¿Por qué una bombilla ilumina? y… ¿Por qué se calienta?

18

Si alguna vez te ha tocado cambiar una bombilla encendida sabrás que suelen quemar lo suyo. Tal vez te haya sorprendido que al usar una bombilla de bajo consumo o una LED esto no ocurra. En el siguiente artículo vamos a analizar por qué las bombillas de bajo consumo y las LED gastan mucho menos que las demás, y sí, también por qué no queman.

bombilla con humo

Voy a utilizar dibujos propios (mis disculpas por la calidad) para que la explicación sea más visual. Utilizaré el siguiente convenio:

 No quema - dib1

 

Hágase la luz

Antes de nada, conviene recordar qué es la luz y cómo se origina. Llamamos luz a la parte visible, que podemos ver con nuestros ojos, de la radiación electromagnética. Por simplificar, y para que nadie se asuste por lo de las radiaciones, llamaré luz visible a la radiación que podemos ver y luz a secas a toda la radiación.

La luz es una distorsión del campo electromagnético que se propaga como una onda y, a la vez, como una partícula llamada fotón. La longitud de la onda determina la energía que lleva cada fotón, y también se usa para determinar si resulta visible o no.

Ebook factura luz 2

Los fotones pueden ser absorbidos por otras partículas. Cuando una partícula absorbe un fotón, gana su energía y se excita. Si son muchas partículas, podemos observar que se calientan. Las partículas que ya están excitadas o calientes, se pueden enfriar emitiendo fotones.

No quema - dib2

 

Iluminación térmica

Nuestras principales fuentes de iluminación han sido siempre térmicas: el Sol, el fuego, y más recientemente las bombillas incandescentes. Se basan en la teoría de la radiación del cuerpo negro, que dice que un cuerpo, por el simple hecho de tener temperatura, emite luz.

Un cuerpo tiene una temperatura porque las partículas que lo componen tienen cierta energía. A más energía, más temperatura. Sin embargo, no todas las partículas que lo componen tienen la misma energía. Unas, la mayoría, estarán relativamente tranquilas, otras tendrán una excitación mayor, y sólo unas pocas estarán muy excitadas. Como todas las partículas tienden a relajarse, el cuerpo estará emitiendo fotones continuamente, la mayoría serán fotones tranquilos (ondas de radio), algunos podrán ser más nerviosos (infrarrojos) y unos pocos estarán muy excitados (visible, ultravioleta, rayos x). Es decir, sólo algunos de los fotones serán visibles. En la imagen vemos algo parecido a un gas de partículas emitiendo fotones, la mayoría de ellos no es visible (los de las gafas de sol).

No quema - dib3

Todos los fotones tienen capacidad para calentar. Un fotón con más energía calienta más, es decir, un fotón visible calienta más que uno infrarrojo. Pero para saber cuánto calienta la luz, hay que contar cuántos fotones de cada longitud de onda se están emitiendo. En la siguiente imagen se puede ver la energía (número de fotones multiplicado por la energía de cada uno) que emite un cuerpo negro en función de la longitud de onda, para varias temperaturas, siguiendo la ley de Planck. Cuando se habla de temperatura de un color, se refiere al color que se ve cuando un cuerpo se calienta a dicha temperatura, de lo cual ya hablamos aquí.

 

NO QUEMA - INFRARROJO

 

Mejorando el rendimiento en iluminación térmica

Como pudo observarse en la imagen anterior, cuanto mayor es la temperatura, mayor proporción de energía se emite en el espectro visible. Los fotones visibles calientan y dan luz, mientras que los que no son visibles únicamente sirven para calentar. Así que cuanto mayor sea la proporción de fotones visibles, mejor será el rendimiento lumínico.

Nuestros ojos están acostumbrados a la luz que proviene del Sol. La superficie del Sol está a unos 5700 K. A esa temperatura la mayor parte de la radiación es en el espectro visible y parte de ultravioleta, pero la atmósfera absorbe buena parte de esta última. Así que la luz que finalmente llega a la Tierra se parece más a la radiación de 5000K. Un cuerpo que emita luz a esa temperatura, consigue la mayor eficiencia posible para la iluminación térmica, como puede verse en la siguiente figura.

NO QUEMA - VISIBLE

Aún así, todavía una buena parte de la energía radiada corresponde a luz no visible.

 

Bombillas incandescentes y halógenas

Las mejoras de rendimiento en iluminación térmica se encaminan pues a lograr mayores temperaturas. La vela supone una mejora frente al fuego convencional, ya que al acelerar la combustión en un punto muy concreto se logra mayor temperatura de la llama. Sin embargo, la revolución actual comienza con la bombilla eléctrica.

