Como funciona a lâmpada?

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Em 21 de outubro de 1879, um inventor de gênio trouxe ao mundo pela primeira vez, a luz elétrica. O norte-americano Thomas Alva Edison (1847–1931) conseguiu produzir uma iluminação durável fazendo passar a corrente elétrica através de um filamento de carbono dentro de uma ampola de vidro vazia. A lâmpada, em forma de pera, hoje funcionando com filamento de tungstênio, passou a ser um objeto essencial e mais do que familiar para bilhões de pessoas em residências em todos os quadrantes do planeta.

Thomas Edison foi um gênio na aplicação prática de princípios científicos e um dos maiores e mais prolíficos inventores de seu tempo. Sua educação formal estava reduzida a três meses de escolaridade em Port Huron, no Michigan (EUA), em 1854. Durante anos, trabalhou como jornaleiro e foi nesse período que passou a sofrer da surdez que só aumentou com o correr dos anos. Mais tarde, trabalhou como telegrafista em várias cidades.

Outros inventos significativos foram o “Kinetoscópio”, ou máquina de imagens sequenciais rápidas. ou Tempos depois, Edison demonstrou experimentalmente a sincronização da imagem e som. O cinema falado baseou-se nesse trabalho.

As primeiras lâmpadas começaram a ser comercializadas por volta de 1880, pela indústria de Thomas Alva Edison, nos Estados Unidos. Eram lâmpadas incandescentes, formadas por um bulbo de vidro bem fechado, preenchido com um gás inerte – ou seja, um gás que normalmente não se combina ou reage com outras substâncias – como argônio, nitrogênio ou criptônio. Dentro do bulbo, insere-se um fino filamento metálico de tungstênio, conectado nas extremidades por fios de níquel e apoiado centralmente por fios de molibdênio

Para a grande maioria de nós, a vida seria impensável sem lâmpadas: afinal, elas iluminam casas, ruas, praças, estações e aeroportos. Além disso, servem como atrativo em muitos estabelecimentos comerciais, que chamam a atenção dos clientes com belos letreiros luminosos.

TIPOS DE LÂMPADAS

Incandescente

Uma das características da lâmpada aprimorada por Thomas Edison que se mantém até hoje é o elevado aquecimento. Seu filamento opera em temperaturas superiores a 2.000 °C e apenas 10% da eletricidade consumida pela incandescente é convertida em luz, o restante se transforma em calor, tornando a lâmpada hoje uma das menos eficientes do mercado. Seu rendimento é de aproximadamente 2,5 lúmens por watt nas lâmpadas de filamento de carbono, e 25 lúmens por watt nas de filamento de tungstênio.

A sublimação também não foi completamente eliminada e a lâmpada pode perder até 20% de sua luminosidade até o fim de sua vida útil, que é de 750 a 1.000 horas. A baixa durabilidade comparada às tecnologias de iluminação mais recentes também se deve a esse efeito, que torna o filamento cada vez mais fino, provocando seu rompimento e a consequente inutilização da lâmpada.

Halógena

As lâmpadas halógenas foram criadas logo após a incandescente, no início do século XX, com o “ciclo do halogênio”, em que partes do filamento composto de tungstênio que evaporam durante o processo são capturadas por gases inertes e halogênio contidos no bulbo e reconduzidas ao filamento quando a halógena é desligada. Isto evita que a lâmpada escureça e que haja depreciação de sua vida útil ou de seu fluxo luminoso como ocorre na incandescente, permitindo, ainda, que as halógenas tenham tamanho reduzido.

O “ciclo do halogênio” também permite que o filamento da lâmpada trabalhe com temperatura mais alta que as incandescentes e isso produz mais luz e maior temperatura de cor, alcançando cerca de 3.000 K contra 2.700 k da incandescente comum. Para suportar a temperatura de funcionamento elevada, o tubo que envolve o filamento é feito de quartzo, enquanto as incandescentes utilizam vidro comum.

A halógena possui IRC de 100 e sua vida útil média varia entre 2.000 a 5.000 horas. São comumente aplicadas em projetos de iluminação residencial, comercial, arquitetural e de interiores.

Fluorescente

Da mesma forma que os pesquisadores da lâmpada incandescente buscaram inspiração no Sol para desenvolver um mecanismo de acendimento, podemos dizer que a fluorescente foi inspirada nos raios. Isto porque seu funcionamento consiste em uma descarga elétrica em dois filamentos que lançam elétrons que, ao se chocarem, vaporizam o mercúrio contido no bulbo, produzindo um espectro luminoso pobre, formado basicamente por radiação ultravioleta, que é invisível ao olho humano. Porém, ao entrar em contato com a tinta de fósforo que reveste o bulbo de vidro das fluorescentes, a radiação se transforma em luz visível. Aliás, este é o motivo pelo qual por muito tempo ela foi chamada de lâmpada fosforescente.

