Klasická žárovka neztrácí svůj význam ani ve třetím tisíciletí

Klasická žárovka neztrácí svůj význam ani ve třetím tisíciletí
70 let od smrti velkého vynálezce

Martin Libra, Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta,
Zdeněk Kluiber, Gymnázium Christiana Dopplera, Praha

Když se setmí tak, že nevidíme na práci, řekneme „budiž světlo“a stiskneme vypínač. Jak prosté! Elektrické světelné zdroje vnímáme jako naprostou samozřejmost a kromě hrstky lidí, kteří se přímo věnují výzkumu a vývoji v tomto oboru, nikdo ani neuvažuje o tom, co všechno je za prostým stiskem vypínače skryto. V našich předchozích článcích [1], [2] jsme se zabývali fyzikální podstatou světla a vnímáním barev. V tomto příspěvku podáváme zjednodušený přehled vývoje elektrických světelných zdrojů a podrobněji ozřejmujeme princip žárovek. Rovněž vzpomeneme na velkého vynálezce^*) a otce klasické žárovky, od jehož smrti v loňském roce uplynulo již 70 let.

V roce 1879 T. A. Edison poprvé rozsvítil elektrickou žárovku s uhlíkovým vláknem a tím způsobil převrat ve světelné technice. Od té doby prošly elektrické světelné zdroje obrovským vývojem. Samotné žárovky, které využívají tzv. inkandescenční efekt podle teorie záření černého tělesa (žhaveného vlákna) při vysoké teplotě, byly postupně zdokonalovány. Jejich vývoj postupoval přes použité rovné a vinuté wolframové vlákno až k halogenovému cyklu v křemenné baňce, který umožňuje přežhavení vlákna, poskytuje lepší podání barev a přináší úsporu poloviny energie. Kromě žárovek se časem objevily ještě úspornější plazmové zdroje světla (výbojky, zářivky, doutnavky, plynové lasery), založené na principu přechodů elektronů mezi energetickými hladinami ve výbojích v plynech a v parách kovů. Základní pojmy z teorie plazmatu jsme čtenářům objasnili v předchozím článku [3]. K různým účelům byly použity výboje doutnavé i obloukové, vysokotlaké i nízkotlaké, v mnoha případech bylo záření ještě transformováno luminofory. Byly vyvinuty i speciální zdroje záření založené na principech teorie pevných látek (elektroluminiscenční diody, polovodičové lasery, luminiscenční panely) či na principech brzdění urychlených elektronů na kovovém terči (röntgenky). Dnes firmy na celém světě vyrábějí stovky typů elektrických zdrojů elektromagnetického záření, jež jsou určeny k nejrůznějším technickým aplikacím od běžného osvětlení, přes účely projekční, reprografické, signální a kontrolní až po nejspeciálnější použití, jako jsou např. röntgenky, lasery a solária.

Nyní ale zpět k žárovkám. Již jsme zmínili inkandescenční efekt. Pojem černé těleso je fyzikální aproximací, kdy zanedbáváme odraz od povrchu tělesa, a tudíž předpokládáme úplné pohlcení dopadajícího elektromagnetického záření. Záření, které těleso ze svého povrchu vysílá, tedy vychází pouze z něho, závisí na teplotě povrchu a řídí se Planckovým zákonem, graficky znázorněným na obr. 2 plnými čarami. Je vidět, že čím je teplota vyšší, tím je záření intenzivnější a v emisním spektru jsou přítomny fotony kratších vlnových délek, tedy vyšších energií. Energie fotonů E souvisí s vlnovou délkou l nepřímo úměrně podle známého vztahu

E = h c l^–1 = h f    (1)

kde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, f je frekvence fotonu.

Detailnější matematický popis Planckovy**) teorie by přesahoval rámec tohoto článku; zájemci ho mohou najít v příslušné odborné literatuře. Maxima křivek na obr. 2 leží na hyperbole a odpovídají Wienovu zákonu danému rovnicí

l_max T = b   (2)

kde b = 2,89780.10^–3 m·K je Wienova konstanta.

Naše zkušenost říká, že když těleso zvyšuje teplotu (např. kamna v temné místnosti), nejprve cítíme teplo, ale viditelné záření nepozorujeme. Celé emisní spektrum je v neviditelné infračervené (IR) oblasti a teplo cítíme proto, že frekvence fotonů v této oblasti je stejná jako vlastní frekvence atomů a molekul většiny materiálů, včetně našeho těla. Dopad infračerveného záření dostává atomy a molekuly do rezonance a zvětšuje jejich vibrační energii. Záření se dobře pohlcuje a způsobuje vzrůst teploty. Takovéto křivky, jež odpovídají teplotám nižším než 900 K, nejsou v obr. 2 vyznačeny, ale každý si je jistě dokáže představit. Od teploty asi T = 900 K již pozorujeme temně červené záření, neboť spektrum už zasahuje do viditelné (VIS) oblasti na červené straně spektra. Schematicky jsou v obr. 2 vyznačeny i barevné oblasti ve viditelném oboru vlnových délek. Další zvyšování teploty se projevuje zvýšením intenzity viditelného záření a dalším posunem okraje emisního spektra ke kratším vlnovým délkám. Při teplotě T = 2 000 K, která je v obr. 2 již vyznačena, vidíme jasně červené světlo, při teplotě T= 3 200 K jasně žluté světlo, ale z křivek je zřejmé, že většina energie je vyzářena v neviditelném oboru vlnových délek. Teplota povrchu Slunce je asi 5 800 K a výsledné světlo je bílé s maximem ve žluté oblasti spektra. Nejteplejší hvězdy s teplotou povrchu T = 20 000 K se jeví jako modré.

