DESCOBERTA DE EDISON MARCA NOVA ERA NA ILUMINAÇÃO – HISTÓRIA DA ILUMINAÇÃO – CAP. 5
Apesar do aproveitamento restrito a ambientes externos, a tecnologia arco voltaico foi, sem dúvida, a grande impulsionadora da iluminação elétrica com a descoberta da incandescência. Havia um anseio geral por uma solução elétrica que eliminasse os riscos de explosão ou envenenamento em ambientes confinados com a utilização do gás, provocados especialmente pela má condição de operação. Isso concentrou um intenso esforço de pesquisa na iluminação elétrica incandescente, paralelamente à evolução do arco voltaico, que viria solucionar esses problemas.
Assim, muitos inventores passaram a estudar simultaneamente ambos
os tipos de iluminação, mas os resultados iniciais obtidos com a lâmpada incandescente não foram tão espetaculares como os da lâmpada de arco carbônico. O primeiro a descobrir que uma fita de metal podia se tornar incandescente, através da passagem de corrente elétrica, foi provavelmente, Louis Jacques de Thénard, em 1801. Já Humphry Davy, em 1802, descobriu que, enquanto a maioria dos metais se consumia rapidamente, a platina emitia uma luz mais duradoura.
Outros pesquisadores tentaram aumentar a duração da fita, fio ou vareta incandescente, colocando-os num vácuo, no período de 1838 a 1854. O suíço Auguste Arthur de La Rive foi provavelmente o primeiro a usar um filamento com enrolamento de platina num tubo parcialmente sem ar. O belga Jobart descobriu que o carbono não se consumiria se fosse levado à incandescência num ambiente sem ar. Já, William Grove usou, na apresentação de sua bateria, um filamento de platina num bequer de vidro, colocado de cabeça para baixo num pires cheio de água.
A construção da primeira lâmpada de arco autorreguladora foi obra de William Edwards State, usando fitas de irídio-platina, enquanto que J.W. Starr fez experiências com uma fita de platina de comprimento ajustável. Ele, assim como M. J. Roberts, também utilizou uma vareta de carbono no vácuo. Já em 1841, Frederic de Moleyn patenteou uma lâmpada na qual um pó carbônico, disperso entre dois rolamentos de platina, foi levado à incandescência. E, em 1850, E.C. Shepard, usou resistência de contato entre dois pedaços de carbono.
No entanto, o uso prático da luz incandescente foi obtido pela primeira vez, em 1854, pelo alemão Heinrich Goebel, que, em 1893, teve sua reivindicação de prioridade sobre Edison reconhecida pela justiça. Ele desenvolveu lâmpadas elétricas com filamentos de bambu carbonizados, selados à vácuo em vidros de perfume. Estas lâmpadas foram usadas para iluminar a vitrine de sua relojoaria em Nova York. Além destes, outros inventores obtiveram sucesso parcial em suas experiências como o francês De Changy, que, em 1856, inventou a lâmpada de filamento de platina aberto para uso em minas. O americano Joseph Farmer também usou lâmpadas de fita de platina para iluminar sua sala de visitas. E o cientista russo Lodyguine construiu lâmpadas com um corpo incandescente de grafite num balão de vidro cheio de nitrogênio. Ele utilizou 200 dessas lâmpadas para iluminar São Petesburgo em 1872.
Edison dá o impulso definitivo
Com todos estes esforços, no final da década de 1870, a maior parte dos problemas de construção de uma boa lâmpada já era compreendida, embora não estivesse totalmente resolvida. Tinha-se o conhecimento da necessidade de uso de um material de alta temperatura de vaporização e fusão no filamento incandescente,
bem como de uma lâmpada com alta resistência, que precisava de filamentos mais finos e cuja duração dependia da manutenção de um vácuo perfeito na ampola circundante.
