ŽIAROVKA                                                                                                                                                           ÚVOD

 

 

Fyzikálne javy:  Svetlo

Didaktické použitie (ročník, tématický celok, téma):

6. ročník ZŠ; ELEKTRICKÝ OBVOD; Elektrický prúd v kovoch

2. ročník SŠ; ELEKTRICKÉ POLE, ELEKTRICKÝ PRÚD; Elektrický prúd v látkach

4. ročník SŠ; VLNENIE; Svetlo

História  a princíp činnosti:

Azda najpoužívanejším elektrickým spotrebičom je žiarovka, ktorá je tepelným zdrojom tepla.

Prvým svetelným zdrojom, ktorý sa človek naučil používať, bol oheň. Používali sa sviečky, kahany, neskôr petrolejky.

Napriek svojim výhodám petrolejka postupne strácala svoje dominantné postavenie. Začalo to v dobách, keď sa hlásil na svet veľký vynález – automobil. Bolo potrebné nájsť svetelný zdroj, ktorý by umožnil cestovanie aj v noci. A tak sa zrodilo svetlo acetylénové.

Skutočný rozvoj plynového osvetlenia umožnila až výroba svietiplynu (z dreva alebo z čierneho uhlia). Nezávisle na sebe sa tu objavujú 2 mená Wiliam Murdock  Philippe Lebon.

Neskôr, chemik Davy pri svojich pokusoch objavil, že platinový drôtik, ktorým prechádza elektrický prúd, sa rozžhaví a svieti. Neskôr zistil, že medzi dvoma hrotmi zuhoľnateného dreva (uhlíkovými elektródami) vznikne po zavedení elektrického prúdu oblúk, ktorý svieti. Oblúkové lampy však mali stále jednu veľkú nevýhodu – pomerne krátka životnosť elektród

                                                                                                zarovka2.jpg (4150 bytes)

                                                                                                                Oblúková lampa

Potom už nastúpila žiarovka. Dnešná žiarovka sa vyvíjala  postupne. Dňa 21. októbra 1879 svietila žiarovka T. A. Edisona   (1847-1931)  45 hodín, kým sa zničila. Edisonov význam je hlavne v tom, že prepracoval pokusmi nielen žiarovku, ale aj všetko potrebné k jej praktickému využitiu, teda úpravu výroby prúdu, siete, poistky, vypínače, objímky a ich oblý závit, svorky ...

Neskôr sa začali používať kovové vlákna z tantalu, osmia a wolfrámu. Aby vlákno nezhorelo, je vo vzduchoprázdnej sklenej banke. U starších žiaroviek sa kov z vlákna vyparoval. Až v roku 1913 bolo objavené, že ak sa naplní banka neutrálnym plynom, vydrží vlákno dlhšie. Aby boli čo najmenšie tepelné straty, je vlákno zvinuté do špirálok. Tým sa značne zvýšila svietivosť žiaroviek. Aj napriek tomu žiarovka mení asi 90% elektrickej energie na teplo a len 10% na svetlo. Preto hľadajú vynálezcovia stále nové spôsoby osvetlenia. Modernejšie sú žiarivky, dávajúce svetlo podobné dennému.

Hlavnou časťou je žeraviace vlákno (wolfrámové) v tvare špirály. Prúd prechádzajúci týmto vláknom ho rozžeraví až na teplotu 3 000 K, pri ktorej vyžaruje vlákno značné množstvo energie vo forme viditeľného svetla. Zvýšenie teploty nad 3 500 K vedie k roztaveniu wolfrámu, t.j. k prepáleniu vlákna.

Volfrám sa používa práve preto, že má veľmi vysokú teplotu topenia . Banka je naplnená plynom, spravidla argónom, aby kovové vlákno neprichádzalo do styku s horľavým kyslíkom zo vzduchu, ktorý by rozžeravené vlákno okamžite spálil. Plyn je v banke zvyčajne pod podtlakom.

                                                                               zarovka6.jpg (10983 bytes)

                                                                                      Edison vo svojom laboratóriu

         

                                                             

                                                                                  

V domácnosti, kde je sieť 220 V sa žiarovky zapájajú paralelne ( vedľa seba). Za sebou sa zapájajú len reklamné žiarovky, alebo žiarovky na vianočnom stromčeku.

  

 

                                               

                                                                                    Rôzne druhy žiaroviek

 

Motivačné otázky:

Prečo sa vlákno žiarovky rozžeraví dobiela, ale prívodné vodiče zostanú studené?

