2678 - HISTÓRIA DA LÂMPADA ELÉTRICA

Home
Contato
Busca


Acessibilidade
Aplicações
Autores
Biologia
Como Funciona?
Curiosidades
Cursos
Educação
Enciclopédia
Ensino
Estágio
Eventos
Exercícios
Experiências
Extensão
Física
Físicos
Fotos
Hinos
História
Humor
Jornal
Leitores
Links
Matemática
Notícias
Novidades 2009
Opinião
Passatempos
Patrocinadores
Perguntas
Pré-Vestibular
Tecnologia
Trabalhos

LIBRAS
Linguagem Brasileira de Sinais, veja na pasta Acessibilidade!
07/05/2010 - 11:39















1593441 visitantes


Aplicações
Algumas aplicações da Física no nosso dia-a-dia.


--------------------------------------------------------------------------------


As Lâmpadas e a Física

Um pouco da história e do funcionamento básico das lâmpadas
Por Charles Corrêa Dias - charlamp@ig.com.br




Trabalho de FAP - Joinville, 10/08/2004

Com 12 ilustrações originais do autor

1. Introdução

A lâmpada elétrica é sem dúvida um dos maiores inventos da história da humanidade, é graças a lâmpada elétrica que possuímos nos dias de hoje toda a comodidade e segurança dentro das nossas casas, afinal de contas, foi devido ao advento da lâmpada elétrica que pudemos eliminar na maioria das localidades o uso de lampiões, tochas ou velas, que além de serem pouco eficientes e perigosos, eram também extremamente poluentes.

Além da grande importância da lâmpada para a vida do homem, a lâmpada elétrica contribuiu de forma marcante no desenvolvimento de um ramo da engenharia de importância fundamental para a existência de praticamente toda tecnologia atual, a eletrônica.

2. Objetivo geral

Discutir a física existente em alguns dos principais tipos de lâmpada elétrica.

3. Pré-requisitos

Conhecimento mínimo referente aos conceitos e leis do eletromagnetismo, termodinâmica e física quântica.

4. Justificativa

Para boa compreensão do funcionamento de uma lâmpada elétrica, é importante o conhecimento mínimo relativo aos fundamentos da física, uma vez que serão discutidos os aspectos de maior importância na construção e funcionamento dos diversos tipos de lâmpada elétrica, bem como sua construção.

5. Objetivos específicos

Apresentar algumas das principais tecnologias aplicadas em lâmpadas elétricas.

Discutir o funcionamento das lâmpadas incandescentes.

Discutir o funcionamento das lâmpadas de descarga, tal como as lâmpadas de vapor de mercúrio, fluorescentes, vapor de sódio sob baixa pressão, vapor de sódio sob alta pressão, e iodetos metálicos.

Discutir o funcionamento das lâmpadas de indução eletromagnética, como as lâmpadas fluorescentes de indução, e as lâmpadas de enxofre.

Expor alguns dos aspectos mais importantes da história da lâmpada.

Citar e discutir qualitativamente algumas das conseqüências da invenção da lâmpada, como a invenção da válvula elétrica.

6. Metodologia

Técnicas
Exposição e debate dos conteúdos apresentados referentes ao funcionamento dos tipos mais comuns de lâmpada elétrica.

Recursos
Apresentação de alguns dos principais tipos de lâmpada utilizados na iluminaçãoresidencial, industrial, e pública, expondo aos expectadores alguns dos aspectos mais marcantes de cada tecnologia apresentada.

7. A lâmpada elétrica e a física

7.1 A lâmpada incandescente

Desenvolvida no final do século XIX, a lâmpada incandescente é uma das maiores invenções da história da humanidade. É uma lâmpada composta de uma ampola de vidro bastante fino preenchido com um gás inerte, em geral o argônio, e um fino filamento constituído de tungstênio, que ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece até a incandescência, emitindo uma luz branca de tom levemente amarelado.

O espectro luminoso oriundo desse tipo de lâmpada, é bastante semelhante ao espectro de corpo negro no que diz respeito a continuidade, isso se deve ao fato desta lâmpada “tirar” sua luz de um corpo incandescente, no caso, seu filamento, que opera em temperaturas superiores a 2000 graus Celsius.