Muitos experimentos falharam, mas o desenvolvimento da bomba a vácuo de mercúrio em 1865, por Wilhelm Spregel, foi uma forma de enfrentar este problema, embora o bombeamento, que durava cerca de dez horas ou mais, não servisse como incentivo para a produção das lâmpadas comercialmente. Também havia problemas com a ligação em circuito entre as lâmpadas incandescentes de baixa resistência, o mesmo encontrado na tecnologia arco voltaico, onde o bom funcionamento da conexão em série dependia de todas as lâmpadas, pois em caso de falhas, todo o circuito era interrompido automaticamente.
Mas foi em 21 de outubro de 1879 que o gênio Thomas Alva Edison transformou em realidade o grande sonho do século: uma fonte de luz artificial prática, segura e barata. Ele desenvolveu uma lâmpada com fio de algodão carbonizado como filamento, que produziu luz por 40 horas. Sua inovação maravilhou o mundo e sacudiu as últimas décadas do século XIX, modificando o comportamento
do homem no século XX. Foi ele quem sugeriu que a solução definitiva do problema de subdivisão da luz elétrica, só poderia ser encontrada com o uso de lâmpadas de alta resistência em circuitos paralelos.
Edison iniciou suas investigações para a construção de lâmpadas incandescentes, em 1878, em seu laboratório, de Nova Jersey (EUA), utilizando filamentos de arame de platina. Ele fez vários experimentos com dispositivos termostáticos para evitar o superaquecimento e a fusão. Mas percebeu que a platina poderia se esgotar em poucos anos se houvesse sucesso e decidiu experimentar o carbono, material potencialmente bom para ser usado como filamento. Também resolveu o problema de como obter e manter o vácuo na ampola. Primeiro provocou um enrijecimento completo na ampola e no filamento e, depois, usou uma combinação de bombas a vácuo – a de Geissler e a de Sorengel – que ofereciam respectivamente maior rapidez e um vácuo melhor.
Além de Edison, muitos outros inventores trabalharam para a construção da lâmpada incandescente. O mais importante deles foi o inglês Joseph Wilson Swan, que iniciou experiência nessa área 30 anos antes, usando fitas de papel carbonizado. Seus primeiros esforços não tiveram êxito, mas em 1877 fez parceria com Charles H. Stearn, especialista em vácuo. E, em 1880, encontrou um material adequado para um filamento fino no fio de algodão carbonizado, que era pergamizado para endurecer e mergulhado em ácido sulfúrico para ficar liso e uniforme. Há indícios de que Swan tenha apresentado uma lâmpada incandescente que funcionava muito bem seis meses antes de Edison. Mas, controvérsias à parte, ambos abriram caminhos para os aperfeiçoamentos e tiveram sucesso comercial com suas invenções.
O primeiro pedido recebido por Edison foi de 250 peças para a iluminação do navio a vapor Columbia, em 1880. E a primeira instalação elétrica feita por Swan foi a da mansão Gragside, de propriedade do industrial William Armstrong, em 1881. Após grande competição, eles se uniram em 1883 e formaram a EdiSwan – Edison & Swan United Electric Light Co. Ltd. No entanto, a lâmpada de filamento de carvão ainda estava longe da perfeição. Em 1883, Swan deu outro passo importante para o aperfeiçoamento da lâmpada incandescente ao descobrir uma forma de fazer um filamento melhor. Ele converteu o algodão em nitrocelulose e obteve um fio fino e uniforme de celulose reconstituída.
Já, em 1905, aconteceu a última grande melhoria da lâmpada com filamento de carvão, quando o americano Willis Whitney descobriu um método para enrijecer os filamentos de carvão em alta temperatura (3.500ºC), que aumentou em 25% o rendimento por Watt.
