La química de las luces de navidad

Las luces de navidad son una gran parte de la temporada de fiestas, y como todo en el mundo, la química tiene un papel importante en su construcción y funcionamiento. A medida que se avanza en noviembre y diciembre, es posible que vea hilos de luces por todas partes: en los árboles de Navidad, en las casas, en los arbustos, en los arbustos e incluso en el coche de vez en cuando.

Las luces de navidad están llenas de química y ciencia
Las luces de navidad están llenas de química y ciencia

Materiales de las luces navideñas

Las luces navideñas consisten en un sistema de cableado que trasmite la energía eléctrica desde el punto de conexión hasta las bombillas que se encienden e iluminan su alrededor.

El sistema de cableado consiste en alambre de cobre que puede ser de diversos calibres o grosores. El cobre es el metal por excelencia empleado para la trasmisión de la electricidad gracias a su alta conductividad, sus propiedades mecánicas que permiten hacer filamentos delgados continuos y su facilidad de procesamiento y relativa abundancia.

Existen metales con mejores capacidades que el cobre como el oro o la plata, pero su costo es elevado para ser empleado como conductor de energía eléctrica, además, a pesar de que la mayoría de las reservas de cobre natural del mundo se han acabado, la industria del reciclaje permite que se siga empleando de manera constante en la industria.

Los sistemas o arreglos de luces de navidad tienen como soporte circuitos de alambre de cobre recubiertos de PVC
Los sistemas o arreglos de luces de navidad tienen como soporte circuitos de alambre de cobre recubiertos de PVC

Los filamentos de cobre se recubren de algún polímero para evitar cortocircuitos y proteger al cobre de la acción de la humedad atmosférica. Generalmente el recubrimiento es de cloruro de polivinilo (C₂H₃Cl), también conocido como PVC. Está hecho de etileno, cloro, hidrógeno y carbono. El PVC también se usó por primera vez para las luces navideñas en 1880. Ayuda a pasar la electricidad a través del cableado de cobre sin dejar que toque o queme nada a su alrededor.

La energía es trasmitida a las bombillas o luces que son los encargadas de generar la luz que percibimos. Estas luces han sufrido varias evoluciones tecnológicas en búsqueda de alternativas económicas, seguras y amigables con el medio ambiente como veremos en las siguientes secciones

Las primeras luces de navidad

Actualmente la mayoría de las luces navideñas son de tecnología LED (Light emisión Diode), pero si retrocediéramos en el tiempo 30 ó 40 años y observáramos cómo la gente decoraba sus casas y árboles con luces, encontraríamos que la mayoría de la gente utilizaba pequeñas bombillas incandescentes de 120 voltios. Cada bombilla era una bombilla de 5 o 10 vatios como la que se encuentra en una luz nocturna. Aún hoy en día se pueden encontrar hebras de estas bombillas, pero ya no son muy comunes por tres razones:

Consumían mucha energía. Si tiene una cadena de 50 bombillas de 5 vatios, ¡la cadena consume 250 vatios! Considere que la mayoría de la gente necesita dos o tres filamentos para hacer un árbol y cinco o 10 filamentos para hacer una casa y usted está hablando de mucha energía

Debido a que las bombillas consumen tanta energía, generan mucho calor. ¡Cuando se usan en el interior, tres filamentos a 250 vatios por filamento están generando tanto calor como un calentador de 750 vatios! El calor de las bombillas individuales también puede derretir cosas.

Eran costosas. Usted puede comprar un paquete de 10 bombillas miniatura por aproximadamente un dólar este año. Las bombillas grandes pueden costar de cinco a diez veces más.

La única ventaja de este arreglo es que una falla de la bombilla no tiene ningún impacto en el resto de las bombillas. Eso es porque un sistema de bombillas de 120 voltios coloca las bombillas en paralelo.

