Jak to działa? Cz. 1: Oświetlenie

Jak to się dzieje, że naciskasz pstryczek, a lampa zaczyna świecić? Oto pierwszy z naszego cyklu artykułów objaśniających powszednie technologie, których działanie niewiele osób potrafiłoby wyjaśnić.

Dla naszych dalszych przodków pojawienie się światła po naciśnięciu przycisku byłoby magią. Dla wielu z nas prawdopodobnie nadal nią jest, bo nie mamy pojęcia, jak to wszystko działa. Wiele technologii traktujemy jak coś, co po prostu towarzyszy nam w codziennym życiu, i nie zadajemy sobie trudu, by je zrozumieć. Poznanie podstaw ich działania nie wymaga jednak długich studiów. Wystarczy przeczytać artykuł w Gadżetomanii.

Klasyczna żarówka, czyli właściwie lampa żarowa, to szklana bańka, pod którą znajduje się drut wolframowy. W pewnym sensie przypomina ona... świeczkę. Przepływający przez drut prąd sprawia, że metal rozgrzewa się i zaczyna emitować promieniowanie elektromagnetyczne. Na pewną część jego widma wyczulone jest ludzkie oko. Tę część promieniowania wydzielanego przez rozżarzony wolfram widzimy jako światło.

Tradycyjna żarówka nie jest najbardziej wydajnym urządzeniem, jakie można wyobrazić. Tylko około 5 proc. pochłanianej przez nią energii zostaje przekształcone w światło. Cała reszta jest emitowana jako ciepło. Można by powiedzieć, że żarówkom bliżej do grzejników niż do urządzeń oświetleniowych. Nic więc dziwnego, że po zakazie produkcji i importu tradycyjnych żarówek nadal można je było zdobyć – pod nazwą „urządzenia cieplne”.

Rozgrzany wolfram paruje i staje się coraz cieńszy. Jego opary osadzają się na wewnętrznej części szklanej bańki i sprawiają, że staje się ona coraz ciemniejsza. Wreszcie, gdy drucik całkiem się przepala, żarówka przestaje działać i pokrywa się od wewnątrz ciemnym nalotem.

Tradycyjne żarówki były dość duże właśnie dlatego, by opary wolframu osadzały się na możliwie dużej powierzchni i nie zaciemniały żarówki w miarę zużywania drucika. Pod kopułą znajdowała także mieszanka gazów, która miała spowalniać parowanie wolframu i przedłużyć „żywotność” żarówki.

Inaczej wygląda zasada działania żarówek energooszczędnych, czyli dominujących dziś świetlówek. Niewiele mają one wspólnego z tradycyjnymi lampami żarowymi.

Ich główną częścią są szklane rurki, w których znajdują się opary rtęci. Ścianki rurek od wewnątrz pokryto emitującym światło związkiem chemicznym zwanym luminoforem. W świetlówkach wykorzystano także wolfram, choć w innym celu niż w tradycyjnych żarówkach.

Wyładowania elektrody wolframowej sprawiają, że elektrony przepływają przez rurki i uderzają w atomy znajdującej się w niej rtęci. Rtęć tym samym emituje niewidzialne dla człowieka promieniowanie ultrafioletowe. Ono z kolei powoduje, że osadzony na ściankach luminofor zaczyna wydzielać światło w zakresie widzialnym.

Działająca na takiej zasadzie świetlówka nie wydziela tyle ciepła, co żarówka tradycyjna, i zużywa kilkakrotnie mniej energii. Do jej wad zalicza się – widoczny w przypadku korzystania z tanich świetlówek – efekt migotania światła, który męczy wzrok, czy stopniowo zmieniająca się barwa światła w miarę zużywania się żarówki.

Mamy jeszcze do dyspozycji żarówki LED-owe – a właściwie lampy LED-owe, bo przecież nie wydzielają one światła poprzez rozgrzewanie metalu. Wykorzystują za to diody elektroluminescencyjne, które emitują światło różnych kolorów. Co ciekawe, nie jest to światło białe. Aby je uzyskać, producenci muszą się uciec do jednej z dwóch sztuczek.

W lampie LED mogą znaleźć się diody o barwach podstawowych – czerwonej, niebieskiej i żółtej – które w połączeniu dadzą światło białe. Można też wykorzystać samą diodę niebieską lub wydajniejszą fioletową, a szklany „klosz” lampy pokryć od wewnętrznej strony luminoforem, tak jak w świetlówkach. Światło koloru niebieskiego aktywuje luminofory, które zaczną emitować światło białe.

Jak świeci sama dioda LED, będąca podstawowym elementem lampy? Składa się ona z kryształu zbudowanego z dwóch warstw materiału półprzewodnikowego, czyli przewodzącego prąd. Kiedy podłączymy zasilanie, z warstwy do warstwy materiału zaczynają przepływać elektrony. Podczas „przeskoku” między warstwami uwalniają one energię, którą widzimy jako światło.

Pozostaje jeszcze wyjaśnić, jak to możliwe, że robimy „pstryk”, a lampa zaczyna świecić. Otóż włącznik światła zamyka obwód elektryczny. Dzięki temu przez żarówkę zaczyna przepływać prąd, inicjując parowanie wolframu, przepływ elektronów przez opary rtęci czy przeskakiwanie elektronów z warstwy do warstwy półprzewodnika.

Taka uproszczona zasada działania oświetlenia teoretycznie jest całkiem prosta do przedstawienia, ale ile osób, które znasz, potrafiłoby ją opisać? Można by jeszcze poruszyć kwestię źródła energii elektrycznej czy sposobów jej dostarczania do naszych mieszkań, ale tym samym zaczęlibyśmy wkraczać w inny temat, warty bliższego spojrzenia. Zajmiemy się nim przy innej okazji.