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Filamento

Filamento
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Filamento bombilla.jpg
El Filamento: Es un cuerpo en forma de hilo, flexible o rígido, utilizado en el hilo conductor de las lámparas eléctricas

Filamento de tungsteno de una lámpara incandescente está formado por un alambre extremadamente fino, mucho más que el de un cable cualquiera. Por ejemplo, en una lámpara de 60 watt, el filamento puede llegar a medir alrededor de 2 metros de longitud y de grueso solamente 3 x 10-3 = 0,003 mm. Para que la longitud total del filamento ocupe el menor espacio posible, el alambre se reduce por medio de un doble enrollado. De esa forma se logra que ocupe muy poco espacio cuando se coloca entre los dos alambres de cobre que le sirven de electrodos de apoyo dentro de la lámpara.

Historia

En las primeras lámparas incandescentes que existieron se utilizaron diferentes materiales como filamentos. La desarrollada por Edison en 1878, tenía el filamento de carbón, con el inconveniente de ser éste un material poco eficiente y también poco duradero. Después de muchas pruebas, a partir de 1906 se adoptó el uso de alambre de tungsteno, conocido también como wolframio (W), para fabricar los filamentos por ser mucho más resistente y duradero que el de carbón. Al haberse obtenido mejores resultados con el wolframio, este metal se ha continuado utilizando hasta nuestros días, incluso para fabricar otros tipos de lámparas mucho más eficientes que las incandescentes.

Funcionamiento

Para que un metal llegue al blanco incandescente es necesario calentarlo a una temperatura excesivamente alta, lo que conlleva a que en condiciones ambientales normales se funda o derrita.

No obstante, cuando se completa el triángulo que forma un material inflamable, una temperatura alta y la presencia de oxígeno, se produce la combustión, por lo que en condiciones normales el tungsteno también combustiona o se derrite cuando alcanza una temperatura muy alta. Ese es el motivo por el cual el filamento de las lámparas incandescente se encuentra encerrado en una bombilla de cristal carente de oxígeno.

Ventajas y desventajas

Ventajas

  • La ventaja del tungsteno radica en que al ser un metal cuya temperatura de fusión es muy alta, se convierte en un material idóneo para rendir muchas más horas de trabajo que cualquier otro metal, además de ser relativamente barato de producir.

Desventajas

  • Pero aún bajo esas condiciones de protección, el filamento de tungsteno presenta otro problema y es que el metal se evapora al alcanzar temperaturas tan altas como la que produce la incandescencia. En ese estado, algunos átomos de tungsteno se excitan tan violentamente que saltan al vacío dentro de la bombilla y se depositan en la pared interna del cristal, ennegreciéndolo y volviéndolo opaco a medida que más se utiliza la lámpara. Ese fenómeno ya lo había observado Edison en su época, pero no supo darle explicación lógica, ni aplicación práctica útil, aunque en su honor se denominó posteriormente “efecto Edison”.

Avances

A raíz de este descubrimiento, pocos años después el efecto Edison constituyó la base para la creación de las primeras válvulas electrónicas de vacío rectificadoras y detectoras "diodo", inventada por Sir John Ambrose Fleming, así como las amplificadoras "triodo", inventada por Lee de Forest, que abrieron el camino al desarrollo de la electrónica.

Debido al propio proceso de evaporación, el filamento de tungsteno se va desintegrando con las horas de uso y la vida útil de la lámpara se reduce. Cuando ese proceso llega a su límite, el filamento se parte por el punto más débil y deja de alumbrar. Decimos entonces que la lámpara se ha fundido.

Para evitar el rápido deterioro del filamento por evaporación, desde 1913 se adoptó el uso del gas argón en el interior de las bombillas. De esa forma se logra disminuir en cierta medida la evaporación del metal, pues los átomos del tungsteno evaporados al impactar con los átomos del gas argón rebotan hacia el filamento y se depositan de nuevo en su estructura metálica sin que se produzca una reacción de combustión. Gracias a esta técnica se ha podido lograr que una lámpara incandescente normal pueda llegar a tener aproximadamente entre 750 y mil horas de vida útil.

A partir de la tecnología de las lámparas incandescentes se han desarrollado posteriormente otros dispositivos de iluminación más eficientes como, por ejemplo, las lámparas halógenas y, sobre todo, los tubos fluorescentes y las lámparas fluorescentes de bajo consumo.

Resultado de las aspiras

Después, en 1913 Langmuir descubrió que si el filamento se arrollaba en espiral adoptando la forma de un cilindro corto y grueso, en lugar de una estructura de zig-zag o jaula como en las lámparas de vacío, era posible la introducción de un gas inerte que no provocara la oxidación del filamento a las altas temperaturas de trabajo y que además permitía frenar en alto grado la evaporación del tungsteno, fenómeno responsable de la disgregación del filamento y por tanto de su adelgazamiento y rotura, así como de su posterior condensación y deposición sobre la superficie interna de la ampolla, con el consiguiente ennegrecimiento y pérdida de transmisión luminosa. Así se llegó a la construcción de lámparas cuyo filamento podía trabajar a temperaturas superiores sin un desgaste adicional pero con un rendimiento muy superior, además de emitir una luz notablemente más blanca. Los gases utilizados para el relleno suelen ser el nitrógeno y el argón, en forma de mezcla, a una presión interna de uno a dos tercios de atmósfera aproximadamente. Otros gases utilizados corrientemente son el kriptón y el xenón, que tienen la ventaja de su menor conductividad térmica y mayor peso atómico, lo que permite al filamento alcanzar temperaturas aún mayores y por tanto, rendimientos más elevados con mejor calidad de luz.

Utilización del filamento con otros agregados

Para la obtención de condiciones superiores a las ates mencionadas, al gas de relleno de las ampollas se añaden determinados compuestos halógenos, como el yodo, que tiene la propiedad de evitar la condensación del vapor de tungsteno sobre la cara interna de la ampolla, devolviéndolo al menos en parte, a la superficie del filamento, evitando tanto el ennegrecimiento interior de aquella, como la desintegración prematura del filamento. Normalmente, para éste tipo de lámparas llamadas HALÓGENAS, se utilizan ampollas de muy pequeño tamaño, debido a que su superficie ha de encontrarse a una temperatura muy elevada para que se produzca el ciclo del yoduro de tungsteno; por ello, ésta se fabrica a base de vidrio de cuarzo de elevado punto de fusión.

Este tipo de lámpara, de gran difusión en la actualidad, supera a todos los anteriores en cuanto a rendimiento y calidad de luz, alcanzando el máximo perfeccionamiento que pueda llegar a obtenerse mediante el uso del filamento metálico incandescente, ya que en algunos modelos de lámparas halógenas de gran potencia para iluminación de estudios fotográficos, de cine o televisión, así como para proyectores cinematográficos, se llega a forzar la temperatura de sus filamentos casi hasta los 3200°C, muy cercana al punto de fusión del tungsteno, precisando del uso de sistemas de refrigeración mediante aire forzado, a base de ventiladores. Su campo de utilización abarca casi cualquier aplicación que se nos pudiera ocurrir: desde los grandes sistemas de proyección e iluminación escénica hasta las más modestas linternas de bolsillo, pasando por la iluminación decorativa, automoción y alumbrado de interiores, por citar sólo algunos ejemplos de uso de las bombillas halógenas, también conocidas como "de cuarzo-yodo".

Fuentes