Je to už osm let, co jsem vyráběl svoji první uhlíkovou žárovku. Tehdy šlo hlavně o pokus ze zvědavosti. Chtěl jsem si vyzkoušet, jestli je vůbec možné doma vyrobit něco, co se bude alespoň vzdáleně podobat původním žárovkám s uhlíkovým vláknem. Pokus to byl zajímavý, žárovka se opravdu rozsvítila, ale při zpětném pohledu to bylo celé poměrně amatérské. Hlavně šlo o to, jestli to bude svítit. Nic moc měření, žádné pořádné porovnání a spousta věcí se řešila spíš od oka.
Od té doby jsem nasbíral víc zkušeností s elektronikou, měřením, senzory i zpracováním dat. Proto jsem se rozhodl se k tomuto pokusu vrátit a postavit novou verzi experimentální uhlíkové žárovky. Tentokrát už nechci jen připojit proud a sledovat, jestli se vlákno rozžhaví. Cílem je udělat z toho trochu důkladnější experiment.
U nové žárovky budu měřit napětí, proud, elektrický výkon a svítivost v reálném čase. Naměřená data se budou ukládat, zobrazovat v grafech a zároveň z nich vznikne online přehled. Díky tomu bude možné sledovat, jak se žárovka chová při rozsvícení, jak se mění její odběr, jak rychle roste svítivost a jak dlouho vlákno vydrží v různých podmínkách.
Zajímavá část pokusu bude i porovnání různých náplní baňky. Uhlíkové vlákno se totiž na vzduchu velmi rychle spálí, takže prostředí kolem něj má zásadní vliv na životnost i chování celé žárovky. Postupně chci vyzkoušet několik variant: obyčejný vzduch, oxid uhličitý a podtlak. Každá z těchto možností by se měla chovat trochu jinak a právě to bude na celém experimentu nejzajímavější.
Nejde tedy o stavbu praktického zdroje světla. Dnešní LED žárovky jsou úplně jinde a tahle konstrukce jim samozřejmě nemůže konkurovat. Smysl je spíš v pochopení principu, v měření a v možnosti si na vlastní oči ověřit, co všechno ovlivňuje žhavicí vlákno. Z obyčejného pokusu se tak stává malá domácí laboratoř, kde bude možné porovnávat jednotlivé varianty a sledovat, co se opravdu děje.
Testovací aparatura
Pro testovací a měřicí účely jsem si postavil jednoduchou aparaturu. Základem je sklenice o objemu přibližně 0,5 l, kterou jsem za víčko připevnil k dřevěné krabičce.
Jako držáky vlákna jsem použil dva šrouby M8, do kterých jsem vyřízl malé zářezy, ve kterých vlákno leží. Ve víčku jsou navíc dvě průchodky o průměru 8 mm, určené pro výměnu a odčerpání atmosféry uvnitř sklenice.
V levé části aparatury je papírová trubka, která na konci ukrývá čidlo osvětlení VEML7700. To je umístěné přesně 50 cm od vlákna.
Uvnitř základnové krabičky se nachází Arduino MEGA 2560, které čte data ze senzoru osvětlení a zároveň ze senzoru INA219. Ten měří napětí a proud procházející vláknem. Naměřené hodnoty Arduino následně odesílá do počítače k dalšímu zpracování a zobrazení.
Program pro počítač je napsaný v jazyce Python. Jeho úkol je jednoduchý – načítá data z Arduina, zobrazuje je v podobě živých grafů a aktuálních hodnot a zároveň je ukládá do CSV souboru pro pozdější analýzu.
Použité vlákno
Nejdřív bylo potřeba rozhodnout, co vlastně použít jako žhavicí vlákno. U prvních žárovek se používala uhlíková vlákna, protože uhlík má poměrně vysoký elektrický odpor a při průchodu proudu se dokáže rozžhavit až do viditelného svitu. Nešlo ale o uhlík v podobě, jakou si většina lidí představí dnes. Často se používala různá organická vlákna, například bavlněná nit, papír, len nebo později i bambusové vlákno, která se nejdřív zuhelnatěla bez přístupu vzduchu. Výsledkem bylo tenké uhlíkové vlákno, které mohlo ve vakuu svítit poměrně dlouho.
