ЛАМПОЧКА НАКАЛИВАНИЯ

В шестидесятые годы основной областью применения электричества был телеграф. Семидесятые годы явились эпохой электрического освещения.

Растущие города, возникавшие большие здания и фабричные корпуса нуждались в новом источнике света, дающем более энергичное освещение, которое можно рассредоточить по отдельным многочисленным точкам.

Освещение становится основной областью применения электричества. Вместе с тем электрическое освещение привело к созданию промышленного типа генератора и центральной электрической станции, которые, в свою очередь, открыли электричеству путь в силовой аппарат промышленности.

На этих победоносных путях электричества в первый период его развития большую роль сыграли работы Эдисона. Эдисона прежде всего считают отцом современного электрического освещения.

Вместе с получением огня человек получил в свое распоряжение и первые источники света в виде костра, смоляных факелов и лучины. Постепенно совершенствуясь, эти первобытные источники света были заменены фитильными светильниками, получившими широкое распространение еще в глубокой древности. Столицы Египта, Ассирии и Вавилонии применяли фитильные лампы больших размеров даже для освещения улиц.

Следующим шагом явилось применение восковых, стеариновых и парафиновых свечей и усовершенствование масляных ламп.

В шестидесятые годы XVIII века были введены ламповые стекла, а в восьмидесятые — полые фитили. В середине XIX века получает распространение керосин. Это дало большой толчок дальнейшему развитию освещения. В начале XIX века было введено одновременно в Англии и во Франции газовое освещение; в России оно появилось в 1835 году в Петербурге. Впоследствии газовое освещение было усовершенствовано в очень значительной степени Ауэром, применившим в 1892 году калильные сетки. Это позволило ему еще долго выдерживать борьбу с электричеством.

Мы не будем останавливаться на истории развития освещения. Приведем лишь один факт из области борьбы против «света».

В «Кёльнише Цейтунг» за 1818 год было помещено воззвание, адресованное тем гражданам, которые являлись сторонниками уличного освещения. Оно гласило:

1. Уличное освещение с теологической точки зрения есть вмешательство в божий распорядок: ночь нельзя превращать в день.

2. С медицинской точки зрения — ночное пребывание на улицах будет увеличивать заболевания.

3. С философской точки зрения — уличное освещение должно способствовать упадку нравов.

4. С полицейской точки зрения — оно делает лошадей пугливыми, а преступникам помогает.

5. С общественной точки зрения — публичные празднества имеют назначением создать подъем национального чувства, важное значение при этом имеет иллюминация; существование же постоянного уличного освещения значительно ослабит эффект, производимый иллюминацией.

В XIX веке появился целый ряд новых достижений, обеспечивших победоносное развитие электрических источников света. Напомним основные этапы этого движения.

Тепловые действия электрического тока были замечены уже вскоре после открытия Александром Вольта в 1800 году гальванического элемента, когда представилась возможность получить ток, достаточно сильный для того, чтобы раскалить тонкий проводник, соединяющий полюсы гальванической батареи.

В 1802 году профессор физики петербургской Военно-медицинской академии В. В. Петров при опытах с батареей из большого числа медных и цинковых кружков получил вольтову дугу. Между двумя кусками угля при этом появился «весьма яркий белого цвета свет, от которого темный покой довольно ясно освещен быть мог».

В 1808 году Дэви повторяет опыт с получением вольтовой дуги. Ему почти в течение целого столетия приписывали честь этого открытия.

Впервые вне лаборатории и классной комнаты вольтова дуга была применена в 1845 году в Парижской опере, чтобы производить эффект восходящего солнца. Появление вольтовой дуги в этой роли произвело такое сильное впечатление, что более предприимчивые директора театров решили применить ее для того, чтобы при помощи линз и оптических призм воспроизвести эффект светящихся фонтанов, искусственной радуги и молнии. В то время, однако, получение постоянного и ровного света было крайне затруднительно. Концы углей сгорали, расстояние между ними увеличивалось, дуга ослабевала, а затем и совсем гасла. Необходимо было специальное механическое приспособление — регулятор, — чтобы сдвигать угли, между которыми возникала вольтова дуга, и таким образом удерживать их постоянно на одном и том же соответствующем расстоянии друг от друга. Первый регулятор был сконструирован в 1845 году Райтом в Лондоне. Далее следует целый ряд усовершенствований во взаимном расположении углей. Так, например, в 1846 году Стайт и Эдвардс в Лондоне получили патент на несколько регуляторов, причем угли помещались в наклонном положении по отношению друг к другу.

