Lampy

Pierwsza połowa grudnia to okres, kiedy Słońce zachodzi najwcześniej – w Chicago o 4:20. Po 10 grudnia wieczory będą już nieco jaśniejsze, Słońce będzie świeciło dłużej, sekunda po sekundzie, minuta po minucie. Wprawdzie dzień dalej się kurczy, lecz to dlatego, że rano wschód Słońca następuje coraz później – najpóźniej Słońce wschodzi na początku stycznia. Ta dziwna asymetria wokół najkrótszego dnia (21 lub 22 grudnia) wynika ze zmiennej szybkości poruszania się Ziemi wokół Słońca.

Na przełomie grudnia i stycznia Ziemia podczas swej wędrówki po orbicie okołosłonecznej jest najbliżej Słońca i porusza się najszybciej. Rzeczywista doba słoneczna jest wtedy nieco krótsza od średniej doby słonecznej, według której mierzą czas nasze zegarki. Powstają nieznaczne różnice, zaledwie kilkuminutowe, mogące jednak budzić zdziwienie u ludzi spoglądających do gazet na godziny wschodów i zachodów.

Szybko zapadający zimowy zmrok jest najbardziej dokuczliwy na dalekiej północy. Podobno w Szwecji powstał zwyczaj oświetlania w grudniu domostw i dróżek pochodniami, aby łatwiej było trafić nie błądząc w mroźne wieczory. Inni twierdzą, że ten festiwal świateł to pamiątka po wygranej bitwie o Jerozolimę ponad dwa tysiące lat temu. Tak czy inaczej, w grudniu zaczynamy wieszać na ścianach domów, rynnach, krzakach setki światełek, byle ich było więcej i jaśniej niż u sąsiada. A w domach przystrajamy światełkami bożo narodzeniowe choinki.

Dawniej nie było tak łatwo. Pierwsze wzmianki o elektrycznych lampkach choinkowych pojawiły się w dokumentach UL (instytucji sprawdzającej bezpieczeństwo urządzeń i wyrobów elektrycznych) dokładnie sto lat temu. Żarówki były już wtedy dość powszechne, lecz drogie i łatwo się przepalające.
Wynalazek żarówki przypisuje się Edisonowi. Lecz już 50 lat wcześniej kilku fizyków opisywało świecenie włókien węglowych i drutów platynowych, przez które przepuszczano prąd elektryczny. Edison, był tym, który opatentował i zaczął produkować masowo żarówki z włóknem węglowym umieszczonym w próżniowej szklanej bańce.

Przez ponad 50 lat zwęglone włókno bambusa było względnie tanim i bezpiecznym źródłem światła. Może wydawać się dziwne, że węgiel tak łatwo spalający się w piecach, można rozgrzać do białości (ok. 2500℃) i włókno to może świecić przez setki godzin. Do spalania potrzebny jest jednak tlen, który starannie usuwano z bańki.

Wkrótce po patencie Edisona zaczęto szukać lepszych materiałów na świecące włókna. Platynowce, a wśród nich osm, który topi się powyżej 3000℃, są zbyt drogie, jedynie wolfram wytrzymujący temperatury znacznie powyżej 3000℃ budził nadzieję. Dopiero w latach 30. XX wieku opanowano technologię wytwarzania cieniutkich jak włos spiralek z tego twardego i kruchego metalu.
Włókno wolframowe, mimo że się nie topi, rozpyla się w bańce żarówki, która od środka czernieje przepuszczając coraz mniej światła, a w końcu włókno staje się na tyle cienkie, że się przepala. Obecnie żarówki po wypompowaniu powietrza napełnia się gazami szlachetnymi ograniczającymi rozpylanie wolframu.

