Lámparas de filamentos diversos (1919)

Hace algunos años se ha conseguido substituir el filamento de carbón de la lámpara de incandescencia por filamentos de otras substancias refractarias, obteniéndose lámparas de consumo específico más bajo que el de las de filamento de carbón. En cambio, el precio de compra de estas lámparas es mucho más elevado que el de las otras.

Lámpara Nernst. —

La lámpara Nernst apareció en la Exposición de París de 1900, y existen actualmente modelos industriales utilizados en ciertas redes.

En esta lámpara se emplean conductores de segunda clase, que son óxidos refractarios (de zirconio, torio e itrio) que se hacen conductores al elevarse su temperatura ; la corriente atraviesa la barrita hecha con estos óxidos, y la pone incandescente, y entonces emite una luz blanca muy intensa. La lámpara simple está constituida por un casquillo ordinario con filamentos de platino unidos por sus extremos a la barrita que hemos mencionado. Para encender esta lámpara, basta hacer pasar la corriente y calentar ligeramente el filamento con una cerilla ; a los pocos segundos se pone incandescente. El oxígeno del aire no ataca la mezcla de óxidos empleada, de manera que el filamento puede quedar al aire libre. La sociedad Allgemeine Elektricitäts Gesellschaft construye lámparas que se encienden automáticamente, en las cuales la corriente pasa primero por un filamento de platino destinado a calentar la barrita. El gasto es de 1,5 vatios por bujía; la duración, de 200 a 300 horas. Estas lámparas funcionan a la tensión de 110 a 220 voltios.

La barrita de óxidos refractarios empieza a convertirse en conductor a la temperatura de unos 600 o C.

Los modelos de lámparas que actualmente se hallan en el comercio son dos (figs. 872 y 873) ; el modelo A y el modelo B, más pequeño, que se adapta a un portalámpara de bayoneta o de rosca. La figura 874 es un esquema de la lámpara modelo B ; el filamento f y la hélice c están fijos en una paleta de porcelana P provista de piezas de contacto en a y b. El aparato calentador se compone de una hélice c de porcelana, sobre cuyas espiras está devanado un hilo de platino muy delgado. La interrupción de la corriente calentadora se obtiene con el electroimán e.

En v se encuentra la resistencia destinada a preservar el filamento de las variaciones de tensión; está constituida por un alambre de hierro muy delgado, contenido en una ampolla de hidrógeno que evita su oxidación. El hierro es de todos los metales aquel cuya resistividad aumenta más rápidamente con la temperatura ; es, pues, el más apto para compensar la variación, en sentido inverso, de la conductibilidad eléctrica del filamento Nernst y hacer a éste menos sensible a las variaciones de tensión.

La corriente llega por el tornillo + , pasa a la lámina del electroimán, llega a a, atraviesa la hélice calentadora c y vuelve por b al polo —. En cuanto el filamento f se hace conductor, la corriente pasa por el electroimán e, la resistencia v y el filamento f, y vuelve al punto b ; la corriente calentadora se interrumpe en r.

Las lámparas que actualmente se hallan en el comercio se han establecido para intensidades de 0,25, 0,50 y 1 amperio, según indica la tabla siguiente :

Se recomiendan varias precauciones para el manejo de la lámpara Nernst. Para colocar en su sitio la resistencia, debe introducirse ésta en la montura de manera que las dos plaquitas de contacto pegadas al vidrio penetren en dos ranuras del zócalo. Los mecheros son muy frágiles, y es preciso manejarlos con gran cuidado ; no deben tocarse, más que por la placa de porcelana, evitándose tocar la hélice y los hilos conductores.

La suma de las tensiones posibles en el filamento y en la resistencia debe ser igual a la tensión máxima de la distribución ; jamás debe forzarse la lámpara Nernst, como se hace con las lámparas de incandescencia ordinarias con el objeto de obtener más luz a expensas de la duración. No se fuerza así más que la resistencia, que se destruye rápidamente. Los cambios de sentido de la corriente ejercen una influencia nociva en la duración de la lámpara; es preciso, por consiguiente, atenerse a las indicaciones de sentido de corriente señaladas en la parte inferior de los casquillos.

