アークランプ

アークランプまたはアークライトは、電気アーク（ボルタアークとも呼ばれる） によって光を生成するランプです。

カーボンアーク灯は、空気中のカーボン電極間のアークで構成され、1800年代の最初の10年間にハンフリー・デービーによって発明され、最初の実用的な電灯でした。^{[1] [2]} 1870年代から街路照明や大型ビルの照明に広く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。 ^[1]サーチライトや映写機 など、高輝度の点光源が必要な、より特殊な用途では、第二次世界大戦後まで使用され続けました。カーボンアークランプは現在、これらの用途のほとんどでは時代遅れになっていますが、高輝度紫外線の光源として今でも使用されています。

この用語は現在、ガラス球内のガスを通して金属電極間のアークによって光を生成するガス放電ランプを指す。一般的な蛍光灯は低圧水銀アークランプである。^[3]高輝度の白色光を生成するキセノンアークランプは、映画映写機やサーチライトなど、以前は炭素アークを使用していた多くの用途で現在使用されている。

アークは、ガスがイオン化されるときに発生する放電です。ランプ全体に高電圧がパルス状に印加され、アークを「点火」または「点火」します。その後、放電は低電圧で維持されます。「点火」には、点火装置とバラストを備えた電気回路が必要です。バラストはランプと直列に接続され、2 つの機能を果たします。

まず、電源が最初にオンになると、イグナイタ/スタータ (ランプ全体に並列に配線されています) がバラストとスタータに小さな電流を流します。これにより、バラストの巻線内に小さな磁場が生成されます。しばらくすると、スタータがバラストからの電流の流れを遮断します。バラストはインダクタンスが高いため、電流の流れを維持しようとします (バラストはそれを通る電流の変化に抵抗します)。しかし、もはや「回路」がないため、それはできません。その結果、ランプが接続されているバラスト全体に高電圧が瞬間的に発生します。そのため、ランプは全体にこの高電圧を受け取り、チューブ/ランプ内でアークを「発生」させます。回路は、ランプが十分にイオン化されてアークが維持されるまでこの動作を繰り返します。

ランプがアークを持続すると、バラストは 2 番目の機能を実行し、ランプの動作に必要な電流に制限します。ランプ、バラスト、イグナイターは互いに定格が一致しているため、これらの部品は故障した部品と同じ定格の部品と交換する必要があります。そうしないと、ランプは動作しません。

ランプから発せられる光の色は、温度と時間によって電気特性が変化するため変化します。雷も同様の原理で発生し、大地と嵐の雲の間の高電位差（電圧）によって大気がイオン化されます。

アークランプのアークの温度は数千度に達することがあります。外側のガラス管は 500 度に達することがあるため、修理する前に、電球が扱える程度に冷えていることを確認する必要があります。これらのタイプのランプは、電源を切ったり、電源が切れたりすると、数分間は再点灯できません (コールド再点灯ランプと呼ばれます)。ただし、一部のランプ (主に蛍光灯/省エネランプ) は、電源を切るとすぐに再点灯できます (ホット再点灯ランプと呼ばれます)。

1975年にカナダのバンクーバーにあるブリティッシュコロンビア大学のデイビッド・カムとロイ・ノッドウェルによって発明されたヴォルテック水壁プラズマアークランプは、300kW（120万カンデラ）を超える出力を誇る最も強力な連続点灯光源として、1986年と1993年にギネス世界記録に認定されました。^[4]

カーボンアークランプでは、電極は自由空気中のカーボン棒です。ランプを点火するには、棒同士を接触させ、比較的低い電圧でアークを発生させます。^[1] 次に棒をゆっくりと引き離し、電流がギャップを横切ってアークを加熱して維持します。カーボン棒の先端が加熱され、カーボンが蒸発します。^[1] 棒は使用中に徐々に燃え尽きるため、アークを維持するために棒間の距離を定期的に調整する必要があります。^[1]

距離を自動的に制御するための独創的なメカニズムが数多く発明されましたが、そのほとんどはソレノイドに基づいています。最も単純な機械的に制御された形式の 1 つ (すぐによりスムーズに動作するデバイスに取って代わられました) では、電極は垂直に取り付けられています。アークを供給する電流は、上部の電極に取り付けられたソレノイドに直列に流れます。電極のポイントが接触している場合 (起動時など)、抵抗が低下し、電流が増加し、ソレノイドからの引力が増加することでポイントが離れます。アークが消え始めると、電流が低下し、ポイントが再び閉じます。

ヤブロチコフキャンドルはレギュレーターのないシンプルなアークランプですが、アークを再起動できない (使い捨て) ことと、寿命がわずか数時間しかないという欠点があります。

