Este artigo detalha o funcionamento da lâmpada incandescente, aquela velha conhecida que joga um monte energia fora!
Imagem 1 - Um enrolamento de Tungstênio
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, no entanto, 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 atuais, muitos carros ainda utilizam lâmpadas incandescentes halógenas nos faróis, porém, 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!
Vamos começar descrevendo a estrutura da lâmpada, para depois explicar seu princípio de funcionamento e suas características...
Os materiais utilizados
Observe a imagem abaixo:
Imagem 2 - Estrutura de uma lâmpada Incandescente doméstica
Vamos começar pela carcaça:
→ O bulbo da lâmpada é feito a base de Sílica ou Aluminossilicato.
Como a areia de Quartzo pura ou um Aluminossilicato puro possuem uma "trabalhabilidade" muito ruim, utilizam-se aditivos Estabilizantes e Fundentes. O Óxido de Sódio, Óxido de Cálcio, Óxido de Potássio, Óxido de Lítio e o Óxido de Bário são encontrados em pequenas porcentagens nestes compostos de vidro para lâmpadas.
CURIOSIDADE: Até meados dos anos 1990, quando o meio ambiente começou a ser levado em conta, a indústria fazia uso exacerbado do Óxido de Chumbo para reduzir a temperatura de fusão e conseguir trabalhar melhor os compostos de Sílica.
Para saber muito mais detalhes sobre os vidros utilizados nestas lâmpadas, CLIQUE AQUI!
Um exemplo de composto de vidro aplicado em lâmpadas incandescentes é mostrado na tabela seguinte:
Tabela 1 - Patente de uma composição de vidro sem Chumbo aplicável em lâmpadas Incandescentes e Fluorescentes
Note que a porcentagem de Óxido de Boro (B2O2) é muito baixa (não o caracterizando como vidro Borossilicato), bem como a quantidade de Óxido de Alumínio (não o caracterizando como vidro Aluminossilicato). As porcentagens de Óxido de Cálcio e Óxido de Sódio são relativamente grandes.
OBSERVAÇÃO: Apesar de serem referidos como "vidros de Quartzo de alta pureza" ou algo semelhante, tais bulbos de lâmpadas não são feitos de pura Sílica ou puro Aluminossilicato como vemos em conteúdos pela internet, e isto se deve ao fato de o Quartzo puro não ter uma boa trabalhabilidade e necessitar de muita energia para ser fundido e gerar um produto como este. De fato a Sílica pode estar presente em quantidades que variam entre 60% e 90% em massa, porém, ainda necessitam de Fundentes e Estabilizantres, não sendo, portanto, classificados como "vidros de puro Quartzo".
O Óxido de Chumbo era muito prático, pois além de melhorar o processamento do Dióxido de Silício ele permitia alta resistividade elétrica para o vidro, necessária para vedar os fios conectados aos eletrodos e para evitar a migração de álcalis durante a operação da lâmpada.
CURIOSIDADE: A migração alcalina é comumente referida como eletrólise e pode resultar na rachadura do vidro. As lâmpadas incandescentes de alta potência são mais propensas à eletrólise, pois normalmente operam em altas temperaturas e altas tensões.
O bulbo deve ser selado mesmo os com fios que atravessam o vidro para fornecer energia elétrica ao filamento. Grandes diferenças na expansão térmica entre estes dois materiais podem causar rachaduras no vidro, quebrando assim a vedação hermética da lâmpada. Existe então a necessidade de uma lâmpada elétrica com uma vedação de vidro cuja expansão térmica seja correspondente à dos fios da lâmpada. O mesmo ocorre nos bulbos que contém um esteme de vidro, com fios de Molibdênio sustentando o filamento.
Veja abaixo uma Patente da General Electric que serve como exemplo do estudo de vidros sem Chumbo com alta resistência elétrica e dilatação compatível com os terminais conectados aos eletrodos. Foi testado tanto com lâmpadas de descarga com vapor de Sódio quanto nas incandescentes.
Tabela 2 - Patente da General Electric para vidros de lâmpadas
→ A base da lâmpada é feita em liga de Zinco, liga de Alumínio ou uma liga de Cobre galvanizada a frio.
A liga de Cobre mais comum para estes fins é o Latão, uma mistura de Cobre com Zinco. No entanto, para se minimizar a oxidação sofrida pelo Cobre quando exposto ao ar atmosférico, faz-se uma galvanização a frio utilizando-se Estanho, ou até mesmo o próprio Zinco. Para saber mais sobre as ligas de Cobre mais usadas na eletrônica e mais detalhes sobre sua galvanização, CLIQUE AQUI!
