Úspory energie jsou v popředí zájmu společnosti. Jednou z možností, jak co nejlépe využít elektrickou energii, je náhrada klasických žárovek zářivkami. Zatímco svítící žárovka využije z dodané elektrické energie sotva 8 %, má zářivka účinnost až pětkrát větší. Proto si zářivky a princip jejich činnosti zaslouží pozornost ve výuce fyziky nebo v enviromentální výchově. Jedná se o perspektivní zdroje světla, které v dohledné budoucnosti nahradí energeticky náročné žárovky.
V roce 1879 získal T. A. Edison patent na konstrukci žárovky a již zakrátko začaly žárovky vytlačovat starší světelné zdroje - petrolejové, plynové a obloukové lampy. K přednostem žárovek patří jednoduchá konstrukce, nízká cena, okamžité rozsvícení, svit bez blikání a dobré podání barev. Princip žárovky je jednoduchý - průchodem elektrického proudu se zahřívá wolframové vlákno na teplotu kolem 2500° C a při této teplotě vyzařuje část energie ve viditelné oblasti světla. Maximum vyzářené energie je však v infračervené (tepelné) oblasti, žárovka spíše topí než svítí. Vlákno je umístěno ve skleněné baňce, naplněné dusíkem a vzácnými plyny, např. argonem.
Základem činnosti zářivky je výboj ve zředěném plynu. Skleněná trubice je naplněna směsí rtuťových par a argonu. Průchodem elektrického proudu dochází k ionizaci rtuťových par a část dodané elektrické energie se přitom přemění na neviditelné ultrafialové záření. Vnitřní stěny trubice jsou pokryty tenkou vrstvičkou luminoforu, který přeměňuje ultrafialové záření na viditelné světlo. Je však zřejmé, že tak jednoduché to ve skutečnosti není.
Konstrukce zářivkového svítidla je poměrně složitá a neméně obtížné je předložit žákům srozumitelný a přitom pokud možno korektní výklad jeho funkce. Uplatňují se zde zejména následující jevy:
Z tohoto výčtu je zřejmé, že bude třeba vybrat jen takové informace, které odpovídají úrovni žáků a cíli výuky. U mladších žáků nebo v enviromentální výchově se učitel nebude snažit postihnout všechny fyzikální a technické finesy. Ve vyšších ročnících střední školy má však téma značný didaktický náboj - zářivka vydává světlo na základě důmyslné kombinace různých fyzikálních jevů. Se všemi se žáci v hodinách fyziky postupně seznamují, ale ucelený pohled mohou získat až po absolvování celého středoškolského kurzu fyziky. Pokusíme se naznačit několik variant výkladu.
Elementární výklad (nižší ročníky, eneviromentální výchova)
Zářivka je moderní úsporný světelný zdroj. Světlo vzniká průchodem elektrického proudu parami rtuti. Protože páry rtuti vyzařují neviditelné ultrafialové záření, jsou stěny trubice pokryty látkou, která mění ultafialové záření na viditelné světlo. Hlavními výhodami zářivek je jejich velká účinnost oproti žárovkám (úspory energie) a mnohem delší životnost.
Podrobnější výklad (vysvětlení elektrického zapojení zářivky)
Aby vznikl elektrický výboj, musí se nejprve páry rtuti ionizovat. Sepnutím spínače se nejprve rozžhaví vlákna V na obou koncích zářivkové trubice. Z rozžhavených vláken se uvolňují elektrony, které předají část své energie molekulám rtuti. Ty energii vyzáří ve formě ultrafialového záření, které se po dopadu na stěny pokryté luminoforem přemění na viditelné světlo. Startér zářivky je miniaturní spínač, který odpojí žhavicí vlákna v okamžiku, kdy v trubici vznikne samostatný výboj. V zapojení je také tlumivka (cívka), která udržuje velikost proudu v trubici na potřebné hodnotě.
Zářivka se připojuje na síťové napětí 230 V, které však nestačí k zapálení výboje v ní. Proto je třeba nejprve nažhavit elektrody, dosáhnout počáteční ionizace plynu emitovanými elektrony a pak krátkodobým vyšším napětím zapálit výboj. Tyto funkce zajišťuje miniaturní neonová doutnavka, nazývaná startér S.
Startér má dvě elektrody - jednu pevnou a druhou z bimetalového proužku. Ve studeném stavu se elektrody nedotýkají. Sepnutím spínače vznikne v doutnavce výboj, elektrody se zahřejí a bimetalový pásek se dotkne pevné elektrody. Obvodem startéru prochází značný proud (zkrat!) a tímto proudem se rozžhaví elektrody v trubici. Z rozžhavených vláken jsou emitovány elektrony, které ionizují plynovou náplň v trubici. Rtuťovými parami začne procházet proud.
Přitom však poklesne napětí na startéru, doutnavka zhasne a ochladí se. Bimetalová elektroda se oddálí od pevné elektrody, a tím rozpojí obvod žhavicích vláken. Rozpojení obvodu startéru má ještě jeden důsledek: rozpojením obvodu se na koncích cívky C (tlumivky) indukuje napětí kolem 400 V, které se sčítá se síťovým napětím 230 V. Výsledné napětí se objeví na elektrodách zářivky a stačí k zapálení trvalého výboje - zářivka se rozsvítí.
Tlumivka je zapojena v sérii s trubicí a udržuje v ní stálý proud. Dochází však k opožďování proudu za napětím, což by snížilo účinnost zářivky. Pokles účinnosti je kompenzován paralelně zapojeným kondenzátorem K vhodné kapacity, který naopak posunuje proud před napětí.
O zářivce je možno hovořit také v souvislosti s excitací, ionizací a se vznikem záření. Zde je třeba zdůraznit zásadní rozdíl mezi světlem žárovky a zářivky. Spektrum světla žárovky je spojité s maximem vyzářené energie v oblasti tepelného záření. Světlo zářivky vzniká ve dvou fázích - nejprve vzniká neviditelné ultrafialové záření rtuťových par. Luminofor toto záření mění na viditelné světlo, jehož spektrum je čárové s energií soustředěnou do několika úzkých spektrálních čar ve viditelné oblasti. Proto je účinnost zářivky podstatně větší než účinnost žárovky. Ve fyzikálním semináři je možno doplnit výklad o podrobnosti o luminiscenci a zmínkou o Stokesově zákonu (vlnová délka světla vysílaného luminoforem je větší než vlnová délka světla, vyvolávajícího luminiscenci).
Zářivka je nejen ekologicky perspektivním úsporným zdrojem světla. Její funkce a konstrukce může učiteli fyziky poskytnout dostatek podkladů pro oživení a aktualizaci vyučovacích hodin při probírání řady témat v různých ročnících základní i střední školy. Pro enviromentální výchovu nabízí debata o zářivce i jiné než energetické téma: nefunkční zářivkové trubice představují nebezpečný odpad - obsahují rtuť! V žádném případě proto nepatří do komunálního odpadu, ale je třeba je předat (např. prostřednictvím sběrných dvorů) ke zneškodnění specializovanou firmou.
Zářivkové trubice s přívodními kontakty žhavicích vláken
Schéma elektrického zapojení zářivkového svítidla
Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.
Článek nebyl prozatím komentován.
Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.
Článek není zařazen do žádného seriálu.
