白熾燈的前世今生

按照國家發展和改革委員會發布的《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》，我國將從2012年10月1日起，按功率大小分階段逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈。由白熾燈開啟的電光文明時代，讓人們切實感到了科學技術的福音。在低碳大潮的涌動下，白熾燈功成身退自然也是順理成章的事情。

愛迪生（1847～1931）是舉世聞名的科學家和發明家，被譽為“世界發明大王”。愛迪生生活的年代，正處于電力技術革命的孕育和發展期，因此他的發明大多與電有關。在愛迪生的白熾燈問世之前，人們廣泛使用蠟燭和煤氣燈進行照明。蠟燭和煤氣燈在燃燒時，往往會產生濃烈的黑煙和刺鼻的臭味。并且，煤氣燈還需要用管道供給煤氣，發生漏氣或堵塞非常容易出事，同時這種燈很容易引起火災，因此人們迫切要求發明一種既安全又方便的照明燈。

19世紀初，人們發現從一個電池的兩端引出兩根導線，導線相碰時就會產生一個火花。如果把幾個電池串聯起來再引出導線，那么它們相碰時產生的火花就會變得更亮了。

1812年，英國一位叫戴維的化學家曾用2000節電池組成的電池組和兩根碳棒連接起來，制成了世界上第一盞電光源——弧光燈。

原來，先讓兩根碳棒相互靠近接通電流，再慢慢地把兩根碳棒分開，這樣就會在它們之間拉出一個很亮的電弧，利用這種電弧做成的照明燈就被稱為“弧光燈”。當時在英國，弧光燈也只是進行了有限的應用，比如用在鐘樓的頂上或燈塔上。

不過，在沒有發電機之前，弧光燈是沒有實用價值的，尤其不能用于室內照明。但這并沒有削弱人們關于電光源的發明熱情，人們似乎已經從弧光燈的亮光中看到了電光源的曙光。大約在1877年和1878年間，愛迪生曾經進行過幾次關于白熾燈的試驗，但由于那時許多人都在這一領域探索，所以愛迪生就終止了這方面的研究。

1878年9月，愛迪生聽說威廉·華萊士正在進行有關電燈的研究，因此就到康涅狄克州訪問了威廉·華萊士。原來，威廉·華萊士曾致力于發電機的研究，當時正在進行電弧燈方面的科學試驗。這里耀眼奪目的電弧光點燃了愛迪生的創造熱情，愛迪生發誓一定要在電燈制造方面超過威廉·華萊士！

愛迪生從威廉·華萊士那里回來以后，把所有的事情全棄置一邊，全神貫注地致力于電燈問題的研究和探索。愛迪生在談到白熾燈的制作過程時強調：“我在電燈方面建立了3000種不同的理論，每種理論似乎都可能轉化為現實。可是，我在試驗中只證實了其中的兩種理論行得通。”愛迪生經過反復比較，決定集中精力研究白熾燈。

愛迪生在他31歲的那一年，向全世界宣布他要解決電燈照明的問題。愛迪生設想用電力照明取代煤氣照明，首先是要讓電力照明具有煤氣照明的一切優點，同時還要使照明設備能夠滿足人們的各種要求。在科學家競相開發電光源而沒有實質突破的情況下，愛迪生選擇這個充滿風險的研究課題，無疑是一個極其難啃的“硬骨頭”。

原來，在愛迪生之前就有許多人在對弧光燈進行改進，并從理論上展示了其作為電光源的可能性。并且，英國的斯旺也早已開始了關于白熾燈的研究。

從1878年9月開始，門羅公園的研究所成了愛迪生研究電燈的主戰場。相對于此前的電燈研究，愛迪生的技術路線無疑是新穎的。但是，要真正實踐起來卻并不是一件容易的事情。像選擇一種合適的燈絲材料，并把它密封在一個真空的玻璃容器內，這都是當時的科學技術尖端課題。

