Żarówki ACME

Przed wynalezieniem żarówki oświetlanie świata po zachodzie słońca było trudnym, żmudnym i niebezpiecznym zadaniem. Potrzeba było kilku świec lub pochodni, aby w pełni oświetlić spory pokój, a lampy oliwne, choć dość skuteczne, pozostawiały resztki sadzy na wszystkim w ich pobliżu. Kiedy nauka o elektryczności naprawdę się rozwinęła w połowie XIX wieku, wynalazcy na całym świecie domagali się opracowania praktycznego, niedrogiego elektrycznego urządzenia oświetleniowego do domu. Anglik (Sir Joseph Swan) i Amerykanin (Thomas Edison) zrozumieli to w tym samym czasie (odpowiednio w 1878 i 1879 roku) i w ciągu 25 lat miliony ludzi na całym świecie zainstalowały elektryczne oświetlenie w swoich domach. Łatwa w użyciu technologia była takim ulepszeniem w stosunku do starych metod, że świat już nigdy nie oglądał się za siebie - rozwijał się coraz szybciej i bardziej. Niesamowite w tym historycznym obrocie wydarzeń jest to, że sama żarówka nie może być prostsza . Nowoczesna żarówka, która nie zmieniła się drastycznie od czasu powstania modelu Edisona, składa się tylko z kilku części. W tym artykule zobaczymy, jak te części łączą się, tworząc jasne światło, które świeci wokół nas lub nad naszymi głowami przez wiele, wiele godzin. Zacznijmy od podstaw. 

Światło jest formą energii, którą może uwolnić atom. Składa się z wielu małych, przypominających cząstki pakietów, które mają energię i pęd, ale nie mają masy. Te cząstki, zwane fotonami , są najbardziej podstawowymi jednostkami światła. Atomy uwalniają fotony światła, gdy ich elektrony stają się wzbudzone. Jeśli wiesz jak działają atomy, to z pewnością doskonale zdajesz sobie sprawę z tego, że elektrony to ujemnie naładowane cząstki poruszające się wokół jądra atomu (które ma dodatni ładunek netto). Elektrony atomu mają różne poziomy energii, które są zależne od kilku czynników, w tym prędkości i odległości od jądra. Elektrony o różnych poziomach energii zajmują różne orbitale. Ogólnie mówiąc, elektrony o większej energii poruszają się po orbitalach dalej od jądra. Kiedy atom zyskuje lub traci energię, zmiana jest wyrażana ruchem elektronów. Kiedy coś przekazuje energię atomu, elektron może chwilowo zostać pobudzony na wyższy orbital (dalej od jądra). Elektron utrzymuje tę pozycję tylko przez ułamek sekundy i niemal natychmiast wraca do jądra, na swoją pierwotną orbitę. Długość fali emitowanego światła (która decyduje o jego kolorze) zależy od ilości uwolnionej energii, która zależy od konkretnego położenia elektronu. W konsekwencji różne rodzaje atomów będą uwalniać różne rodzaje fotonów świetlnych. Innymi słowy, kolor światła zależy od rodzaju wzbudzonego atomu. To podstawowy mechanizm działający w prawie wszystkich źródłach światła. Główną różnicą między tymi źródłami jest proces wzbudzania atomów.

Żarówki mają bardzo prostą konstrukcję. U podstawy mają dwa metalowe styki, które łączą się z końcami obwodu elektrycznego. Metalowe styki są przymocowane do dwóch sztywnych drutów, które są przymocowane do cienkiego metalowego włókna. Żarnik znajduje się pośrodku żarówki, podtrzymywany przez szklany uchwyt. Druty i żarnik są umieszczone w szklanej bańce wypełnionej gazem obojętnym, takim jak argon. Gdy żarówka jest podłączona do źródła zasilania, prąd elektryczny przepływa od jednego styku do drugiego, przez przewody i żarnik. Prąd elektryczny w stałym przewodniku to ruch masowy swobodnych elektronów (elektronów, które nie są ściśle związane z atomem) z ujemnie naładowanego obszaru do dodatnio naładowanego obszaru. Gdy elektrony przemykają przez włókno, nieustannie wpadają na atomy tworzące włókno. Energia każdego uderzenia wibruje atom - innymi słowy, prąd podgrzewa atomy. Cieńszy przewodnik nagrzewa się łatwiej niż grubszy, ponieważ jest bardziej odporny na ruch elektronów. 

