Хто насправді винайшов електричну лампочку?

Олександр Міцкевічус

Відповіді на цей, здавалося б, просте запитання можна почути різні. Американці, безсумнівно, будуть наполягати, що це був Едісон. Англійці скажуть, що це їхній співвітчизник Сван. Французи, можливо, згадають "російський світ" винахідника Яблочкова, який почав освітлювати вулиці та площі Парижа в 1877 році. Хтось назве ще одного російського винахідника - Лодигіна. Ймовірно, будуть і інші відповіді. Так хто ж правий? Так мабуть, все. Історія електричної лампочки являє собою цілий ланцюг відкриттів і винаходів, зроблених різними людьми в різний час.

Перш ніж перейти до хронології винаходу електричної лампочки, хотілося б відзначити, а що ми маємо на увазі під поняттям "електрична лампочка". Перш за все, це джерело світла, прилад, пристрій в якому відбувається перетворення електричної енергії в світлову. А ось способи перетворення можуть бути різними. У XIX столітті цих способів було відомо кілька. Тому, вже тоді з'явилися кілька типів електричних ламп: дугові, розжарювання і газорозрядні. Електрична лампа - це технічна система, тобто сукупність окремих елементів, необхідних для виконання головної корисної функції - освітлення.

Історія появи і розвитку електричної лампи невіддільна від історії електротехніки, яка починається з відкриття електричного струму в XVIII столітті. Пізніше, в XIX столітті, по всьому світу прокотилася хвиля відкриттів, пов'язаних з електрикою. Пішла як би ланцюгова реакція, коли одне відкриття відкривало дорогу подальшим. Електротехніка з розділу фізики виділилося в самостійну науку, над розвитком якої працювали ціла плеяда вчених і винахідників: француз Андре-Марі Ампер (фр. Andre Marie Ampere), німці Георг Ом (нім. Georg Simon Ohm) і Генріх Герц (нім. Heinrich Rudolf Hertz), англійці Майкл Фарадей (Michael Faraday) і Джеймс Максвелл (James Maxwell) і інші.

Дивовижний XIX століття, що заклав основи науково-технічної революції, так змінила світ, почався з винаходу гальванічного елемента - хімічного джерела струму (вольтова стовпа). Цим надзвичайно важливим винаходом італійський вчений А.Вольта зустрів новий 1800 рік. А вже в 1801 році професору Петербурзької медико-хірургічної академії Василю Петрову вдалося умовити начальство придбати для свого фізичного кабінету найпотужнішу на той час електричну батарею, що складається з 4200 пар гальванічних елементів. Проводячи досліди з цією батареєю, Петров в 1802 році відкрив електричну дугу - яскравий розряд, який виникає між зведеними на певну відстань вугільними стрижнями-електродами. Він же і запропонував використовувати дугу для освітлення.

Однак, при практичній реалізації цієї ідеї виникло багато складнощів. Досліди показали, що дуга горить яскраво і стійко тільки при певній відстані між електродами. А під час горіння дуги вугільні електроди поступово згоряють, збільшуючи дугового проміжок. Був потрібен механізм-регулятор для підтримки постійного відстані між електродами.

Винахідники пропонували різні рішення. Але всі вони мали той недолік, що не можна було включити кілька ламп в один ланцюг. Доводилося використовувати для кожного світильника своє джерело живлення. Цю проблему вирішив в 1856 році винахідник А.І.Шпаковскій, створивши освітлювальну установку з одинадцятьма дуговими лампами, забезпеченими оригінальними регуляторами. Ця установка висвітлювала Красну площу в Москві під час коронації Олександра II.

У 1869 році ще один російський винахідник В.І.Чіколев застосував до дугового лампі диференціальний регулятор і використовував його в потужних морських прожекторах. Подібні регулятори використовуються досі у великих прожекторних установках. На жаль, всі регулятори горіння дуги були ненадійними і дорогими.

Вирішальну роль в переході від дослідів з електрики до масового електричному освітленню зіграв російський електротехнік Павло Миколайович Яблочков [1]. Свої роботи Яблочков почав в Росії, організувавши в 1875 році в Петербурзі майстерню фізичних приладів. В цьому ж році йому і прийшла ідея створити просту і надійну дугову лампу. Однак фінансовий крах підприємства змусив Яблочкова в 1876 році виїхати в Париж, де він продовжив свої роботи над дугового лампою в знаменитій фірмі з виготовлення годин і точних приладів Бреге (Breguet).

