• Leonardo Ritter

Óptica - Lâmpadas incandescentes

Este artigo detalha o funcionamento da lâmpada incandescente, aquela velha conhecida que joga um monte energia fora!

Thomas Edison conseguiu fazer o que vários outros cientistas já tinham tentado anteriormente: fazer a lâmpada incandescente funcionar! Isso foi lá em 1879, e na época, ela durava algumas dezenas de horas. Atualmente, uma lâmpada incandescente dura em torno de 750 a 1000 horas mas, sua durabilidade não foi o suficiente para mante-la em linha! A lâmpada incandescente tem um IRC 100, consome muita energia e tem uma eficiência bem menor se comparada com uma fluorescente ou uma lâmpada de LED. Nos dias de hoje, muitos carros ainda utilizam lâmpadas incandescentes de halogênio nos faróis mas, gradativamente a indústria automobilística vai migrando para o LED.

O que é halogênio? o que é incandescência? Como a geração de luz ocorre? Continue lendo e descobrirá!

Primeiramente, para saber o que é IRC, eficiência e saber calcular a eficiência de uma lâmpada qualquer, clique neste link que dará acesso a um outro artigo do HC explicando estes assuntos.

Podemos dizer que, uma lâmpada incandescente utiliza o mesmo princípio de funcionamento de um resistor!

Resistores axiais

Um fio que oferece resistência à passagem de energia, fazendo com que se produza calor. Essa é uma explicação bem resumida, os detalhes serão dados abaixo:

Todos os corpos são constituídos de átomos. Não notamos mas, um objeto possui uma agitação nos átomos que compõem sua estrutura, uma agitação que vai ficando mais acentuada a medida que o corpo vai ficando mais quente.

Mas o que faz a lâmpada incandescente esquentar tanto e ao mesmo tempo emitir luz visível?

Quando um átomo recebe cargas elétricas através de ondas eletromagnéticas ou de descargas elétricas, os elétrons deste átomo tendem a ficar acelerados e saltarem das camadas mais próximas do núcleo para as mais longe do núcleo.

Desenho de um átomo com todas as suas camadas de elétrons

Os elétrons das camadas mais distantes do núcleo do átomo possuem mais energia, e os elétrons das camadas mais próximas ao núcleo possuem menos energia. Quando um elétron próximo ao núcleo recebe energia, ele tende a saltar para camadas mais externas. Os elétrons tendem a voltar pra seus lugares originais no átomo em questão de milésimos de segundo e, nesse processo de retorno, os elétrons liberam a energia utilizada para saltar, esta energia é liberada em forma de fótons de luz, isto é, luz visível ao nosso olho.

O processo do elétron mais próximo de núcleo receber energia e saltar para camadas mais externas é chamado de salto quântico.

Outra coisa que você precisa saber é sobre o efeito Joule:

O filamento da lâmpada oferece resistência a passagem de elétrons, ou seja, a circulação de elétrons pelos átomos que compõem o filamento não é eficaz.

A corrente elétrica aplicada neste filamento o sobrecarrega, isto é, os elétrons tem dificuldade em passar pelo condutor e acabam colidindo com os átomos que estão se agitando. Parte da energia cinética(energia do movimento) dos elétrons circulantes é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente deixando o filamento cada vez mais quente. Chega um ponto em que há colisões entre os próprios átomos!

Outra parte da energia dos elétrons circulantes é transferida para os elétrons que compõem o átomo, fazendo com que ocorra o salto quântico. Ao retornarem para seus lugares originais no átomo, os elétrons liberam a energia que os fizeram saltar, ou seja, liberam fótons de luz.

Uma lâmpada incandescente funciona através do efeito Joule, consumindo muita energia e gerando muito calor para emitir luz visível. Cerca de 80% da energia consumida é transformada em calor e apenas 20% é transformado em luz.

Atualmente, o material mais utilizado no filamento da lâmpada incandescente é o Tungstênio, que possui uma maior durabilidade a altas temperaturas, fazendo com que o dispositivo emissor de luz tenha uma vida útil maior.

A Lâmpada incandescente atinge temperaturas superiores a 2000°C e ao redor do filamento resistivo não pode haver oxigênio, caso contrário, a lâmpada iria queimar instantaneamente e, o objetivo não é torrar o filamento, mas sim fazer com que ele emita luz à altas temperaturas.

Em lâmpadas incandescentes bastante antigas, dentro da capsula de vidro (também chamada de bulbo) não havia oxigênio, apenas vácuo. Os átomos do filamento de Tungstênio podem ir se soltando no decorrer do tempo e com isso irem parar diretamente na parte interna da capsula de vidro, escurecendo-a.

Para resolver este problema, o vácuo foi substituído por halogênio. Mas o que é Halogênio?

Na tabela periódica, há o grupo 17, dos elementos químicos formadores de sais, por isso o nome grego "Halogênio". Este grupo é composto de seis elementos químicos não metais e representativos. São eles: Flúor, Cloro, Bromo, Iodo, Astato e Ununséptio. Todos apresentam 7 elétrons na camada de valência e tem a tendência de ganhar um elétron via ligação iônica. Eles reagem com metais alcalinos, metais e os gases nobres.

