Žárovky (1924 - ?)

Výňatek z knihy "Domácí elektrotechnik", vydané v nakl. Šolc a Šimáček ing. Prokopem

Elektrická žárovka, která byla vynalezena v praktické a dlouho potom používané podobě Edisonem, přivodila nyní rozsáhlé upotřebení elektrické energie. Výhody světla elektrického proti všem dosud známým umělým zdrojům světelným jsou tak veliké, že nemá zatím konkurenta který by vládu jeho vážně ohrožoval. Jsou to vlastnosti elektrické energie, kterých nemá a nemůže míti žádá hmota, neboť elektřina jest pouhou energií, kdežto z hmot musíme jejich energii ve zdroji světelném teprve vybavovati.
Elektrickou žárovku lze vyrobiti ve všech velikostech, od miniaturní žárovičky pro účely lékařské, kuličky to průměru 4 mm, až po žárovku svítivosti 5000 i více svíček pro osvětlování ulic a továrních místností, a pro použití do mohutných reflektorů. Lze ji vyrobiti v nejrůznějších tvarech přizpůsobených všem myslitelným účelům. Tvar hruškový (obr. 57) a kulový (obr. 58 a 59) jest nejobvyklejší, do lustrů tvar svíčkový (obr.60), pro výklady hodí se žárovka sufitová (obr. 63), pro stolní lampy plochý stlačený (obr.62). Pro zvláštní účely používá se nejrůznějších tvarů, na př. v podobě tenkých trubek k prohlížení sudů (obr. 61).

Přizpůsobením a různým uložením vlákna, atd, lze dosáhnouti aby jednak světlo vycházelo z menší plochy (stočením vlákna ve spirálu) a tím byla způsobena větší jasnost zdroje, jednak lze uložiti vláno tak, že při normální svislé poloze žárovky leží ve vodorovné rovině a vrhá většinu světla směrem dolů (obr. 59 a 62).
Zrněním, zabarvením skleněné baňky nebo použitím mléčného skla získáme nejrůznější světelné efekty.Zrněním, matováním či mdlením obdrží se rozptýlenější světlo, způsobí se menší namáhání oka a neosté měkké stíny. Zbarvením skla politím lakem, v němž můžeme rozpustiti nejrůznější anilinové barvy, dosáhneme efektů, které si dnes nedovedeme představiti s bývalým jednobarevným primitivním osvětlením plynovým nebo dokonce petrolejovým.
Použitím modrého, spetroskopicky zkoušeného skla, které zachycuje přebytečné paprsky červené a žluté, získáme dobrou náhradu denního světla, takže můžeme při tomto umělém osvětlení dobře pracovati večer s různými barvami bez obavy, že při denním světle objevíme poměr barev zcela jiný. Žárovek se žlutým, zeleným nebo rubíbovým sklem požíváme s velikou výhodou při fotografování. Pro lékařské účely upotřebí se také žárovek se sklem různě zbarveným, např. modrým.
Sklo, kryjící svítící vlákno, můžeme pokrýti amalgamem cínu, takže vytvoří se zrcadlová plocha, vrhající světlo žádaným směrem (obr. 63).
Čistota, pohotovost, bezpečnost a pohodlí elektrického světla není dosud ničím překonána. Při svícení nespotřebuje se kyslík, a nevznikají také žádné škodlivé zplodiny hoření, jako u jiných zdrojů. Elektrické světlo potřebuje minimální obsluhy, pouhé otočení vypínače. Též dozor a udržování omezuje se při normálním zacházení na pouhé vyměnění žárovky (asi po době 800 hodin svícení, což trvá při obvyklém svícení v domácnosti 1 rok) jednoduchým zašroubováním žárovky nové, jindy opět výměnou opotřebeného vypinače. O bezpečnosti proti jiným zdrojům netřeba se ani zmiňovati. Žárovka svítí stejně dobře a bezpečně pod vodou, ve výbušných plynech v dolech a jinde i v místnostech továren na třaskaviny a jest jediným světelným zdrojem, kterým možno osvětliti vnitřní orgány v živém těle.
