หลอดไฟ เป็นหนึ่งในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ทุกสถานที่จะต้องมีติดตั้งไว้เพื่อให้แสงสว่างแก่มนุษย์ เพื่อให้มนุษย์สามารถมองเห็นสิ่ง ๆ ต่างรอบตัวได้แม้ในเวลากลางคืนที่ไม่มีแสงจากดวงอาทิตย์ หรือในสถานที่ปิดซึ่งแสงจะไม่สามารถเข้าถึงได้ ในสมัยก่อนที่จะมีการประดิษฐ์คิดค้นหลอดไฟขึ้นมาได้นั้น ช่วงเวลาหลังพระอาทิตย์ตกดินเป็นช่วงเวลาที่ยากลำบากและอันตรายเป็นอย่างมากในการดำรงชีวิตของมนุษย์ เพราะดวงตาของมนุษย์นั้นไม่สามารถมองเห็นในที่มืดหรือแสงน้อยได้ดีนัก ในสมัยนั้นจึงต้องอาศัยความสว่างจากเทียนไข คบเพลิงหรือตะเกียงเพื่อให้สามารถมองเห็นสิ่งต่าง ๆ รอบตัว และถึงแม้ทั้งสามวิธีที่กล่าวมาจะสามารถให้แสงสว่างได้เพียงพอต่อการใช้ชีวิตแต่ก็มีข้อเสียคือทั้งสามวิธีจะก่อให้เกิดสิ่งสกปรกตามมาเสมอ ไม่ว่าจะเป็นคราบน้ำมันหรือคราบน้ำตาเทียน

ภาพ หลอดไฟ
ที่มา  https://pixabay.com, A_Different_Perspective

          จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1800 Humphry Davy นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ศึกษาวิธีการให้แสงสว่างด้วยวิธีการใหม่ ๆ จนสามารถประดิษฐ์หลอดไฟขึ้นมาได้ โดยเป็นหลอดไฟที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ไฟฟ้าและมีไส้ของหลอดเป็นคาร์บอน (Carbon filament) แต่ว่าหลอดไฟนั้นกลับมาอายุการใช้งานที่สั้นมากเกินไปเนื่องจากไส้ของหลอดที่ทำมาจากคาร์บอนนั้นไม่สามารถทนต่อความร้อนสูงที่เกิดการสะสมเมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ไส้ของหลอดจึงถูกเผาไหม้ไปอย่างรวดเร็ว

          ต่อมา Thomas Alva Edison จึงได้เริ่มศึกษาการประดิษฐ์หลอดไฟโดยค้นหาและออกแบบไส้ของหลอดและล้มเหลวมากกว่าพันครั้ง จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1879 เขาจึงสามารถประดิษฐ์หลอดไส้ที่มีความคงทน มีอายุการใช้งานที่ยาวนานจนสามารถนำออกมาจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ได้เป็นครั้งแรก อีกทั้งตัวหลอดไส้นี้ยังให้แสงสว่างที่มากเป็นอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับวิธีอื่น ๆ ก่อนหน้านี้ โดยเทคนิคที่เขาใช้เพื่อให้ไส้ของหลอดเกิดความคงทนก็คือการนำอากาศออกจากตัวหลอดให้หมด (เพื่อไม่ให้เหลือแก๊สออกซิเจนที่เป็นสาเหตุที่ช่วยทำให้เกิดการเผาไหม้ที่ไส้ของหลอดและทำให้หลอดนั้นมีอายุการใช้งานที่สั้นมาก) และแทนที่อากาศด้วยแก๊สเฉื่อย เช่น อาร์กอน เพื่อป้องกันการเผาไหม้ที่ไส้ของหลอด ทำให้หลอดมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน

          และในปี ค.ศ. 1990 William Coolidge ได้พัฒนาหลอดไฟชนิดไส้ด้วยการเปลี่ยนไส้ (Filament) จากเดิมที่เคยใช้เป็นคาร์บอน ก็เปลี่ยนมาใช้เป็นทังสเตนแทน เพราะว่าทังสเตนนั้นสามารถทนความร้อนได้ดีกว่าเป็นอย่างมาก (ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวที่ 3,422 °C ส่วนคาร์บอนมีจุดหลอมเหลวที่ 3,367 °C)

หลักการทำงานของหลอดไฟชนิดไส้ (Incandescent light bulb)

           หลอดไส้ชนิดทังสเตนนั้นจำเป็นที่จะต้องถูกผลิตโดยเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูง เพื่อให้มั่นใจว่าขนาด สัดส่วน ของหลอดไฟนั้นเป็นไปตามที่ผู้ออกแบบต้องการ เพราะถ้าผิดสัดส่วนก็จะทำให้ประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของหลอดด้อยลงไปได้เลย ไส้หลอดทังสเตนจะถูกม้วนเป็นขดเพื่อให้เกิดความต้านทานและถูกห่อหุ้มไว้ภายในแก้วที่มีลักษณะโปร่งแสง ทรงกลม (เพื่อให้เกิดการกระจายตัวของแสงอย่างสม่ำเสมอทุกด้านและส่งผลให้ระบายความร้อนออกจากหลอดได้ดี) โดยภายในหลอดจะบรรจุด้วยแก๊สเฉื่อย เช่น ไนโตรเจน หรือ อาร์กอน เพื่อให้ความร้อนที่จะเกิดขึ้นที่ไส้ทังสเตนถูกแผ่ออกไปนอกหลอดได้ ช่วยให้ไส้หลอดไม่ไหม้ และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน

          แต่กว่าที่จะมีการค้นพบว่าการแทนที่อากาศด้วยแก๊สเฉื่อยนั้นจะสามารถทำให้ไส้ของหลอดทนความร้อนได้ดี มีอายุการใช้งานยาวนานนั้น ก่อนหน้านี้ผู้ผลิตหลอดไฟเคยออกแบบให้ภายในหลอดเป็นสุญญากาศมาก่อน ซึ่งมีผลเสียคือทำให้ความร้อนนั้นไปสะสมที่สายไฟที่ต่อเข้ากับขดทังสเตน ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของหลอดสั้นกว่าการบรรจุภายในด้วยแก๊สเฉื่อยมาก

         ทั้งนี้ในปัจจุบันได้เกิดการพัฒนาของเทคโนโลยีทำให้เกิดหลอดไฟชนิดใหม่ ๆ ออกมาเป็นจำนวนมาก ทั้งแบบ หลอดตะเกียบ หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือ หลอดนีออน หลอดไอปรอท หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ และล่าสุดอย่าง หลอด LED ซึ่งจะมาเล่าให้ฟังในบทความถัดไป (เรื่องสว่าง ๆ ที่หลายคนอาจยังไม่กระจ่างดี ตอนที่ 2) โปรดติดตาม

แหล่งที่มา

TOM HARRIS. (Feb 19, 2002). ​ How Light Bulbs Work.  Retrieved May 1, 2020 from https://home.howstuffworks.com/light-bulb.htm

BBC Earth Lab. (Nov 1, 2013). ​ How does a fiddly little piece of wire encased in a glass bubble manage to illuminate so well? James May on how the humble lightbulb does its job, more by accident than design.  Retrieved May 1, 2020 from https://www.bbc.com/future/article/20131101-how-does-a-lightbulb-work

Bright Hub Engineering. (May 9, 2010). ​ How a Light Bulb Works.  Retrieved May 1, 2020 from https://www.brighthubengineering.com/consumer-appliances-electronics/70833-how-a-light-bulb-works/