Una lámpara de arco o luz de arco es una lámpara que produce luz mediante un arco eléctrico (también llamado arco voltaico).
La luz de arco de carbón, que consiste en un arco entre electrodos de carbón 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 carbón está actualmente obsoleta para la mayoría de estos fines, 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 metálicos 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 antiguamente 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 pulsa un alto voltaje a través de la lámpara para "encender" o "encender" el arco, después de lo cual la descarga se puede mantener a un voltaje más bajo. El "encendido" requiere de un circuito eléctrico con un encendedor y un balastro . El balastro está conectado en serie con la lámpara y realiza dos funciones.
Primero, cuando se enciende la energía por primera vez, el encendedor/arrancador (que está cableado en paralelo a través de la lámpara) establece una pequeña corriente a través del balastro y el arrancador. Esto crea un pequeño campo magnético dentro de los devanados del balastro. Un momento después el arrancador interrumpe el flujo de corriente procedente del balastro, que tiene una alta inductancia y por tanto intenta mantener el flujo de corriente (el balastro se opone a cualquier cambio de corriente a través de él); no puede, porque ya no existe un "circuito". Como resultado, aparece momentáneamente un alto voltaje a través del balastro al que está conectada la lámpara; por lo tanto, la lámpara recibe este alto voltaje a través de ella que "genera" el arco dentro del tubo/lámpara. El circuito repetirá esta acción hasta que la lámpara esté lo suficientemente ionizada para sostener el arco.
Cuando la lámpara sostiene el arco, el balastro realiza su segunda función, limitar la corriente a la necesaria para operar la lámpara. La lámpara, el balasto y el encendedor coinciden entre sí; Estas piezas deben reemplazarse con la misma clasificación que el componente defectuoso 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 rayos 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 en una lámpara de arco puede alcanzar varios miles de grados Celsius. La envoltura exterior de vidrio puede alcanzar los 500 grados Celsius, por lo que antes de realizar el mantenimiento hay que asegurarse de que la bombilla se haya enfriado lo suficiente como para poder manipularla. A menudo, si este tipo de lámparas se apagan o pierden el suministro eléctrico, no se puede volver a encender la lámpara durante varios minutos (llamadas lámparas de reinicio en frío). Sin embargo, algunas lámparas (principalmente tubos fluorescentes/lámparas de bajo consumo) se pueden volver a encender tan pronto como se apagan (llamadas lámparas de reinicio 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, entró en el Libro Guinness de los Récords Mundiales en 1986 y 1993 como la fuente de luz de combustión continua más potente en más de 300 kW o 1,2 millones de velas. [4]
En una lámpara de arco de carbón , los electrodos son varillas de carbón al aire libre. Para encender la lámpara, las varillas se tocan, permitiendo así 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 barras de carbono se calientan y el carbono se vaporiza. [1] Las varillas se queman lentamente con el uso y es necesario ajustar periódicamente la distancia entre ellas para mantener el arco. [1]
Se inventaron muchos mecanismos ingeniosos para controlar la distancia automáticamente, en su mayoría basados en solenoides . En una de las formas más simples reguladas mecánicamente (que pronto fue reemplazada por dispositivos de acción más suave), los electrodos se montan verticalmente. La corriente que suministra 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 tracción del solenoide separa las puntas. Si el arco comienza a fallar, la corriente cae y los puntos se cierran nuevamente.
La vela Yablochkov es una lámpara de arco simple sin regulador, pero tiene el inconveniente de que el arco no se puede reiniciar (un solo uso) y una vida útil limitada de sólo 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. Una de las primeras luces eléctricas, su potencia dura e intensa generalmente limitaba su uso a iluminar grandes áreas. Aunque las longitudes de onda invisibles eran desconocidas en el momento de su invención, pronto se descubrió que las lámparas abiertas producían grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta dañina que no se encuentran en la luz solar. Si el arco estuviera encerrado en un globo de cristal, se descubrió que muchos de estos rayos invisibles podrían bloquearse. Sin embargo, los arcos de carbón pronto fueron desplazados 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 cuando se necesita una gran aproximación 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 van a exponerse 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 el estado de plasma. Sin embargo, el arco contribuye muy poco a la salida de 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 del espectro de carbono ocurre en una línea muy ancha centrada en 389 nm (UV-A, justo fuera del espectro visual) y una línea muy estrecha en 250 nm (UV-B), además de algunas otras líneas menos poderosas en el espectro visual. UV-C.
La mayor parte de la radiación visible e IR 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 ingresar al ánodo en el punto más caliente, generando enormes cantidades de calor que vaporizan el carbono y crean un hoyo en el ánodo. superficie. Este pozo 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 muy intensamente con incandescencia. Debido a esto, los electrodos a menudo se colocaban en ángulo recto entre sí con el ánodo mirando hacia afuera para evitar bloquear su salida de luz. Dado que el carbono tiene el punto de fusión más alto de cualquier elemento, 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 los rayos IR y UV. luz. [6]
El concepto de iluminación de arco de carbón fue demostrado por primera vez por Humphry Davy a principios del siglo XIX, pero las fuentes no están de acuerdo sobre el año en que lo demostró por primera vez; Se mencionan todos 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 notó que, debido al fuerte flujo de aire por convección, el arco tenía la forma de un arco. Acuñó el término "lámpara de arco", que se contrajo a "lámpara de arco" cuando los dispositivos se volvieron de uso común. [7]
A finales del siglo XIX, la iluminación de 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 varillas 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 antes se limitaba 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. Así, los ingenieros eléctricos comenzaron a centrarse en el problema de mejorar la 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 se vieron con mayor frecuencia lámparas como la vela Yablochkov . En 1877, el Instituto Franklin llevó a cabo una prueba comparativa de sistemas de dinamo. El desarrollado por Brush funcionó mejor, y Brush inmediatamente aplicó su dinamo mejorada a la iluminación de arco, siendo una de las primeras aplicaciones Public Square en Cleveland, Ohio , el 29 de abril de 1879. [12] A pesar de esto, Wabash, Indiana, afirma ser el Primera ciudad iluminada con "Brush Lights". 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 completamente 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 estableció Brush Electric Company .
