Александр Мицкевичус
Ответы на этот, казалось бы, простой вопрос можно услышать разные. Американцы, несомненно, будут настаивать, что это был Эдисон. Англичане скажут, что это их соотечественник Сван. Французы, возможно, вспомнят "русский свет" изобретателя Яблочкова, который начал освещать улицы и площади Парижа в 1877 году. Кто-то назовет еще одного русского изобретателя - Лодыгина. Вероятно, будут и другие ответы. Так кто же прав? Да пожалуй, все. История электрической лампочки представляет собой целую цепь открытий и изобретений, сделанных разными людьми в разное время.
Прежде чем перейти к хронологии изобретения электрической лампочки, хотелось бы отметить, а что мы подразумеваем под понятием "электрическая лампочка". Прежде всего, это источник света, прибор, устройство в котором происходит преобразование электрической энергии в световую. А вот способы преобразования могут быть разными. В XIX веке этих способов было известно несколько. Поэтому, уже тогда появились несколько типов электрических ламп: дуговые, накаливания и газоразрядные. Электрическая лампа - это техническая система, т.е. совокупность отдельных элементов, необходимых для выполнения главной полезной функции - освещения.
История появления и развития электрической лампы неотделима от истории электротехники, которая начинается с открытия электрического тока в XVIII веке. Позже, в XIX веке, по всему миру прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла как бы цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу последующим. Электротехника из раздела физики выделилось в самостоятельную науку, над развитием которой работали целая плеяда ученых и изобретателей: француз Андре-Мари Ампер (фр. Andre Marie Ampere), немцы Георг Ом (нем. Georg Simon Ohm) и Генрих Герц (нем. Heinrich Rudolf Hertz), англичане Майкл Фарадей (Michael Faraday) и Джеймс Максвелл (James Maxwell) и другие.
Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с изобретения гальванического элемента - химического источника тока (вольтова столба). Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский ученый А.Вольта встретил новый 1800 год. А уже в 1801 году профессору Петербургской медико-хирургической академии Василию Петрову удалось уговорить начальство приобрести для своего физического кабинета мощнейшую по тем временам электрическую батарею, состоящую из 4200 пар гальванических элементов. Проводя опыты с этой батареей, Петров в 1802 году открыл электрическую дугу - яркий разряд, который возникает между сведенными на определенное расстояние угольными стержнями-электродами. Он же и предложил использовать дугу для освещения.
Однако, при практической реализации этой идеи возникло много сложностей. Опыты показали, что дуга горит ярко и устойчиво только при определенном расстоянии между электродами. А во время горения дуги угольные электроды постепенно сгорают, увеличивая дуговой промежуток. Требовался механизм-регулятор для поддержания постоянного расстояния между электродами.
Изобретатели предлагали разные решения. Но все они имели тот недостаток, что нельзя было включить несколько ламп в одну цепь. Приходилось использовать для каждого светильника свой источник питания. Эту проблему решил в 1856 году изобретатель А.И.Шпаковский, создав осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Эта установка освещала Красную площадь в Москве во время коронации Александра II.
В 1869 году еще один русский изобретатель В.И.Чиколев применил к дуговой лампе дифференциальный регулятор и использовал его в мощных морских прожекторах. Подобные регуляторы используются до сих пор в больших прожекторных установках. К сожалению, все регуляторы горения дуги были ненадежными и дорогими.
Решающую роль в переходе от опытов по электричеству к массовому электрическому освещению сыграл русский электротехник Павел Николаевич Яблочков [1]. Свои работы Яблочков начал в России, организовав в 1875 году в Петербурге мастерскую физических приборов. В этом же году ему и пришла идея создать простую и надежную дуговую лампу. Однако финансовый крах предприятия вынудил Яблочкова в 1876 году уехать в Париж, где он продолжил свои работы над дуговой лампой в знаменитой фирме по изготовлению часов и точных приборов Бреге (Breguet).
