History of a Light Bulb

Rebecca Matulka

podle https://www.energy.gov/articles/history-light-bulb

[...]

Incandescent Bulbs Light the Way

Long before Thomas Edison patented – first in 1879 and then a year later in 1880 – and began commercializing his incandescent light bulb, British inventors were demonstrating that electric light was possible with the arc lamp. In 1835, the first constant electric light was demonstrated, and for the next 40 years, scientists around the world worked on the incandescent lamp, tinkering with the filament (the part of the bulb that produces light when heated by an electrical current) and the bulb’s atmosphere (whether air is vacuumed out of the bulb or it is filled with an inert gas to prevent the filament from oxidizing and burning out). These early bulbs had extremely short lifespans, were too expensive to produce or used too much energy.

When Edison and his researchers at Menlo Park came onto the lighting scene, they focused on improving the filament – first testing carbon, then platinum, before finally returning to a carbon filament. By October 1879, Edison’s team had produced a light bulb with a carbonized filament of uncoated cotton thread that could last for 14.5 hours. They continued to experiment with the filament until settling on one made from bamboo that gave Edison’s lamps a lifetime of up to 1,200 hours – this filament became the standard for the Edison bulb for the next 10 years. Edison also made other improvements to the light bulb, including creating a better vacuum pump to fully remove the air from the bulb and developing the Edison screw (what is now the standard socket fittings for light bulbs). [...]

What makes Edison’s contribution to electric lighting so extraordinary is that he didn’t stop with improving the bulb – he developed a whole suite of inventions that made the use of light bulbs practical. Edison modeled his lighting technology on the existing gas lighting system. In 1882 with the Holborn Viaduct in London, he demonstrated that electricity could be distributed from a centrally located generator through a series of wires and tubes. Simultaneously, he focused on improving the generation of electricity, developing the first commercial power utility called the Pearl Street Station in lower Manhattan. And to track how much electricity each customer was using, Edison developed the first electric meter

While Edison was working on the whole lighting system, other inventors were continuing to make small advances, improving the filament manufacturing process and the efficiency of the bulb. The next big change in the incandescent bulb came with the invention of the tungsten filament by European inventors in 1904. These new tungsten filament bulbs lasted longer and had a brighter light compared to the carbon filament bulbs. In 1913, Irving Langmuir figured out that placing an inert gas like nitrogen inside the bulb doubled its efficiency. [...] But by the 1950s, researchers still had only figured out how to convert about 10 percent of the energy the incandescent bulb used into light and began to focus their energy on other lighting solutions.

Fluorescent lamps

In the 19th century, two Germans – glassblower Heinrich Geissler and physician Julius Plücker – discovered that they could produce light by removing almost all of the air from a long glass tube and passing an electrical current through it. [...] Discharge lamps became the basis of many lighting technologies, including neon lights, low-pressure sodium lamps (the type used in outdoor lighting such as street lamps) and fluorescent lights. [...] In 1976, Edward Hammer at General Electric figured out how to bend the fluorescent tube into a spiral shape, creating the first compact fluorescent light (CFL). [...] Since the 1990s, improvements in CFL performance, price, efficiency (they use about 75 percent less energy than incandescents) and lifetime (they last about 10 times longer) have made them a viable option for both renters and homeowners.

LEDs: The Future is Here

One of the fastest developing lighting technologies today is the light-emitting diode (or LED). A type of solid-state lighting, LEDs use a semiconductor to convert electricity into light, are often small in area (less than 1 square millimeter) and emit light in a specific direction, reducing the need for reflectors and diffusers that can trap light. They are also the most efficient lights on the market. Also called luminous efficacy, a light bulb’s efficiency is a measure of emitted light (lumens) divided by power it draws (watts). A bulb that is 100 percent efficient at converting energy into light would have an efficacy of 683 lm/W. To put this in context, a 60- to 100-watt incandescent bulb has an efficacy of 15 lm/W, an equivalent CFL has an efficacy of 73 lm/W, and current LED-based replacement bulbs on the market range from 70–120 lm/W with an average efficacy of 85 lm/W.

Otázky

1. Kdo vynalezl dnes používanou žárovku?
2. Popište, jak vypadala Edisonova žárovka. Jaké byly její přednosti, a jaké byly nevýhody?
3. Pod kterými dalšími vynálezy je Edison podepsán?
4. Čím se liší současné žárovky se žhaveným vláknem od původní žárovky Edisonovy?
5. Porovnejte světelnou účinnost žárovky, zářivky a LED svítidla.
6. Najděte český ekvivalent pro „arc lamp“, „filament“, „lifespan“, „socket“, „tungsten“, „discharge lamp“, „fluorescent lamp“.

