1. Sự phát mình của đèn sợi đốt (incandescent lamp)
Một ngày nọ vào năm 1845, Cục bản quyền Hoa Kỳ đã nhận được đơn xin cấp bản quyển sáng chế phát minh của Stahl, ông nêu ra rằng có thể sử dụng sợi carbon trong bóng đèn chân không để làm đèn phát sáng.
Swan nhà vật lý người Anh cũng nghĩ đến cách dùng sợi carbon để đèn phát sáng, ông dùng các sợi carbon làm sợi bóng đèn, muốn để dòng điện thông qua sợi đốt của bóng đèn và chiếu sáng. Thể nhưng, khi ấy kỹ thuật hút chân không vẫn còn rất kém, không khí tàn dư lại trong bóng đèn làm cho sợi đốt của đèn nhanh chóng bị đứt. Chính vì vậy, tuổi thọ sử dụng của loại đèn này rất ngắn, chỉ sáng được khoảng một hai giờ đồng hồ, không có giá trị thực tiế. Vào năm 1879, sự xuất hiện của dụng cụ hút chân không đã giúp Swan có điểu kiện để triển khai nghiên cứu về bóng đèn sợi đốt.
Đến tháng 1 năm 1879, phát mình bóng đèn sợi đốt của ông đã được thủ nghiệm thành công và được đánh giá cao.
Nam 1879, nhà khoa học người Mỹ ~ Edison cũng bắt đầu đi vào nghiên cứu đèn điện, ông để ý răng, vấn dé mau chốt để kéo đài tuổi thọ sử dụng của đèn sợi đốt là nâng cao độ chân không của bóng đèn và sử dụng những nguyên liệu ít tốn điện, độ sáng mạnh, giá rẻ, chịu nhiệt tốt để làm
sợi bóng đèn. Vì mục đích đó, Edison đã nghiên cứu vất vả, lần lượt sử
172
ẶẪDẪnmaãăă——T `
NANG LUONG MỚI dụng hơn 1600 nguyên liệu chịu nhiét, nhung két qua déu không được lý tưởng. Cũng năm ấy, vào ngày 21 tháng 10, ông sử dụng sợi bông carbon hóa làm sợi bóng đèn, rồi bỏ vào trong một quả bóng thủy tính, sau đó hút không khí để quả cầu này thành chân không. Kết quả, sợi bóng đèn bằng sợi bông carbon phát ra ánh sáng mạnh mà ổn định, sáng được hơn 10 giờ đồng hồ.
Thế là đèn sợi đốt bằng sợi bông carbon đã ra đời, Edison đã nhận được bản quyền sáng chế phát minh. Nhưng thành công không khiến Edison dừng lại, ông tiếp tục tìm kiếm những nguyên liệu chịu nhiệt khác,
có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và bền bỉ hơn sợi bông carbon. Năm 1880,
Edison lại nghiên cứu sáng chế ra đèn sợi đốt bằng sợi tre'° carbon (Bamboo ị
Eibre hoặc Bamboo Fiber), làm cho tuổi thọ của đèn sợi đết được kéo dài | hơn nhiều. Cũng vào tháng 10 năm ấy, Edison tự mình mở một nhà máy | bóng đèn, bắt đầu tiến hành sản xuất số lượng lớn bóng đèn sợi đốt.
Đó cũng là những bóng đèn sợi đốt được thương mại hóa sớm nhất trên thế giới.
Nhà vật lý Swan người Anh cũng không chịu thua kém, ông mở nhà máy sản xuất bóng đèn vào năm 1881, và cũng bắt đầu sản xuất bóng đèn sợi đốt. Và thế là hai nhà phát mính với hai xưởng sản xuất bóng đèn cạnh tranh nhau gay gắt. Về sau,
hai nhà khoa học đã đi đến hợp tác,
hùn vốn xây dựng một nhà máy sản xuất bóng đèn sợi đốt Edison - Swan.
Cạnh tranh trong sản xuấtbóng
đèn tuy đã kết thúc, nhưng quyền phát Hình 4.11. Edison và một số sản n_ Phẩm bóng đèn “hiệu ting Edison” do
minh sáng chế liên quan đến bóng đè .
ông sản xuất.
19 Sơi tre là sợi cellulose (cellulose fbre) được gia công chiết xuất ra tử cây tre tự nhiên.
173
vẫn còn được tranh luận mãi không thôi, người Mỹ coi quyển phát minh
sáng chế bóng đèn là của Edison, còn người Anh lại coi nó thuộc về Swan.
