Proč se vlákno žárovky nejčastěji přepálí při rozsvícení?

Nejčastější příčinou přepálení žárovkového vlákna při rozsvícení je prudký nárůst elektrického proudu, který vzniká, jakmile se obvod poprvé uzavře. Tato náhlá změna způsobí, že vlákno, běžně vyrobené z wolframu či podobného kovu, projde razantním teplotním skokem. V okamžiku, kdy je žárovka ještě studená, má totiž kov vyšší vodivost a odpor vlákna se mění odlišně, než když je již žhavé. Díky tomu prochází dočasně vyšší proud, než jaký by jím protékal v ustáleném stavu, a tak se vlákno ocitá ve značně namáhané pozici. Elektrický proud v této chvíli působí skoro jako přívalová vlna, která vlákno nečekaně zasáhne a zatíží celou jeho strukturu. Materiál je vystaven velkému teplotnímu i mechanickému namáhání v průběhu pár milisekund, což může i drobnou vadu nebo oslabené místo proměnit v trhlinu. V důsledku této trhliny se potom kontakt přeruší ve chvíli, kdy to člověk nejméně čeká.

Úsporné žárovky za pár kaček na Heuréce

V okamžiku rozsvícení žárovky dochází také k extrémnímu teplotnímu šoku, který má vliv na životnost wolframového vlákna, a to jak z dlouhodobého, tak i krátkodobého hlediska. Teplotní změny probíhají tak prudce, že se materiál vlákna nestačí přirozeně roztáhnout a opět smrštit, aniž by vznikly drobné praskliny. Zatímco u některých moderních typů žárovek se výrobci snaží design vylepšit speciální úpravou povrchu či použitím plynů v baňce, u starších typů tento fenomén bývá mnohem patrnější. Náhlé zahřátí na vysokou teplotu v mžiku času prostě vystaví vlákno extrémům, což zvyšuje pravděpodobnost jeho selhání právě ve chvíli, kdy by se dalo říct, že bude nejvíce potřebné. Čím častěji se žárovka vypíná a zapíná, tím větší jsou výkyvy a jejich negativní dopad na vnitřní strukturu vlákna. Pokaždé, když se v místnosti ozve cvaknutí vypínače, proběhne tentýž cyklus napětí a šoků, který kráčí neúprosně směrem k nevyhnutelnému konci vlákna.

Čím nahradit 100 W žárovku?

Třetím faktorem je samotné složení wolframu a jeho mikroskopických nečistot, které vznikají během zpracování v továrně a také používáním po delší dobu. Velmi drobné defekty na povrchu vlákna mohou za určitých podmínek nastartovat praskliny, které se při zapnutí rychle rozšíří a způsobí přerušení okruhu. Je to podobné, jako když se v tenké nitce objeví malé natržení: pokud se s nití dál manipuluje prudkými pohyby, rána se rozevře. U wolframu je sice jeho vysoká teplota tání a pevnost obrovskou výhodou, ale teplotní změny a velké proudové skoky dokážou i tento relativně odolný materiál postupně oslabit. V praxi to znamená, že i když by žárovka mohla teoreticky fungovat stovky hodin, pár pečlivě maskovaných mikroskopických chyb může tuto životnost výrazně zkrátit. Nakonec stačí jedna nešťastná kombinace teplotního šoku a existující prasklinky a žárovka zhasne navždy.

Dlouhodobé cyklické namáhání je dalším aspektem, který má přímý vliv na to, že se vlákno přepálí právě při rozsvícení. Postupem času se v kovové mřížce hromadí drobné únavové trhliny, a pokud vlákno není vyrobeno dostatečně pečlivě, po určitém počtu rozsvícení a zhasnutí se slabé místo nevyhnutelně projeví. Když se vlákno nechá vychladnout a potom jej náhle znovu zatížíme elektrickým proudem, přidáváme pokaždé další díl tepelného a mechanického stresu. Vlákno se sice dále rozžhaví a svítí, jenže vnitřní struktura kovu utrpí malé zranění, které se stává stále citelnějším. Tento efekt lze přirovnat k opakovanému ohýbání drátu na stejném místě: zpočátku to vypadá neškodně, ale jednoho dne se drát prostě zlomí. Zatěžování tímto cyklem postupně oslabuje schopnost wolframu odolávat náhlým skokům, až nakonec dojde k finální ráně, kdy se vlákno prolomí.

Dalším problémem může být i ne zcela stabilní napětí v elektrické síti a samotné výrobní tolerance, které se v různých žárovkách liší. Jestliže napětí kolísá nebo je vyšší, než pro jaké je vlákno navrženo, dochází při rozsvícení k ještě většímu zatížení. Výrobci se většinou snaží dodržovat normy a dimenzují žárovku na určitý rozsah voltáže, ale v praxi to nemusí být stoprocentní. Když se k tomu přidá kolísání sítě, které může být způsobeno různými spotřebiči v domácnosti či okolí, tlak na vlákno je větší, než je zdravé. Ani malé výkyvy se nedají zcela vyloučit, zejména pokud je elektrický rozvod v budově staršího data nebo dochází k větším odběrům. Navíc i v rámci stejné série žárovek může existovat drobná odchylka ve výrobě, takže některá vlákna prostě vydrží méně.

Souhrnem se dá říct, že naprostá většina těchto selhání nastává přesně v okamžiku rozsvícení kvůli kombinaci přepěťových jevů, termomechanického šoku, struktury materiálu a opotřebení z předchozích cyklů. V dnešní době se mnoho uživatelů přiklání k úspornějším nebo LED světelným zdrojům, které těmito jevy netrpí tak výrazně a mají delší životnost, nicméně klasická žárovka stále zůstává v mnoha ohledech nenahraditelná pro svůj přirozený teplý svit i nízkou pořizovací cenu. Stále tedy záleží na preferencích a určitých podmínkách, zda člověk zvolí tradiční wolframovou žárovku, anebo novější technologii. Z hlediska fyziky a materiálového inženýrství je však nezpochybnitelné, že nejcitlivější okamžik života žárovky se odehrává v prvních vteřinách po zapnutí, kdy se roztančí proud a teplota jako v horečné symfonii. A jakmile v ní něco selže, světlo už se nevrátí.

Autor: Martina Dvořáková