電球

---

背景

歴史の初期から19世紀の初めまで、火は人間の主要な光源でした。このライトは、トーチ、キャンドルなどのさまざまな方法で生成されました。 、石油およびガスランプ。直火（特に屋内で使用する場合）によってもたらされる危険性に加えて、これらの光源は不十分な照明も提供しました。

電灯を使用する最初の試みは、英国の化学者ハンフリー・デービー卿によって行われました。 1802年に、デイビーは電流が金属の薄いストリップを白熱に加熱し、それによって光を生成できることを示しました。これが白熱灯（強烈な熱で光る）の電灯の始まりでした。次の主要な開発はアークランプでした。これは基本的に2つの電極で、通常はカーボン製で、短い空間で互いに分離されていました。一方の電極に印加された電流がもう一方の電極に流れ、もう一方の電極を通って流れ、空間全体に光の弧が生じました。アークランプ（または電球）は主に屋外照明で使用されていました。屋内照明の有用な光源を発見するために、科学者の大規模なグループの間でレースがまだ続いていました。

商業的に実行可能な白熱灯の開発を妨げる主な困難は、適切な光る要素を見つけることでした。デイビーは、プラチナがどんな時間でも白熱を発生させることができる唯一の金属であることを発見しました。カーボンも使用されましたが、空気中で急速に酸化しました。答えは、空気を要素から遠ざけ、光を生成する材料を保護する真空を開発することでした。

ニュージャージー州メンロパークで働く若い発明家であるトーマスA.エジソンは、1870年代に彼自身の形の電灯に取り組み始めました。 1877年、エジソンは満足のいく電灯の急増に関与し、競合他社の失敗の理由を確認することに最初の関与を捧げました。しかし、彼はプラチナがカーボンよりもはるかに優れたバーナーを作ったと判断しました。エジソンはプラチナを使用して、1879年4月に比較的実用的でないランプについて最初の特許を取得しましたが、効率的かつ経済的に加熱できる要素を探し続けました。

エジソンはまた、独自の電源を構築したり、同時に燃焼する多数のランプを処理できる画期的な配線システムを考案したりするなど、照明システムの他のコンポーネントをいじくり回しました。しかし、彼の最も重要な発見は、適切なフィラメントの発明でした。これは非常に細い糸のようなワイヤーで、電流の通過に対して高い抵抗を提供しました。初期のフィラメントのほとんどは非常に早く燃え尽きてしまい、これらのランプは商業的に役に立たなくなりました。この問題を解決するために、エジソンは照明の手段としてカーボンを再び試し始めました。

彼はついにフィラメント素材として炭化綿糸を選びました。フィラメントは、フィラメントとの間で電流を運ぶ白金線に固定されていました。次に、このアセンブリは、ネックで融合されたガラス球に配置されました（シーリングインと呼ばれます）。 真空ポンプが電球から空気を取り除きました。これはゆっくりですが重要なステップです。電流に接続される引き込み線がガラス球から突き出ていました。

1879年10月19日、エジソンはこの新しいランプの最初のテストを実行しました。それは2日40時間実行されました（10月21日-フィラメントが最終的に燃え尽きた日-は最初の商業的に実用的なランプの発明のために与えられた通常の日付です）。もちろん、このオリジナルのランプは多くの改訂を受けました。電球を大量生産するために製造工場が設立され、配線と電流システムが大幅に進歩しました。しかし、今日の白熱電球は、エジソンの元のランプに非常に似ています。主な違いは、タングステンフィラメントの使用、より高い効率のためのさまざまなガス、およびより高い温度に加熱されたフィラメントから生じる発光の増加です。

白熱灯は最初の、そして確かに最も安価なタイプの電球でしたが、無数の用途に役立つ他の多くの電球があります：

• タングステンハロゲンランプ
• 蛍光灯は、水銀蒸気とアルゴンガスを含むガラス管です。電気が管を通って流れるとき、それは気化した水銀に紫外線エネルギーを放出させます。次に、このエネルギーはランプの内側を覆うリン光物質に当たり、可視光を発します。
• 水銀灯には2つの電球があります。アーク管（石英製）は保護ガラス電球の内側にあります。アーク管には蛍光灯よりも高圧の水銀灯が含まれているため、蓄光剤を使用せずに水銀灯で光を発することができます。
• ネオンランプは、ネオンガスで満たされたガラス管で、放電が発生すると光ります。光の色はガス混合物によって決まります。純粋なネオンガスは赤色光を発します。
• 主に屋外のスタジアムや道路で使用されるメタルハライドランプには、金属とハロゲンの化合物が含まれています。このタイプのランプは、ハロゲン化金属がリン光物質なしで使用された場合により自然なカラーバランスを生み出すことができることを除いて、水銀灯とほとんど同じように機能します。
• 高圧ナトリウムランプも水銀灯に似ています。ただし、アーク管は石英ではなく酸化アルミニウムでできており、ナトリウムと水銀の固体混合物が含まれています。

