Bóng đèn điện: từ sợi tre cháy 1.200 giờ năm 1879 đến LED 85 lumen mỗi watt

Bật công tắc là có ánh sáng, thao tác đơn giản đến mức ta quên rằng con người mất hàng nghìn năm mới có thứ ánh sáng không khói, không lửa, bật tắt theo ý muốn. Bóng đèn điện là kết quả của một cuộc đua giữa hai bờ Đại Tây Dương cuối thế kỷ 19, rồi một cuộc thay đổi thầm lặng kéo dài hơn một thế kỷ để mỗi watt điện cho ra nhiều ánh sáng hơn.

Đốt nóng sợi dây đến phát sáng

Bóng đèn sợi đốt hoạt động theo nguyên lý giản dị: cho dòng điện chạy qua một sợi dây có điện trở cao, sợi dây nóng lên hàng nghìn độ C và phát sáng. Cái giá là phần lớn điện năng biến thành nhiệt chứ không thành ánh sáng.

Vấn đề khó nhất không phải làm sợi dây phát sáng, mà là làm sao cho nó sáng lâu mà không cháy đứt. Trong không khí, sợi dây nóng đỏ sẽ bị oxy đốt cháy rất nhanh, nên các nhà phát minh phải hút gần hết không khí khỏi bóng thủy tinh và tìm vật liệu chịu được nhiệt. Về sau, bóng sợi đốt được bơm khí trơ thay cho chân không để sợi đốt bền hơn.

Bóng đèn sợi đốt kiểu cổ, nhìn rõ sợi đốt bên trong bóng thủy tinh. Ảnh: Wikimedia Commons

Edison và Swan: cuộc đua năm 1878–1879

Ở Anh, nhà hóa học và nhà vật lý Joseph Swan trình diễn bóng đèn sợi carbon tại Hội Hóa học Newcastle ngày 18/12/1878, nhưng bóng đèn nhanh chóng hỏng vì dòng điện quá mạnh. Ngày 3/2/1879, ông trình diễn thành công trước công chúng tại Hội Văn học và Triết học Newcastle (Lit & Phil).

Joseph Swan, người trình diễn bóng đèn sợi carbon ở Newcastle năm 1878–1879. Ảnh: Wikimedia Commons

Cùng thời gian đó, Thomas Edison và nhóm của ông ở Menlo Park (New Jersey) bắt đầu nghiên cứu bóng đèn từ năm 1878. Đến tháng 10/1879, theo Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), nhóm Edison làm được bóng đèn dùng sợi chỉ cotton carbon hóa sáng được 14,5 giờ. Ngày 4/11/1879, Edison nộp đơn xin bằng sáng chế Mỹ số 223.898 cho bóng đèn dùng sợi carbon.

Phòng thí nghiệm Menlo Park, nơi nhóm Edison thử nghiệm sợi đốt cho bóng đèn. Ảnh: Wikimedia Commons

Sợi tre, đui xoáy và mạng điện

Nhóm Edison tiếp tục thử nhiều vật liệu làm sợi đốt và chọn sợi tre carbon hóa, giúp bóng đèn Edison đạt tuổi thọ tới 1.200 giờ. Theo DOE, loại sợi tre này là tiêu chuẩn của bóng đèn Edison trong 10 năm tiếp theo.

Sợi đốt nóng sáng trong bóng thủy tinh. Ảnh: Wikimedia Commons

Edison còn phát triển đui xoáy, kiểu đui vặn mà đến nay vẫn là chuẩn phổ biến cho bóng đèn gia dụng. Nhưng bóng đèn chỉ có ý nghĩa khi có điện để thắp, nên Edison xây cả hệ thống: nhà máy điện Pearl Street ở New York, khánh thành năm 1882, là công ty cấp điện thương mại đầu tiên. Phát minh bóng đèn vì thế không chỉ là một cái bóng thủy tinh, mà là cả một hệ thống phát và phân phối điện.

Đèn huỳnh quang: bước đệm tiết kiệm điện

Trong phần lớn thế kỷ 20, bóng sợi đốt thống trị dù hiệu suất thấp. Theo DOE, một bóng sợi đốt 60–100 W chỉ đạt khoảng 15 lumen mỗi watt. Đèn huỳnh quang dùng nguyên lý khác: dòng điện kích thích hơi thủy ngân phát tia cực tím, lớp bột huỳnh quang phủ trong ống biến tia đó thành ánh sáng nhìn thấy.

Bóng huỳnh quang compact (CFL) tương đương đạt khoảng 73 lumen mỗi watt, gần gấp 5 lần sợi đốt. Nhưng CFL chứa một lượng nhỏ thủy ngân và cần thời gian khởi động mới sáng hết, nên nó là bước đệm chứ không phải đích đến.

Đèn LED hoạt động hoàn toàn khác: dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp bán dẫn khiến electron giải phóng năng lượng dưới dạng photon, không cần nung nóng sợi dây. LED vẫn sinh nhiệt, nhưng ít hơn nhiều so với sợi đốt khi cho cùng độ sáng. Oleg Losev, nhà nghiên cứu người Nga, đã ghi nhận hiện tượng phát sáng của điốt bán dẫn từ năm 1927. Năm 1962, Nick Holonyak khi làm việc tại General Electric chế tạo được LED đầu tiên phát ánh sáng nhìn thấy, màu đỏ.

Mảnh ghép còn thiếu là LED xanh dương hiệu suất cao, thứ cần có để tạo ánh sáng trắng. Đầu thập niên 1990, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura làm được điều đó, và cả ba nhận giải Nobel Vật lý năm 2014 "cho phát minh điốt phát quang xanh dương hiệu suất cao".

Bóng đèn LED đã bỏ chụp tán sáng, lộ các chip LED gắn trên bảng mạch. Ảnh: Wikimedia Commons

Theo DOE, bóng LED thay thế trên thị trường đạt 70–120 lumen mỗi watt, trung bình khoảng 85 lumen mỗi watt. Bộ Năng lượng Mỹ cũng cho biết bóng LED gia dụng tốt dùng ít hơn ít nhất 75% điện và bền hơn tới 25 lần so với bóng sợi đốt.

So sánh hiệu suất phát sáng của bóng sợi đốt, CFL và LED. Ảnh: Sơ đồ tự vẽ theo số liệu DOE

Từ sợi tre sáng 1.200 giờ đến LED, hành trình của bóng đèn là hành trình của hiệu suất: cùng một lượng điện, ngày càng nhiều ánh sáng và ngày càng ít nhiệt thừa. Bóng sợi đốt giờ chủ yếu còn trong vai đèn trang trí, còn chiếu sáng hằng ngày đã thuộc về LED. Nhà anh em còn bóng sợi đốt nào đang dùng không, hay đã thay hết sang LED rồi?

Nguồn: U.S. Department of Energy – The History of the Light Bulb , U.S. DOE Energy Saver – LED Lighting , Newcastle University Co-Curate – Joseph Swan , NobelPrize.org – Nobel Prize in Physics 2014