Lược sử các nguồn sáng nhân tạo: Từ lửa tới laser

Trước phát minh ra việc chiếu sáng bằng điện, loài người đã ý thức được nhu cầu về ánh sáng nhân tạo và luôn cố gắng “xua tan đi bóng tối”.

Độ sáng của ánh sáng Mặt Trời lớn tới mức mà rất ít nguồn sáng nhân tạo lại có thể cạnh tranh được. Thế nhưng vào ban đêm, chúng ta phải hài lòng chấp nhận sự phản chiếu “tội nghiệp” của ánh sáng Mặt Trời từ bề mặt Mặt Trăng - nhưng không phải lúc nào cũng có.

Vậy là nhân loại vì không chịu được cảnh sống trong tăm tối, đành phải phát minh ra các sản phẩm thay thế. Trước khi có đèn điện, con người đã sử dụng rất nhiều công cụ khác nhau để thắp sáng, từ “cổ điển nhất” như lửa cho đến tân tiến hiện đại như laser.

Lửa: Tặng vật của Prometheus

Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là lửa. Theo Thần thoại Hy Lạp, thần Prometheus đã ban tặng lửa cho loài người. Lửa phục vụ con người như là một nguồn sáng cố định, trong khi những bó đuốc thì trở thành một dạng “lửa cầm tay” có thể di chuyển được.

Thiết kế của lửa đã được thay đổi theo thời gian: từ búi lửa đơn giản được rút ra từ đống lửa cho tới chiếc que được quấn giẻ và ngâm trong dầu mỏ, mỡ hoặc dầu ăn. Đuốc là một phát minh rất cổ xưa và người ta cho rằng nó đã tồn tại được khoảng một triệu năm. Ngày nay đuốc vẫn còn được sử dụng dù không quá phổ biến. 

Hậu duệ rất xa xăm của các bó đuốc ngày nay sử dụng khí đốt để châm ngọn lửa Olympic, còn pháo sáng thì được quân đội, thợ săn và du khách sử dụng để nghi trang hay báo hiệu vào ban đêm.

Ngoài đuốc trong thời kỳ đồ đá, nhân loại cũng đã phát minh ra đèn dầu - một chiếc bình chứa đầy mỡ hoặc dầu ăn, với một cái bấc được ngâm trong đó (bằng gai hoặc vải), lửa sẽ được thắp sáng tại đầu ngọn bấc đó.

Ở thiên niên kỷ thứ ba trước Công Nguyên đã xuất hiện những ngọn nến đầu tiên - những thanh mỡ động vật dạng rắn được chảy tan dần với cái bấc bên trong khi đốt. Vào thời trung cổ, dầu cá voi và sáp ong được sử dụng làm nguyên liệu cho nến, còn ở thời hiện tại thì chúng ta sử dụng parafin cho việc này.

Đuốc, nến và đèn dầu cho ra ánh sáng rất yếu. Quang phổ của lửa ở không gian mở rất khác so với quang phổ Mặt Trời mà thiên nhiên đã “rèn giũa” mắt người. Phần lớn bức xạ rơi vào dải nhiệt (hồng ngoại). Ánh sáng nhìn thấy được bức xạ ra chủ yếu nhờ các phần tử carbon được đốt nóng bởi ngọn lửa ở nhiệt độ cao.

Phổ của lửa trong dải nhìn thấy được chỉ chiếm một phần dải màu vàng và màu đỏ. Làm việc trong ánh sáng như vậy gần như là không thể và nhiều công xưởng thời trung cổ đã cấm làm những công việc cần tầm nhìn vào ban đêm dưới ánh sáng nhân tạo, bởi vì chất lượng sản phẩm sẽ bị giảm đi rất nhiều.

Đèn khí đốt thắp sáng phố phường

Vào thế kỷ 19, chiếu sáng bằng khí đốt đã được sử dụng rộng rãi. Năm 1807, những chiếc đèn đường bằng khí đốt đầu tiên đã được thắp sáng ở Pall Mall, một trong những con phố trung tâm tại London. Đến năm 1823, hơn 340 km tổng chiều dài phố phường London đã được chiếu sáng bằng 40.000 đèn khí đốt.

