¿Cómo emite la luz una lámpara incandescente?

Estoy buscando una mejor comprensión de cómo se produce la luz en una lámpara incandescente. Más específicamente: ¿cómo se convierte la energía cinética de los electrones en luz?

  • ¿Estamos tratando con transiciones entre bandas o con relajación intrabanda que involucra fotones? ¿Es esto Bremsstrahlung (los electrones pierden su energía como luz cuando chocan con impurezas/defectos de cristal)? ¿O se trata de una radiación térmica resultante del calentamiento Joule?
  • ¿Cómo se ve afectada la emisión por la presencia de impurezas e imperfecciones de la red cristalina? ¿Los fonones juegan un papel?
  • ¿Qué propiedades hacen que un material sea más adecuado para su uso como filamento? ¿Debería ser un metal? ¿Debería tener una estructura cristalina? ¿Algún metal producirá luz si se hace pasar una corriente alta a través de él en el vacío?

Actualización
El término que describe los procesos en la lámpara incandescente es bremsstrahlung térmico , consulte las publicaciones sobre este tema aquí y aquí .

No necesitas metal para un filamento. Lea sobre qué materiales probó Edison. Como algodón. Es lo que sea que cause la radiación del cuerpo negro, que no son transiciones de electrones, creo porque es más bien universal e independiente del material. Parece que se debe a la aceleración y desaceleración de las cargas cuando oscilan debido a la temperatura.
@DKNguyen en otras palabras, ¿sugiere que es la radiación Cherenkov/Bremsstrahlung?
¿Qué? No, no tenía la intención de hacerlo. No es similar a la radiación de Cherenkov tal como la conozco, pero al leer sobre Bremsstrahlung, parece ser lo mismo.
Tienes razón, cherenkov significa otra cosa, usé un término incorrecto, ya que estaba pensando en ruso.
@DKNguyen, re "... como el algodón". El algodón no conduce la electricidad y no puede existir a temperaturas al rojo vivo. Edison experimentó con filamentos de carbono que fabricó calentando varias fibras orgánicas diferentes (apócrifamente, incluido un cabello de la barba de un escocés pelirrojo) en una atmósfera libre de oxígeno hasta que se descompusieron en carbono amorfo.
@SolomonSlow Sí, pero aún no es un metal.
@uhoh gracias, fue un error ortográfico.
@uhoh para obtener más contexto: en los LED, la luz se debe a las transiciones entre enlaces, pero es poco probable en la lámpara incandescente (aunque uno podría pensar en un escenario en el que un fuerte campo eléctrico excita electrones a través de la brecha de banda, como en el efecto zener) .
La pregunta canónica (con 8 respuestas) es ¿ Cuáles son los diversos mecanismos físicos para la transferencia de energía al fotón durante la emisión del cuerpo negro? Su pregunta es mucho más específica y no un duplicado, pero las respuestas allí pueden proporcionar un buen punto de partida para una respuesta específica aquí, con (las 5 respuestas a) la mecánica cuántica de la radiación térmica también útil.
@uhoh, gracias por los enlaces: abordan muchas de las preguntas que tenía. El punto principal que aún necesita aclaración, en mi opinión, es si realmente estamos tratando aquí con radiación térmica, es decir, si el papel de la corriente eléctrica es solo calentar el material (ya que el flujo de corriente en sí mismo no es un estado térmico).
@RogerVadim gracias por aceptar. Por supuesto, es su elección, pero generalmente espero (al menos) unos días para permitir más respuestas, comentarios e información. También como efecto secundario de retrasar la aceptación, es que lo vuelve a colocar en la cola activa y, en general, más ojos lo verán, lo que puede generar más respuestas, comentarios y conocimientos. Pero veo que has estado aquí por un tiempo, así que supongo que no es una novedad para ti :-)
@R Además, actualicé la respuesta con algunas capturas de pantalla basadas en videos vinculados en el comentario de Ruslan.
@uhoh, en realidad respondiste la pregunta que me molestó y la respaldaste con evidencia. No soy bueno formulando preguntas: la mitad de las veces terminan cerradas, con votos negativos masivos o alguien intenta convencerme de que acepte su respuesta, porque lo que pregunté no es lo que quise decir :)
@RogerVadim viene con la práctica; He hecho más de 3000 preguntas de SE y se vuelve más fácil con el tiempo. Por lo general, espero hasta que esté listo para publicar antes de escribir el título y, a menudo, repito la pregunta al final para asegurarme de que el lugar donde termino aún coincida con el lugar donde comencé.

