CORSO DI FISICA TECNICA 2 AA 2013/14 ILLUMINOTECNICA. Lezione n 4: Lampade ad indandescenza. Ing. Oreste Boccia

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1 CORSO DI FISICA TECNICA 2 AA 2013/14 ILLUMINOTECNICA Lezione n 4: Lampade ad indandescenza Ing. Oreste Boccia 1

2 Fenomeno dell INCANDESCENZA Ogni corpo a temperatura superficiale superiore a 0 K (detto zero assoluto pari a -273,15 C) emette radiazioni elettromagnetiche la cui distribuzione spettrale dipende dal valore assunto dalla suddetta temperatura. Alle temperature ordinarie, l emissione dei corpi interessa il campo dell Infrarosso (IR con λ > 780 nm), cioè quel tipo di radiazioni la cui energia è esclusivamente termica ed il cui effetto principale è quello di trasportare calore. Per le leggi di Planck e di Wien la curva di emissione si sposta verso lunghezze d onda più piccole all aumentare della temperatura della superficie emittente. A temperature di emissione più elevate aumenta anche la percentuale di potenza emessa nel visibile e si ottiene luce sempre più bianca. Se la temperatura è tale da invadere l intero campo del visibile (T>2700 K), tutte le componenti cromatiche sono coinvolte nell emissione e la luce prodotta è tanto più bianca (acromatica) quanto più uniforme è la distribuzione spettrale. 2

3 L incandescenza è provocata in un filamento per effetto Joule: dissipazione di energia elettrica in calore direttamente proporzionale alla resistenza elettrica del filamento. Il calore provoca il surriscaldamento del filamento fino alle temperature tipiche di 2700 / 3000 K. LAMPADE AD INCANDESCENZA E n,l T 5 = 2700 K T 4 T 3 = 900 K T 2 All aumentare di T porzioni sempre maggiori di energia nel visibile Luce + BIANCA Si verifica il fenomeno della incandescenza, cioè l emissione di radiazione elettromagnetica interna allo spettro del visibile. T 1 Il materiale di cui è fatto il filamento deve avere T di fusione superiore ai 600 C. VIS IR l FINESTRA OTTICA Radiazioni visibili 380 Violetto Blue Verde Giallo Arancio Rosso 780 nm 3

4 Prime lampade elettriche: AD ARCO Prime dimostrazioni di principio all inizio del XIX secolo. Utilizzate per l illuminazione pubblica stradale nella seconda metà dell 800. Attualmente in disuso tranne qualche rara applicazione (per la saldatura dei metalli, nella fusione dei materiali refrattari e nei forni elettrici). Elevata intensità luminosa, gradevole tonalità di colore (quasi come la luce naturale del sole) ed una elevata resa cromatica. Utilizzano la scarica in aria tra due elettrodi di carbone inizialmente a contatto tra loro e collegati ad un generatore di corrente con elevata potenza (passaggio di corrente elevato effetto Joule incandescenza delle punte (T 4000 K) ). Avviato il processo, si allontanano le punte (di qualche mm) mentre il passaggio di corrente continua nello spazio tra le punte. Per l alta temperatura si ha: ionizzazione dell aria tra le punte, l emissione di elettroni e di ioni dagli elettrodi scarica detta "ad arco". Inconveniente: gli elettrodi (catodo ed anodo) si consumano. Necessitano di continua manutenzione ed impiego di dispositivi automatici che mantengano costante la distanza tra i due elettrodi di carbone. 4

5 LAMPADE AD INCANDESCENZA Primi a lavorare ad una lampada ad incandescenza: Swan (inglese) ed Edison (americano) Prime lampade ad incandescenza: filamento di materiale trattato al carbonio in un bulbo sotto vuoto. L assenza di O 2 preservava il filamento dalla combustione ma non dalla sublimazione (transizione di fase dallo stato solido allo stato gassoso, senza passare per lo stato liquido). La ricerca fu volta all individuazione del materiale più idoneo per il filamento (il carbonio garantiva una vita media di 45h ed un efficienza stimata in poco più di 1 lm/w) 1898: AUER utilizzò l Osmio (elemento raro quindi costoso e difficile da lavorare) 1904: Edison presentò una lampada con filamento di osmio e wolframio (osmium e wolfram lampada OSRAM) con temperatura di incandescenza T = 2000 C Il tungsteno (wolframio) usato per primo da Edison è un materiale più robusto dei filamenti trattati al carbonio, con T fusione = 3650 K. 5

6 Caratteristiche peculiari di un filamento: Bassa tensione di vapore Elevata temperatura di fusione Elevata resistenza meccanica Adeguato spettro di emissione nel visibile Attualmente: leghe di tungsteno spiralato o doppiamente spiralato. 6

