Cesta žárovky historií

Jan Mikeš, Marcela Efmertová,
ČVUT FEL Praha

Úvod

Elektrická žárovka je jedním z mála technických vynálezů, který lidem slouží již déle než sto padesát let a který si bez větších úprav zachoval svůj původní tvar i funkci. V elektrotechnické praxi není mnoho podobných objevů, které by si během půldruhého století udržely primát v přetechnizovaném světě mezi stovkami jiných vynálezů.

Přesto to byla právě žárovka, která nenalezla sobě rovného soupeře. Snad jednoduchost, elegance či důmyslná prozíravost elektrotechniků z ní udělaly královnu mezi světelnými zdroji a zaručily jí technický, ale i společenský život na desítky let. Všechny světové jazyky obdivují její krásné tvary – od „skleněné hrušky„ z němčiny k „elektrické baňce„ z francouzštiny a angličtiny. Pouze jediný, slovanský jazyk – čeština, zmiňuje to, k čemu byla předurčena – k žáru. Žárovka měla napodobit žár, žár slunce či hvězd nebo ohně, odpradávna pozorovaný našimi předky.

Obr. 1. Heinrich Göbel (1818–1893)

Touha přenést kousek slunce do svých obydlí vyvolala potřebu hledat nový zdroj, a tak otevřený oheň v roce 1859 vystřídaly petrolejové lampy, aby záhy jejich skomírající světlo nahradilo plynové osvětlení. Avšak na ten pravý zázrak techniky si lidé museli počkat do roku 1881. Elektrické světlo, které s konečnou platností překonalo tmu, však bylo objeveno mnohem dříve. Dralo se na svět ve fyzikálních a elektrotechnických laboratořích, zatím ukryto zraku lidí. Tím zázrakem byl elektrický oblouk, který zahořel mezi uhlíkovými elektrodami Jabločkovových a Křižíkových obloukovek.

Intenzita a velký jas světla i špatná stabilita oblouku nasměrovaly obloukovky do slepé uličky. Přes snahy techniků se brzy dostaly do stínu. Na Prvním mezinárodním elektrotechnickém kongresu a výstavě v Paříži roku 1881 se Křižíkově obloukovce s diferenciálním regulátorem ještě dostalo celosvětového uznání zlatou medailí, ale zároveň bylo i odměnou na rozloučenou. Na zmíněné výstavě se do cesty obloukovkám postavil nový elektrický zdroj – žárovka. Nebylo to již „tisíce sluncí“, ale „kousek slunce ve skleněné baňce„, který nanovo rozpoutal vlnu diskusí, nadějí, obav i odporu.

Plynárny s dosavadním monopolem na osvětlení ze strachu o své klienty a zisky neprodleně zahájily mohutnou kampaň proti elektrickému světlu. Upozorňovaly na vznik očních chorob při svícení žárovkou i na stížnosti anglických dam, nespokojených s tím, že jejich kůže vypadá v elektrické světle zsinale, až po vyvolávání strachu ze střepin při rozbití skleněné baňky žárovky. Na nový vynález se tak zpočátku valily jen pomluvy. Jediný, kdo na této kampani profitoval, byly kosmetické firmy, které vzápětí produkovaly přípravky dodávající ženám pod žárovkami opět jejich svěží půvab.

Obr. 2. Göbelovo uhlíkové vlákno zatavené do flakonu od parfému

„Světlo obloukové, jak při uvedených svítilnách patrno bylo, lze sice vzbuditi i ve více svítilnách v týž proudovod vložených, proto však jsou překážky, které hojnému rozšíření a všeobecnému užívání jeho překáží. Má-li se více svítilen týmž strojem dynamoelektrickým rozsvěcovati, musí býti proud velmi silný, ale neopatrné zacházení s proudovodem takovým jest člověku velmi nebezpečno a jeho isolování jest velmi obtížné. Druhá překážka záleží na tom, že světla obloukového lze užiti jen ve velkém, k osvětlování světnic a menších místností se nehodí, proto, že jeho řízení při malých svítilnách jest nemožným. Pro menší světnice lze za to s výhodou užíti světla žárového, které lze děliti libovolně. Základní myšlénka světla žárového jest nám již známá, záleží totiž v rozžhavení nějaké části proudovodu. Aby část proudovodů byla rozžhavena, musí proudu dosti značně odporovati, neboť teplo vodiče, elektrickým proudem vyhřátého, jest tím větší, čím větší jest odpor a čím větší jest intenzita elektrického proudu.„

(Antonín Večeř, Průvodce elektrotechnikou. I. L. Kobr, Praha, 1896, s. 162.)