トーマスA.エジソン（中央、キャップ付き）とニュージャージー州メンロパークの彼の研究室の労働者ジャージー。写真は1880年に撮影されました。

1830年代にさかのぼる、20人以上の発明家が、トーマス・エジソンが捜索に参加するまでに白熱電灯を製造していました。 1870年代は、生産技術と需要の力が組み合わさって、商業的に実現可能な電灯の探索が時代のハイテク、ハイステークスレースになったため、決定的な10年でした。エジソンは、ニューヨーク市とフィラデルフィアの中間にあるニュージャージー州メンロパークの田舎に研究所を設立しました。実験室の建物といくつかの別棟は、エジソンが電信の発明で得た利益で1876年に建設されました。彼は当初、彼の助けを必要とする投資家からプロジェクトを引き受け、電信および電話システムで彼自身のアイデアに取り組み続けることを意図していました。彼は、研究所が10日ごとに新しい発明を生み出し、6か月ごとに大きな進歩を遂げることができると考えたと述べた。

1877年、エジソンは電球を成功させるために広く知られているレースに参加することを決定し、機械工場、オフィス、研究図書館を備えた彼の実験施設を拡張しました。エジソンが発電機から絶縁体、白熱電球まで、照明システム全体に取り組むにつれて、スタッフは12人から60人以上に増えました。その過程で、エジソンは発明の新しいプロセスを作成し、資金調達、材料、ツール、および熟練労働者を「発明工場」にまとめるチームアプローチを調整しました。このように、電球の検索は、後にゼネラル・エレクトリック、ウェスティングハウス、および他の企業によって開発された新しい形の研究開発を示しました。

ウィリアム・S・プレッツァー

原材料

このセクションと次のセクション（製造プロセス）では、白熱電球に焦点を当てます。先に述べたように、20世紀の初めにタングステンが選択される金属になるまで、フィラメントには多くの異なる材料が使用されていました。非常に壊れやすいですが、 電球の主成分の1つであるフィラメントは、タングステンとバインダーを混合してから線引きすることで作成されます。混合物を鋼のマンドレルの周りの細いワイヤーに入れます。ワイヤーを加熱してからマンドレルを酸で溶解すると、フィラメントは適切なコイル状になります。タングステンフィラメントは、華氏4500度（摂氏2480度）以上の高温に耐えることができます。タングステンフィラメントの開発は、これらのフィラメントが以前のどの材料よりも安価に製造され、長持ちする可能性があるため、電球技術の最大の進歩と見なされています。

接続線または引き込み線は、通常、ニッケル鉄線（デュメットと呼ばれます）でできています。 2つの金属を使用しているため）。このワイヤーをホウ砂溶液に浸して、ワイヤーをガラスに密着させます。電球自体はガラスでできており、フィラメントの寿命を延ばすガス、通常はアルゴンと窒素の混合物が含まれています。空気はバルブからポンプで排出され、ガスに置き換えられます。標準化されたベースは、アセンブリ全体を所定の位置に保持します。 「エジソンネジベース」として知られるベースは、もともと真ちゅうでできていて、パリの石膏と、後に磁器で断熱されていました。 現在、ベースの外側にはアルミニウムが使用され、ベースの内側にはガラスが使用されており、より強力なベースが製造されています。

製造
プロセス

電球の用途は、街灯から自動車まで多岐にわたります。 懐中電灯へのヘッドライト。使用するたびに、個々の電球のサイズとワット数が異なります。これにより、電球が発する光の量が決まります（ルーメン）。 ただし、すべての白熱電球には、フィラメント、電球、ベースの3つの基本的な部分があります。もともと手作業で製造されていた電球の製造は、現在ではほぼ完全に自動化されています。

