Г. Буберман и В. Смирнягин прослеживают историю электрической лампы — от опытов Василия Петрова и первых платиновых спиралей Грове до угольных нитей Лодыгина и усовершенствований Эдисона. Рассматриваются ключевые этапы: создание вакуумных ламп Старра, применение новых материалов, переход к вольфрамовой нити и использование инертных газов для увеличения срока службы. Завершается рассказ развитием советской электропромышленности и поиском более экономичных решений — биспиральных конструкций и газонаполненных ламп. Техника освещения показана как путь от лабораторных экспериментов к массовому применению, изменившему жизнь миллионов людей.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛАМПОЧКА
Слегка волнуясь, свидетель начал свои показания. Он говорил ярко и образно. Временами свидетель подходил к столу, заставленному физическими приборами. Тогда судьи видели, как накалённая гальваническим током платиновая проволока начинала испускать яркий свет.
Этот необычный судебный процесс происходил шестьдесят два года назад в Лондоне. Подсудимым являлось электричество.
С первых же дней своего появления электрическая лампочка нажила себе смертельных врагов в лице владельцев газовых предприятий, боявшихся конкуренции. В печати была поднята бешеная кампания против нововведения. Обывателей пугали рассказами о «жертвах электрического тока».
И вот английское правительство решает устроить своеобразный суд над электричеством. Парламентом формируется комиссия, которой даётся право вызова всех свидетелей на таких же основаниях, на каких вызывает их суд.
После почти двухмесячного разбирательства парламентская комиссия вынуждена была признать преимущество электрического освещения перед газовым. Этот своеобразный суд явился как бы официальным признанием электрической лампочки накаливания, получавшей в то время уже практическое применение.
*
Впервые электрический свет был получен русским физиком, профессором Петербургской медико-хирургической академии Василием Петровым. Из 4200 медных и цинковых кружков он построил огромную гальваническую батарею. Пропустив ток через несколько угольков, положенных в ряд, Петров получил яркое пламя. Это была вольтова дуга.
Книга с описанием опыта Петрова вышла в свет в 1803 году. Однако долгое время «отцом электрического освещения» считался английский физик Дэви, проделавший аналогичный опыт десять лет спустя.
С помощью тока от вольтова столба Петрову удалось раскалять до свечения и даже расплавлять тонкие проволочки, сделанные из различных металлов. Эти замечательные опыты русского учёного открыли эпоху практического применения электричества.
*
Первая электрическая лампочка зажглась сто один год назад в лаборатории Лондонского Королевского общества. Она была изготовлена профессором Вильямом Грове. Одновременно с Даниэлем он изобрёл практически применимый гальванический элемент. Пользуясь им, Грове повторил опыт Петрова, то есть стал пропускать ток через тонкие проволочки из меди, железа и других металлов. Проволочки раскалялись и даже плавились. Это явление учёный решил использовать для устройства электрического освещения. Он стал подбирать наиболее подходящую металлическую проволочку и после долгих опытов остановил свой выбор на платине. Она оказалась достаточно тугоплавкой. Правда, даже при незначительном увеличении напряжения платиновая проволочка моментально перегорала.
Грове свернул тонкую платиновую проволочку спиралью и присоединил её к двум медным проводникам. Спираль помещалась в опрокинутый стеклянный стакан. Весь прибор опускался в сосуд, на дне которого была вода. Слой воды запирал доступ воздуха в стакан. На проводники для изоляции их от воды были надеты каучуковые трубки. Когда Грове замкнул цепь, спираль раскалилась, и лампочка стала гореть ровным и ярким светом.
Прибор Грове, этот прообраз современной лампочки накаливания, не мог, конечно, выйти за пределы лаборатории. Его конструкция оказалась слишком несовершенной и сложной. Да и техника того времени не была ещё подготовлена к распространению электрического освещения. Гальванические элементы давали слишком слабый ток. Когда, например, предприимчивый владелец одного из парижских кафе пытался «электрифицировать» своё заведение, оказалось, что для источника энергии — батареи элементов — необходимо построить здание величиной чуть ли не с само кафе. Конечно, от этой затеи пришлось отказаться.
*
В 1845 году американец Старр создал новую лампочку. Старр учёл недостатки, которые выявились в опытах Грове. К этому времени уже было известно, что тонкие угольки также раскаляются под действием электрического тока. Однако уголь, окружённый воздухом, легко окислялся и сгорал. Чтобы избежать этого, Старр решил создать внутри лампочки вакуум — пустоту.
