ARTIGO TÉCNICO
revista técnico-profissional
14
o electricista
Custódio Dias Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP)
luminotecnia
{FUNDAMENTOS SOBRE LÂMPADAS DE INCANDESCÊNCIA} SÉTIMA PARTE
Apesar de não ser a fonte luminosa de maior eficiência energética, a lâmpada incandescente ainda é muito utilizada na iluminação de interior, sobretudo em iluminação doméstica. Por esta razão, justifica se prestar lhe alguma atenção. 1› INTRODUÇÃO A lâmpada incandescente é um equipamento radiador, cujo corpo luminoso é constituído por um fio condutor eléctrico, através do qual se faz passar uma corrente que elevará a temperatura daquele até atingir um valor tal que emita radiações na zona do espectro visível. Para se conseguir uma radiação luminosa de composição espectral semelhante à da luz branca, com um bom rendimento, será necessário aumentar a temperatura que atinge o filamento o mais possível, até um determinado limite. Assim, o filamento deve apresentar as seguintes características: › O material constituinte deverá possuir elevada resistividade eléctrica. › A forma do filamento deverá ser alongada e com uma secção recta muito pequena, para se obter uma resistência de valor elevado. › O ponto de fusão do material terá de ser muito elevado, para que possa funcionar a temperaturas muito elevadas. › A ductilidade do material tem de ser muito elevada, para se poder obter filamentos compridos e muito finos. › O preço do material tem de ser baixo, para não encarecer muito o preço da lâmpada. Dadas as características enunciadas, não
existem muitos materiais capazes de as satisfazer. Ficamos limitados ao carvão em filamento e a alguns, poucos, metais. Do ponto de vista do ponto de fusão, os materiais que apresentam melhores condições são o carvão e o tungsténio, sendo o carvão o mais económico. No entanto, as lâmpadas com filamento de carvão apresentam uma duração muito curta, pelo que actualmente os filamentos são quase exclusivamente de tungsténio. Por esta razão será a esses filamentos que será prestada maior atenção neste trabalho, embora, a título de curiosidade, também se dedique alguma atenção aos filamentos de carvão.
temperaturas necessárias ao funcionamento da lâmpada. Nessa época, o metal mais apropriado que estava disponível era a platina, sendo, por isso, caro e pouco eficiente.
2› LÂMPADA DE FILAMENTO DE CARVÃO
Posteriormente, conseguiu-se uma evolução importante no fabrico de filamentos, utilizando pastas formadas por carbono puro, pulverizado e aglutinado, obtendo se filamentos de carbono puro, bem calibrados. O filamento assim obtido era montado sobre dois condutores apoiados num suporte de vidro que atravessavam para se ligarem electricamente aos condutores de alimentação da lâmpada. Por sua vez, o suporte de vidro era soldado a uma ampola de vidro, no interior da qual, com a ajuda de bombas especiais, era feito o vazio para evitar que o filamento se oxidasse rapidamente pela acção do oxigénio do ar, quando aquecia
Actualmente as lâmpadas com filamento de carvão já não são utilizadas. A razão de as incluir neste trabalho prende-se com o interesse histórico e, sobretudo, porque muitos dos seus elementos constituintes fazem também parte das modernas lâmpadas de incandescência. Quando, no século XIX, foram construídas as primeiras lâmpadas de incandescência não se dispunha de elementos metálicos com um ponto de fusão suficientemente elevado para se construir um filamento resistente às altas
Assim, os inventores da lâmpada de incandescência começaram por utilizar o carvão, que é muito mais barato e possui um ponto de fusão ainda mais alto, isto apesar dos inconvenientes que de imediato se verificaram no fabrico de um filamento adequado. A título de curiosidade podemos referir que Thomas Edison, nos Estados Unidos, utilizou as fibras de bambu carbonizadas, depois de ter ensaiado muitos outros elementos. Por sua vez, Swan, na Inglaterra, utilizou fio de algodão tratado antes de ser carbonizado.
ARTIGO TÉCNICO
revista técnico-profissional
o electricista
16
Neste tipo de lâmpadas a temperatura do filamento pode elevar-se até 2100ºC, pelo que a luz emitida é mais branca do que a da lâmpada com filamento de carvão e a duração média da lâmpada situa-se nas 1000 horas, ao fim das quais a intensidade luminosa sofre uma depreciação, situando-se entre 80 a 85% da intensidade luminosa inicial.