Významní, ale zapomenutí

Žádná kampaň však nemohla odradit konstruktéry od zaujetí pro elektrické světlo. Jejich badatelská cesta byla dlouhá. Trvala přes půl století, ale nesla ovoce. Jediná osobnost, na niž se dnes ve spojení s žárovkou vzpomíná, je Thomas Alva Edison (1847–1931). Je třeba uvést, že na počátku cesty stálo mnoho objevitelů, jejichž jména se v současnosti stala jen tichými a zapomenutými svědky geniálního vynálezu.

Obr. 3. Reklamní plakát Edisonovy žárovky
Obr. 4. Typy vláken používaných v prvních žárovkách

Z plejády těchto vědců, fyziků, techniků připomeňme jediného muže, který stál u zrodu první funkční žárovky. Neměl však tolik houževnatosti, průbojnosti a finanční zázemí, aby dokázal svůj vynález prosadit. A proto je pro nás dnes jeho jméno neznámé.

Heinrich Göbel pocházel ze Springu u Deistru v Německu. Vyučil se dvojímu řemeslu, nejprve hodinářskému a posléze svoji profesi rozšířil o jemného mechanika-optika. V malé domácí dílně v Hamburku konstruoval nejenom hodiny, ale také mnoho optických a měřicích přístrojů, ke kterým patřily i rtuťové Torricelliho trubice pro měření atmosférického tlaku. Právě na nich Göbel dokázal svoji schopnost přesné jemné práce se sklem a kovem. Tu později zužitkoval při výrobě prvních žárovek. Jako schopný řemeslník, vytrvalý konstruktér a neoblomný vynálezce a objevitel navázal kontakt s Polytechnickým ústavem v Hannoveru (nynější technickou univerzitou). Pro tamní výuku i výzkum konstruoval složité optické systémy. Právě škola ho přivedla k zálibě ve fyzikálně-technických pokusech a navedla ho i ke zkoumání prvních žárovek. V revolučním roce 1848 se svou rodinou opustil neklidné území Německa a odešel do New Yorku, aby tam po dvacet let úspěšně provozoval hodinářský obchod. Jako obchodník chtěl dosáhnout co největších zisků a začal uvažovat nad využitím reklamy. Přemýšlel, jak nalákat zákazníky do svého obchodu. Veden experimenty současníka Johna Wellingtona Starra (1822–1846), umístil do svého domu zinko-uhlíkovou baterii, s jejíž pomocí vyráběl intenzivní světlo elektrického oblouku. Sestavil si tak jakousi první reklamu. Ale sousedé se výrazného světla obávali, a tak neustále volali hasiče na „dům zapálený„ Göbelem. Vynálezce si vysloužil zákaz experimentů s elektrickým ohněm, ačkoliv dosáhl dokonalého efektu. Při těchto pokusech udělal jako první správný krok směrem k dnešní žárovce. Namísto kovových drátů ve své žárovce použil uhlíková a přírodní vlákna. Samotného ho překvapilo, že uhlík tál mnohem pomaleji než kov. Ve vzdušné atmosféře však stejně nezajistil delší životnost žárovky, než které dosahovali jeho předchůdci. Vyzkoušel mnoho dalších materiálů, až ho v zoufalství napadlo odlomit ze své vycházkové hole vlákno bambusu. Opracoval ho a nechal zuhelnatět na tloušťku 0,2 mm. Vlákno pro žárovku měl, ale do čeho ho umístit? Ten nejdůležitější objev mu stále chyběl. Nakonec využil flakonek od voňavky a bambusové vlákno do něj zatavil. Svými vlastními rtuťovými barometry a vývěvami odsál z okolí vlákna ve flakonu přebytečnou atmosféru. Dostalo se mu vytoužené odměny – jeho žárovka v roce 1854 svítila hodinu, dvě, dokonce 220 hodin při měrném světelném výkonu 1 lm/W. Na tu dobu to byl zázrak, neboť T. A. Edison o 25 let později dosáhl pouhých 100 hodin elektrického světla. Göbela experimentování finančně vyčerpalo, a proto nemohl přihlásit svůj objev k patentování. A tak peníze, slabý proud Voltových sloupů i neznalost angličtiny mu zabránily vhodně komerčně využít „svítící voňavky„.

