Luz eléctrica
Dispositivo para producir luz a partir de electricidad.

Luz eléctrica
Lámparas incandescentes y fluorescentes compactas
TipoDepende del tipo de luz
Principio de funcionamientoLuminiscencia por electricidad
Inventado1809 ; hace 215 años por Humphry Davy ( lámpara de arco ) ( 1809 )
Primera producción 1879 ; hace 145 años por Joseph Swan y Thomas Edison (primera demostración de la bombilla incandescente) ( 1879 )
Configuración de pines Ánodo y cátodo
Símbolo electrónico

Una luz eléctrica , lámpara o bombilla es un componente eléctrico que produce luz . Es la forma más común de iluminación artificial . Las lámparas suelen tener una base hecha de cerámica , metal, vidrio o plástico que fija la lámpara en el casquillo de una luminaria , que a menudo también se denomina "lámpara". La conexión eléctrica al casquillo puede realizarse con una base roscada, dos clavijas metálicas, dos tapas metálicas o un montaje de bayoneta .

Las tres categorías principales de luces eléctricas son las lámparas incandescentes, que producen luz mediante un filamento calentado al rojo vivo por una corriente eléctrica , las lámparas de descarga de gas , que producen luz por medio de un arco eléctrico a través de un gas, como las lámparas fluorescentes , y las lámparas LED , que producen luz mediante un flujo de electrones a través de una banda prohibida en un semiconductor .

La eficiencia energética de la iluminación eléctrica ha aumentado radicalmente desde la primera demostración de las lámparas de arco y la bombilla incandescente del siglo XIX. Las fuentes de luz eléctrica modernas vienen en una profusión de tipos y tamaños adaptados a muchas aplicaciones. La mayoría de la iluminación eléctrica moderna se alimenta con energía eléctrica generada centralmente, pero la iluminación también puede ser alimentada por generadores eléctricos móviles o de reserva o sistemas de baterías. La luz alimentada por baterías a menudo se reserva para cuando y donde fallan las luces estacionarias, a menudo en forma de linternas o faroles eléctricos , así como en vehículos.

Historia

Antes de que la iluminación eléctrica se volviera común a principios del siglo XX, la gente usaba velas , luces de gas , lámparas de aceite y fuegos . [1] En 1799-1800, Alessandro Volta creó la pila voltaica , la primera batería eléctrica. La corriente de estas baterías podía calentar el cable de cobre hasta la incandescencia. Vasily Vladimirovich Petrov desarrolló el primer arco eléctrico persistente en 1802, y el químico inglés Humphry Davy dio una demostración práctica de una luz de arco en 1806. [2] Se necesitó más de un siglo de mejora continua e incremental, incluidos numerosos diseños, patentes y las consiguientes disputas de propiedad intelectual, para llegar desde estos primeros experimentos a las bombillas incandescentes producidas comercialmente en la década de 1920. [3] [4]

En 1840, Warren de la Rue encerró una bobina de platino en un tubo de vacío y pasó una corriente eléctrica a través de ella, creando así una de las primeras bombillas eléctricas del mundo . [5] [6] [7] El diseño se basó en el concepto de que el alto punto de fusión del platino le permitiría funcionar a altas temperaturas y que la cámara de vacío contendría menos moléculas de gas para reaccionar con el platino, mejorando su longevidad. Aunque era un diseño eficiente, el coste del platino lo hacía poco práctico para el uso comercial. [8]

William Greener , un inventor inglés, hizo contribuciones significativas a la iluminación eléctrica temprana con su lámpara en 1846 (especificación de patente 11076), sentando las bases para futuras innovaciones como las de Thomas Edison.