Проблема стояла все та же - нужен был регулятор. Идея пришла как всегда неожиданно. Помог случай. Напряженно думая над этой проблемой, Яблочков зашел перекусить в небольшое парижское кафе. Пришёл официант. Яблочков, продолжая думать о своём, машинально смотрел, как тот ставит блюдо, кладёт ложку, вилку, нож... И вдруг... Яблочков резко поднялся из-за стола и пошёл к выходу. Он торопился к себе в мастерскую. Решение найдено! Простое и надёжное! Оно пришло к нему, едва он глянул на лежащие рядом, параллельно друг другу, столовые приборы.
Да, именно так надо расположить в лампе угольные электроды - не горизонтально, как во всех прежних конструкциях, а параллельно (!). Тогда оба будут выгорать совершенно одинаково, и расстояние между ними всегда будет постоянным. И никакие сложные регуляторы не нужны [2].
Парижский официант и не подозревал, что стал как бы соавтором изобретения. Но кто знает, не положи он тогда перед Яблочковым столь аккуратно нож и ложку, может, и не осенила бы изобретателя молниеносная догадка. Правда, "подсказка" официанта нашла благодатную почву. Ведь Яблочков искал своё решение даже за столиком кафе, дожидаясь заказа. Кстати, это прекрасный пример применения ассоциативного мышления в решении сложной технической задачи. С другой стороны этот случай является примером решения технической проблемы, когда идеальным устройством (в данном случае регулятором) является то, чего на самом деле нет, но функции выполняются.
Конечно, это была только идея, а не полное решение проблемы - создания недорогой и надежной лампы. Потребовалось проделать еще много работы, чтобы этого достичь. Прежде всего, при параллельном расположении электродов дуга может гореть не только на концах электродов, но и по всей их длине, а скорее всего, скатится к их основанию - к токоподводящим зажимам. Эта проблема была решена путем заполнения пространства между электродами изолятором, который постепенно сгорал вместе с электродами.
Состав этого изолятора еще нужно было подобрать, что и было сделано, применив для этого глину (каолин). А как зажечь лампу? Тогда наверху, между электродами была помещена угольная тоненькая перемычка, которая сгорала в момент включения, поджигая дугу. Оставалась еще проблема неравномерного сгорания электродов, связанная с полярностью тока. Т.к. электрод "+" сгорал быстрее, его первоначально приходилось делать толще. Другим, гениальным, решением этой проблемы явилось применение переменного тока.
Конструкция дуговой лампы оказалась простой: два угольных стержня разделенные изолирующим слоем каолина и укрепленные на простой подставке, напоминающей подсвечник. Сгорали электроды равномерно, и лампа давала яркий свет, причём достаточно продолжительное время. Такая "электрическая свеча" была проста в изготовлении, и стоила дёшево.
В 1876 году русский изобретатель представил свое изобретение на Лондонской выставке. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного общества "Общество изучения электрического освещения по методам Яблочкова". Лампы Яблочкова появились в самых посещаемых местах Парижа, на улице - Авеню де ль'Опера и на площади Оперы, а также в магазине "Лувр" тусклое газовое и жидкостное освещение заменили матовые шары, которые светились белым, мягким светом. Началось триумфальное шествие "La lumiere russe" (Русского света) по миру. За два года свеча Яблочкова завоевала весь Старый свет, распространившись на Востоке до дворцов персидского шаха и короля Камбоджи.
Рис. 1. Павел Николаевич Яблочков и его свеча.
В 1876-77 годах были получены несколько французских патентов, как на конструкцию самой лампочки, так и на системы их питания. Производство было поставлено на промышленную основу. Небольшой завод в Париже производил более 8000 свечей в день и несколько десятков электрических генераторов в месяц. Однако вскоре всему этому благополучию пришел конец. Свеча Яблочкова начала постепенно вытесняться более дешевой и долговечной лампой накаливания.
