Jak działa żarówka? Budowa, rodzaje i zasada świecenia

Żarówka świeci, bo prąd płynący przez cienki drut wolframowy rozgrzewa go do około 2800 K, a każde tak gorące ciało wypromieniowuje energię. Na tym polega to, jak działa żarówka: światło jest skutkiem ciepła. Dlatego większość energii ucieka jako niewidzialna podczerwień. Do oka trafia mniej więcej jedna dziesiąta.

Jak działa żarówka?

Prąd płynący przez cienki drut wolframowy rozgrzewa go. Opór metalu zamienia przy tym energię elektryczną w ciepło. To zjawisko nazywa się efektem Joule’a. Każde rozgrzane ciało wypromieniowuje energię, dlatego gorący metal świeci. Właśnie to nazywamy żarzeniem, czyli inkandescencją. Światło jest tu więc skutkiem ciepła.

Żarnik pracuje zwykle w temperaturze około 2800 K. Według opisu patentowego laboratorium Sandia około 90% promieniowania takiego żarnika to niewidzialna podczerwień. W efekcie do oka trafia około jednej dziesiątej promieniowania. Ta liczba mówi o udziale promieniowania. Skuteczność świetlna w lm/W uwzględnia dodatkowo czułość oka i dla żarówki 60 W wynosi tylko około 15 lm/W. Od skuteczności zależy też jasność żarówki 100 W w lumenach. Ta sama temperatura 2800 K nadaje światłu ciepłą, żółtawą barwę.

Budowa żarówki

Żarówka składa się z czterech elementów. Trzonek doprowadza prąd do żarnika. Bańka i wypełnienie chronią żarnik przed przepaleniem.

Budowa żarówki:

• Trzonek z drutami kontaktowymi – gwint i styk na dnie przejmują prąd z oprawy. Dwa grubsze druty prowadzą go przez szkło do żarnika i trzymają spiralę w miejscu.
• Żarnik – spirala z wolframu, który topi się dopiero w około 3695 K, więc praca w 2800 K go nie stapia.
• Bańka szklana – odcina żarnik od tlenu z powietrza, w którym rozgrzany wolfram spaliłby się niemal natychmiast.
• Wypełnienie – argon z domieszką azotu spowalnia parowanie wolframu. Próżnię stosuje się w żarówkach małej mocy, w których gaz odbierałby żarnikowi za dużo ciepła.

Ta ochrona spowalnia zużycie. Nie zatrzymuje go jednak. Wolfram stale paruje, drut cienieje w najgorętszych miejscach. Osad czerni przy tym bańkę od środka. W efekcie typowa żarówka pracuje około 1000 godzin. Dlaczego koniec przychodzi zwykle w chwili włączenia? Zimny wolfram ma rezystancję około 10–15 razy mniejszą niż rozgrzany, więc przez ułamek sekundy płynie prąd wielokrotnie większy od roboczego. Najcieńszy odcinek drutu nagrzewa się wtedy najszybciej i pęka.

Czernienie bańki usuwa dopiero cykl halogenowy. Cienienie żarnika cykl ten tylko ogranicza.

Czym żarówka halogenowa różni się od zwykłej?

Żarówka halogenowa to ta sama żarówka z żarnikiem wolframowym, tyle że do jej gazu dodano odrobinę halogenu, najczęściej jodu albo bromu. Halogen wiąże odparowany wolfram w lotny związek. Ten związek rozpada się przy gorącym żarniku i oddaje metal z powrotem na drut.

Cykl halogenowy działa tylko pod jednym warunkiem: ścianka bańki musi mieć ponad około 520 K. W chłodniejszej bańce wolfram osiadałby na szkle i czernił je tak jak w zwykłej żarówce. Dlatego bańka jest mała i zrobiona ze szkła kwarcowego, które znosi taką temperaturę.

W małej bańce o czystej ściance żarnik może pracować w temperaturze powyżej 3000 K i świecić bielej. Skuteczność rośnie zwykle do około 20 lm/W (zwykła żarówka: 15 lm/W). Trwałość halogenu wynosi od około 1000 do 4000 godzin. Mała bańka nagrzewa się przy tym bardzo mocno i stygnie jeszcze przez pewien czas po wyłączeniu.

Źródła światła, które świecą bez żarnika

W domowych lampach światło bez żarzenia daje wyładowanie elektryczne w gazie albo emisja w półprzewodniku. Diody czerwone i zielone znano od dawna. Bez niebieskiej diody, której dotyczyło ogłoszenie Nagrody Nobla 2014, nie dało się jednak zbudować białej lampy LED.

Świetlówka kompaktowa (CFL)

Świetlówka kompaktowa wytwarza światło w dwóch etapach. Elektrody w rurce wywołują wyładowanie w parach rtęci. Pobudzone atomy rtęci wysyłają głównie ultrafiolet, którego oko nie widzi. Dopiero luminofor na wewnętrznej ściance rurki pochłania to promieniowanie i oddaje je jako światło widzialne.