As primeiras fluorescentes comercialmente viáveis surgiram na década de 1930, mas, em 1926, o cientista Edmund Germer já a havia inventado a partir de uma lâmpada a vapor de mercúrio com a pressão dentro do tubo aumentada e com o vidro revestido com pó fosforescente para obter uma luz branca mais uniforme. As fluorescentes utilizam reatores para dar a partida em seu funcionamento e para limitar a corrente elétrica e proteger o circuito. Ganharam notoriedade na década de 1970 e são responsáveis por cerca de 80% de toda a luz artificial do planeta.

Os modelos conhecidos atualmente são de catodo quente, mas já existiram fluorescentes de catodo frio, que não possuíam filamentos nos eletrodos e precisavam de um autotransformador para seu funcionamento que, por sua vez, produzia pulsos de alta tensão constantemente. A vantagem dessa tecnologia era seu acendimento instantâneo e a maior vida útil comparada com as fluorescentes de catodo quente da época, porém, eram muito grandes e seu processo de produção era quase artesanal.

As lâmpadas antigas também possuíam um componente elétrico ou eletrônico chamado “starter” para auxiliar na partida e que era acoplado em separado em algumas instalações com reator convencional. Com o advento do reator magnético, mas de partida rápida, o starter entrou em desuso. Embora mais econômico que o sistema de partida rápida, os reatores com starters foram pouco usados no Brasil, tendo sua concentração de mercado no Nordeste. Atualmente, os reatores eletrônicos possuem componentes internos que fazem a partida das lâmpadas sem necessidade de starter externo. Após a partida, as fluorescentes levam de três a cinco minutos para atingir o regime de funcionamento normal. Este é o tempo necessário para que o mercúrio e outros componentes metálicos se expandam e produzam luz.

Vapor de mercúrio sob alta pressão

As lâmpadas a vapor de mercúrio foram criadas também na década de 1930, utilizando a mesma técnica da fluorescente com gases sob alta pressão dentro de um tubo de descarga de quartzo. Há eletrodos nas extremidades do tubo (nas fluorescentes são chamados de filamentos) envoltos por argônio e mercúrio que, ao receber a partida por meio de um reator, liberam elétrons que se chocam com os átomos de mercúrio, provocando sua vaporização e a consequente emissão de raios ultravioletas. Graças à presença de um eletrodo auxiliar que ioniza o argônio, este tipo de lâmpada não necessita de um pico de tensão (ignição) para acender. Um pequeno resistor conectado a este eletrodo limita a corrente elétrica para que ele funcione apenas no momento da partida da lâmpada.

Como na fluorescente, ao passar pelo bulbo revestido com tinta fluorescente, a radiação se transforma em luz visível. No caso das lâmpadas a vapor de mercúrio, ainda é aplicado vanadato de ítrio no bulbo para corrigir, com o aumento do vermelho, a luz azulada emitida com a radiação. Algumas ainda utilizam um fósforo especial em seu revestimento, a fim de alcançar um melhor IRC.

Vapor de sódio

Desenvolvida também em meados de 1930, nasceu com o objetivo de superar o rendimento das lâmpadas conhecidas e melhorar a iluminação pública. A ideia deu certo, pois hoje este é o tipo de lâmpada mais utilizado nas ruas do país.

Antes de chegar à tecnologia que conhecemos atualmente, Artur H Compton, da Westinghouse, desenvolveu a lâmpada a vapor de sódio de baixa pressão, cujo tubo de descarga era composto por neônio e argônio e tinha forma de “U”. O circuito de ligação, os catodos aquecidos, o reator e o starter formavam um acionamento parecido com o da lâmpada fluorescente.

Sua luz mais amarelada que nos modelos de alta pressão levava até dez minutos para acender completamente, mas seu rendimento de 180 lúmens por watt a tornou popular nos anos 1950 e só saiu de mercado para dar lugar às modernas lâmpadas a vapor de sódio sob alta pressão na década de 1960.

Essas lâmpadas contam com uma mistura de sódio, mercúrio e gases nobres que auxiliam no acionamento da lâmpada, que acontece por meio de um reator e um ignitor que eleva a tensão até 4.500 volts. O desafio dos desenvolvedores da nova fonte de luz – em geral pesquisadores de indústrias de iluminação – foi criar um tubo de descarga que suportasse o alto poder de corrosão do sódio sob as altas pressão e temperatura necessárias para o funcionamento da lâmpada. Os comuns tubos de quartzo utilizados em outros tipos de lâmpadas não resistiram, surgindo, então, o tubo de descarga de cerâmica.

