Bóng đèn sợi đốt không có một người phát minh. Joseph Swan ở Anh và Thomas Edison ở Mỹ, làm việc gần như song song, đều tạo ra bóng đèn sợi carbon dùng được vào năm 1878–1880; trước họ đã có hàng chục người thử nghiệm từ thập niên 1800. Edison được cấp bằng sáng chế Mỹ số 223.898 tháng 1/1880, còn Swan trình diễn đèn của mình ở Newcastle từ đầu năm 1879.
Điều thật sự làm Edison khác biệt không phải chiếc bóng đèn, mà là việc ông thiết kế bóng đèn như một bộ phận của cả hệ thống điện: sợi đốt điện trở cao để mắc song song với dây đồng mảnh, nhà máy phát, đường dây, công tơ, cầu chì. Swan làm ra bóng đèn tốt; Edison làm ra cách bán ánh sáng điện cho cả thành phố.
Phần dưới đi qua những người đi trước, bài toán kỹ thuật cốt lõi, hai con đường Swan và Edison, vụ kiện và sáp nhập Ediswan, chặng đường từ sợi than tới vonfram và LED, cùng vài giai thoại cần gỡ.
Trước Edison: tám mươi năm thử nghiệm
Ánh sáng điện có trước bóng đèn Edison gần tám mươi năm. Các mốc chính:
- Đầu thập niên 1800 – Humphry Davy ở Viện Hoàng gia London làm nóng sáng dải bạch kim bằng pin, và trình diễn hồ quang điện giữa hai thanh carbon. Hồ quang rất sáng nhưng chói, nóng, tốn điện, chỉ hợp cho không gian lớn.
- 1840 – Warren de la Rue đặt cuộn dây bạch kim trong ống gần chân không. Đèn chạy được nhưng bạch kim quá đắt để thương mại hoá.
- 1841 – Frederick de Moleyns được cấp bằng sáng chế ở Anh cho một loại đèn sợi đốt, thường được nhắc là bằng sáng chế đầu tiên về đèn sợi đốt.
- 1865 – Hermann Sprengel phát minh bơm chân không dùng thuỷ ngân, tạo được chân không tốt hơn hẳn. Nếu phải chọn một điều kiện tiên quyết cho bóng đèn sợi đốt thực dụng, đó chính là chiếc bơm này.
- 1874 – Henry Woodward và Mathew Evans ở Toronto được cấp bằng sáng chế Canada cho đèn có thanh carbon trong bình khí trơ. Họ không có vốn phát triển tiếp; Edison mua lại quyền của họ năm 1879.
- Thập niên 1870 – đèn hồ quang bắt đầu chiếu sáng đường phố và nhà xưởng; “cây nến Yablochkov” xuất hiện trên đường phố Paris từ năm 1878. Thị trường đã có nhu cầu; còn thiếu một nguồn sáng nhỏ, dịu cho trong nhà.
Danh sách này cho thấy câu hỏi đúng không phải “ai nghĩ ra bóng đèn” mà là “ai làm cho bóng đèn đủ bền, đủ rẻ và lắp vào được một hệ thống”. Ý tưởng đã có từ lâu; thứ thiếu là vật liệu, chân không và kinh tế.
Bài toán kỹ thuật thật sự: sợi đốt, chân không và nhiệt độ
Nguyên lý rất đơn giản: dòng điện đi qua một vật dẫn có điện trở làm vật nóng lên, và khi nóng đủ (trên khoảng hai nghìn độ C) vật phát ra ánh sáng nhìn thấy theo bức xạ nhiệt. Khó khăn nằm ở chỗ ở nhiệt độ đó gần như mọi vật liệu hoặc nóng chảy, hoặc bị oxy hoá cháy ngay nếu có không khí, hoặc bay hơi dần làm sợi mảnh đi rồi đứt.
Vì vậy có ba điều kiện phải đạt cùng lúc. Vật liệu chịu được nhiệt độ rất cao: carbon có nhiệt độ thăng hoa rất cao, bạch kim bền nhưng đắt và nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn. Chân không đủ tốt để không còn oxy đốt sợi, đồng thời bóng thuỷ tinh phải kín với dây dẫn xuyên qua, mà thuỷ tinh và kim loại giãn nở khác nhau. Hình dạng sợi phù hợp với hệ thống điện.
