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Lampada e Lampadina

 

Descrizione

La lampadina è un dispositivo elettrico specificamente progettato per produrre luce; a questo scopo può utilizzare differenti tecnologie ed avere diversi possibili usi.

 

Misure

Principalmente una lampadina viene classificata attraverso i suoi due parametri più importanti:

- Tensione di alimentazione (indicata in V = Volt),

- Potenza assorbita dalla rete (indicata in W = Watt).

La potenza non è un indice diretto del flusso luminoso prodotto da essa (misurato in lumen), poiché quest'ultimo è determinato anche dall'efficienza luminosa dell'apparato stesso, ovvero dal rapporto tra l'energia luminosa visibile emessa e l'energia elettrica assorbita. L'energia perduta è pertanto quella parte di energia consumata che non serve alla produzione di luce visibile.

Nella maggioranza dei casi questa energia perduta è dissipata sotto forma di calore oppure, in misura meno significativa, sotto forma di luce emessa in zone dello spettro elettromagnetico che non sono percepibili dall'occhio umano: infrarosso e ultravioletto.

Una lampadina viene anche catalogata attraverso la forma del suo bulbo:

- Goccia (la forma più comune),

- Oliva,

- Tortiglione,

- Sfera,

- Peretta,

- Tubolare.

Un altro elemento specifico di una lampadina è dato dalla tonalità della luce che emette, che può essere più calda o più fredda.

Normalmente si definisce questo parametro come temperatura di colore, ovvero la tonalità che avrebbe la luce emessa da un corpo nero ideale, riscaldato alla temperatura data e il cui valore è espresso in gradi kelvin. È da sottolineare che contrariamente a quanto si sarebbe portati a pensare, quando si parla di luce calda, si intende una luce tendente verso la parte rossa dello spettro luminoso e quindi emessa da un corpo a temperatura Kelvin più bassa. Il ragionamento è esattamente l'opposto se parliamo di luce "fredda", cioè tendente verso il blu.

Una caratteristica importante da considerare è costituita dalla tipologia di attacco della lampadina, che si chiama viròla e che può distinguersi in vari standard per forma e misura:

- a Vite: di forma cilindrica filettata, più comune nell'Europa continentale, convenzionalmente dette viròla tipo E27 o E14 (la E è l'iniziale di Edison, il numero indica il diametro espresso in mm.). Esistono anche virole di diametro maggiore, per illuminazione stradale (attacco Goliath) o minore, per torce tascabili (attacco Lilliput);

- a Baionetta: di forma cilindrica senza filettatura, con diametro di 22 mm, più comune in Gran Bretagna ed in alcune zone della Francia, viene detta viròla del tipo B22 (nel caso di baionetta standard da 22 mm); esistono altri tipi di baionetta di diametro inferiore per spie da pannello, fari automobilistici, ecc...;

- Tuttovetro (o Glassocket): il corpo della viròla è costituito dal prolungamento estruso del vetro del bulbo della lampadina stessa, formando un tutt'uno con essa. Sulla sua superficie si trovano i contatti necessari all'alimentazione del filamento. Viene detta viròla del tipo Tnn, dove al posto di nn deve intendersi scritta e pronunciata la cifra indicante la dimensione dell'attacco in millimetri;

- Bipin o bi-pin: lampadina in cui, al posto della viròla, i fili di contatto escono rettilinei e paralleli direttamente dal bulbo, similmente ai piedini di una valvola termoionica, particolarmente usata per faretti alogeni o lampade da proiettori;

- Siluro (o faston): lampadina dal bulbo a forma rettilinea, cilindrica e provvista di una doppia viròla conica, una per estremità del cilindro.

 

Cronologia storica

- 1802 Humphry Davy dimostra il funzionamento della lampada ad arco in aria atmosferica;

- 1835 James Bowman Lindsay mostra un sistema di illuminazione con lampada ad incandescenza;

- 1841 A Parigi vengono installate lampade ad arco sperimentali per l'illuminazione pubblica;

- 1856 Il soffiatore di vetro Heinrich Geissler realizza il primo arco elettrico all'interno di un tubo;

- 1867 Antoine Henri Becquerel propone il primo esempio di lampada fluorescente;

- 1875 Henry Woodward brevetta la lampadina elettrica;

- 1876 Pavel Yablochkov inventa al candela di Yablochkov, la prima lampada ad arco con elettrodi in carbone di pratico utilizzo; fu utilizzata per l'illuminazione pubblica a Parigi;

