白炽灯的前世今生

在研究白炽灯的先驱者中，首先应提到的是弧光灯的发明人—英国人汉弗莱戴维(HumphreyDavy)。长期以来，人们都是用油灯、蜡烛或者煤气灯做家庭照明。1808 年，英国科学家戴维在用碳棒做电流的热效应实验时，无意中发现两根碳棒之间会形成一道极强的闪亮白光。他反复试验下去，最终制成了电弧灯，并于1843年首次得以大规模使用。

电弧灯存在不少缺点：一是它的光芒刺眼；二是寿命太短；三是炭极打火之后，要冒出呛人的气味和黑烟，这就很难用于室内照明。

尽管电弧灯有不少缺点，有些国家还是在灯塔、剧院和广场做了有限的采用。例如，在英国，每当议会举行例会时，西敏寺伦敦宫的钟楼上安装的电弧灯就会放出夺目的光芒。在英吉利海峡的南弗兰德，也装了电弧灯航标。与此同时，美国、英国和法国还渐渐将它用于街道照明。1878年，出现差别式电弧灯，不需手工调节电极，这种电弧灯首先应用于柏林的皇帝画廊街，随后莱比锡大街上也安装了电弧灯照明，这标志着电弧灯照明在德国的开始。大约到19 世纪末灯照明就基本退出了照明舞台。

1．初期的白炽灯

1820—1821年, G·德拉律第一次试制铂丝白炽灯, 1841年英国人摩雷取得过铂丝白炽灯的第一个专利。但铂的价格昂贵、电阻率小，如要增大电阻就必须做得很长。另外铂丝的熔点低，还没有达到白炽就熔断了。所以，铂丝白炽灯并无实用价值。

于是，人们将灯丝材料转向价廉易得、熔点高的碳（无定形碳的熔点为3652℃）。1838年，比利时若巴尔提出把碳块置于真空环境里通电使其发光的设想。英国的斯旺按照这种思路，用一条碳化纸作灯丝，企图使电流通过它来发光，但是，因当时抽真空的技术还很差，灯泡中的残余空气使得灯丝很快烧断。1848年移居美国的德国人海因里希·格贝尔把碳化的竹子纤维置于长玻璃管内并抽空其内气体，接在伏打电池组上，制成碳丝白炽灯。但终因无大功率廉价电源及制造麻烦、寿命短而未得到推广，被人遗忘。俄国亚·尼·罗德金把碳条置于密封的玻璃瓶内，通电后靠碳本身的燃烧来消除其内的氧气，碳条剩余的部分就构成了这种碳条白炽灯的灯丝。这是一种巧妙的除气方法。1873年7月11日，曾用这种灯取代了几盏煤气路灯，照亮了彼得堡阿布拉日亨斯基广场附近的街道，因此他还获得过彼得堡科学院颁发的奖状。但这种灯因玻璃瓶密封不严，有空气进入而寿命不长，也未能推广使用。

　　此后，俄国人雅布洛奇科夫(Jablochkoff)发明的“电烛”问世。它的做法是用绝缘的熟石膏将两个炭极隔开。当“电烛”被点燃时，绝缘层就与炭棒同速燃烧发出白炽光。从本质上看，这种“电烛”也是一种电弧灯，只是稍省些电。雅布洛奇科夫“电烛”在1877年被用作巴黎的歌剧院门前大道的照明，和伦敦泰晤士河岸的部分照明，但是这种“电烛”不能持久，最长也只能用两个小时。

2．实用白炽灯的诞生

1878年，真空泵的出现，使斯旺有条件再度开展对白炽灯的研究。1879年1月，他发明的白炽灯试验成功，并获得好评。

托马斯•爱迪生是一个社会发明家，他二十一岁就获得了他的第一项专利——电传投票尼录器。1876年春天，不满三十岁的爱迪生带着工人迁到新泽西州一个名叫门洛帕克的偏僻村庄，创办门洛帕克实验所时，已经是公认的“发明家”了。

