Una lampada ad incandescenza , o lampadina ad incandescenza per metonimia , è un apparecchio elettrico che illumina ad incandescenza per effetto Joule un filamento di tungsteno , il metallo che ha il punto di fusione più alto ( 3422 °C ).
Sperimentale a metà del XIX E secolo, la lampada ad incandescenza, perfezionata durante il XX E secolo, divenne in questo secolo la principale fonte di illuminazione. Nel XXI ° secolo, il suo cattivo rendimento luminoso è raccomanda ufficialmente qualsiasi processo.
Il primo filamento di carbonio sotto vuoto scomparve dopo lo sviluppo del filamento di tungsteno a gas nobile . Questo processo cosiddetto “classico” continuò dopo l'invenzione della più costosa “ lampada ad incandescenza alogena ”, il cui gas rigenera il filamento quando sublima sotto l'effetto di un'alta temperatura.
Le lampade convenzionali durano più a lungo quanto peggio si accendono. I produttori industriali hanno concordato di produrre lampade con una vita operativa media di 1.000 ore. Questo accordo tra i membri del cartello Phoebus , ha sollevato sospetti di un accordo illecito , volto a consolidare i profitti dell'industria piuttosto che a consentire il confronto tra i prodotti.
I primi esperimenti con incandescenza elettrica data illuminazione dalla metà del XIX ° secolo.
Nel 1835, James Bowman Lindsay presentò a Dundee una lampada elettrica a luce costante, probabilmente incandescente, che gli consentiva di "leggere un libro a una distanza di un piede e mezzo" (50 cm ). Nel 1858 e nel 1859 i francesi Charles de Changy e Théodose du Moncel sperimentarono anche i sistemi di illuminazione elettrica ad incandescenza.
Nel 1860, il britannico Joseph Swan dimostrò che l'incandescenza può essere prolungata senza distruggere il filamento, sotto vuoto . Lo sviluppo di pompe per vuoto efficienti dal 1875 gli permette di presentare nel 1879 una lampada ad incandescenza funzionale, con un filamento di carbonio sotto vuoto . Lo stesso anno Thomas Edison progettò e mise sul mercato una lampadina il cui filamento era una fibra di cotone carbonizzato. Sta sviluppando un processo di produzione industriale per i bulbi. In un caso giudiziario viene riconosciuta l'anteriorità di Joseph Swan, che però non propone un processo di fabbricazione industriale. I due uomini sono costretti a fabbricare i loro bulbi in un'azienda comune. Diffondono velocemente la loro lampada, che ha evidenti vantaggi rispetto all'illuminazione a gas che sostituisce, ma il filamento di carbonio, sublimandosi e poi condensandosi sul vetro della lampada, appanna il vetro abbastanza velocemente. Nel 1880, i produttori di illuminazione elettrica si impegnarono in una forte concorrenza. Nel 1884, Edison reclutò Lewis H. Latimer , un ingegnere afroamericano autodidatta, per depositare e difendere i suoi brevetti e promuovere il suo sistema.
Nel 1897, la lampada di Nernst sostituì il filamento di carbonio con un filamento ceramico più efficiente. Questo materiale non sublima, eliminando la necessità del vuoto; ma la lampada non si accende finché non si è riscaldata per 10-20 secondi.
Lampada elettrica di Thomas Edison ( 1879 ).
Vecchia lampada con filamento di carbonio.
Nel 1904, la ditta ungherese Tungsram sviluppò una lampada con un filamento di tungsteno, il metallo con il punto di fusione più alto, a 3422 °C ). Rilevato in Germania da Auer , poi da tutti i produttori, il metallo elimina rapidamente il carbonio, grazie alla sua luce più brillante e alla maggiore longevità.
Nel 1913 il bulbo non è più sotto vuoto, ma sotto gas nobile , argon poi krypton .
Nel 1959, la società di Edison, che divenne General Electric , rilasciò la lampada ad incandescenza allo iodio . Lo iodio, un gas alogeno , e l'involucro in vetro di quarzo riducono la sublimazione del tungsteno dal filamento, permettendogli di riscaldarsi maggiormente, migliorando la resa luminosa e alzando la temperatura del colore . Le lampade alogene a gas, ampiamente distribuite prima per le auto ( fari allo iodio ), hanno molti usi professionali.
