白炽灯简史.doc

白炽灯简史在研究白炽灯的先驱者中，首先应提到的是弧光灯的发明人-英国人汉弗莱戴维(HumphreyDavy)。长期以来，人们都是用油灯、蜡烛或者煤气灯做家庭照明。1808 年，英国科学家戴维用碳棒做电流的热效应实验时，无意中发现两根碳棒之间会形成一道极强的闪亮白光。他反复试验下去，最终制成了电弧灯，并于 1843 年首次得以大规模使用。电弧灯存在不少缺点：一是它的光芒刺眼；二是寿命太短；三是炭极打火之后，要冒出呛人的气味和黑烟，这就很难用于室内照明。尽管电弧灯有不少缺点，有些国家还是在灯塔、剧院和广场做了有限的采用。例如，在英国，每当议会举行例会时，西敏寺伦敦宫的钟楼上安装的电弧灯就会放出夺目的光芒。在英吉利海峡的南弗兰德，也装了电弧灯航标。与此同时，美国、英国和法国还渐渐将它用于街道照明。1878 年，出现差别式电弧灯，不需手工调节电极，这种电弧灯首先应用于柏林的皇帝画廊街，随后莱比锡大街上也安装了电弧灯照明，这标志着电弧灯照明在德国的开始。大约到 19 世纪末灯照明就基本退出了照明舞台。1初期的白炽灯18201821 年, G德拉律第一次试制铂丝白炽灯, 1841 年英国人摩雷取得过铂丝白炽灯的第一个专利。但铂的价格昂贵、电阻率小，如要增大电阻就必须做得很长。另外 铂丝的熔点低，还没有达到白炽就熔断了。所以，铂丝白炽灯并无实用价值。于是，人们将灯丝材料转向价廉易得、熔点高的碳（无定形碳的熔点为 3652）。1838年，比利时若巴尔提出把碳块置于真空环境里通电使其发光的设想。英国的斯旺按照这种思路，用一条碳化纸作灯丝，企图使电流通过它来发光，但是，因当时抽真空的技术还很差，灯泡中的残余空气使得灯丝很快烧断。1848 年移居美国的德国人海因里希格贝尔把碳化的竹子纤维置于长玻璃管内并抽空其内气体，接在伏打电池组上，制成碳丝白炽灯。但终因无大功率廉价电源及制造麻烦、寿命短而未得到推广，被人遗忘。俄国亚尼罗德金把碳条置于密封的玻璃瓶内，通电后靠碳本身的燃烧来消除其内的氧气，碳条剩余的部分就构成了这种碳条白炽灯的灯丝。这是一种巧妙的除气方法。1873 年 7 月 11 日，曾用这种灯取代了几盏煤气路灯，照亮了彼得堡阿布拉日亨斯基广场附近的街道，因此他还获得过彼得堡科学院颁发的奖状。但这种灯因玻璃瓶密封不严，有空气进入而寿命不长，也未能推广使用。此后，俄国人雅布洛奇科夫(Jablochkoff)发明的“电烛”问世。它的做法是用绝缘的熟石膏将两个炭极隔开。当“电烛”被点燃时，绝缘层就与炭棒同速燃烧发出白炽光。从本质上看，这种“电烛”也是一种电弧灯，只是稍省些电。雅布洛奇科夫“电烛”在 1877 年被用作巴黎的歌剧院门前大道的照明，和伦敦泰晤士河岸的部分照明，但是这种“电烛”不能持久，最长也只能用两个小时。2实用白炽灯的诞生1878 年，真空泵的出现，使斯旺有条件再度开展对白炽灯的研究。1879 年 1 月，他发白炽灯简史2明的白炽灯试验成功，并获得好评。托马斯爱迪生是一个社会发明家，他二十一岁就获得了他的第一项专利电传投票尼录器。1876 年春天，不满三十岁的爱迪生带着工人迁到新泽西州一个名叫门洛帕克的偏僻村庄，创办门洛帕克实验所时，已经是公认的“发明家”了。早在十九世纪六十年代，英国沿海的灯塔已使用弧光灯。1876 年，在费城举行的美国建国百周年展览会上，三盏露天的弧光灯放射出令人目眩的白色光芒。在 1878 年的巴黎博览会上，明亮的电弧灯给西联电报公司的总顾问留下了极为深刻的印象，他一回美国就劝爱迪生探索电弧灯运用在商业上的可能性。爱迪生以前也曾有很短一段时间试验过利用电来照明，但当时他由于专心致力于搞留声机而暂时将那工作搁在一边罢了。1878 年 9 月初，爱迪生访问康涅狄克州的华莱士(BillWallace)。