La bombilla eléctrica tradicional consta de un filamento de Wolframio muy delgado por el que pasará la corriente calentándolo por efecto Joule a unos 2800K, cubierto por una ampolla de cristal en la que se hace el vacío o se llena con un gas inerte, de modo que se impida la combustión del filamento a pesar de las altas temperaturas que alcanza.

bombilla-incandescente

Las bombillas halógenas mejoran el concepto y utilizan un filamento de metal (tungsteno) recubierto de halógeno (yodo o bromo) insertado en un vidrio especial que permite unas temperaturas aún mayores, de unos 3200K.

Algunas reacciones químicas pueden producir temperaturas mayores, pero no son muy viables como bombillas porque los reactivos se consumen. Así que de momento los halógenos son lo mejor que hay en iluminación térmica en las tiendas.

Para entenderlo mejor, os dejo este dibujo con monigotes, donde se puede comprobar que hay más fotones visibles en la luz de la bombilla que en la de la vela.

No quema - dib4

Próximamente en Nergiza  veremos por qué las luces LED y fluorescentes apenas queman y por qué a pesar de ello iluminan.

18 Comentarios

  1. Bien, bien, solo una cosa, corrige en el 5º párrafo “…ya están excitadas o calientes, se pueden enfriar emitiendo botones” los BOTONES por fotones.
    Saludos.

    Thumb up 2 Thumb down 2

    • Gracias por avisar, ya lo corrijo yo.
      Abraham, supongo que querías decir fotones, si no es así y es botones, por favor especifica si son “botas grandes” o “pulsadores” jejejeje 🙂

      Thumb up 2 Thumb down 1

    • Cierto. Es una errata.

      Tendría que poner ” […] un filamento de metal (tungsteno) recubierto de halógeno (yodo o bromo) insertado […]”.

      Y sí, el tungsteno es lo mismo que el wolframio, pero al sacar la información de diferentes fuentes, en un sitio le dicen de una manera y en otro de otra, y no he caído en la cuenta de que lo estaba poniendo de distinta manera en el mismo texto.

      Gracias por el aviso.

      Thumb up 2 Thumb down 0

  2. No está explicado bien del todo. K es el símbolo de la unidad de temperatura kelvin, que es exactamente la temperatura en ºC+273,15. La temperatura de color sería entonces la temperatura en kelvin que tendría un cuerpo negro que tuviera ese mismo color. Ya se que hablar del color de un cuerpo negro queda raro pero es que un cuerpo negro en física es un cuerpo que no refleja nada de la luz que recibe. Si está a las temperaturas normales de todos los días lo veremos negro porque emitirá toda su luz en frecuencias no visibles. Si está muy caliente (fuego, bombilla, Sol) emitirá luz en frecuencias que sí podemos ver. Si aun se calentara más dejaríamos también de verlo porque empezaría a emitir todo en otras frecuencias (ultravioleta) que tampoco podemos ver, pero eso sólo se da en el interior de las estrellas.

    Thumb up 1 Thumb down 1

    • Efectivamente, cuando pongo 3000K me refiero a temperatura en grados Kelvin. Pensaba que quedaba claro en el texto.
      Un pequeño detalle: A temperaturas mayores se emite más en ultravioleta, pero también en frecuencias menores, por lo que algo se emite en luz visible. (Aunque no recomiendo a nadie mirar ese tipo de luz, si le tiene aprecio a sus retinas).

      Thumb up 1 Thumb down 0

  3. Sí pongo 8 bombillos lee de 7 w. Cual es el consumo 25 días estará encendido 8 horas diarios cuantos kw son al mes

    Thumb up 0 Thumb down 1

    • Hola, María José.

      Para eso están los comentarios. Si piensas que falta algo en el texto nos lo indicas aquí, y así lo vamos mejorando. ¿Cómo lo habrías puesto tú más específico? Son todos esos fotones no visibles que emiten las luces térmicas los que hacen que esté más caliente que las otras luces. El artículo era un poco largo y lo dividí en dos. En el otro se termina de explicar.

      Thumb up 1 Thumb down 1

  4. Excelente, muy bien explicado con muy buena simpleza para la gente común que se preguntaría ¿porque un foco, lámpara da luz? .
    Te felicito Abraham.
    Gracias, saludos Atte Marcelo

    Thumb up 0 Thumb down 0

Dejar respuesta

Please enter your comment!
Please enter your name here