Žarnica (sijalka): kaj je, kako deluje, zgodovina in vrste

Žarnica proizvaja svetlobo z električno energijo. Poleg tega, da osvetljujejo temne prostore, se lahko uporabljajo tudi za prikaz delovanja elektronske naprave, usmerjanje prometa, ogrevanje in številne druge namene. Uporablja se jih na milijarde, nekatere celo v vesolju.

Prvi ljudje so za razsvetljavo uporabljali sveče in oljne svetilke. V začetku in sredini 19. stoletja so bile izdelane surove žarnice, vendar so bile le malo uporabne. Zaradi izboljšanih vakuumskih črpalk in boljših materialov so konec stoletja svetile dlje in močneje. Električne elektrarne so v mesta in pozneje na podeželje pripeljale elektriko, ki jih je napajala. Poznejše plinske sijalke, vključno s fluorescenčnimi sijalkami, porabijo manj električne energije za več svetlobe.

Kako deluje žarnica

Na\čeloma žarnice pretvorijo električno energijo v svetlobo z enim od več principov:

Žarilna nitka (incandescent): skozi tanek kovinski filament (pogosto volfram) teče električni tok, filament se segreje na zelo visoko temperaturo in začne žareti — oddaja vidno svetlobo. Večina porabljene energije se pri tem pretvori v toploto, zato je ta tip manj učinkovit.
Plinsko zapolnjene žarnice: filament je v stekleni bučki, napolnjeni z inercnim plinom (argon, dušik, krypton), kar zmanjša izparevanje filamenta in podaljša življenjsko dobo ter poveča učinkovitost v primerjavi z vakuumom.
Halogenske žarnice: različica žarilnih žarnic z majhno količino halogenega plina (npr. jod ali brom), ki omogoča kemični cikel, pri katerem se izpareli volfram vrne na filament — to omogoča višje temperature in boljšo svetilnost ter daljšo življenjsko dobo.
Fluorescenčne in kompaktne fluorescenčne sijalke (CFL): električni tok vzbudi živosrebrne pare, ki oddajajo ultravijolično svetlobo. Ta UV se v cevi pretvori v vidno svetlobo s pomočjo fluorescenčne fosforne prevleke.
LED (svetleče diode): polprevodniški elementi pretvorijo električni tok neposredno v svetlobo (elektroluminiscenca). LED so visoko učinkovite, majhne in primerne za dolgo življenjsko dobo.
HID (High-Intensity Discharge): v plinski meji (npr. natrijeve pare, metalhalidne mešanice) se pri visokem napetostnem izpuhu ustvarja močna svetloba; uporabljajo se za ulične in industrijske razsvetljave.

Zgodovina na kratko

Razsvetljava se je od sveč in oljnih svetilk skozi 19. stoletje razvila do električne razsvetljave. Ključni mejniki:

zgodnje 1800-te: Humphry Davy in drugi so prikazali električni lok kot vir svetlobe;
sredina 1800-ih: eksperimentalne žarnice s filamentom — težave z vakuumom in materiali so omejevale uporabnost;
1870–1880: izboljšani vakuumski črpalki in uvedba volframove nitke sta omogočila praktične žarnice; Joseph Swan in Thomas Edison sta neodvisno prispevala k razvoju komercialno uporabnih žarnic;
20. stoletje: razmah električnega omrežja, razvoj halogenk, fluorescentnih cevnih sistemov, pozneje pa CFL in LED, ki so postopoma povečale energetsko učinkovitost.

Glavne vrste žarnic danes

Navadne žarilne (incandescent): enostavne v gradnji, topla barva, vendar nevarčno neučinkovite (velik del energije se izgubi kot toplota). Življenjska doba običajno okoli 1.000 ur.
Halogenske: nekoliko učinkovitejše in svetlejše od klasičnih žarilnih; uporaba upada zaradi energetske neučinkovitosti v primerjavi z novimi tehnologijami.
Fluorescenčne (cevne in CFL): bolj učinkovite od žarilnih, vendar vsebujejo živo srebro in zahtevajo posebno ravnanje pri odlaganju. Življenjska doba običajno 8.000–15.000 ur.
LED: trenutno najbolj razširjena energetsko učinkovita tehnologija za gospodinjstva in industrijo; nizka poraba, dolgo življenjsko dobo (15.000–50.000+ ur), širok razpon barvnih temperatur in dobre možnosti za zatemnjevanje (če je združljiva z zatemnilnikom).
HID (natrijeve pare, metalhalide): uporablja se za močno zunanjo in industrijsko razsvetljavo; visoka svetilnost, specifična barvna inštalacija.