Chúng được thắp sáng thủ công mỗi đêm bởi những người thợ chuyên biệt cho công việc này, họ được gọi là những người thợ đốt đèn. Nghề nghiệp này từng phải được tuyển lựa rất khắt khe và ở một số nước nó là công việc rất vinh dự.

Tuy nhiên, chiếu sáng bằng khí đốt không được hiệu quả lắm. Vấn đề nằm ở chỗ, nếu ngọn lửa đốt ít oxy thì cho ra ánh sáng rực rỡ nhưng lại rất nhiều khói, còn ngọn lửa không khói (khi dư oxy) thì thực tế lại không nhìn rõ được.

Vào năm 1885, Wellsbach (Freiherr von Welsbach) đã đề xuất sử dụng lưới đốt - là chiếc túi bằng vải được tẩm dung dịch các chất vô cơ (nhiều loại muối khác nhau). Khi bị đốt, túi vải sẽ cháy và “bộ khung” mỏng còn lại sẽ phát sáng rực rỡ. Đến cuối thế kỷ 19, đèn dầu lửa đã xuất hiện mà ngày nay chúng ta vẫn có thể còn thấy. Phần lớn chúng được trang bị lưới đốt mà bây giờ được tạo nên từ kim loại hoặc amiăng.

Những bước đi đầu tiên của đèn điện

Nguồn phát sáng bằng điện đầu tiên thật kỳ cục lại là đèn chiếu sáng bằng pin. Thật ra, ánh sáng được phát xạ ra chưa phải là bóng đèn sợi đốt, mà bởi vầng hồ quang điện giữa các điện cực carbon, còn pin thì chiếm diện tích cỡ chiếc bàn làm việc.

Năm 1809, Humphry Davy đã trình diễn ánh sáng hồ quang hình cung tại Viện Khoa học Hoàng gia ở London. Thời điểm đó còn chưa có máy phát điện (Faraday phát minh ra hiện tượng cảm ứng điện vào năm 1832) và pin là nguồn năng lượng điện duy nhất.

Năm 1878, Pavel Yablochkov đã cải tiến thiết kế bằng cách đặt các điện cực theo chiều dọc và chia tách chúng bằng một lớp cách điện. Thiết kế này có tên gọi là “nến Yablochkov” và nhanh chóng được sử dụng trên toàn thế giới. Nhà hát opera Paris từng được chiếu sáng nhờ những “ngọn nến” đó.

Hồ quang điện cho ra phổ ánh sáng khá cân bằng và thậm chí là sáng chói, nên người ta sớm ưa chuộng và sử dụng nó rất rộng rãi. Cho tới năm 1884, các thành phố lớn của Mỹ đã được chiếu sáng bởi hơn 90.000 bóng đèn hồ quang.

Dây tóc bóng đèn

Hầu hết mọi người đều gán việc phát minh ra đèn sợi đốt với tên tuổi của Edison. Tuy nhiên, bất chấp mọi công trạng lớn lao trong lĩnh vực này, ông không phải là người phát minh ra đèn điện.

Chiếc đèn sợi đốt đầu tiên giống như món đồ trang sức hoặc tác phẩm nghệ thuật, cả về độ phức tạp sản xuất và giá thành. Rất lâu trước Edison, vào năm 1820, Warren De la Rue đã đặt sợi dây bạch kim vào chiếc bình thủy tinh được hút hết không khí và truyền dòng điện qua nó. Thành công đấy, nhưng đó đúng là chiếc đèn... bạch kim. Nó đắt đến nỗi việc sử dụng rộng rãi là không thể.

Nhiều nhà sáng chế đã thử nghiệm với các loại vật liệu khác. Năm 1879, một cách độc lập với nhau, Joseph Sven và Thomas Edison đã cùng phát triển loại đèn sợi đốt bằng sợi carbon. Với phát minh của mình, Edison đã tổ chức buổi trình diễn cực lớn: vào đêm trước năm mới 1880, ông đã sử dụng 100 chiếc đèn của mình để chiếu sáng đường phố, phòng thí nghiệm cá nhân và nhà ga thị trấn Menlo Park.