В 1876 году выдающийся русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков получает во Франции первую привилегию на свою «электрическую свечу». Вместо того чтобы помещать стержни вольтовой дуги вертикально один над другим, Яблочков поставил их рядом, разделив тонким слоем изолирующего вещества. Благодаря такой форме вольтова дуга, образующаяся между концами стержней, напоминала пламя свечи. Угли сгорали подобно тому, как сейчас сгорает свеча. Это изобретение вскоре получило широкую известность как «свеча Яблочкова».

Яблочков применил в своей лампе (1877—1878 гг.) в качестве калильного тела стерженьки из каолина и смеси его с магнезией, которые при высокой температуре являются проводниками электрического тока. Вольтова дуга была единственным источником электрического освещения. Яблочков осветил электрическими свечами бульвары Парижа. В 1877 году во всем мире было только восемьдесят регулярно работавших электрических ламп.

В первое время дуговая лампа должна была обслуживаться отдельной динамо-машиной, соединенной с первичным двигателем. В дальнейшем Яблочкову удается разрешить задачу центрального снабжения энергией целой установки электрических ламп его системы, включенных в одну особую цепь, то есть разрешить задачу дробления электрического света.

Необходимо подчеркнуть, что многие выдающиеся физики и химики Европы и Америки решительно возражали против самой возможности «дробления световой энергии». В Англии парламент назначил даже специальную комиссию из крупнейших ученых для решения этого вопроса. Заключение ее было крайне неблагоприятно. Комиссия высказалась в том смысле, что деление электрического света представляет собой задачу, для человека непосильную.

«Свеча Яблочкова» не только открыла эпоху электрического освещения, но и была первой точкой, в которую поступала только небольшая порция всей электрической энергии, создаваемой генератором.

Дуговые лампы до сих пор применяются в прожекторах, кинопроекторах, маяках и т. п.

Однако мощность дуговых ламп была велика, стоимость эксплуатации слишком высока. Изобретательская мысль работала по пути создания электрической лампы накаливания.

Опыты показали, что большинство раскаленных проводников окисляется настолько быстро, что абсолютно невозможно продолжительно накаливать их в воздухе. В результате многочисленных исследований определенно наметились два пути, которые легли в дальнейшем в основу всех работ по созданию электрических источников света. Эти два пути, которые не потеряли своего значения и до настоящего времени, заключаются, с одной стороны, в стремлении найти тела, наиболее тугоплавкие и неизменяющиеся при высокой температуре, а с другой — в создании таких условий, при которых раскаленное тело не подвергалось бы разрушительному действию кислорода. Это последнее условие достигается либо выкачиванием из баллона лампы содержащегося в ней воздуха, либо наполнением ее инертным газом. Первым металлом, который пытались применить в качестве калильного тела в электрических лампах, была платина. Точка плавления ее сравнительно высока, около 1750° С. В то же время платина не изменяется на воздухе даже при температуре каления.

В 1840 году изобретатель гальванического элемента Грове построил лампу (очень примитивной конструкции), в которой в качестве калильного тела была применена платина в виде спирали. Дороговизна платины, а также ее способность плавиться при напряжении лампы выше известного предела заставили искать другие тела накаливания. Внимание изобретателей направилось в сторону угля, могущего при известной температуре дать высокую мощность световых излучений.

Уголь обладает свойством переносить высокую температуру, не расплавляясь. Лишь при температуре около 3 300° С он переходит в размягченное состояние. Это важное свойство угля, а также его большая распространенность в природе по сравнению с дорогою платиною делали его очень подходящим материалом для изготовления калильных тел в электрических лампах. Однако уголь, получающийся непосредственно обугливанием органических веществ, не мог быть применен для этой цели вследствие своей пористости. Пришлось заняться отысканием специальных сортов угля. С другой стороны, уголь при накаливании жадно соединяется с кислородом, в присутствии которого сгорает. Это обстоятельство требовало создания таких условий, при которых не происходило бы это окисление. Естественным в данном случае выходом являлось накаливание угольной нити в среде, лишенной кислорода. Решение этой задачи пошло прежде всего по пути создания пустотных (вакуумных) электрических ламп накаливания.

