Vyhodnocení vědomostního testuk CSE aneb Kdo první rozsvítil elektrickou žárovku?

Vyhodnocení vědomostního testu k CSE
aneb Kdo první rozsvítil elektrickou žárovku?

V ELEKTRO č. 1 na straně 47 jsme v rámci spolupráce s brněnskou agenturou LP Elektro uveřejnili vědomostní test pro elektrotechniky. Jeho účelem bylo shromáždit podklady pro slosování a odměnění deseti výherců poukazem na bezplatný vstup na Celostátní setkání elektrotechniků pořádané uvedenou agenturou ve dnech 17. až 18. února v Brně.

Vědomostní test obsahoval deset otázek více či méně souvisejících s elektrotechnikou. Jeho výherci (v abecedním pořadí) se stali:

• Roman Bezděk, Ing. (projektant elektro) – Vikýřovice, okr. Šumperk
• Josef Hájek, Ing. (projektant elektro) – Valtice
• Jiří Kiša (elektroinstalatér) – Orlová
• Jan Kůrka, Ing. (ved. odboru energetiky) – České Budějovice
• František Machálek (prov. elektromontér) – Čejkovice
• Kamil Novák (elektrorevize) – Svoboda nad Úpou
• Jaroslav Tomášek (technolog montáží elektro) – Varnsdorf
• Bořivoj Vejpustek (projektant elektro) – Šternberk
• Bořivoj Vohlídal, Ing. (projektant elektro) – Brno
• Zdeněk Živný (rev. technik) – Velké Opatovice

Redakce ELEKTRO děkuje všem účastníkům testu za jejich úsilí a ochotu. Vedle informace o výhercích však vyplynul z hodnocení testu také poznatek, že šéfredaktor jako autor testu udělal jednu chybu – považoval za logické, že u otázky č. 5 Který z vynálezců rozsvítil jako první elektrickou žárovku? – T. A. Edison, A. N. Lodygin, H. Goebel budou elektrotechnici zvažovat nabídnuté možnosti a jejich odpovědi budou, jak už to u testů bývá, různé. Nebyly! Všechny odpovědi nekompromisně označily jedinou možnost a) T. A. Edison. Tento americký průmyslník je v povědomí širší odborné veřejnosti natolik zakořeněn jako vynálezce elektrické žárovky, že pro všech několik set účastníků testu představoval jedinou možnou volbu. S omluvou jemu, ale i Vám, vážení čtenáři, proto uvádím správné jméno „vynálezce„ elektrické žárovky – Heinrich Goebel (obr. 1) a nabízím malou exkurzi do historie elektrické žárovky.

Historie elektrické žárovky

Jako každý vynález, i elektrická žárovka má svou spletitou historii. Určit prvního a skutečného vynálezce jednoznačně, úplně nelze. V případě elektrické žárovky je však možné se tomu poměrně těsně přiblížit. Než ale historie dospěla k muži jménem Heinrich Goebel, pokoušeli se o elektrické osvětlení mnozí badatelé a vynálezci.

Západní Evropa a USA

Sir Humphry Davy (1778–1829; anglický chemik a fyzik, zakladatel elektrochemie, „mým největším objevem byl Michael Faraday„) již na přelomu osmnáctého a devatenáctého století zkoumal možnost elektrického osvětlení, ale jako vědce ho zajímala pouze fyzikální podstata elektrického žárového světla. Vycházel při tom ze skutečnosti, že tělesa, jsou-li zahřívána, začínají od určité teploty viditelně zářit (inkadescence – světelné záření vyvolané tepelným buzením, žárové světlo).

De la RuéV Belgii se podobné pokusy o využití elektřiny k osvětlování objevily kolem roku 1836. Přes vynález Davyho bezpečnostního důlního kahanu totiž ve francouzských a belgických dolech stále docházelo k mnoha neštěstím. Jobardův se již v roce 1807 pokusil uzavřít žhavený platinový drát do skleněné trubice a vytvořit tak světelný zdroj. Předpokládal, že kyslík v trubici vyhoří a život platinového vlákna se prodlouží. Své pokusy konal v období 1807 až 1809, posléze i v roce 1820, ale s nevyhovujícím výsledkem – život platinového vlákna byl pro využití v praxi příliš krátký.

