Žarnice in varčne sijalke

Primerjava med žarnicami in varčnimi sijalkami

Objavljeno: 28. 01. 2012
Andrej Lavrič

Žarnice so svetila, ki oddajajo svetlobno zato, ker je žarilna nitka segreta na visoko temperaturo. Sijalke so fluorescenčna svetila, ki oddajajo svetlobo zato, ker jih vzbuja sevanje z višjo energijo, kot je sevanje oddane svetlobe (npr. UV sevanje). Glej tudi Seminarske naloge iz fizike: Svetloba in barve.

Žarnice sevajo približno kot črno telo

svetila, ki sevajo kot črno telo
Sveča, žarnica in sonce sevajo zvezni spekter kot črno telo

Prvo uporabno žarnico je izdelal ameriški izumitelj Thomas Alva Edison (1847 – 1931). Po mnogih neuspelih poskusih je 22 oktobra 1879 uspel narediti žarnico, ki je svetila kar 40 ur. To je bila žarnica na ogleno nitko, vpeto na dve platinasti žički in nameščeno v stekleno bučko, iz katere je izsesal zrak.

Sonce in žarnice sevata približno kot črno telo Na spekter svetlobe, ki ga seva sonce, se je prilagodilo človeško oko, saj je najbolj občutljivo ravno za tisti del spektra, kjer je gostota moči sevanja sonca največja.

Sonce, žarnica na volframovo nitko ali sveča imajo skupno to, da dajo mehko svetlobo. To pomeni, da sevajo svetlobo vseh valovnih dolžin (zvezni spekter) na področju vidne svetlobe in ne samo posamezne valovne dolžine (diskretni spekter, značilen za varčne sijalke). Svetloba je mehka, vendar je spektralni izkoristek sevanja pri nižjih temperaturah majhen (večina sevalne energijed je v infrardečem delu spektra).

Spektralni izkoristek svetil, ki sevajo kot črno telo

V čem je razlika med svečo, žarnico in soncem? Vsa tri svetila sevajo zvezni spekter podobno kot črno telo, razlika je v sevalni temperaturi. Od sevalne temperaturo je odvisno tudi, koliki del spektra, ki ga seva črno telo odpade na vidno svetlobe. To je izkoristek sevanja. Izkoristek narašča z višjo sevalno temperaturo. Če bi volframovo žarnico uspeli segreti na 5500K, bi imela izkoristek namesto 8% kar 43% in polni spekter svetlobe, podobno kot sonce. Na žalost ima volfram tališče pri 3295K. Pomagamo si lahko s plazmo (ioniziranim plinom): npr. obločno žarnico.

SVETILOTEMPERATURA (KELVINI)IZKORISTEK (%)
sveča1800 K0,6
žarnica2800 K8
sonce5600 K43

Kaj je sevalna moč in spekter svetlobe

Spekter sevanja črnega telesa
Spekter sevanja črnega telesa na treh temperaturah

Svetilo oddaja svetlobno moč, ki pada s kvadratom razdalje od svetila. Svetlobna moč je pri sevanju črnega telesa porazdeljena med vse frekvence (ali valovne dolžiname). Koliki del te moči je znotraj opazovane frekvenčne širine (ali npr. med dvema opazovanima valovnima dolžinama, ki se razlikujeta za 1µm, kot je na grafih) nam pove spekter svetlobe. V vseh prikazanih primerih je spekter svetlobe zvezen, v spektru ni špic – to je diskretnih komponent. Diskretne komponente pomenijo veliko gostoto moči okoli posameznih valovnih dolžin. Oko bi lahko tudi v tem primeru zaznalo belo svetlobo, vendar pa taka svetloba ne omogoča prijetnega počutja. To je primer večine varčnih sijalk.

Spekter svetlobe, ki ga seva črno telo je odvisno od njegove temperature in ga lahko izračunamo s pomočjo Planckovega zakona.

Primerjajmo spekter sevane svetlobe pri treh temperaturah:

V primeru sveče (1800K) je vrh spektra sevane svetlobe izrazito premaknjen proti večjim valovnim dolžinam, torej proti infrardečemu delu spektra. Valovne dolžine vidne svetlobe – na grafih so označene kot mavrica, prispevajo le majhen delež k celotni izsevani moči – le 0,6%.

Slika je nekoliko ugodnejša pri sevalni temperaturi 2800K, vendar je še vedno pretežni del spektra na področju infrardeče svetlobe. Od vidnega dela svetlobe je poudarjena rdeča barva. Spektralni izkoristek takega svetila je 8%.

V primeru sevalne temperature 5600K se vrh spektra sevane svetlobe pokrije s spektrom vidne svetlobe. Spektralni izkoristek je kar 43%. Svetloba je enaka svetlobi, ki jo daje sonce. To je tudi svetloba, na katero je prilagojeno naše oko.

