Una lámpara de arco o luz de arco es una lámpara que produce luz mediante un arco eléctrico (también llamado arco voltaico).
La lámpara de arco de carbono, que consiste en un arco entre electrodos de carbono en el aire, inventada por Humphry Davy en la primera década del siglo XIX, fue la primera luz eléctrica práctica . [1] [2] Se utilizó ampliamente a partir de la década de 1870 para la iluminación de calles y grandes edificios hasta que fue reemplazada por la luz incandescente a principios del siglo XX. [1] Continuó utilizándose en aplicaciones más especializadas donde se necesitaba una fuente de luz puntual de alta intensidad, como reflectores y proyectores de películas hasta después de la Segunda Guerra Mundial . La lámpara de arco de carbono ahora está obsoleta para la mayoría de estos propósitos, pero todavía se utiliza como fuente de luz ultravioleta de alta intensidad .
El término se utiliza ahora para las lámparas de descarga de gas , que producen luz mediante un arco entre electrodos de metal a través de un gas en una bombilla de vidrio. La lámpara fluorescente común es una lámpara de arco de mercurio de baja presión. [3] La lámpara de arco de xenón , que produce una luz blanca de alta intensidad, se utiliza ahora en muchas de las aplicaciones que antes utilizaban el arco de carbono, como proyectores de películas y reflectores.
Un arco es la descarga que se produce cuando se ioniza un gas . Se aplica un pulso de alto voltaje a la lámpara para "encender" o "activar" el arco, después de lo cual la descarga se puede mantener a un voltaje más bajo. El "activador" requiere un circuito eléctrico con un encendedor y un balasto . El balasto está conectado en serie con la lámpara y realiza dos funciones.
En primer lugar, cuando se enciende la lámpara por primera vez, el encendedor/arrancador (que está conectado en paralelo a la lámpara) establece una pequeña corriente a través del balasto y el arrancador. Esto crea un pequeño campo magnético dentro de los devanados del balasto. Un momento después, el arrancador interrumpe el flujo de corriente del balasto, que tiene una alta inductancia y, por lo tanto, intenta mantener el flujo de corriente (el balasto se opone a cualquier cambio en la corriente a través de él); no puede, ya que ya no hay un "circuito". Como resultado, aparece un alto voltaje a través del balasto momentáneamente, al que está conectada la lámpara; por lo tanto, la lámpara recibe este alto voltaje a través de él que "activa" el arco dentro del tubo/lámpara. El circuito repetirá esta acción hasta que la lámpara esté lo suficientemente ionizada como para mantener el arco.
Cuando la lámpara mantiene el arco, el balasto cumple su segunda función: limitar la corriente a la necesaria para que funcione la lámpara. La lámpara, el balasto y el encendedor tienen la misma potencia nominal que el componente averiado; estas piezas deben reemplazarse por otras con la misma potencia nominal que el componente averiado o la lámpara no funcionará.
El color de la luz emitida por la lámpara cambia a medida que sus características eléctricas cambian con la temperatura y el tiempo. Los relámpagos son un principio similar en el que la atmósfera se ioniza por la alta diferencia de potencial (voltaje) entre la Tierra y las nubes de tormenta.
La temperatura del arco de una lámpara de arco puede alcanzar varios miles de grados Celsius. La envoltura de vidrio exterior puede alcanzar los 500 grados Celsius, por lo que antes de realizar el mantenimiento, es necesario asegurarse de que la bombilla se haya enfriado lo suficiente para poder manipularla. A menudo, si este tipo de lámparas se apagan o pierden el suministro de energía, no se puede volver a encender la lámpara durante varios minutos (llamadas lámparas de reencendido en frío). Sin embargo, algunas lámparas (principalmente tubos fluorescentes/lámparas de ahorro de energía) se pueden volver a encender tan pronto como se apagan (llamadas lámparas de reencendido en caliente).