V Belgii se podobné pokusy o využití elektřiny k osvětlování objevily kolem roku 1836. Přes vynález Davyho bezpečnostního důlního kahanu totiž ve francouzských a belgických dolech stále docházelo k mnoha neštěstím. Jobardův návrh zatavit uhlíkové vlákno do skleněné baňky s vyčerpaným vzduchem a použít ho jako náhradu olejových kahanů se přes mnoho pokusů nepodařilo účinně dopracovat.

První, komu se podařilo rozžhavit platinový drátek tak, aby skutečně svítil, byl anglický fyzik Wiliam Robert Grove. V roce 1840 takto rozsvítil vlákno v nádobce se skleněným krytem utěsněným kapalinou.

Ještě téhož roku úspěšně zdokonalil jeho pokus Francouz Frederik De Moleis (de Moleyns) v Chetlenhamu, a to nahrazením Groveho nádobky skleněnou koulí, v níž se svítivost „žárovky„ snažil zvýšit uhelným práškem propadávajícím kolem vlákna z malého pouzdra. V roce 1841 na toto řešení obdržel anglický patent.

Další patent získat v roce 1845 J. W. Starr. Ten uzavřel platinoiridiový drátek do skleněné baňky, odkud vyčerpal vzduch. V principu nic nového, ale Starr si uvědomil, že dosavadní pokusy ztroskotávaly na nedostatečně vyčerpaném vzduchu (tedy pouze zředěném), a pokusil se o jeho dokonalejší vyčerpání pomocí rtuťové vývěvy vlastní konstrukce. Dosáhl přijatelného výsledku a své dílo završil zhotovením lustru, na němž svítilo dvacet žárovek. Možnost pro použití v praxi to však stále ještě nebyla.

W. E. Straite uskutečnil pokusy s platinoiridiovým vláknem již v roce 1842. V roce 1846 spolu s Greenem elektricky žhavili ve vakuu uhlíkovou tyčinku. V roce 1848 zkoušel Straite novou konstrukci s iridiovým vláknem. O rok později se o totéž pokusil W. Petrie a v roce 1852 M. J. Robert. Dějiny elektrotechniky zaznamenávají i další jména, ale život všech dosavadních žárovek se stále počítal pouze na minuty, v nejlepších případech na desítky minut. To bylo pro skutečnou praxi málo. Přitom objev inkadescence byl stár již půl století.

Dalším, kdo experimentoval s platinovým drátkem ve skleněné baňce, byl C. de Changy. V roce 1856 dokonce navrhl i příslušenství v podobě stolní lampy i závěsného svítidla.

V roce 1859 se na začátek samotného vývoje vrátil Moses G. Farmer a sestrojil lampu se silnější platinovou destičkou, jež volně svítila ve vzduchu. S použitím 42 žárovek osvětlil, ale až v roce 1875, svůj dům v Newportu. Ani život jeho žárovek však nebyl příliš dlouhý.

Isaac Adams experimentoval se žhaveným vláknem ve skleněné baňce v roce 1865.

St. Georgie Lane-Fox obdržel v roce 1879 patent na žárovku s platinoiridiovým vláknem ve skleněné vakuové baňce. Ani jeho řešení nemělo život delší než několik hodin.

Na americkém kontinentu dokončili koncem 70. let devatenáctého století své práce Sawyer a Man, kteří získali patenty na uhlíkovou elektrickou žárovku. Vlákno zhotovovali z papírového třmínku obaleného práškovým grafitem, zuhelnatělým bez přístupu vzduchu. Výhoda poměrně vysoké svítivosti těchto žárovek byla znehodnocována opět krátkou, pouze několikahodinovou dobou života.

Blízko úspěchu

Vědecky i vynálezecky úspěšný na poli hledání elektrické žárovky použitelné pro praxi byl Angličan Joseph. W. Swan. Se svými pokusy o žárové osvětlení začal v roce 1860. Později získal svítící žárovku se slibnými technickými parametry. Své poměrně úspěšné výsledky předložil veřejnosti a prototyp elektrické žárovky předvedl před Newcastle Chemical Society 19. prosince 1879. K jeho velkému zklamání to bylo o pouhý měsíc později po T. A. Edisonovi v USA. Ten získal patent na uhlíkovou elektrickou žárovku v listopadu téhož roku. Nicméně Swanovo řešení, principiálně téměř shodné s Edisonovým, zůstalo zapsáno alespoň v dnešní bajonetové variantě žárovkových patic. Naopak označení patic se šroubovým závitem (např. E27) je odvozeno od jména Edison.

