Lámpara de arco

El espectro emitido por una lámpara de arco de carbono es el más parecido al de la luz solar de todas las lámparas. Siendo una de las primeras luces eléctricas, su intensa y dura emisión solía limitar su uso a la iluminación de grandes áreas. Aunque las longitudes de onda invisibles eran desconocidas en el momento de su invención, pronto se descubrió que las lámparas sin protección producían grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta dañina que no se encuentra en la luz solar. Se descubrió que si el arco se encerraba en una esfera de vidrio, muchos de estos rayos invisibles podían bloquearse. Sin embargo, las lámparas de arco de carbono pronto fueron reemplazadas por lámparas incandescentes y de descarga de gas, más seguras, eficientes, versátiles y fáciles de mantener . Las lámparas de arco de carbono todavía se utilizan donde se necesita una aproximación cercana a la luz solar, para probar materiales, pinturas y recubrimientos para detectar desgaste, decoloración o deterioro, o, por ejemplo, materiales de naves espaciales que se expondrán a la luz solar en órbitas más cercanas a la de la Tierra. ^{[ 5 ]}

El arco consiste en vapor de carbono puro calentado hasta alcanzar un estado de plasma. Sin embargo, su contribución a la emisión de luz es mínima y se considera no luminoso, ya que la mayor parte de su emisión se produce en líneas espectrales de las regiones violeta y ultravioleta del espectro. La mayor parte del espectro del carbono se presenta en una línea muy ancha centrada en 389  nm (UV-A, justo fuera del espectro visible) y una línea muy estrecha en 250  nm (UV-B), además de otras líneas menos intensas en el UV-C.

La mayor parte de la radiación visible e infrarroja se produce por la incandescencia generada en el electrodo positivo, o ánodo. A diferencia de los ánodos de tungsteno que se encuentran en otras lámparas de arco, que permanecen relativamente fríos, el carbono produce una resistencia mucho mayor y los electrones se ven obligados a entrar en el ánodo por su punto más caliente, generando enormes cantidades de calor que vaporizan el carbono y crean una cavidad en la superficie del ánodo. Esta cavidad se calienta de 6000 a 6500 grados Fahrenheit (3300 a 3600 grados Celsius, justo por debajo de su punto de fusión), lo que provoca que brille intensamente por incandescencia. Debido a esto, los electrodos a menudo se colocaban en ángulo recto entre sí, con el ánodo orientado hacia afuera para evitar que obstruyera la emisión de luz. Dado que el carbono tiene el punto de fusión más alto de todos los elementos, es la única lámpara cuya radiación de cuerpo negro es capaz de casi igualar la temperatura del Sol de 10 000 grados Fahrenheit (5500 grados Celsius), especialmente cuando se utilizan filtros para eliminar la mayor parte de la luz infrarroja y ultravioleta. ^{[ 6 ]}

En Estados Unidos, hubo intentos de producir lámparas de arco comercialmente después de 1850, pero la falta de un suministro constante de electricidad frustró los esfuerzos. Así, los ingenieros eléctricos comenzaron a centrarse en el problema de mejorar la dinamo de Faraday . El concepto fue mejorado por varias personas, entre ellas William Edwards Staite y Charles F. Brush . No fue hasta la década de 1870 que lámparas como la vela de Yablochkov se hicieron más comunes. En 1877, el Instituto Franklin realizó una prueba comparativa de sistemas de dinamo. El desarrollado por Brush tuvo el mejor rendimiento, y Brush aplicó inmediatamente su dinamo mejorada a la iluminación de arco, siendo una de las primeras aplicaciones la Plaza Pública de Cleveland, Ohio , el 29 de abril de 1879. ^{[ 12 ]} A pesar de esto, Wabash, Indiana, afirma ser la primera ciudad en ser iluminada con "Luces Brush". Cuatro de estas luces se activaron allí el 31 de marzo de 1880. ^{[ 13 ]} Wabash era una ciudad lo suficientemente pequeña como para ser iluminada completamente por 4 luces, mientras que la instalación en la Plaza Pública de Cleveland solo iluminaba una parte de esa ciudad más grande. ^{[ 14 ]} En 1880, Brush estableció la Brush Electric Company .

Se determinó que la luz intensa y brillante era la más adecuada para áreas públicas, como la Plaza Pública de Cleveland, ya que era aproximadamente 200 veces más potente que las lámparas de filamento contemporáneas .

El uso de las lámparas de arco eléctrico Brush se extendió rápidamente. Scientific American informó en 1881 que el sistema se estaba utilizando en: ^{[ 15 ]} 800 lámparas en laminadoras, acerías, tiendas, 1240 lámparas en fábricas de lana, algodón, lino, seda y otras, 425 lámparas en grandes tiendas, hoteles, iglesias, 250 lámparas en parques, muelles y centros turísticos de verano, 275 lámparas en estaciones y talleres ferroviarios, 130 lámparas en minas, fundiciones, 380 lámparas en fábricas y establecimientos de diversos tipos, 1500 lámparas en estaciones de alumbrado, para alumbrado de la ciudad, 1200 lámparas en Inglaterra y otros países extranjeros. En total, se vendieron más de 6000 lámparas.

