电灯,又叫白炽灯,顾名思义,就是灯丝被电流加热到白炽状态后发光的灯。电流通过灯丝,大部分转化为热能,小部分转化为光能。
电灯是人类征服黑暗世界的最大证明。在漫长的古代社会,人们都用动物油、蜂蜡等燃料来制作光源,比如蜡烛、煤油灯、灯箱等。这些灯具不但照光量不足,还极易引发火灾。历史进入十九世纪,欧洲、美洲的科学家们便运用新兴的电力学知识,开始投入到电灯的研发中。
第一个“吃螃蟹”的人是英国科学家戴维,大名人法拉第是他学生。戴维于1809年完成了一个很雷人的灯:用2000节电池连接起两根炭棒的正负极,在宽阔的广场亮了数分钟。此后,科学家们灵感迸发,制造出一系列电灯。1854年,德国钟表匠亨利·戈培尔发明了弧形灯泡;1860年,英国科学家斯旺发明了半真空碳丝电灯,但实用性不大,也没有公诸于世。
“发明大王”爱迪生也卷入这场电灯发明之战中。他通过不懈的努力,不但发明了具有实用价值的电灯,还投身于电灯的普及和推广。后人一致认为,爱迪生与希腊神话中给人类偷来天的火普罗米修斯一样伟大。爱迪生发明电灯的故事十分曲折,有的还被选入中学教材之中。
“要是让家家户户都点上电灯,该有多好啊!”怀着这样的心情,“发明大王”爱迪生于1877年开始了研究电灯之路。凡事预则立,深谙此理的他没有急着动手,而是先进行电学和光学的知识储备。没多久,他辑录了二百多本资料,共四万多页。他把自己关在实验室里,夜以继日的研究着。有一次,一个朋友来看爱迪生,看着满屋子书说:“怪不得你懂得那么多知识,原来是睡觉的时候也在吸收书里的营养啊!”
爱迪生投身电灯研发工作后,很快发现两个关键问题:一是氧化作用会严重影响灯丝的寿命,二是灯丝的材料。经过实验,他找到第一个问题的答案,即解决灯泡里的真空问题。这件事对“发明大王”来说是小菜一碟。便研制成一架精密的抽气机,可以抽出玻璃灯泡里的空气,使灯泡达到他希望的真空状态。
爱迪生设想,未来的电灯,就是把一小段电阻不大而有耐高温的导体材料——细灯丝装在漂亮的玻璃泡里,通上电流,发出光来。细灯丝显然是电灯发明的重中之重。为了解决细灯丝问题,他反复用白金、炭、石墨、铂铱合金,甚至土质、矿石等进行试验。仅一年多的时间,他就试验了1600多种材料。然而这些材料没烧上两分钟,就熔化断裂了。
爱迪生把实验暂停下来,寻找失败的原因。翻阅了大量的书籍后,他决心再次进行实验。某日,坐在桌边思考的爱迪生忽然碰到放在桌上的的一卷棉纱,脑海中闪过一个念头,立即大叫:“来人,去买几轴棉线。”原来,他准备用棉线做灯丝。
爱迪生把买来的棉线摆成各种圆弧形,并放在一个密闭的金属盒内,然后放进炉内烘烤。几小时后,棉线变成了炭丝。他想把这些炭丝取出来,但没有成功。第四天,他才取出一段完整的炭丝,并顺利装在玻璃灯泡里。接通电源后,炭丝发出亮光;但亮光只持续了几秒钟。爱迪生并不因为炭丝很快被烧断而丧失信心,而是坚信“炭比白金好”。
爱迪生改进炭化的方法,在棉纱线上撒满炭末,并弯成马蹄形,放在坩锅里用高温加热,然后装进玻璃泡里,用抽气机抽掉空气。经过无数次的试验,1879年10月21日,世界上第一盏具有实用价值的电灯终于研制成功。这盏炭丝灯亮了45小时。
爱迪生清楚地认识到,炭丝灯虽然能持续发亮,但最明显的问题是制作工艺复杂,费用很高,不可能走进寻常百姓家。于是,他把工作重点集中到寻找便宜而实用的灯丝材料上。爱迪生根据棉纱的性质,决定在植物纤维领域作文章。凡是植物学上有记载,认为可用的,他都要试一试;此外,连橡皮、假象牙、钓丝、人的头发、胡子,也曾被列入灯丝材料的试验对象。到1880年5月初,爱迪生试验过的植物纤维共计6000多种,新研制出来的灯泡也能连续发光300小时。不知疲倦的爱迪生屡败屡战,后来发明了竹子灯丝做的电灯,居然亮了1200小时。灯丝材料解决了,制作费用便降了下来。1879年,他的每只灯泡的总体费用在1.10美元,后来一直下降,到竹丝灯泡时,一只灯泡只有0.22美元。
爱迪生见灯丝的试验已经差不多了,便着手于电灯的推广运用。为此,他改进了发电机和输配电系统,并在资本家资助下,在纽约创建了第一个火力发电厂。强大的电流,通过蛛网似的线路,流到纽约及附近城市的千家万户,人类从此走进电照明时代。“发明大王”终于实现了年轻时的梦想,让家家户户都点上了电灯。
世界永远在进步。1909年,美国科学家柯里奇发明了钨丝抽成细丝,并在灯泡里充进氩一类的惰性气体。1913年,美国科学家朗缪尔发明螺旋钨丝电灯,并在灯泡里注入抑制钨丝挥发的氮气。20世纪60年代,随时半导体发光二极管的诞生,LED灯迅速崛起。任何东西都有利有弊。正如前文所述,白炽灯只有小部分电能(约2%)转化成有用的光能,同时寿命不超过1000小时。种种原因,导致电灯正被新型的节能灯、LED灯等绿色光源所代替,比如澳大利亚政府2010年就明文提倡使用节能荧光照明设备,禁止使用电灯。电灯“英雄”末路之快,可能是爱迪生也没有料到的。
本作品为“科普中国-科技创新里程碑”原创 转载时务请注明出处