Tại Anh, lễ kỷ niệm 100 năm ngày phát minh ra bóng đèn được tổ chức vào tháng 10 năm 1978, còn ở Mỹ cũng được tổ chức nhưng muộn hơn một năm. Thực ra, cả hai nhà khoa học đều đã cóng hiến cho sự phát minh, ứng dụng và quảng bá đối với bóng đèn sợi đốt.
2. Liệu rằng bóng đèn sợi đốt có “tiêu tan và biến mất” không?
Sau khi nhà phát mình người Mỹ Edison trải qua biết bao vất vả khổ cực để chế tạo nên những bóng đèn dùng bằng sợi vải carbon, nhiều người đã liên tục cải tiến nguyên liệu sợi đốt, cấu tạo sợi đốt, bơm đẩy khí trong bóng đèn, hiệu quả phát sáng của bóng đèn sợi đốt cũng được nâng cao
rõ rệt.
Bóng đèn sợi đốt là bóng đèn điện tận dụng nguồn điện tăng nhiệt để phát sáng, bóng đèn sợi đốt làm bằng gợi vai carbon cla Edison là sản phẩm đầu tiên đưa nguồn điện sáng đến các gia đình. Bóng đèn sợi đốt đã mang lại ánh sáng cho hàng nghìn hàng vạn gia đình.
Năm 1907, Justin đã chế tạo ra chiếc bóng đèn sợi đốt bằng sợi vôn-fram (wolfram). Sau đó không lâu, Irving Langmuir phat minh ra soi vôn-fram xoắn ốc, đồng thoi bom day khi tro amoniac vào vỏ thủy tình để
khống chế sự bốc hơi của sợi vôn-fram.
Năm 1912, Junichi Miura người Nhật Bản đã từ phát triển sợi vôn-fram xoắn ốc dạng đơn lèn thành xoắn ốc đạng đôi, hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn sợi đốt được nâng lên đáng kể.
Vào năm 1935, nhà vật lý người Pháp - Claude đã cho đây khí Krypton (ky hiéu: Kr), khi Xenon (ky hiéu: Xe) vào trong bóng đèn, tiếp tục nâng cao hiệu quả chiếu sáng của đèn điện. Lịch sử phát triển của bóng
đèn sợi đốt chính là lịch sử nâng cao hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn.
Mặc dù vậy, nhưng hiệu quả bóng đèn sợi đốt vẫn còn rất thấp, điện năng mà bóng đèn tiêu thụ chỉ có một phần rất nhỏ được chuyển hóa thành 174 1 |
Et
ee
NĂNG LƯỢNG MỚI năng lượng ánh sáng, còn lại đu bị hao hụt bằng hình thức phân tán của nhiệt năng. Hơn nữa, thời gian chiếu sáng của bóng đèn sợi đốt, tức là tuổi thọ sử dụng của nó thường không vượt quá được mức 1000 giờ đồng hồ.
Hiệu quả ánh sáng
của đèn sợi đốt mặc dù còn
thấp, nhưng màu sắc ánh
sáng và tính năng tập trung
ánh sáng tương đối tốt, do vậy, sản lượng của nó rất
lớn, đã từng là nguồn ánh
sáng điện được ứng dụng
rộng rãi nhất trên thế giới. Hình 4.12. Đèn sợi đốt chiếu sáng.
Con người bước vào
thế kỷ thứ XXI, những lời kêu gọi về bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng | lượng mỗi lúc một lớn hơn, hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn sợi đốt thấp, | tiêu hao nhiều năng lượng, không đáp ứng được nhu cầu tiết kiệm năng : lượng. Sự xuất hiện của bóng đèn tiết kiệm năng lượng khiến cho vị trí dẫn
đầu trên thị trường đèn điện chiếu sáng của bóng đèn sợi đốt đã bị lung lay. Có người cho rằng, bóng đèn sợi đốt đã đến lúc “tiêu tan và biến mất”,
sự biến mất của bóng đèn sợi đốt chỉ còn là việc sớm hay muộn mà thôi, |
những ngày thang còn lại của nó không còn nhiều nữa.