Принято считать, что изобретателем лампы накаливания является знаменитый американский изобретатель Томас Альва Эдисон (Thomas Alva Edison). 21 декабря 1879 года в газете "New York Herald" появилась статья о новом изобретении Т.А.Эдисона - "Edison's light" (Эдисоновский свет), о лампе накаливания с угольной нитью. Спустя несколько дней, 1 января 1880 г., 3 тысячи человек присутствовали в Менло-Парке (США) на демонстрации электрического освещения для домов и улиц. А 27 января того же года им был получен патент США № 223898 "Electric-Lamp" (см. рис. 2.). Все это так. Но в действительности, история с этим патентом и с лампой накаливания гораздо сложнее и интереснее.
Рис. 2. Патент Томаса А. Эдисона на электрическую лампу
Первые опыты с накаливанием проводников электрическим током проводились еще в начале XIX века английским ученым Деви (Humphry Davy). Одни из первых попыток применить накаливание проводников током, именно с целью освещения, проводились в 1844 году инженером де-Молейном, который накаливал платиновую проволоку, помещенную внутрь стеклянного шара. Эти эксперименты не приносили желаемых результатов, т.к. платиновая проволока слишком быстро переплавлялась.
В 1845 году в Лондоне Кинг заменил платину палочками угля и получил патент "Применение накаленных металлических и угольных проводников для освещения".
В 1954 году, за 25 лет до Эдисона германский часовщик Генрих Гебель представил в Нью-Йорке первые, подходящие для практического применения, лампы накаливания с угольными нитями со сроком горения около 200 часов. В качестве нити он применил обугленную бамбуковую нить толщиной 0, 2 мм, помещенную в вакуум. Вместо колбы Гебель из соображений экономии использовал сначала флаконы от одеколона, а позднее - стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути, то есть с помощью метода, применявшегося при изготовлении барометров.
Созданные лампы Гебель использовал для освещения своего часового магазина. Чтобы улучшить свое финансовое положение, он разъезжал по Нью-Йорку на коляске и предлагал всем желающим посмотреть на звезды в подзорную трубу. Коляска, при этом, была украшена его лампочками. Таким образом, Гебель стал первым человеком, кто использовал свет в рекламных целях. Из-за отсутствия денег и связей германский эмигрант не смог получить патент на свою лампу с угольной нитью и о его изобретении быстро забыли.
С 1872 года Александр Николаевич Лодыгин начал в Петербурге опыты по электрическому освещению. В его первых лампах между массивными медными стержнями, расположенными в герметически закрытом стеклянном шаре, была зажата тонкая палочка угля. Несмотря на несовершенство лампы в этом же году банкир Козлов в товариществе с Лодыгиным основал общество для эксплуатации этого изобретения. Академия наук присудила Лодыгину Ломоносовскую премию в 1000 рублей.
Построенные Лодыгиным лампы накаливания с угольным стержнем в 1874 году были использованы для освещения петербургского Адмиралтейства. В 1875 году во главе товарищества стал Кон, выпустивший под своим именем усовершенствованную лампу Лодыгина, спроектированную В.Ф.Дидрихсоном. В этой лампе угольки помещались в вакууме, и перегоревший уголек автоматически заменялся другим. Тремя такими лампами в течение двух месяцев освещался в 1875 году магазин белья Флорана в Петербурге, а также, по предложению П.Струве, освещались под водой кессоны при постройке Александровского моста через Неву.
В 1875 году Дидрихсон начал изготовлять угольки из дерева, путем обугливания деревянных цилиндриков без доступа воздуха в графитовых тиглях, засыпанных угольным порошком. В 1876 году после смерти Кона товарищество распалось. Дальнейшее усовершенствование лампы было сделано Н.П. Булыгиным в 1876 году. В его лампе накаливался конец длинного уголька, выдвигавшегося автоматически по мере обгорания его конца. Конструкция ламп оказалась непростой и нетехнологичной в изготовлении, а поэтому недешевой, хотя постоянно подвергалась усовершенствованию.
