منذ الفترات المبكرة من التاريخ وحتى بداية القرن التاسع عشر ، كانت النار هي المصدر الأساسي للرجل. تم إنتاج هذا الضوء من خلال وسائل مختلفة - المشاعل والشموع ومصابيح الزيت والغاز. إلى جانب الخطر الذي يمثله اللهب المكشوف (خاصة عند استخدامه في الداخل) ، فإن مصادر الضوء هذه لا توفر إضاءة كافية.
تم إجراء المحاولات الأولى لاستخدام الضوء الكهربائي بواسطة الكيميائي الإنجليزي السير همفري ديفي. في عام 1802 ، أظهر ديفي أن التيارات الكهربائية يمكنها تسخين شرائح رقيقة من المعدن إلى حرارة بيضاء ، وبالتالي إنتاج الضوء. كانت هذه بداية الضوء الكهربائي المتوهج (يُعرّف بأنه يتوهج مع الحرارة الشديدة). التطور الرئيسي التالي كان ضوء القوس. كان هذا في الأساس قطبين ، عادة ما يكونان من الكربون ، مفصولين عن بعضهما البعض بواسطة مساحة هواء قصيرة. يتم تطبيق التيار الكهربائي على أحد الأقطاب الكهربائية المتدفقة إلى ومن خلال القطب الآخر مما يؤدي إلى وجود قوس من الضوء عبر الفضاء الجوي. كانت مصابيح القوس (أو المصابيح الكهربائية) تستخدم أساسًا في الإضاءة الخارجية ؛ كان السباق لا يزال مستمراً بين مجموعة كبيرة من العلماء لاكتشاف مصدر مفيد للإضاءة الداخلية.
كانت الصعوبة الأساسية في كبح تطور ضوء ساطع ذي جدوى تجارية هي إيجاد عناصر متوهجة مناسبة. وجد ديفي أن البلاتين كان المعدن الوحيد الذي يمكن أن ينتج حرارة بيضاء لأي مدة زمنية. تم استخدام الكربون أيضًا ، لكنه يتأكسد بسرعة في الهواء. كان الجواب هو تطوير فراغ من شأنه أن يحفظ الهواء بعيدا عن العناصر ، وبالتالي الحفاظ على المواد المنتجة للضوء.
توماس أديسون ، مخترع شاب يعمل في مينلو بارك ، نيو جيرسي ، بدأ العمل على شكله الخاص من الضوء الكهربائي في سبعينيات القرن التاسع عشر. في عام 1877 انخرط إديسون في الاندفاع نحو مصدر إضاءة كهربائي مرضٍ ، حيث كرس مشاركته الأولية لتأكيد أسباب إخفاق منافسيه. ومع ذلك ، فقد قرر أن البلاتين جعل الموقد أفضل بكثير من الكربون. من خلال العمل مع البلاتين ، حصل إديسون على أول براءة اختراع له في أبريل عام 1879 على مصباح غير عملي نسبيًا ، لكنه واصل البحث عن عنصر يمكن تسخينه بكفاءة واقتصادًا.
ارتسمت إديسون أيضًا مع المكونات الأخرى لنظام الإضاءة ، بما في ذلك بناء مصدر الطاقة الخاص به ووضع نظام أسلاك رائع يمكنه التعامل مع عدد من المصابيح المحترقة في نفس الوقت. اكتشافه الأكثر أهمية ، ومع ذلك ، كان اختراع خيوط مناسبة. كان هذا سلكًا رفيعًا يشبه الخيوط والذي قدم مقاومة عالية لمرور التيارات الكهربائية. معظم الخيوط المبكرة أحرقت بسرعة كبيرة ، مما يجعل هذه المصابيح عديمة الفائدة تجاريا. لحل هذه المشكلة ، بدأ إديسون مرة أخرى في تجربة الكربون كوسيلة للإضاءة.