Kể từ năm 1879, khi bóng đèn sợi đốt được đưa ra thị trường, mãi cho đến dau thé kỹ XXI, nó đã chiếu sáng cho hàng triệu triệu gia đình. Đứng
trước sự biến mất của bóng đèn sợi đốt, nếu như nhà khoa học Edison còn | sống, hẳn ông sẽ cảm thấy kinh ngạc và chua xót lắm, nhưng đây lại là một
sự thực không thể chối cãi. Ở Australia, lệnh cấm sử dụng bóng đèn sợi đốt
đã được ban bố, Liên minh châu Âu cũng đang lên kế hoạch dân dần đẩy | lùi bóng đèn sợi đốt về phía sau sân khấu. Kể từ tháng 11 năm 2009, những
bóng đèn sợi đốt công suất 100 W đã biến mất tại các cửa hàng tạp hóa ở
châu Âu; một năm sau, những bóng đèn sợi đốt 75 W cũng đã không còn 175
Nguồn năng lượng mới đang vẫy gọi
được sử dụng nữa; đến năm 2011, những bóng đèn sợi đốt 60W cũng cùng chung số phận; đến ngày 1 tháng 1 năm 2012, lô bóng đèn sợi đốt cuối cùng đã bị xóa sổ khỏi thị trường châu Âu.
Tại Trung Quốc, kế hoạch xóa sổ bóng đèn sợi đốt cũng được thực
hiện theo từng bước: Từ này 1 tháng 10 năm 2011 cho đến ngày 30 tháng 9 năm 2012 là thời kỳ quá độ; kể từ ngày 1 tháng 10 năm 2012, bóng đèn sợi đốt có công suất 100 W trở xuống đã bị cấm nhập khẩu và cấm bán tại thị trường trong nước; từ ngày 1 tháng 10 năm 2014, bóng đèn sợi đốt 60 W trở xuống bị cấm nhập khẩu và cấm bán tại thị trường trong nước; từ ngày 1 tháng 10 năm 2016 trở đi, bóng đèn sợi đốt có công suất 15 W trở xuống cũng sẽ bị cấm nhập khẩu và cấm bán tại thị trường trong nước.
3. Sự ra đời của bóng đèn Halogen vén-fram
Để nâng cao hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn sợi đốt, thì cần phải
nâng cao nhiệt độ của sợ vên-fram, nhưng nếu nhiệt độ tăng cao lại gây
ra sự bốc hơi của vôn-fram, làm cho vỏ bóng đèn bị đen. Đèn sợi halogen vôn-fram ra đời chính là để giải quyết vấn đề này. Vào năm 1959 tại nước Mỹ, trên nền tảng của bóng đèn sợi đốt, người ta đã phát triển bóng đèn sợi đốt lên thành bóng đèn halogen vôn-fram có thể tích và mức suy yếu của ánh sáng rất nhỏ.
Cũng giống như bóng đèn sợi đốt, bóng đèn halogen vôn-fram cũng có sợi tóc, nhưng khí được bơm đẩy vào trong bóng đèn là thể khí có chứa một phần nguyên tố halogen hoặc hợp chất halogen, có thể giúp nó làm việc được trong môi trường nhiệt độ cao hơn nữa, từ đó nâng cao độ sáng.
Bên ngoài của bóng đèn halogen vôn-fram thông thường đều là ống thủy
tỉnh thạch anh nhỏ, so với bóng đèn sợi đốt, thì sợi vôn-fram có thể “tự tái sinh” Trên thực tế, đèn halogen vôn-fram chính là bóng đèn sợi đốt chứa đây khí có hàm lượng của nguyên tố halogen hoặc hợp chất halogen, nó là thế hệ mới của bóng đèn sợi đốt.
Trong những bóng đèn sợi đốt thông thường, nhiệt độ cao của sợi tóc sẽ gây ra hiện tượng bốc hơi của vôn-fram, vôn-fram bốc hơi sẽ đọng
176
Lư... HH innate ntehireintenttet tnt tintin ser! nomi
NANG LUONG MOI lại trên lớp vỏ thủy tình, dẫn đến tình trạng lớp vỏ thủy tỉnh bị đen mờ.