В конце 70-х год
Сейчас трудно установить насколько описанное обстоятельство повлияло на изобретение Эдисона. Однако, в конце концов, благодаря его работам был совершен качественный скачок в усовершенствовании лампы накаливания. Никаких революционных изменений в лампочку Лодыгина Эдисон не внес. Его лампа представляла собой стеклянную колбу с угольной нитью, из которой выкачан воздух, правда, гораздо тщательнее, чем у Лодыгина. Но заслуга Эдисона, прежде всего в том, что он изобрел и создал надсистему для этой лампы и поставил ее производство на поток, что привело к сильному удешевлению стоимости. Он придумал для лампы винтовой цоколь и патрон к ней, изобрел предохранители, выключатели, первый счетчик энергии. Именно с лампочки Эдисона, электрическое освещение стало действительно массовым, придя в дома простых людей.
Особого внимания заслуживает подход Эдисона к решению проблемы нахождения материала для нити накаливания. Он просто пошел путем перебора всех доступных ему веществ и материалов (метод проб и ошибок). Эдисон перепробовал 6000 веществ, содержащих углерод, от обыкновенных швейных ниток, покрытых углем, до продуктов питания и смолы. Лучшим оказался бамбук, из которого был сделан футляр японского пальмового веера. На эту титаническую работу ушло около двух лет [3].
По другую сторону Атлантического океана, в Англии, примерно в тоже время что Лодыгин и Эдисон, над электрической лампочкой работал сер Джозеф Вильсон Сван (Sir Joseph Wilson Swan). В качестве элемента накала он использовал обугленную хлопковую нить и также выкачивал из колбы воздух. Сван получил Британский патент на свое устройство в 1878 году, примерно за год до Эдисона. Начиная с 1879 года, он начал устанавливать электрические лампы в английских домах. Организовав в 1881 году компанию "The Swan Electric Light Company" начал коммерческое производство ламп. Позднее Сван объединился с Эдисоном для коммерческой эксплуатации единой торговой марки "Edi-Swan".
Из сказанного следует, что у электрической лампы накаливания на самом раннем этапе было несколько изобретателей. Почти все они имели патенты. Что касается самого известного из них, американского патента Эдисона, то он был признан судом недействительным до окончания срока действия охранных прав. Суд признал, что лампа накаливания была изобретена Генрихом Гебелем за несколько десятилетий до Эдисона.
В 1890 году Лодыгин запатентовал в США лампу с металлической нитью из тугоплавких металлов - осьмия, иридия, родия, молибдена и вольфрама. Лампы Лодыгина с молибденовой нитью были выставлены на парижской выставке 1900 года и имели такой большой успех, что в 1906 году американская компания "General Electric" купила у него этот патент. Самое интересное, что компания "General Electric" была организована самим Томасом Эдисоном. На этом заочный спор великих изобретателей был закончен.
Однако совершенствование лампы накаливания на этом не закончилось. C 1909 года стали применяться лампы накаливания с зигзагообразно расположенной вольфрамовой нитью, а в 1912-13 годах появились лампы, наполненные азотом и инертными газами (Ar, Kr). И наконец, последнее усовершенствование начала XX века - вольфрамовую нить стали изготовлять, сначала, в виде спирали, а затем в форме биспирали (спирали, навитой из спирали) и триспирали. Электрическая лампа накаливания, наконец, приобрела вид, какой мы привыкли ее видеть.