早在十九世纪六十年代，英国沿海的灯塔已使用弧光灯。1876年，在费城举行的美国建国百周年展览会上，三盏露天的弧光灯放射出令人目眩的白色光芒。在1878年的巴黎博览会上，明亮的电弧灯给西联电报公司的总顾问留下了极为深刻的印象，他一回美国就劝爱迪生探索电弧灯运用在商业上的可能性。爱迪生以前也曾有很短一段时间试验过利用电来照明，但当时他由于专心致力于搞留声机而暂时将那工作搁在一边罢了。

1878年9月初，爱迪生访问康涅狄克州的华莱士(BillWallace)。当时，华莱士在爱迪生面前把他的“远距离发电机”连接起来，并且点亮了一盏弧光灯，由此激发了他发明电灯的欲望。1878年9月，爱迪生开始投入对电灯的研究，门罗公园的研究所成了研究电灯的战场。爱迪生是总指挥，有7个经验丰富的人当助手。

第一个出面支持爱迪生的人，是西方联合公司的总律师格罗斯维诺p洛雷，很快又得到了西方联合公司总裁诺尔文格林博士的支持，同时也得到黄金与股票行情电报公司的主要股东特雷西R爱迪生的支持以及与摩根(j．P．Morgan)合伙经营企业的埃吉斯托p法布里(EgistoP．Fabbri)的支持。经过磋商，成立了一家股份公司―――“爱迪生电灯公司”，以便为试验提供经济援助和申请专利。他们拿出30万元来支持爱迪生搞电灯发明，跟他合伙办电灯公司，但持有爱迪生在电灯、电力和电热等方面的一切发明专利，并有权将这些发明专利以颁发特许证的形式卖给他人。

爱迪生重新用“炭”进行试验，原料是纤维或其他纸张。他在这些纸的表面涂上灯墨和沥青的混合物，再卷成毛衣针状，然后进行炭化处理。再把这种材料制作的灯丝连在线路上，它们在真空中发光，不过只能持续一、两个小时。爱迪生试验了50多种炭化纸，包括木制炭丝以及笤帚苗炭丝等等，都没有取得突破性进展。于是爱迪生将目光转向电阻要高、散热慢的铝和铂等金属，1878年10月5日，爱迪生提出了一份关于铂丝电灯的专利申请，专利号码是214636。这种灯泡当时被称作“燃烧器”。灯丝之间再加一支金属棒。当灯丝热度接近铂丝的熔点时，金属棒便膨胀造成短路，灯泡温度降低，铂丝冷却的同时金属棒也冷却下来，于是电流再次通过。

爱迪生先后试用了包括各种金属、石墨、木材、稻草、亚麻、竹子等在内的1600多种耐热材料，最终认为延长白炽灯寿命的关键是提高灯泡的真空度和采用耗电少、发光强的耐热材料作灯丝。只要灯丝的价格足够便宜，“大家就会欢迎它的” 。1879年秋，他采纳了助手阿普顿的建议，花巨资从英国买回一台德国斯普林格在1865年发明的那种以其姓氏命名的抽气机。利用这一先进的抽气机，他将灯泡内的空气抽到约1Pa，后又抽到0.1Pa的高真空。他还在英国史璜的碳灯丝实验报告的启发下，指示其助手白契勒在密封U形坩锅内将棉线碳化，作白炽灯的灯丝。

爱迪生从一开始就认为炭丝是最理想的灯丝材料，当初放弃这种材料，是因为以前的真空度不够，炭丝熔化过速。现在，他又回到了炭丝的试验上，再次用各式各样的线、纤维和类似的物质作灯丝材料。这样，1879年10月21日，终于在新泽西州门罗公园内，他的实验室里制成一盏持续点亮45小时才烧毁的碳化棉线作灯丝制成的灯泡，这种灯于1880年12月7日被授予专利，标志着世界上第一盏白炽电灯就这样诞生了。接着，他将这种灯公开展出，曾照亮过他实验室所在地新泽西州洛帕克的主要街道。虽然这种灯离实用还有很远的距离，但后来人们仍将1879年10月21日定为白炽灯的诞生日。

斯旺和爱迪生两位发明家的竞争十分激烈，专利纠纷几乎不可避免，后来，二个达成协议，合资组建了爱迪生－斯旺电灯公司，在英国生产白炽灯。白炽灯的发明，美国通常归功于爱迪生，英国则归功于斯旺。在英国，电灯发明一百周年纪念于1978年10月举行，而美国则于一年后的11月举行。