Rusko, Německo

V Petrohradě se prostor zvaný Písky rozzářil světlem elektrických žárovek zásluhou Alexandra Nikolajeviče Lodygina v roce 1873. Další Lodyginovy žárovky svítily na petrohradské vysoké technické škole. A. N. Lodygin použil uhlíkovou tyčinku mezi dvěma měděnými přívody v uzavřené skleněné baňce. Vzduch zpočátku nevyčerpával, předpokládal, že postupně shoří, a předčasnému přepálení uhlíku čelil zesílením tyčinky v její střední části. Život těchto žárovek byl pouze několik desítek minut. A tak se později Lodygin rozhodl vzduch z baňky vyčerpat. Od července 1874 měl Lodygin v Rusku patentovánu žárovku s dobou života několik hodin. Později pracoval u firmy Westinghouse, kde mu byl v roce 1890 udělen patent na žárovku s molybdenovým vláknem.

Současníkem Lodygina byl jeho krajan S. W. Konn, který v roce 1875 navázal na experimenty s uhlíkovou tyčinkou a nahradil jednu tyčinku pěti v jedné baňce, které se po přepálení jedné z nich přepnuly na další.

S tzv. položárovkou – světelným zdrojem s neuzavřeným prostorem pro žhavené části – experimentoval v roce 1877 Werdermann. Pokoušel se tak vyřešit technologický problém dosažení vakua. Dalším badatelem byl Maxim, ale žádný z jeho experimentů nepřekročil parametry nepoužitelného laboratorního zařízení s životem světelného zdroje pouhých několik hodin.

T. A. Edison a elektrická žárovka

Koncem 70. let devatenáctého století se do řešení problému žárovkového osvětlení zapojil americký vynálezce Thomas Alva Edison (Američan holandského původu, narozen 11. února 1847, Milan, stát Ohio, zemřel 18. října 1931, West Orange, stát New Jersey). Práci na vývoji levné a v praxi použitelné žárovky začal tím, že si podrobně a systematicky prostudoval výsledky experimentů svých předchůdců a vrstevníků.

T. A. Edison měl za svůj život na 1 300 (podle jiných zdrojů až 1 500) patentů na nejrůznější vynálezy. Významné jsou např.: sčítač hlasů (1848), tiskací telegraf (1869), psací stroj (1871), duplexní a automatický telegraf (1875), uhlíkový reostat (1876), rozmnožovací stroj a fonograf (1877), mikrofon (1878), regulátor elektrických strojů, elektrická lokomotiva, elektroměr, magnetický třídič rud (1880), elektrické dynamo (1881), první elektrická centrála (1882), pojistka (1885), kinematograf (1891), elektrický akumulátor (1900), elektromobil (1902), rotační cementářská pec (1903) a vrtulník (1908).

Při řešení problému elektrické žárovky Edison znal konstrukční řešení Sawyera a Mana, Lodygina, Konna, Starra i dalších. Zpočátku byl přesvědčen, že kovové vlákno bude výhodnější než uhlíková tyčinka, a teprve po třinácti měsících úporného experimentování (Edison údajně vyzkoušel asi 6 000 postupů a kombinací různých materiálů) tuto cestu opustil a rozhodl se pro zuhelnatělé přírodní vlákno. První úspěšný pokus se svítící žárovkou se zuhelnatělým vláknem bavlny uskutečnil Edison na jaře 1879, dalších 45 hodin svitu žárovky dosáhl s vláknem bambusu 19. října 1879. O něco později zjistil, že vlákna jednoho druhu japonského bambusu dokážou prodloužit život žárovky až na 300 hodin. Měrný výkon prvních hromadně vyráběných žárovek byl 3 lm/W.

Význam práce T. A. Edisona spočívá nejen ve vyřešení technologického problému žárovky, ale i v jeho schopnosti uvést svůj vynález do praxe. „Rozsvícení“ žárovky vyžadovalo postavit elektrárny, instalovat rozvod elektrické energie. A právě to Edison zajistil.

Edison si velmi dobře uvědomoval potřebu takového světelného zdroje, jaký měla na rozdíl od dosavadních obloukovek představovat právě elektrická žárovka – levný, jednoduchý, funkční a hlavně hromadně použitelný technický prvek. V roce 1881 se parník Columbia rozzářil světlem 350 žárovek. První žárovky v Evropě byly použity v roce 1882, a to k osvětlení divadla v Brně!

