مصباح القوس الكهربائي

يُعدّ الطيف المنبعث من مصباح القوس الكربوني الأقرب إلى طيف ضوء الشمس من بين جميع المصابيح. وباعتباره من أوائل المصابيح الكهربائية، فإنّ شدة إضاءته القوية كانت تحدّ من استخدامه في إضاءة المساحات الكبيرة. ورغم أنّ الأطوال الموجية غير المرئية كانت مجهولة وقت اختراعه، فقد اكتُشف لاحقًا أنّ المصابيح غير المغلقة تُنتج كميات كبيرة من الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية الضارة غير الموجودة في ضوء الشمس. وعند تغليف القوس الكهربائي بكرة زجاجية، تبيّن أنّه يُمكن حجب العديد من هذه الأشعة غير المرئية. مع ذلك، سرعان ما حلّت محلّ مصابيح القوس الكربوني مصابيحٌ أكثر أمانًا وكفاءةً وتنوّعًا وأسهل صيانةً، مثل المصابيح المتوهجة ومصابيح التفريغ الغازي . ولا تزال مصابيح القوس الكربوني تُستخدم حيثما يلزم توفير إضاءة تُحاكي ضوء الشمس، لاختبار المواد والدهانات والطلاءات من حيث التآكل أو البهتان أو التلف، أو، على سبيل المثال، مواد المركبات الفضائية التي ستتعرّض لضوء الشمس في مدارات أقرب من مدار الأرض. ^{[ 5 ]}

يتكون القوس من بخار كربون نقي مُسخّن إلى حالة بلازما. مع ذلك، يُساهم القوس بشكل ضئيل جدًا في ناتج الضوء، ويُعتبر غير مُضيء، إذ يقع معظم انبعاثه في خطوط طيفية ضمن نطاقي البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية من الطيف. يظهر معظم طيف الكربون في خط عريض جدًا مُتمركز عند 389  نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية أ، خارج نطاق الطيف المرئي مباشرةً)، وخط ضيق جدًا عند 250  نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية ب)، بالإضافة إلى بعض الخطوط الأخرى الأقل قوة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ج.

ينتج معظم الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء عن التوهج المتولد عند القطب الموجب، أو المصعد. وعلى عكس مصاعد التنجستن الموجودة في مصابيح القوس الكهربائي الأخرى، والتي تبقى باردة نسبيًا، يُنتج الكربون مقاومة أعلى بكثير، مما يُجبر الإلكترونات على دخول المصعد عند أسخن نقطة فيه، مُولِّدًا كميات هائلة من الحرارة تُبخر الكربون وتُحدث حفرة في سطحه. تُسخَّن هذه الحفرة من 6000 إلى 6500 درجة فهرنهايت (3300 إلى 3600 درجة مئوية، أي أقل بقليل من نقطة انصهاره)، مما يجعلها تتوهج بشدة. ولهذا السبب، غالبًا ما كانت الأقطاب الكهربائية تُوضع بزوايا قائمة مع توجيه المصعد للخارج لمنع حجب الضوء المنبعث منه. بما أن الكربون يتمتع بأعلى درجة انصهار بين جميع العناصر، فهو المصباح الوحيد الذي يمكن لإشعاع الجسم الأسود الخاص به أن يضاهي تقريبًا درجة حرارة الشمس البالغة 10000 درجة فهرنهايت (5500 درجة مئوية)، خاصة عند استخدام المرشحات لإزالة معظم الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 6 ]}