A função do bulbo da lâmpada incandescente, é impedir a oxidação do filamento durante sua operação, pois o filamento quando aquecido, pode reagir com muita facilidade com o oxigênio, de maneira que o mesmo oxide, e se rompa. O gás inerte do bulbo, tem como função reduzir o efeito de sublimação do filamento, o que faz com que o bulbo fique enegrecido com poucos dias de uso, reduzindo inevitavelmente a eficiência da lâmpada, bem como sua vida útil. Uma outra função do gás inerte é tornar a lâmpada mais resistente, uma vez que evacuada, esta poderia vir a se quebrar com muito mais facilidade, devido à própria pressão atmosférica.

As primeiras lâmpadas incandescentes, desenvolvidas por volta de 1870, pelo inventor Thomas Alva Edson, utilizavam um filamento constituído de um fio fino de bambu, carbonizado, mas esse tipo de filamento tinha durabilidade muito baixa, levando os pesquisadores a desenvolver novos filamentos, baseados em fios metálicos, como o ósmio e o tungstênio.

7.2 A lâmpada incandescente halógena

Trata-se de uma lâmpada incandescente cujo filamento é encerrado em um tubo de quartzo contendo substâncias halógenas como o bromo, o iodo, e outras substâncias. Quando a lâmpada é acionada, essas substâncias evaporam, e se combinam com partículas de tungstênio que são ejetadas do filamento. Quando a lâmpada é desligada, as partículas aderidas as moléculas dessas substâncias halogenóides, precipitam-se sobre o filamento, propiciando um efeito de regeneração. Tal efeito faz com que esse tipo de lâmpada tenha uma durabilidade até duas vezes maior do que as tradicionais lâmpadas incandescentes, além de permitir uma ótima manutenção do fluxo luminoso, uma vez que o efeito de enegrecimento por sublimação é minimizado.

7.3 A lâmpada fluorescente

As lâmpadas de descarga são lâmpadas que funcionam segundo um princípio totalmente diferente ao da lâmpada incandescente. São lâmpadas que existem desde o início do século XIX, sendo utilizadas em muitas regiões da antiga Inglaterra como opção às luminárias a gás.

Dentre as lâmpadas de descarga, a lâmpada fluorescente é a de maior destaque. Inventada nas primeiras décadas do século XX, a lâmpada fluorescente é a mais popular lâmpada de descarga do mundo, sendo utilizada em aplicações residenciais, comerciais, industriais, dentre tantas outras.

Existem diversos tipos de lâmpadas fluorescentes, porém, todas obedecem ao mesmo princípio de funcionamento, ou seja, a excitação e desexcitação de átomos de uma mistura gasosa, e das paredes fosforescentes do tubo ao qual damos o nome de tubo de descarga.

Observe a figura abaixo:




As lâmpadas fluorescentes funcionam segundo o princípio da descarga de um gás sob baixa pressão, com uma pequena quantidade de mercúrio. Uma vez que ligamos o interruptor, a corrente elétrica circunda uma bobina de fio de cobre, a qual chamamos de reator, passando pelos eletrodos da lâmpada, chegando a um dispositivo denominado starter. Esse dispositivo aquece fazendo com que uma pequena folha metálica feche o circuito formado pelos eletrodos da lâmpada (que são pequenos filamentos), com o reator. Nesse exato momento, a corrente elétrica faz o fluxo magnético na armadura do reator atinja um valor máximo, de forma que quando o starter libera o circuito, seja liberado um pulso de alta tensão (lei de Faraday), que quebra a rigidez dielétrica do gás, fazendo com que este se converta num plasma, iniciando assim o funcionamento da lâmpada.

O espectro luminoso oriundo da descarga é extremamente pobre, sendo constituído em grande parte de radiação ultravioleta, que é invisível e nociva ao ser humano. para contornar esse problema, é aplicada a superfície interna do tubo uma camada de uma substância fosforescente, que é capaz de converter essa radiação ultravioleta em luz visível.

Existem diversos tipos de lâmpadas fluorescentes, como as de catodo quente, que foram descritas anteriormente, e as chamadas lâmpadas fluorescentes de catodo frio, que não possui filamentos nos eletrodos. Esse tipo de lâmpada necessita para seu funcionamento um autotransformador, que produz pulsos de alta tensão constantemente. A vantagem dessa tecnologia, é seu acendimento instantâneo, e sua desvantagem é o seu grande comprimento.

