تصفح الكمية:0 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2026-01-27 المنشأ:محرر الموقع
يتذكر التاريخ في كثير من الأحيان توماس إديسون باعتباره الأب الوحيد للمصباح الكهربائي، ولكن هذه الرواية تتجاهل جدولًا زمنيًا بالغ الأهمية للابتكار. قبل عشر سنوات من حصول إديسون على براءة اختراعه الشهيرة، عرض الكيميائي البريطاني السير جوزيف سوان مصباحًا متوهجًا عاملاً أمام جمهور مندهش في نيوكاسل. تتجاهل القصة الشعبية الطبيعة المتزامنة للاكتشاف العلمي والمنافسة الشرسة التي قادته. وبينما أتقن إديسون في نهاية المطاف التوزيع التجاري للكهرباء، كان سوان هو أول من اكتشف الفيزياء الأساسية للمصباح نفسه.
كان التحدي الهندسي الأساسي لكلا المخترعين متطابقًا: كيفية الحفاظ على الوهج دون احتراق. لقد كانوا بحاجة إلى مادة يمكن أن تتوهج باللون الأبيض الساخن عند كهربتها ولكنها لا تحترق على الفور. وهذا يتطلب توازنًا دقيقًا بين الاستقرار الكيميائي وفيزياء الفراغ والمقاومة الكهربائية. وبدون حل مشكلة الأكسدة، فإن أي خيط سيتحول ببساطة إلى رماد في ثوانٍ.
يستكشف هذا المقال الهندسة الدقيقة وراء Swan Light الأصلي . سنقوم بتشريح آليات تصميم خيوط الكربون الخاصة بسوان والقيود المفروضة على تكنولوجيا الفراغ في القرن التاسع عشر. سوف تتعلم كيف اختلف نهج سوان منخفض المقاومة بشكل أساسي عن نظام إديسون عالي المقاومة ولماذا حدد هذا التمييز مستقبل شبكة الطاقة العالمية.
لكي نفهم لماذا كان اختراع جوزيف سوان ثوريًا، يجب علينا أن ننظر داخل الزجاج. كان الجهاز بسيطًا في المظهر ولكنه يمثل انتصارًا معقدًا لعلم المواد. على عكس المصابيح القوسية في ذلك الوقت، والتي أنتجت ضوءًا قاسيًا ومسببًا للعمى عن طريق سد الفجوة بين قضيبين من الكربون، أنتج مصباح سوان المتوهج توهجًا ثابتًا ومحتويًا.
كان قلب ضوء البجعة هو الخيط. كان سوان يجري تجاربه على الكربون منذ خمسينيات القرن التاسع عشر، لكن المحاولات المبكرة باءت بالفشل لأن شرائح الورق التي استخدمها كانت هشة للغاية. وبحلول أواخر سبعينيات القرن التاسع عشر، قام بتحسين منهجه بشكل كبير. لقد انتقل من الورق المتفحم البسيط إلى خيوط القطن المتفحمة، مما يوفر سلامة هيكلية أفضل.
طبق سوان خلفيته في التصوير الفوتوغرافي والكيمياء لمعالجة القطن. قام بغمس الخيط في حامض الكبريتيك، وهي عملية تعرف باسم 'الرق'. وقد أدى هذا الحمام الكيميائي إلى تحويل السليلوز الموجود في القطن إلى مادة صلبة عديمة البنية تشبه الرق. بمجرد معالجته، يتم خبز الخيط في درجات حرارة عالية في بوتقة مملوءة بمسحوق الفحم. أدت عملية الكربنة هذه إلى التخلص من العناصر المتطايرة مثل الهيدروجين والأكسجين، تاركة وراءها هيكلًا كربونيًا نقيًا. كان هذا 'الموقد' الناتج قويًا بما يكفي للتعامل مع الضغط الحراري للوهج، ولكنه مرن بدرجة كافية ليتم تركيبه داخل المصباح.
يخدم العلبة الزجاجية غرضًا حيويًا واحدًا: استبعاد الأكسجين. وفي وجود الأكسجين، فإن خيوط الكربون التي يتم تسخينها إلى 2000 درجة مئوية سوف تشتعل على الفور وتتفكك. كان الفراغ هو الحل الوحيد لإطالة عمر الخيوط.
ومع ذلك، واجه سوان عائقًا تقنيًا شديدًا شائعًا في سبعينيات القرن التاسع عشر: القيود المفروضة على مضخات التفريغ. لم تتمكن مضخات الزئبق Sprengel المتوفرة في ذلك الوقت من تحقيق سوى فراغ جزئي. وبينما قاموا بإزالة معظم الهواء، ظلت جزيئات الأكسجين المتبقية محاصرة داخل المصباح. ومع تسخين الخيط، هاجمت هذه الجزيئات الضالة الكربون. علاوة على ذلك، سمح الفراغ الجزئي للكربون بالتصاعد، ليتحول مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. أدى ذلك إلى تآكل بطيء للخيط واسوداد مميز للمبة الزجاجية بمرور الوقت، مما أدى إلى تعتيم ناتج الضوء بشكل كبير.