وأخيراً اختار خيوط القطن المتفحمة كمواد خيوط له. تم تثبيت الخيوط على أسلاك البلاتين التي تحمل التيار من وإلى خيوط. ثم وضعت هذه المجموعة في لمبة زجاجية تنصهر عند الرقبة (تسمى الختم). أزلت مضخة فراغ الهواء من اللمبة ، وهي خطوة بطيئة ولكن حاسمة. أسلاك الرصاص التي سيتم توصيلها بالتيار الكهربائي بارز من المصباح الزجاجي.
في 19 أكتوبر 1879 ، أجرى إديسون أول اختبار له لهذا المصباح الجديد. استمر لمدة يومين و 40 ساعة (21 أكتوبر - وهو اليوم الذي احترق فيه الخيط أخيرًا - هو التاريخ المعتاد المحدد لاختراع المصباح العملي الأول). بالطبع ، خضع هذا المصباح الأصلي لعدد من التنقيحات. تم إنشاء مصانع لتصنيع المصابيح الكهربائية ذات الإنتاج الضخم وتم إحراز تقدم كبير في أنظمة الأسلاك والكهرباء الحالية. ومع ذلك ، فإن المصابيح المتوهجة اليوم تشبه إلى حد كبير مصابيح أديسون الأصلية. وتتمثل الاختلافات الرئيسية في استخدام خيوط التنغستن والغازات المختلفة لتحقيق كفاءة أعلى وزيادة الإضاءة الناتجة عن خيوط تسخينها إلى درجات حرارة أعلى.
على الرغم من أن المصباح المتوهج كان أول نوع من المصباح الكهربائي الأقل تكلفة بالتأكيد ، إلا أن هناك مجموعة كبيرة من المصابيح الكهربائية التي تخدم عدد لا يحصى من الاستخدامات:
- مصابيح الهالوجين التنغستن
- مصابيح الفلورسنت هي أنابيب زجاجية تحتوي على بخار الزئبق وغاز الأرجون. عندما تتدفق الكهرباء عبر الأنبوب ، يتسبب الزئبق المتبخر في إطلاق طاقة فوق بنفسجية. ثم تصطدم هذه الطاقة بالفسفور الذي يغطى الجزء الداخلي من المصباح ، مما ينبعث منه الضوء المرئي.
- تحتوي مصابيح بخار الزئبق على مصباحين - أنبوب القوس (مصنوع من الكوارتز) داخل لمبة زجاجية واقية. يحتوي أنبوب القوس على بخار زئبقي عند ضغط أعلى من مصباح الفلورسنت ، مما يسمح لمصباح البخار بإنتاج الضوء دون استخدام طلاء الفسفور.
- مصابيح النيون عبارة عن أنابيب زجاجية ، مملوءة بغاز النيون ، تتوهج عندما يحدث تفريغ كهربائي فيها. يتم تحديد لون الضوء بواسطة خليط الغاز. غاز النيون النقي يعطي ضوء أحمر.
- مصابيح الهاليد المعدنية ، التي تستخدم بشكل أساسي في الهواء الطلق للملاعب والطرق ، تحتوي على مركبات كيميائية من المعدن والهالوجين. يعمل هذا النوع من المصابيح بنفس الطريقة التي تعمل بها مصابيح بخار الزئبق ، باستثناء أن هاليد المعدن يمكن أن ينتج توازن ألوان أكثر طبيعية عند استخدامه بدون الفسفور.
- مصابيح الصوديوم عالية الضغط تشبه مصابيح بخار الزئبق ؛ ومع ذلك ، فإن أنبوب القوس مصنوع من أكسيد الألومنيوم بدلاً من الكوارتز ، ويحتوي على خليط صلب من الصوديوم والزئبق.