- 1879 Alessandro Cruto ricercatore di Piossasco (TO), stimolato da una serie di conferenze tenute da Galileo Ferraris, si dedicò alla realizzazione di un filamento per lampadine ad incandescenza riuscendo, unico fra gli sperimentatori, a produrne uno con coefficiente positivo (resistenza ohmica che aumenta con l'aumentare della temperatura), utilizzando un filo di carbonio immerso in un'atmosfera di etilene. Questo permetteva alla lampadina di brillare ben 500 ore rispetto alle 40 raggiunte dai prototipi di Thomas Edison presentati 6 mesi prima. La grande conoscenza del carbonio da parte di Cruto era dovuta ai suoi anni di sperimentazione nel tentativo di creare diamanti sintetici. Pur avendo realizzato un filamento in grado di superare quello degli americani, Cruto non fu in grado di brevettare l'invenzione su scala mondiale, per la mancanza di finanziatori;

- 1880 Thomas Edison e Joseph Wilson Swan brevettano la lampada ad incandescenza con filamento di carbonio;

- 1890 Alexander Lodygin brevetta l'uso del filamento di tungsteno nelle lampade ad incendescenza;

- 1893 Nikola Tesla sviluppa lampade a scarica ad induzione, senza elettrodi, alimentate ad alta frequenza e le usa per illuminare il proprio laboratorio;

- 1894 McFarlane Moore inventa il tubo di Moore, precursore delle attuali lampade a scarica;

- 1901 Peter Cooper Hewitt sviluppa la lampada a scarica a vapori di mercurio;

- 1903 William Coolidge introduce commercialmente l'uso del filamento di tungsteno, che nelle versioni a semplice e poi a doppia spiralizzazione, è giunto fino ai giorni nostri, superando il secolo di vita;

- 1911 Georges Claude realizza la lampada al neon;

- 1926 Edmund Germer brevetta la lampada fluorescente, che sarà commercializzata a partire dal 1938 nelle versioni a tubo dritto e circolare con circuito di accensione e stabilizzazione (ballast) esterno, e comparirà in versione compatta con attacco E27 e ballast elettronico incorporato nel 1978 (le attuali lampadine cosiddette a basso consumo;

- 1962 Nick Holonyak Jr. brevetta il primo semiconduttore fotoemittente LED a luce visibile, che viene commercializzato 6 anni più tardi nella versione microlampada di colore rosso con reofori a saldare per circuito stampato. Lungo i successivi 30 anni diverranno man mano disponibili LED di tutte le colorazioni, sconfinando oltre il visibile nei campi IR ed UV, mentre a partire dal 2000 saranno disponibili LED bianchi a media ed alta intensità luminosa, proposti come sostitutivi a basso consumo delle lampade ad incandescenza;

- 2 settembre 2009 L'Unione europea bandisce la produzione di lampadine ad incandescenza pari o superiori a 100 W e di tutte quelle a bulbo smerigliato, a vantaggio di quelle a basso consumo;

- Settembre 2010: L'Unione europea bandisce la produzione di lampadine ad incandescenza di potenza pari o superiore a 60 W;

- Settembre 2012: Nell'Unione europea cesserà per legge la produzione di tutte le lampadine ad incandescenza per illuminazione domestica, che saranno sostituite principalmente da quelle a basso consumo e in misura minore da quelle a raggruppamento di LED e quelle alogene tuttovetro, tutte comunque con potenze, formati ed attacchi retrocompatibili con le classiche lampade ad incandescenza.

 

Tecnologie

Esistono lampadine basate su tecnologie molto diverse tra loro:

 

Ad arco

Queste lampade sono state le prime ad essere inventate e il loro principio di funzionamento si basa sulla creazione di un arco elettrico, il quale genera un forte flusso luminoso con spettro simile a quello della luce solare. Originariamente per poter generare l'arco in atmosfera d'aria, necessitava un'elevata tensione ed elettrodi di grafite che, consumandosi per ossidazione e sublimazione, dovevano essere continuamente accostati da un dispositivo ad orologeria, per far sì che l'arco non si estinguesse.

Questa tecnologia venne quasi abbandonata a causa della sua farraginosità o rimase con applicazioni ridotte (tipicamente proiettori cinematografici), finché non venne reintrodotta grazie allo sviluppo delle lampadine allo xeno in cui il gas nobile inserito in un'ampolla di vetro, protegge gli elettrodi dalla consunzione (attuali applicazioni: fari di automezzi stradali, flash fotografici, lampade da proiezione moderne).