Kolejnym krokiem było opracowanie żarówki halogenowej. Po napełnieniu bańki argonem z dodatkiem jodu i bromu zauważono, że rozpylone cząsteczki wolframu są przechwytywane i osadzane z powrotem w najgorętszych (a więc najcieńszych) partiach wolframowego włókna. Można więc podwyższyć temperaturę włókna uzyskując światło jaśniejsze a żywotność żarówki nie maleje a nawet wydłuża się kilkukrotnie.

Prawa fizyki stawiają jednak przed żarówkami trudną do pokonania barierę. Żarzące się włókno wysyła w postaci światła widzialnego tylko 5-10% zużywanej energii elektrycznej. Reszta jest zamieniona na ciepło, zwykle nieużyteczne.

Ciekawe zjawisko zauważył ponad sto lat temu austriacki chemik Auer. Tlenki toru i ceru podgrzane w płomieniu gazu wydzielały wielokrotnie więcej białego światła niż inne substancje. Do dzisiaj "koszulki Auera" używane są w gazowych lampach, zarówno dekoracyjnych jak i kempingowych.

Światło może być wysyłane również przez zimne obiekty – pisałem o tym przed dwoma tygodniami. W 1939 roku na Światowej Wystawie w Nowym Jorku zostały zaprezentowane świecące rury, tak powszechne dzisiaj – lampy fluorescencyjne. W rurach tych światło wysyłane jest przez napylone wewnątrz substancje zwane luminoforami. Są to siarczki cynku i kadmu, fosforany wapnia i wiele tak zwanych "ziem rzadkich".

To "zimne", a raczej chłodniejsze światło wysyłane jest dzięki zjawiskom kwantowym w atomach. W lampach fluorescencyjnych wyładowanie elektryczne w parach rtęci wyzwala promieniowanie ultrafioletowe, a to z kolei bombardując luminofor powoduje jego świecenie.

Sprawność tego rodzaju świecenia jest czterokrotnie większa niż sprawność żarówek, czyli zużywa się czterokrotnie mniej energii elektrycznej. Stąd tyle sugestii, aby wszędzie zastępować tradycyjne żarówki świecącymi rurkami. Te nowe lampy, zwane również wyładowczymi (discharge) nie mogą być zasilane bezpośrednio z sieci domowej. Parametry energii elektrycznej muszą być odpowiednio zmienione. Dokonuje się tego w układach elektronicznych montowanych w trzonkach tych oszczędnych "żarówek" – piszę w cudzysłowie, gdyż to nie żar w nich świeci.

Niezależnie od udoskonalania żarówek, poszukiwano silnych źródeł światła do oświetlania ulic i hal fabrycznych. Eksperymentowano z łukiem elektrycznym, silnie świecącym wyładowaniem iskrowym w powietrzu lub w sprężonych gazach. Do dzisiaj łuk elektryczny pomiędzy węglowymi elektrodami używany jest w projektorach filmowych w Copernicus Center.

Bardzo silne światło, ale również dużo ultrafioletu, wysyłają lampy rtęciowe. Palniki tych lamp używane były dawniej do opalania – tzw. lampy kwarcowe, gdyż szkło kwarcowe nie topi się w wysokiej temperaturze łuku a przepuszcza opalający ultrafiolet.

W miejsce lamp rtęciowych opracowano bardzo podobnie działające lampy metalowo-halidowe. Zamiast dużej koncentracji rtęci wprowadza się do rurek wyładowczych odpowiednio dobrane metale, które po odparowaniu wysyłają światło przyjemniejsze dla oka. Obecnie większość dużych sklepów, hal fabrycznych i stadionów sportowych oświetlana jest lampami halidowymi.
Bardzo oszczędne, dlatego powszechnie stosowane, są wyładowcze lampy sodowe. Poważną ich wadą jest żółty kolor światła, w którym trudno rozróżnić kolory różnych obiektów i przedmiotów. Stosowanie lamp sodowych ograniczone jest do oświetlania ulic, parkingów i tuneli.

