Lịch sử của bóng đèn điện
Hơn 150 năm trước, các nhà phát minh đã bắt đầu thực hiện một ý tưởng sáng tạo có tác động mạnh mẽ đến cách chúng ta sử dụng năng lượng trong nhà và văn phòng của mình. Phát minh này đã thay đổi cách chúng ta thiết kế các tòa nhà, tăng thời lượng ngày làm việc trung bình và khởi động các công việc kinh doanh mới. Nó cũng dẫn đến những đột phá mới về năng lượng – từ các nhà máy điện và đường dây tải điện đến các thiết bị gia dụng và động cơ điện.
Giống như tất cả các phát minh vĩ đại, bóng đèn không thể được ghi công cho một nhà phát minh. Đó là một loạt các cải tiến nhỏ dựa trên ý tưởng của các nhà phát minh trước đó đã dẫn đến những bóng đèn chúng ta sử dụng trong nhà ngày nay.
Bóng Đèn Sợi Đốt Chiếu Sáng Con Đường
Rất lâu trước khi Thomas Edison được cấp bằng sáng chế – lần đầu tiên vào năm 1879 và sau đó một năm vào năm 1880 – và bắt đầu thương mại hóa bóng đèn sợi đốt của mình, các nhà phát minh người Anh đã chứng minh rằng đèn hồ quang là khả thi. Năm 1835, ánh sáng điện không đổi đầu tiên được chứng minh, và trong 40 năm tiếp theo, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã nghiên cứu về đèn sợi đốt, nghiên cứu dây tóc (bộ phận của bóng đèn tạo ra ánh sáng khi được đốt nóng bởi dòng điện) và bầu không khí của bóng đèn (cho dù không khí được hút chân không ra khỏi bóng đèn hoặc chứa đầy khí trơ để dây tóc không bị oxi hóa và cháy hết). Những bóng đèn ban đầu này có tuổi thọ cực kỳ ngắn, quá đắt để sản xuất hoặc sử dụng quá nhiều năng lượng.
Khi Edison và các nhà nghiên cứu của ông tại Menlo Park đến hiện trường chiếu sáng, họ tập trung vào việc cải thiện dây tóc – đầu tiên là thử nghiệm carbon, sau đó là bạch kim, trước khi cuối cùng quay trở lại dây tóc carbon. Vào tháng 10 năm 1879, nhóm của Edison đã sản xuất một bóng đèn có dây tóc carbon hóa bằng sợi bông không tráng có thể tồn tại trong 14,5 giờ. Họ tiếp tục thử nghiệm với dây tóc cho đến khi tìm được dây tóc làm từ tre giúp đèn của Edison có tuổi thọ lên đến 1.200 giờ – dây tóc này đã trở thành tiêu chuẩn cho bóng đèn Edison trong 10 năm tiếp theo. Edison cũng thực hiện các cải tiến khác cho bóng đèn, bao gồm việc tạo ra một máy bơm chân không tốt hơn để loại bỏ hoàn toàn không khí khỏi bóng đèn và phát triển vít Edison (hiện nay là phụ kiện ổ cắm tiêu chuẩn cho bóng đèn).
(Chú thích lịch sử: Người ta không thể nói về lịch sử của bóng đèn mà không nhắc đến William Sawyer và Albon Man, người đã nhận được bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho đèn sợi đốt và Joseph Swan, người được cấp bằng sáng chế cho bóng đèn của mình ở Anh. Đã có cuộc tranh luận về liệu bằng sáng chế bóng đèn của Edison có vi phạm bằng sáng chế của các nhà phát minh khác này hay không. Cuối cùng, công ty chiếu sáng Hoa Kỳ của Edison đã hợp nhất với Công ty điện Thomson-Houston – công ty sản xuất bóng đèn sợi đốt theo bằng sáng chế Sawyer-Man – để thành lập General Electric, và hệ thống chiếu sáng của Edison công ty hợp nhất với công ty của Joseph Swan để thành lập Ediswan ở Anh.)
Điều khiến cho sự đóng góp của Edison trong lĩnh vực chiếu sáng điện trở nên phi thường là ông không ngừng cải tiến bóng đèn – ông đã phát triển toàn bộ các phát minh giúp việc sử dụng bóng đèn trở nên thiết thực. Edison đã mô hình hóa công nghệ chiếu sáng của mình trên hệ thống chiếu sáng bằng gas hiện có. Năm 1882 với Holborn Viaduct ở London, ông đã chứng minh rằng điện có thể được phân phối từ một máy phát điện đặt ở trung tâm thông qua một loạt dây và ống (còn gọi là ống dẫn). Đồng thời, ông tập trung vào việc cải thiện sản xuất điện, phát triển tiện ích điện thương mại đầu tiên có tên là Pearl Street Station ở hạ Manhattan. Và để theo dõi lượng điện mà mỗi khách hàng đang sử dụng, Edison đã phát triển đồng hồ đo điện đầu tiên.
