Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Světlo z elektrického oblouku

Světlo z elektrického oblouku
130 let od elektrické svíčky

Oblouková lampa produkuje světlo jiskřením elektrického oblouku, tedy proudu vysoké hodnoty mezi dvěma elektrodami. Elektrody, nejčastěji uhlíkové pruty, se během procesu jiskření pomalu odpařují a pro udržení oblouku je třeba jejich vzdálenost pravidelně nastavovat.

K těmto poznatkům dospěli badatelé již na přelomu 18. a 19. století, a systematičtější pokusy o sestrojení stálého zdroje světla s využitím elektrické energie se proto datují na počátek 19. století.

Poprvé „vědecky„ předvedl elektrický oblouk roku 1810 anglický fyzik Humphry Davy před Royal Institution v Londýně, kdy za použití dvou tisíc článků zinku a mědi vytvořil mezi dvěma dřevěnými uhlíky oblouk délky 8 cm. Uhlíky ale neustále uhořívaly, až na takovou vzdálenost, že se oblouk přerušil. A tak Davyho napadlo uzavřít oba uhlíky do skleněné nádobky, ze které vysál vzduch, a dosáhl sedmnácticentimetrového oblouku.

Pokusy dalších badatelů o vytvoření stálého světelného zdroje v dalších desetiletích nenabyly pro praxi širšího významu. Ke konci 19. století sice již existovaly funkční obloukové lampy, ale byla to většinou technicky složitá zařízení s hodinovým strojem a s elektromagnety, jejichž úkolem bylo udržovat uhořívající uhlíky ve stejné vzdálenosti. Právě udržování potřebné vzdálenosti uhlíků bylo překážkou zjednodušení dosavadních systémů obloukového světla.

Zdroje elektrického napětí druhé poloviny 19. století, ať už dynama (W. Siemens, 1866) nebo galvanické baterie (R. G. Planté, 1859), byly stále poměrně drahé.

Roku 1875 dospěl v Paříži k vynálezu v oboru obloukového světla pronikavého významu ruský technik Pavel Nikolajevič Jabločkov: vyhnul se složitému regulačnímu zařízení a elektrický oblouk rozsvítil mezi dvěma pevnými, souběžnými uhlíkovými pruty. Ty navzájem oddělil pouze vrstvou kaolinu a na konci je spojil vodivým můstkem. Můstek se průchodem počátečního elektrického proudu přepálil, vznikl elektrický oblouk a uhlíky stejnoměrně uhořívaly a svítily.

Zajímavé je, že otázku regulace vzdálenosti uhlíků ve stejné době a stejným způsobem vyřešil i Nikola Tesla. Dokonce přesně spočítal, o kolik musí mít kladný uhlík větší průměr – pozitivní a negativní uhlík uhořívají v poměru 5 : 2, pozitivní tedy dvojnásobně, proto se mu musí přidat přibližně dvojnásobná buďto délka, nebo šířka. Vlastní oblouk totiž vydává jen 8 % konečného světla, pozitivní uhlík 80 % a negativní 12 %.

N. Tesla se však touto otázkou dále nezabýval, protože těžiště jeho zájmu se přesunulo k vysokofrekvenční elektrotechnice.

Sám Jabločkov, absolvent technického a vojenského institutu v Petrohradě a poté ředitel telegrafu v Kursku, původně cestoval z Ruska přes Francii na výstavu do americké Filadelfie. Zajímal se o pokroky v elektrotechnice, ale cestou zůstal v Paříži, kde se seznámil s vynikajícím vynálezcem a mechanikem L. F. Breguetem. Stroje a přístroje rodící se elektrotechniky Jabločkova nadchly, a proto se u Bregueta věnoval jejich vývoji a zdokonalování. Tak přišla na svět i jeho oblouková lampa. Pro svoji jednoduchost i pro svůj tvar byla nazvána „bougie électrique„, elektrická svíčka (ruská svíčka, Jabločkovova svíčka – obr. 1).

Obr. 1.

Obr. 1. Jabločkovova elektrická svíčka

Jabločkov předvedl svůj vynález francouzské Akademii a na jaře roku 1876, tedy před 130 lety, na ni dostal pod číslem 112 024 francouzskou „privilej„. Po ní obdržel patenty i v mnoha jiných zemích a zanedlouho jeho „bougie électrique„ svítily v několika obchodních domech a divadlech v Paříži.