Ključni pojmi

Lumen (lm) — meri svetlobni tok (količino vidne svetlobe), to je pomemben podatek, ko primerjate svetlost različnih žarnic.
Vati (W) — meri porabo električne energije; pri sodobnih žarnicah ni neposredna merilo svetlosti (bolje primerjajte lume).
Barvna temperatura (Kelvin, K) — vpogled v barvo svetlobe: topla bela (~2700 K), nevtralna (~3000–4000 K), dnevna svetloba (~5000–6500 K).
Osnova / ležišče — tip navoja ali priključka (npr. E27, E14, B22, GU10, MR16/GU5.3), ki določa, ali je žarnica združljiva s svetilko.
Dostika (dimming) — ne vse žarnice so združljive z zatemnilniki; pri LED in CFL preverite oznako združljivosti.

Okoljski vidiki in recikliranje

Pri izbiri žarnice upoštevajte energetsko učinkovitost in vpliv na okolje:

LED žarnice porabijo bistveno manj elektrike in imajo najdaljšo življenjsko dobo, zato zmanjšajo skupne emisije in odpadke.
CFL vsebujejo sledi živega srebra in morajo biti pravilno reciklirani ali oddani v zbirni center za nevarne odpadke — ne smetiti skupaj z navadnimi gospodinjskimi odpadki.
Stare žarilke in elektronske komponente (npr. LED gonilniki) je najbolje oddati na reciklažo električne opreme.
Pri zamenjavi žarnic zmanjšajte porabo z izbiro ustrezne svetilnosti (lumenov) in učinkovite tehnologije.

Uporaba in varnostni napotki

Pri izbiri žarnice preverite napetost, tip ležišča in prostorsko zahtevo (npr. višina, smer snopa pri reflektorjih).
Ne nameščajte žarnic z višjo vrednostjo vatov, kot je predpisano za svetilko — lahko pride do pregretja.
Pri menjavi izklopite napajanje; previdno pri vročih žarnicah (občutno segrevanje). Halogene in žarilne žarnice lahko povzročijo opekline.
Če se zlomi CFL cev, upoštevajte navodila za varno čiščenje in prezračevanje zaradi živega srebra.

Zaključek

Žarnice so se razvile od preprostih žarilnih nitk do naprednih LED tehnologij, ki ponujajo večjo učinkovitost, dolgotrajnost in fleksibilnost uporabe. Pri nakupu upoštevajte svetilnost (lumen), barvno temperaturo, združljivost z ležiščem in zatemnjevanje ter vpliv na okolje in pravilno ravnanje z odpadki.

Žarnica z žarilno nitko

Oblika žarnice z žarilno nitko

Vrste žarnic

Obstaja več vrst žarnic:

žarnica z žarilno nitko - najpogostejša žarnica v hiši do približno 2003-2010

"halogenska žarnica" - učinkovitejša žarnica z žarilno nitko

plinska sijalka - vrsta žarnice, ki vključuje fluorescenčno svetlobo. Kompaktne fluorescenčne sijalke (ali CFL) zdaj v hiši nadomeščajo žarnice z žarilno nitko.
svetleča dioda - prej se je uporabljala le za mesta z majhno močjo, zdaj pa se lahko uporablja kot žarnica v hiši.
električna obločna svetilka, najzgodnejša vrsta, ki je zdaj redka, razen v velikih reflektorjih

Žarnice pretvarjajo električno energijo v svetlobo in toploto. Razen pri žarnicah za ogrevanje se toplota šteje za odpadek. Žarnica, ki proizvaja več svetlobe in manj toplote, je učinkovitejša.

Žarnice

]Žarnica z žarilno nitko pretvarja elektriko v svetlobo tako, da električni tok pošilja skozi tanko žico, imenovano žarilno nitko. Električna žarilna nitka je večinoma sestavljena iz volframove kovine. Upornost žarilne nitke segreva žarnico. Sčasoma se nitka tako segreje, da zažari in proizvaja svetlobo.