據說，愛迪生在開始的時候，先是把一小截耐熱的材料裝在一個玻璃泡里，當電流把它燒到白熱化的程度時便可以發光了，但一通電流就被燒斷了。愛迪生認真分析其中的原因，也許是里面空氣中的氧氣幫助炭絲燃燒的緣故吧！于是，愛迪生就用自己制造的抽氣機來把玻璃泡里的空氣抽掉，然后再進行通電試驗。

果然，裝在玻璃泡里的炭絲沒有馬上被燒掉，而是明亮地燃燒了8分鐘。這說明真空狀態可以延長燈絲的壽命。那么選擇什么樣的耐熱材料做燈絲比較好呢？愛迪生煞費苦心，曾選用1600多種耐熱材料進行反復試驗，包括金屬、石墨、木材、稻草、亞麻等材料，但都沒有取得成功。

因此，有些人對愛迪生的電燈產生了懷疑，并認為這是不可能成功的。有些人認為愛迪生的想法是“荒唐無稽的夢囈”。也有人說：“連數學都不懂的愛迪生，竟想解決為世界學者所苦惱的問題，真可謂愚不可及！”有人甚至譏笑他說：“不管愛迪生有多少電燈，只要有一只壽命超過20分鐘，我就愿付100美元，有多少付多少。”愛迪生對此不屑一顧，繼續研究他的電燈燈絲。

1878年秋，愛迪生又重新用“炭”進行試驗。他在纖維或紙張的表面涂上燈墨和瀝青的混合物，再卷成毛衣針狀進行炭化處理。當他把這種材料制作的燈絲裝在玻璃泡里的時候，居然在真空中持續發了一、兩個小時的光。

雖然愛迪生的炭絲試驗沒有取得成功，但經過無數次的試驗最終得出了一個結論，那就是電燈的燈絲要滿足電阻要高、散熱要慢的條件。在試驗過的燈絲材料中，似乎鉑是最為理想的一種。

于是，愛迪生再次選用鋁和鉑等金屬材料進行試驗。1878年10月5日，愛迪生提出了一份關于鉑絲“電燈”的專利申請。這種“電燈”的燈絲是用鉑絲繞成的雙螺旋結構，它們之間還加了一支金屬棒。當燈絲熱度接近鉑絲的熔點時，金屬棒便膨脹造成短路，使得燈泡溫度降低下來。在鉑絲冷卻的同時金屬棒也會冷卻下來，這樣電流又可以再次通過了。

盡管這種方法巧妙地解決了燈絲的熔斷問題，但后來發現這種方法并不是十分可靠的。

在一個寒冷的冬天，愛迪生順手把脖子上的圍巾扯下來，突然萌發了一個用棉紗做燈絲的念頭。于是，他急忙從圍巾上扯下一根棉紗，在爐火上烤了好長時間，結果棉紗變成了一縷焦炭。一個德國籍的玻璃專家按照愛迪生的吩咐，把燈泡里的空氣抽到只剩下一個大氣壓的百萬分之一，這為愛迪生電燈的成功奠定了技術基礎。

愛迪生小心翼翼地把這根炭絲裝進這個玻璃泡內，果然取得了令人滿意的效果。愛迪生感到異常興奮，緊接著又制造了很多棉紗做成的炭絲，連續進行了許多次的試驗。1879年10月21日那天，愛迪生把一根直徑為0.025厘米炭化了的棉線用作燈絲，足足穩定地明亮了45個小時。相對于過去的燈絲幾分鐘乃至幾小時的壽命，此次45個小時的燈絲壽命，無疑是一個具有歷史意義的進步。

實際上，這是人類歷史上的第一盞具有實用價值的電燈，因此人們把這一天確定為白熾燈的發明日。愛迪生在回憶這個難忘的時刻時說，我們坐在那里目不轉睛地看著那盞電燈，它燃燒的時間越長我們就越覺得神氣十足。1879年11月1日，愛迪生申請了關于炭絲燈的專利。