توماس أديسون (في الوسط ، مع غطاء) مع عمال في مختبره في مينلو بارك ، نيو جيرسي. لقد التقطت الصورة في عام ظ،ظ¨ظ¨ظ*.أكثر من عشرين مخترعًا ، يعود تاريخهم إلى ثلاثينيات القرن التاسع عشر ، أنتجوا أضواء كهربائية ساطعة بحلول الوقت الذي دخل فيه توماس إديسون في البحث. كانت سبعينيات القرن التاسع عشر العقد الحاسم ، حيث تم الجمع بين تقنيات الإنتاج وقوى الطلب لجعل البحث عن ضوء كهربائي مجدي تجاريا سباق التكنولوجيا الفائقة وعالي المخاطر في تلك الحقبة. أنشأ إديسون مختبر أبحاثه في ريف مينلو بارك ، نيو جيرسي ، في منتصف الطريق بين مدينة نيويورك وفيلادلفيا. تم بناء مبنى المختبرات والعديد من المباني الخارجية في عام 1876 مع الأرباح التي حققها إديسون باختراعات التلغراف الخاصة به. كان ينوي في البداية أخذ مشاريع من أي مستثمر يريد مساعدته ومواصلة العمل على أفكاره الخاصة في أنظمة التلغراف والهاتف.
في عام 1877 ، قرر إديسون الدخول في السباق الذي حظي بشهرة واسعة للحصول على لمبة إضاءة ناجحة وتوسيع مرافق مختبره مع ورشة الآلات ومكتبة ومكتبة البحوث. نما عدد الموظفين من 12 إلى أكثر من 60 عامًا حيث تناول إديسون نظام الإضاءة بالكامل ، من مولد إلى عازل إلى لمبة متوهجة. على طول الطريق ، ابتكر إديسون عملية اختراع جديدة ، ينظم نهجًا جماعيًا يجمع التمويل والمواد والأدوات والعمال المهرة معًا في "مصنع للاختراع". وهكذا ، فإن البحث عن المصباح الكهربائي يوضح أشكالًا جديدة من البحث والتطوير تم تطويرها لاحقًا بواسطة General Electric و Westinghouse وشركات أخرى.
ويليام س. بريتزر
مواد أولية
يركز هذا القسم بالإضافة إلى القسم التالي (عملية التصنيع) على المصابيح الكهربائية المتوهجة. كما ذكرنا سابقًا ، تم استخدام العديد من المواد المختلفة للخيوط حتى أصبح التنغستن هو المعدن المفضل خلال الجزء الأول من القرن العشرين. على الرغم من الهشاشة للغاية ،
أحد المكونات الرئيسية في المصباح الكهربائي ، الشعيرة ، يتم تحضيرها عن طريق خلط التنغستن والموثق ثم سحب الخليط في سلك رفيع حول مغزل فولاذي. Aher تسخين السلك ثم حل مغزل مع الحمض ، يفترض خيوط شكله ملفوف السليم.
يمكن أن خيوط التنغستن تحمل درجات حرارة تصل إلى 4500 درجة فهرنهايت (2480 درجة مئوية) وما فوق. يعتبر تطوير خيوط التنغستن أعظم تقدم في تكنولوجيا المصباح الكهربائي لأن هذه الخيوط يمكن إنتاجها بثمن بخس وتستمر لفترة أطول من أي من المواد السابقة.عادة ما تكون أسلاك التوصيل أو الأسلاك المصنوعة من الرصاص مصنوعة من سلك حديد نيكل (يُسمى dumet لأنه يستخدم معادن). هذا السلك مغموس في محلول بوراكس لجعل السلك أكثر تمسكا بالزجاج. المصباح نفسه مصنوع من الزجاج ويحتوي على مزيج من الغازات ، عادة الأرجون والنيتروجين ، مما يزيد من عمر الشعيرة. يتم ضخ الهواء من المصباح واستبداله بالغازات. قاعدة موحدة يحتفظ التجميع بأكمله في مكانه. القاعدة ، والمعروفة باسم "قاعدة برغي إديسون" ، كانت في الأصل مصنوعة من النحاس وعزلت بجص باريس ثم الخزف لاحقًا . اليوم ، يتم استخدام الألومنيوم من الخارج ويستخدم الزجاج لعزل داخل القاعدة ، مما ينتج عنه قاعدة أقوى.