カーボンアーク灯が発するスペクトルは、どのランプよりも太陽光に最も近い。最初の電灯の 1 つであるカーボンアーク灯は、その強烈な光のため、通常は広い範囲を照らす用途に限られていた。発明当時は目に見えない波長は知られていなかったが、密閉されていないランプは太陽光には含まれない大量の赤外線と有害な紫外線を発することがすぐに発見された。アークをガラス球で覆えば、これらの目に見えない光線の多くを遮断できることがわかった。しかし、カーボンアーク灯はすぐに、より安全で、より効率的で、用途が広く、メンテナンスが容易な白熱灯やガス放電灯に取って代わられた。カーボンアーク灯は、太陽光に非常に近い光が必要な場合、たとえば材料、塗料、コーティングの摩耗、退色、劣化をテストする場合、またはたとえば、地球よりも近い軌道で太陽光にさらされる宇宙船の材料の場合などに、今でも使用されている。^[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ています。ただし、アークは光出力にほとんど寄与せず、発光しないと考えられています。これは、アークの放射のほとんどがスペクトルの紫色および UV 部分のスペクトル線で発生するためです。炭素スペクトルのほとんどは、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広い線と、250 nm (UV-B) の非常に狭い線、および UV-C のその他の弱い線で発生します。

可視光線と赤外線のほとんどは、陽極またはアノードで発生する白熱から生成されます。比較的低温に保たれる他のアークランプに見られるタングステンアノードとは異なり、カーボンははるかに高い抵抗を生成し、電子は最も熱いポイントでアノードに進入するように強制され、大量の熱が発生してカーボンが蒸発し、アノードの表面に穴が開きます。この穴は華氏 6000 ～ 6500 度 (摂氏 3300 ～ 3600 度、融点よりわずかに低い温度) に加熱され、白熱して非常に明るく輝きます。このため、電極は互いに直角に配置され、アノードが外側を向いて光出力を遮らないようにすることがよくあります。炭素はあらゆる元素の中で最も高い融点を持っているため、フィルターを使用して赤外線と紫外線の大部分を除去すれば、黒体放射が太陽の温度である華氏10,000度（摂氏5500度）にほぼ匹敵する唯一のランプとなります。^[6]

炭素アーク照明の概念は、19 世紀初頭にハンフリー・デイビーによって初めて実証されましたが、最初に実証された年については資料によって意見が分かれており、1802 年、1805 年、1807 年、1809 年とすべて言及されています。デイビーは木炭の棒と 2000セルの 電池を使用して、4 インチ (100 mm) のギャップを横切るアークを作成しました。彼は電極を水平に設置し、空気の強い対流によりアークがアーチ型になることに気付きました。彼は「アーチ ランプ」という用語を作り出し、この装置が一般的に使用されるようになったときに「アークランプ」に短縮されました。^[7]

19世紀後半、電気アーク灯は公共の照明として広く使用されていました。電気アークのちらつきやヒスノイズは大きな問題でした。1895年、ヘルタ・アイルトンは『The Electrician』誌に一連の記事を執筆し、これらの現象はアークを発生させる炭素棒と酸素が接触した結果であると説明しました。^{[8] [9] 1899年、彼女は}電気技術者協会（IEE）で論文を発表した初の女性となりました。彼女の論文は「電気アークのヒスノイズ」でした。^[10]

アークランプは、それまで実験、電信、娯楽に限定されていた電気の最初の商業的利用の一つとなった。^[11]

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。そこで電気技術者たちは、ファラデーの ダイナモを改良するという問題に焦点を絞り始めた。この概念は、ウィリアム・エドワーズ・ステイト [de]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・キャンドルなどのランプがもっと一般的に見られるようになったのは、1870年代に入ってからだった。1877年、フランクリン研究所はダイナモシステムの比較テストを行った。ブラッシュが開発したシステム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応用した。その初期の応用例は、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・スクエアで行われた。 ^[12] それにもかかわらず、インディアナ州ウォバッシュは、「ブラッシュ・ライト」で照らされた最初の都市であると主張している。 1880年3月31日には4つのライトが点灯しました。 ^[13] ワバッシュは4つのライトで街全体を照らすことができるほど小さな街でしたが、クリーブランドのパブリックスクエアのライトはその大きな街の一部しか照らせませんでした。^[14] 1880年、ブラッシュはブラッシュエレクトリックカンパニーを設立しました。