Svetilo (žarnica ali sijalka) , ki nam da tak spekter svetlobe (ali vsaj podoben), se imenujejo svetilo s polnim spektrom (Full Spectrum Light, True Light, Vita Light). Poleg polnega spektra vidne svetlobe vsebuje tudi zdravi nivo UV žarkov. Kot nadomestek ali dopolnitev sončne svetlobo deluje antidepresivno, omogoča dobro počutje in ustvarjalno delo. Vsi imamo izkušnjo, da se bolje počutimo v sončnem poletnem dnevu kot v mračnem dnevu jeseni.

 Varčne sijalke

varčna žarnica - sijalka Varčna sijalka

Varčne sijalke sijejo zato, ker jih vzbuja svetloba višje frekvence (manjše valovne dolžine) od svetlobe, ki jo nato seva. Pojavu pravimo fluorescenca.

V cevi sijalke je običajno živosrebrna para, ki seva ultravioletna (UV) žarke. Elektroni v atomih snovi, s katerimi so cevi znotraj prevlečene, zaradi UV sevanja prehajajo v višja energetska stanja in nato postopoma padajo nazaj v osnovno stanje. Pri tem sevajo svetlobo s frekvenco, ki je sorazmerna spremembi energetskega stanja. Koeficient sorazmernosti je Planckova konstanta.

Katere frekvence seva je odvisno od snovi, s katero je prevlečena (energetskih nivojev vzbujenih stanj). Ker sevajo sijalke večinoma fotone vidne svetlobe, je njihov izkoristek bistveno večji od izkoristka žarnic na volframovo nitko.Zato jim pravimo tudi varčne sijalke. Glede na spekter oziroma barvo svetlobe, ki jo oddajajo jih delimo na:

Vrsta sijalke Ekvivalentna barvna temperatura v Kelvinih
Topla bela (Warm White) 2700
Hladna bela (Cool White)
ali dnevna bela (Day White)
4100
Običajna bela (Triten)5000
Sijalka s polnim spektrom
(Full Spectrum)
5500
Dnevna svetloba (Daylight) 6500

Ke pri varčni sijalki ne velja Planckov zakon, lahko govorimo le o ekvivalentni barvni temperaturi. Primerjamo namreč barvne vtise, ki jih daje varčna sijalka in črno telo na različnih temperaturah.

Spekter varčnih sijalk ni zvezen, kar sicer velja za sevalni spekter črnega telesa. Diskretne komponente v spektru svetlobe pomenijo veliko sevalno moč v ozkih frekvenčnih pasovih, kar je moteče za oko.

Indeks barvnega videza (Colour Rendering Index)

Spekter sijalke
Spekter varčne sijalke v primerjavi s spektrom sonca

Odstopanje spektra sijalke od spektra sevanja črnega telesa določa indeks barvnega videza (Colour Rendering Index – CRI). CRI je vpeljala CIE (International Commission on Illumination). Pove nam, kako prijetna bo svetloba za oko. Oznaka na svetilih, ki podaja indeks barvnega videza je CRI ali Ra.

Za posamezno sijalko se določa CRI s pomočjo meritve njenega spektra pri osmih valovnih dolžinah. Testne vzorce primerjajo s spektrom črnega telesa pri isti barvni temperaturi in valovni dolžini ter rezultate povprečijo.

Fluorescenčne sijalke imajo tipičen Ra med 69 in 89, pri čemer smatrajo, da so žarnice z Ra 80 do 85 že zelo dobre. Črno telo ima Ra 100, monokromatski laserski žarek pa 0 (oddaja svetlobo ene same valovne dolžine). Daleč najboljšo svetlobo imajo svetila s polnim, naravnim spektrom, kjer je Ra večji od 96. Njihova svetloba je mehka in stimulativna – podobna soncu.

Varčna sijalka mora imeti podane naslednje karakteristike: celotno sevalno moč v vatih (to je tudi omrežna priključna moč), svetilno moč v lumnih ( ki že upošteva občutljivost človeškega očesa na barve svetlobe), ekvivalentno barvno temperaturo (ali komercialno oznako, ki jo določa) in indeks barvnega videza (CRI). Slednji nam pove, kako prijetna, nemoteča bo svetloba. Še najmanj pove podatek, kako močno žarnico na žarilno nitko lahko nadomesti določena varčna sijalka, še zlasti, če primerjamo svetili z različnima barvnima temperaturama.

Indeks barvnega videza (CRI ali Ra ) in barvno temperaturo lahko podajajo tudi v obliki trimestnega števila: Primer števila 840:
8 pomeni, da je Ra nekje med 80 in 85
40 pomeni, da je barvna temperatura 4000K.

Andrej Lavrič

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Inštrukcije fizike

Pokličite GSM: 041 412 998 Inštrukcije fizike 

Priporočila na spletu

Facebook stran