Z těchto všech důvodů rozšířilo se používání elektrické energie pro osvětlení v nejbohatších i nejchudších domácnostech, kde ještě přistupuje důležitý moment - láce elektrického světla proti jiným zdrojům. Je proto důležité nejen se poučiti o zavádění elektrického osvětlení v domácnosti a o jeho obsluze nejen z důvodů praktických, ale poznati něco z historie lidského snažení na tomto poli, aby se rozšířil obzor chápání a s větším porozuměním (na vlastní prospěch) přijímán i využíván byl každý nový vynález v zájmu pokroku a zvýšení životní úrovně všech.

Tepelné účinky elektrického proudu, oteplování, rozežhavení i přepálení drátu, známy byly již na počátku století devatenáctého. Činěny byly pokusy s různámi látkami nesnadno tavitelnámi, hlavně s platinou. S tou počal konati pokusy i Edison, ale přesvědčil se, že z důvodů praktických nelze ji použíti. Nízký poměrně bod tavení platiny (1780 st.C) vedl ho k upotřebení slitiny platiny a iridia. Však ani to nevyhovělo. Po dlouhých a namáhavých pokusech podařilo se mu vyrobiti vlákno uhelné zuhelnatěním papíru, to však bylo křehké a nesnadně vyrobitelné. Po dalších pokusech vyrobil Edison poměrně pevné a stejnorodé vlákno uhelné z vlákna bambusového a sestrojil tak r. 1879 první prakticky upotřebitelnou elektrickou žárovku. Principu Edisonovy žárovky, žhnoucího vlákna, uzavřeného ve vzduchoprázdném prostoru, používá se dodnes. Od něho pochází i dosud nejpraktičtější a dosud používané zařízení spodku žárovky - totiž závitu a spodního dotyku, kterými se k žárovce, zašroubované do objímky, přivádí proud.
Od dob Edisonových prodělal vynález žárovky ohromné pokroky. Byl změněn materiál na výrobu vlákna a zdokonalen výrobní postup jeho tak, že se stalo vlákno velmi pružným, hladkým, stejného průřezu, a nemilá vlasnost uhlíku, totiž záporný součinitel vodivosti (t.j. stoupání vodivosti s rostoucí teplotou), který měl za následek že se žárovka při nepatrném zvýšení napětí velmi snadno přepalovala, byl odstraněn.
Přírodní vlákno, vyrobené zuhelnatěním bambusu, nemá všude týž průřez. Při rozsvícení zahřívají se tenší místa mající menší odpor více, a vlákno se brzy přepálilo. Aby se dosáhlo přesně stejného průřezu, nutno podrobiti vlákno procesu, který se nazývá karbonisování neboli kalibrování.
Pochod tento spočívá ve srážení čistého uhlíku na vypáleném zuhelnatělém vlákně. Vlákno ponoří se do kapalného uhlovodíku (např. do petroleje) a zavede se do něho proud. Kolem rozežhaveného vlákna vytvoří se obal z plynných uhlovodíků, které se rozkládají, a uhlík se na vlákně usazuje. V nové době používá se uhlovodíků plynných (svítiplynu, par benzolových, a j.).