En la década de 1880 se produjeron tres avances importantes: František Křižík inventó en 1880 un mecanismo que permitía el ajuste automático de los electrodos. Los arcos se encerraban en un pequeño tubo para ralentizar el consumo de carbono (aumentando la vida útil a unas 100 horas). Se introdujeron las lámparas de arco de llama, en las que se añadían sales metálicas (generalmente fluoruros de magnesio, estroncio, bario o calcio) a las varillas de carbono para aumentar la emisión de luz y producir diferentes colores.

En Estados Unidos, la protección de patentes de los sistemas de iluminación de arco y las dinamos mejoradas resultó difícil, lo que provocó que la industria de la iluminación de arco se volviera altamente competitiva. La principal competencia de Brush provenía del equipo de Elihu Thomson y Edwin J. Houston . Estos dos habían fundado la American Electric Corporation en 1880, pero pronto fue adquirida por Charles A. Coffin , trasladada a Lynn, Massachusetts , y rebautizada como Thomson-Houston Electric Company . Sin embargo, Thomson siguió siendo el principal genio inventivo detrás de las patentes de mejoras en el sistema de iluminación. Bajo el liderazgo del abogado de patentes de Thomson-Houston, Frederick P. Fish , la compañía protegió sus nuevos derechos de patente. La gestión de Coffin también impulsó a la compañía hacia una política agresiva de adquisiciones y fusiones con la competencia. Ambas estrategias redujeron la competencia en la industria de fabricación de iluminación eléctrica. Para 1890, la compañía Thomson-Houston era la empresa dominante en la fabricación de productos eléctricos en Estados Unidos ^{[ 16 ].}

Hacia el cambio de siglo, los sistemas de iluminación de arco estaban en declive, pero Thomson-Houston controlaba patentes clave para sistemas de alumbrado urbano. Este control ralentizó la expansión de los sistemas de iluminación incandescente que desarrollaba la Edison General Electric Company de Thomas Edison . Por otro lado, el control de Edison sobre las patentes de maquinaria de generación y distribución de corriente continua bloqueó una mayor expansión de Thomson-Houston. Este obstáculo desapareció cuando las dos compañías se fusionaron en 1892 para formar la General Electric Company . ^{[ 16 ]}

En algunos de los primeros estudios cinematográficos se usaban lámparas de arco para iluminar las tomas interiores. Un problema era que producían un nivel tan alto de luz ultravioleta que muchos actores necesitaban usar gafas de sol fuera de cámara para aliviar la irritación ocular causada por dicha luz. El problema se solucionó colocando una lámina de vidrio común delante de la lámpara, bloqueando así la luz ultravioleta. Con la llegada del cine sonoro, las lámparas de arco fueron reemplazadas en los estudios cinematográficos por otros tipos de iluminación. ^{[ 17 ]} En 1915, Elmer Ambrose Sperry comenzó a fabricar su invento: un reflector de arco de carbono de alta intensidad . Estos se utilizaron a bordo de buques de guerra de todas las armadas durante el siglo XX para señalizar e iluminar al enemigo. ^{[ 18 ]} En la década de 1920, las lámparas de arco de carbono se vendían como productos para la salud familiar, como sustituto de la luz solar natural. ^{[ 19 ]}

Las lámparas de arco fueron reemplazadas por lámparas de filamento en la mayoría de las aplicaciones, manteniéndose solo en ciertos nichos como la proyección cinematográfica , los focos y los reflectores. En las décadas de 1950 y 1960, la corriente continua de alta potencia para la lámpara de arco de carbono de un proyector de autocine al aire libre generalmente era suministrada por una combinación de motor y generador (motor de CA que alimentaba un generador de CC). Incluso en estas aplicaciones, las lámparas de arco de carbono convencionales fueron desplazadas en gran medida hacia la obsolescencia por las lámparas de arco de xenón , pero todavía se fabricaban como focos al menos hasta 1982 ^{[ 20 ]} y aún se fabrican para al menos un propósito: simular la luz solar en máquinas de "envejecimiento acelerado" destinadas a estimar la velocidad a la que un material es probable que se degrade por la exposición ambiental. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

La iluminación de arco de carbono dejó su huella en otras prácticas de proyección cinematográfica. La práctica de transportar y proyectar películas en bobinas de 2000 pies, y emplear "cambios" entre dos proyectores, se debía a que las varillas de carbono utilizadas en las lámparas de los proyectores tenían una vida útil de aproximadamente 22 minutos (que corresponde a la cantidad de película en dichas bobinas cuando se proyectan a 24 fotogramas por segundo). El proyeccionista observaba visualmente cómo se consumía la varilla (a través de una mirilla similar a la de un soldador) y la reemplazaba al cambiar de bobina. El sistema de cambio entre dos proyectores prácticamente desapareció en la década de 1970 con la llegada de las lámparas de xenón, siendo reemplazado por sistemas de plato de un solo proyector , aunque las películas continuaron enviándose a los cines en bobinas de 2000 pies.