強烈で明るい光は、当時の白熱電球の約 200 倍の強さがあり、クリーブランドのパブリック スクエアなどの公共エリアに最適であることがわかりました。

ブラッシュ電気アーク灯の使用は急速に広まりました。 1881年にサイエンティフィック・アメリカン誌は、^{このシステムが次のように使用されていると報告しました。 [15]} 圧延工場、製鉄所、店舗で800個、毛織物、綿、麻、絹などの工場で1,240個、大型店舗、ホテル、教会で425個、公園、ドック、夏のリゾートで250個、鉄道駅や店舗で275個、鉱山、製錬所で130個、工場や様々な施設で380個、照明ステーションで1,500個、都市照明用、イギリスやその他の国で1,200個。実際に販売された合計6,000個以上の灯です。

1880 年代には 3 つの大きな進歩がありました。1880年にフランティシェク・クジークが電極の自動調整を可能にする機構を発明しました。アークは小さなチューブに封入され、炭素の消費を遅らせました (寿命が約 100 時間に延びました)。炎アーク灯が導入され、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) が追加され、光出力が増加し、さまざまな色が生成されました。

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、アーク照明業界は熾烈な競争にさらされることになった。ブラッシュの主な競争相手は、エリヒュー・トムソンとエドウィン・J・ヒューストンのチームだった。この2人は1880年にアメリカン・エレクトリック・コーポレーションを設立したが、すぐにチャールズ・A・コフィンに買収され、マサチューセッツ州リンに移転し、トムソン・ヒューストン・エレクトリック・カンパニーと改名された。しかし、トムソンは、照明システムの改良を特許化する同社の主たる発明家であり続けた。トムソン・ヒューストンの特許弁護士、フレデリック・P・フィッシュの指揮の下、同社は新しい特許権を保護した。コフィンの経営陣はまた、競合他社の買収と合併という積極的な方針を同社に導いた。どちらの戦略も、電気照明製造業界の競争を減らした。1890年までに、トムソン・ヒューストン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照明システムは衰退していたが、トムソン・ヒューストンは都市照明システムの重要な特許を掌握していた。この支配により、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照明システムの拡大は鈍化した。逆に、エジソンが直流配電と発電機の特許を掌握していたため、トムソン・ヒューストンのさらなる拡大は阻まれた。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ると、拡大の障害は取り除かれた。^[16]

初期の映画スタジオでは、室内の照明にアーク灯が使われていた。1 つの問題は、アーク灯が発する紫外線のレベルが非常に高いため、多くの俳優がカメラから離れているときは紫外線による目の痛みを和らげるためにサングラスをかける必要があったことである。この問題は、ランプの前に普通の窓ガラスを 1 枚追加して紫外線を遮断することで解決された。トーキーの黎明期には、映画スタジオではアーク灯が他のタイプの照明に置き換えられていた。^[17] 1915 年、エルマー アンブローズ スペリーは、発明した高輝度カーボンアークサーチライトの製造を開始した。これは、20 世紀を通じてすべての海軍の軍艦で信号や敵の照明に使用された。^[18] 1920 年代には、カーボンアーク灯は自然光の代替品として家庭用健康製品として販売された。^[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った。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コンボ（ACモーターがDCジェネレーターに電力を供給する）によって供給されていた。これらの用途でも、従来のカーボンアークランプはキセノンアークランプによってほとんどが時代遅れになったが、少なくとも1982年までスポットライトとして製造され続けており^[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だけ速く劣化す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、今でも製造されている。^{[21] [22]}

カーボンアーク照明は、他の映画映写方法にも影響を与えました。映画を 2,000 フィートのリールに巻き付けて輸送し、映写し、2 台の映写機の間で「切り替え」を行う方法は、映写機のランプハウスで使用されているカーボンロッドの寿命が約 22 分 (これは、24 コマ/秒で映写する場合のリールのフィルム量に相当) であったためです。映写技師は、ロッドが燃え尽きるのを目で確認し (溶接工のガラスのようなのぞき穴を通して)、フィルム リールを交換するときにカーボンロッドを交換しました。2 台の映写機を切り替えるセットアップは、キセノン映写機ランプの登場により 1970 年代にほぼ姿を消し、シングル プロジェクター プラッター システムに置き換えられましたが、映画は引き続き 2,000 フィートのリールに巻き付けて映画館に輸送されました。

• ブレイバーマン、ハリー（1974年）「労働と独占資本」ニューヨーク：マンスリーレビュープレス。
• マクラーレン、マルコム（1943年）。『19世紀における電気産業の勃興』プリンストン：プリンストン大学出版局。
• ノーブル、デイビッド・F.（1977年）。『デザインされたアメリカ：科学、技術、そして企業資本主義の台頭』ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。pp.6-10。
• プラッサー、ハロルド C. (1953)。『電気製品製造業者』ケンブリッジ:ハーバード大学出版局。

ウィキメディア・コモンズには、アークランプに関連するメディアがあります。

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