O příspěvku
PDF ke staženíPříběh žárovky
Klasická žárovka je zdrojem světla, který je přes prostý princip funkce konstrukčně velmi náročný. Několika jednoduchými experimenty prováděnými převážně s běžnými klasickými žárovkami můžeme ukázat, co vše musel Edison a jeho kolegové zvládnout, aby žárovka dokázala poskytovat lidstvu světlo až do dnešních dnů.
Historie žárovky
Doba vzniku žárovky
V obecném povědomí převládá jako fakt, že jediným objevitelem žárovky je Thomas Alva Edison. Skutečnost však byla složitější. Historické pozadí vzniku žárovky je zajímavým příběhem, který dává do souvislostí partie fyziky na školách často probírané zcela odděleně.
Edison představil své dva nejslavnější patenty v letech 1879 a 1880. Nic z toho by však nebylo možné bez mnohem nenápadnějšího objevu v počátku 19. století. V roce 1800 totiž probíhala dlouhá odborná rozepře mezi Alessandro Voltou a Luigi Galvanim.
Galvani tvrdil, že objevil živočišnou elektřinu, tedy v podstatě přišel na to, co je to život. Volta oponoval tím, že elektřina, kterou Galvani pozoruje a měří, vzniká reakcí mezi přiloženými kovovými vodiči a studovanou tkání. Proto se pokusil zkonstruovat zdroj takové elektřiny, který by žádnou živou tkáň neobsahoval.
Kombinací zinkových a měděných elektrod proložených tkaninou nasáklou slanou vodou se mu podařilo vytvořit první elektrochemickou baterii. A uvědomil si také, že tyto baterie může řetězit za sebou. V roce 1800 tak představil vědeckému světu první Voltův sloup – zařízení, které bylo schopné dodávat do té doby nepředstavitelné proudy po nepředstavitelnou dobu. Voltův sloup otevřel cestu ke zcela novému směru fyzikálního bádání a umožnil také objev žárovky.
Sir Humphry Davy
Objevitelem principu, na kterém žárovka funguje, totiž že průchodem proudu se vodič zahřívá, a je-li jeho teplota dostatečně vysoká, začne vyzařovat světlo ve viditelné oblasti, je sir Humphry Davy. Pro veřejnost je to dnes již téměř neznámé jméno, ačkoliv Davy byl největším vědcem své doby. Zaměřením byl spíše chemik, ale Voltův sloup byl pro něj velmi slibným zařízením. Do své laboratoře získal největší Voltův sloup na světě – měl dva tisíce párů elektrod. Takto silný zdroj mu umožnil objevovat nové chemické prvky, mezi jinými draslík, vápník nebo baryum.
Nové chemické prvky objevoval převážně elektrolýzou různých roztoků a tavenin. Když ve své laboratoři zkusil přiložit k Voltovu sloupu platinový plíšek, pozoroval, že tento plíšek začal svítit jasným viditelným světlem. Davy jakožto chemik na tento objev nijak nenavázal, ale objevil zcela novou cestu jak vyrobit světlo, aniž by muselo docházet k hoření materiálu.
Edisonovy patenty
Thomas Alva Edison byl především úspěšným podnikatelem. O řadu patentů, pod kterými je podepsán, se zasloužili spíše pracovníci jeho laboratoří. Edison viděl komerční potenciál elektřiny, která v době Humphry Davyho byla spíše předmětem zkoumání vědeckých společností. Aby mohl Edison elektřinu prodávat, musel vytvořit kromě produktu také celý trh. Mezi jeho patenty tak najdeme i tak běžné věci, jako vypínač, pojistku, paralelní zapojení a podobně. Kromě samotné žárovky také navrhl patici, jejíž tvar se do dneška prakticky nezměnil. Edison také postavil první elektrárny.
Aby si potenciální zákazníci, a v té době šlo spíše o státní instituce a výrobní podniky než o domácnosti, chtěli koupit žárovku, musela vydržet smysluplně dlouho svítit. První Edisonem patentovaná žárovka (z roku 1879) vydržela svítit pouhých 13 hodin. O jediný rok později Edison patentuje žárovku, která vydrží svítit již 1300 hodin. Tak obrovský skok byl zapříčiněn především vhodnou volbou materiálu vlákna a dále náplní baňky žárovky.
Experimenty se žárovkou
Davyho žárovka ve škole
Chceme-li zopakovat Davyho objev, lze to provést i ve školních podmínkách a s běžně dostupným vybavením. Místo platinového plíšku stačí použít grafitovou tuhu do verzatilek tvrdosti HB. Uhlík v tuze vede proud sice špatně, ale přesto vede. Připojíme-li tuhu ke zdroji dostatečného proudu, rozsvítí se a bude trvat poměrně dlouho, než přehoří v závislosti na protékaném proudu.
Jako zdroj proudu se nejlépe osvědčují dva olověné akumulátory o napětí 12 V zapojené do série. Tuha, ačkoliv má velký odpor, je zapojena do zkratu a běžné školní zdroje takový provoz snášejí špatně.
