Lâmpada

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Antecedentes

Desde os primeiros períodos da história até o início do século 19, o fogo foi a principal fonte de luz do homem. Esta luz foi produzida por diferentes meios - tochas, velas , óleo e lâmpadas de gás. Além do perigo representado por uma chama aberta (especialmente quando usada em ambientes fechados), essas fontes de luz também forneciam iluminação insuficiente.

As primeiras tentativas de uso de luz elétrica foram feitas pelo químico inglês Sir Humphry Davy. Em 1802, Davy mostrou que as correntes elétricas podiam aquecer tiras finas de metal até o calor branco, produzindo luz. Este foi o início da luz elétrica incandescente (definida como brilhar com calor intenso). O próximo grande desenvolvimento foi a luz de arco. Eram basicamente dois eletrodos, geralmente feitos de carbono, separados um do outro por um curto espaço de ar. A corrente elétrica aplicada a um dos eletrodos fluiu para e através do outro eletrodo, resultando em um arco de luz através do espaço aéreo. Lâmpadas de arco (ou lâmpadas) eram usadas principalmente na iluminação externa; a corrida ainda estava acontecendo entre um grande grupo de cientistas para descobrir uma fonte útil de iluminação interna.

A principal dificuldade para impedir o desenvolvimento de uma luz incandescente comercialmente viável foi encontrar elementos brilhantes adequados. Davy descobriu que a platina era o único metal capaz de produzir calor branco por um longo período de tempo. Carbono também foi usado, mas oxidou rapidamente no ar. A resposta foi desenvolver um vácuo que mantivesse o ar longe dos elementos, preservando assim os materiais produtores de luz.

Thomas A. Edison, um jovem inventor que trabalhava em Menlo Park, New Jersey, começou a trabalhar em sua própria forma de luz elétrica na década de 1870. Em 1877, Edison envolveu-se na corrida por uma fonte de luz elétrica satisfatória, dedicando seu envolvimento inicial para confirmar as razões das falhas de seus concorrentes. Ele, entretanto, determinou que a platina era um queimador muito melhor do que o carbono. Trabalhando com platina, Edison obteve sua primeira patente em abril de 1879 para uma lâmpada relativamente pouco prática, mas continuou procurando um elemento que pudesse ser aquecido de maneira eficiente e econômica.

Edison também consertou os outros componentes do sistema de iluminação, incluindo a construção de sua própria fonte de energia e a concepção de um sistema de fiação inovador que poderia lidar com várias lâmpadas acesas ao mesmo tempo. Sua descoberta mais importante, entretanto, foi a invenção de um filamento adequado. Era um fio muito fino, semelhante a um fio, que oferecia alta resistência à passagem de correntes elétricas. A maioria dos primeiros filamentos queimaram muito rapidamente, tornando essas lâmpadas comercialmente inúteis. Para resolver esse problema, Edison começou novamente a experimentar o carbono como meio de iluminação.

Ele finalmente escolheu o fio de algodão carbonizado como seu material de filamento. O filamento foi preso a fios de platina que transportariam corrente de e para o filamento. Este conjunto foi então colocado em um bulbo de vidro que foi fundido no gargalo (denominado sealing-in). Uma bomba de vácuo removeu o ar do bulbo, uma etapa lenta, mas crucial. Fios de chumbo que seriam conectados à corrente elétrica projetavam-se do bulbo de vidro.

Em 19 de outubro de 1879, Edison fez seu primeiro teste com essa nova lâmpada. Funcionou por dois dias e 40 horas (21 de outubro - o dia em que o filamento finalmente se queimou - é a data usual fornecida para a invenção da primeira lâmpada comercialmente prática). Claro, esta lâmpada original passou por uma série de revisões. As fábricas foram instaladas para produzir lâmpadas em massa e grandes avanços foram feitos em sistemas de fiação e corrente elétrica. No entanto, as lâmpadas incandescentes de hoje se parecem muito com as lâmpadas originais de Edison. As principais diferenças são o uso de filamentos de tungstênio, vários gases para maior eficiência e aumento da luminosidade resultante de filamentos aquecidos a temperaturas mais altas.

Embora a lâmpada incandescente tenha sido o primeiro e certamente o menos caro tipo de lâmpada, há uma série de outras lâmpadas que servem para uma infinidade de usos:

• lâmpadas halógenas de tungstênio
• Lâmpadas fluorescentes são tubos de vidro que contêm vapor de mercúrio e gás argônio. Quando a eletricidade flui pelo tubo, faz com que o mercúrio vaporizado emita energia ultravioleta. Essa energia atinge os fósforos que revestem o interior da lâmpada, emitindo luz visível.
• As lâmpadas de vapor de mercúrio têm duas lâmpadas - o tubo de arco (feito de quartzo) está dentro de uma lâmpada de vidro de proteção. O tubo de arco contém vapor de mercúrio a uma pressão mais alta do que a da lâmpada fluorescente, permitindo assim que a lâmpada de vapor produza luz sem usar o revestimento de fósforo.
• Lâmpadas de néon são tubos de vidro, cheios de gás néon, que brilham quando uma descarga elétrica ocorre neles. A cor da luz é determinada pela mistura de gases; o gás neon puro emite luz vermelha.
• Lâmpadas de iodetos metálicos, usadas principalmente ao ar livre para estádios e estradas, contêm compostos químicos de metal e halogênio. Este tipo de lâmpada funciona da mesma maneira que as lâmpadas de vapor de mercúrio, exceto que o haleto de metal pode produzir um equilíbrio de cores mais natural quando usado sem fósforo.
• As lâmpadas de sódio de alta pressão também são semelhantes às lâmpadas de vapor de mercúrio; entretanto, o tubo do arco é feito de óxido de alumínio em vez de quartzo e contém uma mistura sólida de sódio e mercúrio.

Thomas A. Edison (centro, com tampa) com trabalhadores em seu laboratório em Menlo Park, Novo Jersey. A foto foi tirada em 1880.

Mais de vinte inventores, que datam da década de 1830, já haviam produzido lâmpadas elétricas incandescentes na época em que Thomas Edison entrou na pesquisa. A década de 1870 foi a década crucial, quando as tecnologias de produção e as forças da demanda se combinaram para tornar a busca por uma luz elétrica comercialmente viável a corrida de alta tecnologia e alto risco da época. Edison havia estabelecido seu laboratório de pesquisa na zona rural de Menlo Park, Nova Jersey, a meio caminho entre a cidade de Nova York e a Filadélfia. O prédio do laboratório e vários anexos foram construídos em 1876 com os lucros que Edison havia obtido com suas invenções telegráficas. Ele inicialmente pretendia aceitar projetos de qualquer investidor que desejasse sua ajuda e continuar trabalhando em suas próprias idéias em sistemas de telégrafo e telefone. Ele disse acreditar que o laboratório poderia produzir uma nova invenção a cada dez dias e um grande avanço a cada seis meses.

Em 1877, Edison decidiu entrar na corrida altamente divulgada por uma lâmpada de sucesso e ampliou suas instalações de laboratório com uma oficina mecânica e um escritório e biblioteca de pesquisa. A equipe cresceu de 12 para mais de 60, enquanto Edison cuidava de todo o sistema de iluminação, do gerador ao isolador e à lâmpada incandescente. Ao longo do caminho, Edison criou um novo processo de invenção, orquestrando uma abordagem de equipe que reuniu financiamento, materiais, ferramentas e trabalhadores qualificados em uma "fábrica de invenções". Assim, a busca pela lâmpada ilustrou novas formas de pesquisa e desenvolvimento que foram posteriormente desenvolvidas pela General Electric, Westinghouse e outras empresas.

William S. Pretzer

Matérias-primas

Esta seção, bem como a seguinte (O Processo de Fabricação), enfocará as lâmpadas incandescentes. Como mencionado anteriormente, muitos materiais diferentes foram usados ​​para o filamento até que o tungstênio se tornou o metal preferido durante o início do século XX. Embora extremamente frágil, Um dos principais componentes de uma lâmpada, o filamento, é preparado pela mistura de tungstênio e aglutinante e, em seguida, desenho a mistura em um fio fino em torno de um mandril de aço. Depois de aquecer o fio e depois dissolver o mandril com ácido, o filamento assume sua forma enrolada adequada. os filamentos de tungstênio podem suportar temperaturas de até 4.500 graus Fahrenheit (2.480 graus Celsius) e acima. O desenvolvimento dos filamentos de tungstênio é considerado o maior avanço na tecnologia de lâmpadas porque esses filamentos poderiam ser produzidos de forma barata e durar mais do que qualquer um dos materiais anteriores.

Os fios de conexão ou de entrada são normalmente feitos de fio de níquel-ferro (chamado de dumet porque usa dois metais). Este fio é mergulhado em uma solução de bórax para torná-lo mais aderente ao vidro. O próprio bulbo é feito de vidro e contém uma mistura de gases, geralmente argônio e nitrogênio, que aumentam a vida útil do filamento. O ar é bombeado para fora do bulbo e substituído pelos gases. Uma base padronizada mantém toda a montagem no lugar. A base, conhecida como "base de parafuso Edison", era originalmente feita de latão e isolada com gesso e, posteriormente, porcelana. Hoje, o alumínio é usado na parte externa e o vidro é usado para isolar a parte interna da base, produzindo uma base mais resistente.

O processo de fabricação

O uso de lâmpadas varia de luzes de rua a automóveis faróis em lanternas. Para cada uso, a lâmpada individual difere em tamanho e potência, que determinam a quantidade de luz que a lâmpada emite (lumens). No entanto, todas as lâmpadas incandescentes têm as três partes básicas - o filamento, a lâmpada e a base. Originalmente produzida à mão, a fabricação de lâmpadas agora é quase totalmente automatizada.

