Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 6/2016 vyšlo tiskem
5. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 5. 1. 2017.

Osvětlení interiérů
Seminář Interiéry 2016 – páté výročí
Součinnost bytového interiéru a osvětlení 

Normy, předpisy a doporučení
Nové normy pro osvětlení pozemních komunikací

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

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:…

Pražské Quadriennale představuje nový projekt věnovaný světelnému a zvukovému designu 36Q° Ve dnech 8. – 12. listopadu uvede site-specific výstavu v unikátním prostoru Lapidária…

THEATRE TECH & EVENT PRODUCTION v novém formátu a termínu Výstava divadelní a jevištní techniky THEATRE TECH & EVENT PRODUCTION se nebude konat…

Více aktualit

Cesta žárovky historií

číslo 4/2005

Cesta žárovky historií
Střípky světla zapomenutého prvenství

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.

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.

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.

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. Obr. 4. 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.

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.

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.

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

Rok

Původce *)

Zdroj světla

Provedení

Obrázek

1820

De la Rué

platinová spirála

spirála upevněna v nevyčerpané rouře

1

1840

Grove

platinová spirála

spirála svítila v nádobě oddělené vodou od okolního vzduchu

2

1841

Moleyn

platinová spirála

spirála svítila ve vyčerpané baňce

3

1845

King-Starr

platinový pásek

pásek svítil ve vyčerpané baňce a mechanicky se natahoval

4

1845

King-Starr

platinový pásek

zvýšení vakua barometricky, pomocí rtuti

5

1846

Staite-Greener

uhlíková tyčinka

tyčinka svítila ve vakuu

1848

Staite

iridiové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce

1849

Petrie

iridiové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce

1852

Robert

grafitová tyčinka

tyčinka svítila ve vyčerpané skleněné baňce

6

1854

Göbel

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo v podlouhlé vyčerpané skleněné rouře

1856

De Changy

platinová spirála

vlákno svítilo ve vzdušném prostoru, vytvořena jako stolní svítidlo a stropní závěs

7

1859

Farmer

platinový pásek

pásek upevněn mezi kontakty ve vzdušném prostoru

8

1860

Swan

zuhelnatělý papír

proužek ve tvaru U ve vyčerpané baňce

9

1872

Lodygin

grafitová tyčinka

tyčinka svítila ve vyčerpané baňce plněné dusíkem

10

1877

Maxim

platinové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané skleněné baňce

1877

Sawyer-Man

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce, spor s Edisonem o patent číslo 205144

1878

Lane-Fox

platinoiridiové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané skleněné baňce

1878

Swan

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané skleněné baňce, která byla oboustranně zúžena

11

1878

Edison

platinová spirála

spirála svítila ve vyčerpané rourovité skleněné baňce

12

1878

Edison

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo v baňce dnešního tvaru

13

1881

Edison

uhlíkové vlákno

jednotná řada žárovek s napětím 110 V opatřená Edisonovou paticí

14

1886

Edison

uhlíkové vlákno

jednotná řada žárovek s napětím 55 V, žárovky svítily po dvou v sérii na napětí 110 V

15

1894

Swan

vlákno ze stříkané celuózy

vlákno svítilo v baňce dnešního tvaru

16

1897

Nernst

thorium-cer, zirkon

tyto prvky umožňovaly zlepšit světelné vlastnosti (bílé světlo)

1899, 1906

Welsbach

osmiové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce po dvou kusech v sérii

17

1905

G.E.M.

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané skleněné baňce, po dvou v sérii na napětí 110 V, opatřena Edisonovou paticí

18

1906

G.E.M.

uhlíkové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce na napětí 110 V

19

1909

Bolton

tantalové vlákno

vlákno svítilo ve vyčerpané baňce

20

1907, 1911

Gen.El.Com.

wolframové vlákno

vlákno vyrobeno z wolframového prášku spojeného arabskou gumou a cukrem, hmota tlačena do úzkých tyček, které nebyly tolik křehké, svítilo ve vakuu

21, 22

1912

Skaupy

wolframové vlákno

použita látka Getter, která zabraňovala černání baněk

23

1912

Needham

wolframové vlákno

použita látka Getter, která zabraňovala černání baněk

24

1913

Langmuir

wolframová spirála

vlákno svítilo v baňce poprvé naplněné směsí argonu a dusíku

25

1914, 1934

kartel žárovkáren

wolframová spirála

moderní jednotná řada žárovek, nejprve odstupňována podle počtu svíček, potom podle výkonů, opatřena Edisonovou nebo Swanovou paticí

26

1934, současnost

kartel žárovkáren

wolframová spirála

moderní, plynem plněná žárovka s dvojitým vinutým vláknem, řada žárovek odstupňována podle lumenů, wattů

27


*) firma nebo osoba

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.