Jestliže se venku setmí, automaticky sáhneme po vypínači a rozsvítíme. Ve světlech a lampách najdeme žárovky nebo zářivky. Než se dostaneme k tomu, jak fungují a jaký je mezi nimi rozdíl, zmíním se ještě krátce o světle, neboť svícení znamená produkci světla.

Světlo

Světlo je elektromagnetické vlnění, které jsme schopni vnímat zrakem. Podobně jako jiné druhy vlnění charakterizujeme i elektromagnetické vlnění vlnovou délkou, či frekvencí. Viditelné světlo má vlnovou délku 390 nm až 760 nm (tomu odpovídají frekvence 7,68.10¹⁴ až 3,95.10¹⁴Hz). Větší vlnové délky odpovídají infračervenému záření, které jsme schopni vnímat jen jako sálající teplo. Elektromagnetické záření o kratší vlnové délce je UV (ultrafialové) záření (viz obr. 1).

Obr. 1 - Přehled elektromagnetického záření

Viditelné světlo má různé barvy. Každá barva odpovídá jiné vlnové délce světla. Světlo složené ze všech vlnových délek vnímáme jako bílé. Naše oko ale obsahuje jen tři receptory, znichž každý je citlivý na jinou barvu. Jeden vnímá červenou, druhý zelenou a třetí modrou barvu. Ostatní barvy pak vnímáme jako směs těchto tří barev vrůzných poměrech. Stačí nám tedy smíchat jen červené, zelené a modré světlo a výsledek vnímáme také jako světlo bílé. Podrobněji je skládání světla rozebráno v článku o fotoaparátech.

Žárovka

Žárovka je skleněná baňka, ve které můžeme vidět stočené tenké vlákno. Toto vlákno je z wolframu a tvoří nejdůležitější součást žárovky. Vlákno se průchodem elektrického proudu zahřívá. Zahřáté těleso vyzařuje elektromagnetické záření. Jistě jste viděli do červena rozpálené topné tělísko nebo jak kovář ková železo rozžhavené do běla. Barva vyzařovaného světla závisí na teplotě tělesa. Při zahřívání tělesa nejprve nepozorujeme žádné vyzařované světlo, cítíme jen teplo. Těleso vyzařuje elektromagnetické záření v infračervené oblasti spektra. Při teplotě asi 600°C se nám začne zdát těleso červené. Při dalším zahřívání, asi na 1300°C, bude již vyzařované světlo bílé.

Jak již bylo řečeno, zahřáté těleso vyzařuje elektromagnetické záření. Složení tohoto záření závisí na teplotě tělesa. Vyzařuje do okolí světlo různých vlnových délek, ale jednotlivé vlnové délky nejsou stejně zastoupeny (mají jinou intenzitu). Vyzařování popisuje Planckův zákon:

H ...... spektrální hustota intenzity vyzařování

h ...... Planckova konstanta, h=6,626.10^-34 J.s

c ...... rychlost světla, c=3.10⁸m.s^-1

l ...... vlnová délka

k ...... Bolzmanova konstanta, k = 1,38.10^-23 J.K^-1

T ...... termodynamická teplota

Spektrální hustota vyzařování vyjadřuje, kolik energie je vyzářeno v podobě záření o dané vlnové délce. Závislost spektrální hustoty na vlnové délce pro několik teplot je znázorněna na grafu 1.

Graf 1 - Závislost spektrální hustoty vyzařování absolutně černého tělesa na vlnové délce a teplotě. Růžová křivka pak ukazuje posouvání maximálně vyzařované vlnové délky s měnící se teplotou.

S rostoucí teplotou je celková vyzářená energie větší, což je vidět ztoho, že roste plocha pod křivkou. Při zvyšování teploty se také posouvá maximum křivky směrem ke kratším vlnovým délkám. Tato maxima se pohybují po hyperbole. Posouvání maxima vyzařování popisuje tzv. Wienův posunovací zákon:

b ...... posunovací konstanta, b=2,8978.10^-3m.K

T ...... termodynamická teplota

l_max ...... vlnová délka s největší intenzitou

Vraťme se zpět k žárovce. Uvnitř žárovky je rozžhavené wolframové vlákno, které má teplotu okolo 2500 °C. Sice pozorujeme bílé světlo, protože je vyzařováno světlo všech barev, maximum vyzařování však neleží ve viditelné části spektra, ale nachází se v oblasti infračervené. Toto záření vnímáme jako teplo. Většina energie tedy není vyzářena jako světlo, ale jako teplo (viz graf 2). Na světlo je přeměněno jen asi 5 % energie.