Incandescente conquista o mercado
Se por um lado, a potência requerida e a intensidade luminosa do arco voltaico consagravam o sistema para iluminação pública, as lâmpadas incandescentes de menor potência tornaram-se a solução dominante nas instalações internas. Para isso, muito contribuíram a distribuição dos três fios (patenteado por Edison) e a invenção do alternador e do transformador, que, por volta de 1900, aumentou consideravelmente a extensão das linhas de transmissão. Com a revolucionária inovação de Edison não se poderia mais ignorar que os dias do gás iluminante estavam contados e que a sua permanência só seria possível pelos grandes investimentos implantados. Desde os primeiros experimentos com fios de platina de Humphry Davy (1802) até o sucesso de Thomas Alva Edison (1879), muitos foram os precursores que deixaram seu nome associado à evolução da lâmpada incandescente.
No entanto, o maior desafio tecnológico era encontrar um material econômico e bom condutor elétrico, que suportasse por longo tempo, sem se destruir, condições de incandescência em elevada temperatura. Para isso, boas condições de vácuo (ausência de oxigênio) eram essenciais. O surpreendente êxito de Edison, que se aventurou a “entrar nessa corrida” apenas um ano antes, para descobrir uma solução por incandescência, deveu-se a sua tenacidade e genial criatividade. Ele aperfeiçoou o vácuo interno, resolveu o problema da selagem vidrometal, fixação de eletrodos e outros.
Tão logo chegou à solução, Edison apressou-se em aperfeiçoar o produto desenvolver os meios necessários a sua utilização: distribuição em baixa tensão a três fios (circuito múltiplo), base rosqueada e até mesmo construção da primeira estação geradora para suprir a energia necessária: “Pearl Street”, na cidade de Nova York.
Como resultado desse trabalho, o uso da lâmpada de Edison alastrou-se rapidamente pelos EUA e, logo a seguir pelo mundo, ocupando o espaço do gás na iluminação interna. As lâmpadas incandescentes eram inicialmente produzidas em 8, 16, 25 e 32 velas e o custo oferecia vantagem cada vez maior em relação ao gás.
Numa segunda etapa, já mais aperfeiçoada, passaria a competir também com o arco voltaico na iluminação pública. No continente europeu, a Siemens tomou a iniciativa de produzir lâmpadas incandescentes em 1882, seguida de diversas indústrias, que encontraram muitas dificuldades na comercialização de seus produtos, especialmente pela grande competição com o lampião a gás de Carl Auer Von Welsbach, produzido em 1887. Foi nesse período difícil que o engenheiro Gerard Philips começou a produzir lâmpadas com filamento de carvão, em 1891, e mais tarde se tornaria a maior companhia produtora de lâmpadas do mundo.
Filamento de metal muda o cenário
A platina deu início aos experimentos com metal, mas, apesar da ausência de resultados práticos, a ideia de usar o filamento de metal não tinha sido descartada. O primeiro êxito nessa área foi obtido em 1897 por Carl Auer Von Welsbach, já famoso pelo lampião a gás, cuja lâmpada tinha um filamento de ósmio e entrou em produção em 1902. No entanto, o ósmio tinha alto custo e três anos depois foi substituído pelo tungstênio. A produção comercial das lâmpadas de filamento de tungstênio extrudado começou em 1907.
Ainda em 1902, o russo Werner Von Bolton manufaturou uma lâmpada com filamento de tântalo, que foi produzida pela Siemens de 1906 a 1913. Mas o tântalo tinha pouca resistência e os filamentos tinham de ser muito longos, tornando-se eficiente apenas se usado em corrente direta. Outro desenvolvimento foi o do alemão Hollefreund, que produziu uma lâmpada que tinha um filamento de carboneto de zircônio, mas o material também era quebradiço. Também em 1897, Walter Nernst desenvolveu um produto que pode ser considerado híbrido entre a lâmpada incandescente e o lampião a gás. O filamento esguichado incandescente era composto de uma mistura de zircônio e vários óxidos metálicos ferrosos. Este material é quase isolante em temperaturas baixas, mas torna-se um bom condutor em altas temperaturas. A lâmpada precisava ser pré-aquecida, originalmente com um fósforo, mas depois, com o filamento de platina, que era desligado automaticamente quando a lâmpada ficava condutiva.