Žarilno nitko je treba zaščititi pred zrakom, zato je v žarnici, zrak v žarnici pa se odstrani (vakuum) ali pa se pogosteje nadomesti z žlahtnim plinom, ki ne vpliva na nič, kot sta neon ali argon. Le približno 3 % energije, ki jo dobi žarnica, dejansko ustvari svetlobo, ostalo je toplota. To je eden od razlogov, zakaj so LED-žarnice učinkovitejše.

Ta vrsta žarnice je delovala slabo in se je malo uporabljala, dokler je Joseph Swan in Thomas Edison v 70. letih 19. stoletja nista izboljšala. To je bila prva žarnica, ki se je lahko uporabljala v hišah - ni stala preveč in je dobro delovala. Ljudje prvič niso potrebovali ognja (sveč, oljnih svetilk, petrolejk itd.), da bi si zagotovili svetlobo. Svetloba je bila dovolj svetla, da so lahko ljudje ponoči brez težav brali ali delali. Uporabljali so jo za razsvetljavo trgovin in ulic, ljudje pa so lahko potovali tudi po mraku. S tem se je začela splošna uporaba elektrike v domovih in podjetjih. Žarnice so imele ogljikove žarilne nitke, dokler niso leta 1900 razvili volframovih. Ta trajajo dlje in dajejo svetlejšo svetlobo.

Prve vakuumske cevi so bile žarnice, izdelane za delovanje pri nižjih temperaturah, z dodanimi elektronskimi deli.

Fluorescenčne žarnice

Fluorescenčne sijalke so učinkovite in oddajajo le ¼ količine toplote, ki jo oddajajo žarnice. Poleg tega trajajo dlje kot žarnice, vendar so bile do konca 20. stoletja veliko večje in jih ni bilo mogoče vstaviti v vtičnice za majhne stropne luči in svetilke kot žarnice.

Fluorescenčna žarnica je steklena cev, običajno napolnjena s plinom argonom in malo živega srebra. Ko je vklopljena, se katoda segreje in oddaja elektrone. Ti udarijo v plin argon in živo srebro. Plin argon ustvari plazmo, ki omogoča boljše gibanje elektronov. Ko elektroni zadenejo atom živega srebra, preide molekula v stanje, v katerem ima veliko energije (shrani energijo). Energijsko stanje ne traja dolgo in ko se energija sprosti, se sprosti foton. Fotoni živega srebra niso vidni kot nekateri drugi fotoni; so ultravijolični. Zato je na steni žarnice fosforna prevleka. Ko foton zadene molekulo fosforja, ta preide v vzbujeno stanje. Ko fosfor sprosti energijo, odda foton, ki ga lahko vidimo, in nastane svetloba. Sprememba vrste fosforja lahko spremeni barvo, ki jo vidimo, vendar so fluorescenčne žarnice običajno bolj bele kot žarnice z žarilno nitko, ki so rahlo rumene.

LED

LED (znana tudi kot svetleča dioda) je narejena kot elektronika. Je čip iz polprevodniškega materiala. Žarnice LED so učinkovitejše in trajajo veliko dlje kot žarnice z žarilno nitko ali fluorescenčne žarnice. V nasprotju s fluorescenčnimi žarnicami diode LED ne uporabljajo živega srebra, ki je strupeno. Več let žarnice LED niso bile tako svetle kot druge vrste luči, poleg tega pa so bile tudi dražje.

Opozorila

Večina žarnic se vstavi v vtičnico, ki zagotavlja visoko napetost električne energije. Če je vtičnica vklopljena, tudi če je žarnica ugasnjena, obstaja realna nevarnost električnega udara.
Žarnice z žarilno nitko se ob vklopu zelo segrejejo in potrebujejo nekaj časa, da se ohladijo. Če se dotaknete vroče žarnice, lahko povzročite opekline.
Večina žarnic je izdelana iz stekla, zato se lahko zlahka razbijejo. Razbito steklo ima ostre robove, ki lahko prerežejo kožo.
Če se fluorescenčna žarnica razbije, se iz živega srebra, ki je v njej, izločajo hlapi, ki lahko povzročijo zastrupitev z živim srebrom, če jih vdihnemo.

Galerija

Fluorescenčna žarnica

Svetleča dioda

Velika žarnica LED

Edisonova žarnica Musée des Lettres et Manuscrits