由于这个竞争者的崛起，全世界的煤气公司的股票都严重地受到打击。纽约《导报》上刊载了一段来自伦敦的电文：“自爱迪生宣布其电灯分布之发明后，煤气股票一落千丈，竟暴跌票价12%。伦敦注册煤气公司的股票竟跌落了500万以至1000万元。英国议院被这事弄得一筹莫展，只得召集会议，重新研究发光的整个问题。”

后来，爱迪生又发明了一种“金化法”，即将粗制的碳丝用汽油蒸气处理，使碳丝表面因碳氢化合物的分解而形成紧密的石墨层后，便变得更加均匀光滑，大大提高了碳丝的寿命。成功并未使爱迪生停步，他继续寻找比碳化棉更坚固耐用的耐热材料。1880年春天，他成功地用竹丝烧成的炭丝作为灯丝，使白炽电灯亮的时间延长到1200 小时，这是第一只可以实用的白炽电灯。这种白炽灯和后来正式成功的电灯大致相同，只是发光的物质有些不同罢了。

1831年，法拉第关于电磁感应的发现为制造发电机提供了科学依据。在惠斯通、威尔德、西门子、格拉姆、帕契诺蒂、阿尔特涅克等前期工作基础上，爱迪生于1880年已制出可为1500盏16烛光灯泡供电的大型直流发电机，成功解决了电源问题。此后爱迪生又发明了配电盘、熔断器（保险丝）、旋转开关、螺口灯头、灯座、各种插座、计量用电量的电表。他还采用了他以前的助手舒克尔的将白炽灯并联联接的主张，以便一只开关控制一盏灯，一灯出故障不致影响另外的灯。1882年秋，他在纽约帕尔街（意译为“珍珠街”）建立了第一个发电厂，用六台直流发电机，其中最大的一台功率为125马力，正式向59家用户的300盏白炽灯供电。这是世界上第一个大型商用照明供电系统。从此，光明的使者来到了人间，白炽开始为千家万户带来新的生活。因此，爱迪生不仅发明了白炽灯泡，而已为整个社会组织了一种新的电力照明系统。

植物碳化纤维为灯丝的白炽灯仍有三大缺点：灯丝易折断，碳丝易耗蚀而短寿，发光强度和发光效率低下。科学家们的改进便针对着这三大缺点。

由物理定律可知，白炽体的发光强度与白炽体的热力学温度的12次方成正比。例如，当一盏灯泡的灯丝温度为2500K时，其发光强度是当其温度为2200K时的4.6倍！这个事实给我们两点启示。第一，对同一盏灯，电压降低很少一点，人眼就能明显感到灯光变暗了。因此，在额定电压下使用白炽灯是保证亮度的必要条件。第二，提高白炽灯亮度的重要措施之一，就是设法提高灯丝温度。于是，人们再次将注意力转具有高度韧性、不易折断的高熔点金属。

事实上，早在炭丝白炽灯诞生以前，人们就试用过多种难熔金属来作灯丝了。爱迪生也曾用白金丝作过灯丝，点亮了8 分钟到 2 个小时。除了白金和铱之外，他还试过钡、钌、钛、钼、铑、锆等等，都不如白金丝好。由于当时抽气的真空度不高，金属的熔点又偏低，时间一久，灯丝便烧毁，所以没有取得成功。从19世纪80年代开始，发明家们展开了一场用金属灯丝代替碳灯丝以改进白炽灯的持久战。1882年维尔纳·冯·西门子在德国建造了第一家白炽灯工厂，并于春天用他自己的品牌开始将产品投放市场。

1887年，奥地利（当时为德国）韦尔斯巴赫首先设计出锇丝白炽灯（锇的熔点2700℃，1803年英国台奈特发现），并于1898年大量生产。1902年这种灯的发光效率已达8流明/瓦。随着1903年纯金属可锻钽的制得（钽的熔点2996℃，1802年瑞典艾克贝格发现），1905年维尔纳·博尔顿成功地研制出一种钽丝白炽灯，这是第一个真正成功地使用金属灯丝的白炽灯，仅在德国就生产并销售了5千万只，这些灯的生产一直持续到第一次世界大战期间。