A mimochodem, první zářivku světu představil opět T. A. Edison – v roce 1896.

Objev H. Goebela

Stále jsme ale ještě nezmínili hlavní a poněkud tajemnou postavu historie elektrické žárovky. Ona sama totiž dlouhou dobu zůstávala v pozadí informací o vědeckých i laických pokusech o elektrické žárové osvětlení. Teprve její objev způsobil opravdovou senzaci.

Okolo roku 1890 vyrábělo žárovky s uhlíkovým vláknem – na principu dosti podobném Edisonovým žárovkám z roku 1879 – již mnoho továren a firem. Největší počet výrobců byl v USA. Vlastníkem Edisonova základního patentu byla společnost General Electric Company, která zpočátku proti těmto výrobcům nic nepodnikala – trh byl „gründersky„ široký a s odbytem žárovek nebyly žádné potíže. Teprve když se platnost patentu (po patnácti letech) chýlila ke konci, rozhodla se společnost se svými konkurenty se vypořádat. Zažalovala všechny jednotlivé firmy pro porušení patentu a spory postupně jeden za druhým vyhrávala. Až náhle nastal nečekaný obrat.

Počátkem roku 1893 se konalo soudní jednání s firmou Beacon Vacuum Pump and Electrical Company z Bostonu. Tato společnost požádala o odklad jednání, aby se mohla dostatečně připravit. A připravila se skutečně důkladně: ohlásila, že zná osobu, která již čtvrtstoletí před Edisonem, a to v roce 1854, vyráběla funkční elektrické žárovky s vláknem ze zuhelnatělého bambusu. Soudní spor za velkého zájmu veřejnosti skončil nečekaně – žalovaná společnost své tvrzení prokázala a spor vyhrála. Tou osobou byl Heinrich Goebel (1818–1893), hodinář z New Yorku.

Neznámý a ve své době náhle slavný vynálezce H. Goebel byl původním povoláním učitel, který se přistěhoval do USA z Německa, z přístavního města Hamburku. V USA vystřídal množství různých povolání a nakonec si otevřel hodinářský obchod v New Yorku. H. Goebel byl velmi vytrvalý, obratný, pilný a ve svém volném čase se zabýval fyzikou. Kromě hodinek vyráběl i tlakoměry, a proto uměl pomocí speciální rtuťové vývěvy vyčerpávat vzduch ze skleněných baněk a zatavovat do nich např. přívodní dráty. Již v roce 1854 se mu podařilo vlastními silami vyrobit zcela funkční elektrické žárovky (obr. 2), které se příliš nelišily od žárovek až později „vynalezených„ T. A. Edisonem (1879).

Ač vlastně domácí kutil, dosáhl H. Goebel neuvěřitelného úspěchu – při světelném výkonu o něco větším než 1 lm/W měly jeho žárovky technický život asi 220 hodin. Edison v roce 1879 pokládal za úspěch dosáhnout života své žárovky sto hodin.

H. Goebel použil již v 50. letech devatenáctého století jako svítící tělísko zuhelnatělé bambusové vlákno, zatavené ve skleněné baňce. Při své domácí výrobě zdolal všechny dosavadní potíže, se kterými se do té doby těžce potýkali jeho předchůdci, včetně později Edisona.

H. Goebel od roku 1855 osvětloval elektrickými žárovkami výklad svého hodinářského obchodu v New Yorku, ale o další zužitkování svého vynálezu se nepokusil. Důvodem byl nejspíš problém s napájením žárovek z tehdy dostupného zdroje, z pouhé baterie, a také to, že H. Goebel neuměl dostatečně anglicky na to, aby mohl napsat patentní přihlášku. Rovněž neměl potřebné finance na proces uznání patentu.

Naopak průmyslové i užitné rozšíření elektrické žárovky zajistil až T. A. Edison, jinak velmi schopný průmyslník a obchodník. Zde ovšem hraje roli i skutečnost, že v Edisonově době již byly k dispozici jako zdroje elektrické energie dynama (W. Siemens v Evropě 1866, v USA až 1874) a Edison mohl na rozdíl od H. Goebela uvažovat o průmyslovém osvětlení továren, hal a ulic měst. To bylo v té době zajišťováno obloukovými lampami, posléze kombinací obou způsobů osvětlení.