В 1846 году Гебель построил первую угольную лампу. В этой лампе впервые в качестве калильного тела была применена нить, приготовленная из обугленных волокон бамбукового тростника. Чтобы предохранить нить от сгорания, Гебель помещал ее в стеклянный баллон, из которого удалялся воздух. Для этого баллон лампочки вместе с припаянной к ней трубкой предварительно наполнялся ртутью. Затем трубка открытым концом погружалась в ртуть, налитую в широкий сосуд. Благодаря этому в баллоне образовывалась барометрическая пустота, которая является тем вакуумом, при котором изобретатели пытались достигнуть предохранения угольного стерженька от окисления. Однако получившийся таким образом в баллоне вакуум был недостаточен, и угольный стерженек быстро перегорал. Потребовалось еще свыше тридцати лет, прежде чем идея Гебеля нашла свое практическое воплощение в работах Лодыгина и Эдисона, который вывел угольную лампу из лаборатории на широкую дорогу практического ее применения.

После первых успехов фонографа Эдисон решил в июле 1878 года недолго отдохнуть. Он принял участие в научной экспедиции астрономов в Раулинс (штат Вайоминг) для специальных наблюдений солнечного затмения. Эдисон решил испытать при этом свой тазиметр, о котором мы говорили выше. Затем он отправился на охоту в Колорадо. После двухмесячного отдыха изобретатель чувствовал себя готовым к новой борьбе, к новым исследованиям.

На обратном пути Эдисон посетил в Ансонии Вильяма Валаса, который работал над электрическими дуговыми лампами с угольными электродами. Подробно ознакомившийся с работами Валаса по дуговым лампам, Эдисон откровенно сказал ему на прощание: «Мне кажется, Валас, я побью вас в области электрического освещения. Мне кажется, что вы идете по ложному пути». Валас подарил Эдисону динамо-машину вместе с комплектом дуговых ламп для освещения лаборатории в Менло-Парке.

Эдисон вернулся в Менло-Парк и со свойственной ему способностью безгранично отдаваться овладевшей им идее принялся за работу над электрической лампой накаливания. После тщательного изучения вопроса Эдисон пришел к заключению о возможности разрешения проблемы широкого дробления электрического света. До 1879 года в научных кругах, как мы уже говорили, господствовало мнение, что разрешить эту задачу невозможно. Главная причина неудач, ранее постигших целый ряд экспериментаторов в Европе и Америке, заключалась в том, что они не занимались проблемой всей системы освещения, а только отдельной лампой. Эдисон направил всю свою энергию на разрешение именно этой проблемы и со свойственным ему увлечением углубился во все многообразие вопросов, связанных с разработкой всей системы освещения. Он поставил перед собой следующую задачу: помощью электричества получить чистый, ровный и негаснущий свет и притом настолько дешево, чтобы он мог конкурировать с газом. Из двух возможных систем — вольтовой дуги и лампы накаливания — Эдисон выбрал последнюю. Он стремился создать такой прибор, посредством которого каждый мог бы иметь свой источник света, не нуждаясь в специальной для этого станции.

В начале своих работ Эдисон также стал применять платину в качестве светящегося тела. Он изготовил лампу с платиновой проволокой, диаметром в 0,25 миллиметра и длиною около 9 метров, навитой на известковый цилиндр. При дальнейших работах по усовершенствованию платиновой лампы Эдисон покрывал тонкую платиновую проволочку слоем тугоплавких веществ, как окись циркония или церия, магнезия и другие. Обстоятельные исследования и опыты Эдисона и его сотрудников, главным образом Фрэнсиса Элтона, показали, что платина все же является материалом, мало пригодным для применения ее в лампах накаливания. Тогда Эдисон направляет свое внимание на угольную нить. Предыдущие опыты Эдисона с угольными микрофонами позволили ему широко изучить различные свойства угля, его удельное сопротивление, температуру плавления. И совершенно естественно, что мысль изобретателя напряженно работала в направлении всевозможного применения угля.

