Como funcionam as lâmpadas

Introdução
Antes da invenção da lâmpada elétrica, a iluminação era uma tarefa complicada. Para iluminar bem os ambientes, eram necessárias muitas velas ou tochas. Lampiões a óleo também iluminavam o suficiente, mas soltavam um resíduo que cobria de fuligem tudo o que estava por perto.






Quando as descobertas sobre eletricidade começaram a surgir, no meio do século XIX, inventores de todas as partes lutavam para criar um tipo de luz elétrica que fosse prática e de preço acessível. O inglês Sir Joseph Swan, em 1878, e o americano Thomas Edison, em 1879, seguiram a mesma linha. Em 25 anos, milhões de pessoas no mundo tiveram luz elétrica instalada em suas casas.

O mais incrível nessa história é que a tecnologia da lâmpada elétrica não poderia ser mais simples. A lâmpada moderna não mudou muito desde o modelo de Edison. Neste artigo, discutiremos como as pequenas partes desta invenção se juntaram para produzir horas de luz.

Fundamentos da luz








A luz é uma forma de energia que pode ser liberada por um átomo. Ela é feita de várias partículas pequenas, como se fossem pacotes, que têm energia e força mas não têm massa. Estas partículas, chamadas fótons, são as unidades fundamentais da luz (para mais informação, veja Como funciona a luz).
Os átomos liberam os fótons quando os seus elétrons são excitados. Se você leu Como funcionam os átomos, sabe que os elétrons são partículas de carga negativa que movem-se ao redor do núcleo do átomo, que possui carga positiva. Um elétron do átomo tem níveis diferentes de energia, dependendo de uma série de fatores, incluindo a sua velocidade e distância do núcleo. Elétrons de diferentes níveis ocupam orbitais diferentes. Geralmente, elétrons com maior nível de energia movem-se em orbitais mais afastadas do núcleo. Quando um átomo ganha ou perde energia, a mudança se reflete no movimento dos elétrons. Quando alguma coisa passa energia para o átomo, um elétron será temporariamente impulsionado para um orbital mais alto, ou seja, mais afastatado do núcleo. O elétron só mantém esta posição por uma pequena fração de segundo e, quase que imediatamente, é atraído de volta ao núcleo, para sua posição orginal. Assim que o elétron retorna ao seu orbital de origem, libera a energia extra na forma de um fóton (em alguns casos, um fóton luminoso).






O comprimento de onda da luz emitida, que vai definir a sua cor, depende de quanta energia é liberada, que depende da posição do elétron. Conseqüentemente, diferentes tipos de átomos vão liberar diferentes tipos de fótons. Em outras palavras, a cor da luz é determinada pelo tipo de átomo que é excitado.

Este é o mecanismo básico em quase todas as fontes de luz. A principal diferença entre as fontes é o processo de excitação dos átomos.

As lâmpadas elétricas têm uma estrutura muito simples. Na base, existem dois contatos de metal, que são ligados a dois fios rígidos, que são conectados ao filamento de metal fino. O filamento fica no meio da lâmpada, protegido por uma cápsula de vidro. Os fios e o filamento estão dentro da lâmpada de vidro, que é cheia de gás inerte, como o argônio.






Quando a lâmpada é ligada a um sistema de energia, uma corrente elétrica flui de um contato para o outro, passando pelos fios e pelo filamento. A corrente elétrica em um condutor sólido é o fluxo de elétrons livres (elétrons que não estão fortemente presos a um átomo) de uma área carregada negativa para uma área carregada positivamente.

Como os elétrons movem-se rapidamente através do filamento, eles estão constantemente batendo nos átomos que compõem o filamento. A energia de cada impacto faz um átomo vibrar, ou seja, a corrente aquece o átomo. Um condutor fino aquece mais facilmente do que um grosso, pois é mais resistente ao fluxo dos elétrons.

Os elétrons associados aos átomos que vibram podem ser impulsionados temporariamente para um nível mais alto de energia. Quando eles voltam ao seu nível normal, os elétrons liberam energia extra na forma de fótons. Geralmente, os átomos de metais liberam fótons de luz infravermelha, que é invisível ao olho humano. Porém, se os átomos forem aquecidos a aproximadamente 2.200º C (4.400º F) como por exemplo no caso da lâmpada elétrica, emitirão uma quantidade considerável de luz visível.