اعتمدت الفيزياء التي تشغل المصباح على تسخين الجول. عندما يتدفق تيار كهربائي عبر موصل، فإنه يواجه مقاومة. وهذا الاحتكاك على المستوى الذري يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. إذا كانت الحرارة شديدة بما فيه الكفاية، فإن المادة تبعث الفوتونات – الضوء المرئي.
يهدف تصميم Swan إلى الحصول على توهج ناعم ودافئ. في حين أن المعايير الحديثة قد تعتبر أن مخرجات اللومن منخفضة، إلا أنها كانت اكتشافًا للعصر الفيكتوري. لقد قدمت بديلاً نظيفًا وثابتًا لإضاءة الغاز، التي كانت كريهة الرائحة، وتستهلك الأكسجين من الغرفة، وتترك السخام على الأسقف. يحاكي درجة ضوء البجعة حرارة اللون لهب الغاز ولكن بدون النار المفتوحة الخطرة.
في حين أن سوان وإديسون غالبًا ما يتم تجميعهما معًا، إلا أن فلسفاتهما الهندسية تباينت حول نقطة رياضية حاسمة واحدة: المقاومة الكهربائية. لم يقتصر هذا الاختلاف على كيفية صنع المصباح فحسب، بل على كيفية بناء البنية التحتية الكهربائية بأكملها للمدينة.
صمم سوان مصباحه في المقام الأول باعتباره إنجازًا علميًا مستقلاً وليس جزءًا من شبكة ضخمة. كانت قضبان الكربون الخاصة به سميكة نسبيًا. من الناحية الكهربائية، يوفر الموصل الأكثر سمكًا مقاومة أقل لتدفق الكهرباء. لذلك، كان الأصلي جهاز Swan Light عبارة عن جهاز منخفض المقاومة.
نتيجة المقاومة المنخفضة هي ارتفاع التيار (التيار). وفقا لقانون أوم، لدفع الطاقة من خلال فتيل منخفض المقاومة، تحتاج إلى كمية كبيرة من التيار. أدى هذا إلى خلق مشكلة ضخمة في البنية التحتية. التيار العالي يؤدي إلى تسخين الأسلاك. لنقل هذا التيار بأمان من المولد إلى المنزل دون ذوبان خطوط النقل، ستحتاج إلى كابلات نحاسية سميكة بشكل لا يصدق. كان النحاس، ولا يزال، باهظ الثمن. كان من الممكن أن يكون توصيل الأسلاك في مدينة لمصابيح سوان منخفضة المقاومة باهظ التكلفة.
لقد تناول إديسون المشكلة من وجهة نظر تجارية. لقد أدرك أنه لجعل الضوء الكهربائي مربحًا، كان عليه تقليل كمية النحاس المستخدمة في نقل الحركة. كان الحل الذي توصل إليه هو خيوط عالية المقاومة. ومن خلال جعل الفتيل رقيقًا بشكل لا يصدق، زاد المقاومة، مما أدى إلى خفض سحب التيار. وقد سمح له ذلك باستخدام أسلاك نحاسية رفيعة ورخيصة وتشغيل المصابيح في دوائر متوازية، مما جعل النظام قابلاً للتطوير.
أصبح الفرق العملي بين التصميمين واضحًا في العمر التشغيلي لهما. عانت نماذج سوان الأولية من صعوبة المتانة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى مشاكل الفراغ المذكورة سابقًا. بعد أن استأجر إديسون متخصصين متفوقين في مجال المضخات الفراغية وقام بتجربة آلاف المواد، عثر في النهاية على ألياف الخيزران التي تم تركيبها بشكل طبيعي لمقاومة التدهور.
| ميزة | مصباح البجعة المبكر (ج. 1879) | مصباح إديسون الناضج (ج. 1880) |
|---|---|---|
| مادة خيوط | قطن / ورق متفحم | الخيزران المتفحم |
| المقاومة الكهربائية | قليل | عالي |
| متوسط العمر | ~ 13.5 ساعة | ~1,200 ساعة |
| وضع الفشل الأساسي | الأكسدة وتسرب الفراغ | تبخر الشعيرة (بطيء) |
| متطلبات الأسلاك | النحاس السميك (دوائر السلسلة) | النحاس الرقيق (الدوائر المتوازية) |
وتسلط البيانات الضوء على هذه الفجوة. كان العمر الافتراضي لـ 13.5 ساعة يعني أن Swan Light كان أعجوبة هندسية ولكنه كابوس لوجستي تجاري. لا يمكن أن نتوقع من المستهلكين استبدال المصابيح يوميًا. لقد أدى معيار إديسون الذي يبلغ 1200 ساعة إلى تحويل المصباح الكهربائي من حداثة إلى أداة منزلية.