Проблема стояла все та ж - потрібен був регулятор. Ідея прийшла як завжди несподівано. Допоміг випадок. Напружено думаючи над цією проблемою, Яблочков зайшов перекусити в невелике паризьке кафе. Прийшов офіціант. Яблочков, продовжуючи думати про своє, машинально дивився, як той ставить блюдо, кладе ложку, вилку, ніж ... І раптом ... Яблочков різко піднявся з-за столу і пішов до виходу. Він поспішав до себе в майстерню. Рішення знайдено! Просте і надійне! Воно прийшло до нього, як тільки він глянув на лежать поруч, паралельно один одному, столові прибори.

Так, саме так треба розташувати в лампі вугільні електроди - не горизонтально, як у всіх колишніх конструкціях, а паралельно (!). Тоді обидва будуть вигоряти абсолютно однаково, і відстань між ними завжди буде постійним. І ніякі складні регулятори не потрібні [2].

Паризький офіціант і не підозрював, що став як би співавтором винаходу. Але хто знає, чи не поклади він тоді перед Яблочкова настільки акуратно ніж і ложку, може, і не осінила б винахідника блискавична здогадка. Правда, "підказка" офіціанта знайшла благодатний грунт. Адже Яблочков шукав своє рішення навіть за столиком кафе, чекаючи замовлення. До речі, це чудовий приклад застосування асоціативного мислення в рішенні складної технічної задачі. З іншого боку цей випадок є прикладом вирішення технічної проблеми, коли ідеальним пристроєм (в даному випадку регулятором) є те, чого насправді немає, але функції виконуються.

Звичайно, це була тільки ідея, а не повне вирішення проблеми - створення недорогий і надійної лампи. Знадобилося виконати ще багато роботи, щоб цього досягти. Перш за все, при паралельному розташуванні електродів дуга може горіти не тільки на кінцях електродів, а й по всій їх довжині, а швидше за все, скотиться до їх основи - до струмопідвідного затискачів. Ця проблема була вирішена шляхом заповнення простору між електродами ізолятором, який поступово згорав разом з електродами.

Склад цього ізолятора ще потрібно було підібрати, що і було зроблено, застосувавши для цього глину (каолін). А як запалити лампу? Тоді нагорі, між електродами була поміщена вугільна тоненька перемичка, яка горіла в момент включення, підпалюючи дугу. Залишалася ще проблема нерівномірного згоряння електродів, пов'язана з полярністю струму. Оскільки електрод "+" згорав швидше, його спочатку доводилося робити товщі. Іншим, геніальним, рішенням цієї проблеми стало застосування змінного струму.

Конструкція дугового лампи виявилася простою: два вугільних стержня розділені ізолюючим шаром каоліну і укріплені на простий підставці, нагадує свічник. Згорали електроди рівномірно, і лампа давала яскраве світло, причому досить тривалий час. Така "електрична свічка" була проста у виготовленні, і коштувала дешево.

У 1876 році російський винахідник представив свій винахід на Лондонській виставці. А рік потому підприємливий француз Денейруз домігся установи акціонерного товариства "Товариство вивчення електричного освітлення за методами Яблочкова". Лампи Яблочкова з'явилися в найбільш відвідуваних місцях Парижа, на вулиці - Авеню де ль'Опера і на площі Опери, а також в магазині "Лувр" тьмяне газове і рідинне висвітлення замінили матові кулі, які світилися білим, м'яким світлом. Почався тріумфальний хід "La lumiere russe" (Російського світу) по світу. За два роки свічка Яблочкова завоювала весь Старий світ, поширившись на Сході до палаців перського шаха і короля Камбоджі.

Мал. 1. Павло Миколайович Яблочков і його свічка.

У 1876-77 роках були отримані кілька французьких патентів, як на конструкцію самої лампочки, так і на системи їх живлення. Виробництво було поставлено на промислову основу. Невеликий завод в Парижі виробляв більше 8000 свічок в день і кілька десятків електричних генераторів на місяць. Однак незабаром всьому цьому благополуччю прийшов кінець. Свічка Яблочкова почала поступово витіснятися більш дешевої і довговічною лампою розжарювання.

