POSTAZIONE 6: LAMPADINE, DAL CALORE ALLA LUCE

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1 APPROFONDIMENTI 1. Risposta alle domande La luce viene solo dal calore? Le lampadine sono tutte uguali? Cosa sappiamo? La maggior parte della luce arriva da lampadine o candele che sono calde. I LED però non sono così caldi. Il principio con cui otteniamo la luce è sempre lo stesso in tutti i casi, far saltare le particelle di cui sono fatti i materiali in alto (ad esempio eccitare gli elettroni del filamento di una lampadina) e ottenere la luce quando ricadono. Per le candele, le fiamme e le lampadine questo si ottiene scaldando molto le sostanze e quindi si utilizza tanta energia per ottenere poca luce. Tuttavia con il tempo si sono trovate delle sostanze per le quali non c è bisogno di lanciare le particelle così in alto e quindi non c è bisogno di raggiungere alte temperature. Questo accade nei LED. Thomas Alva Edison costruì la prima lampadina a incandescenza che durava nel tempo. Questo tipo di lampadina è stata la più diffusa per anni, ma dato il pessimo rendimento (tanto calore per poca luce) in Europa è stata messa al bando da alcuni anni. In seguito si sono sviluppati i tubi a scarica, ideati nel 1890 da Nicola Tesla, in cui il gas viene eccitato con una scarica elettrica e il rivestimento interno del tubo trasforma il movimento delle cariche in luce. L interno del tubo contiene del gas nobile (es. neon) e del mercurio il cui vapore va a eccitare le pareti del tubo ricoperte di sostanza fluorescente. E una specie di reazione a catena in cui il gas viene eccitato, i vapori di mercurio subiscono gli urti delle particelle di gas e vanno contro le pareti che trasformano l energia in luce. Anche le lampade a risparmio energetico funzionano in questo modo. Le lampade a LED, sono costruite con quei materiali chiamati semiconduttori, sostanze isolanti che in determinate condizioni diventano conduttori. In particolare il loro funzionamento comprende un diodo, un dispositivo fatto di silicio (o altri materiali) cui sono aggiunte particelle di altre due sostanze in modo che, quando si applica una tensione elettrica (ad. es. con una pila), lo fanno diventare conduttore in una direzione e isolante nell altra. I LED sono diodi particolari che utilizzano la capacità di alcuni tipi di semiconduttori di emettere delle particelle luminose (fotoni) quando sono percorsi da corrente. La parola LED è infatti un acronimo di diodo a emissione luminosa. Sebbene la tecnologia LED per l illuminazione sia ora in una fase di grande espansione, la conoscenza del fenomeno di luminescenza dei semiconduttori non è una novità assoluta e risale all inizio del secolo scorso, tuttavia per molto tempo si era in grado solamente di produrre luce rossa. È solo dagli anni 90 dello scorso secolo che furono creati i LED che oggi conosciamo in grado di emettere luce di colori diversi. La luce dei LED è prodotta senza che sia necessaria tanta energia per scaldare un filamento o produrre una scarica elettrica. Dato che occorre poca energia si sviluppa anche poco calore e quindi queste lampade hanno un ottimo CERDD, /6

