電灯
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電灯
白熱電球、コンパクト蛍光灯、LEDランプ
動作原理白熱光、蛍光、電界発光
発明家ハンフリー・デイビー
発明年1800年代
初生産1880年代
電子シンボル

電灯、ランプ、または電球は、電気から光を生成する電気機器です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]最も一般的な人工照明です。ランプは通常、セラミック、金属、ガラス、またはプラスチック製の口金を持ち、照明器具のソケットに固定されます。[ a ]ソケットへの電気接続は、ネジ式口金、2本の金属ピン、2つの金属キャップ、またはバヨネットマウントによって行われます。

電灯には、電流によって白熱したフィラメントで光を生成する白熱電球、蛍光灯のようにガス中の電弧によって光を生成するガス放電電球、半導体のバンドギャップを横切る電子の流れによって光を生成するLED 電球の3 つの主なカテゴリがあります。

19世紀にアークランプと白熱電球が初めて実用化されて以来、電気照明のエネルギー効率は飛躍的に向上しました。現代の電気光源は、様々な用途に合わせて多様な種類とサイズが提供されています。現代の電気照明のほとんどは集中発電された電力で稼働していますが、移動式または予備の発電機やバッテリーシステムで稼働する場合もあります。バッテリー駆動の照明は、懐中電灯やランタンなどの固定照明が故障した場合や、車両内での照明に用いられることがよくあります。

歴史

20世紀初頭に電気照明が普及する以前は、人々はろうそく、ガス灯、石油ランプ、火などを使っていました。[ 5 ] 1799年から1800年にかけて、アレッサンドロ・ボルタは世界初の電池であるボルタ電池を開発しました。この電池からの電流で銅線を白熱させることができました。1802年にはワシリー・ウラジミロヴィチ・ペトロフが世界初の持続電弧を開発し、 1806年にはイギリスの化学者ハンフリー・デービーがアーク灯の実用的デモンストレーションを行いました。 [ 6 ] これらの初期の実験から1920年代に白熱電球が商業的に生産されるまでには、数多くの設計、特許、そしてそれに伴う知的財産権紛争など、1世紀以上にわたる継続的かつ漸進的な改良が必要でした。[ 7 ] [ 8 ]

1840年、ウォーレン・デ・ラ・ルーは真空管の中にプラチナコイルを封入し、そこに電流を流すことで、世界初の電球の一つを発明した。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]この設計は、プラチナの高融点により高温でも動作し、真空状態の容器内でプラチナと反応するガス分子が少なくなるため寿命が延びるというコンセプトに基づいていた。効率的な設計ではあったが、プラチナのコストが高かったため、商業利用には非現実的であった。[ 12 ]

イギリスの発明家ウィリアム・グリーナーは、1846年にランプ（特許明細書11076）を発明し、初期の電気照明に大きく貢献し、トーマス・エジソンによるものなどの将来の技術革新の基礎を築きました。

1870年代後半から1880年代は熾烈な競争と革新の時代であり、イギリスのジョセフ・スワンやアメリカのトーマス・エジソンといった発明家たちがそれぞれ独自に機能的な白熱電球を開発した。ウィリアム・ステイトの設計に基づいたスワンの電球は成功したが、フィラメントが太すぎた。エジソンはより細いフィラメントとより真空度の高い電球の開発に取り組み、より商業的に実現可能な電球を開発した。[ 13 ] スワンとエジソンの競争は最終的に合併につながり、エジソン・アンド・スワン電灯会社が設立され、スワンが設計した新しいフィラメントを使った電球を販売した。20世紀初頭までに、これらの電球はアークランプに完全に取って代わった。[ 5 ] [ 14 ]

世紀の変わり目には、電球の寿命と効率がさらに向上し、特にウィリアム・D・クーリッジが1912年に特許を申請したタングステンフィラメントが導入されました。 [ 15 ]この革新は長年にわたって白熱電球の標準となりました。

1910年、ジョルジュ・クロードは最初のネオンライトを導入し、広告のいたるところで使用されるネオンサインの道を開いた。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

