Riusciamo ad illuminare una piccola stanza con una semplice mina di matita?
Oggi vi presento il terzo dei sei progetti presentati alla mostra di Padova Sperimentando !
La lampadina a grafite!
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La lampadina a incandescenza è una fonte luminosa artificiale, basata sul fatto che vengono emessi dei fotoni quando un conduttore viene riscaldato. Ad opportune temperature, per quel materiale, la radiazione emessa può essere osservata nel visibile.
Le lampadine ad incandescenza moderne sono costituite da un bulbo di vetro dove all’interno vi è un filo di tungsteno, nel bulbo vi è un gas inerte che tende a evitare l’ossidazione. Il tungsteno attraversato da corrente elettrica, si riscalda per effetto Joule comportandosi da resistenza e raggiunge una temperatura di 2700K. La durata di un filo di tungsteno può arrivare anche a mille ore !
Edison arrivò all’uso del tungsteno dopo ben 6000 tentativi con materiali diversi. All’inizio venne utilizzato del carbonio (oggi facilmente reperibile in cartoleria, come grafite), ma il carbonio aveva una breve durata.
Una lampada a incandescenza moderna (oggi non sono più in vendita) produce luce per il riscaldamento del filamento di tungsteno (che fonde a 3387 °C) ottenuto con il passaggio in esso di corrente elettrica. Il filamento è immerso in un gas inerte, in genere argon, per ostacolare la sua sublimazione testimoniata dall'annerimento del bulbo di vetro. A causa della bassa temperatura di esercizio di circa 2400 °C (bassa considerando lo spettro di emissione confrontato con la sensibilità dell'occhio umano) solo l' 1,8 - 2,5 % dell'energia è emessa come luce visibile (lumen/watt). La parte restante viene dispersa molto nell'infrarosso e poco nell'ultravioletto e riscalda sia il gas sia il vetro e, per conduzione, viene dissipata attraverso i reofori che sostengono il filamento. Dunque il suo rendimento luminoso è molto basso.
E’ stato costruito un semplice circuito alimentato da una pila che eroga una differenza di potenziale di 4,5 V. Si osserva che inizialmente la mina si riscalda, poi dopo alcuni secondi diventa incandescente.
Il fenomeno può essere facilmente spiegato con l’effetto Joule. La mina viene attraversata da corrente elettrica, essendo un componente dotato di resistenza si riscalda, fino ad emettere nel visibile.
Sono stati fatti vari tentativi, utilizzando anche generatori (autocostruiti) ad elevato amperaggio (fino a 2A ) , in questi casi, come si vede dalle foto, l’incandescenza della grafite è immediata. La sua luminosità è elevata, ma la sua durata breve, appena pochi secondi e si usura, spezzandosi.
In queste condizioni siamo riusciti a misurare la resistenza della mina come 1,2 Ω e la corrente di 3 A, ottenendo così una potenza di P=10,8 W .
L’utilizzo di un basso amperaggio e di una tensione di almeno 4V ci ha affascinato, perché la mina mantiene il suo funzionamento più a lungo ed inoltre si possono fare alcune considerazioni.
Perché la lampadina non va subito in incandescenza?
Abbiamo effettuato una misura della resistenza prima a “freddo” e tabulato, il valore della resistenza subito dopo la chiusura del circuito. Non ci è stato possibile misurare la temperatura di utilizzo, ma ci aspettiamo che essa aumenti, quindi all’aumentare del tempo anche la temperatura aumenta, a circuito chiuso.
Per la mina da 0,3mm la resistenza misurata è di 1 Ohm per centimetro
La tensione misurata ai capi della mina durante la chiusura del circuito è stata:
Tensione (V) Tempo (secondi)
3,1 10
2,9 20
3,0 30
3,0 40
4,05 50
La potenza della nostra lampadina è risultata essere pari a :
Potenza=2,25 Watt
La lampadina quando raggiunge poi la tensione di 4 V, si spegne dopo alcuni minuti perché la mina
si spezza.
All’inizio si osserva che dalla mina esce del fumo, segno del fatto che si sta riscaldando ma non riesce ad emettere ancora luce, solo dopo un po’ di tempo (probabilmente perché si assottiglia, si consuma) diminuendo la sua resistenza, aumenta la corrente che l’attraversa, quindi la tensione ai suoi capi, fino ad illuminarsi. Il fenomeno dura alcuni minuti poi la mina si usura e si spezza.
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 scheda lampadina a grafite.pdf | [ ] |