تاریخچه
از دوره های اولیه تاریخ تا آغاز قرن نوزدهم، آتش منبع اصلی نور انسان بود. این نور از راه های مختلفی تولید می شد – مشعل، شمع، لامپ نفتی و گازی. علاوه بر خطر ناشی از شعله باز (مخصوصاً هنگامی که در داخل خانه استفاده می شود)، این منابع نور نیز نور کافی را ارائه نمی دهند.
اولین تلاش برای استفاده از نور الکتریکی توسط شیمیدان انگلیسی سر همفری دیوی انجام شد. در سال ۱۸۰۲، دیوی نشان داد که جریان های الکتریکی می توانند نوارهای نازک فلز را به گرمای سفید گرم کنند و در نتیجه نور تولید کنند. این شروع نور الکتریکی رشته ای (که به عنوان درخشان با گرمای شدید تعریف می شود) بود. پیشرفت عمده بعدی، نور قوس بود. این اساساً دو الکترود بود که معمولاً از کربن ساخته شده بودند و توسط یک فضای هوایی کوتاه از یکدیگر جدا می شدند. جریان الکتریکی اعمال شده به یکی از الکترودها به الکترود دیگر و از طریق آن جریان می یابد و در نتیجه یک قوس نور در سراسر فضای هوا ایجاد می شود. لامپ‌های قوس (یا لامپ‌های روشنایی) عمدتاً در روشنایی فضای باز استفاده می‌شدند. مسابقه هنوز در میان گروه بزرگی از دانشمندان برای کشف منبع مفیدی از روشنایی داخلی در جریان بود.
مشکل اصلی در جلوگیری از توسعه یک چراغ رشته ای قابل دوام تجاری، یافتن عناصر درخشان مناسب بود. دیوی دریافت که پلاتین تنها فلزی است که می تواند گرمای سفید را برای مدت زمان طولانی تولید کند. کربن نیز مورد استفاده قرار گرفت، اما به سرعت در هوا اکسید شد. پاسخ این بود که خلاء ایجاد شود که هوا را از عناصر دور نگه دارد و در نتیجه مواد تولید کننده نور را حفظ کند.
توماس ای. ادیسون، مخترع جوانی که در منلو پارک، نیوجرسی کار می کرد، کار بر روی شکل خاص خود از نور الکتریکی را در دهه ۱۸۷۰ آغاز کرد. در سال ۱۸۷۷ ادیسون با عجله برای یک منبع نور الکتریکی رضایت بخش درگیر شد و مشارکت اولیه خود را صرف تأیید دلایل شکست رقبای خود کرد. با این حال، او تشخیص داد که پلاتین مشعل بسیار بهتری نسبت به کربن دارد. ادیسون با کار با پلاتین، اولین اختراع خود را در آوریل ۱۸۷۹ بر روی یک لامپ نسبتاً غیر عملی به دست آورد، اما او به جستجوی عنصری ادامه داد که بتواند به طور موثر و اقتصادی گرم شود.
ادیسون همچنین با سایر اجزای سیستم روشنایی، از جمله ساخت منبع برق خود و ابداع یک سیستم سیم‌کشی پیشرو که می‌توانست تعدادی از لامپ‌ها را به‌طور هم‌زمان می‌سوزاند، دستکاری کرد. اما مهمترین کشف او اختراع یک رشته مناسب بود. این یک سیم بسیار نازک و نخ مانند بود که مقاومت بالایی در برابر عبور جریان های الکتریکی ارائه می کرد. بسیاری از رشته های اولیه خیلی سریع سوختند، بنابراین این لامپ ها از نظر تجاری بی استفاده می شوند. برای حل این مشکل، ادیسون دوباره شروع به آزمایش کربن به عنوان وسیله ای برای روشنایی کرد.
او در نهایت نخ پنبه ای کربنیزه را به عنوان ماده فیلامنت خود انتخاب کرد. فیلامنت به سیم‌های پلاتین بسته می‌شد که جریان را به فیلامنت و از آن می‌برد. سپس این مجموعه در یک لامپ شیشه ای قرار داده شد که در گردن ذوب شده بود (به نام مهر و موم کردن). یک پمپ خلاء هوا را از لامپ حذف کرد، یک گام آهسته اما بسیار مهم. سیم های ورودی که به جریان الکتریکی متصل می شوند از لامپ شیشه ای بیرون زده اند.