早在1873年，西班牙德普亚尔就发现了熔点高达3410℃的钨，但是由于制造钨丝的工艺不成熟，在白炽灯上一直得不到应用。直到1909年，爱迪生原来的同事威廉·大卫·库利奇在纽约州斯克内塔城美国通用电器公司发明了一种拉制钨丝的新工艺，成功地将钨拉成直径仅为头发1/16即约0.5微米的细丝，制成钨丝白炽灯，从而“戏剧性地降低了生产白炽灯的成本”，大大提高了白炽灯的发光强度和发光效率，寿命也大为增加。他于1913年12月30日取得了这种灯的专利。从此，钨丝白炽灯便成为主流产品。

白炽灯的使用威胁到煤气公司的利润，为了与其电灯相抗衡，煤气公司也大力改进煤气灯。1885 年，德国化学家阿吴爱尔发明了一种新式的煤气灯，这种新灯的特点是在原来煤气灯的灯头上加了一个纱罩。一下子就把煤气灯的亮度增强了好几倍。这种纱罩用木棉或绢丝制成，先放在由99 份硝酸钍和1 份硝酸铈组成的溶液里浸过。煤气在纱罩里燃烧，产生的高温把硝酸钍和硝酸铈分解成氧化钍和氧化铈。在高温下，这类难熔的金属氧化物烧到白炽化，结果就发出了明亮程度胜过炽热炭丝的白光。直到现在还能见到这种灯，而是以煤油作燃料的汽油灯了。

3. 中国电力照明发展史

　　1879年5月28日（清光绪五年四月初八），上海公共租界工部局电气工程师毕晓浦（J∙D∙Bishop）在虹口乍浦路的一幢仓库里，以1台10马力（746千瓦）蒸汽机为动力，带动自激式直流发电机，发出的电力点亮了碳极弧光灯，放出洁白耀眼的弧光，试验获得成功。上海的第一盏电灯宣告问世，从此揭开了中华文明古国有电的历史篇章。

时隔3年，英国人立德尔（R∙W∙Little）等招股筹银5万两，成立上海电气公司（Shanghai Electric Company），从美国购得发电设备，在南京路江西路西北角（今南京东路180号）创办上海第一家，也是中国第一家发电厂，安装1台16马力（1193千瓦）蒸汽发电机组。同时，在电厂转角围墙内竖起第一根电杆,并沿外滩到虹口招商局码头架设长达6.4公里的电线，沿线串接15盏弧光灯。1882年7月26日下午7时，电厂开始供电，弧光灯一齐放光，炫人眼目，吸引成百上千怀着惊喜而又新奇心情的围观者。第二天，上海的中外报纸都报道了电灯放光的消息，产生广泛影响。该电厂的建成，标志着上海电力工业，也是中国电力工业开始起步。是年9月25日，坐落在黄浦江外滩的上海俱乐部（今中山东一路2号）等装接电灯，成为第一批电灯用户。这家电厂比全球率先使用弧光灯的法国巴黎北火车站电厂晚建7年，比英国伦敦霍而蓬高架路电厂晚建6个月，但比美国纽约珠街电厂早建2个月，比日本东京电灯公司早建5年。

对这个由国外输入的新事物──电灯的出现，当时社会上引起两种截然不同的反响：有识之士称电灯为“奇异的自来月”，咏诗加以赞颂；清政府上海道台却认为“电灯有患”，如有不测，将焚屋伤人无法可救，遂于1882年11月下令禁止中国人使用电灯，并照会英国政府领事馆，要求停用电灯。然而，电灯的效用是油灯、煤气灯等其他照明用具所无法比拟的，非但禁不住，反而被越来越多的人所接受，争相使用。为扩大经营，获取更多赢利，上海电气公司又从英国订购蒸汽发电机组，于清1883年2月23日，将电厂从南京路迁址到乍浦路41号，另建新厂。同年6月，上海电气公司与公共租界工部局签订合约，在外滩、南京路、百老汇路（今大名路）3条主要干道上，安装35盏弧光灯，替代155盏暗淡的煤气灯，使道路照明发生了较大的变化。