على الرغم من العقبات التقنية، مضى سوان قدمًا في المظاهرات العامة التي أثبتت أن الإضاءة الكهربائية هي المستقبل. وكانت هذه الأحداث حاسمة في تغيير التصور العام والضغط على المنافسين الأمريكيين لتسريع تنميتهم.
في 3 فبراير 1879، وقف جوزيف سوان أمام الجمعية الأدبية والفلسفية في نيوكاسل أبون تاين. وكانت القاعة مكتظة بـ 700 شخص. عندما قام بتنشيط مصباحه، لم يتوهج فحسب؛ لقد سلط الضوء على إمكانات عصر جديد. حدثت هذه المظاهرة قبل أشهر من اختبار إديسون الشهير في أكتوبر. لقد أثبت أن مفهوم خيوط الكربون في الفراغ كان قابلاً للتطبيق في بيئة العالم الحقيقي. بالنسبة للمجتمع العلمي في بريطانيا، عزز هذا مكانة سوان كرائد في مجال التكنولوجيا.
الدليل الأكثر دراماتيكية على المفهوم جاء مع إضاءة مسرح سافوي في لندن. أصبح أول مبنى عام في العالم مضاء بالكامل بالكهرباء. قام سوان بتركيب ما يقرب من 1200 من مصابيحه لإضاءة القاعة والمسرح.
وظل الجمهور متشككا في الكهرباء، خوفا من الحرائق والصدمات. ولمعالجة هذه المخاوف، نظم سوان عملية تدقيق جريئة للسلامة مباشرة على المسرح. وأمام الجمهور الكامل، كان يحمل لمبة متوهجة ملفوفة بقطعة قماش موسلين شفافة. ثم قام بتحطيم الزجاج. وبدلاً من اشتعال النيران في الشاش - كما يحدث مع مصباح الغاز أو الشمعة - يتأكسد الخيط المعرض للهواء على الفور وينطفئ. بقي القماش غير محترق. أدى هذا العرض المسرحي إلى تهدئة مخاوف السلامة بشكل فعال وسلط الضوء على السلامة 'الباردة' للضوء الكهربائي مقارنة بالغاز.
إن أعظم مساهمة سوان في تكنولوجيا الإضاءة جاءت بالفعل بعد الاختراع الأولي للمصباح. لقد أصبح غير راضٍ عن عدم تناسق الألياف الطبيعية مثل خيوط القطن. وفي عام 1881، طور طريقة لإذابة النيتروسليلوز وضخ السائل من خلال قالب إلى محلول تخثر. خلقت عملية البثق هذه خيوطًا اصطناعية ذات سماكة موحدة تمامًا.
كان هذا بمثابة تغيير في قواعد اللعبة. لم تعد الصناعة مضطرة إلى الاعتماد على التنوعات الطبيعية للخيزران أو القطن. يمكن للمصنعين إنتاج خيوط متسقة وعالية الجودة على نطاق واسع. أصبحت عملية السليلوز هذه هي المعيار الصناعي، الذي تبنته شركة إديسون في النهاية، وظلت هي المهيمنة حتى وصول خيوط التنغستن في أوائل القرن العشرين.
بدا التنافس بين سوان وإديسون في البداية متجهًا إلى مواجهة في قاعة المحكمة. كان كلا الرجلين يحملان براءات اختراع كانت ضرورية لإنتاج مصباح كهربائي صالح للاستخدام، مما أدى إلى خلق مأزق قانوني معقد.
حصل سوان على براءة الاختراع البريطانية رقم 4933 في عام 1880. وقد غطت براءة اختراعه المفهوم الأساسي لمصباح خيوط الكربون وعملية التفريغ. ومع ذلك، حصل إديسون على براءات اختراع تغطي تحسين الخيوط عالية المقاومة ونظام التوزيع الكهربائي الأوسع. في المملكة المتحدة، كان لدى سوان مطالبة أقوى بأولوية الاختراع فيما يتعلق بالمصباح نفسه. إذا أراد إديسون بيع المصابيح في بريطانيا، فسوف ينتهك براءة اختراع سوان. إذا أراد سوان بناء شبكة إضاءة عملية، فإنه يخاطر بانتهاك براءات اختراع نظام إديسون.