Výdrž baterií

Umíte si v obchodě vybrat dobrou baterii? Na základě čeho se rozhodujete? Dá se kvalita baterie změřit? Podobné otázky si kladli i autoři časopisu dTest a provedli zajímavou srovnávací analýzu 13 baterií prodávaných v ČR. V následujících dokumentech citujeme úryvky z článku, který v dTestu vyšel v červnu 2014. Originál je k dispozici na www.dtest.cz.

Dokument 1: Výsledky testu – srovnání tužkových baterií

Dokument 2: Jak testujeme

Do testu jsme nakoupili 13 různých baterií od nejznámějších i méně známých značek. Pokud bylo od daného výrobce k dispozici více modelů, vybírali jsme v zájmu spravedlivějšího srovnání ze střední cenové třídy. Zajímalo nás pochopitelně hlavně to, jak se od sebe jednotlivé modely liší svou výdrží a zda se vysoké ceny některých baterií skutečně promítají do jejich výkonů. Pro účely testu jsme zvolili dvě typické situace, z nichž každá odpovídá odlišnému způsobu čerpání elektrické energie.

V první zkoušce laboratoř simulovala použití baterií v hračce s elektromotorem, jako je třeba auto na dálkové ovládání. Tento test reprezentuje středně vysoký kontinuální odběr proudu. Konkrétně jsme baterie vystavili každý den hodině nepřetržitého provozu elektromotoru a měřili dobu do okamžiku, kdy jejich napětí kleslo pod hraniční hodnotu 0,8 voltu (lidově řečeno „dokud se baterie nevybila“). Druhá, náročnější zkouška pak simulovala použití baterií ve fotoblesku, tedy opakovaný krátkodobý, ale poměrně velký odběr proudu. Z baterií byla po dobu 10 sekund čerpána energie odpovídající potřebám standardního blesku, následovalo 50 sekund bez zátěže a tento postup jsme opakovali opět vždy hodinu denně, dokud napětí článku nekleslo pod 0,9 voltu (hodnota stanovená normou pro fotoblesk).

Jednotlivé zkoušky jsme prováděli s osmi vzorky od každého modelu, v tabulce uvedené hodnoty tedy představují průměr všech měření. Nutno však dodat, že rozdíly mezi jednotlivými kusy stejné značky byly minimální, ani v jednom případě jsme nenarazili na významné odchylky.

Otázky

1. Které parametry (fyzikální veličiny) charakterizují výdrž baterie?
2. Která z uvedených baterií má nejlepší poměr cena za kus/výdrž při kontinuální spotřebě?
3. Která z uvedených baterií má nejlepší poměr cena za kus/výdrž při kolísavé spotřebě?
4. Které údaje ve srovnávací tabulce (Dokument 1) považujete za objektivní a které za subjektivní?
5. Které balení baterií byste si v obchodě koupili, když vyrážíte na horskou túru a předpokládáte, že vyfotografujte maximálně 500 fotografií?
6. Které balení byste si v obchodě koupili, když potřebujete vyměnit baterii v ovladači k TV?

Poznámka: Podobný test baterií můžete provést doma nebo ve škole s učitelem. Kromě zkoumané baterie k tomu potřebujete vodiče, nějaký spotřebič (například malou signální žárovku, rezistor s odporem kolem 10 Ω, stejnosměrný elektromotorek na odpovídající nízké napětí,...) a voltmetr. Doporučujeme použít plastový držák na baterie. Spotřebič připojte k baterii a voltmetrem měřte napětí mezi jejími svorkami. Pozorujte, za jak dlouho napětí poklesne na určitou hodnotu, např. 0,8 V. Při zapojování dejte pozor, abyste nechtěně nepropojili + a – baterie, a nevznikl tak zkrat.

Sestavte si ovocný článek

Podobně jako první objevitelé elektřiny, i vy si můžete sestavit elementární elektrický zdroj z věcí, které najdete doma. Budete potřebovat ovoce (např. citrón, pomeranč, jablko, …), které v ruce poněkud pomačkáte, aby se uvolnila šťáva, a dva plíšky z různých kovů (např. měď a hliník, …), které vpíchnete do ovoce.

• Změřte, jaké vytváří váš článek napětí.
• Rozsvítí váš zdroj LEDku? Kolik takových článků byste potřebovali a jak se mají zapojit?
• Vyzkoušejte i jiné druhy ovoce a jiné kovy. Která kombinace je nejlepší?

Ovocný článek má většinou velký vnitřní odpor, což ovlivňuje maximální hodnotu proudu, kterou dokáže tento zdroj vytvořit. S jeho pomocí je mnohem obtížnější rozsvítit žárovku, která potřebuje výrazně větší proudy než LEDka. Maximální hodnota proudu (zkratový proud) se dá změřit ampérmetrem připojeným k plíškům vašeho zdroje. (U jiných zdrojů s malým vnitřním odporem toto určitě nezkoušejte, přinejlepším byste si zničili jen ampérmetr :-))

Ve výkladu se můžete dočíst, na jakém principu tyto chemické zdroje fungují.