Trong khi Edison đang nghiên cứu toàn bộ hệ thống chiếu sáng, các nhà phát minh khác đang tiếp tục tạo ra những bước tiến nhỏ, cải thiện quy trình sản xuất dây tóc và hiệu suất của bóng đèn. Sự thay đổi lớn tiếp theo của bóng đèn sợi đốt là do các nhà phát minh châu Âu phát minh ra dây tóc vonfram vào năm 1904. Những bóng đèn dây tóc vonfram mới này tồn tại lâu hơn và có ánh sáng sáng hơn so với bóng đèn dây tóc cacbon. Năm 1913, Irving Langmuir phát hiện ra rằng việc đặt một khí trơ như nitơ vào bên trong bóng đèn đã làm tăng gấp đôi hiệu suất của nó. Các nhà khoa học tiếp tục thực hiện các cải tiến trong 40 năm tiếp theo để giảm chi phí và tăng hiệu suất của bóng đèn sợi đốt. Nhưng đến những năm 1950, các nhà nghiên cứu vẫn chỉ tìm ra cách chuyển đổi khoảng 10% năng lượng mà bóng đèn sợi đốt sử dụng thành ánh sáng và bắt đầu tập trung năng lượng vào các giải pháp chiếu sáng khác.
Sự Thiếu Hụt Năng Lượng Dẫn Đến Sự Đột Phá Của Huỳnh Quang
Vào thế kỷ 19, hai người Đức – thợ thổi thủy tinh Heinrich Geissler và bác sĩ Julius Plücker – đã phát hiện ra rằng họ có thể tạo ra ánh sáng bằng cách loại bỏ gần như toàn bộ không khí khỏi một ống thủy tinh dài và cho dòng điện chạy qua nó, một phát minh được gọi là ống Geissler. Là một loại đèn phóng điện, những loại đèn này không phổ biến cho đến đầu thế kỷ 20 khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm cách cải thiện hiệu quả chiếu sáng. Đèn phóng điện trở thành cơ sở của nhiều công nghệ chiếu sáng, bao gồm đèn neon, đèn natri áp suất thấp (loại được sử dụng trong chiếu sáng ngoài trời như đèn đường) và đèn huỳnh quang.
Cả Thomas Edison và Nikola Tesla đều đã thử nghiệm với đèn huỳnh quang vào những năm 1890, nhưng cả hai đều không sản xuất thương mại chúng. Thay vào đó, chính bước đột phá của Peter Cooper Hewitt vào đầu những năm 1900 đã trở thành một trong những tiền thân của đèn huỳnh quang. Hewitt đã tạo ra ánh sáng xanh lam bằng cách cho dòng điện chạy qua hơi thủy ngân và kết hợp với chấn lưu (một thiết bị nối với bóng đèn để điều chỉnh dòng điện chạy qua ống). Trong khi đèn Cooper Hewitt hiệu quả hơn bóng đèn sợi đốt, chúng có ít mục đích sử dụng phù hợp do màu sắc của ánh sáng.
Vào cuối những năm 1920 và đầu những năm 1930, các nhà nghiên cứu châu Âu đã làm thí nghiệm với các ống neon được phủ một lớp phốt pho (một loại vật liệu hấp thụ tia cực tím và chuyển đổi ánh sáng vô hình thành ánh sáng trắng hữu ích). Những phát hiện này đã khơi dậy các chương trình nghiên cứu về đèn huỳnh quang ở Hoa Kỳ, và vào giữa và cuối những năm 1930, các công ty chiếu sáng của Mỹ đã trình diễn đèn huỳnh quang cho Hải quân Hoa Kỳ và tại Hội chợ Thế giới năm 1939 ở New York. Những bóng đèn này tồn tại lâu hơn và hiệu quả hơn khoảng ba lần so với bóng đèn sợi đốt. Nhu cầu chiếu sáng tiết kiệm năng lượng Các nhà máy chiến tranh của Mỹ đã dẫn đến việc sử dụng nhanh chóng đèn huỳnh quang, và đến năm 1951, ở Mỹ nhiều ánh sáng hơn đến từ đèn huỳnh quang tuyến tính.
