Lampadina a incandescenza

Una lampadina a incandescenza produce luce facendo passare corrente in un filamento sottile finché diventa incandescente, dentro un bulbo di vetro svuotato d'aria perché il filamento non bruci. Joseph Swan e Thomas Edison la resero utilizzabile nel 1879, e per più di un secolo illuminò case e strade.

Che cos’è

La lampadina a incandescenza è un bulbo di vetro con dentro un filo sottilissimo, il filamento, che si illumina quando lo attraversa una corrente. Prima di lei le case si illuminavano con le fiamme: candele, lumi a olio e becchi a gas, che fumavano e spesso causavano incendi. Esistevano già le lampade elettriche ad arco, ma erano troppo intense per una stanza.

La lampada della tavola è del tipo prodotto dalla fabbrica di Edison nei primi anni Ottanta dell’Ottocento. Le sue discendenti sono state la normale lampada di casa per gran parte del Novecento, finché le lampade fluorescenti compatte e poi i LED ne hanno preso il posto.

Come funziona

Ogni materiale scaldato abbastanza emette luce. La resistenza elettrica trasforma in calore l’energia della corrente, e un filamento sottile passa dal rosso scuro all’arancione, fino al calor bianco. Più è caldo, più la luce è bianca e il rendimento alto, ma più in fretta il filamento evapora.

All’aria un filo di carbonio o di metallo al calor bianco brucia in pochi istanti, perciò il bulbo viene svuotato, o più tardi riempito di gas inerte. La pompa si collega in cima con un sottile tubo di vetro, che poi viene chiuso alla fiamma: è la piccola punta di evacuazione delle vecchie lampadine.

Nella pompa di Sprengel ogni goccia di mercurio che cade intrappola un po’ d’aria e la trascina verso il basso del tubo.

I fili che portano la corrente al filamento devono attraversare il vetro. Vetro e metallo si dilatano in misura diversa, e una saldatura mal assortita si crepa quando la lampada si scalda. Il platino si dilata quasi come il vetro usato nelle prime lampadine, che avevano perciò corti fili di platino attraverso uno stelo di vetro, uniti a rame più economico nell’attacco.

Edison progettò la lampadina insieme alla rete di alimentazione. Un filamento ad alta resistenza elettrica assorbe poca corrente a circa 100 volt, così le lampade si collegano in parallelo, ognuna con il suo interruttore, su conduttori di rame di sezione contenuta.

Solo il 5-10% circa dell’elettricità di una lampada a incandescenza esce come luce visibile; il resto diventa calore.

Come costruirla

Una lampadina che duri richiede un soffiatore di vetro, una pompa che raggiunga una pressione molto bassa e un filamento dimensionato per la tensione di alimentazione. Solo il primo passaggio è una dimostrazione sicura da fare in casa; gli altri descrivono come si fabbricavano le prime lampade in laboratorio.

Vedere il principio. Fissare un pezzetto di mina sottile da matita tra due morsetti metallici su una piastrella di ceramica e coprirlo con un barattolo di vetro capovolto. Alimentarlo con un alimentatore da banco regolato a circa 12 volt, con il limite di corrente al minimo, poi alzare il limite lentamente. La mina diventa arancione, poi si spezza bruciando nell’ossigeno sotto il barattolo: ecco perché il bulbo va svuotato d’aria.

Carbonizzare il filamento. Nei laboratori si chiudevano anse di bambù o di filo di cotone nel carbone di legna in polvere, dentro un crogiolo con coperchio e sfiato, che si scaldava al calor rosso in forno per ore. Senza aria la fibra diventa carbonio invece di cenere; i gas che escono sono infiammabili e contengono monossido di carbonio.

Sigillare i fili. Due corti fili di platino, o di un altro metallo adatto al vetro, venivano fusi in uno stelo di vetro; il filamento si fissava alle loro punte con pasta di carbonio, e lo stelo si saldava nel collo di un bulbo soffiato, con un sottile tubo di evacuazione in cima. Un filamento a bassa tensione deve essere più corto e più spesso di uno da 100 volt.

Pompare e scaldare. Con il bulbo sulla pompa, una corrente moderata nel filamento espelleva i gas dal carbonio e dal vetro. Quando la pressione smetteva di scendere, il tubo veniva chiuso alla fiamma.

Montare l’attacco. Un attacco a vite di ottone veniva fissato al collo con il gesso, con un filo saldato al bossolo filettato e l’altro al contatto centrale.

Sicurezza. La tensione di rete può uccidere: fare le prove solo con un alimentatore da banco a corrente limitata sotto i 24 volt, mai da una presa a muro, e non collegare mai direttamente un filamento a una batteria d’auto o al litio. Filamenti, vetro e morsetti scottano abbastanza da ustionare la pelle e incendiare la carta: lavorare su una piastrella, lontano da materiali infiammabili. Un bulbo svuotato d’aria può implodere e proiettare vetro: indossare occhiali protettivi e lavorare dietro uno schermo trasparente. I vapori di mercurio sono tossici: non costruire né usare una pompa a mercurio in casa. Non scaldare mai un recipiente chiuso: la carbonizzazione libera gas infiammabili e monossido di carbonio e va fatta all’aperto in un forno con sfiato, non in casa.

Storia ed evoluzione

Le fibre di bambù carbonizzato duravano molto più a lungo della carta e del filo usati nelle prime lampadine.

Nel 1802 Humphry Davy rese incandescente una striscia di platino con una grande batteria, e nel 1840 Warren de la Rue mise una spirale di platino dentro un tubo a vuoto. Il platino costava troppo; il carbonio era economico, ma bruciava nell’aria lasciata dalle pompe dell’epoca.

In Inghilterra Joseph Swan studiava filamenti di carta carbonizzata dal 1850 circa. Una prova del 1860, in un bulbo svuotato male, fallì. Dal 1875 usò la nuova pompa a mercurio di Sprengel e, tra dicembre 1878 e febbraio 1879, presentò a Newcastle upon Tyne lampade a carbonio funzionanti. Nel dicembre 1880 installò lampade a Cragside, dimora dell’industriale William Armstrong.

Intorno al 1910 il filo di tungsteno trafilato sostituì il carbonio e diede una luce più bianca, con un rendimento migliore.

A Menlo Park, nel New Jersey, il laboratorio di Thomas Edison scelse un filamento di carbonio ad alta resistenza. Il 22 ottobre 1879 una lampada con un filo di cotone carbonizzato rimase accesa 13,5 ore; il gruppo aumentò poi la corrente, e circa un’ora dopo il bulbo si surriscaldò e si incrinò. La sera del 31 dicembre 1879 Edison illuminò laboratorio e strada per i visitatori, usando filamenti di cartoncino carbonizzato a ferro di cavallo. Nel 1880 adottò il bambù, con durate riportate di circa 1.200 ore, e nel 1882 la centrale di Pearl Street iniziò ad alimentare lampade nel sud di Manhattan. Dopo una disputa sui brevetti in Gran Bretagna, nel 1883 le società di Swan e di Edison si fusero in «Ediswan».

Intorno al 1910 William Coolidge, alla General Electric, riuscì a trafilare in filo sottile il fragile tungsteno. Al calor bianco questo metallo evapora molto più lentamente del carbonio, e le lampade poterono lavorare più calde. Irving Langmuir riempì poi i bulbi di un gas inerte, all’inizio azoto, che frena ancora l’evaporazione, e avvolse il filamento a spirale. Dal 2009 l’Unione europea, seguita da molti altri paesi, ha cominciato a ritirare le comuni lampadine a incandescenza; le lampade fluorescenti compatte e poi i LED le hanno sostituite.