¿Por qué no se pueden utilizar otros elementos químicos para fabricar el filamento de una bombilla?

Question

Por lo que puedo ver en este artículo de Wikipedia sobre la bombilla incandescente hasta ahora sólo ha habido cuatro tipos de filamentos de bombilla: los de carbono los de osmio los de tantalio y los de tungsteno (wolfram). Me pregunto por qué es imposible utilizar cualquier otro elemento químico para ese fin. ¿Existe una explicación sencilla de esa razón?

Answer 1

Esencialmente: carbono, osmio, tantalio y wolframio, junto con renio son los únicos elementos (conocidos, estables) que tienen puntos de fusión lo suficientemente altos como para permanecer sólidos a las altas temperaturas necesarias para conseguir los colores de las bombillas incandescentes estándar.

¿Por qué? Las bombillas incandescentes producen luz calentando un filamento, que se calienta tanto que emite suficiente radiación para iluminar la habitación. Podemos modelizar bien el color de la bombilla aproximándola como un cuerpo negro en equilibrio térmico, gobernado por Ley de Planck . Cuando pasa electricidad a través de él, el filamento de la bombilla se calienta hasta alcanzar, en equilibrio, la temperatura indicada en la etiqueta de la bombilla. Cuanto más fría es la temperatura, más roja es la bombilla, y cuanto más alta es la temperatura, más azul es la bombilla.

Las bombillas incandescentes estándar tienen temperaturas entre 2700 K y 3000 K. Esto se debe a que la temperatura que produce un pico en el extremo más rojo del espectro visible (con $\lambda=750$  nm) es ~3800 K. Por lo tanto, a medida que la temperatura del filamento se reduce por debajo de 3800 K, el pico se desplazará más fuera del rango visible y la luz producida parecerá más tenue (debido a Ley de desplazamiento de Wien ) y por eso las temperaturas más frías parecen demasiado tenues para funcionar como una bombilla.

Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura del filamento, la temperatura de funcionamiento de la bombilla se aproxima al punto de fusión del filamento. Dado que la temperatura media energía cinética de las moléculas, muchas de las moléculas del filamento tendrían individualmente más energía que esa media, lo que reduciría mucho la vida útil de una bombilla con un filamento cuya temperatura de funcionamiento estuviera demasiado cerca de su punto de fusión. Por eso las bombillas incandescentes son raramente por encima de 3000 K (al menos los que no tienen algún tipo de revestimiento especial que los hace más azules).

Sin embargo, los únicos elementos con puntos de fusión superiores a 3000 K son los elementos que mencionas: carbono, osmio, tantalio y wolframio, con la excepción del renio, uno de los elementos más raros de la Tierra. Vea los elementos en rojo (que tienen puntos de fusión iguales o superiores a 3000 K) en la siguiente tabla periódica (de ptable.com ) :

Eso no significa que no haya otros materiales con puntos de fusión elevados que puedan funcionar bien como filamentos para una bombilla incandescente, como por ejemplo carburo de tántalo (que puede fundirse a unos 3900 K), por ejemplo. He aquí una Patente de 1935 para una lámpara de carburo de tántalo. Incluso se ha considerado el renio. He aquí una 2001 patente de un filamento de aleación de tungsteno y renio, aunque dada la rareza del renio, es probable que no resulte económico utilizarlo como filamento para bombillas de consumo.

Las bombillas no incandescentes producen luz a través de mecanismos totalmente diferentes, o bien no utilizan un filamento sólido, razón por la cual las bombillas LED no necesitan tungsteno y otros materiales.

Answer 2

Aunque la pregunta ha sido excelentemente respondida por @abeta201, mi pregunta servirá como lección de historia y de cómo el wolframio superó a otros metales.

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Varios físicos y científicos empezaron a idear dispositivos que produjeran luz al enviar electricidad. Joseph Swan fue capaz de demostrar que un dispositivo de este tipo funcionaba, pero vaciló con el razonamiento de la falta de vacío y el suministro adecuado de electricidad, pero una vez que las mejores bombas de vacío estaban disponibles, comenzó a trabajar en el dispositivo que utiliza filamentos de papel carbonizado / varillas de carbono. Paralelamente, Thomas Edison también inició su propia investigación y registró su propia patente. En una ocasión pasó al platino, pero de nuevo volvió al carbono (debido al coste). La primera prueba con éxito duró 13,5 horas, su patente fue aprobada y el dispositivo se comercializó para su uso en farolas.