Nel XXI ° secolo, l' Unione Europea e altri paesi hanno il ritiro dalla circolazione di lampade ad incandescenza a causa della loro scarsa efficienza luminosa rispetto ad altri metodi di illuminazione , lampada fluorescente , lampada fluorescente , diodo ad emissione luminosa .
In presenza di diossigeno , il filamento portato ad alta temperatura brucia istantaneamente, motivo per cui questo tipo di lampada è stata dotata di un involucro di vetro , il bulbo che ha dato il nome popolare al dispositivo e che permette di isolare un ossigeno - mezzo libero .
Il bulbo è riempito con un gas nobile caratteristico del tipo a bulbo, il più delle volte argon o krypton , o, in alcuni casi, un gas alogeno . In passato, era il vuoto che isolava il filamento nel suo bulbo.
Ineluttabilmente, il filamento surriscaldato vaporizza e perde materiale per sublimazione , quindi questo vapore metallico si condensa sull'involucro più freddo. Il bulbo diventa sempre più opaco e il filamento diventa più fragile. Il filamento finisce per rompersi dopo diverse centinaia di ore: 1000 ore per una lampada domestica, fino a 10 volte di meno o 8 volte di più per alcune lampade speciali.
La presenza di un gas nobile all'interno del bulbo presenta diversi vantaggi: alcuni atomi di tungsteno diventati gas possono depositarsi nuovamente sul filamento dopo una collisione con un atomo di gas nobile, allungandone così la vita. Il filamento può anche essere ulteriormente riscaldato. Infine, questo limita la deposizione di tungsteno sulla parete del bulbo.
Nelle lampade attuali, il filamento di tungsteno è avvolto ad elica , in modo da aumentare la lunghezza del filamento , e quindi la quantità di luce visibile prodotta.
La forma più comune di una lampada ad incandescenza è la lampadina "a bulbo", ma ne esistono anche altre forme, tra cui quella a tubo chiamata linolite .
Una lampada ad incandescenza alogena, o più comunemente "lampada alogena", è una lampada ad incandescenza in cui un gas, o una miscela di gas, alogena riempie il bulbo. Questo gas reagisce chimicamente con il tungsteno sublimato, formando un alogenuro di tungsteno che non resiste all'alta temperatura in prossimità del filamento, per cui il tungsteno si rideposita, in una posizione casuale, sul filamento, rigenerandolo parzialmente, cosa che aumenta la vita del lampada. Questo ciclo richiede un filamento molto caldo. Per resistere al calore, l'involucro della lampada dovrebbe essere in vetro di quarzo .
Nel 2008, l'Europa ha vietato il rinnovo delle scorte di lampade alogenate da 1 ° settembre 2018.
La luminosità di una sorgente in una certa direzione è la sua intensità luminosa . Poiché questa luminosità varia a seconda della direzione, si usa per confrontare le lampade la somma delle intensità in tutte le direzioni, espressa in lumen , unità di flusso luminoso . L' efficienza luminosa misura il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza elettrica (in watt ) assorbita; l'efficienza luminosa è espressa in lumen per watt (lm/W).
Lampade a incandescenza alogene sono stati ampiamente diffusi nel corso dell'ultimo trimestre del XX ° secolo. I consumatori erano soliti confrontare le lampade in base alla loro potenza elettrica: quindi abbiamo scelto una lampada da 100 W per un'illuminazione intensa, 60 o 40 W per l'illuminazione d'atmosfera e 15 W per una luce notturna, ecc.
Poiché le varie lampade utilizzate in alternativa alle tradizionali lampade ad incandescenza non hanno la stessa efficienza luminosa, la potenza elettrica non corrisponde più all'illuminazione. È necessario indicare la quantità totale di luce fornita in lumen.
