Lampa żarowa, zwana potocznie żarówką jest jednym z najstarszych elektrycznych źródeł światła. Żarówki z racji swej prostoty i łatwości użycia można znaleźć praktycznie w każdym miejscu na świecie. Są powszechnie stosowane do ogólnych celów oświetleniowych w gospodarstwach domowych oraz oświetleniu dekoracyjnym. Biorąc pod uwagę liczbę punktów świetlnych, w których świecą żarówki oraz mnogość jej odmian okazuje się, że jest nadal ona najpopularniejszym źródłem światła sztucznego, jakie używa człowiek. Jest jednak systematycznie wypierana przez nowe generacje bardziej efektywnych energetycznie źródeł światła.

Żarówka i jej historia

Żarówkę wynalazł i zaprezentował publiczności w 1879 r. Thomas Alva Edison. Pierwsze żarówki miały skrętkę zbudowaną z włókna węglowego, które uzyskiwano ze zwęglonego włókna drewna bambusowego. Skuteczność żarówek pod koniec XIX w. wynosiła 2 lm/W przy trwałości około 600 godzin świecenia. Mimo że dzisiejsza 100-watowa żarówka ma wydajność siedmiokrotnie wyższą i świeci średnio przez 1000 godzin, nadal nie można jej nazwać wydajnym źródłem światła, ponieważ pochłania bardzo dużo energii i jedynie niewielką jej część (2–5%) przekształca w światło. Reszta pobranej energii elektrycznej uwalniana jest w postaci ciepła.

Rys. 1. Tradycyjna żarówka na trzonku E27 i E14

Parametry dzisiejszej żarówki uzyskano już w latach 30. XX w. Od tego czasu większość prac dotyczących rozwoju żarówek koncentrowała się na usprawnieniu procesów technologicznych, tj. na uzyskaniu większej efektywności produkcji przy równoczesnej poprawie jakości i niezawodności żarówki.

Tradycyjna żarówka jest najstarszym elektrycznym źródłem światła. Żarówki – z racji ich prostoty i łatwości użycia – można znaleźć prawie w każdym zakątku świata. Są powszechnie stosowane do ogólnych celów oświetleniowych w gospodarstwach domowych oraz w oświetleniu dekoracyjnym. Żarówka jest jednak systematycznie wypierana przez nowe generacje bardziej efektywnych źródeł światła. Czy nadchodzi kres użytkowania żarówki?

Budowa, zasada działania i ograniczenia tradycyjnej żarówki

Zasada działania lampy żarowej jest niezwykle prosta. Lampa żarowa w swojej podstawowej części jest szczelną bańką szklaną zawierającą drut wolframowy zwany potocznie żarnikiem lub skrętką, który jest podgrzewany przepływającym przez niego prądem elektrycznym. Działanie żarówki opiera się na właściwości przedmiotów do emitowania energii podczas ich podgrzewania do wysokich temperatur. Temperatura skrętki jest zależna od natężenia prądu elektrycznego przepływającego przez skrętkę. Z kolei moc elektryczna żarówki (P) zależy od napięcia zasilania (U) oraz oporności drutu (R), z którego wykonana jest skrętka.

P = U² / R

Dla tradycyjnych żarówek wartość napięcia zasilania jest stała i określona wartością napięcia sieciowego, które w Polsce wynosi 230V.

Temperatura skrętki nie jest zależna wyłącznie od natężenia przepływającego przez nią prądu, ale także od kilku innych czynników takich, jak np.:

• promieniowania energii,
• utraty ciepła do gazu (w przypadku żarówek wypełnionych gazem),
• rozproszenia ciepła przy przewodzeniu przez części metalowe.