A lâmpada de Nerst era cara e muito frágil, mas, uma vez acesa, sua eficiência era maior que as lâmpadas de filamento de carvão da época. A AEG começou a produzi -la em 1902 e, dez anos depois, foi finalmente substituída pelo filamento de tungstênio. O tungstênio, por sua vez, tinha o ponto de fusão mais alto dos metais, mas sua proporção de evaporação ainda era muito baixa. Ele não podia ser fundido ou moldado e só estava disponível na forma de pó ou em compostos. Os primeiros a conseguir uma lâmpada de tungstênio que funcionasse bem foram os cientistas austríacos Alexander Just e Franz Hanamann. Em 1903, eles produziram um filamento de tungstênio esquentando um filamento de carvão numa atmosfera de oxitetraclorureto de tungstênio, onde há troca entre o carvão e o tungstênio. O método mais prático usava os mesmos princípios da lâmpada de ósmio e foi desenvolvido por Hans Kuzel, em 1905.
A produção comercial das lâmpadas de filamento de tungstênio extrudado começou em 1907. O rendimento de luz por watt era duas vezes maior que o da lâmpada com filamento de carvão, mas os longos arames finos eram muito quebradiços e as pesquisas continuaram à procura de um meio de fazer filamentos estirados do próprio metal tungstênio.
A primeira a ter sucesso nessa área foi a Siemens & Halske ao descobrir a possibilidade de estirar uma liga de tungstênio e níquel até formar arames muito finos em temperatura ambiente. O filamento era montado num sistema de arames para suporte derivado da lâmpada de tântalo, único tipo de lâmpada com filamento estirado, reconhecida como Wotan, que entrou no mercado em 1910.
Paralelamente, nos Estados Unidos, William D. Coolidge desenvolveu um processo para tornar o tungstênio dúctil. Um pó grosso desse metal era comprimido para formar uma barra, a qual era concrecionada uma temperatura muito alta, passando- -se uma corrente elétrica através dela. Seu corte transversal era reduzido por um processo de estampamento a quente, seguido de estiramento quente, através de muitas trefilas para produzir filamentos de tungstênio puro. Ele construiu sua primeira lâmpada em 1910. Logo os fabricantes adotaram esse processo. Em 1912, o americano Irving Langmur deu um grande passo ao descobrir que a evaporação do filamento poderia ser consideravelmente reduzida, enchendo-se a lâmpada com um gás inerte. Primeiro ele utilizou o nitrogênio para encher a lâmpada e depois uma mistura de 90% de argônio e 10% de nitrogênio, pois sua condutividade termal era mais baixa. A lâmpada cheia de gás aumentava a perda de calor, se comparada à de vácuo. Para resolver esse problema, Langmur enrolou o filamento em espiral. Essas novas lâmpadas passaram a ser comercializadas em 1913 e tiveram grande sucesso, eliminando as de filamento de carvão do mercado e tornando possível a iluminação elétrica residencial.
A Philips foi uma das primeiras a fabricar esse produto. Depois disso, não houve mudanças substanciais no ritmo de desenvolvimento da lâmpada incandescente. Somente, em 1933, introduziu-se o filamento de espiral dupla ou espiral espiralada, que aumentou a força luminosa entre 10% e 15%. E, finalmente, o último e mais importante aperfeiçoamento aconteceu em 1959, quando os americanos E. G. Zuiber e F. A. Mosby conseguiram fazer a primeira lâmpada halógena eficiente, adicionando pequena quantidade de halogênio (geralmente bromo ou iodo) ao gás de enchimento. Com isso, o tungstênio se evaporava do filamento e era forçado a combinar com o halogênio, permanecendo gasoso, ao invés de assentar na ampola de vidro. A força luminosa dessa lâmpada era da ordem de 201 m/W.
Coordenação Editorial e Redação: Neide Lamanna
Capa: Raphael Lobosco
Projeto Gráfico: André Siqueira
Ilustração: Raphael Lobosco