Právě v tom je hlavní princip starých uhlíkových žárovek. Vlákno musí mít dostatečný odpor, aby se při průchodu proudu ohřálo na vysokou teplotu, ale zároveň musí být mechanicky dost pevné, aby se hned nepřerušilo. Další problém je okolní atmosféra. Na vzduchu by se rozžhavený uhlík velmi rychle spálil, takže původní žárovky pracovaly ve vakuu, případně pozdější typy v ochranné atmosféře.
Teoreticky by tedy šlo zkusit vyrobit vlastní uhlíkové vlákno podobným způsobem jako u starých žárovek. Například vzít bavlněnou nit, papír nebo tenký kousek dřeva a pokusit se ho zuhelnatět bez přístupu vzduchu. To je ale na domácí experiment trochu komplikovanější. Výsledek by se navíc špatně opakoval, vlákno by bylo křehké a každý kus by měl jiný odpor i mechanickou pevnost.
Proto jsem se nakonec rozhodl pro mnohem jednodušší řešení: obyčejnou tuhu do mikrotužky o průměru 0,5 mm. Je levná, snadno dostupná, má pravidelný tvar a dá se jednoduše uchytit mezi kontakty. Navíc je vodivá a při průchodu proudu se dokáže pěkně rozžhavit.
Je dobré dodat, že tuha do mikrotužky není čistý uhlík jako historické uhlíkové vlákno. Běžné tuhy bývají směsí grafitu, jílu a dalších přísad, takže jejich vlastnosti nejsou úplně ideální. Pro experimentální žárovku je to ale velká výhoda hlavně kvůli dostupnosti a jednoduchosti. Nemusím složitě vyrábět vlastní uhlíkové vlákno a můžu se víc soustředit na samotné měření, porovnání atmosfér a sledování chování vlákna při žhavení.
Pro první pokusy je tedy mikrotužková tuha ideální kompromis. Není historicky úplně přesná, ale pro domácí experiment dobře poslouží. Dá se snadno vyměnit, jednotlivé kusy mají podobné rozměry a při poškození není problém vzít další.
Zdroj napětí
Poslední, ale neméně důležitou součástí experimentu je laboratorní zdroj. Používám zdroj s maximálním výstupním napětím 30 V a proudem 5 A. Pro tento pokus je výhoda hlavně v tom, že na něm můžu plynule nastavovat napětí i proudové omezení.
Protože měřicí obvod INA219 použitý v aparatuře zvládne v mém zapojení maximální proud 3 A, nastavil jsem na laboratorním zdroji proudové omezení právě na 3 A. Díky tomu je měření bezpečnější a při případné chybě nebo zkratu by nemělo dojít k přetížení měřicí části.
Zdroj tedy v tomto experimentu neslouží jen jako napájení žhavicího vlákna, ale zároveň jako jednoduchá ochrana celého zapojení.
1. pokus – atmosféra: vzduch
První pokus jsem vzal jako referenční. Baňku jsem nijak neodčerpával ani neplnil ochranným plynem, takže uvnitř zůstal obyčejný okolní vzduch. To je pro uhlíkové vlákno nejméně vhodné prostředí, ale právě proto je to dobrý výchozí pokus pro porovnání s dalšími variantami.
Na vzduchu se rozžhavený uhlík velmi rychle spaluje. Vláknu tedy nejde jen o to, aby se rozžhavilo, ale zároveň musí co nejdéle přežít v prostředí, kde je kyslík. U tohoto pokusu jsem proto očekával, že se vlákno sice rozsvítí, ale jeho životnost bude velmi krátká.
Měření začalo při zhasnutém vláknu. Hodnota osvětlení na senzoru se pohybovala přibližně kolem 0,35 lx, což odpovídalo okolnímu světlu a šumu měření. Po přivedení napětí začal vláknem téct proud a postupně se zahřívalo. Zpočátku ale ještě prakticky nesvítilo. Proud se během pokusu dostal až na horní nastavený limit měření, tedy přibližně k 3 A.