Los filamentos de carbono tienen un coeficiente negativo de resistencia a la temperatura: a medida que se calientan, su resistencia eléctrica disminuye. Esto hacía que la lámpara fuera sensible a las fluctuaciones del suministro eléctrico, ya que un pequeño aumento de la tensión hacía que el filamento se calentara, reduciendo su resistencia y haciendo que consumiera aún más energía y se calentara aún más. Sin embargo, requería 3 vatios por vela de luz. Así que todo el mundo empezó a pensar en alternativas y dieron con los filamentos metálicos.

A principios del siglo XX, se probaron varios metales. En 1902, se utilizó el osmio como filamento y se consiguió una bombilla bastante satisfactoria que requería 1,5 vatios por vela de luz. En Alemania se empezaron a utilizar algunas lámparas de osmio, pero su rareza y coste impidieron su introducción comercial a gran escala. En 1904, se empezaron a utilizar bombillas de tántalo que requerían 2 vatios por vela, pero sólo tenían una mayor esperanza de vida cuando se utilizaban con corriente continua y no con corriente alterna.

Al año siguiente, se empezaron a utilizar bombillas con filamento de tungsteno que requerían 1,25 vatios por candela de luz y tenían una mayor esperanza de vida tanto en corriente alterna como continua y se empezó a comercializar a nivel mundial y entonces ya nadie buscó ningún otro metal. Ahora bien, ¿por qué el tungsteno funcionaba y superaba en rendimiento?

1. Tiene el punto de fusión más alto (3410°C) y puede funcionar a temperaturas más altas; a mayor temperatura de funcionamiento, mayor eficacia luminosa. (El osmio también estaba cerca - 3050°C) pero la falta de estabilidad térmica y el coste impidieron su uso extensivo. El tantalio con p.m. 2950°C funcionaba mejor en CC)
2. La presión de vapor del wolframio en función de la temperatura es la más baja de todos los metales conductores. Esto reduce el ennegrecimiento de la bombilla.
3. El tungsteno es un emisor selectivo; su emisividad en el espectro visible es mayor que en el infrarrojo. Esto contribuyó a la eficacia a nivel de temperatura.
4. Baja resistencia específica, por lo que era adecuado para corriente pesada
5. Requiere sólo 1,25 vatios por candela (Carbono -3, Tántalo -2)
6. Mayor esperanza de vida - 1000 horas con cualquier corriente (Carbono: 400-500, Tántalo: DC -600, AC-800)
7. Unlick carbo, tungsteno tiene un coeficiente de temperatura positivo, por lo que no era estable, pero también dio una luz blanquecina.
8. Era posible reparar una lámpara de filamento de tungsteno agitándola enérgicamente con corriente. Los extremos rotos del filamento entran en contacto y se sueldan.

Algunos carburos y nitruros refractarios (p. ej., TaC, HfC|ZrC, ZrN) tienen puntos de fusión más altos que el wolframio y una selectividad espectral mejorada, pero son termoestables a altas temperaturas y demasiado frágiles para fabricar filamentos de lámparas.

Referencias

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb
2. El poder y el ingeniero Volumen 34, Hill Publishing Company, 1911
3. Censo de Industrias Eléctricas: 1917: Centrales eléctricas con resumen de las industrias eléctricas Estados Unidos. Bureau of the Census U.S. Government Printing Office, 1910
4. Lámparas e iluminación, M.A. Cayless, Routledge, 2012

Answer 3

El principal factor que determina si un material es adecuado para ser utilizado como filamento en una bombilla incandescente es su punto de fusión. Para producir luz, el filamento debe calentarse a una temperatura elevada, normalmente en torno a los 2.000-3.000 grados Celsius. A esta temperatura, el filamento debe ser capaz de mantener su integridad estructural sin fundirse ni evaporarse.

El carbono, el osmio, el tantalio y el wolframio tienen altos puntos de fusión, lo que los hace adecuados para su uso como filamentos en bombillas incandescentes. En particular, el tungsteno tiene un punto de fusión muy alto (3422 °C) y es muy resistente a la corrosión, por lo que es el material más utilizado para los filamentos de las bombillas.

Otros elementos que se han utilizado como filamentos en bombillas incandescentes son el iridio y el renio, que también tienen puntos de fusión elevados. Sin embargo, estos materiales suelen ser más caros y menos accesibles que el wolframio, por lo que su uso es menos frecuente.

Es posible utilizar otros materiales como filamentos en las bombillas incandescentes, pero deben tener un punto de fusión elevado y ser capaces de mantener su integridad estructural a altas temperaturas. Los materiales con puntos de fusión más bajos, como el aluminio o el cobre, no son adecuados para su uso como filamentos en bombillas incandescentes porque se fundirían o evaporarían a las altas temperaturas necesarias para producir luz.