18. À luz de velas

  O que distingue lâmpadas fluorescentes de incandescentes? Porque umas são mais económicas do que as outras? E as velas são mais ou menos luminosas e baratas?

Lâmpada fluorescente

Volframio
Volfrâmio

   Há lâmpadas incandescentes e lâmpadas fluorescentes. As lâmpadas incandescentes são as mais antigas e disseminadas. Consistem num invólucro de vidro dentro do qual se encontra um filamento de volfrâmio (símbolo químico W) através do qual passa a corrente eléctrica. O volfrâmio é também conhecido como tungsténio, sendo ambas as palavras de origem sueca. Volfrâmio vem do sueco «volf rahm» («espuma de lobo»), devido à forma com que ficam as rochas onde se encontra após a sua extracção; Tungsténio vem do sueco «tung sten» (pedra pesada); Uma das mais conhecidas minas de volfrâmio em Portugal são as Minas da Panasqueira. O volfrâmio tem uma elevada temperatura de fusão (3 422 °C), significando que pode ser aquecido até esta temperatura sem derreter, mesmo num filamento fino como é o das lâmpadas. Quando a electricidade passa pelo filamento de volfrâmio, os electrões no filamento ficam mais energéticos. Como não podem manter esse estado, voltam ao seu estado normal, libertando a energia a mais que receberam na forma de fotões (as partículas da radiação electromagnética como a luz). Desses fotões libertados, apenas 5% têm energia suficiente para serem visíveis como luz, 95% desses electrões são radiação invisível, tipicamente radiação infra-vermelha (que os sentidos humanos interpretam como «calor»).lamp-inc A resistência à passagem da corrente eléctrica leva a que parte dela seja convertida em fotões de luz ou (principalmente) de calor. Para aumentar o rendimento da lâmpada, vários filamentos finos são enrolados, como um fio de telefone, num total de 2 metros de comprimento. O filamento vai-se evaporando, à medida que a corrente eléctrica passa por ele, o que determina o tempo de vida da lâmpada. O filamento vai-se tornando mais fino, à medida que o tempo passa, até que rebenta num ponto. Como o filamento não é completamente homogéneo, há algumas zonas mais resistentes à passagem da corrente do que outros. Quanto maior a resistência maior o calor que esse ponto produz e mais rapidamente se desgasta do que os outros. Daí que o filamento de uma lâmpada incandescente não se desgaste todo por igual, havendo pontos de maior desgaste, que são os que se rompem, pondo fim ao uso da lâmpada. Por isso nunca se vê um filamento de uma lâmpada completamente «fundido» mas apenas um ponto (um ponto de maior resistência) onde se rompeu…

lpdflcp   Uma lâmpada fluorescente é constituída por um tubo (direito ou não) de vidro, que contém uma baixa concentração de vapor de mercúrio (0,5 partes por milhão) no seu interior e um revestimento interno de estrôncio-apatite Sr5(PO4)3F que absorve a radiação produzida e emite luz visível. Diferentes apatites produzem cores diferentes, do branco puro ao branco-azulado. Este mecanismo que algumas substâncias têm de absorverem radiação (mesmo que «invisível (aos olhos humanos) e libertar radiação menos energética chama-se «fosforescência» e é a base para o errado cliché dos filmes actuais de que as radiações nucleares brilham… No interior do tubo há um vácuo parcial (1 milésimo da quantidade de moléculas existentes no ar normal), razão pela qual as lâmpadas fluorescentes «implodem» quando se partem: concentração exterior de ar é superior à do interior. Quando a corrente eléctrica é ligada, os electrões tornam mais energéticos os átomos de mercúrio. Quando estes voltam ao seu estado nomal libertam fotões com um comprimento de onda de 253,7 nanómetros e 185 nanómetros, ou seja, radiação ultra-violeta. Esta é invisível mas é absorvida pela apatite do revestimento interno do tubo. Esta, por sua vez, liberta a energia a mais que recebeu numa forma menos energética (maior frequência, maior comprimento de onda), luz visível, com comprimentos de onda de 440 nm e 546 nm (luz visível predominantemente azul). Esta processo é conhecido como «fosforência», uma das 4 formas de luminescência natural (flusorescência, fosforescência, quimioluminescência e bioluminescência). Dessa forma, os raios ultra-violeta são filtrados pela apatite do revestimento interno do tubo, não passando para o exterior da lâmpada. As lâmpadas de «luz negra», usada pela polícia para procurar vestígios de líquidos, por exemplo, e presentes em muitas séries televisivas de investigação policial, não passam de lâmpadas fluorescentes sem o revestimento interno de apatite para absorver os raios ultra-violeta e re-emitir luz visível.