Так кто же изобрел электрическую лампочку? Уже были названы имена: Петров, Шпаковский, Чиколев, Яблочков, Эдисон, Деви, Кинг, Гебель, Лодыгин, Сван. Казалось бы достаточно. Но если взять "Малый энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона" выпущенный в начале XX века, то там можно прочесть: Лампочки накаливания представляют собою стеклянный колпачок, из которого выкачан воздух, и где помещается угольная или металлическая нить, накаливаемая электрическим током. Угольная нить добывается обугливанием волокон бамбука (лампочки Эдисона), шелка, хлопчатой бумаги (лампочка Свана). С конца 1890-х гг. явились новые лампочки накаливания: вместо угольной нити накаливанию подвергается стерженек спрессованный из огнестойких веществ: окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампочка Нернста) или нить из металлического осмия (лампочки Ауэра) и тантала (лампочки Больтона и Фейерлейна).
Как видно появились еще новые имена - Нернст, Ауэр, Больтон, Фейерлейн. При желании, проведя более углубленный поиск, этот список можно еще пополнить.
Вероятно, искать однозначный ответ на вопрос "Кто изобрел электрическую лампочку" бессмысленно. Многие изобретатели приложили к этому свой ум, знания, труд и талант. И это касается только типов лампочек получивших развитие на начальном этапе внедрения электрического освещения: дуговых и накаливания.
Еще в самом начале развития ламп накаливания было замечено, что они имеют низкий КПД, т.е. очень небольшой процент энергии электрического тока переходит в световую энергию. Поэтому продолжались поиски других способов преобразования электрической энергии в световую, и предпринимались попытки их использования в новых типах электрических источников света. Такими источниками света стали газоразрядные лампы - приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и другие вещества (например, ртуть).
Первые эксперименты с газоразрядными лампами начинались практически одновременно с лампами накаливания. В 1860 году в Англии появились первые ртутные разрядные лампы. Однако вплоть до начала XX века все эти эксперименты были немногочисленными и оставались только экспериментами, без реального практического применения.
В первом десятилетии XX века, в период массового внедрения электрического освещения с помощью ламп накаливания, интенсифицируются работы над газоразрядными лампами, что приводит к ряду изобретений и открытий. В 1901 году Петер Купер Хьюит (Peter Cooper Hewitt) изобретает ртутную лампу низкого давления. В 1906 году изобретена ртутная лампа высокого давления. 1910 год - открытие галогенного цикла. Неоновая лампа была разработана французским физиком Жоржом Клауди (Georges Claude) в 1911 году и очень быстро нашла применение в рекламных целях.
В 20 - 40-е годы работы над газоразрядными лампами продолжались во многих странах, что приводило к совершенствованию уже известных типов ламп и к открытию новых. Были разработаны: натриевая лампа низкого давления, люминесцентная лампа, ксеноновая лампа и другие. В 40-е годы началось массовое применение люминесцентных ламп для освещения.
Позже были изобретены и другие типы электрических лам: натриевые высокого давления; галогенные; компактные люминесцентные; светодиодные источники света и другие. Сейчас в мире общее число типов источников света насчитывается около 2000 [4].
Не смотря на такое огромное количество типов электрических ламп, изобретательская мысль не стоит на месте. Уже известные источники света продолжают совершенствоваться. Примером такого совершенствования, может служить создание в 1983 году компактных люминесцентных ламп, которые стали размером с обыкновенную лампу накаливания. Для их включения не требуется специальной пусковой аппаратуры, они подключаются к стандартному патрону для ламп накаливания, и самое главное, при одинаковом количестве вырабатываемого света эти лампы потребляют в несколько раз меньше электроэнергии и служат в несколько раз дольше. В последние годы такие энергосберегающие лампочки находят все большее применение, не смотря на их пока еще большую стоимость, чем у традиционных ламп накаливания.
Однако и на этом изобретательская мысль не останавливается. Почти одновременно, две американские фирмы Technical Consumer Products (TCP) и O·ZONELite выпустили на рынок флуоресцентные энергосберегающие лампочки с новыми неожиданными свойствами. Как утверждают эти производители, их лампочки Fresh2 [5] и O·ZONELite [6] (оба названия являются зарегистрированными торговыми марками) кроме освещения помещения также устраняют неприятные запахи, очищают воздух, убивают бактерии, вирусы и грибки. Разве не чудо?