Bezpečnost tohoto experimentu lze dobře zajistit, pokud si uvědomíme několik jeho specifik. Především svítící tuha je velmi horká. Pokud dojde k jejímu roztržení, může způsobit popáleniny tkání či poškození majetku. Přívodní vodiče se také velmi rychle zahřívají na vysokou teplotu, proto je nutné používat žáruvzdorné rukavice a nehořlavou podložku.
Druhou skutečností, na kterou je třeba dát pozor, je samotný materiál tuhy. Do grafitu se totiž při výrobě přidávají různé ztužené tuky a vosky, které mají přispět k dobrému roztírání tuhy o papír. V našem experimentu jsou však zcela nežádoucí, neboť způsobují roztržení tuhy spojené s malou explozí. Horké kousky tuhy jsou pak nekontrolovatelně rozmetány do zhruba metrové vzdálenosti. Tomu lze však snadno zabránit, pokud před použitím z tuhy všechny tyto příměsi vypálíme. Tuhu stačí připojit do zkratu k napětí 12 V a počkat, až z ní přestane mezi kontakty stoupat kouř.
Tuhu je možno vhodným zkrácením délky rozsvítit také při napětí 12 V, nicméně doporučené napětí 24 V stačí na rozsvícení tuhy v celé délce. Pokud dojde k rozlomení horké tuhy, dá se mezi žhavými konci při troše šikovnosti vytáhnout i elektrický oblouk.
Kmity vlákna
Další z experimentů, ke kterému můžeme využít běžnou žárovku, se týká vztahu elektřiny a magnetismu. Je to obdoba Ampérova pokusu, zkoumáme tedy působení statického magnetu na vodič, kterým protéká proud. V uspořádání použijeme žárovku v objímce, jejíž vlákno zaostříme na stínítko tak, abychom získali dobře viditelný zvětšený obraz. Po přiložení silného neodymového magnetu k baňce můžeme pozorovat, že vlákno žárovky začne kmitat. Studenti poté mohou vysvětlit, proč tomu tak je a s jakou frekvencí vlákno nejspíše kmitá.
Pokud experiment natočíme rychloběžnou kamerou, můžeme pozorovat, že největšího jasu dosahuje vlákno žárovky právě v amplitudě kmitu – tedy v bodě obratu. Tam, kde je výchylka největší, působí největší síla a protéká zde i největší proud. Minimálního jasu dosahuje vlákno v rovnovážné poloze, tedy s nulovou výchylkou, kdy na něj působí nulová výsledná síla a protéká jím také nulový proud.
Tato varianta Ampérova pokusu je dobře dostupná i pro provedení samotným žákům, neboť proudy, které zde protékají, jsou od nich dobře izolovány a největší nebezpečí tak představuje horká baňka žárovky.
Odpor vlákna a proud procházející žárovkou
Posledním z netradičních jevů spojených se žárovkou, o kterém tento příspěvek pojednává, je otázka proudu, který žárovkou protéká. Tento jev je dobře patrný zejména u žárovek vysokého výkonu používaných především u filmových a divadelních osvětlovačů.
Obr. 1 - Žárovka o příkonu 5 kW
Na obrázku (Obr. 1) vidíme žárovku o příkonu 5 kW ve velikostním srovnání s běžnou žárovkou. Tato žárovka má být napájena napětím 230 V. Pokud chceme zjistit, jaký proud jí bude procházet, můžeme tuto hodnotu snadno vypočítat ze vztahu pro příkon elektrického proudu. Pro zadané hodnoty dojdeme k hodnotě proudu přibližně 22 A.
Pokud však budeme hledat hodnotu proudu pomocí přiloženého napětí a odporu vlákna žárovky, dojdeme ke zcela jiné hodnotě. Odpor vlákna této žárovky je přibližně 1 Ω. Ze vztahu pro elektrický proud, odpor a napětí tedy docházíme k závěru, že žárovkou má protékat proud 230 A.
Tento rozpor je však zcela v pořádku. Odpor vlákna za studena je skutečně 1 Ω. Po přiložení napětí se však vlákno začne zahřívat a jeho odpor tak začne růst až k hodnotě, při které žárovkou opravdu prochází oněch 22 A. Na tuto skutečnost je třeba pamatovat při rozsvěcení takto silných žárovek v praxi, kde jsou divadelní světla rozsvěcena vždy postupně, nikoliv nárazem. Pokud by došlo k přímému připojení několika studených žárovek k síťovému napětí, proudy, které jimi procházejí, neudrží domovní jistič.
Závěr
Běžné žárovky jsou naštěstí stále dobře dostupným experimentálním materiálem. Princip, na kterém žárovka funguje, je velmi prostý. Samotná konstrukce žárovky není nikterak složitá na pochopení (ačkoliv jde o technologicky velmi náročný proces). Žárovka je jedním z mála elektrických zařízení, které přetrvává po sto třiceti letech v téměř nezměněné podobě a její vlastnosti mohou být využity k experimentální demonstraci jevů ve školské fyzice demonstrovaných jen řídce. Už proto si žárovka zaslouží pozornost při výuce fyziky.