در ۱۹ اکتبر ۱۸۷۹، ادیسون اولین آزمایش خود را از این لامپ جدید انجام داد. دو روز و ۴۰ ساعت کار کرد (۲۱ اکتبر – روزی که فیلامنت در نهایت سوخت – تاریخ معمولی است که برای اختراع اولین لامپ کاربردی تجاری داده شده است). البته این لامپ اصلی دستخوش تغییرات زیادی شد. کارخانه های تولیدی برای تولید انبوه لامپ راه اندازی شدند و پیشرفت های بزرگی در سیم کشی و سیستم های جریان الکتریکی حاصل شد. با این حال، لامپ های رشته ای امروزی شباهت زیادی به لامپ های اصلی ادیسون دارند. تفاوت‌های عمده در استفاده از رشته‌های تنگستن، گازهای مختلف برای کارایی بالاتر و افزایش درخشندگی ناشی از رشته‌های گرم شده در دمای بالاتر است.
اگرچه لامپ رشته‌ای اولین و مطمئناً کم‌هزینه‌ترین نوع لامپ بود، اما تعداد زیادی لامپ دیگر وجود دارد که کاربردهای بی‌شماری دارد:
- لامپ های فلورسنت لوله های شیشه ای هستند که حاوی بخار جیوه و گاز آرگون هستند. هنگامی که الکتریسیته از لوله عبور می کند، باعث می شود جیوه تبخیر شده انرژی ماوراء بنفش تولید کند. سپس این انرژی به فسفرهایی که داخل لامپ را می پوشانند برخورد می کند و نور مرئی از خود ساطع می کند.
- لامپ های بخار جیوه دو لامپ دارند – لوله قوس (ساخته شده از کوارتز) در داخل یک حباب شیشه ای محافظ قرار دارد. لوله قوس حاوی بخار جیوه با فشار بالاتری نسبت به لامپ فلورسنت است، بنابراین به لامپ بخار اجازه می دهد تا بدون استفاده از پوشش فسفر نور تولید کند.
- لامپ‌های نئون لوله‌های شیشه‌ای هستند که با گاز نئون پر شده‌اند و هنگامی که تخلیه الکتریکی در آنها اتفاق می‌افتد می‌درخشند. رنگ نور توسط مخلوط گاز تعیین می شود. گاز نئون خالص نور قرمز می دهد.
- لامپ های متال هالید که عمدتاً در فضای باز برای استادیوم ها و جاده ها استفاده می شوند، حاوی ترکیبات شیمیایی فلز و هالوژن هستند. این نوع لامپ تقریباً مانند لامپ‌های بخار جیوه عمل می‌کند با این تفاوت که متال هالید می‌تواند تعادل رنگ طبیعی‌تری را در صورت استفاده بدون فسفر ایجاد کند.
- لامپ های سدیم فشار بالا نیز مشابه لامپ های بخار جیوه هستند. با این حال، لوله قوس به جای کوارتز از اکسید آلومینیوم ساخته شده است و حاوی مخلوط جامدی از سدیم و جیوه است.
بیش از بیست مخترع، که قدمت آنها به دهه ۱۸۳۰ بازمی‌گردد، تا زمانی که توماس ادیسون وارد جستجو شد، چراغ‌های الکتریکی رشته‌ای تولید کرده بودند. دهه ۱۸۷۰ دهه بسیار مهمی بود، زیرا فناوری‌های تولید و نیروهای تقاضا با هم ترکیب شدند تا جستجو برای یک چراغ برقی تجاری امکان‌پذیر را به مسابقه پرمخاطب عصر تبدیل کنند. ادیسون آزمایشگاه تحقیقاتی خود را در منلو پارک روستایی نیوجرسی، در میانه راه بین شهر نیویورک و فیلادلفیا تأسیس کرده بود. ساختمان آزمایشگاه و چندین ساختمان بیرونی در سال ۱۸۷۶ با سودی که ادیسون با اختراعات تلگراف خود به دست آورده بود ساخته شد. او در ابتدا قصد داشت از هر سرمایه‌گذاری که از او کمک می‌خواهد پروژه بگیرد و به کار روی ایده‌های خودش در سیستم‌های تلگراف و تلفن ادامه دهد. او گفت که فکر می کند این آزمایشگاه می تواند هر ده روز یک اختراع جدید و هر شش ماه یک پیشرفت بزرگ تولید کند.
