《有趣的制造》试读：电灯泡

    美国年销售额：44300亿美元     世界三大灯具生产商：GE照明，欧司朗•西凡尼亚公司，飞利浦照明     从人类历史发展的最早期到19世纪初，火是人类基本的照明方式。人们在日常生活和工作中使用火炬、蜡烛、煤油和煤气灯提供照明。但是这样的照明提供的光线十分有限。除了明火会造成的失火危险外，其在户内使用时，光线十分昏暗并且会产生很多有毒的烟雾。     第一次使用电光的尝试是由英国化学家汉弗莱•戴维爵士进行的。1802年，戴维发现电荷可以加热薄铁片到白炽状态，从而得到较好的照明效果。这就是白炽灯的起源。     接下来最重要的发明是弧光灯。这种灯的工作原理是将两个用碳（非金属元素）制成的电极相互分开一点，然后给其中一个电极通电，电流会击穿电极间的空气流到另一个电极，此时两者之间会产生弧形的光线。弧光灯主要在户外应用。那个时候，发明家们正在进行有效的室内照明用具的发明竞赛。     商业用白炽灯发展的最大问题是寻找合适的发光材料。戴维发现铂金是唯一可以提供长时间白炽光线的金属材料。碳元素也同样可以使用，但它很快会在空气中氧化，接着就会被烧坏。解决这个问题的办法是把空气抽离形成真空状态，保护产生光线的材料。     托马斯•爱迪生，在新泽西州的门罗帕克工作的年轻发明家在19世纪70年代开始了电灯的发明。1877年，爱迪生加入了发明实用电灯材料的竞争行列中。他开始对其他发明家的试验进行分析，找出其他发明家失败的原因。在这个过程中，他发现铂金是比碳更好的发光材料。对铂金进行研究，爱迪生在1879年4月得到了他的有关电灯的第一项专利，尽管这项专利没有多大实用价值。随后他继续研究，希望能找到有效加热且不那么昂贵的照明材料。     爱迪生同样改进了照明系统的其他部件。他发明了自己的能源，并且设计出一个突破性的配线系统可以同时点亮多个灯泡。但是他最重要的发明是找到了合适的灯丝。这是一种细丝状的线，能够承载电流而且不会熔化或发生理化变化。大部分早期的灯丝烧坏的速度很快，所以很难投入实际应用。为解决这个问题，爱迪生又一次尝试以碳作为灯丝的材料。     爱迪生最后选择碳化棉线作为灯丝材料。灯丝被固定到铂金线上，铂金可以与灯丝互相传送电流。这个装置随后被放入玻璃球中并在球颈部融合。用抽气机把球中的空气抽干——这个步骤虽然耗时但是非常重要。引入玻璃球内的导线从玻璃球底端伸出用来连接电源。     1879年10月19日，爱迪生对他的新灯泡进行了试验，这次灯泡持续工作了2天又40分钟。10月21日——灯丝最终烧坏的日子——通常被认为是第一个商业用灯泡发明的日子。当然，这个最初的灯泡还需要进行一系列的改进和更新。大批量制造灯泡的生产工厂开始建立起来，并且逐渐在导线和电流系统方面取得了巨大进步，不过，今天的白炽灯泡与爱迪生最初发明的灯泡还是极为相似。主要的不同在于钨（熔点很高的韧性金属）灯丝和各种更有效保护气体的应用，使灯丝在点亮时可以达到更高的温度。     白炽灯是第一个，也是最便宜的一种灯泡，现在人们根据不同用途开发了很多新光源。     钨卤素灯，一个钨灯丝充入卤化气体以延长灯丝的寿命。     荧光灯管是一支包含汞气和氩气的管。当电流过灯管时，会使汞激发出紫外线，紫外线的能量可以激发灯管内涂布的磷层，使它发光。     水银灯有两个灯泡——在保护性的玻璃球内有一个弧形管（以石英为原料）。这个弧形管内汞蒸汽的压力比荧光灯的更大，从而无需磷层水银灯就能发光。     氖灯是装满氖气的玻璃管，氖气在通电时会发光。光的颜色由气体混合物来决定，纯氖气会发出红光。     金属卤化物灯，基本在户外如露天大型运动场和路面照明中使用，包含金属和卤素的混合物。这种类型的灯与水银灯工作原理十分类似，不过，金属卤素在不使用磷层的时候可以产生更自然的灯光。     高压钠灯与汞灯也很类似，但是，弧形管由氧化铝而非石英制成，并且包含钠和水银的固体混合物。     这部分以及下部分的生产过程将主要围绕白炽灯进行描述。跟前面提到的一样，许多不同的材料被用来制作灯丝，直到金属钨在20世纪的早期成为最终的灯丝材料。