Respuestas (4)

Respuesta complementaria al comentario aclaratorio del OP :

El punto principal que aún necesita aclaración, en mi opinión, es si realmente estamos tratando aquí con radiación térmica, es decir, si el papel de la corriente eléctrica es solo calentar el material (ya que el flujo de corriente en sí mismo no es un estado térmico).

Buena pregunta y...

¡Sí, realmente estamos lidiando con radiación térmica aquí!

El calentamiento producido por el flujo de electrones de conducción en la mayor parte del filamento no está relacionado con la radiación térmica proveniente de las pocas decenas de átomos cerca de la superficie metálica que están produciendo los fotones que vemos.

Lo sabemos porque podemos hacer algunos experimentos:

  1. Cuando encendemos o apagamos la corriente, la luz producida aumenta o disminuye con una escala de tiempo radiativo de milisegundos, que es el tiempo que tarda el filamento en calentarse o enfriarse desde su equilibrio anterior "APAGADO" o "ENCENDIDO". temperatura.
  2. Podemos intentar medir el parpadeo de 100/120 Hz de la bombilla y ver que es quizás un porcentaje. Una bombilla incandescente no se apaga 100 o 120 veces por segundo. Su luz se mantiene relativamente constante. Podemos hacer estelas de luz con nuestros ojos o cámaras con fuentes de luz pulsante como algunas marcas de luces LED (por ejemplo, portátiles baratas que funcionan con baterías) o luces fluorescentes o algunos tipos de luces de calle de vapor de mercurio o sodio, pero no podemos reproducir esos efectos con luces incandescentes

Ahora, esto no significa que las colisiones de electrones en los metales no puedan hacer que la luz sea visible, sino las posibilidades de que un electrón de conducción pueda obtener 2 o 3 eV de energía cinética antes de golpear a otro electrón y que eso también suceda dentro de las decenas de angstroms de la superficie. para que la luz salga es extremadamente pequeña.

Básicamente, el tungsteno hace dos trabajos totalmente separados al mismo tiempo:

  • actúa como una resistencia dependiente de la temperatura adecuada, de modo que alcanza el equilibrio térmico e irradia 100 vatios o la potencia que se supone que debe
  • actúa como un radiador térmico, produciendo luz cuando se calienta

actualización: ¡ el comentario de @Ruslan enlaza con dos videos excelentes!

filamento incandescente intacto que brilla intensamente

Luego se rompe, no fluye corriente y la luz continúa pero comienza a atenuarse:

Filamento incandescente roto que sigue brillando

Cuando toca otra parte de la bombilla, esa parte se enfría más rápidamente por conducción que por radiación, por lo que se oscurece. Pero la broca de la derecha no puede enfriarse fácilmente a lo largo del filamento porque su conductividad térmica es baja a lo largo del cable, por lo que sigue brillando con bastante intensidad:

el filamento incandescente roto aún brilla, especialmente las partes que no pueden enfriarse por conducción

De hecho, en este video podemos ver que el parpadeo no es de 0 a máx., sino de aproximadamente 90 % a máx. Y en este podemos ver que incluso después de que el filamento se rompe (para que ya no fluya corriente) sigue brillando, aunque perdiendo brillo debido al enfriamiento.
@Ruslan excelente! Los agregaré, maravilloso hallazgo :-)

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiación_térmica

Dependiendo del marco teórico utilizado, también puede llamarse Bremsstrahlung (electrones libres (-ish) en el metal dispersándose entre sí)

Por lo que puedo imaginar, las impurezas y los defectos de la red cristalina afectarán las propiedades eléctricas en primer lugar.

¿Los fonones juegan un papel? No estoy seguro, creo que los electrones dominan el intercambio de calor en los metales. Uno necesita intercambio de calor para llevar calor a la superficie del filamento. También puede pensar en fonones que dispersan electrones (en otras palabras, la red cristalina y el gas de electrones intercambian calor).

debe ser de metal? No precisamente. Pero debería ser al menos algo conductivo para la electricidad.

