Lampadina a incandescenza una invenzione innovativa

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La lampadina a incandescenza, è una invenzione innovativa, un piccolo componente nel sistema di illuminazione elettrica.

Ideata da Thomas Edison, il suo sviluppo tecnologico ha cambiato in modo significativo la storia dell’illuminazione.

Lampadina a incandescenza una invenzione innovativa


Introduzione


La lampadina a incandescenza, o lampada a incandescenza o un globo luminoso a incandescenza, è una luce elettrica con un filamento di filo riscaldato fino a quando non si illumina.

Le lampadine elettriche sono prodotte in una vasta gamma di dimensioni, potenza luminosa e valutazione della tensione.

La durata di una lampadina elettrica, ha in genere una vita breve rispetto ad altri tipi di illuminazione.

1.000 ore circa per le lampadine di casa contro le 10.000 ore per quelle al neon, 20.000/30.000 ore per l’illuminazione dei LED.

Storia


Gli storici Robert Friedel e Paul Israel, storico americano e specialista nella storia dell’invenzione elettrica, hanno elencato 22 inventori di lampade elettriche prima di Joseph Swan e Thomas Edison.

Essi hanno concluso che la versione di Edison era in grado di superare gli altri a causa di una combinazione di tre fattori:

  • un materiale a incandescenza efficace
  • uno spazio privo di materia
  • un’alta resistenza

Thomas P. Hughes, in Tecnology at the Turning Point, a edito da W.B.Pickett, cita:

La lampada era un piccolo componente nel suo sistema di illuminazione elettrica, e non più critica per il suo funzionamento efficace rispetto al generatore Edison Jumbo, la principale Edison e alimentatore, e il sistema di distribuzione parallela. Altri inventori con generatori e lampade a incandescenza, e con ingegno ed eccellenza comparabili, sono stati a lungo dimenticati perché i loro creatori non hanno presieduto la loro introduzione in un sistema di illuminazione.

Cronologia invenzioni lampadina
cronologia invenzione lampadina

Thomas Edison


Thomas Edison, iniziò una serie di ricerche sullo sviluppo di una lampadina a incandescenza pratica nel 1878.

Dopo molti esperimenti, prima con il carbonio nei primi anni 1880 e poi con il platino e altri metalli, Edison tornò alla fine ad un filamento di carbonio.

Il primo test di successo, fu il 22 ottobre 1789, e durò 13,5 ore.

Edison continuò a migliorare il suo progetto e, il 4 novembre 1879, presentò un brevetto statunitense per una lampada elettrica.

Il brevetto descriveva diversi modi per creare il filamento di carbonio, tra cui:

  • filo di cotone e lingotto,
  • stecche di legno
  • carte arrotolate in vari modi

In seguito, Edison e il suo team, scoprirono che il filamento di bambù carbonizzato poteva durare più di 1200 ore.

Prime società


Nel 1880, il piroscafo della Oregon Railoard and Navigation Company, Columbia, divenne la prima applicazione per le lampade elettriche a incandescenza di Edison. (La nave fu anche la prima ad utilizzare una dinamo).

La prima società elettrica nel 1878, fu quella di Albon Man, un avvocato di New York, la Electro-Dynamic Light Company.

In seguito nacque la società United States Electic Lighting Company, con la loro prima installazione commerciale di lampade a incandescenza nell’autunno del 1880, presso la Mercantile Safe Deposit Company di New York City.

Ciò avvenne circa sei mesi dopo che le lampade a incandescenza Edison furono installate sulla Columbia.

Le società Edison e Swan, si fusero nella Edison and Swan United Electic Company (in seguito nota come Ediswan, e infine incorporata in Thorn Lighting Ltd).

Inizialmente, Edison era contrario a questa fusione, ma dopo che Swan lo citò in giudizio e vinse, egli fu costretto a collaborare.

Joseph Swan


Joseph Swan, fisico e chimico britannico, nel 1850 iniziò a lavorare con filamenti di carta carbonizzati in una lampadina di vetro evacuata.