وبدلاً من إهدار ثرواتهم على التقاضي، اختار المخترعان (وداعموهما الماليون) مساراً عملياً. وفي عام 1883، قاموا بدمج عملياتهم البريطانية لتشكيل شركة Edison & Swan United Electric Light Company، المعروفة باسم Ediswan..
وكان منطق العمل سليما. جمع الاندماج بين هندسة سوان الكيميائية المتفوقة - وتحديدًا معالجة الخيوط - مع تقنية التفريغ الفائقة والهندسة الكهربائية لإديسون. سيطرت مصابيح إديسوان على السوق البريطانية لعقود من الزمن. وقد أتاح هذا التعاون لهذه التكنولوجيا أن تنضج بسرعة، متجاوزة القيود المفروضة على النماذج الأولية المبكرة.
إذا نظرنا إلى الوراء في التصميم الأصلي لـ Swan Light ، يمكننا تحديد دروس هندسية محددة شكلت تطور الإلكترونيات الحديثة.
كان العدو الأساسي للمصباح المتوهج هو الأكسجين، وكان دائمًا كذلك. كانت إخفاقات سوان المبكرة تقريبًا بسبب عدم القدرة على خلق فراغ مثالي. وقد علم هذا المهندسين أن استقرار المواد يعتمد على التحكم البيئي. أدخلت الابتكارات اللاحقة غازات خاملة مثل الأرجون والنيتروجين إلى المصباح لخلق ضغط يمنع التسامي، وهي تقنية لا تزال تستخدم في المصابيح المتوهجة حتى اليوم.
يوضح فشل سوان في المقاومة المنخفضة العلاقة الحيوية بين الجهد والتيار وكفاءة النقل. لقد أثبت أنه لكي تكون أي شبكة كهربائية قابلة للحياة تجاريًا، فإن الجهد العالي والتيار المنخفض ضروريان للنقل لتقليل خسائر المقاومة. وهذا المبدأ هو الأساس الذي تقوم عليه خطوط نقل الجهد العالي التي تمتد عبر بلداننا اليوم.
وأخيرًا، فإن نسب المصباح الكهربائي هو قصة علم المواد. انتقلت الصناعة من خيوط سوان المتفحمة إلى السليلوز المبثوق، وبعد ذلك إلى التنغستن الملبد. أدت كل خطوة إلى تحسين نقطة الانصهار ومتانة الخيوط. بينما انتقلنا الآن إلى مصابيح LED، فإن العملية الصارمة للاختبار والمعالجة الكيميائية للمواد لانبعاث الضوء بدأت مع تجارب سوان في مختبره.
يستحق جوزيف سوان التقدير ليس فقط باعتباره سلفًا لإديسون، بل باعتباره منشئ علم المواد الأساسي المطلوب للإضاءة المتوهجة. أثبت عرضه لخيوط الكربون فيزياء المفهوم قبل أي شخص آخر. بينما عانى الأولي جهاز Swan Light من مشاكل المقاومة المنخفضة والفراغ التي حدت من نجاحه التجاري المستقل، أصبح اختراعه لعملية خيوط السليلوز العمود الفقري لصناعة الإضاءة.
المصباح الكهربائي الحديث هو في الواقع تكنولوجيا هجينة. إنها تستخدم كيمياء خيوط سوان الموجودة داخل نظام الفراغ والتوزيع الخاص بإديسون. ومن خلال فهم المساهمات المتميزة لكلا المهندسين، نحصل على صورة أوضح لكيفية تحقيق الإضاءة الحديثة حقًا.
ج: نعم، قام سوان بعرض لمبة خيوط الكربون العاملة في أوائل عام 1879، قبل أشهر من اختبار إديسون الناجح في أكتوبر. ومع ذلك، طور إديسون نظامًا أكثر عملية وطويل الأمد وعالي المقاومة.
ج: الإصدارات الأولى كانت بها فراغات غير كاملة. تسبب الأكسجين المتبقي داخل الزجاج في احتراق خيوط الكربون (تأكسدها) خلال 13 إلى 14 ساعة تقريبًا.
ج: استخدمت البجعة في الأصل الورق المتفحم وخيوط القطن (مقاومة منخفضة). اختبر إديسون آلاف المواد قبل أن يستقر على الخيزران المتفحم (مقاومة عالية)، على الرغم من أن كلاهما انتقلا في النهاية إلى طريقة سوان للسليلوز المبثوق.
ج: لقد كان مشروعًا مشتركًا تم تأسيسه في عام 1883 بين Swan وEdison لدمج براءات الاختراع الخاصة بهما والسيطرة على سوق الإضاءة البريطاني، والجمع بين تكنولوجيا مصابيح Swan وأنظمة الأسلاك الخاصة بشركة Edison.