Еще ранее при своих опытах с благородными металлами (платина, иридий и их сплавы), употребляемыми в качестве нити накаливания, Эдисон установил решающее значение вакуума. В апреле 1879 года он проделал следующий опыт: сначала накаливал платиновую нить в воздухе и получил силу света в 4 свечи. Когда же он нить такой же длины стал накаливать в вакууме, то получил силу света в 25 свечей.

В настоящее время пустотные приборы получили громадное значение не только в лабораторной обстановке, но и в различных отраслях техники. Когда много лет тому назад ученики известного французского электротехника Блонделя обратились к нему с вопросом о том, в какой наиболее интересной области электротехники следует сейчас работать, Блондель им ответил: «Глядите в пустотные трубки». Этими словами Блондель подтвердил предсказание Максвелла, сделанное в семидесятых годах прошлого столетия, в котором утверждалось, что пустотная трубка бросает яркий свет на всю область науки об электричестве и даже на вопрос о строении вещества. И действительно, пустотная трубка явилась могучим орудием для целого ряда революционных открытий в технике и особенно в физике.

Каждый шаг вперед в технике высокого вакуума сопровождался важнейшими научными открытиями. Вакуум открыл дорогу новейшим победам в области электрических ламп. Огромная заслуга Эдисона заключается в том, что он один из первых в области осветительной техники обратил внимание на способы повышения вакуума. Благодаря своеобразной комбинации воздушных насосов он в октябре 1879 года был уже в состоянии получить вакуум (разрежение в колбе) почти в одну миллионную долю атмосферы. Это, правда, значительно меньше того вакуума, который техника дает возможность получить сейчас. Однако по тому времени это явилось очень крупным достижением.

Разрешив проблему вакуума, Эдисон мог идти дальше и сосредоточить все свое внимание на поисках материала, наиболее пригодного для нити накаливания.

В этот период в одну из своих рабочих ночей Эдисон сидел в лаборатории, обдумывая одну из очередных своих задач, и при этом рассеянно катал между пальцами кусок смешанной со смолою спрессованной сажи, которую он употреблял для телефона. Мысли изобретателя витали далеко, а в это время его пальцы механически превратили маленький кусочек сажи со смолою в тонкую нить. Когда Эдисон случайно на нее взглянул, у него возникла мысль попытать эту нить в лампе. Немедленно был поставлен опыт, который, к большому удовольствию изобретателя, дал положительный результат. Он стал производить дальнейшие опыты. Форма и состав вещества изменялись. После многочисленных упорных опытов Эдисон изготовил лампочку с обугленной хлопчатобумажной нитью (в виде подковы), помещенной в стеклянный баллон, из которого был тщательно выкачан воздух.

21 октября 1879 года Эдисон включил лампочку в электрическую цепь. В лампочке вспыхнул свет. Изобретатель увеличил силу тока, ожидая, что хрупкая нить не выдержит накаливания. Свет стал еще ярче. Эдисон продолжал повышать силу тока, пока не достиг температуры плавления алмаза. Лампочка, наконец, оказалась побежденной и погасла. Более сорока восьми часов подряд просидели Эдисон и его ближайший ассистент Бэчлор над этим новым открытием.

Так родилась электрическая лампа накаливания с угольной нитью, одно из крупнейших изобретений XIX века. Однако потребовалось еще около тринадцати месяцев упорной работы и затраты в 40 тысяч долларов, чтобы достигнуть результатов, могущих найти широкое практическое применение.

Все эти долгие месяцы Эдисон и его помощники работали с огромным напряжением. Надежды сменялись разочарованием. Работа кипела и днем и ночью. В конце концов у Эдисона разболелись глаза. В его записной книжке мы находим запись от 27 января 1879 года:

«Из-за сильного света у меня после семи часов работы заболели глаза, и я вынужден ее прекратить».

На следующий день он записал:

«Прошлой ночью испытывал адскую боль с 10 вечера и до 4 утра, когда заснул при помощи большой дозы морфия. К 4 дня глазам стало лучше, и они не так болят, но я потерял день».