Stručně k obloukovému osvětlení

Osvětlení pomocí elektrického oblouku odpovídalo technickým poznatkům své doby, mělo svůj historický význam v druhé polovině devatenáctého století. Je přechodem mezi teplotními (žárovými) a současnými výbojovými zdroji světla. V roce 1855 byly již např. světlomety s obloukovkami zavedeny ve výzbroji některých armád a námořnictva.

Výhodou obloukového osvětlení je kromě jiného i skutečnost, že nemusí pracovat ve vakuu, a mají tedy větší uplatnění ve výrobě. Elektrické žárovky proto zůstaly určitou dobu mimo zájem.

Elektrická žárovka dnes

Zuhelnatělé bambusové vlákno, úspěšně použité Edisonem (resp. Goebelem), bylo uzavřeno ve vakuované skleněné baňce, aby neoxidovalo a neshořelo. Vlákno žárovek je zahříváno elektrickým proudem, a právě teplota žhaveného vlákna je principem již zmíněného inkadescenčího efektu, který způsobuje, že vlákno (obecně těleso) svítí. Zahřívá-li se těleso, lze od teploty T = 900 K pozorovat temně červené záření (např. kamna). Při teplotě T = 2 000 K je barva jasně červená, při T = 3 200 K jasně žlutá.

Teplota povrchu Slunce je asi 5 800 K a výsledné světlo je bílé. Nejteplejší tělesa ve vesmíru, jako jsou některé hvězdy, mají teplotu T = 20 000 K a jeví se jako modré.

Účinnost přeměny elektrické energie na světelnou byla u prvních žárovek velmi nízká, pouze h = 0,5 %.

Dnes je technický život žárovek až 1 000 hodin. V žárovkách se používá dvakrát vinuté wolframové vlákno. Baňka je navíc plněna inertním plynem argonem (nejčastěji 88 % argonu, 12 % dusíku). Taková konstrukce umožňuje zvýšení teploty vlákna na T = 2 800 K a energetickou účinnost h = 3 %.

Vývoj žárovky postupoval přes wolframové vlákno až k halogenovému cyklu v křemenné baňce. Ten umožňuje přežhavení vlákna, poskytuje lepší podání barev a přináší úsporu až poloviny energie. Halogenové žárovky (obr. 4) mají v baňce příměs halového prvku, zpravidla jodu. Atomy wolframu odpařené ze žhavého vlákna putují ke stěně baňky, kde je teplota nižší – asi 1 000 K. Tam vzniká halogenid (jodid) wolframu. Molekuly halogenidu wolframu dále difundují zpět k vláknu, kde se vlivem jeho vyšší teploty rozkládají. Přitom se atomy wolframu opět usazují na vláknu a volné atomy jodidu difundují zpět ke stěně baňky, připraveny na další regenerační cyklus. Navrácené atomy wolframu umožňují přežhavení vlákna až na T = 3 200 K, u některých speciálních studiových žárovek až na T = 3 400 K. Účinnost žárovky se tak může zvýšit až na h = 6 % a emisní spektrum se více podobá slunečnímu světlu. Teplota tání wolframu je T_t = 3 660 K a prozatím není pro použití v žárovkách k dispozici vhodnější materiál. Baňky halogenových žárovek jsou zhotoveny ze speciální křemenné skloviny, obyčejné sklo by se za takových teplot roztavilo.

Kromě žárovek se postupem času a v souvislosti s technickým pokrokem objevily i další zdroje světla – plazmové zdroje (výbojky, zářivky, doutnavky, plynové lasery) založené na principu přechodu elektronů mezi energetickými hladinami ve výbojích v parách a plynech.

K různým účelům jsou dnes též používány zdroje doutnavé, obloukové, vysokotlaké i nízkotlaké. Mnohdy je záření transformováno luminofory. Byly vyvinuty i speciální zdroje záření založené na principech teorií pevných látek (elektroluminiscenční diody a panely, polovodičové lasery) nebo na principech brzdění urychlených elektronů na kovovém terči (röntgenky).

V mnoha odvětvích průmyslu i běžného užití – technika, potravinářství, medicína, typografie, reprografie, vojenství atd. – jsou používány stovky typů elektrických zdrojů záření, ale „běžná“ elektrická žárovka má stále svůj neoddiskutovatelný význam. Žádný ze zmiňovaných zdrojů světla totiž nemá tak lidsky poutavou historii jako ona.

Redakce