Związane elektrony w wibrujących atomach mogą zostać chwilowo wzmocnione do wyższego poziomu energii. Kiedy wracają do swojego normalnego poziomu, elektrony uwalniają dodatkową energię w postaci fotonów. Atomy metali uwalniają głównie fotony światła podczerwonego, które są niewidoczne dla ludzkiego oka. Ale jeśli zostaną podgrzane do wystarczająco wysokiego poziomu - około 2200 stopni C w przypadku żarówki - będą emitować dużo światła widzialnego. Żarnik żarówki jest wykonany z długiego, niewiarygodnie cienkiego kawałka wolframu. W typowej 60-watowej żarówce żarnik wolframowy ma około 6,5 stopy (2 metry) długości, ale tylko jedną setną cala grubości. Wolfram jest ułożony w podwójną cewkę, aby wszystko zmieściło się na małej przestrzeni. Oznacza to, że włókno jest nawijane, aby utworzyć jedną cewkę, a następnie ta cewka jest nawijana, aby utworzyć większą cewkę. W 60-watowej żarówce cewka ma mniej niż cal długości. Wolfram jest używany w prawie wszystkich żarówkach, ponieważ jest idealnym materiałem żarnikowym. Za chwilę dowiemy się, dlaczego tak jest, i zbadamy rolę szklanej bańki i gazu obojętnego.

Jak przed chwilą czytaliśmy, metal musi zostać podgrzany do ekstremalnych temperatur, zanim wyemituje użyteczną ilość światła widzialnego. Większość metali w rzeczywistości topi się przed osiągnięciem tak ekstremalnych temperatur - wibracja rozerwie sztywne wiązania strukturalne między atomami, tak że materiał stanie się płynny. Żarówki są produkowane z włókien wolframowych, ponieważ wolfram ma nienormalnie wysoką temperaturę topnienia. Ale wolfram może także wywołać pożar w tak wysokich temperaturach, oczywiście jeśli warunki są do tego są odpowiednie. Spalanie jest spowodowane reakcją między dwoma chemikaliami, która jest wyzwalana, gdy jeden z chemikaliów osiągnie temperaturę zapłonu. Na ziemi spalanie jest zwykle reakcją między tlenem w atmosferze a pewnym ogrzanym materiałem, ale spalają się również inne kombinacje chemikaliów. Żarnik żarówki jest umieszczony w szczelnej komorze beztlenowej, aby zapobiec spalaniu. W pierwszych żarówkach całe powietrze zostało wyssane z żarówki, aby wytworzyć prawie próżnię - obszar, w którym nie ma żadnych substancji. Ponieważ nie było żadnych substancji gazowych (lub prawie żadnych), materiał nie mógł się spalić. 

Problem z tym podejściem polegał na parowaniu atomów wolframu. W tak ekstremalnych temperaturach od czasu do czasu atom wolframu wibruje na tyle, aby oderwać się od otaczających go atomów i wzbił się w powietrze. W żarówce próżniowej wolne atomy wolframu wystrzeliwują w linii prostej i zbierają się po wewnętrznej stronie szkła. W miarę wyparowywania coraz większej liczby atomów włókno zaczyna się rozpadać, a szkło zaczyna ciemnieć. Znacznie zmniejsza to żywotność żarówki. W nowoczesnej żarówce gazy obojętne, zwykle argon, znacznie zmniejszają tę utratę wolframu. Kiedy atom wolframu wyparuje, istnieje prawdopodobieństwo, że zderzy się z atomem argonu i odbije się z powrotem w kierunku włókna, gdzie ponownie połączy się ze stałą strukturą. Ponieważ gazy obojętne zwykle nie reagują z innymi pierwiastkami, nie ma szans na połączenie pierwiastków w reakcji spalania. Tania, skuteczna i łatwa w użyciu żarówka okazała się potwornym sukcesem. Nadal jest to najpopularniejsza metoda doprowadzenia światła do naszych domów i przedłużenia dnia po zachodzie słońca. Ale wszystko wskazuje na to, że ostatecznie ustąpi miejsca bardziej zaawansowanym technologiom, ponieważ jak się okazuje nie jest zbyt wydajna - zwłaszcza przy aktualnych cenach za prąd. 