Un anno dopo, egli fu in grado di dimostrare un dispositivo funzionante, ma che tuttavia risultò inefficiente.

Nel 1878, grazie al metodo di pompe a vuoto, sviluppò un metodo che evitava l’oscuramento precoce della lampadina.

Le lampade usavano un’asta di carbonio da una lampada ad arco piuttosto che da un filamento sottile.

Queste lampade, avevano una bassa resistenza e richiedevano conduttori molto grandi per fornire la corrente necessaria.

Swan allora escogitò un metodo di trattamento del calore per produrre “filo parchmentizzato“, ottenendo il Brevetto Britannico.

Nel 1880, iniziò ad installare lampadine in case e punti di riferimento in Inghilterra.

La prima casa al mondo ad essere illuminata da una lampadina, e la prima al mondo ad essere illuminata dall’energia idroelettrica, fu quella di Swan.

Il primo edifico pubblico al mondo, ad essere illuminato interamente dall’elettricità, fu il teatro Savoy Theatre di Londra.

La prima strada al mondo ad essere illuminata da una lampadina incandescente, è stata Mosley Street, a Newcastle, Regno Unito.

Lewis Latimer


Lewis Latimer, un impiegato all’epoca di Edison, sviluppò un metodo migliorato di filamenti di carbonio per il trattamento del calore.

Tale miglioramento, consisteva nella riduzione della rottura permettendo ai filamenti di essere modellati in nuove forme (come la caratteristica forma M).

Il 17 gennaio 1882, Latimer ricevette un brevetto per il “Process of Manufacturing Carbons“:

Tale metodo era un metodo migliorato per la produzione di filamenti di lampadine, che fu acquistato dalla United States Electic Light Company.

Latimer brevettò altri miglioramenti, come un modo migliore di attaccare i filamenti ai loro supporti metallici.

Sviluppo della lampadina a incandescenza


Filamento metallico


Arturo Malignani, inventore italiano, nel 1896 brevettò un metodo di evacuazione per la produzione di massa.

Ciò permise di ottenere lampadine economiche della durata di 800 ore. Il brevetto fu acquistato da Edison nel 1898.

Walther Nernst, fisico e chimico tedesco, nel 1897 sviluppò la lampada Nernst.

La lampada Ernst, è una forma di lampada a incandescenza che usava un globar in ceramica e non richiedeva recinzione in un vuoto o gas inerte.

Queste tipo di lampade, erano due volte più efficienti di quelle a filamento in carbonio.

Le Nenrst ebbero una durata breve, poiché furono in seguito superate dalle lampade che usavano filamenti metallici.

Tantalum


Le lampade a filamento tantalum, più efficienti dei filamenti di carbonio, potevano funzionare a temperature più elevate.

Il tantalum tuttavia, ha una resistenza inferiore al carbonio, il filamento, infatti, era piuttosto lungo e richiedeva più supporti interni.

I filamenti metallici, avevano la proprietà di rompere e risiedare, diminuendo la resistenza e accorciando la durata del filamento.

Osmio


L’osmio, un metallo a transizione nel gruppo di platino, fu utilizzato dal 1898 al 1905 come filamento di lampade in Europa.

Il metallo tuttavia, era così costoso che le lampade rotte usate potevano essere restituite per un credito parziale.

Le lampade a filamento osmio, non potevano avere una resistenza per 110V o 220V.

Queste lampade, quindi, erano cablate in serie per l’uso su circuiti di tensione standar.

Tungsteno


Le lampade tungsteno, un metallo raro combinato con altri elementi chimici, avevano una durata più lunga e una luce più luminosa del filamento in carbonio.

Nel 1904, le lampade tungsteno furono commercializzate per la prima volta dalla società ungherese Tungsram.

Una lampadina con un gas inerte come argon o azoto, rallenta l’evaporazione del filamento di tungsteno rispetto al suo funzionamento nel vuoto.