Trong bóng đèn halogen vôn-fram có chứa một ít nguyên tố halogen, khi sợi tóc của bóng đèn nóng lên, nguyên tử vôn-fram bị bốc hơi và di chuyển về hướng vách của ống thủy tỉnh. Khi chúng tiếp cận với ống thủy tỉnh, khí bốc hơi của nguyên tố vôn-fram sẽ kết hợp với nguyên tử halogen, hình thành vôn-fram halogen hóa. Vì vôn-fram halogen hóa rất không ổn định, nên sau khi gặp nóng chúng sẽ phân giải thành hơi halogen và vôn-fram, và như thế vôn-fram lại đọng lại trên sợi tóc của bóng đèn, bù đắp lại phần bị bốc hơi. Cứ tuần hoàn như vậy, tuổi thọ sử dụng của sợi tóc bóng đèn được kéo dài rất nhiều.
So với những bóng đèn sợi đốt thông thường, hiệu quả chiếu sáng của bóng đèn halogen vôn-fram được nâng lên, tiêu thụ năng lượng được giảm bớt, những bóng đèn halogen vôn-fram tốt có thể giảm thiểu tiêu hao năng lượng ở mức 15% so với đèn sợi đốt thông thường. Ví dụ một bóng đèn halogen vôn-fram công suất 60 W, thì độ sáng của nó có thể ngang bằng với những bóng đèn sợi đốt thông thường có công suất 100W. Nhưng thể tích của bóng đèn halogen vôn-fam rất nhỏ, nhiệt độ tương đối cao, do vậy khi sử dụng trong gia đình cần phải cẩn trọng, để không xảy ra hỏa hoạn.
Bóng đèn halogen vôn-fram thường sử dụng ở những nơi cẩn tập trung tỉa sáng, ví dụ dùng ở bàn học hay chiếu sáng ở một bộ
i phận nào đó trong nhà, cũng
| có thể làm đèn xe hơi.
Với mục đích sử dụng
không giống nhau, đèn
Hình 4.13. Một số loại bóng đèn halogen vôn-fram được chia
halogen vôn-fram.
làm 6 loại: Một là đèn chiếu
sáng halogen vôn-fram, sử dụng rộng rãi để chiếu sáng ở những nơi như
177
cửa hàng, nhà triển lãm và trong gia đình; bai là đèn halogen vôn-fram dùng cho xe hơi, trong đó lại được chia làm đèn trước, đèn pha, đèn xin nhan, đèn phanh xe... ba là đèn halogen vôn-fram bức xạ tia hổng ngoại, tỉa tử ngoại, dùng trong các thiết bị tăng nhiệt và trong máy photocopy;
bốn là đèn halogen vôn-fram nhiếp ảnh, dùng để chiếu sáng sân khấu và chiếu sáng chụp ảnh tin tức; năm là đèn halogen vôn-fram dụng cụ, dùng trong các dụng cụ quang học và dung cu y hoc; sau 1a dén halogen von- fram đụng cụ phân xạ lạnh, đùng trong đụng cụ quang học.
4. Sự ra đời của đèn tiết kiệm năng lượng
Vào thập niên 70 của thế kỷ XX Công ty Phillip của Hà Lan đã chế tạo thành công đèn tiết kiệm năng lượng. Đèn tiết kiệm năng lượng còn được gọi là bóng đèn tiết kiệm điện, bóng đèn điện tử, bóng đèn huỳnh quang kiểu gọn nhẹ, bóng đèn huỳnh quang tổng hợp, tức là nói đến thiết bị chiếu sáng kết hợp ống huỳnh quang và dụng cụ chấn lưu lại thành một.
Trong ống huỳnh quang của đèn tiết kiệm năng lượng không có sợi tóc, ống huỳnh quang phát sáng là nhờ vào những nguyên tử dạng khí kích thích đến một mức năng lượng cao hơn, rồi phát ra tia cực tím. Sau khi chất huỳnh quang màu trắng ở bên trong ống huỳnh quang thụ hút tia tử ngoại, chúng sẽ giải phóng năng lượng bằng hình thức phát sáng. Do tiền để giải phóng năng lượng ánh sáng này, nên đèn huỳnh quang chỉ tiêu thụ 1/5 đến 1/4 lượng điện sử dụng của những bóng đèn sợi đốt thông thường, từ đó có thể tiết kiệm được chỉ phí và lượng điện chiếu sáng rất lớn, do đó nó được gọi là đèn tiết kiệm năng lượng.
