電灯

電灯

白熱灯とコンパクト蛍光灯
タイプ	光の種類によって異なります
動作原理	電気による発光
発明家	1809年; 215年前ハンフリー・デービー（アークランプ） （1809）
最初の生産	1879年; 145年前、ジョセフ・スワンとトーマス・エジソン（白熱電球の最初のデモ） （1879）
ピン名	陽極と陰極
電子シンボル

電灯、ランプ、または電球は、光を生成する電気部品です。人工照明の最も一般的な形式です。ランプには通常、セラミック、金属、ガラス、またはプラスチックでできたベースがあり、ランプを照明器具のソケットに固定します。このソケットは「ランプ」とも呼ばれます。ソケットへの電気接続は、ねじ込みベース、2 つの金属ピン、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。

電灯には、電流によって白熱したフィラメントによって光を生み出す白熱電球、蛍光灯のようにガス中の電気アークによって光を生み出すガス放電電球、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み出すLED 電球の 3 つの主なカテゴリがあります。

電気照明のエネルギー効率は、19 世紀に初めてアーク灯と白熱電球が実用化されて以来、劇的に向上しました。現代の電気光源には、多くの用途に適応したさまざまなタイプとサイズがあります。現代の電気照明のほとんどは、集中的に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照明もあります。バッテリー駆動の照明は、多くの場合、懐中電灯や電灯、車両などの固定照明が故障したときやその場所のために確保されています。

20世紀初頭に電気照明が普及する前、人々はろうそく、ガス灯、石油ランプ、火などを使っていた。^[1] 1799年から1800年にかけて、アレッサンドロ・ボルタが世界初の電池であるボルタ電池を発明した。この電池からの電流で銅線を白熱させることができた。ワシリー・ウラジミロヴィッチ・ペトロフは1802年に世界初の持続電弧を開発し、イギリスの化学者ハンフリー・デービーは1806年にアーク灯の実用的デモンストレーションを行った。^[2] 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、そしてその結果生じた知的財産権紛争を含む、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。^{[3] [4]}

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、電流を流すことで世界初の電球の一つを作った。^{[5] [6] [7]}この設計は、プラチナの高融点により高温でも動作し、真空チャンバー内にプラチナと反応するガス分子が少なくなり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不向きであった。^[8]

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）を開発し、初期の電気照明に多大な貢献を果たし、トーマス・エジソンなどの将来の革新の基礎を築きました。

1870年代後半から1880年代は、英国のジョセフ・スワンや米国のトーマス・エジソンなどの発明家がそれぞれ独自に機能的な白熱電球を開発するなど、熾烈な競争と革新が繰り広げられた時代だった。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の電球の開発に取り組み、より良い設計に至った。 ^[9] 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た。20世紀初頭までに、これらはアーク灯に完全に取って代わった。^{[10] [1]}

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1912年に特許を申請したウィリアム・D・クーリッジによるタングステンフィラメントの導入が顕著になりました。 ^[11]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に登場するネオンサインの道を開いた。^{[12] [13] [14]}

1934年、著名な物理学者でGEのコンサルタントでもあったアーサー・コンプトンが、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た。この報告に刺激を受け、主要な要素がすべて揃ったジョージ・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）のエンジニアリング研究所で蛍光灯のプロトタイプを製作した。これは簡単な作業ではなかった。アーサー・A・ブライトが指摘しているように、「新しい装置が一般向けに準備されるまでに、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、蛍光粉の色、蛍光粉を管の内側に取​​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。」^[15]

最初の実用的なLEDは1962年に登場しました。^[16]

アメリカ合衆国では、ハロゲン電球を含む白熱電球は、米国エネルギー省が定めたワット当たりの最小ルーメン性能基準を満たしていないため、2023年8月1日をもって販売が停止された^[要更新]。^{[17] [要更新]}コンパクト蛍光灯も、破損した場合に有毒な水銀が家庭内に放出される可能性があることと、水銀を含む電球の適切な廃棄に関する広範囲にわたる問題のため、ワット当たりのルーメン性能にもかかわらず禁止されている。

現代の白熱電球は、真空またはアルゴンなどの不活性ガスで満たされた球形のガラス容器に密封されたコイル状のタングステンのフィラメントで構成されています。電流が接続されると、タングステンは 2,000 ～ 3,300 K (1,730 ～ 3,030 °C、3,140 ～ 5,480 °F) に加熱されて発光し、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%が目に見える使用可能な光として放出されます。残りの95%は熱として失われます。^[18]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。^[19]寒冷な気候では、副産物の熱はいくらか価値があり、ヒートランプなどの機器の暖房にうまく利用されています。それでも白熱電球はエネルギー効率が低いため、多くの国で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、150億トンの二酸化炭素排出量が削減されると推定しました。^[20]

ハロゲンランプは、正常な動作のためには一般に200℃以上の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型である。このため、ほとんどのハロゲンランプには石英ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスのバルブが使用されている。このバルブは、追加のガラス層で密封されていることが多い。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熱いガラスの破片を閉じ込める。^[21]指紋の油性残留物により、汚染箇所に過度の熱が蓄積して熱い石英管が砕ける可能性がある。^[22]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る。