Graf 2 - Vyzařovaní žárovky, jejíž vlákno má teplotu 3000 K.
Na grafu je vyznačena oblast viditelného světa.

Původně bylo v žárovkách používáno uhlíkové vlákno, ale uhlík nevydrží tak vysoké teploty jako wolfram (přestože se to může zdát divné, protože je teplota tání uhlíku asi o 350 °C vyšší než wolframu, wolfram vydrží vyšší teplotu, neboť je rychlost jeho sublimace menší). Protože s rostoucí teplotou se maximum posouvá blíže k viditelné oblasti spektra, je samozřejmě výhodné zahřát vlákno na vyšší teplotu. Aby se zabránilo shoření vlákna žárovky, není uvnitř baňky přítomen kyslík, který je k hoření nutný. Baňka žárovky je plněna směsí dusíku a argonu nebo jiným inertním plynem, a tak se dosahuje ještě vyšších teplot. Kdybychom dále zvyšovali teplotu, pak bychom snížili životnost žárovky, protože by její vlákno sublimovalo rychleji, až by se přerušilo. Vyrábějí se i žárovky, které vydrží ještě o něco větší teplotu, a tím dosahují větší účinnosti. Jsou to halogenové žárovky.

Když se podíváte na vlákno žárovky, uvidíte, že vlákno je tvořeno jednou nebo dvěma šroubovicemi. To samozřejmě má svůj důvod. Jedná se o opatření ke snížení tepelných ztrát.

Zářivka

Zářivka je tvořena především dlouhou trubicí, která je naplněna směsí rtuťových par a argonu. Na koncích trubice jsou elektrody, které jsou pokryty bariem. Z katody, která je rozžhavena asi na 900 °C emitují elektrony a směřují k opačně nabité anodě. Elektrické pole je urychluje. Díky tomu, že je trubice vakuovaná (tlak uvnitř je asi 400 Pa), je dráha elektronů, než narazí do nějakého atomu, dostatečně dlouhá, aby elektron získal dostatečnou energii k vyražení dalšího elektronu z atomu. Takto dochází k lavinovité ionizaci a vzniká tzv. doutnavý výboj. Na ionizaci se samozřejmě mohou podílet i takto vzniklé kladné ionty, které se pohybují opačným směrem. Jejich hmotnost je ale větší, a tak je jejich střední volná dráha menší. Navíc podle zákonů zachování hybnosti a energie, předá iont při srážce jen polovinu své energii, zatímco elektron téměř celou. Převládá tedy ionizace elektrony.

Někdy energie elektronu nestačí na ionizaci. Elektrony vobalech atomů se mohou nacházet jen na určitých energetických hladinách. Pokud situaci trochu zjednodušíme, můžeme si to představit tak, že se elektrony pohybují po orbitalech kolem jádra. Každému orbitalu odpovídá jistá hodnota energie. Jinde než na některém z orbitalů se elektron nacházet nemůže. Elektronu, který je vzdálenější od jádra, odpovídá vyšší energie než tomu, který je jádru blíže. Když dodáme elektronu energii, která odpovídá rozdílu energií dvou hladin, například nárazem jiného elektronu o dané energii, elektron může přeskočit na vyšší energetickou hladinu (na vzdálenější orbital). O takovém atomu se říká, že je excitován. Atomy ale raději mají nejnižší možnou energii. Proto se elektron zase vrátí na hladinu snižší energií (viz obr. 2). Přebytečnou energii vyzáří v podobě elektromagnetického záření, jehož vlnová délka odpovídá dané energii:

E ...... energie

n ...... frekvence záření

Obr. 2
Vlevo - elektron, který přijal energii, se přesunul na vyšší energetickou hladinu
Vpravo - elektron se vrací na nižší hladinu a vyzáří přebytečnou energii.