Các toa xe lửa chật cứng người muốn tới để nhìn thấy điều kỳ diệu này, tuyến đường sắt Pennsylvania thậm chí phải tăng thêm nhiều chuyến tàu tới New Jersey. Đèn của Edison hoạt động được trong khoảng 100 giờ, tiêu thụ 100W và phát ra luồng sáng cường độ 16 candela (để so sánh, đèn sợi đốt 100W hiện đại cho ánh sáng với công suất cỡ 100-140 candela).

Sự cải tiến tiếp theo của đèn điện đã được diễn ra theo hai hướng: dây tóc carbon được thay thế vào năm 1907 bởi vonfram và từ năm 1913 trở đi thì đèn được bơm đầy khí trơ (lúc đầu là khí nitơ, sau đó chuyển sang khí argon và krypton). Cả hai cải tiến đều đã được thực hiện trong các phòng thí nghiệm của hãng General Electric, được thành lập bởi chính Thomas Edison.

Đèn sợi đốt hiện đại mà chúng ta biết đang được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, tuy nhiên không thể nói được rằng ánh sáng của nó là lý tưởng: nó được dịch chuyển sang các dải màu đỏ và hồng ngoại của quang phổ. Hiệu quả cũng còn khiêm tốn: hiệu suất thắp sáng của nó chỉ từ 1% đến 4%. Theo nghĩa này, đèn sợi đốt là thiết bị sưởi ấm hơn là thiết bị chiếu sáng.

Đèn nhân nhồi

Ngoài hiệu suất thấp, đèn sợi đốt thông thường còn có một nhược điểm nghiêm trọng khác: trong quá trình hoạt động, vonfram bay hơi dần từ bề mặt được nung nóng của dây tóc và lắng cặn xuống thành bóng đèn. Khi bóng đèn có vẻ “nhuốm màu”, nó sẽ làm suy yếu công suất ánh sáng, và cũng do sự bay hơi của vonfram từ bề mặt của dây tóc thì tuổi thọ của bóng đèn bị giảm đi.

Nhưng nếu thêm vào khí làm đầy bóng đèn một thứ khí hơi, chẳng hạn như iốt, thì mọi chuyện sẽ được thay đổi hẳn. Các nguyên tử vonfram bay hơi sẽ kết hợp với các nguyên tử iốt, tạo thành iốt vonfram, sẽ không lắng đọng trên thành bóng đèn, sẽ bị phân hủy trên bề mặt đang nóng của dây tóc, đưa vonfram trở lại dây tóc và hơi iốt trở lại bóng đèn.

Nhưng lại có chuyện: nhiệt độ của thành bóng cũng phải khá cao - khoảng 250°C. Đó chính là lý do tại sao bóng đèn halogen rất nhỏ gọn và đương nhiên là rất nóng. Đèn halogen, do nhiệt độ cao của dây tóc, cho ánh sáng trắng hơn và có tuổi thọ cao hơn so với đèn sợi đốt thông thường.

Ánh sáng lạnh

Các đèn này chính là hậu duệ trực tiếp của hồ quang điện. Chỉ có khác là sự phóng điện trong chúng lại xảy ra giữa hai điện cực trong một buồng chứa đầy các loại khí khác nhau. Tùy thuộc vào áp suất (thấp là 0,001 mmHg, cao vào khoảng 0,2 đến 15 atm, và siêu cao ở mức từ 20 đến 100 atm) và loại khí làm đầy, tính chất bức xạ và chức năng của đèn là có thể rất khác nhau.

Đèn huỳnh quang “ánh sáng ban ngày” mà ai cũng biết là thường chứa đầy hơi thủy ngân ở áp suất thấp. Khi dòng điện truyền qua hơi thủy ngân sẽ xuất hiện sự phóng điện hồ quang và phát xạ ra ánh sáng trong dải cực tím.