Si la hélice del calentador no se enrojece al dar la corriente, se prueba un nuevo encendedor; si éste se enrojece, pero la lámpara no se enciende, se prueba otro; pero si después de esto la lámpara tampoco se enciende, es que la resistencia está quemada, y es preciso reemplazarla.
Se han hecho ya varios experimentos con lámparas Nernst. El Sr. Hospitalier determinó experimentalmcute las variaciones de corriente durante el período que tarda en encenderse una lámpara Nernst. Sus observaciones, publicadas en La Industria Eléctrica, fueron las siguientes : En el momento en que se cierra el circuito, la corriente atraviesa la hélice encendedora que está fría y toma cierta intensidad, la cual disminuye regular y rápidamente a consecuencia del calentamiento de esta hélice y del aumento de su resistencia; al cabo de unos diez segundos se establece el régimen, y la corriente se mantiene constante, calentando la barrita de óxidos ; pasados unos 40 segundos, está aquélla suficientemente calentada y empieza a hacerse conductora, atravesándola una corriente de pequeña intensidad que se suma a la de la hélice.

Esta corriente adicional aumenta rápidamente; la curva muestra este incremento rápido, pero con un codo y una baja aparente debida a que cuando la intensidad ha alcanzado un valor suficiente el electroimán funciona y pone fuera de circuito la hélice calentadora. Después de este codo no hay más que la corriente que atraviesa la barrita. Esta corriente rebasa durante unos momentos su valor normal, porque la resistencia, que no se ha calentado todavía por el paso de la corriente, no ha llegado aún al valor que le corresponde. Repetido el experimento gran número de veces, ha dado siempre resultados idénticos ; sólo la duración del calentamiento de la barrita diferia, en algunos segundos, de unos experimentos a otros. En todos estos ensayos se comprobó que la corriente de calentamiento es, en su período constante, sensiblemente igual a la mitad de la corriente normal. La lámpara de un amperio, 110 voltios y 11o vatios, absorbe 15 voltios en la resistencia.

En el Physikalisch Technische Reichsanstalt, de Berlín, se efectuaron con las lámparas B ensayos de duración, que dieron los resultados medios siguientes, con 5 lámparas a 220 voltios.

En las 5 lámparas sometidas a los experimentos, un filamento alumbraba aún al cabo de 310 horas, otro después de 379, y los otros 3 estaban todavía intactos a las 400 horas. La duración media pasa, pues, de 378 horas ; las hélices del calentador se conservan intactas.

La lámpara Nernst tiene un consumo específico más elevado que las lámparas de filamento metálico que vamos a describir a continuación ; pero ofrece gran interés para tensiones elevadas (220 voltios). Dada la excesiva conductibilidad de los filamentos metálicos, se necesitan filamentos sumamente delgados y largos para una lámpara de11o voltios. El problema es por hoy irresoluble para tensiones de 220 voltios. En cambio se resuelve sencillamente con la barrita de la lámpara Nernst, cuya conductibilidad es muy pequeña.