La lámpara de arco de plasma de pared de agua Vortek, inventada en 1975 por David Camm y Roy Nodwell en la Universidad de Columbia Británica , Vancouver, Canadá, figuró en el Libro Guinness de los récords mundiales en 1986 y 1993 como la fuente de luz de combustión continua más potente, con más de 300 kW o 1,2 millones de candelas. [4]
En una lámpara de arco de carbón , los electrodos son varillas de carbón en el aire libre. Para encender la lámpara, las varillas se tocan entre sí, lo que permite que un voltaje relativamente bajo genere el arco. [1] Luego, las varillas se separan lentamente y la corriente eléctrica calienta y mantiene un arco a través del espacio. Las puntas de las varillas de carbón se calientan y el carbón se vaporiza. [1] Las varillas se queman lentamente con el uso y la distancia entre ellas debe ajustarse regularmente para mantener el arco. [1]
Se han inventado muchos mecanismos ingeniosos para controlar la distancia automáticamente, la mayoría de ellos basados en solenoides . En una de las formas más simples reguladas mecánicamente (que pronto fue reemplazada por dispositivos de acción más suave), los electrodos están montados verticalmente. La corriente que alimenta el arco pasa en serie a través de un solenoide conectado al electrodo superior. Si las puntas de los electrodos se tocan (como en el arranque), la resistencia cae, la corriente aumenta y la mayor atracción del solenoide separa las puntas. Si el arco comienza a fallar, la corriente cae y las puntas se cierran nuevamente.
La vela Yablochkov es una lámpara de arco simple sin regulador, pero tiene los inconvenientes de que el arco no se puede reiniciar (uso único) y una vida útil limitada de solo unas pocas horas.
El espectro emitido por una lámpara de arco de carbono es el más cercano al de la luz solar de cualquier lámpara. Fue una de las primeras luces eléctricas, y su intensa y dura emisión generalmente limitaba su uso a la iluminación de grandes áreas. Aunque en el momento de su invención se desconocían las longitudes de onda invisibles, pronto se descubrió que las lámparas sin encapsular producían grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta dañina que no se encuentra en la luz solar. Si el arco se encerraba en un globo de vidrio, se descubrió que muchos de estos rayos invisibles podían bloquearse. Sin embargo, los arcos de carbono pronto fueron reemplazados por lámparas incandescentes y de descarga de gas más seguras, eficientes, versátiles y fáciles de mantener. Las lámparas de arco de carbono todavía se utilizan donde se necesita una aproximación cercana a la luz solar, para probar materiales, pinturas y revestimientos en busca de desgaste, decoloración o deterioro, o, por ejemplo, materiales de naves espaciales que se expondrán a la luz solar en órbitas más cercanas que la de la Tierra. [5]
El arco está formado por vapor de carbono puro calentado hasta alcanzar un estado de plasma. Sin embargo, el arco aporta muy poca luz y se considera no luminoso, ya que la mayor parte de su emisión se produce en líneas espectrales en las porciones violeta y ultravioleta del espectro. La mayor parte de los espectros de carbono se producen en una línea muy ancha centrada en 389 nm (UV-A, justo fuera del espectro visual) y una línea muy estrecha a 250 nm (UV-B), además de algunas otras líneas menos potentes en la UV-C.
La mayor parte de la radiación visible e infrarroja se produce a partir de la incandescencia creada en el electrodo positivo o ánodo. A diferencia de los ánodos de tungsteno que se encuentran en otras lámparas de arco, que permanecen relativamente fríos, el carbono produce una resistencia mucho mayor y los electrones se ven obligados a entrar en el ánodo en el punto más caliente, lo que genera enormes cantidades de calor que vaporizan el carbono y crean un hoyo en la superficie del ánodo. Este hoyo se calienta de 6000 a 6500 grados Fahrenheit (3300 a 3600 grados Celsius, justo por debajo de su punto de fusión), lo que hace que brille con gran intensidad con incandescencia. Debido a esto, los electrodos a menudo se colocaban en ángulos rectos entre sí con el ánodo hacia afuera para evitar bloquear su salida de luz. Dado que el carbono tiene el punto de fusión más alto de todos los elementos, es la única lámpara cuya radiación de cuerpo negro es capaz de casi igualar la temperatura del Sol de 10.000 grados Fahrenheit (5.500 grados Celsius), especialmente cuando se utilizan filtros para eliminar la mayor parte de la luz IR y UV. [6]