Veja esta base de lâmpada automotiva com uma pequena área da galvanização raspada, mostrando o latão por baixo:
Imagem 3 - Perceba a dourada liga de Cobre por debaixo do Estanho
→ A cola utilizada para fixar a base no bulbo pode ser simplesmente resina plástica de Poliepóxido.
Quanto ao isolamento entre os contatos elétricos da base, a resina de Baquelite (Polifenol, abreviado por PF) ou o poliepóxido podem ser utilizados...
Imagem 4 - Perceba que por cima do contato de Latão há uma 'bola de solda' feita em Estanho
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre plásticos e borrachas, comece CLICANDO AQUI!
Agora sim, o 'miolo' da lâmpada!
→ Os terminais internos ligados na base da lâmpada podem utilizar também o Latão (podendo haver galvanização a frio também) até na altura do tubo exaustão. Dali pra diante o calor já começar a 'pegar';
→ Na altura do tubo de exaustão, que faz parte do bulbo, sendo portanto fabricado com o mesmo material, os terminais são fixos nos eletrodos, que por sua vez são confeccionados em uma liga condutora mais resistente ao calor;
→ Para estes eletrodos, em geral, uma liga de Níquel pode ser utilizada. Como o Níquel puro possui um ponto de fusão na casa dos 1455 °C, a adição de outros elementos (com pontos de fusão mais elevados) em menor quantidade pode ser requerida. Entre os elementos com ponto de fusão mais altos que podem fazer parte de uma liga com base em Níquel estão o Molibdênio (2623 °C) e o Tântalo (2966 °C). Observe na imagem abaixo a ponta de um eletrodo:
Imagem 5 - Ponta de um eletrodo conectada em uma espiral de Tungstênio
→ Finalmente chegamos ao filamento: O Tungstênio, cujo ponto de fusão é 3414 °C é um 'sinônimo de lâmpada incandescente', bem como daqueles aquecedores elétricos domésticos que encontramos no varejo. Este elemento químico é utilizado em sua forma pura, e você verá mais uns detalhes sobre ele no tópico "O desgaste".
Note na Imagem 1, Imagem 5 e Imagem 10 e Imagem 12 que o filamento de Tungstênio é um finíssimo arame em forma de espiral, isto é, um enrolamento, curiosamente igual aos indutores, em que um enrolamento de fio de Cobre armazenam energia em forma de campo magnético. No caso deste tipo de lâmpada, há uma grande condensação de calor na região da espiral.
→ Acima do tubo de exaustão há a sua sequência, denominada esteme e chamada popularmente (não sei por qual motivo) de "cana". Veja a imagem abaixo:
Imagem 6 - A esteme é a base para os arames de Molibdênio
A esteme é uma base para fixação alguns arames de sustentação para o filamento de Tungstênio. Estes arames, geralmente, são feitos de Molibdênio, pois este elemento possui elevado ponto de fusão (os já ditos 2623 °C), tornando-o ideal para este fim, já que uma das pontas estará apoiando a espiral de Tungstênio incandescente.
Imagem 7 - Um dia, ali naquelas duas pontas dobradas esteve um fio de Tungstênio
OBSERVAÇÃO: Alguns componentes desta descrição podem não se fazer presentes em determinados tipos de lâmpadas incandescentes, como é o caso daquelas utilizadas na iluminação de automóveis. Na Imagem 1 e Imagem 6 é possível notar a ausência da "cana" e dos arames de Molibdênio para apoio.
→ Sobre o Gás inerte, vá até o tópico "O desgaste" para entender a importância de sua presença no interior do bulbo.
Princípio de funcionamento
Primeiramente, para saber o que é IRC e saber calcular a eficiência de uma lâmpada qualquer, clique neste link e terá acesso à um outro artigo do HC explicando estes assuntos.
Podemos dizer que uma lâmpada incandescente utiliza o mesmo princípio de funcionamento de um resistor.
Imagem 8 - Resistores axiais
Basicamente é um fio que oferece resistência à passagem de energia, fazendo com que se produza calor. Agora, a explicação em detalhes:
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 distantes dele.
Imagem 9 - 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, eles descarregam a energia utilizada para saltar, sendo esta energia liberada em forma de fótons de luz, isto é, luz visível ao nosso olho.
CURIOSIDADE: 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 à 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.
Em resumo:
Imagem 10 - Perceba a espiral incandescente. A concentração de calor ali é maior do que nas pontas próximas aos eletrodos
Quanto mais comprido for o filamento resistivo e quanto mais corrente elétrica passar por ele, mais calor será gerado. Quanto mais alta for a temperatura do filamento, maior a parte da energia irradiada que cai na região visível do espectro. Você verá mais abaixo que o filamento é disposto em forma de espiral.