Ciepło nie jest tu pośrednikiem, dlatego świetlówki jako grupa osiągają skuteczność od 75 do 100 lm/W, kilka razy więcej niż żarówka. Kosztem jest układ elektroniczny w trzonku, który zapala wyładowanie i ogranicza prąd.

Z tej budowy wynikają cechy znane z codziennego używania. Ciśnienie par rtęci ustala się dopiero po nagrzaniu rurki. W efekcie świetlówka rozjaśnia się z opóźnieniem. Każdy zapłon zużywa też warstwę emisyjną elektrod. Dlatego częste włączanie skraca trwałość, deklarowaną zwykle na kilka do kilkunastu tysięcy godzin.

Rtęci jest w świetlówce tyle, że liczy się ją w miligramach. Pozostaje ona zamknięta w szkle, dopóki rurka jest cała. Świetlówka jest zużytym sprzętem elektrycznym. Zwykła żarówka nim nie jest. Od tego zależy miejsce, gdzie wyrzucać zużyte żarówki.

Żarówka LED

Dioda LED świeci dzięki elektroluminescencji. Prąd płynący przez złącze półprzewodnikowe łączy elektrony z dziurami. Każde takie połączenie może uwolnić foton. Materiał nie musi się rozgrzewać, żeby świecić. Barwę światła wyznacza rodzaj półprzewodnika.

Z uzasadnienia naukowego Nagrody Nobla wynika, że biała dioda to zwykle niebieski chip pobudzający luminofor. Luminofor świeci na zielono i czerwono, a razem z niebieskim daje to wrażenie bieli. Ten element LED ma wspólny ze świetlówką. Przy zamianie fali krótszej na dłuższą część energii zawsze przechodzi w ciepło.

Czy LED zamienia więc prawie całą energię w światło? Nie. Część energii zostaje w lampie jako ciepło. W chwili przyznania Nobla rekord skuteczności białej diody wynosił nieco ponad 300 lm/W. Był to wynik rekordowy, a nie typowa wartość domowej żarówki LED. W żarniku ciepło ucieka na zewnątrz jako podczerwień. W diodzie wydziela się ono w samym złączu.

Od tego ciepła zależy trwałość. Przegrzane złącze traci jasność szybciej niż dobrze chłodzone, dlatego żarówka LED ma w obudowie radiator. Bywa, że jako pierwszy psuje się zasilacz w trzonku, który zamienia napięcie sieci na prąd stały dla diod. Deklarowane kilkanaście do kilkudziesięciu tysięcy godzin dotyczy więc lampy z dobrym chłodzeniem i sprawnym zasilaczem.

Kto wynalazł żarówkę – Łodygin, Swan czy Edison?

Świecący żarnik znano na długo przed Edisonem, więc odpowiedź zależy od tego, co uznamy za wynalazek. Przełomem nie było samo świecenie, tylko żarówka trwała i opłacalna, która mogła zastąpić lampę naftową i gazową. W świetle analizy patentu Edisona jego zastrzeżenia nie obejmują nawet samego żarnika węglowego. Lampy z węglem zbudowało kolejno trzech wynalazców:

• Aleksander Łodygin – w 1872 r. zbudował lampę z dwoma prętami węglowymi w szczelnym naczyniu z azotem, opatentowaną w Rosji w 1874 r.
• Joseph Wilson Swan – w 1878 r. pokazał lampę z prętem węglowym w bańce bez powietrza. Od 1881 r. jego żarówki świeciły na co dzień w Londynie.
• Thomas Edison – w 1879 r. połączył cienki żarnik z nawęglonej nici, wysoką próżnię i dużą rezystancję, dzięki czemu lampę dało się zasilać z elektrowni.

Węgiel był jednak materiałem przejściowym. Na początku XX wieku zastąpił go wolfram, który znosi wyższą temperaturę. Wkrótce potem bańki zaczęto wypełniać gazem, jak opisano w części o budowie żarówki.

Co z żarówki Edisona przetrwało w dzisiejszych lampach?

Z lamp Edisona przetrwał przede wszystkim gwint. Skąd na opakowaniu żarówki LED oznaczenie E27? Litera E pochodzi od nazwiska Edison. Liczba 27 to średnica gwintu w milimetrach. Według tej samej zasady oznacza się mniejszy trzonek E14.

Sam patent Edisona w Archiwach Narodowych USA ma numer 223,898 i został przyznany 27 stycznia 1880 r. Gwintu nie było w tym patencie. W lampach Edisona pojawił się on nieco później jako sposób na szybkie wkręcanie do oprawy.

Technologia świecenia zmieniła się całkowicie, od rozżarzonego węgla do diody z luminoforem. Żarówkę LED w bańce A60, czyli klasycznej gruszce o średnicy 60 mm, wkręca się jednak do oprawy tak samo jak lampę z czasów Edisona.