Прийнято вважати, що винахідником лампи розжарювання є знаменитий американський винахідник Томас Альва Едісон (Thomas Alva Edison). 21 грудня 1879 року газеті "New York Herald" з'явилася стаття про новий винахід Т.А.Едісона - "Edison's light" (едісоновськой світло), про лампу розжарювання з вугільною ниткою. Через кілька днів 1 січня 1880 р 3 тисячі людей були присутні в Менло-Парку (США) на демонстрації електричного освітлення для будинків і вулиць. А 27 січня того ж року їм було отримано патент США № 223898 "Electric-Lamp" (див. Рис. 2.). Все це так. Але в дійсності, історія з цим патентом і з лампою розжарювання набагато складніше і цікавіше.

Мал. 2. Патент Томаса А. Едісона на електричну лампу

Перші досліди з накаливанием провідників електричним струмом проводилися ще на початку XIX століття англійським ученим Деві (Humphry Davy). Одні з перших спроб застосувати розжарювання провідників струмом, саме з метою висвітлення, проводилися в 1844 році інженером де-Молейном, який розжарював платинову дріт, вміщену всередину скляної кулі. Ці експерименти не приносили бажаних результатів, тому що платинова дріт занадто швидко переплавлялися.

У 1845 році в Лондоні Кінг замінив платину паличками вугілля і отримав патент "Застосування розжарених металевих і вугільних провідників для освітлення".

У 1954 році, за 25 років до Едісона німецький годинникар Генріх Гебель представив в Нью-Йорку перші, які підходять для практичного застосування, лампи розжарювання з вугільними нитками з терміном горіння близько 200 годин. Як нитки він застосував обвуглену бамбукову нитку товщиною 0, 2 мм, вміщену в вакуум. Замість колби Гебель з міркувань економії використовував спочатку флакони від одеколону, а пізніше - скляні трубки. Вакуум у скляній колбі він створював шляхом заповнення та виливання ртуті, тобто за допомогою методу, що застосовувався при виготовленні барометрів.

Створені лампи Гебель використовував для освітлення свого годинного магазину. Щоб поліпшити своє фінансове становище, він роз'їжджав по Нью-Йорку на візку і пропонував всім охочим подивитися на зірки в підзорну трубу. Коляска, при цьому, була прикрашена його лампочками. Таким чином, Гебель став першою людиною, хто використовував світло в рекламних цілях. Через відсутність грошей і зв'язків німецький емігрант не зміг отримати патент на свою лампу з вугільною ниткою і про його винахід швидко забули.

З 1872 року Олександр Миколайович Лодигін почав в Петербурзі досліди по електричному освітленню. В його перших лампах між масивними мідними стрижнями, розташованими в герметично закритій скляній кулі, була затиснута тонка паличка вугілля. Незважаючи на недосконалість лампи в цьому ж році банкір Козлов в товаристві з Лодигіним заснував товариство для експлуатації цього винаходу. Академія наук присудила Лодигіна премію Ломоносова в 1000 рублів.

Побудовані Лодигіним лампи розжарювання з вугільним стрижнем в 1874 році були використані для освітлення петербурзького Адміралтейства. У 1875 році на чолі товариства став Кон, що випустив під своїм ім'ям вдосконалену лампу Лодигіна, спроектовану В.Ф.Дідріхсоном. У цій лампі вуглинки поміщалися в вакуумі, і перегоріли вугіллячко автоматично замінювався іншим. Трьома такими лампами протягом двох місяців висвітлювався в 1875 році магазин білизни Флорана в Петербурзі, а також, за пропозицією П. Струве, висвітлювалися під водою кесони при будівництві Олександрівського мосту через Неву.

У 1875 році Дідріхсон почав виготовляти вуглинки з дерева, шляхом обвуглювання дерев'яних циліндриків без доступу повітря в графітових тиглях, засипаних вугільним порошком.У 1876 році після смерті Кона товариство розпалося. Подальше вдосконалення лампи було зроблено Н.П. Булигін в 1876 році. У його лампі розжарюються кінець довгого вуглинки, висувався автоматично по мірі обгорання його кінця. Конструкція ламп виявилася непростою і нетехнологічною у виготовленні, а тому недешевої, хоча постійно піддавалася удосконалення.