Uvedený princip je využit v žárovkách. Jak název napovídá, jedná se o tepelný zdroj světla. Elektrický proud procházející vláknem žárovky zahřeje vlákno Jouleovým teplem na vysokou teplotu a vlákno září jako černé těleso s příslušnou teplotou. Vytvoří se rovnovážný stav mezi energií dodávanou, vyzařovanou a odvedenou. Vyzářená energie podle Stefanova-Boltzmannova zákona roste se čtvrtou mocninou teploty, při vyšších teplotách se tedy vlákno samo chladí. Pro zvýšení teploty vlákna je třeba dodávat mnohem více energie, což je zřejmé i z křivek na obr. 2.

Původní Edisonova konstrukce žárovky používala uhlíkové vlákno vzniklé zuhelnatěním bambusového vlákna. Aby vlákno na vzduchu neoxidovalo a neshořelo, bylo umístěno ve vakuované skleněné baňce. Uhlíkové vlákno nebylo možné zahřát na příliš vysokou teplotu a proto první žárovky měly účinnost přeměny energie na viditelné světlo pouze h = 0,5 %. Použití wolframového vlákna umožnilo zvýšit účinnost přibližně na h = 1 %. V současných obyčejných žárovkách je jako vlákno použita dvakrát navinutá wolframová spirála (obr. 1), a baňka je plněna inertním plynem argonem. Taková konstrukce umožnila zvýšení teploty vlákna na asi T = 2 800 K, zvýšení účinnosti na h = 3 % a příznivější emisní spektrum s lepším podáním barev.

Při vyšší teplotě se vlákno již rychle vypařuje, což vede k jeho přerušení a ke znehodnocení žárovky. Speciální tzv. halogenové žárovky využívají tento halogenový cyklus: V baňce je příměs halového prvku, zpravidla jodu. Atomy wolframu odpařeného z vlákna putují ke stěně baňky, kde je nižší teplota (kolem 1 000 K), a tam vzniká halogenid (zpravidla jodid) wolframu. Molekuly halogenidu wolframu poté difundují zpět k vláknu, kde se rozkládají za vyšší teploty, kterou má vlákno. Přitom se atomy wolframu usazují zpět na vlákno a volné atomy halového prvku difundují ke stěně baňky, kde jsou opět připraveny na další regenerační cyklus. Proces lze popsat rovnicí pro vratnou chemickou reakci

kde R je volný radikál halového prvku. Odpařený wolfram se tedy vrací zpět na vlákno, což umožňuje zvýšit teplotu wolframové spirály na T = 3 200 K a u některých speciálních studiových žárovek s krátkým životem až na T = 3 400 K. Tím se zvýší účinnost přeměny energie na viditelné světlo až na h = 6 % a dále se zlepší podání barev, neboť emisní spektrum se více podobá slunečnímu světlu. Více již teplotu vlákna zvýšit nelze, protože teplota tání wolframu je T_t = 3 660 K  a neexistuje jiný vhodný materiál, který by snesl vyšší teplotu a přitom by jej bylo možné dobře zahřát Jouleovým teplem procházejícího proudu. Baňky halogenových žárovek musí být vyrobeny ze speciální křemenné skloviny, neboť teplejší vlákno je více zahřívá; obyčejné sklo by se za takových teplot tavilo.

Přestože se dnes stále více používají úspornější výbojové zdroje světla, klasická žárovka ani 123 let po svém objevu nijak neztrácí svůj význam. K některým účelům je stále nejvhodnější, zvláště tam, kde se často zapíná a vypíná. Její místo v kontextu historického vývoje pěkně vystihl Pavel Hronovský ve své kresbě na obr. 3.

^*) T. A. Edison (1847–1931) byl americký vynálezce, který během svého života podal 1 500 patentů. Byl ale i dobrým obchodníkem, díky čemuž dosáhl svých úspěchů. V roce 1911 navštívil i Prahu.

^**) Max Planck (1858–1947) byl německý fyzik. Studoval v Mnichově a v Berlíně. Když oznámil svému profesorovi, že se rozhodl pro vědeckou dráhu v oboru teoretické fyziky, ten poznamenal, že je to hezký obor, ale už je téměř uzavřen a nic nového zde nelze objevit. Planck se stal jedním ze zakladatelů kvantové fyziky a jednou z největších osobností světové vědy. Jeho vědecké objevy byly vskutku převratné a jeho práce byla v roce 1918 po zásluze oceněna Nobelovou cenou za fyziku.