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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 ]これは最も一般的な人工照明の形態です。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ベースを持ち、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、ねじ込みベース、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で行うことができます。
電灯の主な種類は、電流によって白熱したフィラメントから光を発生させる白熱灯、蛍光灯のようにガス中に電気アークを発生させて光を発生させる放電灯、そして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発生させるLEDランプの3つです。
19世紀にアーク灯や白熱電球が初めて実演されて以来、電気照明のエネルギー効率は著しく向上しました。現代の電気光源は、様々な用途に合わせて多種多様な種類とサイズで提供されています。現代の電気照明のほとんどは中央集中型の電力供給を受けていますが、移動式または非常用発電機、あるいはバッテリーシステムによって電力が供給される場合もあります。バッテリー駆動の照明は、固定照明が故障した場合に備えて、懐中電灯や電気ランタンなどの形で、また車両内でも使用されることがよくあります。
20世紀初頭に電灯が普及する前は、人々はろうそく、ガス灯、石油ランプ、火を使っていた。[ 5 ] 1799年から1800年にかけて、アレッサンドロ・ボルタは最初の電気電池であるボルタ電池を発明した。これらの電池からの電流で銅線を白熱させることができた。1802年にワシリー・ウラジミロヴィチ・ペトロフが最初の持続的な電気アークを開発し、 1806年にイギリスの化学者ハンフリー・デービーがアーク灯の実演を行った。[ 6 ] これらの初期の実験から1920年代に商業生産された白熱電球に至るまでには、数多くの設計、特許、そしてそれに伴う知的財産権の紛争を含む、1世紀以上にわたる継続的かつ漸進的な改良が必要だった。[ 7 ] [ 8 ]
1840年、ウォーレン・デ・ラ・ルーは白金コイルを真空管に封入し、そこに電流を流すことで、世界初の電球の1つを作り出した。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]この設計は、白金の融点が高いため高温で動作し、真空チャンバーには白金と反応するガス分子が少なくなり、寿命が延びるという概念に基づいていた。効率的な設計ではあったが、白金のコストが高かったため、商業利用には不向きだった。[ 12 ]
イギリスの発明家ウィリアム・グリーナーは、1846年に発明したランプ（特許明細書11076）によって初期の電気照明に大きく貢献し、トーマス・エジソンなどの将来の革新の基礎を築いた。
1870年代後半から1880年代にかけては、激しい競争と革新が特徴で、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がそれぞれ独立して実用的な白熱電球を開発しました。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ましたが、フィラメントが太すぎました。エジソンはより細いフィラメントとより優れた真空度を持つ電球の開発に取り組み、より商業的に実現可能な電球を生み出しました。[ 13 ] スワンとエジソンのライバル関係は最終的に合併につながり、エジソン・アンド・スワン・エレクトリック・ライト・カンパニーが設立され、スワンが設計した新しいフィラメントを使用した電球を販売しました。20世紀初頭までに、これらの電球はアーク灯を完全に置き換えました。[ 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年に特許を申請してタングステンフィラメントを導入したことが挙げられます。 [ 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、広告で広く普及するネオンサインへの道を開いた。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
1934年、著名な物理学者でGEのコンサルタントであったアーサー・コンプトンは、イギリスのゼネラル・エレクトリック社（米国のゼネラル・エレクトリックとは無関係）で蛍光灯の実験に成功したことをGEのランプ部門に報告した。この報告に刺激を受け、必要な要素がすべて揃ったことで、ジョージ・E・インマン率いるチームは1934年にゼネラル・エレクトリックのネラ・パーク（オハイオ州）エンジニアリング研究所で蛍光灯の試作品を製作した。これは簡単な作業ではなかった。アーサー・A・ブライトが指摘したように、「この新しい装置が一般に公開されるまでには、ランプのサイズや形状、陰極の構造、アルゴンと水銀蒸気のガス圧、蛍光粉末の色、管の内側に取り付ける方法、ランプとその補助装置のその他の詳細について、多くの実験を行う必要があった。」[ 19 ]
実用的なLEDが初めて登場したのは1962年である。[ 20 ]これらの初期のLEDは効率が悪く、濃い赤色しか表示できなかったため、一般照明には不向きで、数字表示や表示灯に用途が限定されていた。[ 21 ]