7 Il fenomeno della sublimazione è particolarmente evidente, aggravato dalle alte temperature (2620 C per una lampada da 200W) e dal vuoto: Assottigliamento del filamento fino alla rottura (Il filamento si spezza quando ha perso circa l 1% della sua massa); Annerimento del bulbo di vetro a causa della solidificazione del vapore di tungsteno (T del bulbo C per lampade normali, fino a 470 C per applicazioni speciali) ; Diminuzione del flusso luminoso emesso e dell efficienza luminosa. Un rallentamento del fenomeno della sublimazione può essere ottenuto con l immissione di un gas inerte(argon, azoto, miscele) aumento della pressione (da qualche decina di mmhg a freddo fino alla pressione atmosferica a caldo, a seconda del gas impiegato) rallenta il fenomeno della sublimazione temperature più elevate luce più bianca. Il gas inerte ha anche il compito di impedire la scarica ad arco tra gli elettrodi di alimentazione del filo e ridurre la dispersione termica, per convezione, del calore prodotto per effetto Joule migliore utilizzo della potenza elettrica impiegata maggiore efficienza luminosa. Altra soluzione che attenua l annerimento del bulbo: immissione di gas (clorati) che si combinano col tungsteno producendo composti gassosi più stabili e trasparenti. La spiralatura semplice o doppia aumento della resistenza meccanica del filamento (quella doppia riduce anche lo scambio convettivo poiché ad esso partecipa solo la superficie esterna migliore utilizzo della potenza elettrica impiegata). Elevata spiralatura vita media infinitamente grande ma una più bassa temperatura di colore. Soluzione di compromesso: 1000 h di vita media ed una elevata resa cromatica anche se più giallastra rispetto alla luce naturale. 7

8 Caratteristiche tecniche Efficienza luminosa h = lm W -1 Vita media 1000 h Temperatura di colore T c = K Resa cromatica R a = Fattore di decadimento del flusso luminoso 85 % Tempi di accensione e riaccensione = 0 Potenze elettriche W Costi contenuti 8

9 LAMPADE ALOGENE Compaiono intorno agli anni 60. Evoluzione di quelle ad incandescenza tradizionali in cui l atmosfera interna è arricchita con alogeni in piccole quantità: iodio o bromo. Chiamate anche IODINE (BROMINE) o a Ciclo rigenerativo allo iodio (bromo). W 2I WI 2 W 2Br WBr 2 Ioduri e Bromuri di tungsteno, WI 2 e WBr 2, sono trasparenti alla luce, stabili a temperature basse (bulbo a 200 C) instabili a T>1400 C per cui si ridecompongono in tungsteno e iodio (bromo) solo nei pressi del filamento che quindi si rigenera. La rigenerazione aumenta la resistenza meccanica del filamento, la vita media della lampada e la temperatura di esercizio fino a 3000 K. A temperature più elevate: Luce più bianca (più uniforme distribuzione spettrale) e maggiore efficienza luminosa 9

10 Vetro semplice sostituito con vetro boro-silicato (quarzo) più resistente all aggressione dell alogeno ed alle alte temperature (resiste fino 1300 K) La maggiore pressione interna impone: la produzione in geometrie di dimensioni contenute adatte per sorgenti luminose che prevedono fasci concentrati come proiezioni cinematografiche, applicazioni automobilistiche, faretti per illuminazione di interni); l utilizzo di una schermatura con un secondo involucro in vetro pyrex o metacrilato per la protezione da possibili esplosioni e per evitare di toccare la superficie esterna della lampada. Il grasso o il sudore depositato in piccole pellicole dalle mani può provocare la dequarzificazione del bulbo non più idoneo a resistere alle elevate temperature di esercizio la rottura. Un limite di queste lampade è riconducibile all'emissione di raggi ultravioletti, dannosi per l'occhio umano, capaci di provocare cancro della pelle e sono causa di sbiadimento degli oggetti illuminati. La schermatura di queste radiazioni avviene ponendo davanti alla lampada una lastra di vetro, che ne riduce il passaggio del solo 15%. Recentemente nella composizione delle ampolle sono state introdotte sostanze in grado di bloccare i raggi ultravioletti e dei pigmenti fluorescenti che li convertono in luce visibile, aumentandone l'efficienza complessiva. 10

11 Caratteristiche tecniche Efficienza luminosa h = lm W -1 Vita media 2000 h Temperatura di colore T c =4500 K Resa cromatica R a = Fattore di decadimento del flusso luminoso: 94 % Tempi di accensione e riaccensione = 0 s 11

12 Per ridurre il flusso di raggi infrarossi verso oggetti che possono subire danneggiamenti da eccessivo riscaldamento, esistono speciali lampade alogene dicroiche. Una porzione del bulbo è trattata in modo da presentare un coefficiente di riflessione selettivo che lascia passare il 70% dell IR e riflette il restante 30 % e tutte le lunghezze d onda del visibile. Si ottiene una emissione di luce a basso contenuto termico (per questo sono dette anche lampade alogene a luce fredda) poiché una gran parte è dispersa in zone dove non si svolge il compito visivo si prestano ad illuminazione di merci, opere d arte o particolari architettonici che si deteriorano con il calore. Le lampade dicroiche possono emettere una luce colorata semplicemente con un vetro colorato oppure selezionando opportunamente le bande di lunghezza d onda che possono essere trasmesse. 12

13 Lampade alogene a bassa tensione Lampade alogene di dimensioni molto ridotte con tensioni di funzionamento di 6 V, 12 V e 24 V alimentate da rete tramite trasformatore. Confrontando una lampada alimentata a 220 V con una a bassa tensione, nelle ipotesi di uguaglianza degli spettri di emissione, dei flussi luminosi e delle potenze elettriche dissipate per la alimentazione, mano a mano che si diminuisce la tensione di alimentazione la lunghezza del filamento diminuisce, mentre il diametro aumenta, lasciando inalterata la qualità della luce. Inoltre, fili più corti e di diametro più grosso consentono anche una miniaturizzazione della lampada e di tutto il sistema ottico ottenendo fasci luminosi più concentrati e più facilmente orientabili. Una migliore efficienza luminosa e resa cromatica. 13