Fin dalla sua invenzione, la lampadina è diventata il simbolo per eccellenza delle grandi idee. Questa associazione permane perfino nel mondo dei fumetti: chi segue il mondo di Topolino sa che l’aiutante di Archimede Pitagorico, il grande inventore tanto geniale quanto strampalato, era proprio un piccolo robot con la testa da lampadina! Tutti conosciamo questo piccolo oggetto, ma sappiamo davvero come è fatto? Anzi: come sono fatti? Esistono infatti molte tipologie di lampadine: vi illumineremo sul loro funzionamento.
Incandescenza: un classico iconico
La classica forma della lampadina, che tutti immaginiamo quando la sentiamo nominare, è quella delle lampade ad incandescenza. Sono composte da un’ampolla di vetro, al cui interno viene creato il vuoto. L’ampolla è chiusa da un attacco metallico, chiamato cordolo, in grado di essere avvitato alla portalampada. Il protagonista della lampadina è però senza dubbio il filamento interno. Nelle prime lampadine era di carbonio, mentre oggi si utilizza il tungsteno. Quando accendiamo l’interruttore, il filamento è attraversato dalla corrente elettrica. Inizia quindi a scaldarsi, a causa della resistenza elettrica del metallo, arrivando a temperature di ben 3000°C! Tutto ciò che si trova ad una temperatura superiore a quella dello zero assoluto emette della radiazione, che si può quantificare con la legge di Stefan-Boltzmann:
q = σ T4
Dove q è la potenza emessa, σ è la costante di Stefan-Boltzmann e T la temperatura. Da questa formula si capisce bene perché la temperatura del filamento debba essere così alta: maggiore la temperatura, maggiore la potenza emessa. Ma non solo: più la temperatura è alta e più la radiazione emessa rientra nello spettro della luce visibile, il vero scopo della lampadina. Purtroppo, quelle ad incandescenza non sono molto efficienti, perché gran parte della potenza generata viene dispersa sottoforma di calore. Ecco perché le vecchie lampadine si scaldavano molto durante l’utilizzo. Per fortuna ora non è più così, perché la lampadina ad incandescenza ha avuto un upgrade: è diventata alogena.
Alogene: una prima evoluzione
Le lampadine alogene sono l’evoluzione di quelle ad incandescenza. Sfruttano lo stesso principio del filamento che si scalda, ma al posto di essere circondato dal vuoto si utilizza un gas alogeno di riempimento. Questo piccolo dettaglio fa una grande differenza. Il tungsteno del filamento, quando sottoposto alle alte temperature, sublima, cioè diventa da solido a gassoso senza passare dallo stato liquido. Il tungsteno gas si combina con gli alogeni del gas di riempimento, formando dei composti chiamati alogenuri. A causa della differenza di temperatura tra il centro e l’esterno della lampadina, gli alogenuri si muovono per moto convettivo dall’esterno verso l’interno dell’ampolla. Arrivano dunque nella zona centrale, dove a causa dell’alta temperatura avviene la reazione inversa: l’alogenuro si scompone di nuovo in tungsteno e gas alogeno. Il tungsteno si deposita dunque sul filamento, rigenerandolo. Questo processo non è sicuramente infinito, ma aumenta moltissimo la vita della lampadina e la sua efficienza.
Luminescenza: una scossa di adrenalina
Un’altra tipologia di lampadine molto diffuse sono quelle a luminescenza. Normalmente le chiamiamo lampade al neon, perché composte da un tubo in vetro riempito da un gas che solitamente è proprio il neon, anche se molte lampade sfruttano i vapori di sodio e di mercurio e altri gas nobili. Le estremità del tubo di vetro sono chiuse da due elettrodi, collegati ad un circuito. Quando accendiamo la lampada, la corrente è obbligata a passare attraverso il gas per chiudere il circuito elettrico. Durante questo passaggio, le molecole del gas ricevono una grande quantità di energia. Questo le rende instabili: dopo poco tempo le molecole rilasciano il surplus di energia ricevuta, sotto forma di radiazione luminosa. Ogni gas rilascia energia ad una specifica lunghezza d’onda, quindi a diverso colore: ecco come mai esistono luci al neon dai colori più disparati. Purtroppo, non tutta l’energia prodotta da questa tipologia di lampada è luce visibile: molta ne va sprecata. Ma per fortuna anche le lampadine a luminescenza hanno avuto un upgrade negli ultimi anni: le lampadine a fluorescenza.