Đó là một sự thiếu hụt năng lượng khác – cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 – đã khiến các kỹ sư chiếu sáng phát triển một bóng đèn huỳnh quang có thể được sử dụng trong các ứng dụng dân dụng. Năm 1974, các nhà nghiên cứu tại Sylvania bắt đầu nghiên cứu cách họ có thể thu nhỏ chấn lưu và lắp nó vào đèn. Mặc dù họ đã phát triển một bằng sáng chế cho bóng đèn của mình, nhưng họ không thể tìm ra cách để sản xuất nó một cách khả thi. Hai năm sau vào năm 1976, Edward Hammer tại General Electric đã tìm ra cách uốn ống huỳnh quang thành hình xoắn ốc, tạo ra bóng đèn huỳnh quang compact đầu tiên (CFL). Nhưng giống như Sylvania, General Electric đã gác lại thiết kế này vì máy móc mới cần thiết để sản xuất hàng loạt những chiếc đèn này quá đắt.
Các bóng đèn huỳnh quang compact (CFL) ban đầu được tung ra thị trường vào giữa những năm 1980 với giá bán lẻ từ 25-35 đô la, nhưng giá có thể khác nhau tùy theo khu vực do các chương trình khuyến mãi khác nhau do các công ty tiện ích thực hiện. Người tiêu dùng cho rằng giá cao là trở ngại số một của họ trong việc mua CFL. Có những vấn đề khác – nhiều CFL của năm 1990 to và cồng kềnh, chúng không vừa vặn với các thiết bị cố định và chúng có hiệu suất ánh sáng thấp và không nhất quán. Kể từ những năm 1990, những cải tiến về hiệu suất, giá cả, hiệu quả của CFL (chúng sử dụng năng lượng ít hơn khoảng 75% so với sợi đốt) và tuổi thọ (kéo dài hơn khoảng 10 lần) đã khiến chúng trở thành một lựa chọn khả thi cho cả người thuê nhà và chủ nhà. Gần 30 năm sau khi CFL lần đầu tiên được giới thiệu trên thị trường, một CFL ENERGY STAR® có giá chỉ 1,74 đô la cho mỗi bóng đèn khi mua theo gói bốn bóng.
LEDS: Tương Lai Là Đây
Một trong những công nghệ chiếu sáng phát triển nhanh nhất hiện nay là diode phát quang (hay đèn LED). Là một loại đèn chiếu sáng trạng thái rắn, đèn LED sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi điện năng thành ánh sáng, thường có diện tích nhỏ (dưới 1 mm vuông) và phát ra ánh sáng theo một hướng cụ thể, giảm nhu cầu về bộ phản xạ và bộ khuếch tán có thể bẫy ánh sáng.
Chúng cũng là đèn hiệu quả nhất trên thị trường. Còn được gọi là hiệu suất phát sáng, hiệu suất của bóng đèn là thước đo ánh sáng phát ra (lumen) chia cho công suất mà nó hút ra (watt). Một bóng đèn có hiệu suất 100% trong việc chuyển đổi năng lượng thành ánh sáng sẽ có hiệu suất là 683 lm/W. Để đặt điều này trong bối cảnh, bóng đèn sợi đốt 60 đến 100 watt có hiệu suất 15 lm/W, CFL tương đương có hiệu suất 73 lm/W và bóng đèn thay thế dựa trên LED hiện tại trên thị trường dao động từ 70-120 lm/W với hiệu suất trung bình 85 lm/W.
Năm 1962 khi làm việc cho General Electric, Nick Holonyak, Jr., đã phát minh ra đèn LED quang phổ nhìn thấy đầu tiên dưới dạng điốt đỏ. Tiếp theo, điốt màu vàng nhạt và xanh lục đã được phát minh. Khi các công ty tiếp tục cải tiến điốt đỏ và sản xuất của họ, chúng bắt đầu xuất hiện.
Trọng Điểm Ở Đây Là Gì?
Giống như tất cả các phát minh vĩ đại, bóng đèn không thể được ghi công cho một nhà phát minh.
Đó là một loạt các cải tiến nhỏ dựa trên ý tưởng của các nhà phát minh trước đó đã dẫn đến những bóng đèn chúng ta sử dụng trong nhà ngày nay.
Lithaco
Nguồn: ENERGY.GOV
Bài Viết Liên Quan