1934年、著名な物理学者でありGEのコンサルタントでもあったアーサー・コンプトンは、英国のゼネラル・エレクトリック社（アメリカのゼネラル・エレクトリック社とは無関係）で蛍光灯の実験が成功したことをGEのランプ部門に報告しました。この報告に刺激を受け、主要な要素をすべて揃えたジョージ・E・インマン率いるチームは、1934年にゼネラル・エレクトリック社のネラパーク（オハイオ州）の技術研究所で蛍光灯の試作品を製作しました。これは決して容易な作業ではありませんでした。アーサー・A・ブライトが記しているように、「この新しい装置が一般向けに完成するまでに、ランプのサイズと形状、陰極の構造、アルゴンと水銀蒸気のガス圧、蛍光粉末の色、蛍光管の内側への取り付け方法、そしてランプとその補助装置のその他の細部について、多くの実験を行う必要がありました。」[ 19 ]

最初の実用的なLEDは1962年に登場しました。[ 20 ]これらの初期のLEDは効率が悪く、深い赤色しか表示できなかったため、一般照明には適さず、数字表示や表示灯などの用途に限定されていました。[ 21 ]

最初の高輝度青色LEDは、 1994年に日亜化学工業の中村修二氏によって実証されました。[ 22 ]青色LEDの存在は、蛍光体コーティングを使用して放出された青色光を部分的に低周波に変換し、白色光を生成する最初の「白色LED」の開発につながりました。[ 23 ] 21世紀初頭までに、一般照明に適したLEDランプが市場に投入され、[ 24 ] [ 25 ]そして2009年にフィリップスは、標準的な60Wの「エジソンねじ固定具」電球を置き換えるように設計された最初のランプを発表しました。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

21世紀最初の数十年間、世界中で白熱電球の段階的廃止が進みました。これは、政府の規制と、消費者によるエネルギー効率が高く寿命の長い電球への嗜好が相まって推進されたものです。2019年までに、米国の電力使用量は少なくとも5年連続で減少しました。これは、米国の消費者が白熱電球をLEDに交換したことが一因です。[ 31 ]

種類

白熱灯

電球の使用に関する指示を記した標識
ハグレーの聖ヨハネバプテスト教会にある銘板は、 1934 年に電灯が設置されたことを記念するものである。

現代の白熱電球は、球状のガラス容器（真空またはアルゴンなどの不活性ガスで満たされた）に封入されたコイル状のタングステンフィラメントで構成されています。電流が流されると、タングステンは2,000～3,300 K（1,730～3,030 °C、3,140～5,480 °F）に加熱され、連続スペクトルに近い光を発します。

白熱電球は非常に非効率で、消費されるエネルギーのわずか2～5%しか目に見える使用可能な光として放出されません。残りの95%は熱として失われます。[ 32 ]温暖な気候では、放出された熱を除去する必要があり、換気システムや空調システムにさらなる負担がかかります。[ 33 ]寒冷な気候では、熱の副産物がいくらか価値を持ち、ヒートランプなどの機器で暖房にうまく利用されてきました。しかし、白熱電球はエネルギー効率が低いため、多くの国で段階的に廃止され、 CFLやLED電球などの技術が優先されています。欧州委員会は2012年に、白熱電球を完全に禁止すると、50億～100億ユーロの経済効果と150億トンの二酸化炭素排出量の削減が実現すると推定しました。[ 34 ]

ハロゲン

ハロゲンランプは、正常な動作には通常 200 °C を超えるバルブ温度が必要であるため、通常、標準的な白熱電球よりもはるかに小さくなります。このため、ほとんどのハロゲンランプのバルブは石英ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスでできています。これは、多くの場合、追加のガラス層の内側に密封されています。外側のガラスは安全対策であり、紫外線放射を減らし、動作中に内管が爆発した場合に高温のガラスの破片を封じ込めます。[ 35 ]指紋の油性残留物があると、汚染箇所に過度の熱が蓄積して高温の石英管が粉砕される可能性があります。[ 36 ]裸電球では火傷や火災の危険性も高くなるため、照明器具で囲まれていない限り、裸電球の使用が禁止されている場所もあります。

12ボルトまたは24ボルトで動作するように設計されたものは、コンパクトなフィラメントを備えており、優れた光制御に役立ちます。また、非ハロゲンタイプよりも効率（ワットあたりのルーメン数）が高く、寿命も長くなります。光出力は寿命を通じてほぼ一定です。