Nas lâmpadas incandescentes há o "ciclo do halogênio", "ciclo do Iodo" ou "ciclo do Bromo", ou seja, o Halogênio nestas lâmpadas pode ser Bromo ou, principalmente o Iodo. Os átomos que se soltam do filamento de Tungstênio e, numa temperatura de mais ou menos 1400°C, acabam se combinando com o Iodo, formando assim o Iodeto de Tungstênio. Esta combinação fica circulando dentro do bulbo graças á um gás inerte que também é adicionado a lâmpada, normalmente este gás é Argônio ou Criptônio. Quando o Iodeto de Tungstênio chega próximo ao filamento, a temperatura elevada (acima de 1400°C) acaba decompondo a combinação e o Tungstênio retorna ao filamento. Isso se torna um ciclo sem fim, que recolhe os átomos de Tungstênio que se soltam e os devolvem ao filamento. Vale lembrar que o Tungstênio não se deposita exatamente no local onde ele se soltou no filamento, ou seja, a lâmpada continua tendo um limite de vida.

A colocação de um Halogênio também possibilitou que a lâmpada trabalhasse na faixa dos 3000°C e uma luz mais branca (a incandescente comum pode ter luz amarelada). A eficiência das lâmpadas aumentou em relação as incandescentes comuns e a vida útil também, em torno de 2000 a 4000 horas de uso.

Outro fator que reduz o enegrecimento do bulbo, que também pode ocorrer pela condensação do Iodeto de Tungstênio, foi a diminuição do volume do bulbo, a temperatura (que nestas lâmpadas deve se manter no mínimo nos 250°C) e a substituição do vidro comum (utilizado nas lâmpadas com vácuo) pelo quartzo (que aguenta temperaturas mais altas). A diminuição do volume do bulbo, juntamente com o aumento da pressão do gás inerte, reduz a evaporação dos átomos de Tungstênio.

É recomentado não tocar no bulbo ao manusear a lâmpada pois, isso pode engordurá-la e devido as altas temperaturas de operação, nos locais engordurados pelas mãos podem haver micro rachaduras, fazendo com haja vazamento do gás, danificando a lâmpada.

Outra lâmpada conhecida é a mista: Uma lâmpada fluorescente junto de uma incandescente! Estas lâmpadas possuem um pequeno resistor, e o filamento de Tungstênio também é ligado a ele, fazendo com que não haja necessidade de um reator. Veja o esquema abaixo:

Perceba que há uma capsula interna para acomodar o Argônio e o vapor de Mercúrio presente nas lâmpadas fluorescentes, e o bulbo externo que cobre o bulbo interno e também o filamento com halogênio. A lâmpada também possui revestimento a base de Fósforo no lado de dentro do bulbo para que a lâmpada fluorescente funcione. O resultado é a mistura da luz amarelada produzida pelo filamento e a luz produzida pela fluorescente.

Existe a incandescente comum, que possui o bulbo de vidro ou quartzo, tendo um formato parecido com o de uma pera!

As lâmpadas incandescentes podem ter refletores de alumínio, fazendo com que toda a luz e o calor sejam refletidas para uma determinada direção, reduzindo assim a carga térmica sobre a estrutura da lâmpada e o local em que ela está instalada.

Lâmpadas incandescentes podem ter refletores dicroicos, que desviam parte do calor para trás, fazendo com que haja uma redução na radiação térmica emitida junto com a luz. Estas lâmpadas podem ser encontradas com vários graus de abertura, sendo que as angulações mais utilizadas são 10°, 38° e 60°.

Estas são lâmpadas halogêneas dicroicas

As lâmpadas com 10° graus de angulação são utilizadas para iluminar uma parede que tenha textura ou uma parede lisa em que se queira largar um feixe de luz. Para a iluminação de quadros, as de 60° são mais indicadas. Para joalherias, onde é necessário a utilização de luz fria, as Cool-Blue são excelentes.

Existe ainda as lâmpadas dicroicas PAR (ou Halopar) que oferecem uma luz difusa e forte. Algumas vem com capa de proteção contra sujeira, aumentando a durabilidade. É indicada para iluminação de jardins.

As lâmpadas dicroicas AR iluminam locais pequenos ou até bastante grandes, dependendo de seu ângulo de abertura. As AR possuem três modelos comuns: AR 48, AR 70 e AR 111, com ângulos de abertura que vão de 4º a 24º. Veja abaixo a imagem de uma lâmpada AR:

Existem vários outros tipos de lâmpadas incandescentes e incandescentes halogêneas. Clique aqui para ver mais informações sobre estas lâmpadas.

Você pode fazer uma lâmpada incandescente artesanal que durará alguns segundos!

Foi utilizada uma fonte de 12 Volts e um grafite de lapiseira! Veja o resultado abaixo:

Espero ter te ajudado a conhecer mais sobre este velho invento que revolucionou nossas vidas. Se achar algum equívoco, sentir a falta de algo ou quiser dar uma sugestão, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com ou nos contate via Facebook! Compartilhe este artigo para ajudar outras pessoas!

CRÉDITOS e FONTES:

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Mundo Da Elétrica; InfoEscola; centraldalapa.com; efeitojoule.com; Esquadrão do Conhecimento; Oficina da Net; invivo.fiocruz.com; Wikipedia(somante artigos com fontes verificadas!).

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