В кінці 70-х років того ж століття на одній з Північно-Американських верфей будували кораблі для Росії, і коли настав час їх приймати, туди поїхав лейтенант російського флоту А. Н. Хотинський. Він взяв з собою кілька ламп розжарювання Лодигіна. Винахід вже тоді був запатентований у Франції, Росії, Бельгії, Австрії та Великобританії. Він показав російські лампи винахіднику на ім'я Томас Едісон, який в той час також працював над проблемою електричного освітлення.

Зараз важко встановити наскільки описане обставина вплинула на винахід Едісона. Однак, врешті-решт, завдяки його роботам був здійснений якісний стрибок в удосконаленні лампи розжарювання. Ніяких революційних змін в лампочку Лодигіна Едісон не вніс. Його лампа була скляну колбу з вугільною ниткою, з якої викачане повітря, правда, набагато ретельніше, ніж у Лодигіна. Але заслуга Едісона, перш за все в тому, що він винайшов і створив надсістему для цієї лампи і поставив її виробництво на потік, що призвело до сильного здешевлення вартості. Він придумав для лампи гвинтовий цоколь і патрон до неї, винайшов запобіжники, вимикачі, перший лічильник енергії. Саме з лампочки Едісона, електричне освітлення стало дійсно масовим, прийшовши в будинку простих людей.

На особливу увагу заслуговує підхід Едісона до вирішення проблеми знаходження матеріалу для нитки розжарювання. Він просто пішов шляхом перебору всіх доступних йому речовин і матеріалів (метод проб і помилок). Едісон перепробував 6000 речовин, що містять вуглець, від звичайних швейних ниток, покритих вугіллям, до продуктів харчування і смоли. Кращим виявився бамбук, з якого був зроблений футляр японського пальмового віяла. На цю титанічну роботу пішло близько двох років [3].

По інший бік Атлантичного океану, в Англії, приблизно в той же час що Лодигін і Едісон, над електричною лампочкою працював сер Джозеф Вільсон Сван (Sir Joseph Wilson Swan). В якості елемента напруження він використовував обвуглену бавовняну нитку і також викачував з колби повітря. Сван отримав Британський патент на свій пристрій в 1878 році, приблизно за рік до Едісона. Починаючи з 1879 року, він почав встановлювати електричні лампи в англійських будинках. Організувавши в 1881 році компанію "The Swan Electric Light Company" почав комерційне виробництво ламп. Пізніше Сван об'єднався з Едісоном для комерційної експлуатації єдиної торгової марки "Edi-Swan".

Зі сказаного випливає, що у електричної лампи розжарювання на самому ранньому етапі було кілька винахідників. Майже всі вони мали патенти. Що стосується самого відомого з них, американського патенту Едісона, то він був визнаний судом недійсним до закінчення терміну дії охоронних прав. Суд визнав, що лампа розжарювання була винайдена Генріхом Гебелем за кілька десятиліть до Едісона.

У 1890 році Лодигін запатентував в США лампу з металевою ниткою з тугоплавких металів - осьми, іридію, родію, молібдену і вольфраму. Лампи Лодигіна з молібденової ниткою були виставлені на паризькій виставці 1900 року і мали такий великий успіх, що в 1906 році американська компанія "General Electric" купила у нього цей патент. Найцікавіше, що компанія "General Electric" була організована самим Томасом Едісоном. На цьому заочну суперечку великих винахідників був закінчений.

Однак вдосконалення лампи розжарювання на цьому не закінчилося. C 1909 року стали застосовуватися лампи розжарювання з зигзагоподібно розташованої вольфрамовою ниткою, а в 1912-13 роках з'явилися лампи, наповнені азотом і інертними газами (Ar, Kr). І нарешті, останнє удосконалення початку XX століття - вольфрамову нитку стали виготовляти, перш за все, у вигляді спіралі, а потім у формі биспирали (спіралі, навитої з спіралі) і тріспіралі. Електрична лампа розжарювання, нарешті, набула вигляду, який ми звикли її бачити.