 

Incandescenza

La lampada a incandescenza è una fonte luminosa artificiale, funzionante sul principio dell'irraggiamento di fotoni generato dal surriscaldamento di un elemento metallico.

Nella lampada ad incandescenza la produzione di luce avviene portando un filamento metallico di tungsteno all'incandescenza, alla temperatura di 2700 K, per effetto Joule. Il filamento di tungsteno è posto in un'ampolla, generalmente di vetro o quarzo, riempita di gas inerti (argon, azoto, ecc...) per evitare l'ossidazione del filamento e limitarne l'evaporazione. Lo spettro di emissione della superficie incandescente del filamento è approssimabile allo spettro di un corpo nero.

Una variante è la lampada alogena.

I classici attacchi standard sono E27 (attacco grande) ed E14 (attacco piccolo).

Nelle lampadine a incandescenza, solo il 5% dell'energia che le alimenta viene convertita in luce, il rimanente 95% viene sprecato in calore.

L'8 dicembre 2008, la Commissione Europea per l'Energia ha approvato la messa al bando in tutti gli Stati membri delle lampade ad incandescenza, secondo un programma di progressiva sostituzione a partire dal settembre 2009, con completamento nel settembre 2012.

 

Storia: La lampadina a incandescenza è stata inventata nel 1854 da Heinrich Goebel, un orologiaio tedesco emigrato in America. Non riuscì però a rendere pubblica la sua invenzione. Nel 1878 Thomas Alva Edison riuscì a costruirne un modello sufficientemente durevole. Nel 1860 Joseph Wilson Swan aveva già costruito una simile lampadina che perfezionò fino al 1878; divenne partner di Edison. Poco prima della sua morte Heinrich Goebel riuscì a far valere i propri diritti d’inventore che furono poi acquistati da Edison dalla vedova di Heinrich impoverita.

Era costituita da un bulbo di vetro in cui era stato praticato il vuoto, al cui interno era contenuto un filo di cotone carbonizzato attraversato da corrente elettrica. Bisogna dire che molti inventori stavano lavorando all'idea, tra i quali il torinese Alessandro Cruto. Il problema dei primi modelli era la rapida distruzione del filamento.

Nel 1903 l'americano William David Coolidge introduce l'uso del filamento di tungsteno, tuttora impiegato. Questo metallo presenta la caratteristica di incrementare le sua resistenza elettrica all'aumentare della temperatura. Un aumento della tensione elettrica di alimentazione provoca un aumento della potenza dissipata (effetto Joule) e una temperatura superiore del filamento. Nella lampadina al tungsteno questo comporta un aumento della resistenza con conseguente diminuzione della potenza. Questo sistema è in pratica in grado, a differenza delle lampadine precedenti, di autocompensare l'instabilità della tensione di alimentazione (solo parzialmente).

L'Unione Europea ha sancito la graduale messa al bando delle lampadine a incandescenza con la seguente tabella di marcia:

- da settembre 2009 è vietata la produzione di lampadine a incandescenza da 100 W o di più e di tutte quelle a bulbo smerigliato o opalino;

- da settembre 2010 di quelle da 75 W;

- da settembre 2011 di quelle da 60 W;

- da settembre 2012 di qualsiasi potenza.

Fanno eccezione le lampadine a incandescenza per usi specifici (ad esempio frigo, forno ecc...).

Le scorte di tutte le lampadine incandescenti presso i rivenditori e i magazzini potranno essere comunque vendute fino ad esaurimento.

 

Tecnica: La lampada a incandescenza è una sorgente luminosa in cui la luce viene prodotta dal riscaldamento (fino a circa 2700 K) di un filamento di tungsteno attraverso cui passa la corrente elettrica. Durante il funzionamento il tungsteno sublima, e il filamento diventa sempre più sottile, fino a spezzarsi dopo circa 1000 ore di funzionamento. Oltre che in calore l'energia viene convertita in luce in una misura compresa tra il 5 e il 10%. Nelle lampadine moderne il bulbo di vetro non è vuoto ma contiene un gas inerte a bassa pressione, di solito Argon, più raramente Kripton. Quest'ultimo consente una resa superiore del 10% circa a parità di potenza. Questi gas riducono i rischi di implosione e prolungano la vita del filamento. Inoltre la presenza del gas Argon/Kripton riduce l'annerimento del bulbo dovuto al deposito del tungsteno che evapora.