Điều kiện thứ ba là chỗ ít được chú ý nhất, và cũng là chỗ Swan với Edison đi hai hướng khác nhau. Thêm một hệ quả vật lý quan trọng: sợi càng nóng thì ánh sáng càng nhiều và càng trắng trên mỗi watt, nhưng sợi bay hơi nhanh hơn nên tuổi thọ ngắn hơn. Đánh đổi giữa hiệu suất và tuổi thọ là đặc tính cố hữu của mọi bóng đèn sợi đốt, và sẽ quay lại ở phần cuối bài.
Joseph Swan ở Newcastle
Joseph Swan, nhà hoá học và nhà sản xuất dược phẩm, vật liệu nhiếp ảnh ở Newcastle, đã thử sợi giấy carbon hoá từ thập niên 1850. Vấn đề của ông khi đó là chân không kém, sợi cháy nhanh. Khi có bơm Sprengel, Swan quay lại bài toán vào thập niên 1870 và trình diễn đèn sợi carbon hoạt động trước giới khoa học ở Newcastle vào cuối năm 1878 và đầu năm 1879.
Nhà riêng của Swan ở Gateshead được coi là một trong những ngôi nhà đầu tiên chiếu sáng bằng đèn điện. Năm 1880, dinh thự Cragside của nhà công nghiệp William Armstrong dùng đèn Swan với điện từ một trạm thuỷ điện nhỏ. Năm 1881, nhà hát Savoy ở London được chiếu sáng toàn bộ bằng đèn Swan, thường được nhắc là công trình công cộng đầu tiên như vậy.
Điểm yếu kỹ thuật của các đèn Swan đầu tiên là sợi carbon tương đối dày, điện trở thấp. Đèn sáng tốt, nhưng như phần sau sẽ chỉ ra, điện trở thấp đòi hỏi dòng điện lớn, và dòng điện lớn thì cần dây đồng to, làm hệ thống chiếu sáng cả khu phố trở nên đắt. Swan cũng cải tiến nhanh, phát triển sợi cellulose ép qua khuôn (gần với kỹ thuật làm sợi nhân tạo về sau) cho sợi đều hơn.
Edison giải bài toán hệ thống: vì sao điện trở cao quyết định
Edison bắt đầu từ phía kinh tế. Ông muốn thay đèn khí đốt đang thắp sáng các thành phố, nên đèn điện phải cạnh tranh về giá với khí đốt. Chi phí lớn nhất của một mạng điện là đồng làm dây dẫn. Muốn giảm đồng, phải giảm dòng điện; với điện áp cố định khoảng 110 volt, giảm dòng có nghĩa là mỗi bóng đèn phải có điện trở cao.
Ví dụ giả định để thấy quy mô: một bóng đèn tiêu thụ khoảng 100 watt ở 110 volt cần dòng khoảng 0,9 ampe, tức điện trở khoảng 120 ohm khi nóng. Một sợi đốt điện trở vài ohm cũng cho chừng ấy ánh sáng nhưng sẽ cần dòng điện lớn hơn hàng chục lần, đồng nghĩa với dây đồng to hơn rất nhiều. Francis Upton, nhà toán học của phòng thí nghiệm Menlo Park, là người làm các phép tính kiểu này cho Edison.
Edison cũng chọn mắc các bóng đèn song song, để tắt một bóng không làm tắt cả dãy như đèn hồ quang mắc nối tiếp. Mạch song song chỉ khả thi về kinh tế khi mỗi bóng có điện trở cao. Vì thế ông cần một sợi đốt rất mảnh và dài, điều trái với trực giác của nhiều người làm đèn khi đó.
Nhóm Menlo Park thử rất nhiều vật liệu. Tháng 10/1879, một sợi chỉ cotton carbon hoá cháy sáng khoảng mười mấy giờ liên tục; con số chính xác khác nhau giữa các nguồn. Đơn sáng chế nộp tháng 11/1879 và buổi trình diễn công khai ở Menlo Park diễn ra đêm giao thừa năm đó. Năm 1880, sợi tre carbon hoá cho tuổi thọ hàng trăm tới hơn một nghìn giờ. Năm 1882, nhà máy Pearl Street ở Manhattan bắt đầu bán điện cho khách hàng, hoàn tất ý tưởng hệ thống.