Zajímavé bylo, že viditelný nárůst svítivosti přišel až ke konci pokusu. Jakmile se vlákno dostalo na dostatečně vysokou teplotu, svítivost rychle vystřelila nahoru. Nejvyšší naměřená hodnota byla přibližně 262 lx. V tom okamžiku bylo na vláknu asi 11 V, proud byl na proudovém omezení a elektrický výkon vycházel přibližně 35 W.
Tahle fáze ale trvala jen velmi krátce. Hned po dosažení nejvyšší svítivosti proud prakticky spadl na nulu a napětí zdroje vyskočilo na maximum. To odpovídá přerušení vlákna. Jinými slovy, vlákno se rozžhavilo, na krátký okamžik opravdu pěkně svítilo a potom se na vzduchu přepálilo.
První pokus tedy dopadl přesně podle očekávání. Uhlíkové vlákno v obyčejném vzduchu funguje jen velmi krátce. Jako praktická žárovka je to nepoužitelné, ale jako referenční měření je tento výsledek důležitý. Ukazuje, proč původní uhlíkové žárovky potřebovaly vakuum nebo jinou ochrannou atmosféru. Bez odstranění kyslíku se vlákno po rozžhavení rychle zničí.
2. pokus – atmosféra: CO₂
Druhý pokus už probíhal v ochranné atmosféře oxidu uhličitého. Cílem bylo vytlačit z baňky co nejvíc běžného vzduchu a hlavně kyslíku. Uhlíkové vlákno se totiž na vzduchu při vysoké teplotě rychle spaluje, zatímco v prostředí s malým množstvím kyslíku by mělo vydržet podstatně déle.
CO₂ není ideální náplň pro skutečnou žárovku, ale pro domácí experiment je dobře dostupný a bezpečnější než některé jiné plyny. Dá se jednoduše vyrobit například reakcí jedlé sody s kyselinou, případně použít z tlakové nádoby nebo bombičky. Pro tento pokus mi šlo hlavně o to, jestli bude rozdíl proti obyčejnému vzduchu dobře viditelný.
Rozdíl byl znát hned. U pokusu se vzduchem se vlákno po rozžhavení velmi rychle přepálilo, zatímco v CO₂ vydrželo pod proudem podstatně déle. Proud se po rozběhu držel na proudovém omezení, v naměřených datech přibližně na hodnotě 3,2 A. Napětí na vláknu bylo zpočátku kolem 3 V, takže výkon vycházel zhruba 10 W.
Po většinu pokusu senzor osvětlení téměř nic nezaznamenával. Vlákno bylo napájené, proud jím procházel, ale svit byl velmi malý. Zajímavé ale bylo postupné zvyšování napětí při stejném proudu. To znamená, že odpor vlákna během pokusu rostl. Zhruba po deseti minutách bylo napětí stále jen okolo 3,1 V, později začalo růst výrazněji a ke konci se dostalo přes 5 V.
Nejvýraznější svit přišel až úplně na konci pokusu. Těsně před přerušením vlákna bylo na vláknu naměřeno přibližně 8,2 V, proud byl stále kolem 3,2 A a výkon dosáhl asi 26 W. V tu chvíli byla naměřena nejvyšší svítivost, přibližně 25 lx. Hned potom proud spadl téměř na nulu a napětí zdroje vyskočilo na maximum, což znamená, že se vlákno přerušilo.
Celý pokus s CO₂ tedy trval výrazně déle než pokus se vzduchem. Od začátku zatížení až po přerušení vlákna uběhlo přibližně 22 minut. To je zásadní rozdíl proti obyčejnému vzduchu, kde bylo zničení vlákna otázkou velmi krátké doby po rozžhavení.