Apesar de a lâmpada a vapor de sódio de alta pressão comum ser a mais utilizada, ainda existem as do tipo stand by, em que o vapor passa apenas por um tubo de descarga e em caso de queda rápida de energia, outro tubo acende imediatamente com o reabastecimento de eletricidade. “Foi especialmente desenhada para túneis”, acrescenta Dias.

Até o ano 2000 também existia a lâmpada a vapor de sódio de retrofit ou intercambiável, que operava com o mesmo reator da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão, reduzindo custos com a troca de lâmpadas em grande escala. Para isso ela possuía um pouco mais de mercúrio em sua composição e tinha um funcionamento diferenciado, em que contava com um tipo de espiral em torno do tubo de descarga com um dispositivo bimetálico semelhante ao starter da lâmpada fluorescente. Quando conectada a uma fonte de energia, o campo elétrico produzido ionizava o tubo e o dispositivo bimetálico esquentava e dilatava, passando a corrente elétrica para a espiral e fazendo a lâmpada iniciar seu acendimento.

Leds

Os diodos emissores de luz, conhecidos como Leds por sua nomenclatura em inglês (Light Emitting Diode), foram inicialmente usados como luz de sinalização em aparelhos eletroeletrônicos, pois não tinham fluxo luminoso suficiente para iluminar ambientes.

São compostos por diodos semicondutores que convertem eletricidade em luz visível. Quando formados por materiais como o silício e o germânio, uma pequena parte da energia se converte em luz, enquanto a maior parte se transforma em calor, como ocorre com as fluorescentes. Por isso, precisam de dissipadores de calor para manter a temperatura em índices compatíveis com a operação dos Leds. Já os compostos por arseneto de gálio ou fosforeto de gálio são capazes de emitir ainda mais luz.

Os Leds que usam gálio em sua composição emitem raios infravermelhos, mas quando adicionado fósforo a luz emitida pode ser amarela ou vermelha, variando conforme a concentração da substância. A luz verde é obtida adicionando-se nitrogênio.

Também existem Leds do tipo RGB, que são formados por diodos nas cores vermelha, verde e azul que, ao serem combinadas, são capazes de formar um número inimaginável de cores. Especialistas citam 16 mil nuances diferentes.

Enquanto seu funcionamento foi desvendado e continua sendo desenvolvido para desempenhos cada vez melhores, há histórias controversas a respeito da data de criação dos diodos, bem como qual foi seu criador. Uma das versões afirma que o Led teria surgido em 1907 pelas mãos do engenheiro Henry Joseph Round que, ao realizar experimentos na área de rádio, descobriu o efeito da eletroluminescência. Round não publicou sequer uma nota sobre sua criação.

Outra versão dá conta de que foi em 1927 que o técnico de rádio Oleg Vladimir Losev criou o primeiro Led composto de óxido de zinco e carboneto de silício que, quando ionizados, produziam luz. Losev não sabia da descoberta de Round e publicou detalhes de seu experimento em um jornal russo ainda em 1927. Ele continuou desenvolvendo sua descoberta e publicando os detalhes em revistas inglesas e alemãs até 1930, mas não conseguiu chamar a atenção da indústria luminotécnica da época e acabou morrendo de fome em 1942.

Em 1962, teria sido criado o primeiro Led indicador de luz vermelha de 10 microcandelas pelo pesquisador Nick Holonyak Jr, que chegou a afirmar para a edição de fevereiro de 1963 da Reader’s Digest que a luz incandescente estava condenada. Outros especialistas conseguiram aumentar sua eficiência e, em 1971, surgiram no mercado as primeiras tonalidades de verde, amarelo e laranja. Em 1993, despontou o primeiro Led azul viável comercialmente.

De sua invenção até os tempos atuais, o maior marco de sua evolução foi a descoberta do Led de luz branca, em 1995, pelo pesquisador japonês Shuji Nakamura, que nada mais é que o Led azul com uma camada de fósforo. Esse material, em cima do semicondutor, converte a luz ultravioleta em luz branca, como ocorre na fluorescente. Sua temperatura de cor pode variar entre 2.700 K e 6.500 K.

O rendimento dos diodos em geral é de cerca de 90 lúmens por watt e duram até 50 mil horas, de acordo com o tipo de Led e a qualidade de sua fabricação. A maior parte dos diodos comercializados tem 5 W, mas há tipos de 300 W no mercado.

Apesar de bastante difundida no mercado de iluminação, os preços elevados ainda dificultam o acesso dos consumidores a essa tecnologia. Contudo, os entraves têm sido superados pouco a pouco. Vale lembrar que também já é possível dimerizar alguns módulos de Leds com o uso de fontes especiais, algo impensável há poucos anos.