Так хто ж винайшов електричну лампочку? Вже були названі імена: Петров, Шпаковський, Чиколев, Яблочков, Едісон, Деві, Кінг, Гебель, Лодигін, Сван. Здавалося б досить. Але якщо взяти "Малий енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона" випущений на початку XX століття, то там можна прочитати: Лампочки розжарювання представляють собою скляний ковпачок, з якого викачане повітря, і де поміщається вугільна або металева нитка, що розжарюється електричним струмом. Вугільна нитка видобувається обугливанием волокон бамбука (лампочки Едісона), шовку, бавовняного паперу (лампочка Свана). З кінця 1890-х рр. з'явилися нові лампочки розжарювання: замість вугільної нитки накалюванню піддається стерженек спресований з вогнестійких речовин: окису магнію, торію, цирконію і ітрію (лампочка Нернста) або нитка з металевого осмію (лампочки Ауера) і танталу (лампочки Больтона і Фейерлейна).

Як видно з'явилися ще нові імена - Нернст, Ауер, Больтон, Фейерлейн. При бажанні, провівши більш поглиблений пошук, цей список можна ще поповнити.

Ймовірно, шукати однозначну відповідь на питання "Хто винайшов електричну лампочку" безглуздо. Багато винахідників доклали до цього свій розум, знання, праця і талант. І це стосується тільки типів лампочок отримали розвиток на початковому етапі впровадження електричного освітлення: дугових і розжарювання.

Ще на самому початку розвитку ламп розжарювання було помічено, що вони мають низький ККД, тобто дуже невеликий відсоток енергії електричного струму переходить в світлову енергію. Тому тривали пошуки інших способів перетворення електричної енергії в світлову, і робилися спроби їх використання в нових типах електричних джерел світла. Такими джерелами світла стали газорозрядні лампи - прилади, в яких електрична енергія перетворюється в оптичне випромінювання при проходженні електричного струму через гази та інші речовини (наприклад, ртуть).

Перші експерименти з газорозрядними лампами починалися практично одночасно з лампами розжарювання. У 1860 році в Англії з'явилися перші ртутні розрядні лампи. Однак аж до початку XX століття всі ці експерименти були нечисленними і залишалися тільки експериментами, без реального практичного застосування.

У першому десятилітті XX століття, в період масового впровадження електричного освітлення за допомогою ламп розжарювання, інтенсифікуються роботи над газорозрядними лампами, що призводить до низки винаходів і відкриттів. У 1901 році Петер Купер Хьюїт (Peter Cooper Hewitt) винаходить ртутну лампу низького тиску. У 1906 році винайдена ртутна лампа високого тиску. 1910 рік - відкриття галогенного циклу. Неонова лампа була розроблена французьким фізиком Жоржем Клауді (Georges Claude) в 1911 році і дуже швидко знайшла застосування в рекламних цілях.

У 20 - 40-ті роки роботи над газорозрядними лампами тривали в багатьох країнах, що призводило до вдосконалення вже відомих типів ламп і до відкриття нових. Були розроблені: натрієва лампа низького тиску, люмінесцентна лампа, ксенонова лампа та інші. У 40-ті роки почалося масове застосування люмінесцентних ламп для освітлення.

Пізніше були винайдені і інші типи електричних лам: натрієві високого тиску; галогенні; компактні люмінесцентні; світлодіодні джерела світла та інші. Зараз в світі загальне число типів джерел світла налічується близько 2000 [4].

Не дивлячись на таку величезну кількість типів електричних ламп, винахідницька думка не стоїть на місці. Уже відомі джерела світла продовжують удосконалюватися. Прикладом такого вдосконалення, може служити створення в 1983 році компактних люмінесцентних ламп, які стали розміром зі звичайну лампу розжарювання. Для їх включення не потрібно спеціальної пускової апаратури, вони підключаються до стандартного патрону для ламп розжарювання, і найголовніше, при однаковій кількості вироблюваного світла ці лампи споживають в декілька разів менше електроенергії і служать у декілька разів довше. В останні роки такі енергозберігаючі лампочки знаходять все більше застосування, не дивлячись на їх поки ще більшу вартість, ніж у традиційних ламп розжарювання.