Sláva žárovky

Ve srovnání s Göbelem slavil Edison vytoužený úspěch skoro okamžitě. Získal si nadšené obdivovatele, o čemž svědčí i zpráva o pařížské výstavě v českém časopise Světozor z roku 1881. František Hromádko, autor článku, byl natolik nadšen a okouzlen novým elektrickým světlem, že ke svému celkovému popisu výstavy připojil nejenom fotografie žárovky, ale i její popis:

„Zvláštním na podstavci navlečeným kovovým pláštěm, jejž Edison rheostatem nazval, opatřen. Přístrojem tím můžeme sílu světla řídit, dle přání buď zvyšovati, když obě nebo všecky tři podkovovité zahnuté třtiny bambusové svítí, nebo naopak seslabovat, což zpátečním pohybem rheostatu se děje.

Aby žhavá vlákna Edisonovy lampy byla trvanlivá a hned se nespálila, jsou způsobem důmyslným zatavena v balonech co možná vzduchoprázdných. Každá taková svítilna svítí tak mocným světlem jako osm svíček stearinových dohromady.„

Obr. 5. Vakuizační zařízení k ručnímu odsávání vzduchu ze žárovek

Elektrické světlo pomalu zaujímalo místo i v životě společnosti. První školou s elektrickým osvětlením v českých zemích byla již v roce 1885 pražská německá technika v Husově ulici na Starém Městě. Plynový motor s výkonem deseti koní dodával energii pro světlo tří obloukovek a 37 žárovek. Karlínskou reálku v Praze rozsvítil 125 žárovkami František Křižík. Dříve než se žárovky uplatnily v domácnostech, ozářilo umělé slunce veřejné instituce, úřady, firmy, výkladní skříně obchodů a domy zámožných lidí.

Žárovka ještě stále měla své odpůrce mezi plynárenskými společnostmi a rovněž mezi vědeckou komunitou. Na konci roku 1880 tvrdil fyzik a učitel pražské techniky Karel Václav Emanuel Zenger, že elektrické světlo dráždí oční nervy a že nikdy nemůže nahradit plynové světlo. Ale nakonec všechny výhody svítící baňky, skleněné hrušky, žárovky… lidé pochopili.

Jak se vyráběly žárovky na počátku 20. století?

Zpočátku to nebyla jednoduchá záležitost. Zahrnovala desítky kroků, které na sebe navazovaly. Nebyla to strojová práce, ale ruční a řemeslně náročná kusová výroba. Technologicky byla rozdělena do tří souvisejících celků: výroba vlákna, výroba platinových přívodních drátků a výroba skleněné nádobky.

V počátcích výroby žárovek se za nejdůležitější a technicky nejnáročnější operaci považovalo zatavení kovových drátků do skleněné zátky. Tou se uzavřelo a zatavilo hrdlo skleněné baňky. Platinové drátky se nejprve zalily olovnatým sklem a teprve potom se zatavily do dna. Bylo nutné utěsnit je sklem s vyšší teplotou tání, aby při svícení žárovky nepovolily vzniklým teplem. Rozdílnost použitých materiálů (platinových drátků a uhlíkového vlákna) kladla vysoké nároky na jejich vzájemné spojení. Konce přívodních vodičů se zplošťovaly a galvanicky poměďovaly pro zaručení velmi nízkého přechodového odporu. Jinak by místním přehřátím hrozilo odtavení spojů. Později byly konce platiny roztepávány na malé plíšky a byly zahnuty do trubiček, ve kterých bylo vlákno připojeno uhlíkovým tmelem, který se teplem vytvrdil.

Obr. 6. Inzerát, 30. léta 20. stol. (sbírky Národního technického muzea)

Hlavní, nesmírně důležitou částí výroby byla příprava uhlíkového vlákna. Na něm především závisela délka života žárovky. Speciálními stroji byl bambus zbaven kůry a rozdělen na jednotlivá vlákna tloušťky přibližně 1 mm a délky 120 mm. Každé vlákno bylo protaženo kruhovým průvlakem, aby byl sjednocen průřez. Vlákna byla vzápětí ohnuta do výsledného tvaru písmene „U„. Po tisíci kusech byla umístěna do forem, kde v bílém žáru zuhelnatěla. Protože šlo o časově velmi náročnou a ne vždy k požadovanému výsledku vedoucí práci, byla zvolena metoda výroby vlákna z tvárné hmoty. Celuoidové, koloidové a želatinové látky se vytvarovaly do tenkých hůlek nebo byly protlačovány přes děrovaná síta. Vlákna byla nařezána v potřebných délkách a mikrometry přeměřena, zda je po jejich obvodu průměr shodný. Potom byla ohnuta do tří běžně používaných tvarů – oblouku, kruhové nebo eliptické smyčky, a vložena do šamotových muflí. Zde byla po několik hodin vypalována. Stále ještě nebylo vlákno připraveno k vložení do baňky. Většinou nemělo stejnou tloušťku. Nebyla by tak zajištěna rovnoměrná proudová hustota a vlákno by se v zúžených místech přetavovalo. Každé vlákno bylo umístěno do vakuového recipientu, ze kterého se odčerpal vzduch, ke kontaktům vlákna se připojilo elektrické napětí. Do recipientu byl místo vzduchu přiveden svítiplyn. Nejslabší místa uhlíkového vlákna se rozžhavila a spalovala uhlík obsažený ve svítiplynu, ten se na žhavá místa usadil.

