Żarówka jest jednym z najbardziej ikonicznych wynalazków w historii nauki. Jej opracowanie rozpoczęło drogę do elektryfikacji naszego świata. W jaki sposób działa? Jaką ma historię?
Co się dzieje w żarówkowym druciku?
W żarówkach zostało wykorzystane zjawisko inkadescencji, które polega na tym, że gdy ciało stałe jest podgrzewane do określonej temperaturze, to zaczyna ono emitować fotony. Ciało rozgrzane do temperatury 500°C zaczyna wysyłać fotony wywołujące wrażenia wzrokowe. Wraz ze wzrostem temperatury zmienia się barwa światła. Na przykład w temperaturze od 600°C do 700°C rozgrzane ciała żarzą się na czerwono, a od 1000°C do 1100°C ciała świecą na żółto.
W żarówce przez dwa zwinięte śrubowo druciki przepływa prąd elektryczny, który powoduje rozgrzanie włókna wolframowego do temperatury około 2800 kelwinów – czyli 2527 stopni Celsjusza.
W takiej temperaturze żarówka o mocy 100 W w ciągu jednej sekundy wypromieniowuje tryliard fotonów – liczbowo można to zapisać jako 1 000 000 000 000 000 000 000 fotonów. Tylko 5 procent z nich to światło widzialne, a bardzo niewielka część to promieniowanie ultrafioletowe. Reszta to jest prawie 95% to niewidzialne promieniowanie podczerwone, które możemy odczuć w postaci ciepła, którego źródłem jest żarówka. Już z tych danych można zauważyć, że udział światła widzialnego w promieniowaniu żarówki jest bardzo mały. Ich sprawność, jako źródeł światła to około 5%.
Jak idea zamieniła się w wynalazek?
Praktycznego wykorzystania zjawiska polegającego na wytwarzaniu światła z energii elektrycznej podjęło się wielu wynalazców. Początek XIX wieku był czasem bogatym w coraz to nowe pomysły budowy tego typu urządzeń. Konstrukcje te opierały się na wykorzystaniu szklanej bańki, w której znajdował się żarnik, to jest drucik wykonany z metalu o wysokiej temperaturze topnienia.
Jedną z pierwszych żarówek, która się nie przepalała w szybkim czasie, była konstrukcją Warrena De la Rue, brytyjskiego wynalazcy. W 1840 roku skonstruował żarówkę zbudowaną z platynowego żarnika umieszczonego w szklanej, próżniowej bańce. Jego konstrukcja opierała się na platynie, ponieważ ta ma bardzo wysoką temperaturę topnienia, co pozwalało na dłuższą pracę. Takie zadanie miało również zastosowanie próżni, która nie pozwalała platynie zachodzić w reakcję z pierwiastkami znajdującymi się w powietrzu.
Żarówka Warrena de la Rue działała już nawet kilkanaście godzin, co było czymś niezwykłym jak na tamte czasy, jednak ze względu na zastosowanie platyny była bardzo droga w produkcji, a przez to niepraktyczna. Problem wydłużenia działania żarówki rozwiązali niezależnie dwaj panowie, którzy są obecnie uważani za wynalazców żarówki – Thomas Alva Edison oraz Joseph Wilson Swan.
Jako pierwszy przełomu dokonał Joseph Swan, który w swojej koncepcji jako żarnika nie zastosował drogiej platyny, ale tani, zwęglony papier. Ponadto z biegiem czasu pojawiły się lepsze pompy, które umożliwiały mu wytworzenie próżni o lepszej jakości. Kwintesencją jego pracy było zaprezentowanie wynalazku w 1878 roku w Newcastle. Żarówka Swana została opatentowana w 1880 roku na terenie Wielkiej Brytanii, gdzie następnie została wprowadzona do użytku.
Przenosząc się ze starego kontynentu do Ameryki, spotykamy Edisona, który swoje badania nad żarówkami rozpoczął w 1878 roku i od razu dążył do opatentowania swojego wynalazku, wydłużenia czasu pracy i komercjalizacji urządzenia. Jego konstrukcja nie różniła się w sposób znaczący od prac konkurentów, ale między innymi zastosował trwalszy żarnik węglowy, który umożliwiał pracę nawet przez kilkaset godzin. Innowacyjnym pomysłem Edisona nie była jednak konstrukcja żarnika ani zastosowanie próżni. Zauważył on jeszcze jeden problem, jakim była trudność w znalezieniu odpowiedniego zasilania. Edison stworzył specjalny system zasilania zbudowany z generatora i sieci dystrybucyjnej, pozwalało to na łatwiejszą komercjalizację wynalazku, ale też zapewniało odpowiednio stabilne źródło zasilania, co korzystnie wpływało na żywotność żarówki.
Z biegiem czasu konstrukcje żarówek zostały jeszcze bardziej udoskonalone. Między innymi został zastosowany trwalszy drut żarnikowy, który tak jak w obecnie wykorzystywanych żarówkach jest wykonany z wolframu. Ponadto zmieniono podejście do wypełnienia szklanej bańki, nie wykorzystuje się już próżni, ale mieszankę argonu oraz azotu. Obecnie rynek żarówek się kurczy. Ze względu na ich bardzo małą sprawność zostają wycofywane z rynku, a ich miejsce zastępują LEDY.
W tym miejscu warto zauważyć, że LEDY są błędnie nazywane żarówkami ledowymi. Jak wskazuje sama nazwa, żarówki w swojej konstrukcji posiadają żarnik, natomiast LEDY w swojej budowie nie mają żarnika i wykorzystują inne zjawisko emisji światła, to jest elektroluminescjencję.
Źródła:
[1] – mcwoods.online (zdjęcie nr 2)