Żarowe żarówki oddają większość swojej energii w postaci przenoszących ciepło fotonów światła podczerwonego - tylko około 10 procent wytwarzanego światła znajduje się w widmie widzialnym. To marnuje dużo energii elektrycznej. Chłodne źródła światła , takie jak świetlówki i diody LED, nie marnują dużej ilości energii wytwarzającej ciepło - emitują głównie światło widzialne. Z tego powodu powoli wycofują starą niezawodną żarówkę. Dodatkowo warto wiedzieć, że żarówki są uszeregowane według ich mocy - ilości światła, jakie emitują w określonym przedziale czasu (mierzonej w watach). Żarówki o większej mocy mają większy żarnik, dzięki czemu wytwarzają więcej światła. Trójdrożny lampy ma dwa włókna o innej mocy - typowo włókna 50 wat i włókno 100 wat. Żarniki są podłączone do oddzielnych obwodów, które można wstępnie zamknąć specjalnym trójdrożnym gniazdem. Włącznik w trójdrożnym gnieździe pozwala wybrać jeden z trzech różnych poziomów oświetlenia. Na najniższym poziomie przełącznik zamyka tylko obwód dla żarnika 50-watowego. Dla średniego poziomu światła przełącznik zamyka obwód 100-watowego żarnika. Aby uzyskać najjaśniejszy poziom, przełącznik zamyka obwody obu żarówek, więc żarówka działa z mocą 150 watów.

Żarówka, która oświetla nasze domy od XIX wieku,już powoli popada w zapomnienie. Nieefektywne żarówki, które tracą większość swojej energii w postaci ciepła, wypadły z łask zainteresowanych finansowo i ekologicznie. Podstawowym zamiennikiem żarówki żarowej jest energooszczędna świetlówka kompaktowa o wyższej wydajności, czyli CFL. Jednak CFL ma swoje własne problemy, przede wszystkim toksyczna rtęć w jej środku i dziwny, czasami nieprzyjemny kolor, który nawet przyprawia niektórych ludzi o bóle głowy. Inaczej jest w przypadku diod LED. Diody LED są używane od wielu lat - zapalają zegary cyfrowe, lampki choinkowe, latarki i sygnalizatory świetlne, a także informują o nowej wiadomości głosowej na telefonie komórkowym. Ale jeśli chodzi o oświetlenie domowe, diody LED nigdy się tak naprawdę nie miały szans rozwinąć - w sensie kilkanaście lat temu. Pewne wady powstrzymywały firmy przed produkowaniem ich w postaci standardowych żarówek o rozmiarze zamiennym.

Jednak w ciągu ostatnich kilku lat te zamienne żarówki LED, takie, które po prostu wkręca się w lampę, tak jak zwykłą żarówkę, stały się znacznie bardziej powszechne - to znaczy spora liczba firm i gospodarstw domowych zaczyna z nich korzystać, co jest dobre nie tylko ze względów finansowych, ale również - a może przede wszystkim - ekologicznych. W pewnym sensie żarówki LED to doskonała technologia. Jednak wciąż mają przed sobą wiel do zrobienia, zanim staną się preferowaną żarówką przeciętnego Kowalskiego w polskim domu - w sensie żarówką o wyższej wydajności. Zaraz dowiemy się, dlaczego. Przyjrzymy się, jak działają, dlaczego są pożądanym obecnie wyborem oświetlenia dla milionów ludzi na świecie, ale także co będzie musiało się zmienić, zanim reszta z nas zacznie ich używać w naszych lampkach nocnych. Zacznijmy od podstaw - w jaki sposób dioda LED wytwarza światło?