K využití Jabločkovovy svíčky byla ustavena Société generále ď Electricité, Procédés Jablochkoff, která se zabývala nejen výrobou svíček, ale i celým zařízením elektrického osvětlení.

Obloukové svíčky svítily v Paříži, v Le Havru i v jiných evropských městech. V Londýně se ustavila společnost pro využití dalších Jabločkovových patentů. P. N. Jabločkov se zajímal o přímou výrobu elektrického proudu spalováním uhlí a vyvinul uhelný galvanický článek. V tomto směru o mnoho předběhl svou dobu. Též se zabýval „transformací“ střídavého proudu pro napájení svých obloukových svíček.

Pařížská výstava 1878

Na pařížské světové výstavě v roce 1878 svým jasem oslňovalo denně více než 1 000 obloukových svíček nejen na výstavišti, ale i v ulicích a na Place ď Opera tisíce návštěvníků a sláva elektrické obloukové svíčky se rozletěla do celého světa. A s její slávou šla i rostoucí důvěra a víra v elektrické světlo vůbec.

Jabločkovovy svíčky se vyráběly po tisících, byly jednoduché. V obloukové lampě byl ve své době nejvýkonnější tepelný generátor, protože pozitivní uhlík mohl mít teplotu až 4 500 °C, negativní 3 000 °C, ale přesto oblouková lampa vydávala mnohem méně tepla než dosud používaná plynová.

Uhlíky se vyráběly ze směsi retortového uhlí, tuhy, sazí dehtu a mastné látky. Ta se mísila v hustou kaši a z ní se vysokým tlakem lisoval uhlík potřebného tvaru („ ... dobré uhlíky jsou tvrdé, pórovité, zvuku jasně zvonivého„, Ottův slovník naučný).

Další vývoj však ukázal, že elektrická oblouková svíčka sehrála ač důležitou, pouze epizodní roli na cestě k elektrickému světlu. Jedna Jabločkovova svíčka stačila svítit necelou hodinu. Její světlo bylo vlastně velmi drahé, neboť galvanické baterie vyžadovaly neustálou údržbu. Nebylo možné s ní svítit s přestávkami (to konstatoval již v roce 1878 po jejím zhlédnutí na výstavě v Paříži i František Křižík).

Sám Jabločkov si byl těchto nedostatků vědom, a proto svou svíčku stále zdokonaloval. Sestrojil např. lampu s několika svíčkami, které se postupně zapínaly. Lampa svítila déle, ale ztrácela svoji hlavní přednost, jednoduchost.

Podobnou nevýhodu vykazovalo i Debrunovo řešení. Ten vynechal horní zapalovací můstek i kaolinovou výplň, zavedl dolní stálý elektromagnetický můstek a lampa mohla být podle přání mnohokráte zapalována. Přesto se toto řešení neujalo a upadlo v zapomenutí.

Obloukovka a František Křižík

Během několika let elektrickou svíčku postupně vytlačily obloukovky s elektromagnetickou regulací a hlavně žárovky (T. A. Edison, 1879). Ty svítily již na další pařížské světové výstavě v roce 1881. Zde však ještě získal český elektrotechnik František Křižík zlatou medaili za diferenciální regulaci svitu obloukové lampy.

Křižíka zaujalo obloukové světlo Jabločkovovy svíčky i z toho důvodu, že plzeňský majitel papírny Ludvík Piette si Křižíkovi stěžoval na nevyhovující plynové osvětlení továrny. Papír prý při plynovém světle mění barvu a odstíny a to nepřispívá ke kvalitě jeho výroby. F. Křižík, tehdy ještě zaměstnanec rakouské dráhy, nabídl Piettemu, že do jeho papírny zavede elektrické světlo, jehož výhody už dobře tušil. Křižík od Schuckerta v Norimberku objednal dynamo a jednu Siemensovu obloukovku. Ta měla elektromagnetickou regulaci uhlíků s hodinovým strojem a v Piettově továrně se postupně uplatnily dvě. Oblouková lampa Siemens však nesvítila klidně a pravidelně, protože její elektromagnetická regulace nebyla dokonalá.

F. Křižík chtěl docílit klidného jasu, a proto tak dlouho experimentoval s vinutím cívky (přidával a měnil vinutí a tvary jádra), až sestrojil diferenciální obloukovku s klidným, jasným svitem. Sám Křižík považoval své řešení za tak zásadní, že si je nechal patentovat.