La tabella sottostante riporta, a titolo indicativo perché i valori variano leggermente da un modello all'altro, la corrispondenza tra il flusso luminoso e la potenza elettrica di una lampada ad incandescenza convenzionale:
Lampade da 120 volt | Lampade da 230 volt | |||
---|---|---|---|---|
Energia elettrica |
Flusso luminoso |
Efficienza luminosa |
Flusso luminoso |
Efficienza luminosa |
5 W | 25 lm | 5 lm / W | ||
15 W | 110 lm | 7,3 lm/W | ||
25 W | 200 lm | 8,0 lm/W | 230 lm | 9,2 lm/W |
40 W | 500 lm | 12,5 ml / W | 430 lm | 10,8 lm/W |
60 W | 850 lm | 14,2 lm/W | 730 ml | 12,2 lm/W |
75 W | 1200 lm | 16,0 lm/W | ||
100 W | 1700 lm | 17,0 lm/W | 1380 ml | 13,8 lm/W |
150 W | 2.850 lm | 19,0 lm/W | 2220 lm | 14,8 lm / W |
200 W | 3.900 lm | 19,5 lm/W | 3 150 ml | 15,8 lm / W |
300 W | 6200 lm | 20,7 lm/W | 5.000 lm | 16,7 lm/W |
500 W | 8.400 lm | 16,8 lm/W |
Il filamento di una lampadina a incandescenza deve essere caldo affinché l'elettricità possa essere convertita in luce visibile anziché in calore. Ma aumentando la temperatura per ottenere una buona luminosità, si favorisce la sublimazione del filamento, che ne accelera la degradazione. Le lampadine sono il risultato di un compromesso tra un ridotto consumo di energia elettrica e una maggiore durata, tra il costo di sostituzione delle lampadine e il costo dell'energia elettrica necessaria per alimentarle.
Compromesso tra durata e luminosità:Se la tensione viene ridotta del 18% o se, al contrario, la lampada è progettata per sopportare una tensione maggiore di quella disponibile, la vita utile può essere moltiplicata per 24. In cambio, la luminosità viene dimezzata; sono necessarie due lampade per ottenere la stessa illuminazione. Il consumo di ogni lampada è quindi inferiore, ma alla fine serve il 45% di energia in più per ottenere la stessa luminosità.
Il bulbo centenario o "lampadina di Livermore" è spesso citato come prova a contrario dell'attuazione dell'obsolescenza programmata nella fabbricazione dei bulbi moderni. Si dice che questa lampada a filamento di carbonio da 60 W, originariamente soffiata a mano, prodotta a Shelby, Ohio dalla Shelby Electric Company alla fine del 1890, abbia brillato dal 1901 nella Livermore Fire Hall in California. . Non essendosi quasi mai spenta, sarebbe la più antica lampada ad incandescenza ancora in funzione al mondo. L'aumento nel tempo del valore della resistenza , del suo filamento (in carbonio), ne spiega la durata. Con una potenza nominale di 60 W all'inizio della sua vita, il suo consumo è di soli 4 W (7% del valore iniziale) e la sua luminosità corrisponde solo allo 0,3% del valore di origine. La sua efficienza, quoziente della luminosità per la potenza consumata, è passata da 1 ÷ 60 a 0,003 ÷ 4 , in diminuzione da 100 a 4,5 . Il rendimento è diviso per 22 .
Le equazioni che mettono in relazione il consumo, la luminosità e la vita delle lampadine possono essere così riassunte: se si nota la tensione di alimentazione applicata alla lampadina , la luminosità è proporzionale a , la potenza elettrica (il consumo di energia) è proporzionale a e la durata è proporzionale a . Pertanto, sebbene una piccola diminuzione della tensione aumenti notevolmente la durata, aumenta la potenza elettrica consumata a luminosità costante.
Altri fattori sono coinvolti nella vita di una lampada. Se escludiamo la distruzione accidentale, per urto sul bulbo o sovratensione, una mancata tenuta dell'involucro può causare la distruzione della lampada. Una lampada può così funzionare fino alla sua estinzione e bruciare il suo filamento all'accensione, l'ossigeno è nel frattempo penetrato nell'involucro. Gli shock termici e le dilatazioni differenziali delle parti della lampada favoriscono la mancanza di tenuta. Un rigoroso test delle lampade valuta la resistenza ad alcuni cicli di spegnimento.
