Princip a konstrukce žárovky
Elektrický světelný zdroj, který funguje na principu žhavého činidlo, se nazývá žárovka. Jinak řečeno, lampa, která pracuje díky žhnutí drátu způsobeného elektrickým proudem procházejícím tímto drátem, se nazývá žárovka.
Jak fungují žárovky?
Když je objekt zahřát, atomy uvnitř objektu se termicky vzruší. Pokud objekt neroztaví, vnější elektrony atomů atomů přeskáčou na vyšší energetické úrovně díky dodané energii. Elektrony na těchto vyšších energetických úrovních nejsou stabilní, opět klesají na nižší energetické úrovně. Při klesání z vyšších na nižší energetické úrovně elektrony uvolňují svou nadbytečnou energii ve formě fotonů. Tyto fotony jsou pak vydávány z povrchu objektu ve formě elektromagnetického záření.
Toto záření bude mít různé vlnové délky. Část vlnových délek se nachází v viditelném spektru a významná část vlnových délek se nachází v infračerveném spektru. Elektromagnetická vlna s vlnovými délkami v rozmezí infračerveného záření je tepelná energie a elektromagnetická vlna s vlnovými délkami v viditelném rozmezí je světelná energie.
Žhavé činidlo znamená produkce viditelného světla ohřevem objektu. Žárovka funguje na stejném principu. Nejjednodušší formou umělého zdroje světla pomocí elektrické energie je žárovka. Zde používáme elektrický proud, který prochází tenkým a jemným drátem, aby vytvořil viditelné světlo. Proud zvedá teplotu drátu do takové míry, že se stane světélivým.
Historie žárovek
Obvykle se považuje, že Thomas Edison byl vynálezce žárovky, ale skutečná historie to nebyla. Bylo mnoho vědců, kteří pracovali a navrhovali prototypy žárovek před Edisone. Jedním z nich byl britský fyzik Joseph Wilson Swan. Záznamy ukazují, že první patent na žárovku získal on. Později se Edison a Swan spojili k výrobě žárovek v komerčním měřítku.
Konstrukce žárovky
Drát je připojen k dvěma vedlejším vodičům. Jeden vedlejší vodič je připojen k kontaktnímu bodu podložky a druhý končí na kovové základně žárovky. Oba vedlejší vodiče procházejí skleněnou podporou umístěnou uprostřed spodní části žárovky. Dva podpěrné vodiče také připojené ke skleněné podpoře, slouží k podpoře drátu v jeho střední části. Kontaktní bod podložky je izolován od kovové základny izolačními materiály. Celý systém je obalen barevnou, fosforečnou nebo průhlednou skleněnou baňkou. Skleněná baňka může být naplněna inertními plyny nebo může být vakuová, v závislosti na výkonu žárovky.
Drát žárovek je hermeticky uzavřen ve skleněné baňce vhodného tvaru a velikosti. Tato skleněná baňka se používá k izolaci drátu od okolního vzduchu, aby se zabránilo oxidaci drátu a minimalizovalo konvekční proudění okolo drátu, což umožňuje udržet vysokou teplotu drátu.
Skleněná baňka je buď vakuová, nebo naplněna inertními plyny jako argon s malým procentem dusíku za nízkého tlaku. Inertní plyny se používají k minimalizaci vypařování drátu během provozu žárovek. Avšak kvůli konvekčnímu toku inertního plynu uvnitř baňky je větší šance na ztrátu tepla drátu během provozu.
Opět, vakuová prostředí jsou skvělou tepelnou izolací, ale urychlují vypařování drátu během provozu. V případě plynových žárovek se používá směs 85 % argonu a 15 % dusíku. Občas se může použít krypton k snížení vypařování drátu, protože molekulová hmotnost kryptonu je poměrně vysoká.
Avšak je to dražší. Plyn se napouští do baňky přibližně za 80 % atmosférického tlaku. Plyn se napouští do baňek s výkonem více než 40 W. Pro baňky s výkonem méně než 40 W se plyn nepoužívá.
Různé části žárovky jsou znázorněny níže.
Drát žárovky
V současnosti jsou žárovky dostupné v různých výkonech, jako jsou 25, 40, 60, 75, 100 a 200 W atd. Existují různé tvary baňek, ale základně jsou všechny kulaté. Hlavně se používají tři materiály pro výrobu drátu žárovek, a to uhlík, tantál a wolfram. Uhlík byl dříve používán jako materiál pro drát, ale v současnosti se nejvíce používá wolfram.
Teplota tavení uhlíkového drátu je asi 3500°C a provozní teplota tohoto drátu je asi 1800°C, takže šance na vypařování je poměrně malá. Proto žárovky s uhlíkovým drátem neztmavají v důsledku vypařování drátu. Ztmavání žárovky nastává, když se molekuly materiálu drátu usazují na vnitřní stěně skleněné baňky v důsledku vypařování drátu během provozu.
Tohle ztmavání se stává zřetelnějším po delší době používání žárovky. Efektivita žárovky s uhlíkovým drátem není dobrá, dosahuje asi 4,5 lumenů na watt. Tantál byl používán jako drát, ale jeho efektivita je mnohem horší, dosahuje asi 2 lumenů na watt. Proto se tento materiál velmi zřídka používá jako element drátu.
Nejpoužívanějším materiálem pro drát v současnosti je wolfram kvůli své vysoké luminózní efektivitě. Může poskytnout 18 lumenů na watt, když pracuje při 2000°C. Tato efektivita může být až 30 lumenů na watt, když pracuje při 2500°C. Vysoká teplota tavení je hlavním kritériem pro materiál drátu, protože musí pracovat při velmi vysoké teplotě bez vypařování.
Ačkoli wolfram má trochu nižší teplotu tavení než uhlík, wolfram je stále preferovanější jako materiál pro drát. To je díky vysoké provozní teplotě, která z wolframu dělá mnohem luminóznější. Mechanická pevnost wolframového drátu je dostatečně vysoká, aby odolala mechanickým vibracím.
Doba životnosti žárovek
Jakákoli technologie výroby, každý typ žárovek má nějakou přibližnou dobu životnosti. Je to kvůli vypařování drátu, které lze minimalizovat, ale nelze ho úplně vyhnout.
V důsledku vypařování drátu se skleněná baňka postupně ztmavuje. V důsledku vypařování drátu se ztenčuje, což způsobuje, že drát je méně luminózně efektivní a nakonec se drát prolomí. Protože žárovky jsou přímo připojeny k elektrické síti, kolísání napětí v síti ovlivňuje výkon žárovky.
Je zjištěno, že luminózní efektivita žárovky je přímo úměrná druhé mocnině dodávaného napětí, ale zároveň doba životnosti žárovky je nepřímo úměrná 13. až 14. mocnině dodávaného napětí. Hlavní výhody žárovek jsou, že jsou dostatečně levné a velmi vhodné pro osvětlení malých prostor. Nicméně tyto žárovky nejsou energeticky efektivní a přibližně 90 % vstupní elektrické energie se ztrácí jako teplo.