Sí, cualquier metal (y cualquier sustancia sólida en general) producirá luz cuando se caliente en el vacío (o en cualquier medio transparente) siempre que permanezca sólido. Uno necesita unos 750K para producir una luz visible tenue o ~3000 para parecer una bombilla incandescente normal.

El mejor material para el filamento de una lámpara incandescente será:

  • más o menos conductivo para que pueda calentarse con electricidad
  • ser absolutamente reflectante o transparente para las ondas electromagnéticas no visibles y negro para el espectro visible.
  • estable frente a la descomposición, fusión o evaporación a la temperatura deseada (igual a la temperatura de color deseada de la lámpara, para la mayoría de los propósitos prácticos 3000..6000K)

Como no tenemos el material ideal, usamos tungsteno y nos esforzamos para que se evapore más lento, usando gases inertes y halógenos. Por otro lado, los gases hacen que las bombillas sean menos efectivas porque se llevan parte del calor del filamento. Por eso tenemos mejores o peores gases para llenar los bulbos.

En el pasado se utilizaron o consideraron otros materiales, como el tantalio o los filamentos naturales carbonizados como el algodón y la lana.

Al hablar de Bremsstrahlung, quise decir que los electrones, acelerados por el campo eléctrico, pierden su velocidad al chocar con las impurezas y radian durante estas colisiones. La radiación térmica implica un escenario algo diferente: la dispersión de electrones contra las impurezas da como resultado el calentamiento y la radiación resultante no es diferente de la que proviene de cualquier objeto calentado (es decir, no necesariamente calentado por corriente eléctrica).
No estoy seguro de cómo ha decidido que es la dispersión electrón-electrón (Bremsstrahlung) entre electrones libres lo que produce los fotones que vemos como luz incandescente para el tungsteno, en lugar de transiciones de banda. ¿Es porque es un metal y tiene baja emisividad? ¿Qué pasa con los aisladores oscuros (alta emisividad) con muy pocos electrones libres, sería esa emisión una temperatura diferente? Creo que esta respuesta necesita algo de apoyo, excepto por la primera oración, todo no está relacionado con la producción de fotones. Así que un temporal, reversible -1hasta que esto se aborde de manera más definitiva. ¡Gracias!
@RogerVadim, el filamento irradia mucha radiación térmica independientemente del mecanismo de calentamiento. La radiación ocurre en la capa superficial y el calentamiento ocurre en todo el volumen del filamento; los procesos son bastante independientes. Lo que imaginas (la dispersión de los electrones acelerados por el campo eléctrico para producir luz directamente) ocurre más o menos en los gases (ver, por ejemplo, descarga luminiscente) y debido a este mecanismo no obtienes espectro térmico ni resistencia óhmica.
@uhoh por eso dije "dependiendo del marco teórico utilizado". El proceso de emisión en un metal puede verse más o menos como una Bremsstrahlung (dispersión libre-libre) así como también como transiciones de bandas. En un aislador, bueno... no puedes usar el enfoque libre-libre (similar al plasma), porque no tienes algo parecido al plasma allí.
¿Es posible agregar una cita o enlace que respalde que "... (el) proceso de emisión en un metal se puede ver más o menos como una Bremsstrahlung (dispersión libre libre) así como también como transiciones de banda". Eso no es transparente para mí (juego de palabras oblicuo) y esto es Stack Exchange, por lo que sería muy útil algún tipo de soporte adicional a través de una explicación o cita de la fuente de por qué es así. ¡Gracias!
Supongo que la recombinación radiativa es la palabra que normalmente se usa para las transiciones de banda que producen luz, pero me pregunto, ¿podría verse como una dispersión de agujeros de electrones y, por lo tanto, como Bremsstrahlung?
@fraxinus Acepté la respuesta de at_uhoh, porque abordaba el punto específico que más me molestaba. Sin embargo, reconozco que su respuesta es muy completa y cubrió la mayoría de las preguntas en el OP (y también abordó el punto difícil en el comentario anterior). Gracias.
@uhoh agujeros? ¿Qué agujeros en un metal? ps mea culpa, lo que quise decir es una transición DENTRO de la banda de dirección.
@fraxinus es metal caliente , no cero absoluto, por lo que hay agujeros. Y si decimos que las transiciones entre o dentro de la banda (de la pregunta del OP) están sobre la mesa, entonces es mejor que el electrón entre en algún estado en el que aún no haya un electrón. Si cree que el metal caliente no puede tener bandas con agujeros que sean 2-3 eV más bajos que algunos electrones, puede descartar inmediatamente las transiciones entre o dentro de la banda.