蛍光

上：コンパクト蛍光灯2個。下：蛍光灯2個。左：マッチ棒は大きさの目安として示されています。

蛍光灯は、低圧の水銀蒸気またはアルゴンを含むガラス管でできています。管に電流が流れると、ガスが紫外線エネルギーを放出します。管の内側は、紫外線光子が当たると可視光を放出する蛍光体でコーティングされています。[ 37 ]蛍光灯は白熱灯よりもはるかに高い効率を備えています。同じ量の光を生成するのに、通常、白熱電球の約4分の1から3分の1の電力を使用します。蛍光照明システムの一般的な発光効率は1ワットあたり50～100ルーメンで、同等の光出力の白熱電球の効率を数倍上回ります。蛍光灯器具は、ランプを流れる電流を調整するために安定器が必要なため、白熱灯よりも高価ですが、エネルギーコストが低いため、通常は初期コストの高さを相殺できます。コンパクト蛍光灯は、白熱灯と同じ一般的なサイズで利用でき、家庭での省エネ代替品として使用されています。蛍光灯の多くは水銀を含んでいるため、有害廃棄物に分類されています。米国環境保護庁は、蛍光灯をリサイクルまたは安全に廃棄するために一般廃棄物から分離することを推奨しており、一部の地域ではリサイクルが義務付けられています。[ 38 ]

導かれた

E27エジソンねじ口金付きLEDランプ

固体発光ダイオード（LED）は、1970年代から民生用電子機器やプロ用オーディオ機器の表示灯として人気がありました。2000年代には、効率と出力が向上し、LEDは現在、自動車のヘッドライト[ 39 ]やブレーキランプ[39]などの照明用途、懐中電灯[ 40 ]や自転車のライト[ 41 ] 、さらには休日の照明などの装飾用途にも使用されています。[ 42 ]表示用LEDは最大10万時間と非常に長い寿命で知られていますが、照明用LEDはそれほど保守的ではなく、その結果寿命が短くなっています。LED技術は、消費電力が少なく、発熱が少なく、瞬時のオン/オフ制御が可能で、単色LEDの場合はダイオードの寿命全体にわたって色が連続しており、製造コストが比較的低いため、照明設計者にとって便利です。[ 42 ] LEDの寿命はダイオードの温度に大きく左右されます。[ 43 ] LEDランプを内部温度が上昇する条件下で動作させると、ランプの寿命が大幅に短くなる可能性があります。一部のレーザーは、LEDの代替として、高度に集光された照明を提供するために採用されています。[ 44 ] [ 45 ]

炭素アーク

作動中の炭素アークランプ。アークが見える
IMAX映写システムで使用される15kWキセノンアークランプ
蛍光顕微鏡の水銀アークランプ

カーボンアークランプは、限流安定器によって供給される2本の炭素棒電極を大気中に配置した構造です。棒の先端を接触させてから離すことでアーク放電が発生します。発生したアークは、棒の先端間に白熱したプラズマを発生させます。これらのランプはフィラメントランプよりも効率が高いですが、炭素棒は寿命が短く、アークの高熱によって侵食されるため、使用中に頻繁に調整する必要があります。[ 46 ]これらのランプは紫外線を大量に放出するため、屋内で使用する場合は換気が必要であり、また、その強度から直視保護が必要です。

1805年頃にハンフリー・デービーによって発明された炭素アーク灯は、世界初の実用的な電灯でした。[ 47 ] [ 48 ] 1870年代から大型ビルや街路照明に商業的に使用され始めましたが、20世紀初頭に白熱灯に取って代わられました。[ 47 ]炭素アーク灯は高出力で動作し、高輝度の白色光を生成します。また、点光源でもあります。映画映写機、舞台照明、サーチライトなど、これらの特性が求められる限られた用途で、第二次世界大戦後まで使用され続けました。[ 46 ]

退院

放電ランプは、ガスで隔てられた2つの金属電極を備えたガラスまたはシリカ製の容器を備えています。使用されるガスには、ネオン、アルゴン、キセノン、ナトリウム、金属ハロゲン化物、水銀などが​​あります。基本的な動作原理はカーボンアークランプとほぼ同じですが、「アークランプ」という用語は通常カーボンアークランプを指し、より現代的なタイプのガス放電ランプは通常放電ランプと呼ばれます。一部の放電ランプでは、アークを発生させるために非常に高い電圧が使用されます。これには、電気バラスト回路の一部であるイグナイタと呼ばれる電気回路が必要です。アークが発生すると、ランプの内部抵抗は低いレベルまで低下し、バラストは電流を動作電流に制限します。バラストがないと、過剰な電流が流れ、ランプが急速に破損する可能性があります。