Bombillo tradicional con filamento incandescente
Bombillo tradicional con filamento incandescente

Estas bombillas seguían el principio de una bombilla de luz incandescente, que consiste en un filamento de alambre (generalmente tungsteno) calentado a una temperatura tan alta que brilla con luz visible (incandescencia). El filamento está encerrado en una bombilla de vidrio o cuarzo fundido que se llena con gas inerte o al vacío para proteger el filamento de la oxidación.

La mayoría de las bombillas se llenaban con un gas inerte para reducir la evaporación del filamento y evitar su oxidación. El gas se encuentra a una presión de aproximadamente 70 kPa (0.7 atm).

Gas de relleno en las luces de navidad clásicas

El papel del gas es evitar la evaporación del filamento, pero el relleno debe ser elegido cuidadosamente para evitar introducir pérdidas de calor significativas. Para estas propiedades, es deseable una inercia química y un alto peso atómico o molecular. La presencia de moléculas de gas devuelve los átomos de tungsteno liberados al filamento, reduciendo su evaporación y permitiendo que sea operado a una temperatura más alta sin reducir su vida útil (o, para operar a la misma temperatura, prolonga la vida del filamento). Por otro lado, la presencia del gas conduce a la pérdida de calor del filamento y, por lo tanto, a la pérdida de eficiencia debido a la reducción de la incandescencia por conducción de calor y convección de calor.

Bombillos clásicos para luces de navidad, para generar los colores el interior o exterior del bulbo de vidrio se cubría con pintura de acuerdo con la necesidad
Bombillos clásicos para luces de navidad, para generar los colores el interior o exterior del bulbo de vidrio se cubría con pintura de acuerdo con la necesidad

Las primeras lámparas y algunas pequeñas lámparas modernas utilizaban sólo el vacío para proteger el filamento del oxígeno. El vacío aumenta la evaporación del filamento, pero elimina dos mecanismos de pérdida de calor.

Los rellenos más utilizados eran:

  • Vacío, usado en lámparas pequeñas. Proporciona el mejor aislamiento térmico del filamento, pero no protege contra su evaporación. Se utiliza también en lámparas más grandes donde la temperatura de la superficie exterior del bulbo tiene que ser limitada.
  • Argón (93%) y nitrógeno (7%), donde el argón se utiliza por su inercia, baja conductividad térmica y bajo coste, y el nitrógeno se añade para aumentar la tensión de ruptura y evitar el arco eléctrico entre las partes del filamento.
  • Nitrógeno, utilizado en algunas lámparas de mayor potencia, por ejemplo, lámparas de proyección, y donde se necesita un mayor voltaje de avería debido a la proximidad de las partes de los filamentos o de los cables de entrada.
  • El criptón, que es más ventajoso que el argón debido a su mayor peso atómico y menor conductividad térmica (que también permite el uso de bombillas más pequeñas), pero su uso se ve obstaculizado por un costo mucho más alto, confinándolo principalmente a bombillas de menor tamaño.
  • Criptón mezclado con xenón, donde el xenón mejora aún más las propiedades del gas debido a su mayor peso atómico. Su uso está sin embargo limitado por su muy alto coste. Las mejoras por el uso del xenón son modestas en comparación con su coste.
  • Hidrógeno, en lámparas especiales de destello donde se requiere un rápido enfriamiento del filamento; aquí se aprovecha su alta conductividad térmica.

El relleno de gas debía estar libre de trazas de agua. En presencia del filamento caliente, el agua reacciona con el tungsteno formando trióxido de tungsteno e hidrógeno atómico. El óxido se deposita en la superficie interior del bulbo y reacciona con el hidrógeno, descomponiéndose en tungsteno metálico y agua. El agua entonces vuelve al filamento. Esto acelera enormemente el ennegrecimiento del bulbo, en comparación con la evaporación solamente.

Las primeras bombillas con filamentos de carbono también utilizaban monóxido de carbono, nitrógeno o vapor de mercurio. Sin embargo, los filamentos de carbono operan a temperaturas más bajas que los de tungsteno, por lo que el efecto del gas de relleno no era significativo ya que las pérdidas de calor compensaban cualquier beneficio.