愛迪生經過一年多進行的數千次試驗，人們盼望已久的電燈終于誕生了。這個消息一傳開，整個世界都為之轟動了。人們預言，煤氣燈照明的時代即將成為歷史，人類未來的照明將是電光源的一統天下。但是，但愛迪生并沒有陶醉在階段性勝利之中，他決心不斷地試驗下去，從而讓電燈進一步趨于完美。

愛迪生對45個小時的燈絲壽命仍然高興不起來，他希望未來的燈絲要能亮1000個小時，甚至是16000個小時。愛迪生決定從植物纖維這方面去尋找新的燈絲材料，并因此開始了新一輪的燈絲試驗。大凡植物方面的材料，只要能找到的愛迪生都進行了試驗。甚至就連人的頭發和胡子，他都拿來當做燈絲進行了試驗。然而，所有的努力都沒有取得令人滿意的效果。

倒是一個偶然的機會使愛迪生眼前一亮，那就是炭化了的竹絲具有光明的前途。有一次，愛迪生在試驗室拾到一把蒲葵扇，在它四周纏繞著的一圈竹絲引起了他的注意。原來，蒲葵扇是用蒲葵（一種棕櫚科常綠喬木）葉制成的扇子，我們常把它稱為“芭蕉扇”。愛迪生馬上把蒲葵扇上的竹絲取下來，經過炭化以后用做燈絲進行了試驗，誰知效果還真是不錯。這一下愛迪生可高興了，他決定要用世界上最好的竹子來做電燈的燈絲。

愛迪生搜集了從世界各地采集來的竹子大約有6000多種，經過無數次的燈絲試驗，結果證明用日本竹子制成的炭燈絲最為優秀，據說可以持續明亮1200多個小時。用日本竹子制成的炭絲燈是人類歷史上第一批實用型白熾燈。不久，美國人開始使用這種價廉物美、經久耐用的竹絲燈泡了。從此時到1908年的9年間，日本竹子一直是制作電燈炭絲的主要原料。

當白熾燈的壽命問題解決之后，讓白熾燈走進千家萬戶就是一個十分迫切的問題。愛迪生曾說過：“當電燈普及以后，只有奢侈者才用蠟燭！”為了白熾燈的普及推廣，愛迪生可是費盡了心機。

然而，剛開始人們并不樂意使用這種新型電光源。究其原因，不外乎這樣幾個方面的原因。一是認識方面的原因，擔心雷電之火會通過導線進入室內；二是技術方面的原因，比如當時的電燈是不能單獨控制開關的，因此一家開燈萬家輝煌，一家關燈萬家誅連；三是其他方面的原因，比如電燈的安全問題等。

對于第一個方面的原因，愛迪生可以通過宣傳的方式進行解決，其他方面的原因則必須通過技術途徑和其他途徑進行解決。比如，愛迪生計劃研制一個高效率的發電系統，從而為電力照明提高動力保障。同時，愛迪生還研究了電流分路問題，從而解決了電燈開關互相影響的問題。

比如，愛迪生提出了一個接線方案，把原來的串聯接法改為現在的并聯接法，這樣就可以避免“一家關燈萬家誅連”了。當然，還要研制穩壓器、開關、接線盒、絕緣帶和保險絲等一系列器件，從而保證電燈照明系統穩定可靠地工作。

愛迪生還提出了一種新的導線分布方法，即在街道兩旁架設一組“總線”，每個用戶的支線可以從這些“總線”上連接。據說這種饋電系統比樹枝式分布可以節約88%的銅，同時使得導線中的電壓降落和損耗也減少了許多，因此基本上不會影響各個用戶電燈的亮度。

愛迪生把降低燈泡生產成本作為讓白熾燈走進千家萬戶的一個重要突破口。在燈泡生產的第二年，他就把白熾燈生產成本降到了每只1．10美元；在燈泡生產的第三年，白熾燈生產成本降到了50美分；在燈泡生產的第四年，白熾燈生產成本降到了37美分；當他把白熾燈每只成本降到22美分的時候，就賣掉了白熾燈的制造權。