Pro regulaci Křižík použil „... zvláštním způsobem utvářené a vyvážené železné tyče, která je dvěma solenoidy v každé poloze vůči těmto solenoidům tak dlouho stejně silně, ale v opačném směru ovládána, dokud magnetické momenty solenoidů zůstanou stejné„ (citace z říšskoněmeckého patentového spisu č. 16 297, vydaného 2. dubna 1882 Františku Křižíkovi a Ludvíku Piettemu v Plzni).

Obloukovka se jmenovala Křižík-Piette, ale říkalo se jí též Plzeňská lampa, Plzeňka.

Na pařížské výstavě v roce 1881 Křižíkovy obloukovky již svítily na hlavním schodišti a v rakouském pavilonu. Soutěžily zde s Edisonovými žárovkami, které teprve nastupovaly svou vítěznou cestu. Křižík tu získal zlatou medaili mezi padesátkou podobných zařízení! Vyšší ocenění se svou žárovkou však dostal také T. A. Edison.

Na zlaté medaili z této výstavy si F. Křižík velmi zakládal. Následující obchodní úspěch jeho obloukové lampy mu dopomohl k osamostatnění a k založení vlastní elektrotechnické výroby.

F. Křižík vedl s firmou Siemens-Halske spory o původnost svého technického řešení, ale jeho patenty byly 15. 4. 1882 uznány a firma Schuckert převzala výrobu Křižíkových obloukovek pro Německo a Rusko. Patenty na ni byly prodány do Anglie a Francie, výrobu pro Rakousko si Křižík ponechal (se šesti dělníky v plzeňské dílně U zvonu).

Obr. 2.

Obr. 2. Křižíkova oblouková lampa – principiální a historické provedení

V roce 1881 sešlo z Křižíkova návrhu osvětlit obloukovkami nádvoří Pražského hradu, a tak Křižík realizoval slavnostní osvětlení Hybernské ulice (obr. 2). V roce 1883 osvětlil obloukovým elektrickým světlem také pražské Staroměstské náměstí.

Význam obloukové lampy

Lampa se svitem elektrického oblouku byla krátkou, ale nezbytnou fází vývoje elektrického světla. Obloukovka je historicky nejstarším použitelným elektrickým zdrojem světla. Ustoupila sice jednodušší a provozně méně náročné žárovce, ale z praxe zcela nezmizela. Obloukové lampy se používaly k osvětlování budov, majáků, v promítacích přístrojích, světlometech apod.

Svým významem byla obloukovka vzpruhou v rozvoji elektrotechniky a přispěla ke zdárným počátkům elektrotechnického průmyslu. Přesvědčila o reálných možnostech elektrického světla, a tedy o nových časových možnostech pracovního dne. Vynutila si zdokonalení dynam (T. Z. Gramme). Protože galvanické články již nestačily, elektrická svíčka obrátila pozornost k vývoji dalších zdrojů elektrického proudu.

V době, kdy elektrotechnika byla ve znamení stejnosměrného proudu, pomohla svíčka střídavému proudu – stejnosměrný oblouk způsoboval nerovnoměrné uhořívání uhlíků, střídavý naopak rovnoměrné.

Celkem úspěšné, přestože pozdní řešení přinesly v padesátých letech 20. století obloukovky vyvinuté s elektrodami z jiného materiálu než z uhlíku. Používal se např. karbid titanu, magnetit nebo i keramické směsi (cermety). Velmi dobré výsledky dávala lampa s magnetitovou katodou.

Princip obloukovky byl využit ke konstrukci plazmotronů, speciálních hořáků určených např. pro nanášení těžkotavitelných látek na povrch obecných kovů (šopování). Zde oblouk hoří ve vodních parách. Jednou elektrodou je uhlíkový kužel, druhou kovový válec, jenž je vyložen ohnivzdornou látkou.

Zdálo se, že obloukovky již zcela zapadly za obzor událostí. Přesto se ještě v roce 1980 v japonské patentové literatuře objevila nová konstrukce: elektrody byly vyrobeny ze speciálního keramického materiálu, jehož podstatnou součástí je chromit – LaCrO3.

Ve většině aplikací jsou však dnes již obloukovky nahrazeny perspektivnějšími vysokotlakými výbojkami.

(jk)