Jednoduší byla výroba skleněných baněk. První tvar se při montáži podobal hrušce s dutou nohou. Sklář přitavil k hlavě baňky dutou skleněnou tyčinku a spodní část uzavřel připraveným dnem a vzduchotěsně spojil. Teprve nyní byla baňka připravena k vakuování.

Mechanické exhaustory urychlovaly práci, ale přestávaly při nízkém tlaku působit, a tak se výroba vrátila k čerpání vzduchu rtuťovými vývěvami. Nejpoužívanější byl systém padající rtuti, která stékala z horní nádržky trubicí nepřetržitým proudem do dolní, odkud odtékala. Rtuť bočním vstupem strhávala vzduch z připojené skleněné baňky. Po dobu čerpání baňky byl vláknem veden elektrický proud, aby byly odsáty i plyny vzniklé sublimací uhlíku. Zředění vzduchu bylo velmi náročné a trvalo dvě až tři hodiny.

Obr. 7. Přehled vývoje jednotlivých typů žárovek

Poslední fází výroby žárovky bylo osazení límce (patice). Ten se vložil do formy pro lití, spojil se se zatavenými platinovými drátky a do formy se nalila sádra, která po vytvrzení obě části spojila. Hotový světelný zdroj se zkoušel opticky a přiložením k vysokonapěťovému zdroji. Podle světélkování katodových paprsků se poznalo, zda je uvnitř dostatečné vakuum a zda je vlákno neporušeno.

Výroba žárovky nebyla snadná, a proto také nebyla cenově dostupná každému. Ještě ve 40. letech dvacátého století existovalo mnoho domácností, které si nemohly dovolit luxus elektrického světla, a používaly petrolejové lampy. Naopak progresivnost, jednoduchost a dravost v rozšíření udělaly z žárovky světelný zdroj dvacátého století.

Vývoj žárovek po periodách

1820–1860
Počátek 19. století byl průkopnickým obdobím pro mnohé technické, vědecké a společenské obory, stal se ale také dobou touhy po elektrickém světle. Po Voltově objevu galvanických článků byla proudem baterií žhavena nejrůznější vlákna, ať již kovová (platinová, wolframová) nebo přírodní (dřevěná, grafitová, rostlinná).

1860–1909
Grafit vybojoval prvenství, svítil ve vzduchoprázdných, ale i plynných náplních. Měrný výkon žárovek však nepřekonal hranici 3 lm/W a život dosáhl hranice 400 h.

1909–1914
V žáru těžkotavitelných kovů wolframu a tantalu svítily první žárovky s počátečním měrným výkonem 10 lm/W po dobu 800 h.

1914–1934
Sílila základna žárovkářského průmyslu. Vzácné plyny zamezovaly vypařování wolframu, zvyšovaly provozní teplotu vlákna a tím výkonnost žárovek. Měrný výkon dosáhl 12 lm/W a život současné hranice 1 000 h.

Od 40. let 20. století vzrůstal měrný světelný výkon, zmenšovaly se rozměry a žárovky se plnily inertními plyny. Za světlo budoucnosti bylo považováno studené výbojové světlo. Nastupovaly halogenové a xenonové žárovky.

Tab. 1. Přehled vývoje žárovky

Literatura:
BORCHERT, R. – NEUMANN, E.: Licht und Beleuchtung. Aufbau-Verlag, Berlin, 1953.
Elektrotechnische Zeitschrift (Centralblatt für Elektrotechnik). Jahrgang XVII, Berlin, 1896.
GUTWIRTH, V.: Z dětství naší elektrotechniky. SNTL, Praha, 1953.
GUTWIRTH, V.: Příklad Františka Křižíka. Fr. Borový, Praha, 1941.
MONZER, L.: Osvětlení Prahy (Proměny sedmi století). Eltodo, FCC Public, Praha, 2003.
STEIDL, O.: Elektrická žárovka. ESČ, Praha, 1940.
ŠVIHÁLEK, J.: Svítící trubky. ESČ, Praha, 1940.
VEČEŘ, A. O. F.: Průvodce elektrotechnikou. Díl 1., I. L. Kober, Praha, 1896.