Но как это сделать? Он вспомнил об опытах Торричелли и построил свою лампочку по принципу ртутного барометра. Она представляла собой стеклянную трубку, один конец которой был запаян, а другой опущен в сосуд с ртутью. В трубке помещался особый фарфоровый держатель с двумя металлическими зажимами, между которыми крепился тонкий уголёк. От одного зажима шла платиновая проволочка, которая через верхний, запаянный конец лампочки выходила наружу. Другой зажим, а с ним и весь держатель, был прикреплён к стержню, который опускался вниз, в ртуть. Когда ртуть и платиновая проволочка присоединялись к электрической батарее, уголёк накалялся и давал яркий свет.
Новая лампа тоже оказалась недолговечной, так как разрежение в трубке быстро падало. Происходило это потому, что стекло расширялось при нагревании больше, чем впаянная в него платиновая проволочка. В результате появлялся зазор, и воздух проникал внутрь лампочки: уголёк сгорал, и она гасла.
После опытов Старра прошло более двадцати лет. Все попытки добиться полной герметичности электрической лампочки успеха не имели. Воздух неизбежно проникал внутрь и разрушал угольные стерженьки.
Только в 1867 году английскому учёному Адамсу удалось решить эту проблему. Решение заключалось в том, что Адамс после двухлетних исканий нашёл рецепт нового сорта стекла, которое имело такой же коэффициент расширения, как и платиновая проволочка.
Лампочка Адамса содержала почти все элементы позднейших, более совершенных угольных ламп. её распространение задерживалось главным образом тем, что тогда не умели ещё дробить электричество и лампочки включались в сеть последовательно. Поэтому, если перегорала одна лампочка, гасли и все остальные. Когда же в сеть включали новые лампочки, то сопротивление резко росло и падало напряжение. Чтобы избегнуть этого, приходилось для каждого источника света ставить отдельную электрическую машину.
*
Весьма своеобразную конструкцию лампочки накаливания создал русский изобретатель Павел Яблочков.
Яблочков широко известен как творец «электрической свечи». Он первый сумел практически применить вольтову дугу для освещения. «Свеча Яблочкова» получила широкое распространение. В 1878 году она озаряет ярким светом многие улицы Парижа, освещает набережную реки Темзы в Лондоне, появляется в Италии и Германии.
Одновременно Яблочков разработал и конструкцию лампочки накаливания. В то время, когда одни изобретатели пытались применить для нити накаливания уголь, а другие — металл, Яблочков нашёл новое, совершенно оригинальное решение. Он построил лампочку, в которой накаливался стерженёк, сделанный из смеси каолина и магнезии. Эта смесь обладает свойством проводить электрический ток при высокой температуре. Лампочка Яблочкова давала яркий свет и не требовала герметичности, так как стерженёк не окислялся воздухом. Однако она имела один весьма существенный недостаток, который и предрешал её судьбу: стерженёк приходилось предварительно «разжигать» газовой горелкой, чтобы поднять его температуру.
*
В августе 1873 года Александр Николаевич Лодыгин демонстрирует перед петербургской публикой свою систему электрического освещения. Он показывает различные типы уличных фонарей, сигнализационные лампы для железных дорог и пароходов, специальные лампы, применимые в шахтах, на пороховых заводах, лампы для подводных работ. Наконец, он демонстрирует и комнатное освещение. Особенно удивляет присутствующих то обстоятельство, что каждую лампочку можно отдельно включать и выключать, не нарушая всей системы освещения.
Лодыгин осуществляет дробление электрической энергии в том виде, в каком оно применяется и поныне, то есть включает лампочки в осветительную сеть не последовательно, а параллельно.
Лампа Лодыгина состояла из стеклянного баллона, внутри которого между массивными электродами был зажат стерженёк из ретортного угля. От кислорода внутри баллона изобретатель избавлялся весьма остроумно. Как только лампочку включали в сеть, угольный стерженёк раскалялся, часть угля соединялась с кислородом воздуха, и дальше раскалённый уголёк светил в разреженной атмосфере инертных газов, которые остались в колбе.