一部のランプには少量のネオンが含まれており、外部点火回路なしで通常の動作電圧で点灯できます。低圧ナトリウムランプもこの方式で動作します。最もシンプルな安定器はインダクタのみで構成されており、街路灯などコストが決定的な要素となる場合に使用されます。より高度な電子安定器は、ランプの寿命を通じて一定の光出力を維持するように設計されている場合があり、完全にちらつきのない出力を維持するためにランプを矩形波で駆動し、特定の障害が発生した場合には停止します。

最も効率的な電灯光源は低圧ナトリウムランプです。実用上、このランプはオレンジがかった黄色の単色光を発し、照らされたあらゆるシーンを単色に見せます。そのため、低圧ナトリウムランプは一般的に屋外の公共照明に使用されます。低圧ナトリウムランプは、広帯域スペクトルや連続スペクトルとは異なり、発生する光害を容易に除去できるため、天文学者の間で公共照明として好まれています。

特徴

フォームファクター

多くのランプユニット（電球）は、標準化された形状コードとソケット名で指定されています。白熱電球とその交換用電球は、これらの種類の電球の一般的なサイズである「A19 / A60 E26 / E27」と指定されることがよくあります。この例では、「A」パラメータはAシリーズ電球内の電球のサイズと形状を表し、「E」パラメータはエジソンねじ口金のサイズとねじ山の特性を表します。[ 49 ]

比較パラメータ

一般的な比較パラメータには以下が含まれる：[ 50 ]

あまり一般的ではないパラメータとしては、演色評価数(CRI) などがあります。

平均寿命

多くの種類のランプの平均寿命は、ランプの50%が故障するまでの動作時間数、つまりランプの平均寿命として定義されます。製造公差はわずか1%ですが、ランプ寿命には25%のばらつきが生じる可能性があります。そのため、一般的に、定格寿命よりもずっと早く故障するランプもあれば、それよりずっと長く持続するランプもあります。LEDの場合、ランプ寿命は、ランプの50%の光出力が70%低下するまでの動作時間として定義されます。1900年代には、電球の寿命を短縮しようとするフェブス・カルテルが結成されましたが、これは計画的陳腐化の一例です。[ 51 ] [ 52 ]

一部のランプはスイッチングサイクルに敏感です。浴室など、頻繁にスイッチングを行う部屋では、ランプ寿命は箱に記載されている寿命よりもはるかに短くなる可能性があります。特に、コンパクト蛍光灯はスイッチングサイクルに敏感です。[ 53 ]

用途

透明ガラスのLEDフィラメントランプ

人工光（特に街灯）の総量は、夜間に空から、そして宇宙から都市が容易に見えるほどである。20世紀後半には、屋外照明は3～6%の割合で増加し、光害の主な原因となっている[ 54 ]。これは天文学者[ 55 ]をはじめとする多くの人々にとって悩みの種となっている。世界人口の80%が夜間光害地域に住んでいる[ 56 ] 。光害は一部の野生生物に悪影響を及ぼすことが示唆されている[ 54 ] 。 [ 57 ]

電灯は、例えばインキュベーター、ファーストフード店の赤外線ランプ、ケナー・イージーベイクオーブンなどのおもちゃなどの熱源として使用することができます。[ 58 ]

ランプは、ビタミンD欠乏症[ 59 ]、ニキビ[ 60 ] [ 61 ]や皮膚炎[ 62 ]などの皮膚疾患、 [63]皮膚がん[64] 、季節性情動障害[ 65 ]などの問題に対処するための光療法にも使用できます。[ 66 ]特定の周波数の青色光を放射するランプは、新生児黄疸の治療にも使用されており[ 67 ] 、当初は病院で行われていた治療が自宅で行うことができるようになりました。[ 68 ] [ 69 ]

電球は植物の成長を助けるための栽培用ライトとしても使用できます[ 70 ]。特に屋内水耕栽培や水生植物では、植物の成長に最も効果的な光の種類に関する最近の研究が行われています[ 71 ] 。

文化的象徴

西洋文化では、電球、特に人の頭の上に点灯した電球が現れることは、突然のひらめきを意味します。

トルコの公正発展党のロゴには、電球が様式化されて描かれている。[ 72 ] [ 73 ]

参照

注記

  1. ^携帯可能な照明器具の中には、ランプと呼ばれるものもある。 [ 4 ]

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  • ウィキメディア・コモンズの電球関連メディア
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