vuoto parziale che impiegava polvere di carbone riscaldato tra due fili di platino (England). Egli fu uno dei tanti scienziati che contribuirono alla ricerca sulla lampadina ad incandescenza tra il 1840 e il 1870.

1841. A Parigi vengono installate lampade ad arco sperimentali per l’illuminazione pubblica.

1856. Il soffiatore di vetro Heinrich Geissler realizza il primo tubo a scarica, precursore delle moderne lampade a scarica fluorescenti.

1876. Pavel Jablockov, a Parigi, inventa la candela di Yablochkov, la prima lampada ad arco con elettrodi in carbonio. Le lampade ad arco entrano in una fase commerciale.

1878. Joseph Wilson Swan, il 18 dicembre 1878, presenta alla Chemical Society di Newcastle una sua lampada con un filamento di carta carbonizzata contenuto in un bulbo parzialmente evacuato. Aveva una durata di diverse ore, un grande risultato rispetto alle tante invenzioni precedenti che non potevano arrivare all’incandescenza per durare (England).

1879. Alessandro Cruto realizza un filamento di grafite purissima (1) con un coefficiente di resistività positivo adatto per le lampade ad incandescenza. Curando particolarmente che nell’ampolla di vetro fosse stato fatto il vuoto pneumatico, Cruto realizzò lampadine che duravano circa 500 ore e fornivano 2 lumen per watt, spandendo una luce rossastra perché il filamento raggiungeva soltanto i 1500 °C (Italy).

1880. Thomas Edison, dopo numerose “soluzioni non funzionanti”, brevetta una lampada ad incandescenza con un filamento di carbonio affidabile e di lunga durata dando il via alla produzione industriale di lampadine di questo tipo e consacrandosi come il più celebre inventore della lampadina ad incandescenza (West Orange, New Jersey).

1890. Alexander Lodygin inventò alcuni tipi di lampade ad incandescenza con filamenti metallici. Ottenne un brevetto per lampade con filamenti di tungsteno, fu probabilmente il primo ad utilizzarli, tuttavia la sua invenzione non era economicamente vantaggiosa e la vendette alla General Electric.

1902. Werner von Bolton scoprì che l’utilizzo del tantalio per il filamento aumentava l’efficienza (rendimento luminoso), la durata e la vita della lampadina rispetto all’utilizzo del filamento in carbone. Era iniziata l’era dei filamenti metallici (Germany).

1904. Alexander Just e Franz Hanamann realizzano un filamento di tungsteno sinterizzato in grado di sopportare temperature elevatissime senza venire distrutto troppo rapidamente. Benché si dimostrasse un buon materiale era fragile e difficile da lavorare. Si tratta comunque di un passo verso la lampadina moderna (Austria).

1905. William David Coolidge introduce commercialmente l’uso del filamento di tungsteno, che nelle versioni a semplice e poi a doppia spiralizzazione, è giunto fino ai giorni nostri, superando il secolo di vita. Riuscì a mettere a punto un procedimento per la trafilatura del tungsteno ad alta temperatura, sviluppando un tungsteno duttile che permetteva di realizzare filamenti efficienti, duraturi e facilmente arrotolabili (l’avvolgimento, nelle versioni a semplice e poi a doppia spiralizzazione, consente di aumentare la superficie radiante e quindi la luminosità della lampada), ancora oggi utilizzati nelle lampadine a incandescenza. Le attuali lampadine ad incandescenza con filamento in tungsteno forniscono circa 13 lumen per watt, durano 2000 ore e raggiungendo il filamento temperature di 2500 °c emettono una luce bianca molto più gradevole della rossa dei primi filamenti di Cruto. A partire dal 1911, la General Electric, società per la quale lavorava, commercializzò lampade che utilizzavano il nuovo metallo. (Schenectady, New York).
La sua invenzione è stata utilizzata in molti altri tipi di lampada, compresa quella fluorescente, alogena, MH, ai vapori di mercurio, e in altre luci.

1912. Irving Langmuir sviluppa tre importanti miglioramenti delle lampadine a incandescenza. Con il collega Lewi Tonks scopre che la durata del filamento di tungsteno può essere notevolmente allungata riempiendo la lampadina con un gas inerte, come l’argon o l’azoto, pur mantenendo una estrema pulizia in tutte le fasi del processo. Egli ha anche scoperto che torcendo il filamento in una bobina stretta migliorava la sua efficienza. Scopre inoltre che l’idrogeno molecolare introdotto in una lampadina con filamento in tungsteno si dissocia in idrogeno atomico e forma uno strado dello spessore di un atomo sulla superficie della lampadina. Tutte e tre le scoperte migliorano enormemente l’efficienza della lampadina.

1921. Junichi Miura della Tokyo Electric (ora parte di Toshiba) sviluppa il doppio filamento a spirale, migliorando notevolmente l’efficienza luminosa della lampadina a incandescenza. Più tardi altri scienziati ne studieranno il processo tecnologico di produzione (Japan).

1925-1947. Marvin Pipkin sviluppa un bulbo in vetro smerigliato e successivamente inciso, con rivestimento interno di silice. Questi miglioramenti hanno contribuito alla modalità di diffusione della luce e a i ridurre i riflessi con solo il 3-5% di perdita di emissione luminosa (Cleveland, Ohio).

1962-2000. Nick Holonyak Jr. brevetta il primo conduttore foto-emittente LED a luce visibile. Lungo i successivi 30 anni diverranno man mano disponibili LED di tutte le colorazioni e nei campi IR ed UV, mentre nel 2000 saranno disponibili LED bianchi a media ed alta intensità luminosa, proposti come sostitutivi a basso consumo delle lampade ad incandescenza.

2009-2012. L’Unione Europea bandisce la produzione di tutte le lampadine a incandescenza per l’illuminazione domestica a vantaggio di quelle a basso consumo energetico


1. Il filamento di Cruto è preparato per deposizione di grafite su un sottile filo di platino in atmosfera di idrocarburi; volatilizzato il platino ad alta temperatura, rimane il filamento di grafite purissima con un coefficiente di resistività positivo (la resistenza del filamento cresce con l’aumentare della temperatura dello stesso).