4› LÂMPADA COM FILAMENTO DE TUNGSTÉNIO EM ATMOSFERA GASOSA Na segunda década do sec. XX foi conseguido um novo avanço significativo na produção das lâmpadas de incandescência, que conduziu ao aparecimento das lâmpadas de tungsténio em atmosfera gasosa. Nesta lâmpada a ampola está cheia de um gás inerte, composto habitualmente por uma mistura de Árgon e Azoto. A frio, a pressão do gás no interior da ampola é de dois terços da pressão atmosférica, verificando-se que aquando do seu funcionamento a pressão no interior da ampola é praticamente igual à pressão atmosférica. A utilização do gás inerte permite reduzir notavelmente a desagregação do filamento, dado que se cria em volta dele um obstáculo físico à saída das partículas de tungsténio do fio que o constitui. Desta forma, é possível elevar a temperatura de funcionamento do filamento até 2500 ºC, sem haver o perigo da desagregação provocar efeitos prejudiciais e, dado o aumento da temperatura de funcionamento, consegue se um aumento de rendimento da lâmpada até cerca de 20 lm/W. Contudo, a utilização de uma atmosfera gasosa no interior da lâmpada tem um inconveniente. Enquanto que nas lâmpadas com filamento a funcionar em vazio o calor produzido pelo filamento incandescente se dissipa exclusivamente por radiação, nas lâmpadas com atmosfera gasosa, dada a condução calorífica no gás inerte, o calor atinge as paredes da ampola. Esta perda de calor é muito significativa nas lâmpadas de filamento recto, como as que foram apresentadas na secção anterior. A investigação
levada a cabo sobre este problema demonstrou que esta perda de calor é muito maior no caso de um filamento grande com uma secção muito pequena do que no caso de um filamento curto e grosso, tendo em ambos os casos a mesma temperatura e a mesma área de radiação. Assim, no que se refere ao efeito da condução do calor, se se enrolar o filamento em espiral, ele comporta-se como um fio curto e grosso, na medida em que haverá apenas que considerar a superfície exterior da espiral, enquanto que a radiação se dá em toda a superfície lateral do filamento. Foi por esta razão que apareceram os filamentos em espiral, que até à actualidade têm sido utilizados em todas as lâmpadas de tungsténio com atmosfera gasosa. Uma lâmpada deste tipo é, então, constituída por um filamento de tungsténio enrolado em espiral, em forma de círculo (figura 3), de estribo, ou ondulado (figura 4).
Figura 3 . Lâmpada com filamento em forma de círculo
A vida útil de uma lâmpada deste tipo é de cerca de 1000 horas.
mento que, assim, dura muito mais ou, o que mais frequentemente se faz, para a mesma duração do filamento, possibilita o aumento da temperatura do filamento até cerca de 2700 ºC e, por isso, aumenta o rendimento da lâmpada. A desvantagem das lâmpadas de gás Kripton, relativamente às outras, é o acréscimo de preço que isso acarreta. No entanto, as vantagens apontadas anteriormente fazem com que elas sejam mais adequadas em determinadas situações, nomeadamente em determinados modelos de lâmpadas de incandescência.
5› CONCLUSÕES Ao longo dos anos as lâmpadas de incandescência têm sofrido uma evolução considerável, que permitiu aumentar sensivelmente o seu rendimento luminoso e o seu tempo de vida útil. A existência de dois tipos de casquilho permite a utilização destas lâmpadas, tanto em situações mecanicamente favoráveis, como em situações em que existem solicitações mecânicas difíceis do ponto de vista da continuidade do contacto eléctrico entre a lâmpada e a sua alimentação. A utilização de ampolas com enchimento gasoso, em que podem ser utilizados diferentes gases, permitiu a produção de lâmpadas com diferentes formas e dimensões, para a mesma potência, o que as torna adaptadas a variadíssimas situações de iluminação. Embora não sendo as fontes de luz mais eficazes, do ponto de vista energético, o seu baixo custo, associado à facilidade de instalação e de utilização fazem com que estas lâmpadas ainda sejam muito populares na iluminação de interiores, especialmente no que se refere à utilização doméstica.
Figura 4 . Lâmpada com filamento ondulado
No fim da década de trinta, do século passado, foi desenvolvida uma lâmpada de incandescência, com filamento de tungsténio, utilizando uma atmosfera de gás Kripton, que é mais denso do que o Árgon e que, por isso, representa ainda um maior obstáculo à desagregação do fila-
BIBLIOGRAFIA LUMINOTECNIA; José Ramírez Vásquez, Enciclopédia CEAC de Electricidad, Edições CEAC, Barcelona, Espanha LUMINOTECNIA FUNDAMENTAL; Rogério Cardoso, Dinalivro, Lisboa, Portugal