尽管钨丝非常脆，钨丝却能够承受超过4500华氏度（2480摄氏度）的高温。钨丝的发现被认为是灯泡科技的最大进步，因为，这种材料制作成本很低而且比其他任何早期使用的材料持续的时间更长。     与电源连接的极导线一般都是由镍铁金属丝（铜包镍铁丝）制成的。把电线浸入化学溶?中处理使其可以粘在玻璃上。灯泡的外罩是用玻璃制作的，内部充有气体混合物，通常是氮气和氩气，这两种气体可以增加灯泡的使用寿命。制作的时候把空气从灯泡里抽出，用这两种气体进行替换。     灯泡的应用范围广泛，从街灯、汽车顶灯到闪光灯。对不同的用途来说，灯泡的尺寸与瓦数要求也不一样，瓦数是决定光释放数量（流明，光通量单位）的计算单位。白炽灯有三个基本组成部分——灯丝、灯泡罩和灯头。最初灯泡是用手工制作的，现在的生产已经基本实现了自动化。     1灯丝通过一个叫拉丝的过程进行生产，即把金属钨与一种黏合的材料混合，然后从冲模——圆筒形并且敞口——中拉出形成一根金属丝（见图36）。接下来，把金属丝缠绕在一根叫做灯心轴的金属棒上面，形成符合需要的卷曲螺旋，然后在一个退火的程序中将它加热。退火是为了软化金属丝并且使其内部构成更趋于一致。灯心轴随后在酸液中被溶解。     2把卷曲的灯丝跟引线连接在一起。引线末端成钩状，可以被压折夹住灯丝的尾部，如果是大灯泡，需要进行点焊处理。     3玻璃灯罩或叫外罩可以使用带式玻璃成型机进行制作（见图37）。把一条连续的带状的玻璃材料在熔炉中加热后，放在传送带上继续移动。使用成行排列的喷气嘴吹玻璃，使玻璃正好通过位于传送带上的洞进入铸模，最终形成灯罩。一台带式玻璃成型机移动速度最快时每小时可以生产超过5万个灯泡罩。在外形被吹出来后，它们需要冷却随后被从机器上切断；接下来，玻璃罩的内部用硅酸（一种精细的晶体状混合物）进行涂层以避免发热的、未覆盖的灯丝光线过于耀眼。公司的商标和灯泡瓦数随后被贴在每个灯罩的外部顶端。     4灯泡的灯头同样使用铸模制造。灯头的样式做成类似螺丝的形状，这样它就可以轻松地与电灯组件贴合紧实并连接在一起。     5一旦灯丝、灯头和玻璃灯罩制作完成，就可以用机器把它们装配在一起了。首先，把灯丝装在茎轴上，使它的两个尾端夹在两根引线之间。接下来，灯泡内部的空气被抽出来，同时用氮气和氩气混合物将其充满。上述气体可以延长灯丝的使用寿命。钨丝将来会蒸发或烧断。如果它蒸发，会在灯泡罩的内壁留下一层黑色的物质，这个时候我们说灯泡变黑了。     6最后，将灯头和灯泡封在一起。灯头和玻璃灯罩拧得非常紧，不需要其他物质来辅助连接。灯泡和灯头的外形设计非常贴合，因此可以很容易连接，同时使引线搭在铝制灯头上确保电源接触正常。测试后，灯泡被包装然后运至经销商处等待消费者购买。     对电灯泡的测试包括使用寿命和强度两种测试。为了更快速地获得测试结果，工人把进行测试的灯泡拧到测试台上，以超出它正常使用时燃点的温度点燃。通过这项测试可以准确知道在正常情况下灯泡可以工作多长时间。每个灯泡生产厂都要进行质量测试，此外，在一些独立的测试实验室也可以进行测试。大部分家庭使用的灯泡的平均寿命，根据不同的瓦数，在750—1000个小时之间。     白炽灯使用的电能被用于产生光亮的少于5%，剩余的95%被转化成热量或被浪费。加热灯丝直至发光当然是一种令人满意的产生光的方法，但是效率却极低。当今世界资源储备越来越少，白炽灯的低效率最终使其不再那么实用了。     现在已经有其他代替白炽灯的光源被投入使用。比如荧光灯，已经占领了大部分市场，作为家庭光源，它的使用会越来越普及。荧光灯使用的能量比白炽灯至少低75%，并且持续的时间也是后者的20倍。现在发明了一种“简洁”型荧光灯，不同于标准的荧光灯，可以拧在家庭常用的灯座上，从而进一步扩展了荧光灯的市场占有率。     近期的另一项发明是“无线电波灯泡”，也叫做“E（电子）灯”。这种灯把无线电发电机中的能量转移到密封在灯泡内的水银中，随后产生紫外线。灯泡内部的磷层会把紫外线转化成可以看见的光线。这些灯泡使用的能量仅为白炽灯的25%，并且它们可以使用10年或更长的时间。另外，一个受消费者欢迎的优点是，它们完全可以与白炽灯互换使用。