عملية التصنيع
تتراوح استخدامات مصابيح الإضاءة من مصابيح الشوارع إلى المصابيح الأمامية للسيارات إلى المصابيح الكهربائية. لكل استخدام ، يختلف المصباح الفردي في الحجم والقوة الكهربائية ، والتي تحدد مقدار الضوء الذي تصدره اللمبة (شمعة). ومع ذلك ، فإن جميع المصابيح الضوئية المتوهجة لها الأجزاء الأساسية الثلاثة - الشعيرة ، المصباح والقاعدة. تم إنتاج المصباح الكهربائي يدويًا بالكامل تقريبًا ، وتم إنتاجه يدويًا.
خيوط
- 1 يتم تصنيع الشعيرة من خلال عملية تُعرف بالرسم ، حيث يتم خلط التنغستن بمادة الموثق ويتم سحبه عبر فتحة - شكل فتحة - إلى سلك ناعم. بعد ذلك ، يتم لف السلك حول قضيب معدني يسمى مغزل من أجل تشكيله في شكل ملفوف مناسب ، ومن ثم يتم تسخينه في عملية تعرف باسم الصلب. تعمل هذه العملية على تليين السلك وتجعل هيكله أكثر تناسقًا. ثم يذوب في مغزل حمض.
- 2 الخيوط الملتفة موصولة بالأسلاك الرصاصية. تحتوي الأسلاك الأمامية على خطاطيف في نهاياتها يتم الضغط عليها إما في نهاية الشعيرة أو ، في المصابيح الكبيرة ، ملحومة بالبقعة.
لمبة زجاجية
- 3 يتم إنتاج المصابيح أو أغلفة الزجاج باستخدام آلة الشريط. بعد التدفئة في
تقريبًا ، تتم عملية تصنيع المصباح الكهربائي بالكامل تلقائيًا. يتم تفجير المصابيح الزجاجية بواسطة آلة الشريط التي يمكن أن تنتج أكثر من 50000 مصباح في الساعة. بعد إدخال مجموعة الشعيرة والساق في المصباح ، يتم إخلاء الهواء الموجود داخل المصباح ويتم ضخ خليط الأرجون / النيتروجين. أخيرًا ، يتم إغلاق القاعدة.
فرن ، يتحرك شريط مستمر من الزجاج على طول حزام ناقل. فتحات الهواء المحاذاة بدقة تهب الزجاج من خلال الثقوب الموجودة في حزام النقل إلى قوالب ، مما ينتج عنه أغلفة. يمكن لآلة الشريط التي تتحرك بسرعة قصوى إنتاج أكثر من 50000 مصباح في الساعة. بعد تفجير الأغطية ، يتم تبريدها ثم قطعها عن آلة الشريط. بعد ذلك ، يتم تغليف الجزء الداخلي من المصباح بالسيليكا لإزالة الوهج الناتج عن خيوط متوهجة غير مكتشفة. ثم يتم ختم شعار الشركة والقوة الكهربائية على الجزء الخارجي من كل غلاف.
يتمركز
- 4 قاعدة اللمبة مبنية أيضًا باستخدام القوالب. وهي مصنوعة من المسافات البادئة في شكل المسمار بحيث يمكن وضعها بسهولة في المقبس من لاعبا اساسيا ضوء.
المجسم
- 5 بمجرد تصنيع الشعيرة والقاعدة والمصباح ، يتم تركيبها معًا بواسطة الآلات. أولاً ، الخيوط مثبتة على مجموعة الجذعية ، مع نهاياتها مثبتة على سلكي الرصاص. بعد ذلك ، يتم إخلاء الهواء الموجود داخل المصباح ، ويمتلئ الغلاف بغلاف الأرجون والنيتروجين. هذه الغازات ضمان حياة أطول للخيوط. سوف تتبخر في نهاية المطاف التنغستن وكسر. عندما يتبخر ، فإنه يترك رواسب داكنة على المصباح المعروف باسم سواد الجدار.