Los últimos años de la década de 1870 y 1880 estuvieron marcados por una intensa competencia e innovación, con inventores como Joseph Swan en el Reino Unido y Thomas Edison en los EE. UU. desarrollando de forma independiente lámparas incandescentes funcionales. Las bombillas de Swan, basadas en diseños de William Staite, tuvieron éxito, pero los filamentos eran demasiado gruesos. Edison trabajó para crear bombillas con filamentos más delgados, lo que dio lugar a un mejor diseño. [9] La rivalidad entre Swan y Edison finalmente condujo a una fusión, formando la Edison and Swan Electric Light Company . A principios del siglo XX, estas habían reemplazado por completo a las lámparas de arco . [10] [1]

A finales de siglo se produjeron más mejoras en la longevidad y la eficiencia de las bombillas, en particular con la introducción del filamento de tungsteno por parte de William D. Coolidge , que solicitó una patente en 1912. [11] Esta innovación se convirtió en un estándar para las bombillas incandescentes durante muchos años.

En 1910, Georges Claude introdujo la primera luz de neón, allanando el camino para los letreros de neón que se volverían omnipresentes en la publicidad. [12] [13] [14]

En 1934, Arthur Compton , un físico de renombre y consultor de GE, informó al departamento de lámparas de GE sobre los experimentos exitosos con iluminación fluorescente en General Electric Co., Ltd. en Gran Bretaña (sin relación con General Electric en los Estados Unidos). Estimulado por este informe, y con todos los elementos clave disponibles, un equipo dirigido por George E. Inman construyó un prototipo de lámpara fluorescente en 1934 en el laboratorio de ingeniería de General Electric en Nela Park (Ohio). No fue un ejercicio trivial; como señaló Arthur A. Bright, "Se tuvo que realizar una gran cantidad de experimentos sobre tamaños y formas de lámparas, construcción de cátodos, presiones de gas tanto de argón como de vapor de mercurio, colores de polvos fluorescentes, métodos para unirlos al interior del tubo y otros detalles de la lámpara y sus auxiliares antes de que el nuevo dispositivo estuviera listo para el público". [15]

El primer LED práctico llegó en 1962. [16]

Transición de EE.UU. a las bombillas LED

En Estados Unidos , las bombillas incandescentes, incluidas las bombillas halógenas, dejaron de venderse a partir del 1 de agosto de 2023, [ necesita actualización ] porque no cumplen con las métricas mínimas de rendimiento de lúmenes por vatio establecidas por el Departamento de Energía de EE. UU . [17] [ necesita actualización ] Las bombillas fluorescentes compactas también están prohibidas a pesar de su rendimiento de lúmenes por vatio, debido al mercurio tóxico que se puede liberar en el hogar si se rompe y a los problemas generalizados con la eliminación adecuada de las bombillas que contienen mercurio.

Tipos

Incandescente

Cartel con instrucciones sobre el uso de bombillas
Una placa en la Iglesia de San Juan Bautista, Hagley, conmemora la instalación de la luz eléctrica en 1934.

En su forma moderna, la bombilla incandescente consiste en un filamento de tungsteno enrollado y sellado en una cámara de vidrio globular, ya sea al vacío o llena de un gas inerte como el argón . Cuando se aplica una corriente eléctrica, el tungsteno se calienta a una temperatura de entre 2000 y 3300 K (1730 y 3030 °C; 3140 y 5480 °F) y brilla, emitiendo una luz que se aproxima a un espectro continuo .

Las bombillas incandescentes son muy ineficientes, ya que solo entre el 2 y el 5 % de la energía consumida se emite como luz visible y utilizable . El 95 % restante se pierde en forma de calor . [18] En climas más cálidos, el calor emitido debe eliminarse, lo que ejerce una presión adicional sobre los sistemas de ventilación o aire acondicionado . [19] En climas más fríos, el calor resultante tiene cierto valor y se ha aprovechado con éxito para calentar en dispositivos como las lámparas de calor . No obstante, en muchos países se están eliminando gradualmente las bombillas incandescentes en favor de tecnologías como las bombillas fluorescentes compactas y las bombillas LED debido a su baja eficiencia energética. La Comisión Europea estimó en 2012 que una prohibición total de las bombillas incandescentes aportaría entre 5 y 10 mil millones de euros a la economía y ahorraría 15 mil millones de toneladas métricas de emisiones de dióxido de carbono . [20]