Materiál, ze kterého vyrábějí se vlákna, změnil již Edison, nahradiv vlákno bambusové vláknem bavlněným, napuštěným látkami bohatými uhlíkem, jako např. cukr. Nyní se upotřebí hmoty uměle připravené z celulosy. Postup výrobní žárovky s uhlíkovým vláknem je tento:

Střelná bavlna rozpustí se v ledové kyselině octové, načež se protlačuje přesně kalibrovanými kapilárními trubičkami vlasovými do destilované vody. Při styku s vodou vyloučí se z roztoku vlákénko přesného kalibru. Vlákna se pak navinou na formu z hlíny, kde se jim dodá známý smyčkový tvar. Konce se při tom přilepí parafinem. Ovinuté formy vypalují se v kelímcích, které jsou za účeem nepřístupu vzduchu vysypány uhelným práškem. Zde se vlákna mění v čistý uhlík. Nato se přiřeží na přesné délky, upnou se do svorek upevněných na mosazném bronzovém talíři. Talířem tím překlopí se kovová nádoba tak, že vlákna visí dolů. Z nádoby vyčerpá se vzduch, a pak se pustí do nádoby benzolové páry. Do vlákem zavede se potom proud, který je rozežhaví. Vlákna po vypalování nejsou úplně homogenní a též průřez jest částečně proměnný. Slabší místa mají větší prostor než místa silnější,a proto se proudem více zahřejí. Vyšší teplotou rozkládají se páry benzolu a na vlákně i uvnitř pórů vylučuje se uhlík, který dokonale vyrovnává všechny nestejnosti průřezu. Vlákna dostanou krásný kovový lesk a jsou dokonale pružná. Dokončení procesu pozná se na měřících aparátech a srovnává se odpor vlákna hotové žárovky s odporem karbonisovaného vlákna. Ten klesá (tloušťka vlákna roste) a pochod se zastaví, když nastane rovnst.
Dalším pokrokem bylo roku 1904 vynalezení metalisování (zkovovění) vlákna, kterým se stává vlákno dokonale hladké, lesklé a pružné, a jeho koeficient vodivosti změní se ze záporného na kladný (odpor s teplotou stoupá). Nejdůležitější však je, že specifická spotřeba na svíčku svítivosti klesá u žárovky s metalisovaným vláknem z původní hodnoty 3,5 - 4 W/svíčku na pouhé 2,2 W/sv. čili že svícení takovou žárovkou stává se skoro dvakráte lacinější, Mimo to nerozprašuje se metalisované vlákno tak rychle jako přírodní a baňka černá při svícení mnohem pomaleji.
Postup záleží v tom, že hotová kalibrovaná vlákna zahřívají se za nepřístupu vzduchu vnějším teplem v elektrické peci až asi na 3000 st. C., čímž se povrch jejich změní, ztaví, uhlík změní se nahmotu podobnou jemné tuze a vlákno nabyde vlastností výše uvedených. Způsobu tohoto upotřebí se dnes všeobecně.
Tím je vlákno hotovo a další prací jest upevnění jeho v baňce. Do trubky, jejíž dolní konec je kuželovitě rozšířen, zataví se dva měděné přívodní drátky. Každý z nich je přerušen přitaveným platinovým drátkem a tímto místem zataví se do skleněné trubky. Platina, majíc se sklem přibližně stejnou roztažnost, vyplní dokonale průchod ve skle, a není obavy že zahřátím při nestejné roztažnosti obou hmot sklo praskne. V nové době nahrazuje se drahá platina různými slitinami o téže roztažnosti jakou má sklo.
Na vyčnívající konce měděných drátků připevní se uhelné vlákno. Dobré spojení je velmi důležité, jinak by se vlákno zvýšením odporu a stoupnutím teploty brzy upálilo. Je mnoho způsobů provedení dobrého kontaktu. Buď se rozválcuje knec drátku v tenký pásek který se kolem vlákna ovine, jindy připájí se speciální pastou nebo se místa galvanicky pomědí, popřípadě nanese se na místo lepidlo z látky bohaté uhlíkem (např. tuš), které se pak pro zbavení prchavých látek vypálí, nebo konečně nanese se na místo galvanicky trochu uhlíku, podobně jako při karbonisování.
Když je tato část žárovky hotova, přitaví se ke spodnímu otevřenému konci baňky, která tvoří pak kryt pro svítící vlákno. Úprava baňky spočívá ledině v tom, že na jejím konci, kde na hotové žárovce vidíme zatavený výčnělek, protaví se baňka ostrým plamenem a přitaví se k ní trubka na vyssátí vzduchu. Tou se spojí baňka s vývěvou, vzduch se vyčerpá a baňka se pak zataví. Po vyzkoušení a fotometrickém stanovení svítivosti připevní se spodní část se závitem a spodním kontaktem, k nimž se měděné drátky připájí cínem. Po opětném vyzkoušení je žárovka hotova. Schází již jen balení, aby mohla přiít do obchodu.