Однак і на цьому винахідницька думка не зупиняється. Майже одночасно, дві американські фірми Technical Consumer Products (TCP) і O · ZONELite випустили на ринок флуоресцентні енергозберігаючі лампочки з новими несподіваними властивостями. Як стверджують ці виробники, їх лампочки Fresh2 [5] і O · ZONELite [6] (обидві назви є зареєстрованими торговими марками) крім освітлення приміщення також усувають неприємні запахи, очищають повітря, вбивають бактерії, віруси і грибки. Хіба це не диво?

Секрет в тому, що лампочки покриті двоокисом титану (TiO2), при опроміненні якої флуоресцентним світлом виникає фотокаталітична реакція. В ході цієї реакції випускаються негативно заряджені частинки - електрони, а на їх місці залишаються позитивно заряджені "дірки". Завдяки появі комбінації плюсів і мінусів на поверхні лампочки, що містяться в повітрі молекули води, перетворюються в дуже сильні окислювачі - радикали гідроокису (HO), через що ці лампочки і володіють такими незвичайними і чудовими властивостями.

Мал. 3. Газорозрядні флуоресцентні енергозберігаючі лампи Fresh2 і O • ZONELite

Як видно з рисунку 3 ці лампочки навіть зовні дуже схожі, та й характеристики їх приблизно однакові. Звертає на себе увагу спиралевидная форма обох ламп. Їх творці пішли на це для збільшення світловіддачі, точно також як і їх попередники - творці ламп розжарювання. Ось вже дійсно, історія рухається по спіралі.

Можна зробити висновок, що газорозрядні лампи в останні роки завойовують все більшу популярність навіть у побутовому освітленні, витісняючи лампи розжарювання. Вони споживають менше енергії, так само прості в експлуатації і можуть мати ще цілу низку чудових і корисних властивостей. Більш висока ціна, яка поки ще стримує поширення цих ламп, компенсується 8-10 кратної тривалістю служби і 3-5 кратним ККД. А при більш масовому виробництві ціна буде поступово знижуватися. А якщо ще врахувати всі зростаючі енергетичні та екологічні проблеми, які викликають збільшення вартості електроенергії і змушують вводити жорсткі заходи економії, то стане зрозуміло, що перспективи у компактних флуоресцентних ламп дуже райдужні. І в найближчі роки альтернативи у них практично немає.

Але, ніщо не стоїть на місці. Хоча останні 100 років в розвитку світлотехніки пройшли під переможний хід газорозрядних ламп, з'явилися й інші типи джерел світла. Найперспективнішим наразі видається напрямок, пов'язаний з використанням світлодіодних джерел світла, тому що вони мають ще більшим ККД, ніж газорозрядні лампи.

Перші промислові світлодіоди з'явилися ще в 60-х роках XX століття. Однак, невелика потужність не дозволяла їх використовувати для освітлення. Вони знайшли застосування в якості індикаторів в різних електронних пристроях, зокрема, в мікрокалькуляторах, годинах і інших побутових і наукових приладах.

Так би все і тривало, якби людство не зіткнулося з проблемою енергозбереження. Виявилося, що на сьогоднішній день, у світлодіодів найвищий відсоток перетворення електричної енергії в світлову енергію. Не можна було не спробувати використовувати світлодіоди в якості джерел світла. Вони і знайшли, спочатку, застосування в ручних електричних ліхтариках. До того ж, це були ліхтарики невеликої потужності, які не дуже сильно світили, проте були мініатюрними, що дозволяло їх використовувати навіть у якості брелків.

Проблем у світлодіодних лампочок звичайно ще багато.Багато з них успішно вирішуються, тим більше що зараз в цей напрямок вкладає великі гроші великий капітал. І успіхи вже в наявності - в продажу вже з'явилися енергозберігаючі світлодіодні лампи.

Список літератури

1. Н.А.Капцов, Павло Миколайович Яблочков 1894-1944. ОГИЗ. Державне видавництво техніко-теоретичної літератури. Москва, Ленінград, 1 944.

2. В. Малов, Як паризький офіціант російському винахідникові допоміг. / Супутник ЮТ - науково-популярний дайджест / №4, 2001 / http://jtdigest.narod.ru/dig4_01/offic.htm

3. Я.І. Хургин, Так, ні, може бути ... - Москва, Наука, 1977, с.208

4. Історія освітлювальної техніки. / 2003-2005 ЗАТ 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