Возникли и финансовые затруднения. Собственных средств Эдисона было недостаточно. С помощью представителя компании «Вестерн Юнион» Эдисон привлек к финансированию нескольких крупных предпринимателей, связанных с фирмой «Вестерн Юнион», банкирским домом Джона Пирпонта Моргана, компанией Нью-Йоркской надземной паровой железной дороги и другими. Они образовали Эдисоновскую компанию электрического освещения с капиталом в 300 тысяч долларов. По настоянию учредителей организация этой компании держалась в секрете.

Эдисон получил в свое распоряжение первые 50 тысяч долларов. Деньги были быстро израсходованы, эксперименты продолжались, появилась нужда в новых средствах. Банкиры сердились, они требовали практических результатов и грозили отказом в финансировании.

Нервозность обстановки усугублялась травлей, начатой против Эдисона. Слухи о его деятельности, несмотря на секретность, просочились в прессу. Поднялась паника среди акционеров газовых компаний. Репортеры и многие ученые вооружились дубинками против «самонадеянного фокусника». Они пытались доказать принципиальную невозможность превращения электрической энергии в световую.

Эдисон не сдавался. Он понимал, что голоса искренних, но заблуждающихся ученых тонут в инспирированном хоре голосов, побуждаемых коммерческими интересами. Уверенность Эдисона основывалась на опыте его предшественников. Ему были известны работы первого создателя лампочки накаливания — А. Н. Лодыгина. Военный приемщик крейсеров, строившихся в США для России, лейтенант А. М. Хотинский привез с собой лампы Лодыгина. Сила Эдисона состояла в созданной им совершенно новой системе научно-экспериментальной работы. Лампу накаливания не могли создать изобретатели-одиночки в маленьких мастерских и лабораториях. Эдисон организовал изобретательскую работу по принципу крупных предприятий. Он был гениальным техником-изобретателем, вместе с тем он был пионером крупной промышленной организации научно-экспериментальной работы.

Британская энциклопедия 1929 года в статье, посвященной освещению, подчеркивала, что не Эдисон был первым изобретателем лампы накаливания. В качестве первых изобретателей лампы накаливания статья называет А. Н. Лодыгина (Россия, 1872) и Джозефа Свана (Англия, 1877). Величайшая заслуга Эдисона была в том, что он первый создал практически осуществимую, а потому и широко распространившуюся систему электрического освещения лампами накаливания с прочной, обладающей высоким сопротивлением нитью накала, с высоким и устойчивым вакуумом и с возможностью подведения электрического тока к огромному количеству независимых друг от друга и от расстояния точек освещения.

21 декабря 1879 года на первой странице газеты «Нью-Йорк Геральд» появилась большая статья: «Триумф великого изобретателя в области электрического освещения». Газета излагала краткую историю электрического освещения, говорила о работах других лабораторий, ближайших предшественников Эдисона, в том числе Яблочкова и Лодыгина, довольно подробно освещала этапы работы Эдисона с вакуумной лампочкой — сначала с платиновой, а потом с угольной нитью, описывала процесс получения последней и подробно рассказывала о «блестящих результатах» и «великом открытии». В газете сообщалось, что «первая публичная демонстрация долго ожидаемого электрического света Эдисона… должна состояться под Новый год в Менло-Парке, причем последний будет освещен этим новым светом… Ученые и весь цивилизованный мир с нетерпением ожидают результатов этого вечера».

Утром 21 декабря в контору газеты, к ее заведующему репортажем Альберту Орру вбегает редактор газеты Томас Коннери. Он взволнован. В его руках утренний выпуск газеты. Орр удивлен появлением редактора в столь необычный для него час. Коннери, указывая на первую страницу газеты, восклицает:

— Мистер Орр, объясните мне, как подобное сообщение могло появиться в газете? Кто это только мог написать: «Свет передается по проводу»? Наша газета станет теперь посмешищем для публики… Разве вам неизвестно, что давно уже была доказана невозможность такого противоестественного явления?

Не успокаивают Коннери убеждения Орра и его сообщение, что статья написана одним из наиболее крупных и хорошо зарекомендовавших себя корреспондентов — Фоксом, газетным работником, наиболее близким к вопросам науки и техники.