Observe a figura abaixo:




7.4 A lâmpada de vapor de mercúrio sob alta pressão

A lâmpada de mercúrio sob alta pressão, como o próprio nome diz, é uma lâmpada que tem como princípio de funcionamento a descarga entre dois eletrodos imersos numa atmosfera de argônio, com uma pequena quantidade de mercúrio. Esse tipo de lâmpada foi desenvolvido por volta de 1930, e teve seu sucesso associado a grande expansão da indústria automotiva norte americana.

A lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão opera com uma pressão da ordem de 10atm para lâmpadas de potência mais elevadas, ou seja, 250w, 400w, 700w, e 1000w, e pressões acima de 10atm para lâmpadas de menor potência, como 50w, 80w, e 125w. Seu funcionamento difere do funcionamento da lâmpada fluorescente pelo fato de não necessitar de nenhum pico de ignição para a partida, isto se deve a presença de um eletrodo auxiliar no seu tubo de descarga, que ioniza o gás argônio nas suas vizinhanças, dando início a descarga.

A lâmpada de vapor de mercúrio, é constituída de um bulbo protetor contendo gás nitrogênio sob baixa pressão, um tubo de descarga com três eletrodos, sendo dois eletrodos principais, e um auxiliar, também conhecido como eletrodo de partida. Ligado ao eletrodo de partida existe um pequeno resistor, cuja finalidade é limitar a corrente elétrica no eletrodo auxiliar, de maneira que o mesmo só funcione durante a partida da lâmpada.

Para que a lâmpada a vapor de mercúrio possa funcionar com segurança, a mesma deve operar com um reator, semelhante ao da lâmpada fluorescente, para que a corrente e a tensão sejam limitadas a valores aceitáveis para o seu funcionamento.

A maior dificuldade para a construção das primeiras lâmpadas a vapor de mercúrio sob alta pressão, foi a confecção do tubo de descarga, mais especificamente, a selagem do mesmo, isto porque, a temperatura do mercúrio sob a forma de plasma de alta pressão, é extremamente elevada, sendo necessária a utilização de quartzo para a produção de seu tubo de descarga, e como o quartzo tem um coeficiente de dilatação térmica muito baixo quando comparado ao coeficiente de dilatação térmica dos metais, os eletrodos de tungstênio encerrados dentro do tubo de descarga, terão uma dilatação maior que a dilatação do quartzo, podendo fazer com que o tubo de descarga rache nos pontos de selagem, ou seja, nas suas extremidades.

A solução desse problema, foi obtida com a utilização de finíssimas placas condutoras, que são ligadas aos eletrodos, e aos terminais do tubo de descarga. essas placas, são constituídas de nióbio, e quando o tubo se aquece, as mesmas terão ainda uma dilatação um pouco maior que a do tubo, porém, por serem extremamente delgadas, elas não vão forçar o tubo, eliminando a possibilidade de rachaduras.

observe o esquema abaixo:







Existem lâmpadas a vapor de mercúrio construídas com os mais variados tipos de bulbo, e podem ter bulbos revestidos com camada fosforescente para converter a radiação ultravioleta em luz visível, melhorando o seu espectro, ou bulbos claros, onde o espectro emitido deve-se apenas a descarga no mercúrio. A lâmpada a vapor de mercúrio possui um espectro um pouco mais rico que o da lâmpada fluorescente. Este tipo de lâmpada era considerado na década de 80, um dos mais importantes em aplicações como a iluminação pública, porém, com o advento da lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão, sua utilização vem se tornando cada vez menos comum, dada a sua baixa eficiência energética, eficiência essa de aproximadamente 50 lumens/watt.