balastro
Balastro

   Todas as lâmpadas fluorescentes possuem um balastro, que serve para gerar o pico de tensão necessário à ionização do gás interior (vapor de mercúrio) e, com isso, à sua transformação num meio condutor, e quando a corrente o atravessa, o choque dos portadores de carga com o gás interior pode levar ao aparecimento de mais cargas portadores e diminuição da resistência, mas mais tarde ou mais cedo, o gás ficará quase todo ionizado e a lâmpada encontra a sua condutividade definitiva. Com uma tensão aplicada maior, os choques internos poderiam ser suficientemente violentos para desencadear as restantes ionizações do gás, mas com a diminuição da resistência, a tensão que cai na lâmpada tenderá a transferir-se para os outros elementos do circuito em série, como seja a linha da rede de alimentação… a tensão aplicada não aumenta, cai. Consequentemente uma parte da energia eléctrica aplicada perder-se-á na produção de fotões de frequências indesejáveis, o que diminuirá a eficácia da lâmpada. O balastro coloca a lâmpada na sua região de operação em que ela funcionaria melhor… Ligadas à corrente alternada, as lâmpadas fluorescentes tremeluzem, 100 vezes (ou 120) vezes por segundo. Isto porque, em cada segundo, a corrente descreve 50 (ou 60) ciclos num segundo, alternando a direcção 100 (ou 120) vezes. De cada vez que muda de direcção a corrente atinge um ponto zero de corrente eléctrica, altura em que a luz «se apaga». Mas a mudança é tão rápida que os olhos vêem a luz de forma contínua. Por comparação, repare-se que as televisões (no sistema PAL da Europa) têm uma frequência de gravação de 25 imagens por segundo mesmo assim vêem-se as imagens como se «em movimento». As lâmpadas fluorescentes brilham 4 (ou 4,8) vezes mais rapidamente. Em Portugal, a tensão (e a corrente) da rede pública têm uma frequência de 50 Hz, correspondendo a um período T = 20 ms. Quer isto dizer que a tensão de que se dispõe nas tomadas das casas descreve 50 ciclos num segundo, mudando de sentido 100 vezes por segundo. Ver ABC dos circuitos eléctricos em corrente alternada para mais características da corrente alternada.

fluorescent1   O passo que o rendimento de uma lâmpada incandescente é cerca de 5% (transforma 5% da electricidade que recebe em luz visível), o rendimento de uma lâmpada fluorescente é cerca de 20% (transforma 20% da electricidade que recebe em luz visível). Daqui se percebe como as lâmpadas fluorescentes são 4 vezes mais económicas do que as incandescentes. A razão pela qual as lâmpadas fluorescentes tremeluzem visivelmente ao serem ligadas, em vez de produzirem imediatamente luz contínua como as incandescentes tem a ver com a necessidade de ionizar o vapor de mercúrio (que é muito pouco) dentro da lâmpada fluorescente. Inicialmente o número de átomos atingidos por electrões é pequeno e a lâmpada não está em condições de sustentar a produção de luz ultra-violeta. Mas há medida que mais átomos são atingidos, mais electrões conseguem passar e bombardear outros átomos de mercúrio, devido à resistência negativa da lâmpada. Quando suficientes átomos de mercúrio são atingidos pelos electrões da corrente eléctrica, a luz tremeluz as 100 (ou 120) vezes por segundo que é normal.

   Uma lâmpada fluorescente gasta apenas 1/4 da electricidade que uma lâmpada incandescente gasta para produzir a mesma quantidade de luz e liberta 1/6 da temperatura. Por isso também é preferível usar lâmpadas fluorescentes: como libertam menos calor, não é necessário usar aparelhos de refrigeração, como os ar-condicionados, para contrabalançar a temperatura produzida. É um dupla economia de electricidade… Em termos comparativos, lâmpadas incandescentes e fluorescentes exibem uma série de características que claramente demonstram a superioridade da fluorescência sobre a lpdtbincandescência na produção de luz. Em Ecocasa há uma tabela desta natureza comparativa. Usando-a como matéria-prima, e actualizando o preço da electricidade é foi possível compilar a seguinte tabela, referente a um período de utilização diária de 4 horas para lâmpadas com luminosidade semelhante. As lâmpadas fluorescentes são perto de 5 vezes mais luminosas do que as incandescentes. Assim uma regra simples quando se vão comprar lâmpadas fluorescentes e se tem dúvidas sobre a potência que devem ter, basta multiplicar o seu valor por 5 para se obter o valor da correspondente lâmpada incandescente. Assim, uma lâmpada fluorescente de 18w produz tanta luz quanto uma lâmpada incandescente de 18×5=90w; uma lâmpada fluorescente de 20w produz tanta luz quanto uma lâmpada incandescente de 100w. Claro que são valores aproximados e a diferença de luminosidade entre uma lâmpada fluorescente de 18w e uma de 20w é demasiado pequena para se notar.

   Se a lâmpada custa 6,5 €, de cada vez que é ligada custa 0,00065€. A electricidade fica a um preço de 0,1€ por Kwh ou seja a lâmpada gasta 0,072Kwh nas 4 horas ou 0,018 Kwh numa hora ou 0,0003 Kwh num minuto. Então desligar a lâmpada durante 0,00065/0,0003 = 2,17 minutos poupa tanta electricidade quanto a eletricidade que a lâmpada gasta quando é ligada. Isto se o preço da electricidade se mantiver neste valor mas como tudo aponta para um aumento do preço da electricidade, este intervalo de 2 minutos é progressivamente mais pequeno, à medida que mais cara é a electricidade. Assim, desligar e voltar a ligar uma lâmpada fluorescente por menos de 2 minutos desperdiça-se dinheiro. Quanto mais tempo ela fica ligada continuamente, mais dura e mais electricidade poupa.

Vela   Comparando a luminosidade de uma vela e de uma lâmpada incandescente, uma lâmpada incandescente de 60 watts equivale, termos de luminosidade, a 63 velas. Uma vela produz 13 lúmens de luz visível. Uma lâmpada incandescente de 100w produz 1 360 lúmens de luz visível. Uma lâmpada incandescente de 60w produz 1 360×60/100 = 816 lúmens de luz visível. Então 816/13 = 63 velas velas produzem 816 lúmens de luz visível. Uma lâmpada fluorescente de 18w produz 1200 lúmens. Então uma lâmpada fluorescente de 816×18/1200 = 12,24w produz 816 lúmens de luz visível. Uma lâmpada fluorescente de 12w, uma lâmpada incandescente de 60w e 63 velas produzem a mesma quantidade de luz, com gastos energéticos bem diferentes…

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