Filamento

• 1 O filamento é fabricado por meio de um processo conhecido como desenho, em que o tungstênio é misturado com um material aglutinante e puxado por uma matriz - um orifício moldado - em um fio fino. Em seguida, o fio é enrolado em torno de uma barra de metal chamada mandril a fim de moldá-lo em sua forma enrolada adequada, e então é aquecido em um processo conhecido como recozimento. Este processo amolece o fio e uniformiza sua estrutura. O mandril é então dissolvido em ácido.
• 2 O filamento em espiral é conectado aos fios de entrada. Os fios de entrada têm ganchos em suas extremidades que são pressionados sobre a extremidade do filamento ou, em lâmpadas maiores, soldados por pontos.

Bulbo de vidro

• 3 Os bulbos ou invólucros de vidro são produzidos em uma máquina de fitas. Depois de aquecer em Praticamente todo o processo de fabricação de lâmpadas é automatizado. As lâmpadas de vidro são sopradas por uma máquina de fitas que pode produzir mais de 50.000 lâmpadas por hora. Depois que o conjunto de filamento e haste são inseridos no bulbo, o ar dentro do bulbo é evacuado e uma mistura de argônio / nitrogênio é bombeada. Finalmente, a base é selada. uma fornalha, uma fita contínua de vidro se move ao longo de uma correia transportadora. Bicos de ar precisamente alinhados sopram o vidro através dos orifícios da correia transportadora para dentro dos moldes, criando os invólucros. Uma máquina de fitas em alta velocidade pode produzir mais de 50.000 lâmpadas por hora. Depois que os invólucros são soprados, eles são resfriados e, em seguida, cortados da máquina de fitas. Em seguida, o interior da lâmpada é revestido com sílica para remover o brilho causado por um filamento brilhante descoberto. O emblema da empresa e a potência da lâmpada são então estampados na parte superior externa de cada caixa.

Base

• 4 A base do bulbo também é construída com moldes. É feito com recortes em forma de parafuso para que se encaixe facilmente no encaixe de uma luminária.

Montagem

• 5 Uma vez que o filamento, a base e o bulbo são feitos, eles são encaixados por máquinas. Primeiro, o filamento é montado no conjunto da haste, com suas extremidades presas aos dois fios de entrada. Em seguida, o ar dentro do bulbo é evacuado e o invólucro é preenchido com uma mistura de argônio e nitrogênio. Esses gases garantem uma vida mais longa ao filamento. O tungstênio eventualmente irá evaporar e quebrar. À medida que evapora, deixa um depósito escuro no bulbo conhecido como escurecimento da parede do bulbo.
• 6 Finalmente, a base e a lâmpada são seladas. A base desliza para a extremidade do bulbo de vidro de forma que nenhum outro material seja necessário para mantê-los juntos. Em vez disso, suas formas conformadas permitem que as duas peças sejam mantidas juntas confortavelmente, com os fios de entrada tocando a base de alumínio para garantir o contato elétrico adequado. Após os testes, as lâmpadas são colocadas em suas embalagens e enviadas aos consumidores.

Controle de qualidade

As lâmpadas são testadas quanto à durabilidade e resistência da lâmpada. Para fornecer resultados rápidos, lâmpadas selecionadas são aparafusadas em prateleiras de teste de vida e acesas em níveis que excedem em muito sua força de combustão normal. Isso fornece uma leitura precisa de quanto tempo a lâmpada durará em condições normais. O teste é realizado em todas as fábricas, bem como em algumas instalações de teste independentes. A vida média da maioria das lâmpadas domésticas é de 750 a 1000 horas, dependendo da potência.

O Futuro

O futuro da lâmpada incandescente é incerto. Embora aquecer um filamento até que ele brilhe certamente é uma maneira satisfatória de produzir luz, é extremamente ineficiente:cerca de 95% da eletricidade fornecida a uma lâmpada comum é convertida em calor, não em luz. Em um mundo com recursos cada vez menores, onde a conservação de energia é cada vez mais vital, essa ineficiência pode eventualmente tornar a lâmpada incandescente impraticável.

Existem outras fontes de luz já em uso que podem suplantar a lâmpada incandescente. Os tubos fluorescentes, por exemplo, já dominam o mercado industrial e, sem dúvida, terão cada vez mais uso como fonte de luz doméstica. As lâmpadas fluorescentes usam pelo menos 75% menos energia do que as lâmpadas incandescentes e podem durar vinte vezes mais. O recente desenvolvimento de lâmpadas fluorescentes "compactas", que ao contrário do tubo fluorescente padrão pode ser rosqueado em uma lâmpada doméstica típica, pode expandir o mercado doméstico de iluminação fluorescente.

Outro desenvolvimento recente é a "lâmpada de ondas de rádio", uma lâmpada que cria luz ao transmitir energia de um gerador de ondas de rádio para uma nuvem de mercúrio, que por sua vez produz luz ultravioleta. Um revestimento de fósforo na lâmpada converte a luz ultravioleta em luz visível. Essas lâmpadas consomem apenas 25% da energia das lâmpadas incandescentes e podem durar uma década ou mais. Eles também são totalmente intercambiáveis ​​com as lâmpadas incandescentes.