El único requisito para que se produzca la radiación, en aislantes o conductores, es la aceleración de cargas o campos magnéticos. Los electrones enlazados que rodean un núcleo pueden estimularse para que radien mediante la agitación térmica del núcleo. Rotaciones, vibraciones, etc. Todos los átomos tienen momentos magnéticos dipolares o multipolares, estos también se irradiarán cuando se agiten por el calor. Esta es la radiación de espectro térmico, bajo ciertas condiciones puede tener un "espectro de cuerpo negro". fuente de espectros de línea.

Gracias. En otras palabras, ¿crees que el papel de la corriente eléctrica aquí es solo para calentar el material?
Eso es correcto. La llama de una vela irradia porque la llama azulada calienta las partículas de carbono hasta casi ponerlas blancas.

Me gustaría abordar algo que las otras respuestas no mencionan, es decir, cómo la corriente eléctrica calienta el filamento a nivel molecular y por qué puede almacenar esta energía y por qué sigue brillando después de apagarlo (sin corriente).

Una proporción de las colisiones da como resultado la excitación de los electrones metálicos a niveles de energía más altos, lo que puede producir una emisión de luz al regresar al nivel de energía estable más bajo. Las colisiones continuas entre electrones producen una resistencia al flujo de electrones móviles, y los átomos del filamento son inducidos a vibrar por la interacción con los electrones en movimiento. La energía vibratoria da como resultado la producción de una cantidad significativa de calor, y una característica de las lámparas de filamento resistivas es que solo alrededor del diez por ciento de su entrada de energía se convierte en luz, y la mayor parte del resto se emite como calor (radiación electromagnética infrarroja).

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lightsources/filament/index.html

Como puede ver, estamos tratando con radiación térmica, y la energía cinética de los electrones (en la corriente, a medida que se dispersan o chocan con las moléculas) se transfiere a las moléculas:

  1. vibracional (este es el más importante en su caso)

  2. rotacional

  3. energías de traslación.

Tenga en cuenta que también hay transiciones electrónicas, pero no las menciono.

Para una molécula con N átomos, las posiciones de todos los N núcleos dependen de un total de 3N coordenadas, por lo que la molécula tiene 3N grados de libertad, incluyendo traslación, rotación y vibración.

https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_vibration

Ahora, cuando apaga la lámpara (sin corriente), las moléculas aún almacenan la energía adicional que les transfirieron los electrones de la corriente (a través de la dispersión/colisiones), y mientras el filamento intenta alcanzar el equilibrio térmico con el medio ambiente (refrescarse), esta energía extra hace que las moléculas en el filamento sigan relajándose emitiendo fotones (las moléculas se relajan a un nivel de energía más bajo emitiendo fotones, incluido el rango visible).

Szendrei.... No creo que ocurran transiciones radiativas en un filamento de tungsteno a 3000 grados. Si fuera así, veríamos espectros de líneas en la radiación. El espectro es un espectro de cuerpo negro continuo sin líneas de banda estrecha perceptibles. La radiación es inducida por un movimiento mecánico, anarmónico, newtoniano. La razón por la que el filamento brilla después de que se corta la corriente es la simple inercia térmica. Su piel actualmente emite radiación de cuerpo negro por este mecanismo mientras hablamos, obviamente a una temperatura más baja. Incluso el helio líquido irradiará un espectro de cuerpo negro.
@barry correcto, gracias, la excitación es (como usted dice inducida por) la dispersión de electrones. Lo que estoy describiendo es la relajación de las moléculas, eso se llama transición radiativa. Pero editaré para aclarar.
@ÁrpádSzendrei Gracias por esta adición. De hecho, el mecanismo de transferencia de energía entre la corriente y el filamento es parte de mi pregunta. Lo que me confunde es que pienso en un material portador de corriente como un metal, es decir, un sólido cristalino. Así que la transferencia de calor se debe principalmente a los electrones, aunque las vibraciones de la red pueden desempeñar un papel, y no está muy claro cuáles son las "moléculas" que emiten luz en este caso.
¿Cómo emite la luz una lámpara incandescente?
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