Fluorescenza: la luce dove non c’è
La lampadina a fluorescenza è del tutto identica a quella a luminescenza, tranne nel suo involucro. Il tubo di vetro che sigilla il sistema è infatti rivestito internamente da materiali fluorescenti, come tungstati e silicati. La fluorescenza è una proprietà peculiare di alcuni materiali, che permette loro di emettere luce visibile quando ricevono radiazioni non nel visibile. Avete presente quegli orologi con lancette e numeri che si illuminano al buio? Sono fatti da materiali fluorescenti. Tornando alle lampadine, lo strato fluorescente permette di catturare quella porzione di radiazione non luminosa prodotta dal passaggio di corrente elettrica nel gas e di convertirla in parte in luce, aumentando l’efficienza della lampada. A pari differenza di potenziale, una lampadina a fluorescenza è in grado di produrre più luce rispetto ad una a luminescenza… che grande idea.
LED: il futuro è già qui
Tutte queste lampadine sono molto interessanti, ma nessuna batte in efficienza la loro sorella più giovane: la lampadina a LED. Oramai è la tipologia più venduta sul mercato, grazie alle sue performance eccezionali. Si chiamano anche lampade allo stato solido, perché non contengono gas. Sembra bizzarro, ma funzionano come un pannello fotovoltaico al contrario! Mentre i pannelli fotovoltaici emettono corrente elettrica quando colpiti da radiazione luminosa, le lampadine a LED emettono luce quando attraversati da corrente elettrica. Questo è possibile perché moduli fotovoltaici e LED sono composti dalla stessa sostanza. Si tratta di un materiale semiconduttore modificato per avere la cosiddetta giunzione pn: una zona con un gran numero di elettroni vicina ad un’altra zona con invece una grande carenza di elettroni. Quando il LED è attraversato da corrente elettrica gli elettroni delle due zone riescono a muoversi e riequilibrarsi, rilasciando energia sottoforma di fotoni: luce visibile. Se vi interessa conoscere i dettagli di questo processo andate a leggere (possibilmente al contrario!) il nostro articolo sul funzionamento dei pannelli fotovoltaici “Effetto fotovoltaico: una storia d’amore nel mondo dell’energia”. Queste lampadine sono estremamente efficienti ed hanno un grande vantaggio: ogni materiale emette luce ad una particolare lunghezza d’onda, quindi a un preciso colore. Utilizzare materiali diversi e anche combinarne molti tra loro permette di ottenere LED di qualunque colore. Ecco come mai sono diffusissime: le vediamo nelle spie rosse degli elettrodomestici, come nelle lampadine domestiche e nelle lucine multicolori degli alberi di natale… siamo circondati dai LED!
Una radiosa conclusione
Che preferiate le classiche alogene o i modernissimi LED, le lampadine non smetteranno mai di stupirci. Sono dei piccoli scrigni di tecnologia, spesso tristemente ignorati perché così comuni da essere considerati quasi scontati. Eppure hanno rivoluzionato l’esistenza umana in maniera radicale: il nostro stile di vita è profondamente cambiato dopo la loro invenzione, permettendoci di svincolarci dal ciclo giorno-notte per portare avanti le nostre attività quotidiane. Ecco perché sono diventate il simbolo delle grandi idee: una luminosa fama del tutto meritata.
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