في الولايات المتحدة، بُذلت محاولات لإنتاج مصابيح القوس الكهربائي تجاريًا بعد عام 1850، إلا أن نقص إمدادات الكهرباء المستمرة حال دون ذلك. ولذا، بدأ مهندسو الكهرباء بالتركيز على تحسين مولد فاراداي . وقد طُوّر هذا المفهوم على يد عدد من الأشخاص، من بينهم ويليام إدواردز ستيت وتشارلز إف. براش . ولم تنتشر مصابيح مثل شمعة يابلوتشكوف على نطاق واسع إلا في سبعينيات القرن التاسع عشر. وفي عام 1877، أجرى معهد فرانكلين اختبارًا مقارنًا لأنظمة المولدات الكهربائية. وقد حقق النظام الذي طوره براش أفضل أداء، فسارع براش إلى تطبيق مولده المُحسّن في إضاءة القوس الكهربائي، وكان من أوائل تطبيقاته إضاءة الساحة العامة في كليفلاند، أوهايو ، في 29 أبريل 1879. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، تدّعي مدينة واباش، إنديانا، أنها أول مدينة أُضيئت بـ"مصابيح براش". أُضيئت أربعة من هذه المصابيح هناك في 31 مارس 1880. ^{[ 13 ]} كانت واباش مدينة صغيرة بما يكفي لإضاءتها بالكامل بأربعة مصابيح، بينما لم تُضئ التركيبات في ساحة كليفلاند العامة سوى جزء من تلك المدينة الأكبر. ^{[ 14 ]} في عام 1880، أسس براش شركة براش للكهرباء .

وقد وجد أن الضوء القاسي والساطع هو الأنسب للأماكن العامة، مثل ساحة كليفلاند العامة، حيث أنه أقوى بحوالي 200 مرة من مصابيح الفتيل المعاصرة .

انتشر استخدام مصابيح القوس الكهربائي من نوع براش بسرعة. وذكرت مجلة ساينتفك أمريكان في عام 1881 أن النظام كان يُستخدم في: ^{[ 15 ]} 800 مصباح في مصانع الدرفلة، ومصانع الصلب، والمتاجر، و1240 مصباحًا في مصانع الصوف والقطن والكتان والحرير وغيرها، و425 مصباحًا في المتاجر الكبيرة والفنادق والكنائس، و250 مصباحًا في الحدائق والموانئ والمنتجعات الصيفية، و275 مصباحًا في محطات السكك الحديدية والمتاجر، و130 مصباحًا في المناجم ومصاهر المعادن، و380 مصباحًا في المصانع والمؤسسات المختلفة، و1500 مصباح في محطات الإنارة، و1200 مصباح في إنجلترا ودول أجنبية أخرى. وبلغ إجمالي المبيعات الفعلية أكثر من 6000 مصباح.

شهدت ثمانينيات القرن التاسع عشر ثلاثة تطورات رئيسية: ففي عام 1880، اخترع فرانتيشيك كريزيك آليةً تسمح بالضبط التلقائي للأقطاب الكهربائية. وتم تغليف الأقواس الكهربائية بأنبوب صغير لإبطاء استهلاك الكربون (مما زاد من عمرها الافتراضي إلى حوالي 100 ساعة). ثم ظهرت مصابيح القوس اللهبي، حيث أُضيفت أملاح معدنية (عادةً من فلوريد المغنيسيوم أو السترونتيوم أو الباريوم أو الكالسيوم) إلى قضبان الكربون لزيادة شدة الإضاءة وإنتاج ألوان مختلفة.

في الولايات المتحدة، أثبتت حماية براءات اختراع أنظمة الإضاءة القوسية والمولدات المحسّنة صعوبتها، مما أدى إلى اشتداد المنافسة في صناعة الإضاءة القوسية. كان المنافس الرئيسي لشركة براش هو فريق إيليهو طومسون وإدوين ج. هيوستن . أسس هذان الرجلان شركة أمريكان إلكتريك كوربوريشن عام 1880، لكن سرعان ما استحوذ عليها تشارلز أ. كوفين ، ونُقلت إلى لين، ماساتشوستس ، وأُعيد تسميتها إلى شركة طومسون-هيوستن إلكتريك . مع ذلك، ظل طومسون العقل المبدع الرئيسي وراء الشركة، حيث حصل على براءات اختراع لتحسينات نظام الإضاءة. تحت قيادة فريدريك ب. فيش ، محامي براءات الاختراع في شركة طومسون-هيوستن ، حمت الشركة حقوق براءات الاختراع الجديدة. كما قادت إدارة كوفين الشركة نحو سياسة عدوانية للاستحواذ والاندماج مع المنافسين. أدت كلتا الاستراتيجيتين إلى تقليل المنافسة في صناعة تصنيع الإضاءة الكهربائية. بحلول عام 1890، أصبحت شركة طومسون-هيوستن الشركة المهيمنة في مجال تصنيع المعدات الكهربائية في الولايات المتحدة ^{[ 16 ].}