Para fins de curiosidade, numa lâmpada incandescente automotiva que opere com 12 Volts e tenha uma potência de 55 Watts, a corrente elétrica que circula por ela será cerca de 4,5 Ampéres. Agora imagine 4,5 A circulando por uma espiral de arame de Tungstênio ultra fino com vários centímetros de comprimento...
Espectro de emissão de luz
No gráfico abaixo temos a comparação entre o espectro de emissão de luz da lâmpada incandescente e o espectro de emissão dos LEDs:
Gráfico 1 - Espectro de emissão da lâmpada incandescente
Para saber mais sobre LEDs, CLIQUE AQUI!
Para a luz ser de muitas lâmpadas incandescentes ser amarelada, há um pico da curva (destacada em vermelho) em torno da faixa de frequências do vermelho, laranja e amarelo. Para comparar este gráfico com o espectro de emissão de luz da lâmpada fluorescente, CLIQUE AQUI!
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, afinal ele é um comburente. 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 cápsula 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.
Imagem 11 - Lâmpada Incandescente antiga. Até 1913 só existiam bulbos com vácuo
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;
-> Ununséptio.
Todos estes elementos listados 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, formam o Iodeto de Tungstênio. Esta combinação fica circulando dentro do bulbo graças á um gás inerte que também é adicionado na lâmpada, sendo normalmente 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, ou seja, a lâmpada continua tendo um limite de vida.
Imagem 12 - Note a degradação do enrolamento (filamento), bem como de seus eletrodos
CURIOSIDADE: A lâmpada da imagem acima é utilizada em automóveis. Perceba a existência de dois filamentos de Tungstênio (um mais ao fundo, desfocado): pois bem, um deles é para a luz traseira de posição e o outro é para a luz de freio.
Esta configuração é até comum em automóveis, afinal, isto reduz espaço (duas lâmpadas em uma, compartilhando o mesmo terminal negativo), placa de circuito com tamanho menor (menos trilhas, menos um soquete) e uma lente de PMMA a menos!
A colocação de um Halogênio também possibilitou que a lâmpada trabalhasse na faixa dos 3000 °C e a geração de uma luz mais branca (a incandescente comum pode ter luz bastante amarelada). A eficiência das lâmpadas aumentou em relação as incandescentes comuns e a vida útil também, tendo em torno de 2000 a 4000 horas de uso.
Outros fatores que influenciam na redução enegrecimento do bulbo - que também pode ocorrer pela condensação do Iodeto de Tungstênio - são:
-> A diminuição do volume do bulbo;
-> A temperatura 'geral' do dispositivo (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).
Estes três fatores, que juntamente com o aumento da pressão do gás inerte reduz a evaporação dos átomos de Tungstênio.
CURIOSIDADE: 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 que 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:
Diagrama 1 - Lâmpada Mista
Perceba que há uma capsula interna para acomodar o Argônio e o vapor de Mercúrio presente nas lâmpadas fluorescentes, o bulbo externo que cobre o bulbo interno e também o filamento com halogênio. A lâmpada também possui revestimento à base de Fósforo no lado de dentro do bulbo para que a luz UV gerada seja convertida em luz visível. O resultado é a mistura da luz amarelada produzida pelo filamento e a luz produzida pela fluorescente.
Para saber mais sobre o funcionamento da lâmpada fluorescente, comece CLICANDO AQUI!
Existe a incandescente comum, de uso doméstico, tendo um formato parecido com o de uma pêra.
Imagem 13 - Lâmpada Incandescente comum
As lâmpadas incandescentes podem ter refletores em liga 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°.
Imagem 14 - 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.
Imagem 15 - Lâmpadas Incandescentes Halopar
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 até 24º. Veja abaixo a imagem de uma lâmpada AR:
Imagem 16 - Lâmpadas Incandescentes do tipo AR
Existem vários outros tipos de lâmpadas incandescentes halogêneas. Clique aqui para ver mais informações sobre estas lâmpadas.
Para este artigo foram utilizadas algumas imagens retiradas da Internet, no entanto, foi feito uma "sessão de fotos" com uma velha lâmpada da fabricante Sylvania, bem como com algumas lâmpadas danificadas retiradas de meu automóvel, neste caso ainda genuínas, com fornecedor não identificado, porém, de origem húngara (Made In Hungary).
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 neste GIF:
GIF 1 - Lâmpada Incandescente caseira
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!).
Última atualização: 19 de Fevereiro de 2024.