Dioda LED to tak zwana technologia „półprzewodnikowego oświetlenia” lub SSL. Zasadniczo zamiast emitować światło z próżni (jak w żarówce) lub gazu (jak w CFL), SSL emituje światło z kawałka stałej materii. W przypadku tradycyjnej diody LED tym kawałkiem materii jest półprzewodnik. Mówiąc bardzo prosto, dioda LED wytwarza światło, gdy elektrony poruszają się w jej strukturze półprzewodnikowej. Półprzewodnik składa się z dodatnio naładowanego i ujemnie naładowanego elementu. Warstwa dodatnia ma „dziury” - otwory na elektrony, a w warstwie ujemnej unoszą się wolne elektrony. Gdy ładunek elektryczny uderza w półprzewodnik, aktywuje przepływ elektronów z warstwy ujemnej do dodatniej. Te wzbudzone elektrony emitują światło, wpływając do dodatnio naładowanych dziur. (Aby uzyskać pełne wyjaśnienie, zobacz Jak działają diody elektroluminescencyjne). 

Problem z diodami LED jako podstawowym oświetleniem domu polega na tym, że chociaż emitują dużo światła, konstrukcja diody LED powoduje, że część tego światła zostaje uwięziona w środku. Tak więc żarówka LED jest tradycyjnie ciemniejsza niż zwykła żarówka, a większość ludzi chce, aby ich lampy i oprawy sufitowe były dość jasne. Ostatnio jednak żarówki LED pojaśniały. Obecnie można znaleźć zamienne żarówki LED, które emitują światło równoważne 60-watowej żarówce, co czyni je realną technologią spełniającą podstawowe potrzeby w zakresie oświetlenia w domu. W pewnym sensie są one bardziej niż opłacalne - zamienna żarówka LED o nazwie EkoBubl emituje ekwiwalent 60-watowego światła, pobierając 7,5 wata mocy. Z innych względów mniej niż opłacalna - 60-watowa żarówka LED kosztuje dużo więcej od zwykłej, ale zważywszy na oszczędności jakie daje oraz jaka jest jej żywotność zakup ten szybko się zwróci. A to prowadzi nas do wymiany zalet korzystania z żarówek LED. Jakie są to zalety?

Niektóre żarówki LED mogą działać do 50000 godzin. Chociaż w dzisiejszych czasach nie znajdziesz diod LED w zbyt wielu domowych oprawach oświetleniowych, istnieje kilka dobrych powodów, aby to zmienić. Po pierwsze, zmniejszone zużycie energii. Metoda wytwarzania światła wykorzystująca diody LED powoduje straty energii na ciepło o wiele mniej niż inne technologie oświetleniowe. Jest znacznie bardziej wydajna niż metoda próżniowa / filamentowa stosowana w żarówkach - czasami o około 85 procent bardziej wydajna i jest nawet o około 5 procent bardziej wydajna niż metoda lampy plazmowej CFL. Pojedyncza oprawa oświetleniowa zaopatrzona w 60-watową żarówkę zużywa około 525 kWh energii elektrycznej rocznie. Wystarczy użyć żarówki LED w tej samej oprawie oświetleniowej, a roczne zużycie energii będzie wynosić około 65 kWh. Poza tym, roczna redukcja CO 2 wynosi setki kilogramów na jedną lampę. Ale efektywność energetyczna to tylko część historii. Druga część to oszczędność czasu, czyli żywotność takiej żarówki. Może minąć 20 lat bez konieczności wymiany żarówki LED. Lampy półprzewodnikowe, takie jak diody LED, są bardziej stabilnymi źródłami światła niż żarówki żarowe lub fluorescencyjne, a różnica jest zaskakująca, ponieważ typowa żarówka ma żywotność około 750 godzin, a typowa żarówka LED może świecić przez 30 000 godzin.