Popsaných uhlových žárovek užívá se již jen ve speciálních případech, hlavně co odporových těles, a v lékařství pro tepelné elektrické lázně. Výrobou jejich zabývá se již jen několik firem v Evropě, hlavně v Německu. Nevýhodou jejich jest poměrně špatné využití elektrické energie, neboť obyčejné uhlové žárovky spotřebují asi 3.5 wattu na svíčku, metalisované pak přes 2 watty.
Snaha po zlepšení hospodárnosti elektrického světla vedla r. 1897 k sestrojení nové žáovky, jejíž vlákno žhne na vzduchu - lampy Nernstovy.
Vlákno sestrojeno jest ovšem z látky nehořlavé, kysličníku cirkonu a thoria, který se stává vodivým teprve za tepla. Vyžaduje tudíž při rozsvácení předběžného zahřátí, které obstarává platinová spirálka, zalitá do ohnivzdorné tyčinky. Při zapětí prochází proud nejdříve pouze spirálkou, teprve po zahřátí a zavedení proudu tyčinkou se spirálka samočinně vypne. Světlo Nernstovy lampy jest velmi bílé, hospodárnost dosti značná, spotřebje na 1 sv. asi 1,5 Wattu. Používány byly tyto žárovky dosti hojně pro promítací přistroje, byly však vytlačeny žárovkami plněnými dusíkem, které vyrábějí se ve speciálních tvarech pro promítání a nevyžadují složitého zapalovacího zařízení.
Stálou snahou techniků od prvních počátků žárovky bylo sestrojiti žárovku s vláknem kovovým. Obrovské úsilí učenců i techniků, kterým značen jest další vývoj žárovky a konečné dosažení cíle, zračí se nejlépe v její historii, kterou v dalším stručně podám.
R. 1901 sestrojena byla Aurerem (vynálezcem plynové punčošky) žárovka osmiová. Vlákna tohoto kovu nebyla zhotovena tažením, nýbrž podobně jako vlákna uhelná protlačováním prášku osmia kalibrem, smíšeného s lepkavou a spalitelnou organickou hmotou, která pak byla složitými pochody odstraněna. Vlákna byla velmi křehká, a mimo to nebylo je možno vyrobiti v přílišné délce, takže byly sestrojovány žárovky nejvýše na napětí asi 30-40 V, pročež musely být řazeny při vyšším napětí v serii. Spotřeba byla asi 1,5 W/sv.
Roku 1904 byla sestrojena první žárovka s vláknem taženým - žárovka tantalová. Obtíže činilo vměstnání poměrně dlouhého drátku (kov proti uhlíku má malý odpor) do malé baňky, i sestrojen byl známý typ držáku sestávajícího ze skleněné tyčinky se zatavenými paprskovitě rozestavenými drátky, jehož se s malými změnami užívá dodnes. Lampa spotřebovala asi 1,5 W na svíčku.
Snaha po zvýšení teploty svítícího vlákna a dosažení větší hospodárnosti vedla ku požití wolframu (r. 1906), který taje asi při 3000 st.C. První žárovky byly s vláknem tzv. stříkaným, t.j. vyrobené protlačováním kaše z jemně práškového wolframu, smíšeného s lepivou hmotou. Žárovky měly podobné nevýhody co se týče pevnosti jako lampy osmiové, ale spotřeba na svíčku činila 1,1 až 1,2 W. Teprve r. 1911 podařilo se zpracovati wolfram tažením, a tak byl dán základ dnešní kovovláknové žárovce. lampy s taženým drátkem jsou úspornější (1,1 až 1 W/sv), velké jednotky o svítivosti několika set svíček (dnes se již nevyrábějí, jsou nahrazeny žárovkami, plněnými plynem) dokonce kol 0,8W/sv.