Se consideró que la luz intensa y brillante era más adecuada para áreas públicas, como la plaza pública de Cleveland, siendo aproximadamente 200 veces más potente que las lámparas de incandescencia contemporáneas .
El uso de luces de arco eléctrico Brush se extendió rápidamente. Scientific American informó en 1881 que el sistema se estaba utilizando en: [15] 800 luces en laminadores, acerías, tiendas, 1240 luces en fábricas de lana, algodón, lino, seda y otras, 425 luces en grandes tiendas, hoteles, iglesias, 250 luces en parques, muelles y lugares de veraneo, 275 luces en depósitos y tiendas de ferrocarril, 130 luces en minas, fundiciones, 380 luces en fábricas y establecimientos de diversa índole, 1.500 luces en estaciones de alumbrado, para alumbrado urbano, 1.200 luces en Inglaterra y otros países extranjeros. En total se venden más de 6.000 lámparas.
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 encerraron en un pequeño tubo para reducir el consumo de carbono (aumentando la vida útil a unas 100 horas). Se introdujeron lámparas de arco de llama donde a las varillas de carbono se les agregaban sales metálicas (generalmente magnesio, estroncio, bario o fluoruros de calcio) para aumentar la salida de luz y producir diferentes colores.
En Estados Unidos, la protección mediante patente de los sistemas de iluminación por arco y las dinamos mejoradas resultó difícil y, como resultado, la industria de la iluminación por 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 , trasladada a Lynn, Massachusetts , y renombrada como Thomson-Houston Electric Company . Sin embargo, Thomson siguió siendo el principal genio inventivo detrás de la empresa al patentar 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 dirección 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 compañía Thomson-Houston era la empresa de fabricación eléctrica dominante en los EE. UU. [16] Nikola Tesla recibió la patente estadounidense 447920, " Método de funcionamiento de lámparas de arco " (10 de marzo de 1891), que describe un alternador de 10.000 ciclos por segundo. para suprimir el sonido desagradable de los armónicos de frecuencia industrial producidos por las lámparas de arco que funcionan en frecuencias dentro del rango del oído humano.
Hacia el cambio de siglo, los sistemas de iluminación de arco estaban en declive, pero Thomson-Houston controlaba patentes clave para los sistemas de iluminación urbana. Este control ralentizó la expansión de los sistemas de iluminación incandescente desarrollados por Edison General Electric Company de Thomas Edison . Por el contrario, el control de Edison sobre la distribución de corriente continua y las patentes de maquinaria de generación 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 . [dieciséis]
En algunos de los primeros estudios cinematográficos se utilizaron lámparas de arco para iluminar tomas interiores. Un problema era que producían un nivel tan alto de luz ultravioleta que muchos actores necesitaban usar gafas de sol cuando estaban fuera de cámara para aliviar el dolor de ojos causado por la luz ultravioleta. El problema se resolvió añadiendo una lámina de vidrio común delante de la lámpara, bloqueando la luz ultravioleta. En los albores del cine sonoro, las lámparas de arco fueron reemplazadas en los estudios de cine por otros tipos de luces. [17] En 1915, Elmer Ambrose Sperry comenzó a fabricar su invención de un reflector de arco de carbono de alta intensidad . Se utilizaron a bordo de buques de guerra de todas las armadas durante el siglo XX para señalar e iluminar a los enemigos. [18] En la década de 1920, las lámparas de arco de carbón se vendían como productos de salud familiar, un sustituto de la luz solar natural. [19]
Las lámparas de arco fueron reemplazadas por lámparas de incandescencia en la mayoría de las funciones, permaneciendo solo en ciertas aplicaciones específicas, como proyección de cine , focos y reflectores. En las décadas de 1950 y 1960, la CC de alta potencia para la lámpara de arco de carbono de un autoproyector para exteriores normalmente era suministrada por una combinación de motor y generador (un motor de CA que alimentaba un generador de CC). Incluso en estas aplicaciones, las lámparas de arco de carbono convencionales quedaron obsoletas en su mayoría debido a las lámparas de arco de xenón , pero todavía se fabricaban como focos al menos en 1982 [20] y todavía se fabrican para al menos un propósito: simular la luz solar en "aceleración". "Envejecimiento" destinadas a estimar qué tan rápido es probable que un material se degrade por la exposición ambiental. [21] [22]
La iluminación con arco de carbón dejó su huella en otras prácticas de proyección cinematográfica. La práctica de enviar y proyectar películas en carretes de 2.000 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 dicho carretes cuando se proyecta a 24 fotogramas/segundo). El proyeccionista observaba a simple vista cómo se quemaba la varilla (a través de una mirilla como el cristal de un soldador) y reemplazaba la varilla de carbono al cambiar 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, siendo reemplazadas por sistemas de plato de un solo proyector , aunque las películas continuarían enviándose a los cines en carretes de 2000 pies.
La lámpara fluorescente es... activada por... un arco de mercurio de baja presión.
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