Im wyższa jest temperatura skrętki tym więcej zostaje wyemitowanej energii elektromagnetycznej, z której część jest emitowana w zakresie promieniowania widzialnego. Z racji właściwości wolframu, z którego wykonana jest skrętka, przy podnoszeniu temperatury wolfram zacznie parować. Parujący wolfram kondensuje się i osadza się w chłodniejszych rejonach lampy w postaci cienkiej powłoki na wewnętrznej ściance bańki (Rys.2.). Z upływem czasu zjawisko to powoduje zmniejszenie ilości emitowanego światła. W związku z tym bańka żarówki jest stosunkowo duża tak, aby parujący wolfram osadził się na możliwie dużej powierzchni. Wskutek parowania drut wolframowy będzie stawał się coraz cieńszy, aż do przepalenia (Rys.3.). W ten sposób trwałość żarówki zostaje ograniczona.

Rys. 2. Zasada działania żarówki

Tempo parowania jest mniejsze, gdy ciśnienie gazu wokół skrętki wzrasta. Wytrzymałość bańki żarówki ogranicza ciśnienie, jakim można ją napełnić do około 1 atmosfery. Dlatego większość żarówek napełnia się gazem (np. mieszaniną argonu i azotu) o ciśnieniu jednej atmosfery.

Rys. 3. Koniec życia żarówki – przepalenie skrętki

Teoretycznie lampa żarowa o temperaturze skrętki w okolicach temperatury topnienia wolframu (3653 K) pracująca bez strat unoszenia i przewodzenia mogłaby osiągnąć skuteczność świetlną 53 lm/W. W rzeczywistości skuteczność świetlna istniejących lamp żarowych jest zawsze znacząco niższa. Dla współczesnych lamp żarowych przy trwałości świecenia 1000h skuteczność waha się pomiędzy 8-21.5 lm/W w zależności od mocy lampy. Głównymi czynnikami mającymi największy wpływ na parametry świetlne żarówki są współczynnik parowania wolframu oraz utrata energii w formie promieniowania cieplnego i strat przewodzenia.

Polityka i ustawodawstwo Unii Europejskiej

Ostatnio wiele się mówi o negatywnym wpływie działalności człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności o zmianach klimatycznych związanych z ocieplaniem się klimatu na wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych. W związku z tym specjaliści zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na świecie. W wielu krajach dyskutuje się o konieczności zastąpienia tradycyjnej żarówki energooszczędnymi źródłami światła.

W ramach Dyrektywy 2005/32/WE Unia Europejska wdraża przepisy wykonawcze mające w konsekwencji doprowadzić do znaczącej racjonalizacji zużycia energii elektrycznej. Poprawa wydajności energetycznej poprzez lepsze wykorzystanie energii elektrycznej przez końcowych użytkowników jest jednym z kluczowych elementów mających na celu osiągnięcie docelowych wartości emisji gazów cieplarnianych we Wspólnocie. W ramach wdrażania dyrektywy dla oświetlenia opracowywane są założenia dotyczące przyszłości oświetlenia domowego, biurowego i ulicznego. W przypadku oświetlenia dla gospodarstw domowych systematyczne wprowadzenie kryteriów efektywności energetycznej wyeliminuje nieefektywne źródła światła to jest takie, które posiadają inną klasę energetyczna niż A, B lub C. Wdrożenie takiego scenariusza do roku 2012 pozwoli na 60% ograniczenie emisji gazów cieplarnianych pochodzących z energii zużywanej na oświetlenie w gospodarstwach domowych. W praktyce oznaczać to będzie wyeliminowanie ze sprzedaży tradycyjnej żarówki.

Literatura:

[1] Praca zbiorowa: Lighting Manual. Fifth Edition. Philips Lighting B.V., 1993.
[2] Praca zbiorowa: Technika Świetlna ‘09. Poradnik-Informator. Warszawa 2009.
[3] Wojciech Żagan, Postawy techniki świetlnej, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2005.
[4] B.Ślęk: Źródła światła do oświetlania wnętrz. VI Krajowa Konferencja Oświetleniowa „Technika Świetlna ’97. Oświetlenie wnętrz”. Warszawa, 1997.
[5] B.Ślęk: Efektywność energetyczna wyznacznikiem rozwoju systemów oświetleniowych. Przegląd Elektrotechniczny, maj 2007.
[6] PN-90/E-01005. Technika Świetlna. Terminologia. Warszawa 1991.

Autor: Bogdan Ślęk, Philips Lighting Poland S.A.