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、光学的な制御に適しています。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) が高く、寿命が長くなっています。光出力は、寿命を通じてほぼ一定です。

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。管に流れる電気により、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。^[23]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の数倍です。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処分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。^[24]

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^[25]やブレーキランプ^[25]などの照明用途、懐中電灯^{[26]や自転車のライト[27]}、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。^[28]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ります。LED技術は、消費電力が少なく、発熱が少なく、オン/オフを瞬時に制御でき、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便利です。^[28] LEDの寿命はダイオードの温度に大きく左右されます。^[29] LEDランプを内部温度が上昇する条件下で作動させると、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、高度に集中した照明を提供するために採用されています。^{[30] [31]}

カーボンアークランプは、限流バラストによって電力が供給される、開放された2本のカーボン棒電極で構成されています。棒の先端に触れてから離すことで電気アークが発生します。その後のアークにより、棒の先端の間に白熱したプラズマが発生します。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、アークの高熱によって侵食されるため、使用中に常に調整する必要があります。^[32]ランプは紫外線を大量に出力するため、屋内で使用する場合は換気が必要であり、その強度のため直視から保護する必要があります。

1805年頃にハンフリー・デービーが発明したカーボンアークは、最初の実用的な電灯でした。^{[33] [34]} 1870年代から大規模な建物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。^[33]カーボン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、これらの特性を必要とする限られた用途で、第二次世界大戦後まで使用され続けました。^[32]

放電ランプには、ガスで分離された2 つの金属電極を含むガラスまたはシリカの容器があります。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、より新しい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、ランプの内部抵抗が低いレベルまで低下し、バラストが電流を動作電流に制限します。バラストがないと、過剰な電流が流れ、ランプが急速に破壊されます。

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はこのように動作します。最も単純なバラストはインダクターのみで、街灯などコストが決定要因となる場合に選択されます。より高度な電子バラストは、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、ランプを矩形波で駆動して完全にちらつきのない出力を維持し、特定の障害が発生した場合にシャットダウンする場合があります。

最も効率的な電気光源は低圧ナトリウムランプです。このランプは、実用上は単色のオレンジイエローの光を生み出し、照明されたシーンはどれも同様に単色に見えます。このため、低圧ナトリウムランプは一般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、発生する光害を簡単に除去できるため、天文学者の間で公共照明に好まれています。

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。白熱電球とその交換用電球は、多くの場合、「A19 /A60 E26 /E27」と指定されており、これはこの種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の特性を表します。^[35]

一般的な比較パラメータには以下が含まれる: ^[36]

• 光束（ルーメン）
• エネルギー消費量（ワット）
• 発光効率（ワット当たりルーメン）
• 色温度（ケルビン）

あまり一般的ではないパラメータには、演色評価数(CRI) が含まれます。

多くの種類のランプの寿命は、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。製造公差が 1% と低いと、ランプの寿命に 25% のばらつきが生じる可能性があるため、一般的に、定格寿命よりかなり前に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、ランプの寿命は、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、計画的陳腐化の例である電球の寿命を短縮する目的でPhoebus カルテルが結成されました。^{[37] [38]}

ランプの種類によっては、スイッチングサイクルに敏感なものもあります。浴室など、頻繁にスイッチングを行う部屋では、箱に記載されている寿命よりもはるかに短いランプ寿命が予想されます。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。^[39]

人工光（特に街灯）の総量は、夜間に上空や宇宙から都市が容易に見える程度である。20世紀後半には屋外照明が3～6％の割合で増加し、世界人口の80％が夜間光害のある地域に住んでいることから、光害^{[40]の主な原因となり、}天文学者^[41]やその他の研究者を悩ませている。 ^[42]光害は、一部の野生生物に悪影響を及ぼすことが分かっている。^{[40] [43]}

電球は、例えばインキュベーターや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。^[44]

ランプは、ビタミンD欠乏症^[45]、ニキビ^{[46] [47]}や皮膚炎^{[48] などの皮膚疾患、[49]} 皮膚がん[50]、[51] [52] 、季節性情動障害[53]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ており^[53]、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。^{[54] [55]}

電球は植物の成長を助ける栽培用ライトとしても使用することができ^[56]、特に屋内の水耕栽培や水生植物では、植物の成長に最も効果的なタイプの光に関する最近の研究が行われています^{[57] 。}

タングステンフィラメントランプは非線形抵抗特性を持つため、電子回路の高速動作サーミスタとして長い間使用されてきました。一般的な用途には次のようなものがあります。

• 正弦波発振器の安定化
• スピーカー エンクロージャ内のツイーターの保護。ツイーターにとって高すぎる過剰電流は、ツイーターを破壊するのではなく、ライトを点灯させます。
• 電話の自動音量調節

西洋文化では、電球、特に人の頭の上に点灯した電球の出現は、突然のひらめきを意味します。

中東では電球のシンボルは性的な意味合いを持つ。^{[58] [検証失敗]}

トルコの公正発展党のロゴには、様式化された電球が描かれている。^{[59] [60]}

• 炎のないキャンドル
• ライトチューブ
• 光源一覧

• 「Dark Sacred Night」（2023年）は、プリンストン大学サステナビリティオフィスによる、照明が星を覆い隠し、健康と環境に影響を与えることをテーマとした短編科学映画です。