Đèn tiết kiệm năng lượng được cấu tạo bởi bộ phận đầu bóng đèn
ở bên trên và bộ phận ống đèn ở phía dưới, trong nội bộ cấu tạo gắn kết bóng đèn có lắp một dụng cụ chấn lưu điện tử tiết kiệm năng lượng, Cấu tạo của đèn tiết kiệm năng lượng có khả năng tích hợp đèn, chấn lưu, tắc te thành một khối, đặt biệt trong đui đèn thông dụng (dui xoay và đưi gài) có
178
——
NĂNG LƯỢNG MỚI tích hợp chấn lưu điện tử. Ở xung quanh thành bên ngoài của bóng đèn có nhiều lỗ thông, dùng để cách nhiệt, phân lưu, tỏa nhiệt, đảm bảo tuổi thọ sử dụng cho đèn tiết kiệm năng lượng.
Vì đèn tiết kiệm năng lượng có bể ngoài ống đèn khác nhau, nên được chia làm ba loại là đèn ống hình chữ Ú, đèn ống xoáy và đèn ống thẳng. Đèn tiết kiệm năng lượng ống hình chữ U có công suất thường từ
3 W đến 36 W, chủ yếu dùng để chiếu sáng dân dụng và trong môi trường thương mại thông thường, dùng thay thế trực tiếp cho đèn sợi đốt; đèn ống xoáy có nhiều loại dựa trên sự khác nhau của đường kính ống đèn và vòng xoáy, công suất thường từ 3 W đến 240 W, có nhiều quy cách khác nhau;
đèn ống thẳng dùng để chiếu sáng đân dụng và ở môi trường công nghiệp, thương nghiệp.
Sau khi đèn tiết kiệm năng lượng ra đời và nhận được sự đón nhận rộng rãi ở các nước trên thế giới, ở Trung Quốc loại đèn này cũng được quảng bá rộng rãi, do thời kỳ đầu giá thành tương đối cao nên việc quảng bá còn
gặp nhiều khó khăn. Về sau, tại tỉnh Quảng Đông, vì thế mạnh trong vị trí địa lý và nhờ vào các chính sách hỗ trợ
của nhà nước, Quảng Đông đã tiến
hành sản xuất hàng loạt đèn tiết kiệm Hình 4.14. Đèn tiết kiệm
năng lượng kiểu ống xoáy.
năng lượng với những nguyên liệu có giá thành rẻ, đồng thời được bán rộng
rãi khắp cả nước. Hiện nay, 80% lượng đèn tiết kiệm năng lượng đùng ở Trung Quốc đều được sản xuất tại Quảng Đông. Do tuổi thọ sử dụng của đèn tiết kiệm năng lượng dài hơn so với đèn sợi đốt từ 5 đến 10 lần, nên phần nào bù đắp cho nhược điểm là giá thành cao.
179
5. Đèn không điện cực (Electrodeless lamp) bước vào sân khấu chiếu sáng
Đèn không điện cực là tên gọi tất của đèn huỳnh quang phóng điện thể khí không điện cực, thuộc đồng sản phẩm nguồn điện quang đời thứ 4, được cấu tạo bởi ba bộ phận là bộ phận cao tần, bộ phận ngẫu hợp và bóng đèn. Nó thông qua trường điện tử của bộ phận cao tần để ngẫu hợp đến bên trong đèn bằng hình thức cảm ứng, làm cho bên trong bóng đèn hình thành cdc thé plasma. Khi cdc plasma nhan những nguyên tử bị kích thích quay trở về trạng thái cơ bản thì sẽ bức xạ ra các tia cực tím, bột huỳnh quang trên thành bên trong bóng đèn bị kích thích bởi tia cực tím nên sinh ra ánh sáng.
: "ơ"ẠTŨ.:.. nt ns Fi ớ
cis ey : „ % 1a tử ngoại.
“ope? Trạng thái nang %... Bột huỳnh Điện từ: : lượng cáo của Anh sáng. `" quang (sơn lên
các nguyện tử: có thêth thành trong của thuỷ ngân: Y ống thuỷ tỉnh)
Hình 4.15. Nguyên lý chiếu sáng của đèn không điện cực.
Đèn không điện cực là dòng sản phẩm công nghệ cao được nghiên cứu và chế tạo ra từ những thành quả kỹ thuật công nghệ mới nhất kết hợp nhiều lĩnh vực khác nhau như quang học ứng dụng, điện tử, thể plasma, nguyên liệu từ tính..., là nguồn chiếu sáng thế hệ mới điển hình có hiệu qua
180