- 6 أخيرًا ، تم إغلاق القاعدة والمصباح. تنزلق القاعدة على نهاية المصباح الزجاجي بحيث لا تكون هناك حاجة إلى أي مواد أخرى للحفاظ عليها معًا. بدلاً من ذلك ، تسمح الأشكال المطابقة للقطعتين بأن يتم تجميعهما معًا بشكل مريح ، حيث تلمس الأسلاك التي تحتوي على الرصاص قاعدة الألومنيوم لضمان ملامسة كهربائية مناسبة. بعد الاختبار ، يتم وضع المصابيح في عبواتها وشحنها إلى المستهلكين.
مراقبة الجودة
يتم اختبار المصابيح الكهربائية لكل من عمر المصباح والقوة. من أجل توفير نتائج سريعة ، يتم ثمل المصابيح المختارة في حوامل اختبار الحياة وتضيء بمستويات تتجاوز بكثير قوة الاحتراق العادية. يوفر هذا قراءة دقيقة حول المدة التي ستستغرقها اللمبة في الظروف العادية. يتم إجراء الاختبار في جميع مصانع التصنيع وكذلك في بعض مرافق الاختبار المستقلة. متوسط ​​عمر غالبية المصابيح الكهربائية المنزلية هو 750 إلى 1000 ساعة ، اعتمادا على القوة الكهربائية.
المستقبل
مستقبل المصباح المتوهج غير مؤكد. في حين أن تسخين الشعيرة إلى أن تتوهج يعد بالتأكيد وسيلة مرضية لإنتاج الضوء ، فإنه غير فعال للغاية: حوالي 95 بالمائة من الكهرباء التي يتم توفيرها لمصباح كهربائي نموذجي يتم تحويلها إلى حرارة ، وليس إلى ضوء. في عالم تتناقص فيه الموارد ، حيث الحفاظ على الطاقة أمر حيوي على نحو متزايد ، قد يؤدي عدم الكفاءة هذا في النهاية إلى جعل المصباح المتوهج غير عملي.
هناك مصادر ضوئية أخرى مستخدمة بالفعل يمكنها أن تحل محل اللمبة المتوهجة. أنابيب الفلورسنت ، على سبيل المثال ، تهيمن بالفعل على السوق الصناعية ، ولا شك أنها سوف تجد استخدامًا متزايدًا كمصدر للضوء المحلي أيضًا. تستخدم مصابيح الفلورسنت طاقة أقل بنسبة 75 بالمائة من المصابيح المتوهجة ويمكن أن تستمر لمدة أطول بعشرين مرة. إن التطوير الحديث لمصابيح الفلورسنت "المدمجة" ، والتي على عكس أنبوب الفلورسنت القياسي الذي يمكن تثبيته في مصباح محلي نموذجي ، قد يؤدي إلى توسيع السوق المحلية للإضاءة الفلورية.
ومن التطورات الأخرى الحديثة "لمبة الموجات الراديوية" ، وهي لمبة تخلق الضوء عن طريق نقل الطاقة من مولد الموجات الراديوية إلى سحابة من الزئبق ، والتي بدورها تنتج أشعة فوق بنفسجية. بعد ذلك تقوم طبقة من الفوسفور على المصباح بتحويل الضوء فوق البنفسجي إلى ضوء مرئي. تستخدم هذه المصابيح 25 في المائة فقط من الطاقة التي تستخدمها المصابيح المتوهجة ، ويمكن أن تستمر عقدًا أو أكثر. كما أنها قابلة للتبديل تمامًا باستخدام المصابيح المتوهجة.
