Lámpara de arco

La lámpara de 15 kW xenon de arco corto utilizado en el sistema de proyección IMAX.

Una lámpara de arco de mercurio de un microscopio de fluorescencia.

Una lámpara de arco largo krypton (top) se muestra por encima de un flashtube xenon. Las dos lámparas, utilizadas para el bombeo láser, son muy diferentes en la forma de los electrodos, en particular, la cátodo (a la izquierda).

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 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. Fue ampliamente utilizado a partir de la década de 1870 para la iluminación de calles y edificios grandes hasta que fue reemplazado por la luz incandescente a principios del siglo XX. Continuó en uso 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 ahora está obsoleta para la mayoría de estos propósitos, pero todavía se usa como fuente de luz ultravioleta de alta intensidad.

El término ahora se utiliza 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. La lámpara de arco de xenón, que produce una luz blanca de alta intensidad, ahora se usa en muchas de las aplicaciones que anteriormente usaban el arco de carbón, como proyectores de películas y reflectores.

Operación

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 "huelga" el arco, después de lo cual la descarga se puede mantener a un voltaje más bajo. La "huelga" requiere un circuito eléctrico con un encendedor y un lastre. El balasto está cableado en serie con la lámpara y realiza dos funciones.

Primero, cuando se enciende la alimentación por primera vez, el encendedor/arrancador (que está cableado en paralelo a través de la lámpara) establece una pequeña corriente a través del balasto y el arrancador. Esto crea un pequeño campo magnético dentro de los devanados de balasto. Un momento después el arrancador interrumpe el flujo de corriente del balasto, que tiene una alta inductancia y por lo tanto trata de mantener el flujo de corriente (el balasto se opone a cualquier cambio de corriente a través de él); no puede, ya que ya no hay un 'circuito'. Como resultado, aparece momentáneamente un alto voltaje a través del balasto, al que está conectada la lámpara; por lo tanto, la lámpara recibe este alto voltaje que 'golpea' 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 balasto realiza su segunda función, limitar la corriente a la necesaria para operar la lámpara. La lámpara, el balasto y el encendedor están clasificados 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 relámpagos son un principio similar en el que la atmósfera se ioniza por la gran diferencia de potencial (voltaje) entre la tierra y las nubes de tormenta.

Una lámpara de arco de krypton durante la operación.

La temperatura del arco en una lámpara de arco puede alcanzar varios miles de grados centígrados. El sobre de vidrio exterior puede alcanzar los 500 grados centígrados, por lo tanto, antes de realizar el mantenimiento, debe asegurarse de que la bombilla se haya enfriado lo suficiente como para manipularla. A menudo, si estos tipos de lámparas se apagan o pierden su fuente de alimentación, 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 bajo consumo) 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, entró en el Libro Guinness de los récords mundiales en 1986 y 1993 como la luz de combustión continua más poderosa fuente a más de 300 kW o 1,2 millones de velas de potencia.

Lámpara de arco de carbono

Una lámpara de arco de carbono, tapa removida, en el punto de encendido. Este modelo requiere el ajuste manual de los electrodos

Un arco eléctrico, demostrando el efecto “arch”.

Luz de arco de carbono experimental temprana alimentada por baterías líquidas, similar a la de Davy

Lámpara de arco de carbono médica utilizada para tratar las condiciones de la piel, 1909

Lámpara de arco autoregulado propuesta por William Edwards Staite y William Petrie en 1847

En el uso popular, el término lámpara de arco significa únicamente lámpara de arco de carbón. En una lámpara de arco de carbón, los electrodos son varillas de carbón al aire libre. Para encender la lámpara, las varillas se tocan entre sí, lo que permite que un voltaje relativamente bajo inicie el arco. 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 carbono se calientan y el carbono se vaporiza. El vapor de carbono en el arco es muy luminoso, que es lo que produce la luz brillante. Las varillas se queman lentamente con el uso y la distancia entre ellas debe ajustarse regularmente para mantener el arco.

Se inventaron muchos mecanismos ingeniosos para controlar la distancia automáticamente, en su mayoría basados en solenoides. En una de las formas reguladas mecánicamente más simples (que pronto fue reemplazada por dispositivos de acción más suave), los electrodos se montan verticalmente. La corriente que alimenta el arco pasa en serie a través de un solenoide conectado al electrodo superior. Si los puntos de los electrodos se tocan (como en el arranque), la resistencia cae, la corriente aumenta y el mayor tirón del solenoide separa los puntos. 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 los inconvenientes de que el arco no se puede reiniciar (un solo uso) y una vida útil limitada de solo unas pocas horas.

Historia

El concepto de iluminación con arco de carbono 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 1802, 1805, 1807 y 1809. Davy usó barras de carbón y una batería de dos mil celdas para crear un arco en un espacio de 4 pulgadas (100 mm). Montó sus electrodos horizontalmente y notó que, debido al fuerte flujo de convección del aire, el arco tomó la forma de un arco. Acuñó el término "lámpara de arco", que se contrajo a "lámpara de arco" cuando los dispositivos entraron en uso común.