Chất phát quang lắng đọng trên bề mặt bên trong của thành bóng đèn sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy được, ​​dưới tác động của bức xạ cực tím. Tùy thuộc vào loại chất phát quang, ánh sáng có thể là màu trắng tinh khiết hoặc “màu lạnh” (hơi xanh) hoặc “màu ấm” (hơi vàng).

Phổ của đèn huỳnh quang là biến thiên tuyến tính và bao gồm một số vạch trong các dải khác nhau của quang phổ. Hiệu suất của những đèn như vậy đạt tới hàng chục phần trăm, trong cuộc sống thường nhật chúng thường được gọi là đèn ánh sáng lạnh.

Đèn chiếu

Còn một loại đèn phóng điện khí khác là HID (High Intensity Dischrge - đèn phóng điện khí cường độ cao, hoặc đèn phóng ánh sáng khí hồ quang). Ở đây, chất phát quang không được sử dụng mà chính khí sẽ phát ra ánh sáng trong dải phổ nhìn thấy được khi có dòng điện chạy qua và khi có phóng điện hồ quang. Loại khí làm đầy thường là sử dụng khí hơi thủy ngân, natri hoặc các kim loại-halogen.

Đèn hồ quang thủy ngân áp suất cao được sử dụng trong các đèn pha để chiếu sáng sân vận động và những đối tượng lớn khác, chúng cho ra ánh sáng trắng xanh rất sáng (tia cực tím bị tán xạ bởi các bộ lọc). Công suất của đèn thủy ngân hồ quang có thể là hàng chục kW. Đèn kim loại-halogen là một dạng đèn thủy ngân, chúng có tính năng hiệu chỉnh màu sắc và hiệu suất được tăng cường.

Tất cả chúng ta đều biết về đèn hồ quang natri áp suất thấp: chúng chính là những đèn đường đem lại ánh sáng “hổ phách” ấm áp. Chúng rất tốt bởi vì có hiệu suất tuyệt vời, tuổi thọ bền (hơn 25.000 giờ) và giá thành rất rẻ. Nhân tiện, đèn xenon là rất quen thuộc với những ai lái xe (mà những chiếc xe hiện đại được trang bị) - là các đèn phóng điện khí áp suất cực cao.

Đèn quảng cáo

Theo truyền thống, các biển hiệu quảng cáo làm bằng các ống đầy khí hình cong được gọi là neon. Đây cũng là các đèn phóng điện khí, nhưng dựa trên loại phóng điện khác - phóng điện âm ỉ. Cường độ phát sáng trong chúng là không lớn lắm. Tùy thuộc vào khí được bơm bên trong, chúng có thể phát sáng với các màu khác nhau (đặc thù của đèn neon là màu đỏ-cam).

Đèn LED

Nói về các nguồn sáng tự trị thì người ta không thể không nhắc tới đèn LED. Đây là những thiết bị bán dẫn tạo ra (khi dòng điện đi qua chúng) bức xạ quang học. Bức xạ của đèn LED được mắt người nhìn nhận là đơn sắc.

Màu của bức xạ được xác định bởi vật liệu bán dẫn được sử dụng và các chất dẫn xuất. Do hiệu suất cao, dòng điện và điện áp hoạt động thấp, đèn LED là vật liệu tuyệt vời để sản xuất các nguồn ánh sáng tự trị.

Laser

Laser được phát triển độc lập bởi nhà vật lý người Mỹ là Townes và các nhà vật lý Liên Xô là Basov và Prokhorov vào năm 1960. Laser cho ra một chùm hẹp bức xạ đơn sắc (bước sóng đơn) khá mạnh.

Laser không được sử dụng cho chiếu sáng công cộng, nhưng với những ứng dụng chuyên biệt ví dụ như các show biểu diễn ánh sáng thì nó không có đối thủ ngang tầm. Tùy thuộc vào loại chất được sử dụng và nguyên lý chế tạo, bức xạ của laser có thể có màu sắc khác nhau. Trong cuộc sống hàng ngày, laser bán dẫn là thường được sử dụng nhất - chúng là họ hàng gần gũi với đèn LED.