Il cartello Phœbus raggruppato da23 dicembre 1924leader mondiali nella produzione di lampadine. I produttori pubblicano una carta comune che indica che non sarà più possibile produrre lampadine con una durata di vita superiore a 1.000 ore. Per fare ciò, istituiscono un organismo comune di verifica ed eventuale repressione mediante sanzioni tanto più elevate quanto più lunga è la vita dei bulbi. Nel 1924 la durata della lampadina era variabile con una media di 2.500 ore. Nel 1927, la durata della vita delle lampadine dei principali marchi in tutto il mondo era di 1.000 ore. Questa situazione provoca ovviamente un maggiore rinnovamento delle lampadine da parte dei consumatori e il cartello Phœbus è stato accusato di aver messo a punto sulla lampada ad incandescenza il primo massiccio e mondiale programma di obsolescenza programmata .
Le pratiche del cartello Phœbus furono oggetto di un rapporto del 1951 della commissione antitrust britannica. Questo rapporto denuncia principalmente un cartello dei prezzi che ha portato i consumatori a pagare di più per le loro lampade prima della seconda guerra mondiale, ma il rapporto respinge l'affermazione secondo cui la durata della vita è stata scelta per essere breve per aumentare il volume delle vendite. Spiega il compromesso tecnico tra luminosità, consumo, colore e durata, osservando che la durata ottimale delle lampade dipende dal rapporto tra il prezzo dell'energia e il prezzo di sostituzione delle lampade e che non esiste un valore universale. Gli utenti industriali, che pagano il personale per sostituirli, sacrificano l'efficienza per la longevità riducendo la tensione di alimentazione. La specifica di una vita assicura che i prodotti in vendita siano comparabili. In un dato stato dell'arte, una durata compresa tra 800 e 1500 ore equivale a richiedere una luminosità entro un certo intervallo; ma la specificazione delle mille ore, senza indicare l'efficienza luminosa, non incoraggiò il miglioramento delle lampade. Il cartello si è opposto all'istituzione di tale standard.
Esistono alternative alle lampade ad incandescenza, con una migliore efficienza luminosa, al costo di un indice di resa cromatica inferiore . I tubi fluorescenti sono in uso da molto tempo, soprattutto negli ambienti di lavoro; Le lampade " fluorescenti compatte " ei diodi luminosi possono sostituire le lampade ad incandescenza negli stessi apparecchi domestici.
La produzione di lampade convenzionali è stata, come molti altri prodotti, in gran parte delocalizzata: i paesi sviluppati non hanno più un'industria locale da proteggere. La riduzione del consumo energetico è venuta in primo piano, per ragioni economiche (aumento dei prezzi dell'energia) ed ecologiche (la produzione di energia è una componente importante a livello ambientale) .
Gli stati dell'Unione Europea hanno approvato il8 dicembre 2008 l'eliminazione graduale della vendita di lampade a incandescenza da 100 watt da 1 ° settembre 2009 (quindi i modelli da 75 watt accesi 1 ° settembre 2010 e quelli da 60 watt accesi 1 ° settembre 2011), il loro definitivo abbandono avrà luogo il 1 ° settembre 2012. Il passaggio a metodi di illuminazione a minor consumo energetico consentirebbe di risparmiare l'equivalente del consumo di elettricità della Romania su scala europea (ovvero circa 11 milioni di famiglie) e quindi di ridurre le emissioni di anidride carbonica di 15 milioni di tonnellate all'anno.
Nei fumetti e nei cartoni animati , l'emergere di un'idea è spesso rappresentato da una lampada ad incandescenza che si accende sopra la testa del personaggio.
“ Prima invenzione di Swan è stato riconosciuto dal giudice ed Edison fallito. Come parte dell'accordo giudiziario, Edison fu obbligata a riconoscere l'invenzione indipendente e precedente di Swan ea costituire una società congiunta, la Edison e la Swan United Electric Light Company, per sfruttare la lampadina a incandescenza. "