El concepto de iluminación con arco de carbón fue demostrado por primera vez por Humphry Davy a principios del siglo XIX, pero las fuentes no coinciden en cuanto al año en que lo demostró por primera vez; se mencionan 1802, 1805, 1807 y 1809. Davy utilizó barras de carbón y una batería de dos mil celdas para crear un arco a lo largo de un espacio de 100 mm (4 pulgadas). Montó sus electrodos horizontalmente y observó que, debido al fuerte flujo de convección del aire, el arco tenía la forma de un arco. Acuñó el término "lámpara de arco", que se redujo a "lámpara de arco" cuando los dispositivos comenzaron a usarse comúnmente. [7]
A finales del siglo XIX, la iluminación con arco eléctrico se utilizaba ampliamente para el alumbrado público. La tendencia de los arcos eléctricos a parpadear y silbar era un problema importante. En 1895, Hertha Ayrton escribió una serie de artículos para The Electrician , explicando que estos fenómenos eran el resultado del contacto del oxígeno con las barras de carbono utilizadas para crear el arco. [8] [9] En 1899, fue la primera mujer en leer su propio artículo ante la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su artículo fue "El silbido del arco eléctrico". [10]
La lámpara de arco proporcionó uno de los primeros usos comerciales de la electricidad, un fenómeno que anteriormente estaba confinado a la experimentación, el telégrafo y el entretenimiento. [11]
En los Estados Unidos, hubo intentos de producir lámparas de arco comercialmente después de 1850, pero la falta de un suministro constante de electricidad frustró los esfuerzos. Por lo tanto, los ingenieros eléctricos comenzaron a centrarse en el problema de mejorar el dinamo de Faraday . El concepto fue mejorado por varias personas, entre ellas William Edwards Staite y Charles F. Brush . No fue hasta la década de 1870 que las lámparas como la vela de Yablochkov se vieron más comúnmente. En 1877, el Instituto Franklin realizó una prueba comparativa de sistemas de dinamo. El desarrollado por Brush funcionó mejor, y Brush aplicó inmediatamente su dinamo mejorado a la iluminación de arco, siendo una aplicación temprana la plaza pública en Cleveland, Ohio , el 29 de abril de 1879. [12] A pesar de esto, Wabash, Indiana, afirma ser la primera ciudad en ser iluminada con "luces de Brush". Cuatro de estas luces se activaron allí el 31 de marzo de 1880. [13] Wabash era una ciudad lo suficientemente pequeña como para estar iluminada en su totalidad por 4 luces, mientras que la instalación en la Plaza Pública de Cleveland solo iluminó una parte de esa ciudad más grande. [14] En 1880, Brush fundó la Brush Electric Company .
La luz dura y brillante resultó ser la más adecuada para áreas públicas, como la Plaza Pública de Cleveland, siendo aproximadamente 200 veces más potente que las lámparas de filamento contemporáneas .
El uso de las lámparas de arco eléctrico con escobillas se extendió rápidamente. Scientific American informó en 1881 que el sistema se estaba utilizando en: [15] 800 lámparas en laminadores, acerías, tiendas, 1.240 lámparas en fábricas de lana, algodón, lino, seda y otras, 425 lámparas en grandes tiendas, hoteles, iglesias, 250 lámparas en parques, muelles y lugares de veraneo, 275 lámparas en depósitos y tiendas de ferrocarril, 130 lámparas en minas, fundiciones, 380 lámparas en fábricas y establecimientos de diversos tipos, 1.500 lámparas en estaciones de iluminación, para iluminación urbana, 1.200 lámparas en Inglaterra y otros países extranjeros. En total, más de 6.000 lámparas que se vendieron en la actualidad.
En la década de 1880 se produjeron tres avances importantes: František Křižík inventó en 1880 un mecanismo que permitía el ajuste automático de los electrodos. Los arcos se encerraban en un pequeño tubo para ralentizar el consumo de carbono (lo que aumentaba la vida útil a unas 100 horas). Se introdujeron las lámparas de arco de llama, en las que se añadían sales metálicas (normalmente fluoruros de magnesio, estroncio, bario o calcio) a las varillas de carbono para aumentar la salida de luz y producir diferentes colores.