2 2. Che cosa ne pensano Gaia e Fiammetta Grazie all ingegno dell uomo fare luce consuma sempre meno energia! E luce sia! La comparsa delle prime lampadine avvenne alla fine del Infatti, nel 1880 Thomas Alva Edison e Joseph Wilson Swan brevettarono la lampadina a incandescenza con filamento di carbonio. Tredici anni dopo arrivò nei negozi la lampadina dotata di un filamento di tungsteno a sostituzione di quello di carbonio. Questo tipo di lampadina ha avuto una lunga vita, arrivando fino ai giorni nostri. L arrivo della lampadina è stato positivo per la salute perché ha sostituito le lampade a petrolio che emettevano sostanze inquinanti nell aria. Ma come funziona una lampadina a incandescenza? Una lampadina a incandescenza è in pratica una sorgente nella quale la luce è prodotta da un filamento di tungsteno che viene riscaldato facendoci passare della corrente elettrica. La corsa verso lampadine più efficienti.. Come già spiegato nell approfondimento scientifico, oggi la lampadina a incandescenza non si trova più in commercio (è proibita) perché sono state inventate delle lampadine più efficienti che consentono di ridurre di molto i consumi energetici e le conseguenti emissioni di CO 2. In una lampadina tradizionale a incandescenza infatti, il 95% dell energia fornita si trasforma in calore e solo circa il 5% serve per fare luce. In pratica erano dei piccoli caloriferi. Le lampadine che troviamo oggi nei negozi In vendita si trovano attualmente diversi tipi di lampadine. Vi sono - le lampadine alogene, poco più efficienti di quelle a incandescenza, ma con durata di vita maggiore (meno rifiuti quindi, in teoria), - le lampade a basso consumo energetico che impiegano fino all 80% in meno di energia per funzionare rispetto ad una lampadina a incandescenza e durano fino a dieci volte di più - le lampade a LED che sono le più efficienti con un consumo energetico ridotto fino all 85% e durano di più di quelle a basso consumo energetico. Le lampade alogene all interno presentano un gas alogeno (es.: iodio o kripton) che grazie all elettricità scalda il filamento di tungsteno portandolo ad una temperatura molto alta che emette così la luce. La durata di vita di queste lampadine è circa il doppio di quelle normali a incandescenza. Lampade a basso consumo o fluorescenti sono invece fatte da un tubo che contiene un gas che è a bassa pressione e del mercurio, che è una sostanza tossica. Lampade a LED, si basano sulla capacità di alcuni materiali detti semiconduttori di emettere delle particelle di luce quando sono percorsi da una corrente CERDD, /6

3 E in futuro La corsa per inventare lampadine sempre più efficienti e amiche dell ambiente non si è fermata. Già oggi si parla e si commercializzano le prime lampade dette OLED. Come la parola LED, anche il come OLED è un acronimo e sta per 'Organic Light-Emitting Diode', ovvero diodo organico a emissione luminosa. La differenza rispetto alle lampade a LED sta proprio nella O di organico. Queste lampade sono infatti composte, a differenza di quelle a LED, da diversi strati organici che li renderebbe più efficienti e ancora meno inquinanti. Non ci resta quindi che attendere il loro sviluppo, attualmente sono infatti ancora molto care. La strada è ancora lunga però se è vero che iniziamo a sprecare meno energia è anche vero che ne consumiamo sempre di più. Ma quanta energia consumiamo per illuminare case è città? L energia consumata per illuminare strade e case è molta e ammonta a ca. il 12% -15% dell energia consumata nel nostro paese. Ma è tanto o poco? Secondo l ufficio di statistica della Confederazione nel 2013 il consumo totale di energia ammontava a 895'990 TeraJoule, ossia quasi 29 milioni di m 3 di benzina o anche quanto possono contenere più di vagoni cisterna. Il che significa un consumo pro capite annuo pari a circa 3600 litri di benzina. E quanto potremmo risparmiare? Se impiegassimo in modo diffuso le nuove lampadine ad alta efficienza energetica e adottassimo ovunque un controllo ottimale dell illuminazione evitando sprechi, potremmo riuscire a ridurre il consumo di energia elettrica fino addirittura ad una percentuale pari a circa il 50%. Il che equivarrebbe ad esempio a risparmiare la corrente prodotta dalla centrale nucleare di Mühleberg, una delle più vecchie centrali nucleari ancora in funzione in Europa. Ad esempio, nel nostro cantone, il comune di Lumino ha sostituito tutti i suoi lampioni (239) con lampioni a LED riducendo del 60% il consumo energetico e riducendo quindi anche i costi. Ma non è tutto oro quello che luccica Le lampadine a basso consumo energetico in realtà presentano anche alcuni piccoli problemi. Innanzitutto queste lampadine contengono anche dei piccoli quantitativi di mercurio, 5 milligrammi, sufficienti quindi a ricoprire una punta di matita. Il mercurio è una sostanza dannosa sia per l ambiente sia per la nostra salute. Un grammo di mercurio può infatti inquinare 1'000 litri d acqua! Inoltre, queste lampade emettono raggi UV, che, in alcuni casi, possono provocare eritemi cutanei se si espone la pelle per molte ore a una distanza ravvicinata dalla lampadina. Infine emettono anche dei campi elettrici a bassa e media frequenza che sono in grado di provocare infiammazioni ai nervi e ai muscoli. Per questo è consigliato, a chi le usa per lungo tempo, di stare ad una distanza di almeno 30 cm dalla lampadina. (Fonte: Ufficio federale della sanità pubblica CERDD, /6