Princip dnes užívaných kovovláknových žárovek neliší se od principu žárovek uhlových a podobně i výroba jejich liší se jen v detailech konstruktivních. Jako žhnoucího tělesa upotřebí se dnes výhradně wolframového taženého drátku různé tloušťky (nejmenší 0,01 mm) a mnohem větší délky než u žárovek uhlových, neboť odpor kovu proti uhlíku jest malý. Proto je nesen drátek skleněným držákem s radiálně zatavenými drátky a tvoří tak válcovou plochu. teplota drátku činí asi 2050 st. C a světlo je bělejší než u uhlových (teplota 1800 st. C)
Normální tvar žárovky liší se proto poněkud od tvaru žárovky uhlové, tvoří mírně kuželovitou plochu (obr. 57). Poněvadž drátek déle svítící žárovky se rozprašuje a prášek usazující se na skle průhlednost značně zmenšuje (žárovka černá), namáčí se konec tyčinky držící vlákno do roztoku obsahujícího chemické látky, které tvoří s rouprášeným wolframem sloučeninu průhlednou, která nepřekáží prostupu světla. Mimo to váže tato hmota poslední zbytky kyslíku zbylého v baňce po vyčerpání. Nanesená hmota jest zvláště dobře patrná na obr. 57.
Aby mohla býti velikost žárovek zmenšena a aby docíleno bylo jasnějšího, bělejšího světla, navinuje se svítící drátek do spirály, tlusté asi jako špendlík, a zavěšuje se ve vodorovné rovině, stočen do kruhu, na drátky, zatavené radiálně do skleněné tyčinky.
Snaha techniků po zdokonalení žárovky a dosažení větší hospodárnosti vedla v poslednich letech předválečnách k důležitému vynálezu žárovky plněné dusíkem, tzv. půlwattové. Zkušenosti i vědecké poznatky o oboru světelnéh a tepelného záření rozežhavených těles nabádaly ke stálému zvyšování teploty svítícího drátku žárovky. Lampa taková stává se mnohem hospodárnější (poměr vysílaných paprsků užitečných a neužitečných, hlavně červených, je mnohem příznivější) a světlo její je mnohem bělejší, bližší dennímu.
Technicky však byla věc velmi těžká, vlákno ve vzduchoprázdném prostoru se rychle rozprašovalo, a tak co bylo získáno na hospodárnosti, bylo ztraceno na době trvání žárovky, která klesla i na několik hodin. teprve myšlenkou naplniti baňku neutrálním plynem (nyní dusíkem) a dosáhnouti tím protitlaku, byl úkol v zásadě rozřešen. A tu přistoupily další obtíže. Dusík, zahřátý žhnoucím drátkem, oteplil skleněnou baňku tak, že dosud používané sklo nevyhovovalo. Svítící drátek v této žárovce má teplotu více než 2500 st.C (wolfram taje při 3000 st.C). Teplota baňky bývá u této žárovky kol 200 st.C.
I tato nesnáz byla odstraněna volbou vhodného skla a prodloužením baňky v chladící krček, a tak přišla na trh nová žárovka, která v poměrně krátké době vypudila z používání svou lácí i obloukovku, např. v pouličním osvětlování. Z téhož důvodu přestaly se také vyráběti více než padesátisvíčkové žárovky kovovláknové, které dříve byly vyráběny až do velikosti 1000 svíček. Drátek žárovky plněné dusíkem je vždy stočen šroubovitě, neboť chlazení jeho plynem proudícím vzhůru je značné, a stočený drátek vystavuje chlazení mnohem menší plochu. Žárovky pro větší svítivost (se silným drátkem) a pro větší napětí mají drátek zavěšěný cik-cak.

Žárovky kovovláknové, vzduchoprázdné i plněné dusíkem, ovládají dnes trh úplně. Vyrábějí se pro nejrůznější napětí, počínajíc žárovkou pro jeden suchý článek o napětí 1,2V, až po normální síťová napětí do 240V.