Lámpara de osmio. —

El 23 de enero de 1901, el ingeniero señor Scholz dio, en Berlín, ante la Asamblea general extraordinaria de la Sociedad alemana del alumbrado de incandescencia por gas, una conferencia relativa al nuevo filamento de osmio, para lámpara eléctrica, que acababa de inventar el doctor Aüer von Welsbach, inventor del famoso mechero que mejoró tan notablemente el alumbrado por el gas. El objeto de sus investigaciones fue hallar un cuerpo capaz de resistir temperaturas elevadas y adecuado para la producción de luz. Entre todos los metales, el osmio es el que mejor responde a este problema, porque tiene un punto de fusión muy elevado. El osmio no se conocía hasta estos últimos tiempos más que en forma de un polvo cristalino esponjoso o en la de un residuo frágil y duro que se encontraba en el arco después de la fusión. El doctor Aüer llegó a hacer con él un filamento conductor capaz de reemplazar el filamento de carbón de las lámparas de incandescencia. Con un cuerpo tan resistente, la lámpara de incandescencia, a igualdad de consumo de energía eléctrica, da una intensidad luminosa mucho más elevada que con el filamento de carbón. La lámpara de osmio consume 1,5 vatios por bujía y tiene una larga duración que llega a 700, 1.000 y aun a 1.200 horas. Después de alumbrar 1.500 horas, una de estas lámparas no había perdido más que el 12 por 100 de su intensidad luminosa primitiva, y el consumo específico se había elevado al final a 1,93 vatios por bujía decimal, en lugar de 1,64 vatios por bujía que tenía al principio. Las tensiones de las lámparas son de 20 a 50 voltios; para llegar a tensiones de 110 a 220 voltios es, pues, necesario agruparlas en tensión. Según las indicaciones del Sr. Scholz a la Asamblea general citada, la economía de potencia eléctrica llegaría a 70 por 100 con relación a la lámpara de filamento de carbón, para una misma intensidad luminosa. Al final de su conferencia hizo, en efecto, funcionar simultáneamente cuatro lámparas de osmio de 25 voltios en tensión y cuatro lámparas de filamento de carbón de 100 voltios. En el primer caso la intensidad era de 0,96 amperios, y de 2,4 amperios en el segundo caso; la intensidad luminosa era la misma en ambos casos.

Algunos meses más tarde, en el año 1902, el Sr. Robert Gabriel, ingeniero jefe de la Sociedad austríaca del alumbrado de incandescencia por gas y electricidad, daba sobre esta lámpara una conferencia en la Unión electrotécnica de Viena. Primero indicó algunos pormenores acerca del osmio. Este metal se halla casi siempre combinado con el iridio ; tiene una densidad de 22,5, funde a 2.500 grados y, en estado de incandescencia, desprende una luz muy viva y blanca. El polvo gris de osmio se reduce a una masa pastosa, con la cual pueden fabricarse filamentos de diámetro muy pequeño por medio de una presión muy elevada. La reducción del filamento a osmio metálico se obtiene por la acción de la corriente eléctrica en un vaso especial lleno de gas del alumbrado ; la corriente atraviesa el filamento, que se pone incandescente y se contrae gradualmente ; el filamento así preparado se coloca en una ampolla de vidrio. Según el señor Robert Gabriel, la preparación de los filamentos es fácil. Dicho señor demostró, por comparación con una lámpara de incandescencia con filamento de carbón, que una lámpara de osmio podía funcionar unas 1.100 horas sin gran variación de intensidad luminosa. Una lámpara de filamento de carbón da al principio, por ejemplo, una intensidad luminosa de 20 bujías, 16 al cabo de 175 libras, 14 después de 275 horas, 12 bujías al cabo de 500 horas, 10 bujías después de 750 horas, 9 después de 950 horas, y 8,8 bujías después de 1.100 horas, De las dos lámparas de osmio examinadas, una dio 14 bujías al principio, 16,5 al cabo de 200 horas, 16 bujías a las 475, y 15,5 bujías después de 1.100 horas ; la otra dio una intensidad de 16,8 bujías al principio y 16 bujías al cabo de 250 horas, para bajar a 14 bujías al cabo de 850 horas y a 13,5 después de 1.100 horas. Las variaciones de intensidad luminosa son, pues, notablemente menos elevadas para la lámpara de osmio.