從19世紀80年代開始，科學家和發明家便展開了一場用金屬絲代替炭燈絲以改進白熾燈的持久戰。1887年，奧地利人韋爾斯巴赫首先設計出了鋨絲（熔點2700℃）白熾燈，并于1898年投入大量生產。1903年，隨著純金屬可鍛鉭（熔點2996℃）的制得，鉭絲白熾燈也于1905年問世了。

鎢燈絲的發明是白熾燈改進的延續，那么鎢燈絲到底是誰發明的呢？相關資料的記載并不一致。比較一致的說法是，美國科學家柯里奇在1909～1910年間發明了一種制造鎢絲的新工藝，成功地把鎢拉成了直徑僅為0.5微米的細絲，并用其制成了鎢絲白熾燈，從而大大提高了白熾燈的發光強度和發光效率。

柯里奇于1913年12月30日取得了這種鎢絲燈的專利，以后鎢絲白熾燈便開始風靡全球了。原來，鎢的熔點高達3350℃左右，比目前所知的任何一種金屬元素的熔點都要高。并且鎢的電阻率大、強度好、蒸氣壓低，是所有純金屬中制作白熾燈絲的最佳材料。用鎢絲充當燈絲制作白熾燈，是照明技術領域的一大進步，不僅使得白熾燈在與傳統照明器的競爭中脫穎而出，而且還開辟了電氣照明技術的新紀元。

1882年7月26日，我國上海外灘亮起了15盞弧光燈，從此開始告別煤油燈時代，并迎來了我國電燈史的新紀元。在我國，白熾燈是隨著電力工業的迅速發展才逐步走進千家萬戶的，從而使得中國人成為了電燈的主人。如今，我國已經成為了白熾燈照明產品的生產、消費和出口大國，白熾燈產量占到了世界產量的1/3。

愛迪生一生大約有兩千項發明創造，從而為人類的文明和進步作出了巨大的貢獻。愛迪生發明的白熾燈不僅開啟了電光源照明的新時代，而且也為電力融入人類生活提供了新的思路。白熾燈在133年的歷史歲月里，一直保持著照明領域的霸主地位，以至于已經成為了一個時代的“名片”，那是電光源照明時代的代名詞。

如今，人類的生存環境面臨著來自許多方面的嚴峻挑戰，推行低碳經濟已成為人類應對全球氣候變化的一劑良方。在低碳文明時代，白熾燈不具有任何競爭優勢。原來，白熾燈在工作過程中并不是直接把電能轉變成了光能，而是首先把電能轉變成熱能，然后再把熱能轉變成光能，從而為我們帶來了溫暖和光明。大部分白熾燈的能量利用率不超過10%，而其他90%以上的電能則轉化為熱能損耗掉了。正是由于白熾燈這種特殊的發光機理，才使其面臨著被淘汰的境遇。要達到相同的照明效果，節能燈只需要白熾燈所需能量的20%就夠了。

具有濃郁文化氣息的東方明珠塔，是我國首家使用LED高效節能燈的建筑。東方明珠的上下球體照明原來采用的是白熾燈光源，如今一個個“豆芽燈”（LED燈）爬上了電視塔的大小球體。東方明珠每晚省下來的電能，足可供800多戶居民每天使用4個小時。

在素有“燈火之都”的巴黎，埃菲爾鐵塔的亮燈時間也開始減半了，即每年亮燈時間由累計400小時減至200小時。同時，從2008年9月起還為埃菲爾鐵塔更換了新裝，即用“環保裝”取代了原來的“鉆石裝”，使得塔內所有電能全部來自可再生資源。并且在5年內完成125座建筑的探照燈節能化改造，即把原來的白熾燈全部更換為節能燈。

在低碳生活日漸成為一種時尚的今天，人類照明開始承載應對全球氣候變暖的歷史使命。從今年10月1日起，我國將禁止進口和銷售100瓦級以上的普通照明白熾燈。此后，白熾燈將有步驟地淡出人們的生活，使得白熾燈成為了一道即將逝去的風景。然而，白熾燈的逝去并不是電光文明時代的結束，以節能燈和LED燈為代表的新型電光源正在續寫電光文明的輝煌！