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(May. 01) Construcción de una bombilla casera
Alicia Sánchez Soberón y Ana Isabel Bárcena Martín. |
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Aunque la electricidad sea algo cercano y cotidiano, para la mayoría de los alumnos resulta más incomprensible e inaccesible que otros fenómenos o hechos. Sin embargo, podemos redescubrir ante ellos este mundo fascinante a través de experiencias sencillas, como el montaje de una bombilla casera.
Esta experiencia se propone para el segundo ciclo de la ESO (3º o 4º curso dependiendo de las programaciones de cada centro) dentro del bloque de contenidos de electricidad y magnetismo. Con dicha experiencia, pretendemos que nuestros alumnos sean capaces de:
- Explicar el funcionamiento de objetos eléctricos sencillos de uso diario como una bombilla.
- Entender cuándo se produce corriente eléctrica.
- Realizar correctamente montajes sencillos identificando cada una de las partes de que consta.
- Comprender el concepto de resistencia eléctrica.
- Relacionar la presencia o ausencia de oxígeno con la combustión del filamento de una bombilla.
- Mostrar una curiosidad hacia el medio que nos rodea y un interés hacia las explicaciones científicas de ciertos fenómenos.
Justificación teórica
Las lámparas de incandescencia son resistencias eléctricas que se calientan fuertemente al paso de la corriente poniéndose, como su nombre indica, incandescentes y emitiendo radiación visible. Constan básicamente de tres elementos:
- Ampolla donde se realiza el vacío o se introduce un gas inerte.
- Filamento.
- Casquillo.
El primer filamento empleado fue de platino pero no pasó de ser un producto de laboratorio. Esto fue consecuencia de su elevado precio y de que debía calentarse a temperaturas próximas a su punto de fusión para obtener una intensidad luminosa conveniente, lo que provocaba su rápida destrucción.
Así Thomas A.Edison en 1879 resuelve el problema empleando un filamento de carbono (hebras de bambú carbonizadas en una ampolla donde se había hecho el vacío).
A partir de aquí las investigaciones se centran en la búsqueda de filamentos constituidos por materiales de mayores puntos de fusión para que la duración fuese más larga.
En 1902 Welsbach lanza al mercado la primera lámpara con filamento metálico, la de osmio, que rápidamente fue sustituido, ya que era muy frágil y por tanto antieconómico. En 1907 se introduce el volframio, también conocido como tungsteno. Este elemento metálico presenta, entre otras, la ventaja de alcanzar inmediatamente el encendido normal (posee un coeficiente de resistencia muy pequeño), mientras el carbón disminuye su resistencia con el aumento de temperatura (coeficiente de resistencia negativo), lo que significa que según se calienta luce más hasta alcanzar el brillo normal.
La transformación de energía eléctrica en luminosa se debe al “efecto Jolue”. James Joule (1818-1889) estudió inicialmente la relación que existía entre trabajo, electricidad y calor. Posteriormente se centró en la relación existente entre la primera y la última de estas formas de energía (trabajo-calor: termodinámica).
Cuando por un conductor circula corriente eléctrica parte de esa energía se transforma en energía térmica (calor) debido al choque de las partículas contra los átomos y moléculas del cuerpo. Si lo que se desea es el transporte de la electricidad, desde las zonas de producción a las de consumo, este efecto es perjudicial. Desde hace tiempo se están investigando materiales superconductores para reducir al mínimo las pérdidas de energía. Sin embargo, es útil en el caso del alumbrado por incandescencia, fusibles, estufas eléctricas, planchas, etc. Así Joule obtiene que la energía eléctrica perdida y empleada en calentar el conductor es:
Calor por efecto Joule= Q = V2. t / R (J) = 0,24. V2. t / R (cal)
Como se deduce de la expresión matemática de la Ley de Joule, para una misma tensión a mayor resistencia menor calor desprendido.
Desarrollo experimental
Para construir una bombilla casera es necesario el siguiente material:
- Frasco de cristal de boca ancha.
- Dos tornillos grandes.
- Cable muy fino de hierro.
- Cable fino de nicrom.
- Cable de cobre.
- Fuente de alimentación de fem variable o dos pilas de petaca de 3 V.
En lugar de un filamento de volframio emplearemos un cable de hierro muy fino o nicrom. Este cable se conecta firmemente, a través de sus extremos, a dos tornillos que atraviesan un tapón de corcho o la propia tapa del frasco. En este último caso se deben aislar correctamente los tornillos que quedarán, como es obvio, en el interior del bote de cristal.
Por el otro lado esos dos clavos se conectan al generador de corriente o a las dos pilas de petaca dispuestas en serie. El filamento de hierro se pondrá al rojo y arderá rápidamente; aunque el de nicrom no, lo que demuestra que el material del que está hecho el hilo es decisivo en la duración de la lámpara. Sin embargo, si previamente se hace vacío en el frasco de vidrio al no existir oxígeno, en su interior, no se producirá la combustión del filamento. Éste se puede realizar bien por calentamiento o introduciendo una cerilla o papel prendidos. Es preferible el primer método, ya que el segundo produce humo que dificulta la visión y ennegrece el vidrio.
Se puede emplear un interruptor para cerrar el circuito. Se puede construir con dos simples chinchetas y un clip.
Explotación didáctica
1.- Si se emplea cable de hierro y se aplica una diferencia de potencial elevada (por ejemplo 12 V), sin haber realizado vacío, arderá fundiéndose el filamento. Si se va aumentando la diferencia de potencial hasta que el cable se ponga al rojo o se hace vacío, se observará que brillará durante un momento y luego se apagará aunque siga circulando corriente. ¿Cómo explicar este hecho? Inicialmente el filamento está frío, lo que significa que ofrece poca resistencia, razón por la cual se pone al rojo. Al elevar su temperatura aumenta su resistencia y disminuye la intensidad de corriente lo que provoca un enfriamiento del filamento hasta una temperatura en la que no se emite radiación visible.
2.- Si el hilo de la resistencia (cable de hierro o nicrom) se acorta, el resplandor se hace cada vez más vivo, más blanco y menos rojizo. Esto se puede comprobar empleando filamentos de diferentes longitudes.
3.- Se puede poner de manifiesto la relación que existe entre campo eléctrico y magnético al acercar un imán a la bombilla construida. Si es alimentada con corriente continua el filamento será atraído o repelido por un imán y el efecto será el contrario si se invierte la polaridad. Sin embargo, si se alimenta con corriente alterna experimentará atracción y repulsión de forma intermitente, esto es, vibrará.
Bibliografía
- “Cuestiones de física. ¿Por qué?”; Autores: J. Aguilar y F. Senent; Ed. Reverté.
- “Física”; Autor: P. A. Tipler; Ed. Reverté.
- “Imanes, lámparas y pilas”; Autores: F. E. Newing y R. Bowood; Ed. Susaeta. |
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