4 Le lampade a LED sono sicuramente migliori delle lampade a basso consumo energetico, ma il loro costo è ancora molto elevato. Per di più c è sempre il rischio che da una parte si continui ad aumentare l efficienza degli apparecchi e dall altro aumenti il consumo energetico individuale: abbiamo infatti sempre più oggetti, sempre più luci e magari le teniamo accese di più, tanto sono CERDD, /6

5 3. Cosa fare in classe Quanto consuma una lampadina? Proviamo con i bambini più grandi a fare dei piccoli calcoli approssimativi di quanto consumano le lampadine e alcuni elettrodomestici per una presa di coscienza del problema. Prendiamo in esame i parametri che ci permettono di calcolare l effettivo costo della corrente che consumiamo. I Watt di una lampadina o di un elettrodomestico indicano la potenza (energia per ogni secondo) che questo assorbe per svolgere la sua funzione. Ma quanto ci costano i Watt che consumiamo? Se non abbiamo a disposizione un apparecchio come quello della postazione, possiamo calcolare un costo medio di Fr. 0,20 per kwh (comprensivo di tutto ciò che paghiamo nella fattura, compresa IVA, tasse di abbonamento, contributi vari ecc.). Un kwh corrisponde all energia utilizzata da un dispositivo da 1000 W in un ora. Cioè, se consumiamo 1000 W per un ora, ci costano circa 20 centesimi. Se abbiamo un aspirapolvere da 1000 W il calcolo è presto fatto: per un ora di pulizie spendiamo 20 centesimi. Questo può sembrare poco, ma continuiamo facendo ancora qualche calcolo. Se in salotto accendiamo due lampadine da 100 W l una (alogene per esempio) possiamo trovare il costo dopo un ora di utilizzo con questa formula: 200 W (numero di Watt delle due lampadine) x 20 cts (costo in centesimi di 1000 W per un ora di utilizzo) x 1h (il tempo di utilizzo in h) / 1000 (un Kilowatt=1000 W) = 4 cts In conclusione possiamo calcolare il costo dell energia elettrica utilizzata in ogni situazione, dobbiamo sapere: La potenza dell utilizzatore in Watt Il tempo di utilizzo in ore Il costo del chilowattora kwh che figura nella fattura che ci invia la società che fornisce l elettricità. Costo in cts = potenza in W x costo kwh in cts x tempo in h / 1000 Quanto costano 200 W tenuti accesi tre ore al giorno in un mese? Risposta circa 3,60 Fr. ( 200 W x 20 cts x 3 ore x 30 giorni/1000). Non è più così poco CERDD, /6

6 Per approfondire Parte scientifica BEALS, Gerald. Thomas Alva Edison : American inventor [sito web]. Copyright Disponibile all indirizzo: (consultato il ) OSRAM. La storia del LED [pagina web]. In : sito dell Osram. Copyright Disponibile all indirizzo : (consultato il ) U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. The history of the Light Bulb [pagina web]. In : sito del Dipartimento dell energia Americano. Data di pubblicazione , ore Disponibile all indirizzo: (consultato il ) WHELAN, M. et al. Incandescent Lamps : the most profound invention since man-made fire [pagina web]. In : Edison Tech Center. Copyright Disponibile all indirizzo : (consultato il ) Parte ambientale SVIZZERA ENERGIA. Quanta corrente elettrica consuma l illuminazione e come posso configurarla in modo efficiente? [pagina web]. In : sito di Svizzera energia. [s.d.]. Disponibile all indirizzo : (consultato il ) SVIZZERA ENERGIA. Quanto consumano le luminarie natalizie? [pagina web]. In : sito di Svizzera energia. [s.d.]. Disponibile all indirizzo : (consultato il ) UFFICIO FEDERALE DI STATISTICA. Sganciamento delle risorse : consumo di energia [pagina web]. In : sito dell Ufficio federale di statistica. [s.d.]. Disponibile all indirizzo : (consultato il ). UFFICO FEDERALE DELLA SANITÀ PUBBLICA (UFSP). Lampadine a basso consumo energetico [pagina web]. In : sito dell UFSP. Data di aggiornamento Disponibile all indirizzo : (consultato il ) WWF (World wide fund for nature). Lampada a basso consumo [pagina web]. In : sito del WWF. [s.d.]. Disponibile all indirizzo : (consultato il CERDD, /6