Při doutnavém výboji v zářivce vzniká elektromagnetické vlnění o vlnové délce 253 nm, což je ultrafialové záření, které my nevidíme. Na stěnách trubice je ale nanesena luminiscenční vrstva, která toto záření přemění na viditelné světlo. Elektron atomu z luminiscenční vrstvy získá energii z ultrafialového záření, a tak se dostane na vyšší energetickou hladinu. Této energie se ale nemůže zbavit jejím vyzářením a vrátit se zpět, a proto to udělá jinak. Nejdříve přejde jiným nezářivým přechodem na nižší hladinu, ze které se už může vrátit na hladinu základní tím, že energii vyzáří, tentokrát už ve formě viditelného světla.

Obr. 3 Elektron získá od záření energii E₁ a přejde na vyšší hladinu E´₂ = E₁ + E´₁, nezářivým přechodem přejde na hladinu s energií E´₃, potom už se může vrátit na hladinu E´₁ a vyzáří energii E₂ = E´₃ - E´₁

Všechny části trubice zářivky nesvítí stejně. V trubici s doutnavým výbojem se střídají tmavé a světlé části.

Startovací obvod

V zářivkovém světle není ale jen trubice, kterou bychom připojili přímo na síťové napětí. Síťové napětí je příliš malé na to, aby v ní zapálilo doutnavý výboj v trubici. Lineární zářivky mají do obvodu připojen startér a tlumivku (viz obr. 4). Tlumivka je cívka s velkou indukčností a startér je tvořen doutnavkou a kondenzátorem (viz obr. 6). Síťové napětí sice nezapálí výboj v zářivce, ale doutnavka má elektrody blíže k sobě, a tak v ní výboj vznikne. Jedna z elektrod doutnavky je z bimetalu. Při výboji se elektrody zahřívají, proto se začne bimetalová elektroda přibližovat k té druhé, až se elektrody dotknou a výboj zanikne. Proud procházející obvodem jde i přes elektrody zářivky a žhaví je. Kolem elektrod se vytvoří oblak elektronů, ale stále ještě nedojde k výboji. Elektrody doutnavky se ochladí a zase se oddálí. Obvod se přeruší, a proto se na tlumivce indukuje napětí. Na krátkou dobu vzroste na více než 500 V, což stačí na zapálení výboje v zářivce. Potom napětí poklesne, tak že už nestačí k zapálení výboje v doutnavce, ale postačuje na udržení výboje v zářivce. Pokud by nedošlo k zapálení výboje, nacházíme se ve stejné situaci jako na počátku, dochází znovu k zažehnutí výboje v doutnavce a proces se opakuje, dokud se výboj v zářivce nezapálí.

Obr. 4 - Schéma zapojení zářivky

Obr. 5 - Startér

Obr. 6 - Zapojení zářivky

Jak vypadá průběh napětí při zápalu výboje v zářivce, můžeme proměřit.

Druhý kondenzátor, který můžeme vidět na nákresu (viz obr. 4, 5, 6), není pro samotnou činnost zářivky důležitý. Slouží ke kompenzaci tzv. jalového výkonu.

Kompaktní zářivky jsou mnohem složitější. V patici mají komplikovanější obvod, který slouží k nastartování výboje, navíc obvod se liší podle druhu zářivky. Některé modernější kompaktní zářivky mají ve své patici elektronický měnič napájecího napětí, který běží na frekvenci řádově desítky kilohertz. Tyto kompaktní zářivky pak na rozdíl od běžné lineární zářivky neblikají. Běžná zářivka bliká s frekvencí, kterou udává síťové napětí, na které je připojena. Frekvence střídavého napětí v síti je 50 Hz, ale výboj v zářivce se zháší každou půlperiodu, a tak je frekvence blikání dvojnásobná. Při pohledu na zářivku si blikání neuvědomujeme, ale jestliže se budeme dívat na něco co se pohybuje snějakou periodou, uvidíme předmět jen v určitých polohách. Pokud se pohybuje se stejnou frekvencí, jako bliká zářivka, zdá se nám, že předmět stojí. Pokud má frekvenci blízkou, zdá se nám, že se pohybuje jen pomalu. V tom spočívá nebezpečí. V provozech, kde se stroje točí, se zářivka nesmí používat, aby se předešlo úrazům. Tomuto jevu se říká stroboskopický efekt.

Porovnání žárovky a zářivky (Pracovní list)

Použitá literatura