Luces de burbuja de navidad

Un curioso invento fueron las luces de burbuja de navidad. Una luz de burbujas es un dispositivo decorativo que consiste en un frasco lleno de líquido que se calienta y se ilumina con una bombilla de luz incandescente. Debido al bajo punto de ebullición del líquido, 39.6°C (103.3°F), el modesto calor generado por la lámpara hace que el líquido hierva y burbujee desde la base del frasco, creando así un efecto decorativo.

Una luz de burbuja navideña, como se muestra en un dibujo de la patente estadounidense 2,353,063
Una luz de burbuja navideña, como se muestra en un dibujo de la patente estadounidense 2,353,063

El líquido es casi siempre cloruro de metileno, un disolvente que es tóxico y posiblemente cancerígeno. Generalmente se sella en un frasco o cápsula de vidrio para evitar su liberación; si se rompe, se debe evacuar el área hasta que los vapores se hayan disipado. Algunas de las primeras luces de burbujas utilizaban en su lugar un aceite ligero o alcanfor para crear el punto de ebullición bajo. En estas lámparas antiguas, a menudo se puede ver un pedazo blanco flotando en la parte superior del frasco, hasta que el calor de la lámpara lo disuelve y comienza a burbujear.

La luz de la lámpara iluminaba las burbujas desde abajo, haciendo que brillen. Las luces de burbujas de todo tipo funcionan mejor cuando la parte superior del tubo está significativamente más fría que la inferior, aumentando así el gradiente de presión. Los tubos debían mantenerse en posición vertical, y ocasionalmente puede ser necesario darles golpecitos o incluso agitarlos para que empiecen a burbujear después del calentamiento.

Luz de burbuja en funcionamiento

En los últimos años, las luces de las burbujas se han vuelto más elaboradas en apariencia. A veces se agrega brillo a los frascos para obtener una mayor brillantez, más comúnmente en tipos de especialidad como las que se utilizan en las luces nocturnas decorativas. En la actualidad, las bases se fabrican a menudo para que parezcan figuras como Papá Noel o muñecos de nieve, u objetos y símbolos decorativos, en lugar del plástico liso acanalado. Al igual que muchos otros adornos navideños, se han convertido para su uso en Halloween, generalmente con un líquido de color naranja y una base que parece una linterna jack-o’-lantern, o la cabeza de un gato negro o una bruja, entre otros símbolos de Halloween.

Las versiones modernas menos tóxicas de las luces de burbujas están hechas de acrílico u otras barras de plástico transparente, con burbujas permanentes fabricadas deliberadamente en ellas, iluminadas con LEDs de color fijo o que cambian de color. Otras luces de burbujas son mucho más grandes y se sientan en una mesa o en el suelo, ocasionalmente con peces falsos que “nadan” arriba y abajo a medida que cambian de flotabilidad. Estos tubos suelen estar llenos de agua destilada, y tienen una o más piedras de aire en el fondo, y normalmente una luz, junto con una bomba de aire.

Mini-luces de Navidad

En los años 70 se produjo una revolución en la iluminación decorativa: Se introdujeron las miniluces, que dominaron el mercado de las luces de navidad por varias décadas. Una miniluz es una pequeña bombilla incandescente de 2,5 voltios. Estas bombillas no son muy diferentes de cualquier bombilla de linterna incandescente y empleaban sus mismos materiales.

Dado que estás enchufando estas miniluces de 2,5 voltios en un enchufe de 120 voltios, la pregunta obvia es: “¿Cómo puede funcionar eso?”

Miniluces de navidad, fueron dominantes en el mercado de luces de navidad por varias décadas
Miniluces de navidad, fueron dominantes en el mercado de luces de navidad por varias décadas

La clave para usar estas pequeñas bombillas de bajo voltaje con la corriente normal de la casa es conectarlas en serie. Si multiplicas 2,5 voltios por 48, obtienes 120 voltios, y originalmente, esa es la cantidad de bombillas que tenían los arreglos. Un arreglo típico añadía dos bombillas más para que haya 50 luces en el filamento – un número redondo agradable. Al añadir los dos extras se atenúa el conjunto de forma imperceptible, así que no importa.