En los EE. UU., la protección de patentes de los sistemas de iluminación de arco y las dinamos mejoradas resultó difícil y, como resultado, la industria de la iluminación de arco se volvió altamente competitiva. La principal competencia de Brush fue el equipo de Elihu Thomson y Edwin J. Houston . Estos dos habían formado la American Electric Corporation en 1880, pero pronto fue comprada por Charles A. Coffin , se mudó a Lynn, Massachusetts y cambió el nombre a Thomson-Houston Electric Company . Sin embargo, Thomson siguió siendo el principal genio inventivo detrás de la empresa que patentó mejoras en el sistema de iluminación. Bajo el liderazgo del abogado de patentes de Thomson-Houston, Frederick P. Fish , la empresa protegió sus nuevos derechos de patente. La administración de Coffin también llevó a la empresa hacia una política agresiva de adquisiciones y fusiones con competidores. Ambas estrategias redujeron la competencia en la industria de fabricación de iluminación eléctrica. En 1890, la empresa Thomson-Houston era la empresa de fabricación eléctrica dominante en los EE. UU. [16]
A finales de siglo, los sistemas de iluminación por arco eléctrico estaban en decadencia, pero Thomson-Houston controlaba patentes clave para los sistemas de iluminación urbana. Este control frenó la expansión de los sistemas de iluminación incandescente que estaba desarrollando la Edison General Electric Company de Thomas Edison . Por el contrario, el control de Edison sobre las patentes de maquinaria de distribución y generación de corriente continua bloqueó una mayor expansión de Thomson-Houston. El obstáculo a la expansión se eliminó cuando las dos empresas se fusionaron en 1892 para formar la General Electric Company . [16]
Las lámparas de arco se utilizaban en algunos de los primeros estudios cinematográficos para iluminar tomas interiores. Un problema era que producían un nivel tan alto de luz ultravioleta que muchos actores necesitaban llevar gafas de sol cuando no estaban en cámara para aliviar el dolor de ojos causado por la luz ultravioleta. El problema se solucionó añadiendo una lámina de vidrio de ventana común delante de la lámpara, bloqueando la luz ultravioleta. En los albores del "cine sonoro", las lámparas de arco habían sido sustituidas en los estudios cinematográficos por otros tipos de luces. [17] En 1915, Elmer Ambrose Sperry comenzó a fabricar su invento de un reflector de arco de carbono de alta intensidad . Estos se utilizaron a bordo de los buques de guerra de todas las armadas durante el siglo XX para hacer señales e iluminar a los enemigos. [18] En la década de 1920, las lámparas de arco de carbono se vendían como productos de salud familiar, un sustituto de la luz solar natural. [19]
Las lámparas de arco fueron reemplazadas por lámparas de filamento en la mayoría de las funciones, permaneciendo solo en ciertas aplicaciones de nicho como la proyección de cine , los focos y los reflectores. En los años 1950 y 1960, la CC de alta potencia para la lámpara de arco de carbono de un proyector de autocine al aire libre normalmente se suministraba mediante una combinación de motor-generador (motor de CA que alimenta un generador de CC). Incluso en estas aplicaciones, las lámparas de arco de carbono convencionales quedaron obsoletas en su mayoría por las lámparas de arco de xenón , pero todavía se fabricaban como focos al menos hasta 1982 [20] y todavía se fabrican para al menos un propósito: simular la luz solar en máquinas de "envejecimiento acelerado" destinadas a estimar qué tan rápido es probable que un material se degrade por la exposición ambiental. [21] [22]
La iluminación con arco de carbono dejó su impronta en otras prácticas de proyección de películas. La práctica de enviar y proyectar películas en carretes de 2000 pies y emplear "cambios" entre dos proyectores se debía a que las varillas de carbono utilizadas en las lámparas de los proyectores tenían una vida útil de aproximadamente 22 minutos (que corresponde a la cantidad de película en dichos carretes cuando se proyecta a 24 fotogramas por segundo). El proyeccionista observaba cómo se quemaba la varilla a simple vista (a través de una mirilla como la de un soldador) y reemplazaba la varilla de carbono cuando cambiaba los carretes de película. La configuración de cambio de dos proyectores desapareció en gran medida en la década de 1970 con la llegada de las lámparas de xenón para proyectores, y fue reemplazada por sistemas de plato de un solo proyector , aunque las películas continuaron enviándose a los cines en carretes de 2000 pies.
se activa mediante un arco de mercurio de baja presión.
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