*
В 1875 году механик Управления Одесского почтово-телеграфного округа Василий Дидрихсон усовершенствовал лодыгинскую лампочку. Он приготовлял угольные стерженьки из деревянных палочек, которые прокаливал без доступа воздуха в графитных тиглях. Дидрихсон сделал особое приспособление внутри лампочки, посредством которого сгоревший уголёк заменялся другим. Кроме того, с помощью ручного насоса он выкачивал воздух из стеклянного баллона. Всё это способствовало тому, что срок службы лампочки значительно возрастал.
Лампочки Дидрихсона были применены в 1875 году при подводных работах во время постройки Литейного моста в Петербурге.
Но эти лампочки были всё же недолговечны, так как угольки довольно быстро перегорали. Трудно было сделать угольный стерженёк одинаковой толщины на всем его протяжении.
*
И только благодаря открытию, случайно сделанному в 1878 году американскими электротехниками Сойером и Маном, угольные лампочки сумели просуществовать ещё четверть века.
Пытаясь получить равномерную по толщине нить, Сойер и Ман вырезали из плотного картона узенькую полоску, которую нагревали до обугливания без доступа воздуха. Эта нить внутри лампочки больше всего раскалялась в тех местах, где её толщина была наименьшей, и перегорала.
Однажды исследователи наполнили лампу светильным газом. К своему удивлению, они увидели, что когда ток был включён, нить стала утолщаться. При этом она утолщалась как раз в тех местах, которые всего сильнее нагревались. Через несколько минут толщина нити стала совершенно равномерной. Прокалённый в атмосфере светильного газа угольный волосок приобрёл большую прочность.
*
Однажды Эдисону доложили, что неизвестный молодой человек настойчиво добивается свидания с ним. На визитной карточке посетителя стояла незнакомая фамилия: «лейтенант Хотинский». Эдисону, так дорожившему своим временем, не пришлось впоследствии сожалеть о нескольких минутах, потраченных на беседу с незнакомцем. Русский лейтенант привёз в подарок знаменитому изобретателю лампочку Лодыгина, благополучно проделавшую путь из России в США.
Описанный эпизод произошёл в 1876 году. К этому времени Эдисон завоевал себе известность как выдающийся изобретатель. Со всем присущим ему жаром он взялся за усовершенствование электрической лампочки накаливания. Его усилия сосредотачиваются на поисках материала, пригодного для нити накала.
Вот далеко не полный список веществ, испробованных им в качестве материала для нити накаливания: фанера, всевозможных сортов картон, целлулоид, лимонная корка, скорлупа кокосовых орехов, пробка, просмолённая бумажная ткань, нитки бумажные и полотняные, вулканизированная фибра и даже... рыжий волос из бороды одного сотрудника лаборатории. Наконец Эдисон приходит к выводу, что лучшим исходным материалом для нити накаливания является бамбук. Для поисков наилучшего сорта бамбука он рассылает своих сотрудников во все концы мира. Всего Эдисон подверг испытанию шесть тысяч различных видов тростниковых растений. Наиболее приемлемым оказался японский бамбук. Он служил в течение десяти лет исходным материалом для нити накаливания.
Одновременно Эдисон работает над усовершенствованием технологического процесса производства лампочек и улучшением их конструкции. Перед ним встаёт, например, такая проблема: как присоединять лампочку к электрической сети? Это присоединение должно быть настолько простым, чтобы даже самый неопытный в технике человек мог легко и быстро заменить перегоревшую лампочку новой. Эдисон до гениальности просто разрешил эту проблему. На конце баллона он закрепил цоколь с крупной винтовой нарезкой. Выходящие из лампочки провода присоединялись к цоколю. Линия, подводящая ток, оканчивалась патроном с такой же нарезкой. Достаточно было ввинтить лампу в патрон и повернуть выключатель, чтобы она загорелась.
Этот способ оказался настолько простым, что и сейчас, спустя шестьдесят лет, к нему ничего нельзя добавить.
Но американский исследователь не остановился на этом. Он разработал конструкцию выключателей, штепсельных розеток, предохранителей и многих других мелочей. В дальнейшем Эдисон предложил систему кабельной прокладки электрических магистралей, освободив города от путаницы воздушных проводов. Все эти работы привели к тому, что электрическая лампочка начала получать массовое распространение.
В 1882 году Нью-Йорк первым из всех городов мира полностью освещается электрическими лампами накаливания.