Výsledek ukazuje, že oxid uhličitý opravdu pomohl omezit rychlé spálení vlákna. Zároveň se ale ukázalo, že ani CO₂ není pro uhlíkové vlákno ideální prostředí. Vlákno se během pokusu postupně měnilo, jeho odpor rostl a nakonec se stejně přerušilo. Pravděpodobně hrála roli zbytková přítomnost kyslíku v baňce, vysoká teplota vlákna a možná i reakce uhlíku s oxidem uhličitým při vysoké teplotě.
Pro experiment je to ale velmi dobrý výsledek. CO₂ výrazně prodloužil životnost vlákna a jasně ukázal, jak velký vliv má atmosféra uvnitř baňky. Oproti vzduchu se žárovka nechovala jako okamžitě zničený pokus, ale jako dlouhodobější měření, na kterém je pěkně vidět postupná změna odporu, výkonu i závěrečné přerušení vlákna.
3. pokus – atmosféra: vzduch – podtlak
Poslední pokus proběhl při sníženém tlaku. Baňku jsem neodčerpával na skutečné hluboké vakuum, ale pouze na měřitelný podtlak. Podle použitého podtlakového měřáku byla hodnota přibližně −155 až −160 mbar vůči okolnímu atmosférickému tlaku. Pokud budeme počítat s běžným tlakem okolo 1000 mbar, odpovídá to absolutnímu tlaku uvnitř baňky přibližně 850 až 860 mbar.
Nešlo tedy o pravé vakuum, ale spíš o vzduch při sníženém tlaku. I tak je to pro experiment zajímavé, protože se tím alespoň částečně sníží množství vzduchu a kyslíku uvnitř baňky. Od tohoto pokusu jsem nečekal zázraky. Aparatura není profesionální vakuová komora a použitý podtlak je poměrně malý. Cílem bylo hlavně zjistit, jestli i takové domácí částečné odčerpání vzduchu bude mít proti obyčejnému vzduchu měřitelný vliv.
Po většinu pokusu bylo světlo velmi slabé. Vlákno bylo napájené, proud jím procházel, ale naměřená svítivost se držela jen těsně nad základní hodnotou. Zajímavá změna přišla až ke konci měření. Přibližně od 187. sekundy začala svítivost růst výrazněji a během několika posledních sekund vystřelila prudce nahoru.
Maximum nastalo těsně před přerušením vlákna, přibližně v čase 193,6 s. V tu chvíli bylo na vláknu naměřeno asi 11,03 V, proud 3,2 A a výkon přibližně 35,3 W. Odpor vlákna vycházel asi 3,45 Ω. Luxmetr naměřil maximum 187 lx.
Z naměřené hodnoty osvětlení vychází orientační odhad světelného toku přibližně 588 lm a účinnost kolem 16,7 lm/W. Tento údaj je ale potřeba brát jen jako orientační. Není to měření ve světelné kouli, ale pouze přepočet z jednoho luxmetru umístěného v jedné vzdálenosti a směru. Pro porovnání jednotlivých pokusů je to ale pořád zajímavý údaj.
Krátce po dosažení maxima se vlákno přerušilo. V datech je to krásně vidět jako prudký skok napětí zdroje na maximum, tedy přibližně 31 V, a zároveň pokles proudu téměř na nulu. Svítivost se po přerušení okamžitě vrátila skoro na základní hodnotu.
Z pohledu samotného svitu vyšel pokus s podtlakem jako nejzajímavější. U obyčejného vzduchu se vlákno sice rozžhavilo velmi rychle, ale skoro okamžitě se přepálilo. U CO₂ naopak vlákno vydrželo pod proudem dlouho, ale většinu času téměř nesvítilo. K výraznějšímu rozžhavení došlo až ke konci a potom se vlákno opět rychle přerušilo.
Při podtlaku byl průběh vyváženější. Vlákno se začalo žhavit poměrně brzy, svit byl výraznější a žárovka nějakou dobu opravdu svítila, než došlo k závěrečné špičce a přepálení vlákna. Nešlo sice o dokonalé vakuum, ale i poměrně malý podtlak kolem −160 mbar měl na chování vlákna znatelný vliv.