当时，华莱士在爱迪生面前把他的“远距离发电机”连接起来，并且点亮了一盏弧光灯，由此激发了他发明电灯的欲望。1878 年 9 月，爱迪生开始投入对电灯的研究，门罗公园的研究所成了研究电灯的战场。爱迪生是总指挥，有 7 个经验丰富的人当助手。第一个出面支持爱迪生的人，是西方联合公司的总律师格罗斯维诺 p 洛雷，很快又得到了西方联合公司总裁诺尔文格林博士的支持，同时也得到黄金与股票行情电报公司的主要股东特雷西 R 爱迪生的支持以及与摩根(jPMorgan)合伙经营企业的埃吉斯托 p 法布里(EgistoPFabbri)的支持。经过磋商，成立了一家股份公司“爱迪生电灯公司”，以便为试验提供经济援助和申请专利。他们拿出 30 万元来支持爱迪生搞电灯发明，跟他合伙办电灯公司，但持有爱迪生在电灯、电力和电热等方面的一切发明专利，并有权将这些发明专利以颁发特许证的形式卖给他人。爱迪生重新用“炭”进行试验，原料是纤维或其他纸张。他在这些纸的表面涂上灯墨和沥青的混合物，再卷成毛衣针状，然后进行炭化处理。再把这种材料制作的灯丝连在线路上，它们在真空中发光，不过只能持续一、两个小时。爱迪生试验了 50 多种炭化纸，包括木制炭丝以及笤帚苗炭丝等等，都没有取得突破性进展。于是爱迪生将目光转向电阻要高、散热慢的铝和铂等金属，1878 年 10 月 5 日，爱迪生提出了一份关于铂丝电灯的专利申请，专利号码是 214636。这种灯泡当时被称作“燃烧器”。灯丝之间再加一支金属棒。当灯丝热度接近铂丝的熔点时，金属棒便膨胀造成短路，灯泡温度降低，铂丝冷却的同时金属棒也冷却来，于是电流再次通过。爱迪生先后试用了包括各种金属、石墨、木材、稻草、亚麻、竹子等在内的 1600 多种耐热材料，最终认为延长白炽灯寿命的关键是提高灯泡的真空度和采用耗电少、发光强的耐热材料作灯丝。只要灯丝的价格足够便宜，“大家就会欢迎它的” 。1879 年秋，他采纳了助手阿普顿的建议，花巨资从英国买回一台德国斯普林格在 1865 年发明的那种以其姓氏命名的抽气机。利用这一先进的抽气机，他将灯泡内的空气抽到约 1Pa，后又抽到 0.1Pa 的高真空。他还在英国史璜的碳灯丝实验报告的启发下，指示其助手白契勒在密封 U 形坩锅内将棉线碳化，作白炽灯的灯丝。爱迪生从一开始就认为炭丝是最理想的灯丝材料，当初放弃这种材料，是因为以前的真空度不够，炭丝熔化过速。现在，他又回到了炭丝的试验上，再次用各式各样的线、纤维和类似的物质作灯丝材料。这样，1879 年 10 月 21 日，终于在新泽西州门罗公园内，他的实验室里制成一盏持续点亮 45 小时才烧毁的碳化棉线作灯丝制成的灯泡，这种灯于 1880 年12 月 7 日被授予专利，标志着世界上第一盏白炽电灯就这样诞生了。接着，他将这种灯公开展出，曾照亮过他实验室所在地新泽西州洛帕克的主要街道。虽然这种灯离实用还有很远的距离，但后来人们仍将 1879 年 10 月 21 日定为白炽灯的诞生日。斯旺和爱迪生两位发明家的竞争十分激烈，专利纠纷几乎不可避免，后来，二个达成协议，合资组建了爱迪生斯旺电灯公司，在英国生产白炽灯。白炽灯的发明，美国通常归功白炽灯简史3于爱迪生，英国则归功于斯旺。在英国，电灯发明一百周年纪念于 1978 年 10 月举行，而美国则于一年后的 11 月举行。由于这个竞争者的崛起，全世界的煤气公司的股票都严重地受到打击。纽约导报上刊载了一段来自伦敦的电文：“自爱迪生宣布其电灯分布之发明后，煤气股票一落千丈，竟暴跌票价 12%。伦敦注册煤气公司的股票竟跌落了 500 万以至 1000 万元。英国议院被这事弄得一筹莫展，只得召集会议，重新研究发光的整个问题。”