Cum funcționează becurile cu incandescență?


Despre lumina din becurile cu incandescență ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională. Becurile incandescente generează lumina datorită efectului Joule, efect prin care electronii în mișcare determină filamentul să emită lumină și căldură (încălzire Joule).

Știm că electronii în mișcare în acel filament generează lumină, dar procesul exact ne scapă multora. Și nu este exact cum ne imaginam.

Atunci când electronii se mișcâ în interiorul filamentului becului aceștia ar trebui să se miște accelerat din cauza câmpului electric generat. Cu toate acestea ei se deplasează cu 10^-1 m/h din cauza frecărilor dintre acești electroni și atomii din filament.

De fapt, deplasarea electronilor în filament este atât de lentă încât nu ai putea să o observi cu ochiul liber. Bill Beaty a calculat, prin 1996, că electronii se deplasează cu aproximativ 0,0023 cm/s. Foarte, foarte încet.

Trebuie menționat faptul că, deși electronii se deplasează foarte încet, energia electrică transmită de aceștia se deplasează cu viteza luminii. Tocmai de aceea vei vedea că becul se aprinde pe loc atunci când apeși pe întrerupător. Ce este acea energie electric? Tocmai unde electromagnetice care sunt dirijate în lungul firului de metal.

În orice caz, chiar și o deplasare atât de lentă dă naștere unor forțe de frecare dintre electroni și atomii din filament suficient de mari încât să genereze câldură și lumină. 90% din energia emisă de un bec incandescent este căldură, nu lumină utilă. Randamentul luminos este <10%. Datorită frecării dintre electroni și atomii din filament energia electronilor este transferată către atomi. Acea energie determină electronii lor de pe stratul superior să urce pe nivele mai înalte de energie. Atomii respectivi se numesc excitați. Cum aceasta nu este starea naturală a acelor atomi, electronii vor coborâ înapoi pe nivelurile de energie fundamentală și vor emite căldură și lumină. Cu alte cuvinte, lumina și căldura dintr-un bec nu șunt generate direct de electronii în mișcare, ci de atomii din filament care revin la starea fundamentală după ce au fost excitați.

Cei de la PBS.org explică fenomenul în termeni de lucru mecanic ce apare datorită frecărilor, lucru mecanic ce generează acea căldură și lumină. De remarcat că același fenomen este valabil și pentru aprinderea chibriturilor, precum zice și domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu. Prin frecare se generează suficient de multă căldură încât să aprindă chibritul.

James Prescott Joule, este cel ce a studiat fenomenul înălzirii cu ajutorul curentului electric prin 1841 cănd a pus un fir de metal în apă și a trecut un curent electric prin acesta. Variind lungimea firului, grosimea și timpul de imersie el a putut stabili că apa se încălzește proporțional cu rezistența firului, cu timpul de folosire și cu intensitatea curentului electric.

incalzire-joule

Desigur, principul este aplicat cu succes la reșourile atât de binecunoscute românilor. Practic, avem reșouri mici în acele becuri incandeșcente și motivul pentru care filamentele nu se topesc este că avem un gaz inert (azot, argon) în interior iar filamentele sunt create din metale cu temperaturi mari de topire, cum este wolframul sau tungstenul.

———————————————-
Surse:
– bec incandescent: http://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb
– efect Joule – http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_effect
– incalzire Joule – http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_heating
– PBS – http://www.pbs.org/wgbh/amex/edison/sfeature/acdc_insidebulb.html
– viteza electronilor in filament – http://amasci.com/miscon/speed.html

thumb-bec-incandescent (Large)

No comments yet... Be the first to leave a reply!

Leave a Reply