Ciò consente una maggiore temperatura e quindi una maggiore efficacia con una minore riduzione della vita del filamento.

Nel 1906, William D. Coolidge, fisico e ingegnere americano, sviluppò il tungsteno ductile.

La General Electric Company, nel 1911 iniziò a vendere lampadine a incandescenza con filo di tungsteno ductile.

Nel 1913, Irving Langmuir, chimico, fisico e ingegnere americano, scoprì che riempire una lampada con gas inerte invece di un vuoto, si tradusse in un doppio dell’efficacia luminosa e una reazione dell’anneri dei bulbi.

Bobina arrotolata


Un filamento arrotolato viene avvolto in una bobina con l’uso di un mandrello (cilindro affusolato o barra affusolata).

La prima lampadina a doppia bobina, fu creata nel 1921 da Junichi Miura, che lavorava presso la società giapponese Hakunetsusha, un precedessore di Toshiba.

I macchinari per la produzione di massa di filamenti a bobina arrotolato, a quel tempo non esisteva.

La Hakunetsusha sviluppò un metodo per produrre filamenti a bobina arrotolato nel 1936.

Silice


Marvin Pipkin, chimico americano, nel 1925 brevettò un processo per glassare l’interno delle lampadine senza indebolirle.

Nel 1947, brevettò un processo per rivestire l’interno delle lampade con silice.

Gas krypton


Il fisico ungherese Imre Brady, inventò nel 1930 le lampade fluorescenti piene di krypton.

La produzione di lampade con gas krypton, basata sulla sua invenzione, iniziò ad Ajka nel 1937.

Miglioramenti, efficacia ed efficienza


Miglioramenti


I miglioramenti nell’efficienza e nella produzione di lampadina a incandescenza, nel 1964 ridusse il costo della quantità di luce rispetto a quello del sistema di illuminazione di Edison.

Una lampadina a incandescenza, consuma più potenza e emana più calore di una lampadina fluorescente.

La potenza consumata, più del 95%, viene convertita in calore piuttosto che in luce visibile.

Nei luoghi dove viene utilizzata l’aria condizionata, la produzione di calore delle lampadine a incandescenza aumenta il carico sul sistema di condizionamento dell’aria.

Il carico delle luci, riduce la necessità di far funzionare il sistema di riscaldamento.

In generale, il sistema di riscaldamento può fornire quantità di calore a un costo inferiore rispetto alle luci a incandescenza.

Le lampade a incandescenza alogene, useranno meno potenza per produrre la stessa quantità di luce rispetto a quella non alogena.

Le luci alogene, producono una luce-uscita più costante nel tempo, senza molta attenuazione.

Efficacia


L’efficacia luminosa di una sorgente luminosa, è il rapporto tra la luce visibile e l’ingresso di potenza totale con la sorgente.

La luce visibile è misurata in lumen, una unità che è definita in parte dalla diversa sensibilità dell’occhio umano a diverse larghezze d’onda della luce.

Non tutte le lunghezze d’onda sono ugualmente efficaci nello stimolare l’occhio umano.

Le unità di efficacia luminosa, sono “lumens per watt“; per definizione, l’efficienza massima è di 683 Im/W per la luce verde monocromatica.

Una sorgente bianca, con tutte le lunghezze d’onda visibili presenti, ha un’efficacia inferiore, circa 250 lumen per watt.

Efficienza


L’efficienza luminosa, è definita come il rapporto tra l’efficienza luminosa e l’efficienza luminosa massima teorica.

Le sorgenti luminose come lampade fluorescenti, lampade di scarico ad alta intensità e lampade a LED, hanno una maggiore efficienza luminosa.

Questi dispositivi, producono luce per luminescenza, un’emissione spontanea di luce da parte di una sostanza non risultante dal calore: “luce fredda“.

La luce di questi dispositivi, ha bande di lunghezza d’onda caratteristiche.

I rivestimenti di fosforo fluorescenti, o filtri che modificano la distribuzione spettrale, lo spettro emesso può essere sintonizzato per imitare l’aspetto di fonti incandescenti, o altre diverse temperature di calore della luce bianca.