Halógeno

Las lámparas halógenas suelen ser mucho más pequeñas que las lámparas incandescentes estándar, porque para un funcionamiento correcto se necesita una temperatura de la bombilla superior a 200 °C. Por este motivo, la mayoría tienen una bombilla de sílice fundida (cuarzo) o de vidrio de aluminosilicato. Este suele estar sellado dentro de una capa adicional de vidrio. El vidrio exterior es una medida de seguridad, para reducir la emisión de rayos ultravioleta y contener los fragmentos de vidrio calientes en caso de que la envoltura interior explote durante el funcionamiento. [21] Los residuos aceitosos de las huellas dactilares pueden hacer que una envoltura de cuarzo caliente se rompa debido a la acumulación excesiva de calor en el lugar de contaminación. [22] El riesgo de quemaduras o incendio también es mayor con las bombillas desnudas, lo que lleva a su prohibición en algunos lugares, a menos que estén encerradas por la luminaria.

Las diseñadas para funcionar a 12 o 24 voltios tienen filamentos compactos, útiles para un buen control óptico. Además, tienen mayor eficacia (lúmenes por vatio) y mayor vida útil que las bombillas no halógenas. La salida de luz se mantiene casi constante durante toda su vida útil.

Fluorescente

Arriba, dos lámparas fluorescentes compactas. Abajo, dos lámparas fluorescentes. A la izquierda, se muestra una cerilla para dar una idea de la escala.

Las lámparas fluorescentes consisten en un tubo de vidrio que contiene vapor de mercurio o argón a baja presión. La electricidad que fluye a través del tubo hace que los gases emitan energía ultravioleta. El interior de los tubos está recubierto de fósforos que emiten luz visible cuando son alcanzados por fotones ultravioleta . [23] Tienen una eficiencia mucho mayor que las lámparas incandescentes. Para la misma cantidad de luz generada, normalmente utilizan alrededor de un cuarto a un tercio de la potencia de una incandescente. La eficacia luminosa típica de los sistemas de iluminación fluorescente es de 50 a 100 lúmenes por vatio, varias veces la eficacia de las bombillas incandescentes con una salida de luz comparable. Las luminarias de lámparas fluorescentes son más costosas que las lámparas incandescentes, porque requieren un balasto para regular la corriente a través de la lámpara, pero el menor costo de energía normalmente compensa el mayor costo inicial. Las lámparas fluorescentes compactas están disponibles en los mismos tamaños populares que las lámparas incandescentes y se utilizan como una alternativa de ahorro de energía en los hogares. Debido a que contienen mercurio, muchas lámparas fluorescentes se clasifican como residuos peligrosos . La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos recomienda que las lámparas fluorescentes se separen de los residuos generales para su reciclaje o eliminación segura, y algunas jurisdicciones exigen su reciclaje. [24]

CONDUJO

Lámpara LED con casquillo de rosca Edison E27

El diodo emisor de luz (LED) de estado sólido ha sido popular como luz indicadora en la electrónica de consumo y los equipos de audio profesionales desde la década de 1970. En la década de 2000, la eficacia y el rendimiento han aumentado hasta el punto en que los LED ahora se utilizan en aplicaciones de iluminación como faros de automóviles [25] y luces de freno, [25] en linternas [26] y luces de bicicleta, [27] así como en aplicaciones decorativas, como iluminación navideña. [28] Los LED indicadores son conocidos por su vida útil extremadamente larga, hasta 100.000 horas, pero los LED de iluminación se operan de forma mucho menos conservadora y, en consecuencia, tienen vidas más cortas. La tecnología LED es útil para los diseñadores de iluminación, debido a su bajo consumo de energía, baja generación de calor, control de encendido/apagado instantáneo y, en el caso de los LED de un solo color, continuidad del color durante la vida útil del diodo y un costo de fabricación relativamente bajo. [28] La vida útil del LED depende en gran medida de la temperatura del diodo. [29] El funcionamiento de una lámpara LED en condiciones que aumentan la temperatura interna puede acortar considerablemente la vida útil de la lámpara. Se han adaptado algunos láseres como alternativa a los LED para proporcionar una iluminación muy enfocada. [30] [31]

Arco de carbono

La lámpara de arco corto de xenón de 15 kW utilizada en el sistema de proyección IMAX .
Una lámpara de arco de mercurio de un microscopio de fluorescencia .

