Immagine da https://www.istitutomontani.edu.it/museovirtuale/lampada_a217/

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La lampada elettrica è un dispositivo che trasforma energia elettrica in luce.
Le più comuni lampade elettriche.
Le due foto riguardano una antica lampada a filamento di carbone.
Premesso che è troppo vasta la letteratura sulla loro storia e sui numerosi protagonisti che contribuirono alla realizzazione e all'evoluzione della lampada elettrica, accenniamo ai tipi di lampade dall'inizio fino ai giorni nostri.
Citiamo qui solo gli italiani:
Alessandro Cruto (1873).
Il filamento Cruto viene preparato per deposizione di grafite su un sottile filo di platino in atmosfera di idrocarburi; volatilizzato il platino ad alta temperatura, rimane il filamento di grafite purissima. Per il vuoto egli utilizzò la pompa Sprengel a mercurio, inventata nel 1865. Nessuno però era riuscito a raggiungere durate delle lampade superiori alle decine di ore.
E Arturo Malignani (1894).
Egli riuscì a creare un vuoto molto spinto nelle lampadine e ad aumentarne sensibilmente la durata (di un ordine di grandezza) e a migliorare la luminosità introducendo nell’ampolla di vetro una piccola quantità di eteri o altri idrocarburi che assorbivano i gas residui. L’invenzione venne brevettata nel 1894 e estesa in diversi Paesi (Stati Uniti, Austria, Germania, Francia e altri).
Ci si permetta per inciso una breve precisazione storica. Edison, nel 1879, aveva scoperto il materiale più adatto per costruire un duraturo filamento a incandescenza e con questo aveva aperto la strada per una produzione industriale in concorrenza con la produzione di lampade ad arco voltaico e a gas, portando la durata delle sue lampade a 40 ore.
Ma quale era lo stato dell’arte nell’anno in cui Edison annunciò la “scoperta” della lampadina elettrica?
Prima di lui sulla lampadina elettrica aveva lavorato l’inglese Joseph Swan che aveva presentato nel 1878 una lampada elettrica con filamento a carbone. La prima lampada elettrica fu l'arco voltaico (H. Davy 1809), usato fino a tempi relativamente recenticome sorgente di luce nei proiettori cinematografici. Le prime lampade a incandescenza rudimentali a filamento di carbone e a filamento di platino risalgono a circa il 1840 con divulgazione nel 1845.
La loro evoluzione continuò incessante fino a pochi anni or sono.
Dapprima ebbero successo i filamenti di carbone in varie tipologie montati in molti modi in ampolle di vetro nelle quali veniva fatto un buon vuoto per ridurre la sublimazione del filamento incandescente. I contatti con l'esterno erano costituiti da zoccoli di varie forme e ci volle del tempo per uniformarli nei vari Paesi.
Nel 1902 fu usato un filamento al tantalio. Nel 1905 un filamento all'osmio. La produzione delle lampade a filamento di tungsteno iniziò nel 1907, e, a parità di potenza assorbita, l'intensità della luce emessa era circa il doppio di quella del filamento di carbone. Ma la sublimazione del filamento era eccessiva ed anneriva il vetro. Questo inconveniente si risolse con l'introduzione di un gas inerte nella lampada e poi con una piccola quantità di alogeni.
Dal 1924 in poi si iniziò a fabbricare lampade a scarica in vapori di mercurio e dal 1935 lampade fluorescenti. Queste ebbero grande successo per durata e basso consumo, ma la loro luce era “fredda” e la visione dei colori insoddisfacente.
Nel 1980 si realizzarono lampade fluorescenti compatte a risparmio energetico che recentemente hanno sostituito le lampade ad incandescenza, messe legalmente fuori commercio, fino all'avvento delle lampade a led, che stanno tuttora sostituendo tutte le lampade precedenti.
Le lampade fluorescenti sono composte da un rivestimento esterno in vetro che contiene al suo interno delle polveri verniciate, dette appunto fluorescenti, e uno strato di gas ai vapori mercurio a bassa pressione. L'emissione della luce in questo caso viene definita indiretta poiché non viene sprigionata dal gas ma dal materiale fluorescente della quale è composta, che determina anche il colore della luce, calda o fredda. Per poter funzionare correttamente è necessario produrre una scarica interna generata dagli elettrodi posti sulle estremità della lampada.
Alcune lampade fluorescenti tubolari contengono neon, ma sono poco diffuse. Altre sia tubolari, sia di forma circolare contengono trifosforo: in questo caso è maggiore la resa luminosa mentre la tonalità di luce è simile alle lampadine ad incandescenza; pentafosforo: in questo caso invece è migliore l'indice di resa cromatica ma la resa luminosa sarà nettamente inferiore. Esse emettono una luce cromatica detta “fredda” poichè è poco gradevole, a cui corrisponde una temperatura dai 3600 ai 6500 K.