Produkcia tepla vo vodiči je určená výkonom prúdu podľa vzťahu P = RI2 . Pre sériovo spojené prvky ( vlákno žiarovky a vodiče) je teda výkon prúdu priamo úmerný veľkosti ich elektrického odporu.

(Elektrický prúd v kovoch)

Prečo sa vlákno žiarovky prepáli? V ktorom mieste k tomu dojde?

 Je to spôsobené sublimáciou rozžeraveného materiálu vlákna. V najtenšom mieste sa prechodom elektrického prúdu zvlášť silno zahrieva a sublimuje, až dojde k jeho prerušeniu.

(Elektrický prúd v kovoch)

Wolfrámové vlákno sa najľahšie prepáli tam, kde je najtenšie. Ide o to, že čím je vlákno v danom mieste tenšie, tým väčší tam má odpor. Celým vláknom prechádza prúd I = U/R, kde U je vonkajšie napätie a R je celkový odpor vlákna. Elektrický výkon v danom malom úseku vlákna je pri tomto prúde P = r . I2  , kde r je odpor tohto tohto malého úseku. Vidíme, že výkon a tým aj uvoľňované teplo je úmerné odporu v danom mieste, t.j. nepriamo úmerné hrúbke vlákna. Čiže najtenšie miesta sa zohrievajú najviac [21].

Čo môže spôsobiť prepálenie vlákna žiarovky? Vysoké napätie alebo veľký prúd?

 Vlákno žiarovky zhorí v dôsledku veľkého množstva tepla, ktoré sa v žiarovke uvoľní za jednotku času. Ináč povedané, v dôsledku náhleho zvýšenia elektrického výkonu. Zvýšenie elektrického výkonu môže byť dôsledkom zmeny rôznych faktorov: napätia na žiarovke, prúdu tečúceho vláknom žiarovky alebo odporu žiarovky.

Ak si zopakujeme známe vzorce pre elektrický výkon, ktorý vzniká na nejakom odpore R :

P = (V1 – V2 ) I

P = I2 R

P = (V1 – V2 )2 / R

kde P je elektrický výkon na odpore R, V1 – V2 = U je rozdiel potenciálov na koncoch odporu a I je prúd, ktorý tečie daným odporom.

Všetky tri vzorce sú ekvivalentné, pretože použitím Ohmovho zákona možno upraviť jeden na druhý. Ekvivalentnosť týchto vzorcov súčasne poukazuje na skutočnosť, že pri riešení dôvodu prepálenia žiarovky nemožno oddelene uvažovať prúd alebo napätie, ale je nutné brať do úvahy súčasne všetky tri veličiny : prúd, napätie aj elektrický odpor  [22].

Prečo sa vlákno žiarovky najčastejšie prepáli v okamihu zapínania prúdu?

Pri zapnutí je ešte nízka teplota vlákna, vlákno má menší elektrický odpor, a preto ním preteká väčší prúd ako neskôr [5].

(Elektrický prúd v kovoch)

Ak sa prepáli vlákno elektrickej žiarovky, často pri tom „vyhodí poistky“. Prečo?

 V mieste prepálenia (roztavenia) vlákna dochádza okamžite ku vzniku elektrického oblúku, ktorého „elektródy“ sa ďalej tavia. Ako sa odporové vlákno tavením skracuje, klesá jeho elektrický odpor a rastie prúd prechádzajúci žiarovkou z pôvodných          0,5 A až nad 10 A.

(Elektrický prúd v rôznych látkach)

Keď sa prepáli vlákno žiarovky, je často banka žiarovky zvnútra akoby začmudená. Prečo?

Pri prepálení vlákna dochádza vo vzniknutej medzierke ku vzniku elektrického výboja, ktorý konce vlákna zahreje na takú vysokú teplotu, že dochádza k intenzívnemu vyparovaniu wolfrámu, ale hneď k jeho následnej desublimácii na relatívne chladnej stene sklenenej banky.

(Elektrický prúd v rôznych látkach)

Ak sa pozeráme prižmúrenými očami na rozžeravené vlákno žiarovky, zdá sa nám, že vlákno je lemované svetlými okrajmi. Vysvetlite.

Dochádza k ohybu svetla na mihalniciach a úzko otvorených viečkach.

Vzniká difrakcia na štrbine, ktorú vytvorili viečka prižmúreného oka a difrakcia na mriežke, ktorú vytvorili mihalnice.

(Vlnové vlastnosti svetla, Difrakcia svetla)