مع مطلع القرن العشرين، بدأت أنظمة الإضاءة بالقوس الكهربائي بالتراجع، لكن شركة تومسون-هيوستن كانت تسيطر على براءات اختراع رئيسية لأنظمة الإضاءة الحضرية. أدى هذا التحكم إلى إبطاء توسع أنظمة الإضاءة المتوهجة التي كانت تُطوّرها شركة إديسون جنرال إلكتريك التابعة لتوماس إديسون . في المقابل، حال تحكم إديسون في براءات اختراع توزيع التيار المستمر وآلات التوليد دون توسع شركة تومسون-هيوستن. أُزيل هذا العائق أمام التوسع عندما اندمجت الشركتان عام ١٨٩٢ لتشكيل شركة جنرال إلكتريك . ^{[ ١٦ ]}

استُخدمت مصابيح القوس الكهربائي في بعض استوديوهات الأفلام المبكرة لإضاءة المشاهد الداخلية. تمثلت إحدى المشكلات في أنها تُنتج مستوىً عالياً من الأشعة فوق البنفسجية، ما اضطر العديد من الممثلين إلى ارتداء النظارات الشمسية عند الابتعاد عن الكاميرا لتخفيف إجهاد العين الناتج عن هذه الأشعة. حُلّت المشكلة بإضافة لوح من زجاج النوافذ العادي أمام المصباح، لحجب الأشعة فوق البنفسجية. مع ظهور الأفلام الناطقة، استُبدلت مصابيح القوس الكهربائي في استوديوهات الأفلام بأنواع أخرى من الإضاءة. ^{[ 17 ]} في عام 1915، بدأ إلمر أمبروز سبيري بتصنيع اختراعه، وهو كشاف قوس الكربون عالي الكثافة . استُخدمت هذه الكشافات على متن السفن الحربية لجميع القوات البحرية خلال القرن العشرين للإشارة إلى الأعداء وإنارتهم. ^{[ 18 ]} في عشرينيات القرن الماضي، بيعت مصابيح قوس الكربون كمنتجات صحية عائلية، كبديل لضوء الشمس الطبيعي. ^{[ 19 ]}

حلت مصابيح الفتيل محل مصابيح القوس الكهربائي في معظم الاستخدامات، ولم يتبق منها سوى تطبيقات متخصصة مثل أجهزة عرض الأفلام ، والأضواء الكاشفة ، والكشافات. في خمسينيات وستينيات القرن الماضي، كان التيار المستمر عالي الطاقة لمصباح القوس الكربوني في أجهزة العرض الخارجية للسيارات يُزود عادةً بواسطة مولد كهربائي (محرك تيار متردد يُشغل مولد تيار مستمر). حتى في هذه التطبيقات، أصبحت مصابيح القوس الكربوني التقليدية قديمة الطراز إلى حد كبير مع ظهور مصابيح قوس الزينون ، ولكنها استمرت في التصنيع كأضواء كاشفة حتى عام 1982 على الأقل ^{[ 20 ]} ، ولا تزال تُصنع لغرض واحد على الأقل، وهو محاكاة ضوء الشمس في أجهزة "التقادم المُعجّل" التي تهدف إلى تقدير سرعة تدهور المواد نتيجة التعرض للعوامل البيئية. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تركت إضاءة القوس الكربوني بصمتها على ممارسات عرض الأفلام الأخرى. فممارسة شحن وعرض الأفلام على بكرات بطول 2000 قدم، واستخدام نظام "التبديل" بين جهازَي عرض، كانت نتيجةً لعمر قضبان الكربون المستخدمة في مصابيح أجهزة العرض، والذي يبلغ حوالي 22 دقيقة (وهو ما يتوافق مع كمية الفيلم في تلك البكرات عند عرضها بمعدل 24 إطارًا في الثانية). وكان فني العرض يراقب احتراق القضيب بالعين المجردة (من خلال فتحة صغيرة تشبه عدسة اللحام) ويستبدل قضيب الكربون عند تغيير بكرات الفيلم. اختفى نظام التبديل بين جهازَي العرض إلى حد كبير في سبعينيات القرن الماضي مع ظهور مصابيح زينون لأجهزة العرض، ليحل محلها أنظمة أقراص العرض أحادية الجهاز ، مع استمرار شحن الأفلام إلى دور السينما على بكرات بطول 2000 قدم.