در سال ۱۸۷۷، ادیسون تصمیم گرفت برای یک لامپ موفق وارد مسابقه تبلیغاتی شود و امکانات آزمایشگاهی خود را با یک ماشین‌فروشی و یک دفتر و کتابخانه تحقیقاتی افزایش داد. کارکنان از ۱۲ به بیش از ۶۰ نفر افزایش یافتند زیرا ادیسون کل سیستم روشنایی، از ژنراتور گرفته تا عایق گرفته تا لامپ رشته ای را مدیریت کرد. در طول مسیر، ادیسون فرآیند جدیدی از اختراع را ایجاد کرد، و یک رویکرد تیمی را تنظیم کرد که منابع مالی، مواد، ابزارها و کارگران ماهر را در یک “کارخانه اختراع” گرد هم آورد. بنابراین، جستجو برای لامپ، اشکال جدیدی از تحقیق و توسعه را نشان داد که بعداً توسط جنرال الکتریک، وستینگهاوس و سایر شرکت‌ها توسعه یافتند.
مواد خام :
این بخش و همچنین بخش بعدی (فرایند تولید) بر روی لامپ های رشته ای تمرکز خواهد کرد. همانطور که قبلا ذکر شد، بسیاری از مواد مختلف برای رشته مورد استفاده قرار گرفت تا زمانی که تنگستن فلز منتخب در اوایل قرن بیستم شد. اگرچه بسیار شکننده است،
رشته های تنگستن می توانند دمای ۴۵۰۰ درجه فارنهایت (۲۴۸۰ درجه سانتیگراد) و بالاتر را تحمل کنند. توسعه رشته‌های تنگستن بزرگ‌ترین پیشرفت در فناوری لامپ‌ها محسوب می‌شود، زیرا این رشته‌ها می‌توانند ارزان‌تر تولید شوند و نسبت به مواد قبلی عمر بیشتری داشته باشند.
روند تولید :
کاربرد لامپ ها از چراغ های خیابانی گرفته تا چراغ های جلوی خودرو و چراغ قوه ها را شامل می شود. برای هر استفاده، لامپ جداگانه در اندازه و توان متفاوت است، که میزان نوری که لامپ می دهد (لومن) را تعیین می کند. با این حال، همه لامپ های رشته ای دارای سه بخش اصلی هستند – رشته، لامپ و پایه. تولید لامپ که در اصل به صورت دستی تولید می شد، اکنون تقریباً کاملاً خودکار است.
رشته :
۱) رشته از طریق فرآیندی به نام کشش تولید می‌شود، که در آن تنگستن با یک ماده چسباننده مخلوط می‌شود و از طریق یک قالب – یک روزنه شکل – به یک سیم ریز کشیده می‌شود. در مرحله بعد، سیم را به دور یک میله فلزی به نام سنبه پیچیده می‌کنند تا آن را به شکل سیم پیچی مناسب خود درآورند و سپس در فرآیندی به نام آنیلینگ گرم می‌شوند. این فرآیند سیم را نرم می کند و ساختار آن را یکنواخت تر می کند. سپس سنبه در اسید حل می شود.
۲ ) رشته سیم پیچ به سیم های سرب متصل می شود. سیم های ورودی دارای قلاب هایی در انتهای خود هستند که یا روی انتهای رشته فشرده می شوند یا در لامپ های بزرگتر به صورت نقطه ای جوش داده می شوند.
لامپ شیشه ای :
۳) لامپ های شیشه ای یا روکش ها با استفاده از دستگاه روبان تولید می شوند. پس از گرم شدن در
تقریباً کل فرآیند تولید لامپ خودکار است. لامپ های شیشه ای توسط یک دستگاه روبان دمیده می شوند که می تواند بیش از ۵۰۰۰۰ لامپ در ساعت تولید کند. پس از وارد شدن مجموعه رشته و ساقه به لامپ، هوای داخل لامپ تخلیه می شود و مخلوط آرگون/نیتروژن به داخل پمپ می شود. در نهایت، پایه روی آن آب بندی می شود.
تقریباً کل فرآیند تولید لامپ خودکار است. لامپ های شیشه ای توسط یک دستگاه روبان دمیده می شوند که می تواند بیش از ۵۰۰۰۰ لامپ در ساعت تولید کند. پس از وارد شدن مجموعه رشته و ساقه به لامپ، هوای داخل لامپ تخلیه می شود و مخلوط آرگون/نیتروژن به داخل پمپ می شود. در نهایت، پایه روی آن آب بندی می شود.
یک کوره، یک نوار شیشه ای پیوسته در امتداد یک تسمه نقاله حرکت می کند. نازل های هوا که دقیقاً در یک راستا قرار دارند، شیشه را از طریق سوراخ های تسمه نقاله به قالب می دمند و پوشش ها را ایجاد می کنند. یک ماشین نواری که با حداکثر سرعت حرکت می کند می تواند بیش از ۵۰۰۰۰ لامپ در ساعت تولید کند. پس از دمیدن روکش ها سرد می شوند و سپس دستگاه روبان را جدا می کنند. سپس، داخل لامپ با سیلیس پوشانده می شود تا تابش نور ناشی از یک رشته درخشان و بدون پوشش را از بین ببرد. سپس نشان شرکت و وات لامپ بر روی قسمت بیرونی هر پوشش مهر می شود.