A fines del siglo XIX, la iluminación de arco eléctrico se usaba 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. En 1899, fue la primera mujer en leer su propio artículo ante la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su trabajo fue "El silbido del arco eléctrico".

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.

Iluminación de arco de carbono en los EE. UU.

En los Estados Unidos, hubo intentos de producir comercialmente lámparas de arco 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 dínamo de Faraday. Varias personas mejoraron el concepto, incluidos William Edwards Staite [de] y Charles F. Cepillar. No fue hasta la década de 1870 que se vieron con más frecuencia lámparas como la vela Yablochkov. En 1877, el Instituto Franklin realizó una prueba comparativa de sistemas de dínamo. El desarrollado por Brush funcionó mejor, y Brush inmediatamente aplicó su dínamo mejorada a la iluminación de arco, una de las primeras aplicaciones fue Public Square en Cleveland, Ohio, el 29 de abril de 1879. A pesar de esto, Wabash, Indiana, afirma ser la primera ciudad en la historia. para ser iluminado con "Brush Lights". Cuatro de estas luces se activaron allí el 31 de marzo de 1880. Wabash, IN Wabash era una ciudad lo suficientemente pequeña como para estar iluminada por completo con 4 luces, mientras que la instalación en la plaza pública de Cleveland solo iluminaba una parte de esa ciudad más grande. Brush Lights, Cleveland En 1880, Brush estableció Brush Electric Company.

Se encontró que la luz fuerte y brillante era más adecuada para áreas públicas, como la plaza pública de Cleveland, siendo unas 200 veces más potente que las lámparas de filamento contemporáneas.

El uso de las luces de arco eléctrico Brush se extendió rápidamente. Scientific American informó en 1881 que el sistema se estaba utilizando en: 800 luces en trenes de laminación, 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, trabajos de fundición, 380 luces en fábricas y establecimientos de varios tipos, 1.500 luces en estaciones de iluminación, para alumbrado urbano, 1.200 luces en Inglaterra y otros países extranjeros. Un total de más de 6.000 luces que actualmente se venden.

Hubo tres grandes avances en la década de 1880: František Křižík inventó en 1880 un mecanismo para permitir el ajuste automático de los electrodos. Los arcos estaban encerrados en un pequeño tubo para reducir el consumo de carbono (aumentando la vida útil a unas 100 horas). Las lámparas de arco de llama se introdujeron donde las varillas de carbono tenían sales metálicas (generalmente magnesio, estroncio, bario o fluoruros de calcio) añadidas para aumentar la salida de luz y producir diferentes colores.

En los EE. UU., la protección de patentes de los sistemas de iluminación por arco y las dínamos mejoradas resultó difícil y, como resultado, la industria de la iluminación por arco se volvió altamente competitiva. La competencia principal de Brush fue del 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 su nombre a Thomson-Houston Electric Company. Sin embargo, Thomson siguió siendo el principal genio inventivo detrás de las mejoras patentadas por la empresa 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 condujo 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. Para 1890, la compañía Thomson-Houston era la empresa de fabricación eléctrica dominante en los EE. UU. Nikola Tesla recibió la patente de EE. UU. 447920, "Método de funcionamiento de las 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 lámparas de arco que funcionan en frecuencias dentro del rango del oído humano.

Alrededor del cambio de siglo, los sistemas de iluminación de arco estaban en declive, pero Thomson-Houston controlaba las patentes clave de 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 generadora bloqueó una mayor expansión de Thomson-Houston. El obstáculo para la expansión se eliminó cuando las dos empresas se fusionaron en 1892 para formar General Electric Company.

Las lámparas de arco se usaban en algunos de los primeros estudios cinematográficos para iluminar tomas interiores. Uno de los problemas 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 agregando una hoja de vidrio de ventana común frente a la lámpara, bloqueando los rayos ultravioleta. En los albores del "talkie", las lámparas de arco habían sido reemplazadas en los estudios de cine por otros tipos de luces. 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 señalar e iluminar a los enemigos. 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.

Las lámparas de arco fueron reemplazadas por lámparas de filamento en la mayoría de las funciones, permaneciendo solo en ciertas aplicaciones de nicho, como proyección de cine, focos y reflectores. Incluso en estas aplicaciones, las lámparas de arco de xenón están empujando a las lámparas de arco de carbono convencionales a la obsolescencia, pero todavía se fabricaban como focos al menos hasta 1982 y todavía se fabrican para al menos un propósito: simular la luz solar en "envejecimiento acelerado& #34; máquinas destinadas a estimar qué tan rápido es probable que un material se degrade por la exposición ambiental.

La práctica de enviar y proyectar películas en carretes de 2000 pies y emplear "cambios" entre dos proyectores, se debió a que las varillas de carbono utilizadas en los portalámparas 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/segundo). El proyeccionista reemplazaría la barra de carbono al cambiar los rollos 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 proyector de xenón, que fueron reemplazadas por sistemas de plato de un solo proyector, aunque las películas continuarían enviándose a los cines en carretes de 2000 pies.