Swan và Edison: hai con đường
Đặt hai nhà phát minh cạnh nhau cho thấy họ giải những bài toán khác nhau, không đơn thuần là ai trước ai sau:
| Tiêu chí | Joseph Swan | Thomas Edison |
|---|---|---|
| Xuất phát điểm | Nhà hoá học, quan tâm vật liệu sợi carbon | Nhà phát minh – doanh nhân, quan tâm thay thế đèn khí đốt |
| Trình diễn đèn chạy được | Cuối 1878 – đầu 1879, Newcastle | Tháng 10/1879 thử nghiệm; công khai 31/12/1879 |
| Đặc điểm sợi đốt ban đầu | Thanh carbon tương đối dày, điện trở thấp | Sợi mảnh, điện trở cao, phù hợp mạch song song |
| Tầm nhìn | Bóng đèn là sản phẩm | Bóng đèn là một bộ phận của hệ thống phát – truyền – đo – bán điện |
| Bằng sáng chế | Một số bằng ở Anh, nhưng chưa bảo hộ chính khái niệm sợi carbon trong chân không | Bằng Mỹ 223.898 (1880) và nhiều bằng ở Anh |
| Kết cục ở Anh | Có lợi thế về bằng chứng có trước khi bị Edison kiện xâm phạm | Chọn hợp tác: năm 1883 hai bên lập công ty chung Edison & Swan United Electric Light, thường gọi Ediswan |
Ở Mỹ, bằng sáng chế của Edison được toà khẳng định năm 1892 sau nhiều năm tranh tụng, khi chỉ còn vài năm hiệu lực. Ở Anh, việc lập công ty chung là lời thừa nhận ngầm rằng cả hai đều có cơ sở. Cả hai trường hợp cho thấy cái giá rất lớn của tranh tụng sáng chế đối với những công nghệ ra đời song song.
Từ sợi than tới vonfram và LED
Bóng đèn sợi carbon chỉ thống trị khoảng hai mươi lăm năm. Các bước tiếp theo đều nhắm vào cùng một đánh đổi hiệu suất – tuổi thọ:
- 1904 – sợi vonfram: Alexander Just và Franjo Hanaman ở Áo – Hung được cấp bằng cho sợi vonfram, kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Sợi vonfram ban đầu giòn, khó làm.
- 1910 – vonfram dễ kéo sợi: William Coolidge ở General Electric tìm ra quy trình làm vonfram dẻo, kéo được thành sợi mảnh. Đây là sợi đốt tiêu chuẩn suốt thế kỷ XX.
- 1913 – bóng chứa khí trơ và sợi cuộn: Irving Langmuir chứng minh bơm khí trơ vào bóng và cuộn sợi thành lò xo làm giảm bay hơi, cho phép sợi nóng hơn mà vẫn bền. Langmuir sau này nhận Nobel Hoá học năm 1932 cho nghiên cứu hoá học bề mặt.
- Giữa thế kỷ XX – đèn halogen: chu trình halogen đưa vonfram bay hơi trở lại sợi, tăng tuổi thọ và nhiệt độ làm việc.
- Từ những năm 1990 – LED trắng: sau khi LED xanh lam hiệu suất cao được phát triển (Nobel Vật lý 2014 cho Akasaki, Amano và Nakamura), LED trắng dùng chất phát quang trở thành nguồn sáng hiệu quả nhất. Một bóng sợi đốt thông thường chỉ cho khoảng 10–17 lumen mỗi watt, còn LED thương mại hiện nay thường trên 100 lumen mỗi watt.
Liên minh châu Âu loại dần bóng sợi đốt thông dụng từ năm 2009; nhiều nước khác cũng làm tương tự. Sau gần một thế kỷ rưỡi, bóng đèn sợi đốt chuyển từ biểu tượng của phát minh sang biểu tượng của lãng phí năng lượng.
Những hiểu lầm hay gặp
“Edison nói đã tìm ra mười nghìn cách không thành công.” Câu này được trích dẫn với nhiều phiên bản và con số khác nhau, nhưng không truy được về một nguồn gốc chắc chắn từ chính Edison. Điều có tư liệu là nhóm Menlo Park thử rất nhiều vật liệu sợi một cách có hệ thống, với sổ ghi chép của nhiều người, chứ không phải một cá nhân kiên trì đơn độc.