پایه :
۴) پایه لامپ نیز با استفاده از قالب ساخته شده است. با فرورفتگی هایی به شکل پیچ ساخته شده است تا به راحتی در سوکت چراغ برق قرار گیرد.
مونتاژ :
۵) هنگامی که رشته، پایه و لامپ ساخته شدند، توسط ماشین ها به هم متصل می شوند. ابتدا فیلامنت به مجموعه ساقه متصل می شود و انتهای آن به دو سیم ورودی متصل می شود. در مرحله بعد، هوای داخل لامپ تخلیه می شود و پوشش با مخلوط آرگون و نیتروژن پر می شود. این گازها عمر طولانی تری را برای فیلامنت تضمین می کنند. تنگستن در نهایت تبخیر شده و می شکند. همانطور که تبخیر می شود، رسوب تیره ای بر روی لامپ باقی می گذارد که به عنوان سیاه شدن دیواره حباب شناخته می شود.
۶) در نهایت پایه و لامپ آب بندی می شوند. پایه روی انتهای لامپ شیشه ای می لغزد به طوری که برای نگه داشتن آنها در کنار هم به مواد دیگری نیاز نیست. در عوض، شکل‌های منطبق بر آنها به دو قطعه اجازه می‌دهد تا به خوبی در کنار هم قرار گیرند و سیم‌های سربی با پایه آلومینیومی تماس برقرار کنند تا از تماس الکتریکی مناسب اطمینان حاصل شود. پس از آزمایش، لامپ ها در بسته بندی های خود قرار می گیرند و برای مصرف کنندگان ارسال می شوند.
کنترل کیفیت :
لامپ ها هم از نظر عمر و هم از نظر قدرت لامپ آزمایش می شوند. به منظور ارائه نتایج سریع، لامپ‌های انتخابی در قفسه‌های تست عمر پیچ می‌شوند و در سطوحی بسیار فراتر از قدرت سوختن معمولی خود روشن می‌شوند. این یک قرائت دقیق از مدت زمان ماندگاری لامپ در شرایط عادی را فراهم می کند. آزمایش در تمام کارخانه های تولیدی و همچنین در برخی از مراکز آزمایش مستقل انجام می شود. عمر متوسط اکثر لامپ های خانگی ۷۵۰ تا ۱۰۰۰ ساعت بسته به وات است.
آینده :
آینده لامپ رشته ای نامشخص است. در حالی که گرم کردن یک رشته تا زمانی که بدرخشد مطمئناً یک راه رضایت بخش برای تولید نور است، اما بسیار ناکارآمد است: حدود ۹۵ درصد از الکتریسیته تامین شده به یک لامپ معمولی به گرما تبدیل می شود، نه نور. در دنیایی با منابع رو به کاهش، که در آن صرفه جویی در انرژی به طور فزاینده ای حیاتی است، این ناکارآمدی ممکن است در نهایت لامپ رشته ای را غیرعملی کند.
منابع نور دیگری در حال حاضر در حال استفاده هستند که می توانند جایگزین لامپ رشته ای شوند. به عنوان مثال، لوله های فلورسنت در حال حاضر بر بازار صنعتی تسلط دارند، و بدون شک از آنها به عنوان منبع نور خانگی نیز استفاده فزاینده ای خواهند یافت. لامپ های فلورسنت حداقل ۷۵ درصد انرژی کمتری نسبت به لامپ های رشته ای مصرف می کنند و می توانند بیست برابر بیشتر عمر کنند. توسعه اخیر لامپ های فلورسنت “فشرده”، که برخلاف لوله های فلورسنت استاندارد می توانند به یک لامپ معمولی خانگی بپیچند، ممکن است بازار داخلی برای روشنایی فلورسنت را گسترش دهد.
یکی دیگر از پیشرفت‌های اخیر «لامپ امواج رادیویی» است، لامپی که با انتقال انرژی از یک مولد امواج رادیویی به یک ابر جیوه، نور ایجاد می‌کند که به نوبه خود نور فرابنفش تولید می‌کند. سپس یک پوشش فسفر روی لامپ، نور فرابنفش را به نور مرئی تبدیل می کند. چنین لامپ هایی تنها ۲۵ درصد به اندازه لامپ های رشته ای انرژی مصرف می کنند و می توانند یک دهه یا بیشتر عمر کنند. آنها همچنین به طور کامل با لامپ های رشته ای قابل تعویض هستند.