Svítivosti vzduchoprázdných žárovek pro běžné napětí 120V jest: 5, 10, 16, 25, 32, a 50 svíček.
Spotřeba tzv. půlwattové žárovky, správněji řečeno žárovky plněné dusíkem, činí ovšem 1/2 wattu na svíčku jen u žárovek mnohosvíčkových, asi od 500W počínajíc. Menší spotřebují více, O,8 až 1W/sv. Tedy 25W asi 25 sv, 40W asi 50 sv, 60W asi 75 sv, 75W asi 100 sv, 100W asi 150 sv, 150W asi 200 sv, 2OOW asi 350 sv, 300W 500 sv, 500W 900 sv, 750W 1500 sv, 1000W 2000 sv, 1500W 3000 sv, a 2000W 4000 sv. Pro zvláštní potřebu vyrábějí se i žárovky s větší svítivostí, až 6000 sv. a větší.
Pro napětí 220-250V vyrábějí se obyčejně nejmenší žárovky desetisvíčkové, neboť vlákno by muselo býti tak slabé že i když by je bylo vůbec možno bez velkých obtíží vyrobiti, bylo by příliš málo pevné a žárovka zničila by se již slabým nárazem. Mimo to snižováním svítivosti hospodárnost rychle klesá, takže pětisvíčkové žárovky na toto napětí spotřebují 10-15W, t.j. 2-3W na svíčku.
Pro větší napětí než 250V se žárovky nevyrábějí, pro dosud nepřekonatelné technické překážky. Z toho důvodu nutno tam, kde se pracuje s vyšším napštím a kde nelze napětí snadno a ekonomicky snižovati (např. u elektrických drah, kde bývá proud o napětí 500-600 Volt), řaditi žárovky za sebou, v serii. Pro napětí 550V dají se do serie čtyři žárovky na 135 Volt. Tyto žárovky musí míti přesně stejný odpor, jinak by nesvítily stejně. Proto nutno takové žárovky zvláště vyráběti a zkoušeti, a označují se na spodku slovem "serie".
Průměrná doba trvání žárovek jest asi 800 hodin, ovšem stane se že pro nějakou vadu při výrobě, která není ihned zjistitelná, vnikne časem do žárovky něco vzduchu a drátek se přepálí. Naopak mnohé žárovky svítí dobu třeba nekolikanásobnou. Změna napětí a intensity střídavého proudu od nuly do největší hodnoty nemá při 50 periodách nijakých následků a světlo jest úplně klidné.Při nižších periodách (25, 16 a 2/3,) nutno používati žárovek vícesvíčkových, které mají silnjší vlákno jež tak rychle nechladne, má větší "tepenou setrvačnost". Menší žárovky, asi do 50 svíček, svítí neklidně, trhaně.
Trh žárovek ovládal u nás dříve úplně výrobek německý. Po převratu vznikla u nás veliká česká akciová továrna na žárovky "Elektra" v Hloubětíně u Prahy. Továrna je moderně zařízena a výrobky její konkurují úspěšně jakostí i lácí s výrobky cizími. Mimo to máme v republice továrnu žárovek "Lux" na Moravě, a menší firmu Zimmer a Zschocke v Ústí nad Labem, vyrábějící žárovky "Meteor", a firmu Plechati, vyrábějící výhradně žárovky do kapesních svítilen. Po převratu zřídila i říšskoněmecká firma "Osram" továrnu v Praze, aby byla chráněna před pozdějším zákazem dovozu žárovek, až naše firmy budou vyráběti množství postačující spotřebě. Mimo to používá se u nás žárovek jiných firem, např, maďarské "Tungsram", vídeňské "Metallum" (J. Kremensky), "Vertex" a "Ferrowatt" (továrna "Watt"), a hlavně holandské firmy "Philipps", která se zabývá zvláště výrobou žárovek z opálového skla "Argenta", z modrého skla (na dosažení denního světla) a žárovek o malé svítivosti na vyšší napětí (s odporem ve spodku). Jakost domácích výrobků jest však dnes již taková, že netřeba kupovati jiných.