アーク灯

カーボンアークランプが発するスペクトルは、あらゆるランプの中で太陽光に最も近いものです。初期の電灯の一つであるカーボンアークランプは、その強烈な光出力のため、広い範囲の照明にしか使用できませんでした。発明当時は目に見えない波長は知られていませんでしたが、密閉されていないランプは、太陽光にはない大量の赤外線や有害な紫外線を発することがすぐに発見されました。アークをガラス球で覆うと、これらの目に見えない光線の多くを遮断できることが分かりました。しかし、カーボンアークランプはすぐに、より安全で、より効率的で、汎用性が高く、メンテナンスが容易な白熱灯や放電ランプに取って代わられました。カーボンアークランプは、太陽光に近い光が必要な場合、例えば、材料、塗料、コーティングの摩耗、退色、劣化の試験、あるいは地球よりも近い軌道で太陽光にさらされる宇宙船材料の試験などに今でも使用されています。^{[ 5 ]}

アークは、プラズマ状態に加熱された純粋な炭素蒸気から構成されます。しかし、アークは光出力にほとんど寄与せず、非発光体とみなされます。これは、アークの発光の大部分がスペクトルの紫色および紫外線領域のスペクトル線で発生するためです。炭素スペクトルの大部分は、389  nm（UV-A、可視スペクトルのすぐ外側）を中心とする非常に幅広い線と、250 nm（UV-B）の非常に狭い線 、およびUV-C領域のその他の弱い線で構成されています。

可視光線と赤外線の大部分は、正極（陽極）で発生する白熱光によって生成されます。他のアーク灯に用いられるタングステン陽極は比較的低温に保たれますが、炭素ははるかに高い抵抗値を示すため、電子は最も高温になる陽極に押し込まれ、膨大な熱が発生します。この熱によって炭素が蒸発し、陽極表面に窪みができます。この窪みは華氏6000～6500度（摂氏3300～3600度、融点直下）まで加熱され、非常に明るく白熱します。そのため、電極は互いに直角に配置され、陽極が外側を向くようにすることで、光の出力が遮られないようにすることがよくありました。炭素はあらゆる元素の中で最も融点が高いため、特に赤外線と紫外線の大部分を除去するフィルターを使用した場合、太陽の温度である華氏10,000度（摂氏5500度）にほぼ匹敵する黒体放射を発することができる唯一のランプである。^{[ 6 ]}

米国では、1850 年以降、アーク灯を商業的に生産する試みがあったが、安定した電力供給がなかったため、その試みは頓挫した。そのため、電気技師たちはファラデーのダイナモの改良という問題に注力し始めた。この概念は、ウィリアム・エドワーズ・ステイトやチャールズ・F・ブラッシュなど、多くの人々によって改良された。ヤブロチコフろうそくのようなランプがより一般的に見られるようになったのは 1870 年代になってからである。1877年、フランクリン研究所はダイナモ システムの比較試験を実施した。ブラッシュが開発したダイナモが最も優れた性能を示し、ブラッシュはすぐに改良したダイナモをアーク照明に適用した。初期の適用例としては、1879 年 4 月 29 日にオハイオ州クリーブランドのパブリック スクエアで使用されたものがある。 ^{[ 12 ]} それにもかかわらず、インディアナ州ワバッシュは、史上初めて「ブラッシュ ライト」で照明された都市であると主張している。これらのライトのうち4つは1880年3月31日にそこで稼働し始めた。^{[ 13 ]} ワバッシュは4つのライトで全体を照らすのに十分なほど小さな都市であったが、クリーブランドのパブリックスクエアに設置されたものは、そのより大きな都市の一部しか照らさなかった。^{[ 14 ]} 1880年、ブラッシュはブラッシュ電気会社を設立した。

その強烈で眩しい光は、クリーブランドのパブリックスクエアのような公共の場所に最も適していることが分かり、当時の白熱電球の約200倍の明るさだった。

ブラシ式アーク灯の使用は急速に広まった。サイエン ティフィック・アメリカン誌は1881年に、このシステムが以下の場所で使用されていると報告した。^{[ 15 ]} 圧延工場、製鉄所、商店で800灯、毛織物、綿織物、麻織物、絹織物、その他の工場で1,240灯、大型商店、ホテル、教会で425灯、公園、埠頭、避暑地で250灯、鉄道駅や商店で275灯、鉱山、製錬所で130灯、様々な種類の工場や施設で380灯、都市照明用の照明所で1,500灯、イギリスやその他の外国で1,200灯。実際に販売された灯の総数は6,000灯を超えた。