Las lámparas de incandescencia con filamentos de carbón presentan el grave inconveniente de tener consumos específicos (vatios por bujía) que van aumentando con la duración del funcionamiento ; llega un momento en que es más ventajoso substituir una lámpara por otra nueva. Dos lámparas, por ejemplo, cuyos consumos específicos fueron al principio 2,5 y 3,5 vatios por bujía, aumentaron hasta llegar a 3,5 y 3,75 vatios por bujía a las 400 horas, y finalmente más de 4 vatios (cerca de 4,5 vatios) a las 1.000 horas ; el consumo específico de una lámpara de osmio resultó sensiblemente constante de 1,5 vatios por bujía, tanto al principio como al cabo de 1.100 horas de marcha.

El Sr. Robert Gabriel mostró también las variaciones de intensidad luminosa y de consumo específico de una lámpara de osmio, en función de la diferencia de potencial. Una lámpara que a 20 voltios daba 22 bujías normales, con un consumo específico de 1,48 vatios por bujía, a 25 voltios tenía una intensidad luminosa de 46 bujías y el consumo específico de 0,955 vatios por bujía; a 30 voltios daba 99 bujías y 0,654 vatios por bujía; a 35 voltios, 171 bujías y 0,487 vatios por bujía : a 40 voltios, 275 bujías y 0,38 vatios por bujía, y a 50 voltios, 460 bujías y 0,332 vatios por bujía ; a 50 voltios el filamento de osmio se fundió cerca de la entrada de la ampolla. Estos resultados prueban claramente la gran superioridad de las lámparas eléctricas de osmio.

El inconveniente está en que para utilizarlas en las diferencias de potencial actuales (11o voltios), es necesario acoplar en tensión cuatro de estas lámparas.

Lámpara de tántalo. —

El tántalo es un metal raro, muy duro, se funde a 2.250 ºC. Su densidad es aproximadamente 16,6 y su resistividad 0,147 microhmios-cm. a 0° C con un coeficiente de temperatura de 0,33 por 100 entre 0° y 100 ºC.

La obtención del tántalo en hilos muy delgados (0,5 a 0,035 mm de diámetro) ha sido resuelta por la casa Siemens y Halske, que desde 1901 fabrica las lámparas de ese metal. En Francia se encuentran estas lámparas en la casa Rouselle y Tournaire. El tántalo se fabrica en el horno eléctrico. Los lingotes obtenidos se martillan laminados en hojas y después se estiran en la hilera. La figura 875 representa una lámpara de 115 voltios y 25 bujías sin la ampolla. El filamento, que tiene 65 Cm, de largo y 0,05 mm de diámetro, se mantiene tenso entre ganchos soportes que forman dos estrellas, fijas en una columna de vidrio dispuesta en el eje de la bombilla. Esta lámpara consume 1,7 vatios por bujía y dura 1.ooo horas. Forzándola a 126,5 voltios y a 138 voltios, se obtienen respectivamente 32 y 47 bujías, bajando el consumo específico a 1,5 y 1,2 vatios por bujía y la duración a 100 y 200 horas.

Al cabo de 900 horas y a la tensión normal baja en un 20 por 100 la intensidad luminosa, y en un 30 por 100 a las 300 horas de servicio cuando se ha forzado la lámpara un 10 por 100 (G. Roux).

Lámparas de tungsteno. —

Hace algún tiempo se utiliza un nuevo metal refractario, el tungsteno o wolfram (densidad 18 a 19) del cual se hacen filamentos. Este metal, que se funde a 3.200 ºC, se emplea solo o en combinación con otros.

El tungsteno no es útil. Para fabricar filamentos parte el Dr. Kuzel de polvo aglomerado de tungsteno, y como es necesario tener un polvo muy tenue, el mencionado doctor llega a este resultado fundiendo el tungsteno al horno eléctrico y después colándolo en electrodos cilindricos. Se hace estallar después un arco eléctrico entre dos de estos electrodos colocados en el agua. Entonces se deposita el tungsteno en partículas muy tenues en estado coloidal.