Al momento dell’accensione della lampada, poiché il filamento è freddo e la sua resistenza è bassa, si determina un picco della durata di pochi decimi di secondo e del valore di 10-12 volte la corrente a regime.

Una variante di lampada a incandescenza è la lampada alogena.

 

Scarica

Nelle lampade a scarica la luce viene prodotta da un gas ionizzato per effetto di una scarica elettrica. Sono tipicamente costituite da un tubo di vetro o quarzo al cui interno è presente un particolare gas o vapore (es. di sodio o di mercurio), alle cui estremità sono collocati due elettrodi. Una opportuna differenza di potenziale provoca la formazione di un arco di plasma nel gas.

L'emissione avviene in corrispondenza delle righe di assorbimento tipiche del gas impiegato. Per esempio, nelle lampade al sodio a bassa pressione l'emissione è pressoché monocromatica gialla. Più spesso la luce è prodotta per fluorescenza, come nelle comuni lampade fluorescenti, erroneamente chiamate tubi al neon, anche se il neon in realtà non è alla base del loro funzionamento. In queste lampadine la scarica avviene in vapore di mercurio, prevalentemente nello spettro ultravioletto. Sulla superficie interna del tubo è deposto un materiale fluorescente che assorbe l'energia dei raggi ultravioletti e la riemette nel campo della luce visibile.

La scarica nei gas è stata realizzata prima della lampadina ad incandescenza, ma l'applicazione pratica di questo fenomeno fisico nelle lampadine si è avuta solo nella prima metà del novecento. Le lampadine a fluorescenza convertono in luce il 25% dell'energia consumata.

 

LED

Alternative alle lampadine a filamento, sono costituite da uno o più diodi LED, alimentati da un apposito circuito elettronico, il cui scopo è principalmente quello di ridurre la tensione di rete ai pochi Volt richiesti dai LED. La luce viene prodotta attraverso un processo fisico nella giunzione del diodo, chiamato "ricombinazione Elettrone-Lacuna" che dà origine all'emissione di fotoni, di colore ben definito dipendente dall'energia liberata nella ricombinazione. Sono ormai di uso consolidato i LED monocromatici come il rosso, il giallo, il verde e il blu, nonché tutte le loro combinazioni, mentre non è possibile realizzare LED che producano nativamente luce bianca (che però è bene ricordare, non è un colore bensì un mix di alcuni colori dello spettro).
Tali LED sono però stati realizzati all'incirca a partire dall'anno 2000, con 3 giunzioni emittenti luce verde, blu e rossa, ottenendo la luce bianca per composizione dei tre colori primari. Alternativamente viene accoppiato un LED blu con uno strato di fosfori che emettono luce gialla e la combinazione dei rispettivi spettri di emissione produce anche in questo caso un effetto di luce bianca.

Diversamente dalle lampadine a incandescenza che terminano la loro vita con la bruciatura del filamento, i LED degradano lentamente con una perdita della luminosità che scende al 20-30%. Da un punto di vista economico i LED sono più costosi delle lampadine a filamento, ma la durata di funzionamento di un LED, che si aggira intorno alle 50.000-80.000 ore, è ben superiore alla vita di una lampadina tradizionale.

Dal punto di vista energetico, i LED sono molto più efficienti delle lampadine a filamento poiché il 50% dell'energia assorbita produce illuminazione e pertanto la quantità di energia sprecata sotto forma di radiazione infrarossa e di calore rilasciato nell'ambiente sono molto ridotti rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali.

 

Polimeri organici

Questa tecnologia, che nel futuro potrebbe diventare quella predominante, si basa su materiali plastici (polimeri) in grado di emettere luce per elettroluminescenza se attraversati da corrente elettrica. Una classe particolare ma non l'unica di questi materiali sono gli OLED. I principali vantaggi risiedono nella economicità di esercizio, nel buon rendimento luminoso e nella lavorabilità dei corpi illuminanti in fogli di forma arbitraria. Potrebbero per esempio tappezzare il soffitto o le pareti, generando una luce diffusa di varia tonalità, non abbagliante e senza ombre. Con questa tecnologia si riuscirebbe a convertire in luce oltre il 70% dell'energia elettrica che si consuma, ma al momento l'impianto risulta essere molto più costoso per lumen emesso, rispetto ad altri sistemi.

 

Voci correlate

- Energia;

- Candela;

- Risparmio energetico;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.