Immagine da https://www.istitutomontani.edu.it/museovirtuale/lampada_a217/

Notare che la luce detta “fredda” corrisponde ad una “temperatura dal colore” molto più alta della temperatura detta “calda” (inferiore ai 3300 K).
L'occhio umano ha la migliore efficienza intorno al giallo-verde; la luce del sole, emessa dalla sua superficie a circa 6000 K, perde una parte della componente blu-violetta per diffusione nell'atmosfera (il cielo è blu), e ne risulta uno spettro che percepiamo come luce calda.
Un altro tipo di lampade è a vapori di sodio risalente al 1931, a bassa pressione. Il suo uso era per l'illuminazione stradale e industriale poiché la resa cromatica è quasi nulla; la loro luce è giallo-arancio.
La scarica si innesca inizialmente in ambiente di gas neon e dopo 10-15 minuti il sodio ionizza e la lampada si accende.
Le lampade al sodio ad alta pressione sfruttano il fatto che con una pressione maggiore degli atomi di sodio ed una temperatura di circa 700 °C si ottiene una efficienza inferiore ma una distribuzione della luce pressoché continua (luce bianco-oro) che permette di distinguere i colori.
Lampade a vapori di mercurio. L'emissione luminosa delle lampade a vapori di mercurio è dovuta ai vapori contenuti in un tubo di quarzo che vengono ionizzati dalla corrente di elettroni e ioni che si produce tra due elettrodi. Essa avviene prevalentemente nell'ultravioletto. L'ampolla esterna della lampada perciò è ricoperta internamente di polvere fluorescente, in genere vanadato di ittrio o alluminato di ittrio, che trasforma le radiazioni ultraviolette in radiazioni ripartite abbastanza uniformemente nello spettro visibile.
Lampade agli ioduri metallici. L'introduzione di ioduri metallici (sodio, tallio, indio, disprosio, olmio, cesio, tulio) oltre al mercurio nel precedente tipo di lampade aumenta un poco l'efficienza e migliora la resa dei colori (luce bianca solare). La luce è più bianca perché queste sostanze alle alte temperature si scompongono e gli ioni metallici emettono luce nelle zone ove il vapore di mercurio non presenta righe di emissione.
La lampada ad incandescenza possiede un colore di luce detto “caldo”, con spettro simile all'arancione, corrispondente a 2700K. Questa tipologia possiede una bassissima efficienza luminosa se si pensa che solamente il 5% dell'energia elettrica viene trasformata in luce, mentre il restante 95% viene utilizzata per la produzione di calore. Per questo motivo questo tipo di lampada si surriscalda eccessivamente e richiede tantissima potenza per poter illuminare stanze di medie dimensioni.
Dal 2012 gli stati membri dell'Unione Europea hanno messo al bando questo tipo di illuminazione che verrà sostituita da altre forme e sistemi più tecnologici. L'alogena venne inventata poichè la tipologia ad incandescenza aveva un breve durata di vita, una bassissima efficienza energetica così venne completamente rimpiazzata dalla versione alogena. Si tratta principalmente di un filamento in tungsteno racchiuso in un bulbo di quarzo con all'interno un gas alogeno (con l'aggiunta di tracce di un gas nobile) ed ha una resa pari a circa 25 lumen per watt, contro i 15 lumen per watt di un filamento incandescente. Esse sono di dimensione più contenuta. Il loro funzionamento è piuttosto complesso.
Il filamento di tungsteno portato ad una temperatura di oltre 3000 K sublima formando alogenuro di tungsteno che si decompone a contatto col filamento e si deposita di nuovo, dando luogo ad un ciclo continuo.
Inizialmente le lampade alogene avevano 2 problematiche comuni. Eccessivo surriscaldamento della lampadina che venne risolto installando una protezione in vetro che circondava la lampada in maniera che il calore fosse contenuto. Eccessiva emissione di UV, ovvero i raggi ultravioletti, per i quali venne inventato uno speciale schermo che riflette la luce disperdendo allo stesso tempo i dannosi raggi UV, cioè il faretto dicroico.
Lampade a led.
I led denominati Light Emitting Diodes, diodi che emettono luce, impiegati dapprima per le spie dei televisori, telecomandi, personal computer, ecc. oggi impiegati anche per illuminare le abitazioni, le vie, adatti per auto e moto, per illuminazione pubblica, ecc. ecc..
Questi sono alimentati da un circuito elettronico e l'energia elettrica viene convertita per il 50% in luce e il restante 50% in calore, difatti queste lampade anche dopo svariate ore di funzionamento restano fredde al tatto senza mai surriscaldarsi. Per quanto riguarda la durata in ore i led possiedono un altro notevole vantaggio, difatti al contrario dei modelli ad incandescenza che, una volta esaurito il filamento, cesseranno di funzionare completamente, questi hanno una progressivo calo di luminosità che si abbassa di appena 20-30%, trascorse ovviamente le 50.000 h o 100.000 h stimate di funzionamento ovvero quasi 10 anni di funzionamento continuo per l'interno giorno (si ha invece una perdita del 3% sulla potenza dopo le prime 3000 ore di utilizzo), salvo eventuali rotture dei componenti dell'alimentazione o del led. Disponibili in differenti colori di luce ma anche tantissime forme e misure.
Caratteristiche: altissima resa cromatica con IRC compreso fra 90 a 95; altissima efficienza luminosa: una lampadina con potenza 10 volte inferiore rispetto al tipo ad incandescenza, cioè una vecchia lampada da 40 W equivale ad una a led da 5 watt; sono le più luminose a parità di watt assorbiti; ottima resistenza a colpi e urti; impatto ecologico e ambientale molto ridotto poiché non sono presenti gas al suo interno e nemmeno altri prodotti nocivi.

Un possibile impiego negli esperimenti di laboratorio di fisica scolastico è quello di elemento circuitale (carico) nella realizzazione di circuiti elettrici.

Le esperienze di laboratorio che prevedono l'uso di lampade sono numerose. Riportiamo alcuni esempi, con impiego come elementi circuitali.