Lampy wyładowcze znalazły również zastosowanie w samochodach. Skonstruowano miniaturowe lampy, w których wyładowanie występuje w ksenonie – podobne konstrukcje od lat pracują jako fotograficzne lampy błyskowe. Do ich zasilania potrzebne są elektroniczne przetworniki wysokiego napięcia a lampy nie mogą być zbyt często włączane i wyłączane. A więc, światła długie – krótkie zazwyczaj przełącza się mechanicznie. Lampy ksenonowe dużo lepiej oświetlają drogę przed nami, ale kierowcy jadący z przeciwka niezbyt to lubią.

Dużą karierę robią lampki półprzewodnikowe. Zjawisko świecenia diod prostowniczych w szklanych obudowach zauważono już kilkadziesiąt lat temu, lecz uszło to uwadze elektryków. Później zaczęto wykorzystywać półprzewodniki jako punkty świetlne w aparaturze elektronicznej, w kalkulatorach, w ruchomych napisach i reklamach.

Najważniejszy okazał się gal – dziwny metal, który roztapia się w słoneczny dzień (30℃). W stopach z arsenem, fosforem i różnymi domieszkami tworzy kryształy, przez które przepuszczany prąd wywołuje kolorowe światło. Najtrudniej było uzyskać światło niebieskie, ale gdy sobie z tym poradzono, zaczęto konstruować trójkolorowe diody świecące, dające wrażenie światła białego.

Światło diod elektroluminescencyjnych (LED – Light Emitting Diode) stało się modne i wiele osób próbowało je stosować w domach. Na choince kolorowe światełka wyglądają ładnie, ale do ogólnego oświetlenia się nie nadają. Wysyłane światło białe nie jest takie jak słoneczne, nie ma w nim wszystkich kolorów tęczy. Są to zwykle trzy kolory – czerwony, zielony i niebieski, co powoduje, że inne kolory otoczenia są oddawane fałszywie. Do świateł sygnalizacyjnych w samochodach (żółte kierunkowskazy, czerwony stop itp.) LED-y nadają się znakomicie. Są trwałe, odporne na wstrząsy, bardzo wydajne. Również światła uliczne, które powinny pracować bez awarii dziesiątki lat, zastępowane są coraz częściej silnymi LED-ami.

Coraz więcej produkuje się miniaturowych lamp fluorescencyjnych, które mimo wyższej ceny są opłacalne, gdyż zużywają kilkakrotnie mniej energii niż żarówki. Lecz jest poważny minus tej zamiany. W rurkach musi być trochę rtęci. Lampki po wyrzuceniu do śmieci i rozbiciu uwalniają tę silnie trującą rtęć do otoczenia.

Rtęci nie muszą zawierać lampy siarkowe. Są to nowe wielce obiecujące konstrukcje, w których świecą pary siarki. Uzyskiwane światło jest bardzo podobne do światła słonecznego, a moc tych lamp odpowiada żarówkom kilkunastokilowatowym.

Siarka w bańce lampy jest jednak poważną wadą. Wszelkie druty doprowadzające prąd (może za wyjątkiem platynowców) szybko korodują i po bardzo krótkim czasie lampy przestawałyby działać. Energię do lampy wysyła się więc bezdrutowo, tak jak w kuchenkach mikrofalowych. Oczywiście podraża to całą konstrukcję, ale dla reflektorów dużej mocy i oświetlenia stadionów sportowych jest opłacalne.

Wybór współczesnych lamp jest jak widać duży. Próbuje się jednak zmusić ludzi do używania takich lamp, jakie uzna za stosowne administracja. W Kalifornii dyskutuje się i prawdopodobnie będzie wprowadzony zakaz sprzedawania tradycyjnych żarówek. Dużo tu jednak nadmiernej gorliwości i politycznej demagogii. O tym jak żyć, z czego i jak korzystać, powinni decydować ludzie. Do tego potrzebne jest jednak trochę rzetelnej wiedzy.
(ami)