Um outro tipo de lâmpada a vapor de mercúrio muito importante que pode ser citado, é a chamada lâmpada de luz mista, que é uma lâmpada de vapor de mercúrio que possui no mesmo bulbo um tubo de descarga contendo mercúrio, e ligado em série ao mesmo, um filamento de lâmpada incandescente, que melhora o espectro luminoso da lâmpada e ao mesmo tempo, desempenha o papel de reator, ou seja, a lâmpada de luz mista pode ser ligada diretamente a rede elétrica, tal como a lâmpada incandescente.

observe a figura:




7.5 A lâmpada de vapor mercúrio sob alta pressão com iodetos metálicos

Após a popularização da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão, foi uma questão de tempo para que aperfeiçoamentos da tecnologia começassem a surgir, e um bom exemplo desse fato é a lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos, ou simplesmente, lâmpada de vapor metálico.

A lâmpada de vapor metálico, é extremamente semelhante a lâmpada de vapor de mercúrio, exceto pela presença de iodetos metálicos, pelo seu desempenho muito maior, e pela possibilidade de se variar a coloração da lâmpada pela seleção dos iodetos metálicos colocados no interior do tubo de descarga. Esse tipo de lâmpada também conta com um revestimento de alumina nas extremidades do tubo de descarga, cujo objetivo é refletir o calor produzido pela descarga para os eletrodos, impedindo a condensação dos iodetos no interior do tubo de descarga da lâmpada.

A lâmpada de vapor metálico, opera em conjunto com um reator adequado, que produz picos de alta tensão de até 5.000 volts para a ignição, existindo porém versões que dispõem de eletrodo auxiliar, tal como ocorre com a lâmpada a vapor de mercúrio, tornando desnecessária a geração de pulsos de alta tensão, ou ainda, modelo provido de um ignitor interno tipo starter, tal como ocorre com as lâmpadas fluorescentes.

As lâmpadas de vapor metálico estão disponíveis nos mais variados formatos, existindo ainda lâmpadas de altíssima potência que são desprovidas de bulbo, utilizando portanto um refletor fechado hermeticamente.

Atualmente, a lâmpada de vapor metálico, é a que apresenta o maior número de aplicações, a se destacar a iluminação de lojas de departamentos, estádios de futebol, monumentos, industrias, iluminação residencial, e até mesmo, iluminação automotiva, com as chamadas lâmpadas de xenônio, que são lâmpadas de vapor metálico com atmosfera de xenônio, capazes de acender instantaneamente. A lâmpada de vapor metálico está disponível numa enorme gama de potências, indo de 10w até 18000w, e seu rendimento gira em torno de 100lumens/watt, ou seja, o dobro da tradicional lâmpada de vapor de mercúrio.

observe a figura:




A figura mostra três lâmpadas de descarga, uma revestida, uma provida de eletrodo auxiliar, e outra provida de tubo de descarga cerâmico, que é uma das ultimas tecnologias aplicadas a este tipo de lâmpada.

7.6 A lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão

Foi desenvolvida por volta de 1930, objetivando o melhor rendimento possível além da maior segurança possível na iluminação das grandes vias expressas. Este tipo de lâmpada, tem como princípio de funcionamento a descarga num tubo de vidro especial em forma de U, contendo uma atmosfera composta de 99% de neônio e 1% de argônio, além do sódio. Esta lâmpada possui algumas peculiaridades que a tornam semelhante a lâmpada fluorescente, no que diz respeito às características funcionais, como por exemplo, os catodos aquecidos, e o circuito de ligação, constituído de um reator, e um starter, similares aos da lâmpada fluorescente.

A lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão, é a fonte de luz artificial de maior rendimento, chegando a apresentar rendimento superior a 180lumens/watt, porém tem como ponto negativo o seu espectro praticamente monocromático na região do amarelo. Essa lâmpada foi extremamente popular na década de 50, começando a cair em desuso com o advento das modernas lâmpadas a vapor de sódio sob alta pressão.

observe a figura:




7.7 A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão

A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão, é sem dúvida a ultima palavra em matéria de eficiência, durabilidade e confiabilidade. É uma lâmpada que funciona segundo o mesmo princípio da lâmpada de vapor metálico sob alta pressão, diferindo pelo fato de que a lâmpada de sódio utiliza uma mistura de sódio com mercúrio, além de gases nobres que iniciam a ignição da lâmpada.