En la lámpara Osram se toma una mezcla de osmio y de tungsteno para hacer el filamento. De las pruebas efectuadas en el laboratorio central de electricidad en 1907, resulta que una lámpara de11o voltios, y 34 vatios, comprendiendo 4 filamentos montados en tensión, da una intensidad luminosa horizontal de 26 bujías y una intensidad luminosa media esférica de 21,2 bujías. El consumo específico es de 1,3 vatios por bujía (horizontal). Forzando la lámpara, su intensidad luminosa aumenta 3,3 por 100 por voltio.

La figura 876 representa la disposición de una lámpara Osram.

En la lámpara Z o lámpara Lacarrière, se emplea una mezcla de tungsteno y zirconio. Esta lámpara puede emplearse lo mismo en corriente continua que en corriente alterna. Da una luz muy blanca y no consume más que un vatio por bujía. Su duración normal es de 900 horas. Puede colocarse sin inconveniente en todas direcciones y su bombilla no se ennegrece.

Según G. Roux, una lámpara de 11o voltios y 45 bujías, consume normalmente 1 vatio por bujía. Después de 1.000 y 2.000 horas de funcionamiento, la intensidad luminosa baja respectivamente a 35 y 26 bujías y el consumo específico se eleva a 1,18 y 1,65 vatios por bujía. Elevando la tensión a 130 voltios, da 80 bujías con un consumede 0,68 vatios por bujía; pero no dura más que 200 horas.

La ventaja de las lámparas de filamento de tungsteno, aparte de su escaso consumo específico, es su empleo posible con la corriente alterna. Su duración se disminuye en este caso muy poco, mientras que las lámparas de osmio, y sobre todo las de tántalo, tienen una duración muy reducida cuando funcionan con corrientes alternas.

Luego las lámparas de filamento de tungsteno pueden emplearse con el economizador Weissmann, del cual hemos hablado antes. Puesto que el transformador reduce la tensión alterna de la red (110 ó 220 voltios) a una veintena de voltios, pueden emplearse lámparas más robustas (de filamento más grueso) que consuman 1 vatio por bujía máximo, o sea, 1,3 por bujía de intensidad luminosa esférica. La presencia del transformador no aumenta más que de 5 a 10 por 100 este consumo, porque se hacen transformadores, aun de pequeña potencia, que tienen un rendimiento de 90 por 100.

Lámparas diversas. —

Entre las demás lámparas que se construyen actualmente, citaremos la Osmin, fabricada por la Westinghouse Metallfaden Gluhlampenfabrik, que consume aproximadamente 1,16 vatios por bujía decimal con una baja de intensidad luminosa de 10 por 100 después de 2.000 horas. La Sociedad del acumulador Güllher fabrica también lámparas de filamento de iridio que solamente convienen para tensiones pequeñas. Mencionemos, para terminar, la lámpara Helion imaginada por Parker y Clarke ; consume 1 vatio por bujía y tiene una duración de 500 a 1.000 horas.

Gracias a su débil consumo específico, las lámparas de filamento metálico pueden luchar económicamente en ciertos casos con las lámparas de arco, que tienen el inconveniente de necesitar una mano de obra diaria en la substitución de los carbones.

Hoy se construyen lámparas de filamento metálico de gran intensidad luminosa. La sociedad Aüer y la Allgemeine Elektricitáts Gesellschaft fabrican lámparas de 200 a 400 bujías, a 110 ó 220 voltios, consumiendo 1,1 vatios por bujía. La Wolframlampen A. G. fabrica lámparas de tungsteno de 400 a 1.000 bujías, empleadas para el alumbrado público en América, donde reemplazan ventajosamente a los arcos ordinarios en vaso cerrado en corriente alterna. Como estas lámparas están montadas en serie, se ponen automáticamente en corto circuito en cuanto se rompe un filamento.

"Manual práctico del montador electricista" (5ª edición), J. Laffargue, Gustavo Gili Editor, Barcelona 1919