Las lámparas de arco de carbono constan de dos electrodos de varilla de carbono al aire libre, alimentados por un balasto limitador de corriente . El arco eléctrico se inicia tocando las puntas de las varillas y luego separándolas. El arco resultante produce un plasma al rojo vivo entre las puntas de las varillas. Estas lámparas tienen una mayor eficacia que las lámparas de filamento, pero las varillas de carbono tienen una vida útil corta y requieren un ajuste constante en uso, ya que el calor intenso del arco las erosiona. [32] Las lámparas producen una salida ultravioleta significativa , requieren ventilación cuando se usan en interiores y, debido a su intensidad, necesitan protección de la vista directa.

Inventado por Humphry Davy alrededor de 1805, el arco de carbón fue la primera luz eléctrica práctica. [33] [34] Se utilizó comercialmente a partir de la década de 1870 para el alumbrado de grandes edificios y calles hasta que fue reemplazado a principios del siglo XX por la luz incandescente. [33] Las lámparas de arco de carbón funcionan a alta potencia y producen una luz blanca de alta intensidad. También son una fuente puntual de luz. Se siguieron utilizando en aplicaciones limitadas que requerían estas propiedades, como proyectores de películas , iluminación de escenarios y reflectores , hasta después de la Segunda Guerra Mundial. [32]

Descargar

Una lámpara de descarga tiene una envoltura de vidrio o sílice que contiene dos electrodos metálicos separados por un gas. Los gases utilizados incluyen neón , argón , xenón , sodio , haluros metálicos y mercurio . El principio de funcionamiento básico es muy similar al de la lámpara de arco de carbón, pero el término "lámpara de arco" normalmente se refiere a las lámparas de arco de carbón, mientras que los tipos más modernos de lámparas de descarga de gas normalmente se denominan lámparas de descarga. Con algunas lámparas de descarga, se utiliza un voltaje muy alto para generar el arco. Esto requiere un circuito eléctrico llamado encendedor, que es parte del circuito del balasto eléctrico . Después de generar el arco, la resistencia interna de la lámpara cae a un nivel bajo y el balasto limita la corriente a la corriente de funcionamiento. Sin un balasto, fluiría un exceso de corriente, lo que causaría una rápida destrucción de la lámpara.

Algunos tipos de lámparas contienen una pequeña cantidad de neón, lo que permite encenderlas con un voltaje de funcionamiento normal sin circuitos de encendido externos. Las lámparas de sodio de baja presión funcionan de esta manera. Los balastos más simples son solo un inductor y se eligen cuando el costo es el factor decisivo, como en el alumbrado público. Los balastos electrónicos más avanzados pueden estar diseñados para mantener una salida de luz constante durante la vida útil de la lámpara, pueden accionar la lámpara con una onda cuadrada para mantener una salida completamente libre de parpadeos y apagarse en caso de ciertas fallas.

La fuente de luz eléctrica más eficiente es la lámpara de sodio de baja presión. Produce, a todos los efectos prácticos, una luz monocromática de color naranja amarillento, que da una percepción igualmente monocromática de cualquier escena iluminada. Por este motivo, generalmente se reserva para aplicaciones de alumbrado público exterior. Los astrónomos prefieren las lámparas de sodio de baja presión para el alumbrado público, ya que la contaminación lumínica que generan se puede filtrar fácilmente, a diferencia de los espectros de banda ancha o continuos.