Porovnání jednotlivých pokusů
Po dokončení všech tří měření je možné jednotlivé pokusy porovnat. Důležité je ale nehodnotit jen celkový čas záznamu, protože na začátku každého logu byla chvíle, kdy se ještě nic nedělo. Proto v tabulce počítám čas pokusu až od okamžiku, kdy se začalo zvyšovat napětí na vláknu.
U všech pokusů byl použit stejný princip měření. Zdroj byl nastavený s proudovým omezením kolem 3 A, přičemž v záznamu se proud dostával přibližně na 3,2 A. Hodnoty světelného toku a účinnosti jsou pouze orientační, protože vycházejí z měření luxmetrem v jedné vzdálenosti a jednom směru.
| Atmosféra | Čas pokusu | Maximum osvětlení | Napětí při max. osvětlení | Výkon při max. osvětlení | Orientační světelný tok | Orientační účinnost |
|---|---|---|---|---|---|---|
| vzduch | 105,2 s | 262 lx | 11,08 V | 35,44 W | 823 lm | 23,2 lm/W |
| CO₂ | 1317,4 s | 25 lx | 8,16 V | 26,10 W | 80 lm | 3,1 lm/W |
| podtlak | 145,0 s | 187 lx | 11,03 V | 35,30 W | 588 lm | 16,7 lm/W |
Na první pohled by se mohlo zdát, že nejlépe dopadl pokus s CO₂, protože vlákno vydrželo pod proudem nejdéle. Od začátku zvyšování napětí do přerušení uběhlo přes 21 minut. Jenže při pohledu na svítivost je vidět, že po většinu času vlákno téměř nesvítilo. K výraznějšímu rozžhavení došlo až úplně na konci a krátce potom se vlákno přerušilo.
Pokus se vzduchem byl pravý opak. Vlákno se rozžhavilo rychleji a dosáhlo dokonce nejvyšší špičkové hodnoty osvětlení, přibližně 262 lx. Jenže na vzduchu se rozžhavený uhlík velmi rychle spaluje, takže po dosažení výrazného svitu následovalo téměř okamžité přepálení vlákna. Tento pokus dobře ukázal, proč uhlíkové vlákno nemůže dlouhodobě pracovat v obyčejném vzduchu.
Nejlépe z praktického pohledu vyšel pokus s podtlakem. Nešlo o skutečné vakuum, ale pouze o částečné odčerpání na přibližně −160 mbar vůči okolnímu tlaku. Přesto se vlákno chovalo nejvíc jako skutečná žárovka. Začalo se rozžhavovat poměrně rychle, dosáhlo výrazného svitu a chvíli opravdu svítilo, než přišla závěrečná špička a přerušení.
Z porovnání tedy vychází zajímavý závěr. CO₂ prodloužilo dobu, po kterou vláknem protékal proud, ale z hlediska použitelného světla nebylo nejlepší. Vzduch umožnil rychlé rozžhavení, ale vlákno se velmi rychle spálilo. Podtlak nabídl nejlepší kompromis mezi rozžhavením, svítivostí a průběhem pokusu.
Pro další pokusy proto dává největší smysl pokračovat právě směrem k lepšímu podtlaku. Už poměrně malé snížení tlaku mělo znatelný vliv na chování vlákna. Pokud by se podařilo dosáhnout hlubšího vakua a lépe utěsnit celou aparaturu, mohla by další verze uhlíkové žárovky vydržet svítit podstatně déle.
Závěr
Celý pokus pro mě byl hlavně návratem ke starému nápadu, ale tentokrát s možností vše lépe změřit a porovnat. Ukázalo se, že i jednoduchá domácí aparatura dokáže dát zajímavá data a že podobný experiment nemusí být jen o tom, jestli se něco rozsvítí, nebo ne. Nejdůležitější pro mě nakonec nebyl samotný výsledek, ale možnost sledovat celý průběh, porovnat jednotlivé varianty a z naměřených hodnot si udělat lepší představu o tom, co se s vláknem při žhavení opravdu děje. První verzi experimentu tím považuji za povedenou a do budoucna se nabízí hlavně vylepšení těsnění, dosažení lepšího podtlaku a pokus o delší životnost vlákna.