1888年11月1日，上海电气公司改组，成立新申电气公司（New Shanghai Electric Company），公司设在乍浦路41号。当时，只能供60盏弧光灯照明，到翌年11月，已能供72盏弧光灯照明。1890年4月，上海开始推广使用更为方便的电压100V100Hz白炽灯，公司业务出现新的转机。但由于公共租界工部局对路旁立杆架线限制极严，公司又缺乏资金购置价格昂贵的地下电缆，业务难以进一步发展。于是，当时的公共租界工部局纳税人年会通过提案，并于1893年8月20日，以银6.61万两收购了新申电气公司的全部产业，成立工部局电气处。9月1日，作为新业主的工部局电气处，在乍浦路原新申电气公司旧址，建造设备容量为197千瓦的中央电站，供123盏弧光灯和6325盏白炽灯照明。从1894年起，工部局对第一批12家用户安装了电度表，实行装表计费。后因用户不断增加，亟须扩大供电能力，工部局电气处又耗银2.5万两，在斐伦路（今九龙路）30号动工建造设备容量为298.5千瓦的新中央电站，共装置锅炉2台，复式蒸汽机10台，交、直流发电机13台，于1896年5月21日落成发电。当时的电力，仅供夜间道路照明为主。从1901年6月起，开始日夜供电，电压改为200V，生活照明用电逐渐上升。到1904年，又开始向工厂电动机及电梯供电，经营业务又有新的扩展。是年，用户的装灯数已达8 82万盏。随着用电户数的逐年递增，新中央电站的规模亦随之扩大。1907年，又装置了当时国内第一台单机容量最大的800千瓦汽轮发电机组，至此，全站的发电出力已达4400千瓦。

19世纪末20世纪初，外商在上海办电，除公共租界工部局电气处外，法租界公董局也于1896年2月筹建洋泾浜电气厂，厂址选在洋泾浜畔带钩桥（今延安东路山东路口），翌年6月五月建成，以直流电供法租界内的道路和用户照明。1906年1月，法租界公董局与比利时的国际东方公司在上海订立合约，由该公司以22 5万法郎收购洋泾浜电气厂，并作为发起者，联合几家法国财团组成股份有限公司，于1906年6月26日成立上海法商电车电灯公司，资本总额300万法郎。是年11月，该公司又在卢家湾购置土地，新建蒸汽机发电厂。电厂一期工程安装蒸发量3～4.3吨/时锅炉3台、86千瓦蒸汽机3台、50千瓦蒸汽机1台、250千瓦600伏直流发电机3台、50千瓦250～300伏直流发电机1台，50千瓦小机组专供下半夜低谷负荷时投用；二期工程安装同型号锅炉1台、428 95千瓦蒸汽机1台、350千瓦600伏直流发电机1台。1909年1月31日，卢家湾蒸汽发电厂的第一台50千瓦直流发电机组投入运行，电压为100伏。到1911年（清宣统三年），卢家湾蒸汽发电厂前后共装设锅炉4台、直流发电机组5台、交流发电机组1台，发电设备总容量已达1500千瓦。

正当外商在上海竞相办电的同时，1897年（清光绪二十三年），清政府上海南市马路工程善后局在十六铺老太平码头（现老太平弄）创办南市电灯厂。该厂于1898年1月21日（当年除夕）建成，当晚试灯，上海县令黄爱棠亲临现场，率员观看南市这个中国地界亮起的第一盏电灯。到1906年上海城厢内外总工程局李平书等集银6万余两，将经营困难的官办南市电灯厂接归商办，改名为上海内地电灯公司，移厂至紫霞殿（今紫霞路、蔑竹路口），安装2台325千瓦直流发电机组。1907年8月建成发电，之后又逐步发展，并于1910年5月（清宣统二年四月），该公司在南市包家宅（今花园港路）上海内地自来水厂旁建造电灯分厂，至1911年，供电灯数已增至7000余盏。与此同时，闸北地区的官绅也筹集资金，准备兴办电厂。1911年10月27日，李平书又奉两江总督之命，在闸北叉袋角广肇山庄北首（今铁路上海新客站）创办闸北水电公司，安装2台50千瓦直流发电机组，供2000盏白炽灯照明。

从第一家电厂建成到1911年中华民国成立前夕，上海电力工业经过起步创业，已初具规模。上海的4家中外电力公司共拥有发电设备容量8750千瓦。