Estoy hacia que los arreglos de miniluces fueran muy sensibles a la eliminación de una bombilla. Esto rompe el circuito, por lo que ninguna de las bombillas puede encenderse. Cuando se introdujeron por primera vez las miniluces, cualquier bombilla que se quemara oscurecería todo el arreglo. Posteriormente, las bombillas se pueden quemar y el arreglo permanecerá encendido, pero si sacas una de las bombillas de su casquillo, todo el arreglo se oscurecerá. Esta diferencia en el comportamiento se produce porque las nuevas bombillas contienen una derivación interna.

Detalle de la derivación interna en un bombillo
Detalle de la derivación interna en un bombillo

Si se mira de cerca una bombilla, se puede ver el cable de derivación envuelto alrededor de los dos postes dentro de la bombilla. El cable de derivación contiene una capa que le da una resistencia bastante alta hasta que el filamento falla. En ese momento, el calor causado por la corriente que fluye a través de la derivación quema el revestimiento y reduce la resistencia de la derivación. (Una bombilla típica tiene una resistencia de 7 a 8 ohmios a través del filamento y de 2 a 3 ohmios a través de la derivación una vez que se quema el revestimiento).

Las grandes ventajas de los arreglos de las mini bombillas eran el bajo voltaje (unos 25 vatios por cada arreglo de 50 bombillas) y el bajo costo (las bombillas, los enchufes y el cable son todos mucho más baratos que un sistema paralelo de 120 voltios). La gran desventaja es el problema de las bombillas sueltas. A menos que haya una derivación en el enchufe, una bombilla suelta hará que falle todo el filamento de 50 bombillas. No es difícil tener una bombilla suelta porque los casquillos eran bastante endebles.

Luces parpadeantes

Para generar un efecto de parpadeo en los arreglos de luces de navidad con miniluces se podían emplear dos técnicas diferentes. Una era más rudimentaria y la otra sofisticada.

El método rudimentario implicaba la instalación de una bombilla intermitente especial en cualquier posición de la hebra.

Detalle de bombilla intermitente y la tira bimetálica
Detalle de bombilla intermitente y la tira bimetálica

Este bombillo tenía una pieza metálica adicional en la parte superior, que era una tira bimetálica. La corriente va desde la tira hasta el poste para iluminar el filamento. Cuando el filamento se calienta, hace que la tira se doble, rompiendo la corriente y apagando la bombilla. A medida que la tira se enfría, se dobla, vuelve a conectar el poste y vuelve a encender el filamento para que el ciclo se repita. Cuando esta bombilla parpadeante no está encendida, el resto del filamento no recibe energía, por lo que todo el filamento parpadea al unísono. Obviamente, estas bombillas no tienen una derivación (si la tuvieran, el resto del filamento no parpadearía), así que cuando la bombilla intermitente se quema, el resto del filamento no se encenderá hasta que se reemplace la bombilla intermitente.

Los arreglos de luces más sofisticados venían con controladores de 16 funciones que pueden hacer funcionar las luces en todo tipo de patrones. En estos sistemas, normalmente se encuentra una caja controladora que acciona cuatro filamentos separados de miniluces. Los cuatro filamentos están intercalados en lugar de estar uno después del otro. Contenía un circuito integrado y cuatro transistores o tríacs, uno para impulsar cada línea.

Luces LED

A Henry Joseph Round se le atribuye el descubrimiento del diodo emisor de luz (LED) en 1907, pero no fue hasta la década de 1960 que los LED se utilizaron comercialmente. Las luces LED no tienen filamentos que se quemen y generan luz sin añadir calor. Los LEDs son iluminados por electrones que se mueven en un material semiconductor. Las primeras luces navideñas con LED se vendieron en 1998, y para mediados de la década de 2010, los árboles de Navidad tanto en el Capitolio de Estados Unidos como en el Centro Rockefeller se habían iluminado usando solamente luces LED.