后来，爱迪生又发明了一种“金化法”，即将粗制的碳丝用汽油蒸气处理，使碳丝表面因碳氢化合物的分解而形成紧密的石墨层后，便变得更加均匀光滑，大大提高了碳丝的寿命。成功并未使爱迪生停步，他继续寻找比碳化棉更坚固耐用的耐热材料。1880 年春天，他成功地用竹丝烧成的炭丝作为灯丝，使白炽电灯亮的时间延长到 1200 小时，这是第一只可以实用的白炽电灯。这种白炽灯和后来正式成功的电灯大致相同，只是发光的物质有些不同罢了。1831 年，法拉第关于电磁感应的发现为制造发电机提供了科学依据。在惠斯通、威尔德、西门子、格拉姆、帕契诺蒂、阿尔特涅克等前期工作基础上，爱迪生于 1880 年已制出可为 1500 盏 16 烛光灯泡供电的大型直流发电机，成功解决了电源问题。此后爱迪生又发明了配电盘、熔断器（保险丝）、旋转开关、螺口灯头、灯座、各种插座、计量用电量的电表。他还采用了他以前的助手舒克尔的将白炽灯并联联接的主张，以便一只开关控制一盏灯，一灯出故障不致影响另外的灯。1882 年秋，他在纽约帕尔街（意译为“珍珠街”）建立了第一个发电厂，用六台直流发电机，其中最大的一台功率为 125 马力，正式向 59 家用户的 300盏白炽灯供电。这是世界上第一个大型商用照明供电系统。从此，光明的使者来到了人间，白炽开始为千家万户带来新的生活。因此，爱迪生不仅发明了白炽灯泡，而已为整个社会组织了一种新的电力照明系统。植物碳化纤维为灯丝的白炽灯仍有三大缺点：灯丝易折断，碳丝易耗蚀而短寿，发光强度和发光效率低下。科学家们的改进便针对着这三大缺点。由物理定律可知，白炽体的发光强度与白炽体的热力学温度的 12 次方成正比。例如，当一盏灯泡的灯丝温度为 2500K 时，其发光强度是当其温度为 2200K 时的 4.6 倍！这个事实给我们两点启示。第一，对同一盏灯，电压降低很少一点，人眼就能明显感到灯光变暗了。因此，在额定电压下使用白炽灯是保证亮度的必要条件。第二，提高白炽灯亮度的重要措施之一，就是设法提高灯丝温度。于是，人们再次将注意力转具有高度韧性、不易折断的高熔点金属。事实上，早在炭丝白炽灯诞生以前，人们就试用过多种熔金属来作灯丝了。爱迪生也曾用白金丝作过灯丝，点亮了 8 分钟到 2 个小时。除了白金和铱之外，他还试过钡、钌、钛、钼、铑、锆等等，都不如白金丝好。由于当时抽气的真空度不高，金属的熔点又偏低，时间一久，灯丝便烧毁，所以没有取得成功。从 19 世纪 80 年代开始，发明家们展开了一场用金属灯丝代替碳灯丝以改进白炽灯的持久战。1882 年维尔纳冯西门子在德国建造了第一家白炽灯工厂，并于春天用他自己的品牌开始将产品投放市场。1887 年，奥地利（当时为德国）韦尔斯巴赫首先设计出锇丝白炽灯（锇的熔点 2700，并于 1898 年大量生产。1902 年这种灯的发光效率已达 8 流明/1803 年英国台奈特发现）（钽的熔点 2996，1802 年瑞典艾克贝格发现） 1905，瓦。随着 1903 年纯金属可锻钽的制得年维尔纳博尔顿成功地研制出一种钽丝白炽灯，这是第一个真正成功地使用金属灯丝的白炽灯，仅在德国就生产并销售了 5 千万只，这些灯的生产一直持续到第一次世界大战期间。早在 1873 年，西班牙德普亚尔就发现了熔点高达 3410的钨，但是由于制造钨丝的工艺不成熟，在白炽灯上一直得不到应用。直到 1909 年，爱迪生原来的同事威廉大卫库利奇在纽约州斯克内塔城美国通用电器公司发明了一种拉制钨丝的新工艺，成功地将钨拉成白炽灯简史4直径仅为头发 1/16 即约 0.5 微米的细丝，制成钨丝白炽灯，从而“戏剧性地降低了生产白炽灯的成本”，大大提高了白炽灯的发光强度和发光效率，寿命也大为增加。他于 1913 年12 月 30 日取得了这种灯的专利。从此，钨丝白炽灯便成为主流产品。白炽灯的使