Lampade a incandescenza
La lampada ad incandescenza è una fonte luminosa artificiale, la cui luce viene prodotta dall’irraggiamento di fotoni generato dal surriscaldamento (fino a circa 2500 °C) di un elemento metallico, generalmente un filamento di tungsteno, attraverso il quale passa la corrente elettrica.
Si sfrutta infatti l’effetto Joule per ottenere un forte riscaldamento del filamento, fino a portarlo a temperature tali che la radiazione emessa contenga componenti visibili sufficienti per illuminare; tale riscaldamento comporta un aumento della resistenza elettrica e quindi una diminuzione della corrente che vi scorre. Si giunge così ad un equilibrio dinamico in cui la resistenza elettrica opposta dal filamento di tungsteno al passaggio della corrente elettrica assume un valore stazionario che bilancia la potenza dissipata per effetto Joule.
È importante evidenziare che soltanto il 10% dell’energia elettrica richiesta dalla lampada a incandescenza viene convertita in luce, il restante 90% del consumo elettrico si disperde come calore.
Nelle lampadine moderne il bulbo di vetro non è vuoto ma contiene un gas inerte a bassa pressione, argon o kripton, che consentono una resa superiore a parità di potenza, riducono i rischi di implosione e prolungano la vita del filamento. Inoltre la presenza del gas riduce l’annerimento del bulbo dovuto al deposito del tungsteno che sublima. La sublimazione del tungsteno durante il funzionamento comporta che il filamento diventi sempre più sottile, fino a spezzarsi generalmente dopo circa 1000 ore di funzionamento.
Le lampadine esposte sono solo una piccola parte scelta tra le tante che si sono costruite negli anni passati. Esse sono tutte ad incandescenza, con filamento metallico quasi sempre in tungsteno. Si differenziano tra loro per la dimensione, la grandezza, la forma, l’attacco, per la potenza e quindi la tensione elettrica con cui sono alimentate (normalmente in queste lampadine la dimensione è legata alla potenza elettrica espressa in watt, il prodotto tra tensione e corrente). Quanto più la sezione del filamento aumenta maggiore sarà la corrente che potrà circolare avendo così una intensità luminosa maggiore. lampade utilizzate in torce, proiettori, fari, ecc..
I due exhibit sono stati specificamente realizzati per permettere che i filamenti si arrossino debolmente, cosicché, alimentando ciascuna lampadina con tensioni molto più basse del normale, sia possibile evidenziarne chiaramente anche la forma, la sezione e la loro realizzazione. Poiché ogni lampadina richiede una differente tensione di alimentazione specifiche resistenze collegate in serie assicurano il corretto funzionamento dell’esperienza.
È utile osservare che quando il filamento è raggruppato in un piccolo spazio all’interno del bulbo in vetro si avrà una sorgente luminosa concentrata caratteristica delle lampade utilizzate in torce, proiettori, fari, ecc..
Cronologia: inventori e sviluppo della lampada ad incandescenza
a cura di Alessandro De Rubeis
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