Características

Factor de forma

Muchas unidades de lámparas, o bombillas, se especifican en códigos de forma estandarizados y nombres de casquillos. Las bombillas incandescentes y sus reemplazos de actualización a menudo se especifican como " A19 /A60 E26 /E27", un tamaño común para ese tipo de bombillas. En este ejemplo, los parámetros "A" describen el tamaño y la forma de la bombilla dentro de la bombilla de la serie A , mientras que los parámetros "E" describen el tamaño de la base del tornillo Edison y las características de la rosca. [35]

Parámetros de comparación

Los parámetros de comparación comunes incluyen: [36]

Los parámetros menos comunes incluyen el índice de reproducción cromática (IRC).

Esperanza de vida

La esperanza de vida de muchos tipos de lámparas se define como el número de horas de funcionamiento en las que el 50% de ellas fallan, es decir, la vida media de las lámparas. Tolerancias de producción tan bajas como el 1% pueden crear una variación del 25% en la vida útil de la lámpara, por lo que, en general, algunas lámparas fallarán mucho antes de la esperanza de vida nominal y otras durarán mucho más. En el caso de los LED, la vida útil de la lámpara se define como el tiempo de funcionamiento en el que el 50% de las lámparas han experimentado una disminución del 70% en la salida de luz. En la década de 1900, se formó el cártel Phoebus en un intento de reducir la vida útil de las bombillas eléctricas, un ejemplo de obsolescencia programada . [37] [38]

Algunos tipos de lámparas también son sensibles a los ciclos de encendido y apagado. En las habitaciones en las que se encienden y apagan con frecuencia, como los baños, la vida útil de la lámpara puede ser mucho más corta que la que se indica en la caja. Las lámparas fluorescentes compactas son particularmente sensibles a los ciclos de encendido y apagado. [39]

Usos

Una bombilla de cristal transparente de 60 W.

La cantidad total de luz artificial (especialmente la del alumbrado público ) es suficiente para que las ciudades sean fácilmente visibles por la noche desde el aire y desde el espacio. La iluminación exterior creció a un ritmo del 3 al 6 por ciento durante la segunda mitad del siglo XX y es la principal fuente de contaminación lumínica [40] que agobia a los astrónomos [41] y a otros, ya que el 80% de la población mundial vive en zonas con contaminación lumínica nocturna. [42] Se ha demostrado que la contaminación lumínica tiene un efecto negativo en algunos animales salvajes. [40] [43]

Las lámparas eléctricas se pueden utilizar como fuentes de calor, por ejemplo en incubadoras , como lámparas infrarrojas en restaurantes de comida rápida y en juguetes como el horno Kenner Easy-Bake . [44]

Las lámparas también se pueden utilizar para la terapia de luz para tratar problemas como la deficiencia de vitamina D , [45] afecciones de la piel como el acné [46] [47] y la dermatitis , [48] cánceres de piel , [49] y el trastorno afectivo estacional . [50] [51] [52] Las lámparas que emiten una frecuencia específica de luz azul también se utilizan para tratar la ictericia neonatal [53] y el tratamiento que inicialmente se realizaba en los hospitales se puede realizar en casa. [54] [55]

Las lámparas eléctricas también se pueden utilizar como luz de crecimiento para ayudar en el crecimiento de las plantas [56], especialmente en hidroponía de interior y plantas acuáticas , con investigaciones recientes sobre los tipos de luz más efectivos para el crecimiento de las plantas. [57]

Debido a sus características de resistencia no lineal, las lámparas de filamento de tungsteno se han utilizado durante mucho tiempo como termistores de acción rápida en circuitos electrónicos. Entre los usos más populares se incluyen:

Simbolismo cultural

En la cultura occidental, una bombilla —en particular, la aparición de una bombilla encendida sobre la cabeza de una persona— significa inspiración repentina.

En Oriente Medio , el símbolo de la bombilla tiene una connotación sexual. [58] [ verificación fallida ]

Una representación estilizada de una bombilla aparece como logotipo del Partido de Justicia y Desarrollo de Turquía . [59] [60]

Véase también

Referencias

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  • "Dark Sacred Night" (2023) es un cortometraje científico de la Oficina de Sustentabilidad de la Universidad de Princeton sobre la iluminación que oscurece las estrellas y afecta la salud y el medio ambiente.
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