フィラメント

• 1フィラメントは、線引きと呼ばれるプロセスで製造されます。 タングステンがバインダー材料と混合され、ダイ（成形されたオリフィス）を通して細いワイヤーに引っ張られます。次に、ワイヤーはマンドレルと呼ばれる金属棒に巻き付けられます それを適切なコイル状に成形するために、次にアニーリングとして知られるプロセスで加熱されます。 このプロセスはワイヤーを柔らかくし、その構造をより均一にします。次に、マンドレルを酸に溶解します。
• 2コイル状のフィラメントが引き込み線に取り付けられています。引き込み線の端にはフックがあり、フィラメントの端に押し付けられるか、より大きなバルブではスポット溶接されます。

ガラス球

• 3ガラス球またはケーシングは、リボンマシンを使用して製造されます。で加熱した後 実質的に電球の製造プロセス全体が自動化されています。ガラス球根は、1時間に50,000個以上の球根を生産できるリボンマシンによって吹き飛ばされます。フィラメントとステムのアセンブリがバルブに挿入された後、バルブ内の空気が排出され、アルゴン/窒素混合物がポンプで送られます。最後に、ベースが密閉されます。炉では、ガラスの連続リボンがコンベヤーベルトに沿って移動します。正確に位置合わせされたエアノズルは、コンベヤーベルトの穴から金型にガラスを吹き込み、ケーシングを作成します。最高速度で移動するリボンマシンは、1時間あたり50,000個以上の球根を生産できます。ケーシングが吹き飛ばされた後、それらは冷却され、次にリボンマシンから切り離されます。次に、電球の内側をシリカでコーティングして、光るカバーされていないフィラメントによって引き起こされるグレアを取り除きます。次に、会社のエンブレムと電球のワット数が各ケーシングの外側の上部に刻印されます。

ベース

• 4電球のベースも型を使用して構築されています。ランプのソケットに簡単に収まるように、ネジの形をしたくぼみで作られています。

アセンブリ

• 5フィラメント、ベース、電球ができたら、機械で取り付けます。まず、フィラメントをステムアセンブリに取り付け、その端を2本の引き込み線に固定します。次に、バルブ内の空気を排出し、ケーシングにアルゴンと窒素の混合物を充填します。これらのガスは、フィラメントの寿命を延ばします。タングステンは最終的に蒸発して壊れます。それが蒸発するにつれて、それは電球壁の黒化として知られている電球に暗い堆積物を残します。
• 6最後に、ベースと電球が密閉されます。ベースはガラス球の端にスライドするので、それらを一緒に保つために他の材料は必要ありません。代わりに、それらの適合形状により、2つの部品をぴったりと保持し、引き込み線をアルミニウムベースに接触させて適切な電気的接触を確保します。テスト後、電球はパッケージに入れられ、消費者に出荷されます。

品質管理

電球は、ランプの寿命と強度の両方についてテストされています。迅速な結果を提供するために、選択された電球は寿命テストラックにねじ込まれ、通常の燃焼強度をはるかに超えるレベルで点灯します。これにより、通常の状態で電球がどのくらい続くかを正確に読み取ることができます。テストは、すべての製造工場といくつかの独立したテスト施設で実施されます。大多数の家庭用電球の平均寿命は、ワット数にもよりますが、750〜1000時間です。

未来

白熱電球の将来は不透明です。フィラメントを光るまで加熱することは確かに満足のいく方法ですが、それは非常に非効率的です。一般的な電球に供給される電気の約95％は、光ではなく熱に変換されます。エネルギーの節約がますます重要になっている資源が減少している世界では、この非効率性により、最終的に白熱電球が実用的でなくなる可能性があります。

白熱電球に取って代わる可能性のある他の光源がすでに使用されています。たとえば、蛍光灯はすでに産業市場を支配しており、間違いなく家庭用光源としての使用も増えるでしょう。蛍光灯は白熱電球よりも少なくとも75％少ないエネルギーを使用し、20倍長持ちします。標準的な蛍光灯とは異なり、典型的な家庭用ランプにねじ込むことができる「コンパクト」蛍光灯の最近の開発は、蛍光灯の国内市場を拡大する可能性があります。

もう一つの最近の開発は「電波球」です。これは、電波発生器から水銀雲にエネルギーを伝達することによって光を生成し、それが紫外線を生成する球です。次に、電球のリン光コーティングが紫外線を可視光に変換します。このような電球は、白熱電球の25％のエネルギーしか使用せず、10年以上続く可能性があります。また、白熱電球と完全に互換性があります。