Se utilizzate per attività sensibili al calore, queste fonti possono richiedere particolari tecniche per duplicare l’aspetto dell’illuminazione a incandescenza.

Caratteristiche di una lampadina


lampadina incandescenza diagramma
  1. Contorno della lampadina di vetro
  2. Gas inerte a bassa pressione (argon, azoto, krypton, xenon)
  3. Filamento di Tungsteno
  4. Filo di contatto (esce dal gambo)
  5. Filo di contatto (va in stelo)
  6. Fili di supporto (un’estremità incorporata nel gambo; condotta nessuna corrente)
  7. Stelo (montaggio in vetro)
  8. Filo di contatto (esce dal gambo)
  9. Cappuccio (manica)
  10. Isolamento (vitrite)
  11. Contatto elettrico

Tipologia


La maggior parte delle lampadine, hanno vetro trasparente o rivestito.

Quelle di vetro rivestite, hanno argilla di ciolina soffiata e depositata elettrostaticamente all’interno del bulbo.

Lo strato di polvere, diffonde la luce dal filamento, e i pigmenti possono essere aggiunti all’argilla per regolare il colore della luce emessa.

Le lampadine di Kaolin sono utilizzate per l’illuminazione interna, altri tipi di lampadine colorate invece, sono utilizzate a scopo decorativo.

Le lampadine colorate, sono realizzate colorando il vetro con un agente doping.

La lampada di vetro di una lampada di servizio generale, può raggiungere temperature tra i 200 e i 260 gradi centigradi.

Quelle destinate ad alta potenza, o utilizzate per scopi di riscaldamento, avranno buste in vetro duro o quarzo fuso.

Riempimento


Le lampadine moderne, sono riempite con gas inerte per ridurre l’evaporazione del filamento e prevenire la sua ossidazione.

Il riempimento, tuttavia, deve essere scelto con attenzione per evitare di introdurre perdite di calore significative.

Il gas deve essere privo di tracce d’acqua, che accelera notevolmente l’oscuramento della lampadina.

Lo strato di gas vicino al filamento è stagnante, con il trasferimento di calore che si verifica solo per conduzione.

Solo a una certa distanza si verifica la convenzione per portare il calore della lampada.

L’orientamento della lampada, aumenta con un diametro di filamento più grande.

Le lampadine a bassa potenza, beneficiano meno di un gas di riempimento, quindi spesso vengono solo evacuate.

Sicurezza


Il filamento di una lampadina di tungsteno, non è facile da rompere quando la lampadina è fredda.

I filamenti sono più vulnerabili quando sono caldi, perché il metallo incandescente è meno rigido.

Nella maggior parte delle lampadine moderne a incandescenza, parte del filo all’interno della lampadina agisce come un fusibile.

Se un filamento rotto produce un corto circuito al suo interno, la sezione di filo fusibile si scioglierà e taglierà la corrente per evitare danni alle linee di alimentazione.

Una lampadina di vetro caldo, può rompersi a contatto con oggetti freddi.

Quando l’involucro di vetro si rompe, il bulbo implode, esponendo il filamento all’aria nell’ambiente.

L’aria, poi, di solito distrugge il filamento caldo attraverso l’ossidazione.

Note correlate


Lampadina fluorescente: chiamata anche luce a risparmio energetico, è una lampada ideata per sostituire una lampadina a incandescenza.

Lampadina a LED: è una luce elettrica per l’uso in apparecchi di illuminazione, e hanno una durata molte volte più lunga di una lampadina a incandescenza.

Lampada fluorescente: è una lampada a scarica gassosa a vapore di mercurio a bassa pressione che utilizza la fluorescenza per produrre luce visibile.

Lampada alogena: è una lampada a incandescenza costituita da un filamento di tungsteno sigillato in un involucro trasparente compatto, che viene riempito con una miscela di gas inerte e una piccola quantità di alogeno.

Collegamenti esterni



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