初の高輝度青色LEDは、 1994年に日亜化学工業の中村修司によって実証されました。[ 22 ]青色LEDの存在は、発光した青色光を部分的に低周波数に変換して白色光を生成する蛍光体コーティングを使用した最初の「白色LED」の開発につながりました。[ 23 ] 21世紀の初めまでに、一般照明に適したLEDランプが市場に出回り始め、[ 24 ] [ 25 ] 2009年にはフィリップスが標準的な60W 「エジソンネジ式器具」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、政府の規制と、より高いエネルギー効率と長寿命の電球に対する消費者の嗜好が相まって、白熱電球の段階的廃止が世界中で行われた。2019年までに、米国の電力使用量は少なくとも5年連続で減少したが、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ある。[ 31 ]
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ている）に封入されたタングステン製のコイル状フィラメントで構成されています。電流が流れると、タングステンは2,000～3,300 K（1,730～3,030 °C、3,140～5,480 °F）に加熱されて発光し、ほぼ連続スペクトルの光を発します。
白熱電球は、消費エネルギーのわずか2～5%しか可視光として放出されないため、非常に非効率的です。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に負荷がかかります。[ 33 ]寒い気候では、熱副産物にはある程度の価値があり、ヒートランプなどの機器で暖房にうまく利用されています。しかし、多くの国では、白熱電球はエネルギー効率が低いため、CFLやLED電球などの技術に取って代わられつつあります。欧州委員会は2012年に、白熱電球を完全に禁止すると、経済に50億～100億ユーロの貢献があり、二酸化炭素排出量を150億トン削減できると推定しました。[ 34 ]
ハロゲンランプは、正常に動作させるには一般的に200℃を超える電球温度 が必要となるため、通常は標準的な白熱電球よりもはるかに小さい。そのため、ほとんどのハロゲンランプは溶融石英（石英）またはアルミノケイ酸ガラス製の電球を使用している。これは多くの場合、追加のガラス層で密封されている。外側のガラスは、紫外線の放出を減らし、動作中に内側のガラスが爆発した場合に高温のガラスの破片を封じ込めるための安全対策である。[ 35 ]指紋の油性残留物は、汚染箇所での過剰な熱蓄積により、高温の石英ガラスを粉砕する可能性がある。[ 36 ]また、裸電球では火傷や火災のリスクも高くなるため、照明器具で覆われていない限り、一部の場所では使用が禁止されている。
12ボルトまたは24ボルト動作用に設計されたものは、フィラメントがコンパクトで、優れた光学制御に役立ちます。また、非ハロゲンタイプよりも効率（ルーメン/ワット）が高く、寿命も長くなっています。光出力は寿命を通してほぼ一定です。
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構成されています。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。管の内側は蛍光体でコーティングされており、紫外線光子が当たると可視光を発します。[ 37 ]蛍光灯は白熱灯よりもはるかに効率が高いです。同じ量の光を生成する場合、通常は白熱灯の約4分の1から3分の1の電力を使用します。蛍光灯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数倍の効率です。蛍光灯器具は、ランプに流れる電流を調整するための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、通常は初期費用の高さを相殺します。コンパクト蛍光灯は、白熱灯と同じ一般的なサイズで入手可能で、家庭での省エネ代替品として使用されています。水銀を含むため、多くの蛍光灯は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な処分のため一般廃棄物から分別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 ]
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インジケータとして普及してきました。2000年代には、効率と出力が向上し、LEDは自動車のヘッドライト[ 39 ]やブレーキランプ[ 39 ] 、懐中電灯[ 40 ]や自転車のライト[ 41 ]などの照明用途、さらにはクリスマスイルミネーション[ 42 ]などの装飾用途にも使用されるようになりました。インジケータ用LEDは最大10万時間という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い動作をするため、結果として寿命は短くなります。LED技術は、消費電力が低く、発熱が少なく、瞬時にオン/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、製造コストが比較的低いため、照明設計者にとって有用です。[ 42 ] LEDの寿命は、ダイオードの温度に大きく依存します。[ 43 ]内部温度が上昇するような条件下でLEDランプを動作させると、ランプの寿命が大幅に短くなることがあります。一部のレーザーは、LEDの代替として、高度に集束された照明を提供するために採用されています。[ 44 ] [ 45 ]
カーボンアークランプは、電流制限バラストによって供給される、開放された2本のカーボン棒電極で構成されています。電気アークは、棒の先端を接触させてから離すことによって発生します。発生したアークにより、棒の先端間に白熱プラズマが生成されます。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、カーボン棒は寿命が短く、アークの強い熱によって摩耗するため、使用中は常に調整する必要があります。[ 46 ]これらのランプはかなりの紫外線を発するため、屋内で使用する場合は換気が必要であり、その強度のため直接見ないように保護する必要があります。