A lâmpada de sódio sob alta pressão, foi idealizada por pesquisadores dos principais fabricantes de lâmpadas do mundo, dentre estes, temos a GE, que apresentou um dos primeiros protótipos desse tipo de lâmpada. O maior obstáculo para a elaboração desse audacioso projeto, foi a confecção de um tubo de descarga que suportasse a agressividade do sódio sob altas temperaturas e pressões, obstáculo este transposto com o desenvolvimento de um tipo especial de cerâmica translúcida, denominada alumina.

A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão difere da lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão pelo fato de seu espectro ser muito mais rico, sendo até mais rico que o espectro da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão. Isto ocorre devido o fato de que sob altas temperaturas e pressões, as linhas monocromáticas do espectro do sódio começam a se superpor, produzindo através de interferências construtivas e destrutivas outras linhas espectrais, que normalmente seriam imperceptíveis. O rendimento típico de uma lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão é um pouco menor que o da lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão, sendo no entanto o segundo maior rendimento dentre as fontes de luz artificial.

As lâmpadas de vapor de sódio sob alta pressão estão disponíveis, assim como as lâmpadas de vapor metálico numa enorme gama de formatos, indo da forma elipsoidal a forma refletora parabólica, sendo extremamente úteis a diversas aplicações, dentre elas, a iluminação pública.

observe a figura:




7.8 A lâmpada de enxofre

A lâmpada de enxofre pertence a uma categoria de lâmpadas totalmente nova, é um tipo de lâmpada que não funciona com nenhum princípio mencionado até agora, nem a descarga, e nem a incandescência, mas sim a indução eletromagnética, produzida por um magnetron, que é o mesmo dispositivo que permite o funcionamento dos fornos de microondas.

O funcionamento desse tipo de lâmpada é bastante simples, uma pequena esfera de vidro especial, é montada na antena do magnetron. uma vez acionado, esse dispositivo provoca a excitação o enxofre dentro da esfera, tal como ocorre nas lâmpadas de descarga, emitindo uma luz muito intensa e com um tom levemente azulado, além é claro de possuir um espectro bastante rico.

A principal razão para se utilizar a radiofreqüência na produção de luz a partir do enxofre, se deve a sua enorme “agressividade” para com os metais, inviabilizando a utilização do princípio da descarga.

observe a figura:




7.9 A lâmpada fluorescente de indução

Além da lâmpada de enxofre, outra inovação da indústria da iluminação foi a chamada lâmpada fluorescente de indução, cujo princípio de funcionamento baseia-se na excitação do mercúrio e dos gases nobres em seu interior através da aplicação de um campo magnético oscilante de altíssima freqüência.

A lâmpada fluorescente de indução, é desprovida de eletrodos internos, sendo constituída ou de uma ampola com mercúrio, com uma bobina interna, que excita o mercúrio, ou é simplesmente um tubo fechado com duas bobinas enroladas em suas extremidades. Excetuando-se estas características, esse tipo de lâmpada não é nada mais do que uma simples lâmpada fluorescente, a não ser pela sua vida útil, 100.000 horas, ou seja, acima de 10 anos.

observe a figura abaixo:




8. Algumas conseqüências da invenção da lâmpada

Além do conforto e segurança, a lâmpada proporcionou ao homem a possibilidade de dar um imenso salto tecnológico, isto por que a lâmpada serviu de base para a construção da chamada válvula elétrica, o que impulsionou a eletrônica, e com ela toda a tecnologia que dispomos. Além da válvula, a lâmpada teve importante papel nos laboratórios de física, uma vez que esta proporcionou o teste mais importante para a teoria ondulatória de de Broglie, através do experimento de Davisson-Germer. Ainda podemos citar sua importância na área da medicina, pois através de uma lâmpada incandescente modificada, conseguiu-se desenvolver os primeiros aparelhos de raio X da história, onde os elétrons do filamento são acelerados por uma diferença de potencial, e em seguida freados num anteparo dentro da própria lâmpada, produzindo-se assim uma emissão de raios X.

9. Bibliografia

[1] www.lamptech.com

Topo



© 2004 - Mundo Físico - Centro de Ciências Tecnológicas - CCT
Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC
Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro - Joinville - SC - Brasil
CEP: 89223-100 - Fone (47) 3431-7200 - Fax (47) 3431-7240





COPYRIGHT MUNDO FÍSICO