COMO FUNCIONA:
LA AMPOLLETA (Ley de Radiación de Planck)
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José Luis Giordano
Diciembre 2004 (Última revisión: Diciembre 1, 2005)








1-QUÉ ES

Una "ampolleta" o lámpara incandescente es un dispositivo eléctrico formado por un filamento metálico delgado, con forma de espiral, encerrado en una atmósfera inerte (sin oxígeno y con un gas como argón o neón), que cuando sus extremos se conectan a una apropiada fuente de voltaje, emite un determinado tipo de luz (radiación electromagnética).



2-PARA QUÉ SIRVE

Sirve para producir iluminación a partir de la energía eléctrica.


3-CÓMO FUNCIONA

Desde el punto de vista eléctrico, la ampolleta es simplemente un filamento conductor, cuya resistencia eléctrica R hace que una corriente eléctrica I genere calor por "disipación Joule", manteniendo su temperatura en un valor T, que determina el color de la luz emitida por radiación.

Para un mismo tipo de iluminación, hay distintas ampolletas para diferentes fuentes de voltaje. Por ejemplo, hay linternas de dos elementos (i.e., dos pilas), cuya ampolleta funciona con una caída de voltaje continuo ("DC") de V = 3 V, provisto por 2 pilas en serie. En muchos países, a las ampolletas de la iluminación domiciliaria se les aplica el voltaje alterno ("AC") de la red eléctrica. Por ejemplo, en Chile, Argentina y Europa continental, el voltaje eficaz o efectivo (root-mean-square, "RMS") de la red es 220 V a una frecuencia de 50 Hz. En este caso, el flujo luminoso procedente de las ampolletas, también es alterno pero de 100 Hz, debido a que el máximo se produce cada 10 ms, en cada semiciclo del voltaje.

La resistencia R del filamento de una ampolleta no verifica la Ley de Ohm, ya que la temperatura del delgado filamento de tungsteno es muy sensible al voltaje V aplicado. A mayor voltaje, la temperatura aumenta más incrementando la resistividad eléctrica del material, y haciendo que la corriente I no aumente proporcionalmente al voltaje, sino menos.

Por ejemplo, una ampolleta para V = 12V cuya potencia nominal es P = 3W, deja circular una corriente I = 3W / 12V = 0.25 A, cuando su resistencia es R = 12V / 0.25A = 48 ohm. Sin embargo, cuando está desconectada y a unos unos 25°C de temperatura ambiente, se puede medir que el filamento tiene una resistencia unas 9 veces menor: R = 5 ohm aproximadamente. Esto se debe a que cuando disipa 3W, el material alcanza una temperatura T = 1700°C, lo que aumenta considerablemente la resistividad del tungsteno, y por lo tanto la resistencia del filamento.

El tipo de emisión de luz (es decir, la combinación de colores con diferentes intensidades), está determinado por la Ley de Radiación de Planck, la que muestra que un material a una dada temperatura de equilibrio, tiene un espectro continuo de radiación, es decir, irradia energía electromagnética con un valor de intensidad que es función continua de la longitud de onda. Por lo tanto, cada temperatura tiene asociada una combinación de colores con la que vemos al cuerpo, independientemente del material que lo compone.

La temperatura de la superficie solar es aproximadamente 5200°C, lo que da una distribución de intensidad cuyo máximo corresponde al azul de 475 nm. Lo que vemos se debe a que el ojo humano evolucionó adaptándose al espectro solar.


4-DE QUÉ ESTÁ HECHO el filamento

Para producir la incandescencia adecuada que proporcione una iluminación del tipo de la solar, el filamento debe alcanzar temperaturas muy altas. En particular, ampolletas de 40 y 100 W operan con el filamento a 2400 y 2600 °C respectivamente. Esa es la razón de que en la mayoría de las ampolletas se utilicen filamentos de tungsteno (o wolframio), metal refractario que funde a 3410°C.

En Inglaterra, Sir Humphrey Davy inventó en 1801 la lámpara eléctrica de arco de carbón. Sin embargo, a alta temperatura, el elemento incandescente se oxida y destruye casi instantáneamente. En una ampolleta, el material incandescente no debe estar en contacto con el oxígeno del aire. En 1875 Henry Woodward de Toronto, junto con Matthew Evans tuvieron la idea de encerrarlo en un globo de vidrio, dentro del cual reemplazaron el aire por un gas inerte. Esta invención fue comprada por Thomas Alba Edison, quien en 1879 obtuvo una fuente de luz duradera, sin que el filamento de carbón se quemara. Más tarde, en 1915, Irving Langmuir inventó la ampolleta con filamento de tungsteno.




En relación al espectro de la luz del día, las ampolletas producen un tipo de luz denominada "luz blanca", que es una mezcla de colores, deficiente en violeta (400-450 nm) y en azul (450-500 nm), y cuyo máximo de intensidad está desplazado hacia el rojo (630-700 nm), como se ve en los esquemas.

En el caso de ampolletas especiales para fotografía y televisión, se obtiene una luz más blanca (con más intensidad de azul) trabajando a temperaturas cercanas a los 3000°C.

Finalmente, debe señalarse que las ampolletas halógenas son del mismo tipo (incandescentes), mientras que las ampolletas de neón y los tubos o lámparas fluorescentes funcionan mediante otros principios físicos y su espectro resulta discontinuo.


Son eficientes ? ...

Las lámparas incandescentes tienen bajísimo rendimiento, tanto en términos absolutos como en relación, por ejemplo, a los tubos fluorescentes. Una ampolleta de 100 W transforma solo un 3 % de la energía eléctrica en luz visible; el resto es luz no visible y calor.


REFERENCIAS

(1) Ver cualquier libro de Física General

(2) Encyclopædia Britannica Premium Service Lamp (4 páginas; Consultado en Noviembre 13, 2005)

(3) About.Com Inventors: Lightbulbs, Lighting and Lamps (Consultado en Noviembre 13, 2005)

(4) Giordano J L 1997 Physics Education 32 271-5



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