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、最初の実用的な電灯でした。[ 47 ] [ 48 ] 1870 年代から、20 世紀初頭に白熱灯に取って代わられるまで、大型の建物や街路灯として商業的に使用されていました。[ 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。映画プロジェクター、舞台照明、サーチライトなど、これらの特性を必要とする限られた用途では、第二次世界大戦後まで使用され続けました。[ 46 ]
放電ランプは、ガスで隔てられた2つの金属電極を内蔵したガラスまたはシリカ製の容器で構成されています。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炭素アークランプとほぼ同じですが、「アークランプ」という用語は通常炭素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点火器と呼ばれる電気回路が必要です。アークが発生すると、ランプの内部抵抗が低くなり、バラストが電流を動作電流に制限します。バラストがない場合、過剰な電流が流れ、ランプが急速に破壊されます。
ランプの種類によっては、少量のネオンガスが含まれているため、外部点火回路なしで通常の動作電圧で点灯させることができます。低圧ナトリウムランプはこのように動作します。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重要な要素となる用途で選ばれます。より高度な電子安定器は、ランプの寿命にわたっ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、方形波でランプを駆動して完全にちらつきのない出力を維持したり、特定の故障が発生した場合にシャットダウンしたりすることができます。
最も効率的な電灯光源は低圧ナトリウムランプです。これは実質的に単色のオレンジイエローの光を発し、照明されたあらゆる場面を同様に単色的に見せます。そのため、一般的に屋外の公共照明用途に用いられます。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、天文学者にも公共照明として好まれています。
多くのランプユニット、つまり電球は、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。白熱電球とその代替品は、多くの場合「A19 /A60 E26 /E27」と指定されます。これは、これらの種類の電球の一般的なサイズです。この例では、「A」パラメータはAシリーズの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ベースのサイズとねじの特性を表します。[ 49 ]
一般的な比較パラメータには以下が含まれます。[ 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）がある。
多くの種類のランプの寿命は、50%が故障するまでの動作時間、つまりランプの平均寿命として定義されます。1%という低い生産許容誤差でもランプ寿命に25%のばらつきが生じる可能性があるため、一般的に、定格寿命よりもかなり早く故障するランプもあれば、はるかに長く持つランプもあります。LEDの場合、ランプ寿命は、50%のランプの光出力が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、計画的陳腐化の一例として、電球の寿命を短縮しようとしてフェブス・カルテルが結成されました。[ 51 ] [ 52 ]
ランプの種類によっては、点灯サイクルに敏感なものもあります。浴室など、点灯・消灯の頻度が高い部屋では、ランプの寿命が箱に記載されているよりもはるかに短くなる可能性があります。コンパクト蛍光灯は特に点灯サイクルに敏感です。[ 53 ]
人工光の総量（特に街灯からの光）は、夜間に都市が上空や宇宙から容易に視認できるほど十分である。20世紀後半には屋外照明が3～6パーセントの割合で増加し、天文学者[ 55 ]やその他の研究者に負担をかける光害[ 54 ]の主な原因となっている。世界の人口の80％が夜間の光害のある地域に住んでいる[ 56 ] 。光害は一部の野生生物に悪影響を与えることが示されている[ 54 ] [ 57 ] 。
電灯は、例えばインキュベーターの熱源として、ファストフードレストランの赤外線ランプとして、またケナーのイージーベイクオーブンなどの玩具として使用できます。[ 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、皮膚がん[ 63 ] 、季節性感情障害[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]などの問題に対処するための光療法にも使用できます。特定の周波数の青色光を発するランプは、新生児黄疸の治療にも使用され[ 67 ] 、当初は病院で行われていた治療を自宅で行うことができるようになりました[ 68 ] [ 69 ] 。
電灯は植物の成長を助ける育成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あります[ 71 ] 。
西洋文化において、電球、特に人の頭上に点灯した電球が現れることは、突然のひらめきを象徴する。
5年以上もの間、アメリカ人は明らかにアメリカらしくないことをしてきた。電気の使用量を減らしてきたのだ。…今日の電子機器や家電製品はより効率的になっている。新築住宅は気密性が高く、断熱性も優れている。そして最も重要なのは、発光ダイオード（LED）が従来の白熱電球に取って代わったことだ。
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