“Heinrich Göbel làm bóng đèn ở New York từ thập niên 1850.” Yêu sách này xuất hiện trong các vụ kiện năm 1893, khi những công ty bị Edison kiện viện dẫn Göbel để chứng minh bằng của Edison thiếu tính mới. Các toà khi đó không chấp nhận, và nghiên cứu lịch sử về sau cho thấy phần lớn bằng chứng là lời khai mâu thuẫn được dựng lên cho mục đích tranh tụng.
“Bóng đèn bị cố tình làm cho chóng hỏng.” Có một phần sự thật: cartel Phoebus của các hãng lớn từ năm 1925 thoả thuận giới hạn tuổi thọ bóng đèn ở khoảng một nghìn giờ và phạt thành viên vi phạm, điều được ghi nhận qua hồ sơ của chính cartel. Nhưng một phần là đánh đổi kỹ thuật thật: bóng bền hơn phải chạy nguội hơn, cho ít ánh sáng hơn trên mỗi watt. Chiếc bóng đèn ở Livermore sáng hơn một thế kỷ chính là một bóng công suất rất thấp, rất mờ.
“Bóng đèn là phát minh của một thiên tài.” Bóng đèn là trường hợp điển hình của phát minh đồng thời: khi các điều kiện kỹ thuật (bơm chân không, máy phát điện, nhu cầu thị trường) đã chín muồi, nhiều người ở nhiều nơi cùng đi tới lời giải. Các nhà xã hội học khoa học như Robert Merton đã dùng những trường hợp như vậy để lập luận rằng phát minh phụ thuộc vào bối cảnh nhiều hơn ta thường nghĩ.
Câu hỏi thường gặp
Bóng đèn sợi đốt hoạt động theo nguyên lý nào?
Dòng điện đi qua sợi đốt có điện trở làm sợi nóng lên tới khoảng 2.500–3.000 độ C, và sợi phát sáng theo bức xạ nhiệt. Phần lớn năng lượng bức xạ ở vùng hồng ngoại không nhìn thấy, chỉ một phần nhỏ thành ánh sáng khả kiến, nên bóng sợi đốt kém hiệu quả. Bóng phải có chân không hoặc khí trơ để sợi không bị oxy hoá.
Vì sao Edison dùng tre làm sợi đốt?
Sợi tre có cấu trúc sợi cellulose dài, đều và chắc, nên khi carbon hoá cho ra sợi carbon đồng nhất, bền hơn chỉ cotton hay giấy. Nhóm của Edison thử nhiều loại tre và chọn một giống tre Nhật Bản cho sản xuất trong nhiều năm, cho tới khi sợi cellulose ép và sau đó là vonfram thay thế.
Joseph Swan có được ghi nhận xứng đáng không?
Ở Anh, Swan được ghi nhận rộng rãi, được phong tước hiệp sĩ năm 1904 và là thành viên Hội Hoàng gia. Ở phạm vi toàn cầu, tên ông ít được biết hơn Edison, một phần vì Edison xây dựng cả hệ thống điện và có bộ máy truyền thông mạnh. Các tài liệu lịch sử nghiêm túc hiện nay thường ghi cả hai là người phát triển độc lập bóng đèn sợi carbon.
Có nên dùng câu chuyện bóng đèn để giảng về quy trình đổi mới không?
Có, nhưng nên dùng đúng bài học. Bài học mạnh nhất không phải sự kiên trì thử nghìn vật liệu, mà là cách Edison suy ngược từ yêu cầu kinh tế của hệ thống (giá đồng, mạch song song) ra thông số kỹ thuật của sợi đốt (điện trở cao). Đây là ví dụ sớm và rõ ràng về thiết kế xuất phát từ ràng buộc của cả hệ thống.
Cartel Phoebus có còn tồn tại không?
Không. Cartel Phoebus hoạt động từ khoảng năm 1925 và tan rã trong thời gian Chiến tranh Thế giới thứ hai. Về sau nó trở thành ví dụ được dẫn nhiều nhất trong các tranh luận về lỗi thời có kế hoạch. Nhiều nước ngày nay có luật cạnh tranh cấm loại thoả thuận như vậy, và một số nơi đang bàn thêm quy định về quyền sửa chữa sản phẩm.