Aunque cuestan más a los consumidores por adelantado, las luces LED usan un 80 por ciento menos de energía y duran mucho más que las luces incandescentes tradicionales. Un beneficio adicional es que estas luces son a menudo programables, lo que permite a los usuarios cambiar el color de las luces y seleccionar diferentes modos de parpadeo. También vienen en una variedad de formas y estilos.

Luces LED, actualmente dominan el entorno de las luces de navidad
Luces LED, actualmente dominan el entorno de las luces de navidad

LED significa diodo emisor de luz, y vienen en una amplia gama de colores, desde rojos y naranjas hasta azules y violetas. Aunque parezcan pequeños, están cargados de mucha ciencia – de hecho, el Premio Nobel de Física de 2014 fue para los científicos que trabajaron en el descubrimiento de cómo hacer LEDs azules eficientes.

Los LEDs están hechos de materiales semiconductores, materiales que conducen la electricidad en algunas condiciones, pero no en otras. Varios materiales semiconductores diferentes pueden ser usados en los LEDs, pero muchos de ellos están basados en galio, por ejemplo, el nitruro de galio y el fosfuro de galio.

Los LEDs consisten en dos capas de material semiconductor. Las capas están “dopadas” con impurezas, es decir, se mezclan átomos de elementos distintos a los que originalmente se encontraban en el material semiconductor. Este dopaje puede crear diferentes tipos de capas: capas de tipo p y capas de tipo n. La capa de tipo n tiene un exceso de electrones, mientras que la capa de tipo p tiene un número insuficiente de electrones, y como tal tiene lo que se denomina “agujeros” de electrones: posiciones en los átomos donde un electrón podría estar, pero no está.

Cuando se aplica una corriente al LED, los electrones de la capa de tipo n y los ‘agujeros’ de electrones de la capa de tipo p son conducidos a una capa activa entre los dos. Cuando los electrones y los ‘agujeros’ de electrones se combinan, la energía se libera, y esto se ve como luz visible. Aunque esto explica cómo se produce la luz, tenemos que mirar un poco más de cerca lo que está pasando para explicar cómo se pueden obtener diferentes colores.

Los colores que se obtienen de los LEDs están determinados por los materiales semiconductores utilizados. No hay un único material para todos los colores, sino que hay un abanico de posibilidades. Utilizando diferentes materiales, y añadiendo diferentes impurezas a estos materiales, podemos cambiar el tamaño del hueco de la banda, es decir, el tamaño de la diferencia de energía entre la capa de tipo n y la capa de tipo p. Cuanto más grande sea esta brecha de banda, más corta será la longitud de onda de la luz producida por el LED. Por lo tanto, para un LED rojo, se requiere un espacio de banda relativamente pequeño. En el caso de los LEDs azules, se necesita un mayor espacio de banda.

Infografia sobre las luces de navidad LED, gracias a Compound of Interest
Infografia sobre las luces de navidad LED, gracias a Compound of Interest

Los LEDs con un menor ancho de banda eran más fáciles de producir, pero producir LEDs con el pequeño ancho de banda necesario para producir luz azul resultó ser más problemático. Esto fue importante de resolver porque se necesitaban LEDs rojos, verdes y azules para producir luz blanca. A principios de la década de 1990, los científicos finalmente descubrieron cómo producir LEDs azules utilizando nitruro de galio, y fueron galardonados con el Premio Nobel 2014 por su trabajo.

Hoy en día, los LED no sólo se encuentran en las luces navideñas, sino también en muchas bombillas normales. Tienen muchas ventajas sobre las bombillas tradicionales: duran más tiempo en comparación con las bombillas convencionales (hasta 100.000 horas en comparación con las 1.000 horas de las bombillas incandescentes) y son más eficientes energéticamente, ya que requieren menos energía para emitir la misma cantidad de luz. Gracias a los LED, la factura de electricidad de esa casa cubierta desde el tejado hasta los cimientos en las luces navideñas no es tan alta como podría serlo.

Más información How Christmas Lights Work