O filamento da lâmpada é feito de um longo e fino fio de tungstênio. Em uma lâmpada comum de 60 watts, o tungstênio mede quase 2 metros (6,5 pés) de comprimento e somente um centésimo de polegada de diâmetro. O tungstênio é colocado em uma bobina dupla, para que caiba em um espaço pequeno. Isto é, o filamento é enrolado para fazer uma bobina que depois é recoberta por uma bobina maior. Na lâmpada de 60 watts, a bobina tem menos de uma polegada de comprimento.

O tungstênio é usado em praticamente todas as lâmpadas incandescentes, pois é um material ideal para filamento. Na próxima seção, examinaremos a função da cápsula de vidro e do gás inerte.

Os materiais certos
O metal deve ser aquecido a temperaturas extremamente altas para que emita uma quantidade útil de luz visível. A maioria dos metais derreteria antes de atingir altas temperaturas, pois a vibração separa a estrutura rígida que liga os átomos entre si e o material torna-se líquido. As lâmpadas são fabricadas com filamentos de tungstênio porque ele tem uma diferenciada alta temperatura de fusão.


Níveis de iluminação
As lâmpadas elétricas são classificadas pela potência, que é a quantidade de energia que ela consome em um certo período de tempo, medido em watts. Lâmpadas com potência maior têm um filamento maior e produzem mais luz.
Uma lâmpada de três vias (em inglês) possui dois filamentos de potências diferentes, geralmente um filamento de 50 watts e um de 100 watts. Eles são ligados em circuitos separados, que podem ser energizados inicialmente com o uso de um soquete especial de três vias.

O interruptor do soquete de três vias permite que você escolha entre três diferentes níveis de iluminação. No nível mais baixo, o interruptor energiza somente o circuito do filamento de 50 watts. Para o nível médio, o interruptor energiza o circuito do filamento a 100 watts e para o nível mais brilhante, ele energiza os dois filamentos e então a lâmpada opera em 150 watts.

Porém, o tungstênio pode pegar fogo em altas temperaturas se as condições permitirem. A combustão é causada pela reação entre dois elementos químicos e começa quando um dos elementos chega a sua temperatura de ignição. Na Terra, a combustão é geralmente resultado de uma reação entre o oxigênio da atmosfera e algum material aquecido. Entretanto, outras combinações de materiais químicos também podem causar combustão.

O filamento de uma lâmpada é colocado em uma câmara livre de oxigênio para evitar a combustão. Nas primeiras lâmpadas elétricas, todo o ar era sugado para fora para criar um quase vácuo - uma área sem matéria. Como não havia nenhum gás, ou quase nenhum, não poderia haver combustão.

O problema desta abordagem era a evaporação dos átomos de tungstênio. Em temperaturas tão altas, os átomos de tungstênio vibram o bastante para se liberarem dos outros átomos e ficarem livres pelo ar. Em uma lâmpada a vácuo, os átomos livres de tungstênio são atirados em linha reta e ficam no vidro no interior da lâmpada. À medida que eles evaporam, o filamento começa a se desintegrar e o vidro vai ficando escuro. Isso reduz consideravelmente a vida útil da lâmpada.

Em uma lâmpada moderna, os gases inertes, geralmente argônio, reduzem muito essa perda do tungstênio. Quando um átomo de tungstênio evapora, as chances de colidir com um átomo de argônio são grandes, fazendo com que ele volte para o filamento, onde se juntará novamente à estrutura sólida. Como os gases inertes normalmente não reagem com outros elementos, não há chance de que esses elementos se combinem em uma reação de combustão.

De baixo custo, com bom resultado e fácil de usar, as lâmpadas se tornaram um grande sucesso e ainda são o método mais popular de iluminação de interiores. Apesar disso, a lâmpada, eventualmente, passará por avanços tecnológicos, visto que elas não são muito eficientes.

Lâmpadas incandescentes liberam a maior parte de sua energia sob a forma de fótons de luz infravermelha carregados de calor. Apenas cerca de 10% da luz produzida alcança o espectro visível. Isso desperdiça muita eletricidade. Fontes de luz fria, como lâmpadas fluorescentes e LEDs, não gastam tanta energia gerando calor e liberam muito mais luz visível. Por esta razão, elas estão lentamente substituindo a antiga e confiável lâmpada incandescente.