*
Расход энергии в современной лампочке накаливания составляет меньше одного ватта на свечу. Лампочка с угольной нитью расходует пять ватт на свечу. Естественно, что когда в начале XX века появились так называемые экономические лампочки, они начали быстро вытеснять своих «угольных» конкурентов.
В 1902 году в качестве нити накаливания англичанин Ауэр применил тугоплавкий осмий, принадлежащий к группе редкоземельных металлов и плавящийся при температуре 2500°. Спустя три года появились лампы с танталовой нитью, которая плавилась при 2800° и могла служить 800 часов.
Однако окончательно победил вольфрам — наиболее тугоплавкий металл. Его температура плавления превышает 3600°. Но вольфрам обладает очень плохой тягучестью. Из него трудно получить достаточно тонкую и прочную нить. В 1903 году Ганнеман и Юст разработали практически применимый способ получения вольфрамовой нити. Лампы с нитью из вольфрама оказались экономичными и долговечными. Теперь они применяются повсеместно.
В 1913 году американский физик Ленгмюр проделал интересный опыт. Он взял две лампы. Одна из них была обычная пустотная, а другая наполнена инертным газом, аргоном. Нити обеих лампочек были накалены до температуры значительно выше обычной. Пустотная лампа быстро перегорела. Лампа же, наполненная аргоном, продолжала нормально гореть. В чем же дело? При высокой температуре металлическая нить постепенно испаряется и распыляется, что в конечном счёте ведёт к её перегоранию. В вакууме этот процесс идёт весьма интенсивно, в атмосфере же инертного газа он значительно замедляется.
Применение ламп, наполненных инертным газом, дало возможность повысить температуру накала нити, следовательно увеличить её яркость без уменьшения срока службы лампы.
*
До революции вся электропромышленность России производила ежедневно немногим больше 10 тысяч лампочек. В настоящее время один только Московский электроламповый завод выпускает каждый день почти полмиллиона электрических ламп. «Лампочка Ильича», как её любовно окрестил советский народ, проникает в отдалённейшие уголки нашей родины.
На освещение домов и улиц, театров, клубов и больниц расходуется огромное количество электроэнергии. Однако девять десятых её пропадает бесполезно в виде тепловых потерь. Несмотря на экономичность вольфрамовой лампочки по сравнению с угольной, коэффициент её полезного действия всё же очень низок. На световое излучение идёт только одна десятая часть всей расходуемой энергии.
Понятно, что усилия советских конструкторов направлены к тому, чтобы уменьшить тепловые потери. Обычно нить накала делается в виде спирали. В последнее время широкое распространение получают так называемые биспиральные лампы. В них нить имеет форму двойной спирали. Это позволяет при тех же размерах нити сократить длину спирали и тем уменьшить тепловые потери.
На Московском электроламповом заводе разработана новая конструкция ламп, наполняемых не аргоном, как это делается до сих пор, а смесью из двух редких газов: криптона и ксенона. Эта смесь обладает минимальной теплопроводностью, что даёт значительную экономию электроэнергии.
Однако наилучшим решением этой проблемы является... полное устранение из лампочки всяких нитей накаливания. Представим себе трубку, заполненную разреженным инертным газом, например неоном, аргоном или гелием. В трубку введены электроды, находящиеся под напряжением. При определённой величине напряжения свободные электроны, сталкиваясь с молекулами газа, отдают им свою энергию. Молекулы на миллиардную долю секунды задерживают эту энергию, а потом возвращают её в виде свечения. Такая стеклянная трубка испускает яркий ровный свет.
Светящиеся свойства газа до сих пор применялись главным образом в целях рекламы, но они могут быть применены для освещения. В последнее время уже сконструированы газосветные лампы, в которых используются главным образом светящиеся свойства паров натрия и ртути. Такие лампы, испускающие жёлтый свет, обладают свойством, весьма ценным для светомаскировки. Стоит в помещении, освещаемом этими лампами, застеклить оконные рамы специально подобранными голубоватыми стёклами, и ни один луч не проникнет наружу.
Газосветные лампы наряду с чрезвычайной яркостью отличаются большой экономичностью. Так, ртутная газосветная лампа потребляет энергии в десять раз меньше, чем наиболее усовершенствованная лампа накаливания, дающая свет такой же силы.
Газосветные источники находятся в стадии опытной разработки и усовершенствования, но уже теперь ясно, что будущее электрического освещения принадлежит им.
Комментариев нет:
Отправить комментарий