Секрет в том, что лампочки покрыты двуокисью титана (TiO2), при облучении которой флуоресцентным светом возникает фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции выпускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные "дырки". Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности лампочки, содержащиеся в воздухе молекулы воды, превращаются в очень сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), из-за чего эти лампочки и обладают такими необычными и замечательными свойствами.
Рис. 3. Газоразрядные флуоресцентные энергосберегающие лампы Fresh2 и O•ZONELite
Как видно из рисунка 3 эти лампочки даже внешне очень похожи, да и характеристики их примерно одинаковы. Обращает на себя внимание спиралевидная форма обеих ламп. Их создатели пошли на это для увеличения светоотдачи, точно также как и их предшественники - создатели ламп накаливания. Вот уж действительно, история движется по спирали.
Можно сделать вывод, что газоразрядные лампы в последние годы завоевывают все большую популярность даже в бытовом освещении, вытесняя лампы накаливания. Они потребляют меньше энергии, так же просты в эксплуатации и могут обладать еще целым рядом замечательных и полезных свойств. Более высокая цена, которая пока еще сдерживает распространение этих ламп, компенсируется 8-10 кратной продолжительностью службы и 3-5 кратным КПД. А при более массовом производстве цена будет постепенно снижаться. А если еще учесть все возрастающие энергетические и экологические проблемы, которые вызывают увеличение стоимости электроэнергии и вынуждающие вводить жесткие меры экономии, то станет понятно, что перспективы у компактных флуоресцентных ламп самые радужные. И в ближайшие годы альтернативы у них практически нет.
Но, ни что не стоит на месте. Хотя последние 100 лет в развитии светотехники прошли под победное шествие газоразрядных ламп, появились и другие типы источников света. Наиболее перспективным сейчас представляется направление, связанное с использованием светодиодных источников света, т.к. они обладают еще большим КПД, чем газоразрядные лампы.
Первые промышленные светодиоды появились еще в 60-х годах XX века. Однако, небольшая мощность не позволяла их использовать для освещения. Они нашли применение в качестве индикаторов в различных электронных устройствах, в частности, в микрокалькуляторах, часах и других бытовых и научных приборах.
Так бы все и продолжалось, если бы человечество не столкнулось с проблемой энергосбережения. Оказалось, что на сегодняшний день, у светодиодов самый высокий процент преобразования электрической энергии в световую энергию. Нельзя было не попытаться использовать светодиоды в качестве источников света. Они и нашли, первоначально, применение в ручных электрических фонариках. К тому же, это были фонарики небольшой мощности, которые не очень сильно светили, однако были миниатюрными, что позволяло их использовать даже в качестве брелков.
Проблем у светодиодных лампочек конечно еще много. Многие из них успешно решаются, тем более что сейчас в это направление вкладывает большие деньги крупный капитал. И успехи уже налицо - в продаже уже появились энергозберегающие светодиодные лампы.
Список литературы
1. Н.А.Капцов, Павел Николаевич Яблочков 1894-1944. ОГИЗ. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва, Ленинград, 1944.
2. В. Малов, Как парижский официант русскому изобретателю помог. / Спутник ЮТ - научно-популярный дайджест / №4, 2001 / http://jtdigest.narod.ru/dig4_01/offic.htm
3. Я.И. Хургин, Да, нет, может быть... - Москва, : Наука, 1977, с.208
4. История осветительной техники. / 2003-2005 ЗАО НПК "Далекс" / http://www.daleks.ru
5. Fresh2 compact fluorescent light bulbs remove odor while emitting energy efficient light./ http://www.fresh2.com/
6. The Bright Future of Indoor Air Quality! / http://www.ozonelite.com/index.html