電球はどうやって光るのか？

白熱電球の革新的なテクノロジーは、エジソンが家庭や職場の照明方法に革命をもたらして以降、現在に至るまで当初のデザインからほとんど変わっていません。

ここでは、白熱電球がどうやって明るく空間を照らすのかをみていきましょう。

白熱電球は、以下のように物理学の多くの興味深い側面に基づいて機能しています。

白熱電球とは

電気照明がない時代、空間を照らす唯一の選択肢はろうそくかオイルランプだけで、どちらも長時間十分な明るさを提供することはできませんでした。

しかし、1800年代後半、トーマス・アルバ・エジソンが最初の白熱電球を発明し、特許を取得したことで歴史的な転換を遂げました。

白熱電球は、主にガラス球とフィラメント（電流を流して熱電子を発生させる細い線）2つの部分で構成されています。

通常、ガラス球は、寿命を延ばすために真空です。

空気の分子が内部に侵入すると、電球内の温度が急激に上昇し、熱によってガラスが割れる可能性があるからです。

電球内のフィラメントは、実際の光を生み出す場所です。

このフィラメントは長くコイル状にぐるぐる巻きになった電導体で、通常は高温に強いタングステンという金属で作られています。

タングステンは熱に強く電気抵抗が大きい（電気が流れにくい）ので、そこへ強制的に電流を流すと2000度以上の高温になります。

通常、この高熱によってフィラメント（タングステン）は蒸発して徐々に小さくなりますが、劣化を守るためにアルゴンなどの不活性ガスで電球内部は満たされています。

電球が焼き切れるとは、このフィラメントが劣化（蒸発）して小さくなった結果です。

電気が金属接点を介してフィラメントを流れると、原子がかき混ぜられて、その中にある「電子（電気を運ぶ粒）」が活性化されて電流のエネルギーを吸収してより高いエネルギーレベルに跳ね上がります。

ただし、電子がこの活発な状態でいられる時間はごくわずかで、元のエネルギーレベルに戻るときに、余分なエネルギーが光子（光エネルギーの小さなパケット）の形で放出されるのです。

この光子の放出によって電球が点灯しているように見えるのです。

白熱電球の照明プロセスには、フィラメントが光子放出点まで加熱され、それによってフィラメント自体が燃焼して光を放出することを理解することが重要です。

電球を流れる電気の大部分は、原子を活性化するために利用され、熱エネルギーの生成につながります。

ただし、光に変換されるのはこのエネルギーのわずかな一部分だけであり、かなりの量のエネルギーが熱として浪費されるため、電球の変換効率はあまりよいとはいえません。

そのため、時代とともに、ハロゲン電球、蛍光灯、発光ダイオード (LED) 電球など、従来の白熱電球に代わってより効率的な代替品が導入されてきました。

これらの照明オプションは、さまざまなメカニズムを利用して熱によるエネルギー損失を低らし、電気エネルギー入力単位当たりのより大きな光出力を提供してきました。

たとえばハロゲン電球は、ガラス球に石英ガラスを利用し、不活性ガスと微量のハロゲンで満たした内部にフィラメント（タングステン）が封入されており、「ハロゲンサイクル」を通じて寿命を延ばします。

一方、蛍光灯は蛍光の原理を利用しています。

これらは水銀を含む気体に電流を流して、蛍光体コーティングに当たる紫外線を生み出し、光エネルギーを放射します。

これらの電球は白熱電球に比べて効率が4倍、寿命が10倍もアップします。

最後に、LED電球があります。

これは、最エネルギー効率の高い最新の照明ソリューションと考えられています。

これらは、電圧のプラス側をアノード (LEDの長い脚) に接続し、マイナス側をカソード (短い脚) に接続することで機能します。

順方向電圧が加わると、LEDに電流が流れ、光の放出が促進されます。

資源が減少する時代において、熱エネルギーの放出が最小限で最長25,000時間持続するLED 電球のような持続可能でエネルギー効率の高い照明器具は、家庭や商業空間における照明の未来となるでしょう。

いかがでしたか？発明家たちがより優れ、より効率的なテクノロジーを生み出すために努力を続けているため、照明の未来は信じられないほど明るく感じますね。