1880年代には3つの大きな進歩がありました。1つ目は、1880年にフランティシェク・クリジークが電極の自動調整を可能にする機構を発明したことです。アークは炭素の消費を遅らせるために小さなチューブで覆われ（寿命は約100時間に延びました）、炎アーク灯が導入されました。これは、炭素棒に金属塩（通常はマグネシウム、ストロンチウム、バリウム、またはフッ化カルシウム）を添加して光出力を高め、さまざまな色を作り出すものです。

米国では、アーク照明システムと改良型ダイナモの特許保護が困難であることが判明し、その結果、アーク照明業界は激しい競争にさらされることになった。Brush の主な競争相手は、Elihu ThomsonとEdwin J. Houstonのチームだった。この 2 人は 1880 年に American Electric Corporation を設立したが、すぐにCharles A. Coffinに買収され、マサチューセッツ州リンに移転し、Thomson-Houston Electric Companyと改名された。しかし、Thomson は照明システムの改良の特許を取得する同社の主要な発明の天才であり続けた。Thomson-Houston の特許弁護士であるFrederick P. Fishの指導の下、同社は新しい特許権を保護した。Coffin の経営陣はまた、競合他社の買収と合併という積極的な方針を会社に導いた。これらの戦略はどちらも電気照明製造業界の競争を減少させた。1890 年までに、Thomson-Houston 社は米国で支配的な電気製造会社となった^{[ 16 ] 。}

世紀の変わり目頃にはアーク灯照明システムは衰退しつつあったが、トムソン・ヒューストン社は都市照明システムの重要な特許を保有していた。この保有により、トーマス・エジソンのエジソン・ゼネラル・エレクトリック社が開発していた白熱灯照明システムの普及が遅れた。逆に、エジソンが直流配電と発電機械の特許を保有していたため、トムソン・ヒューストン社のさらなる拡大が阻害された。この拡大の障害は、1892年に両社が合併してゼネラル・エレクトリック社が設立されたことで取り除かれた。^{[ 16 ]}

初期の映画スタジオでは、室内撮影の照明にアーク灯が使われていました。問題の一つは、アーク灯が非常に強い紫外線を発するため、多くの俳優が紫外線による目の痛みを和らげるために、カメラが回っていないときはサングラスをかける必要があったことです。この問題は、ランプの前に普通の窓ガラスの板を追加して紫外線を遮断することで解決されました。トーキー映画の黎明期には、映画スタジオではアーク灯は他の種類の照明に置き換えられていました。^{[ 17 ]} 1915年、エルマー・アンブローズ・スペリーは、高輝度カーボンアークサーチライトの発明品の製造を開始しました。これらは20世紀を通じて、あらゆる海軍の軍艦で敵への信号発信や照明に使用されました。^{[ 18 ]} 1920年代には、カーボンアークランプは自然光の代替品として、家庭の健康製品として販売されました。^{[ 19 ]}

アークランプは、ほとんどの用途でフィラメントランプに取って代わられ、映画映写、スポットライト、サーチライトなどの特定のニッチな用途にのみ残りました。1950 年代と 1960 年代には、屋外ドライブインプロジェクターのカーボンアークランプ用の高出力 DC は、通常、モータージェネレーターの組み合わせ (AC モーターで DC ジェネレーターを駆動) によって供給されていました。これらの用途でも、従来のカーボンアークランプは、ほとんどがキセノンアークランプによって時代遅れになりましたが、少なくとも 1982 年まではスポットライトとして製造されており^{[ 20 ]}、少なくとも 1 つの目的、つまり、環境暴露によって材料がどれくらいの速さで劣化する可能性があるかを推定することを目的とした「加速劣化」マシンで太陽光をシミュレートするために、現在でも製造されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

カーボンアーク灯は、他の映画映写方法にも影響を与えた。2,000フィートのリールに映画を載せて輸送し、2台の映写機を切り替えて上映するという方法は、映写機のランプ室で使用されるカーボンロッドの寿命が約22分（これは、毎秒24フレームで映写した場合のリール内のフィルム量に相当する）であったためである。映写技師は（溶接用ガラスのような覗き穴を通して）ロッドが燃え尽きるのを目で確認し、フィルムリールを交換する際にカーボンロッドを交換した。2台の映写機を切り替えて上映する方式は、1970年代にキセノン映写機ランプが登場したことでほぼ姿を消し、1台の映写機によるプラッター方式に取って代わられたが、映画は引き続き2,000フィートのリールで映画館に輸送された。