— Как это только Фокс решился сыграть такую штуку с газетой? — продолжает совершенно расстроенный Коннери. — Немедленно разыщите его и пришлите ко мне… Мы должны что-то предпринять, чтобы избежать скандала…

С самого начала своих опытов в области электрического освещения и до момента первой публичной демонстрации электрических ламп в Менло-Парке Эдисон не допускал никого в свою лабораторию. До 21 декабря 1879 года в печати ничего не было опубликовано о каких-либо значительных этапах его работы.

Ровно через десять дней, в канун Нового года, состоялась демонстрация нового освещения в Менло-Парке. Из Нью-Йорка были направлены специальные поезда. Около трех тысяч человек, в том числе много видных общественных деятелей, поспешили в этот день в Менло, чтобы увидеть «странный яркий свет лампочек, подвешенных на проводе, протянутом между деревьями».

Семьсот лампочек освещали в этот вечер Менло-Парк.

Толпа заполнили здания лаборатории. Эдисон и его помощники давали объяснения. Внешне Эдисон ничем не отличался от своих товарищей, он был одет в рабочий костюм. Многие, ждавшие встречи с Эдисоном, рассчитывали увидеть маститого, важного, чисто одетого господина и были поражены, узнав, что один из молодых приветливых механиков, дававших объяснения, и есть Эдисон.

Не обошлось без инцидентов. Один из посетителей пытался при помощи медного провода вызвать короткое замыкание в линии. Эдисон добродушно велел прогнать его. Несколько ламп было украдено. Несмотря на предупреждение, многие заходили в помещение динамо-машины. У всех у них намагнитились и остановились часы. Рассказывали, что у одной нарядной девушки, близко подошедшей и наклонившейся к «Мэри-Анн» (так называли динамо-машину), выпали из волос все головные шпильки.

В последующие дни газеты были полны сообщениями о событии в Менло-Парке. Триумф Эдисона был общепризнан. Тем не менее было много заметок и статей, пытавшихся дискредитировать и самую идею и ее осуществление.

Современная электрическая лампа накаливания существенно отличается от первой лампы Эдисона, но важнейшие ее элементы в основном сохранили свою принципиальную основу до наших дней.

В первый период производства ламп Эдисон сосредоточил свое внимание на исходном материале для получения угольной нити. Обугленные бумажные нити, употреблявшиеся в его первых лампах, не удовлетворяли изобретателя. Он стал искать наиболее совершенный для этой цели материал. О поражающем масштабе этих исследований свидетельствуют лабораторные дневники, куда обычно ежедневно заносились работы, выполненные за данный день, и полученные при этом результаты.

Сперва Эдисон пытался применить в качестве исходного материала шелковые нити, всякого рода картоны, рисовальную бумагу, лески удочек, хлопчатобумажные нити, фибру, целлулоид, скорлупу ореха и кедра и т. д.

Он изучал под микроскопом структуру всех этих веществ. Однажды он испробовал листья бамбука. Оказалось, что наиболее подходящей является бамбуковая нить. Он решается искать лучшие сорта бамбука. В этих поисках сотрудники Эдисона, во многих случаях с риском для здоровья и даже с опасностью для жизни, проникают в Китай и Японию, в Южную Америку, на Кубу, во Флориду . — за пальмовыми растениями, на Ямайку — за тростниками, на Цейлон, в Индию и Гвиану.

В лаборатории Эдисона было произведено за этот период около шести тысяч обугливаний разных сортов бамбука и сахарного тростника. И около десяти примерно лет основным материалом для получения угольной нити оставался японский бамбук. Эдисон никогда не считал лучшим то, что уже имеет. На все эти искания Эдисон истратил около 100 тысяч долларов, но его исследования не прекращались.

В этих поисках, в исследовании, раскинутом на громадном пространстве мира, мы имеем пример тех методов, которыми производил свои опыты великий изобретатель.

Эдисон работал и над тем, чтобы получить нить для лампочки не только обугливанием волокон бамбука, но и способом прессования. Нитроклетчатка или нитроцеллюлоза растворялась в кислоте, полученная пластичная масса продавливалась через тонкие отверстия, полученные таким образом нити промывались, навивались на деревянные планки и просушивались, а затем сгибались (для придания им необходимой формы) и обугливались.