Ю.О. Беличенко. Электрическая лампочка

 

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

 

Говоря об использовании возможностей электричества, нельзя не сказать об источниках света и вспомнить открытие электрической дуги в 1802 году Василием Владимировичем Петровым.

 

 

Васи́лий Влади́мирович Петро́в (1761-1834 года) — русский физик-экспериментатор, электротехник-самоучка, ставший академиком Петербургской академии наук. История электрической лампочки началась именно тогда, когда профессор физики Василий Владимирович  Петров пропустил электрический ток по двум стержням из древесного угля.

 

 

Между ними дугой перекинулось пламя. Обнаружились не известные ранее свойства электричества — возможность давать людям яркий свет и тепло. Как ни странно, именно эта возможность менее всего заинтересовала ученого.

 

 

Он в основном обратил внимание на температуру пламени, настолько высокую, что в ней плавятся металлы. Открытие Петрова осталось незамеченным.  

 

 

Спустя десять лет электрическую дугу вновь открыл англичанин Гемфри Дэви. Но до появления электрической лампы оставалось еще 60 лет. Для  того  чтобы использовать электрическую дугу для освещения, было необходимо решить три задачи.

Во-первых, нужен был надежный и экономичный источник тока. Требовалась машина, вырабатывающая дешевый электрический ток. Существовавшие в то время гальванические батареи были громоздки, и на их изготовление требовалось много дорогого цинка.

Во-вторых, концы угольков, между которыми вспыхивала дуга, быстро сгорали в ее пламени. Расстояние между ними увеличивалось, и дуга гасла. Поэтому необходимо было найти способ поддерживать пламя не несколько минут, а сотни часов, т. е. создать удобный для пользования электрический светильник. Это оказалось самым трудным.

И наконец, в-третьих, нужен был способ «дробить электрическую энергию», другими словами, использовать вырабатываемый машиной ток для нескольких светильников, установленных в разных местах.

Если решению первой задачи послужило открытие Майклом Фарадеем эффекта возникновения электрического тока в изолированном проводе при его движении в магнитном поле, благодаря чему были построены первые генераторы электрического тока — динамомашины, то основной вклад в решение других задач для создания электрической лампочки внесли трое людей, по иронии судьбы родившихся в один и тот же 1847 год. Это были русские инженеры Павел Николаевич Яблочков, Александр Николаевич Лодыгин и американец Томас Алва Эдисон.

 

 

В семидесятых годах XIX столетия Александр Николаевич Лодыгин задумал собрать летательную машину с электрическим двигателем (электролёт), для которой просто необходим был фонарь. Он начинает свои первые опыты с лампами накаливания. Лодыгин создал «Товарищество электрического освещения Лодыгин и компания».

 

 

Весной 1873 г. в отдаленном районе Петербурга Пески состоялась демонстрация ламп накаливания системы Лодыгина. В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены электрическими. первая в мире электрическая лампочка Многие принесли с собой газеты для сравнения расстояния, на котором их можно было читать при керосиновом и электрическом освещении.

В 1871-1874 годах проводил опыты и демонстрации электрического освещения лампами накаливания в Адмиралтействе, Галерной гавани, на Одесской улице, в Технологическом институте. 

Первоначально Лодыгин пытался использовать в качестве нити накала железную проволоку. Потерпев неудачу, перешёл к экспериментам с угольным стержнем, помещённым в стеклянный баллон.

 

 

В 1874 году Лодыгин  получил патент на изобретение лампы накаливания  и Ломоносовскую премию от Петербургской академии наук. Лодыгин запатентовал своё изобретение во многих странах: Австро-Венгрии, Испании, Португалии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксонии и даже в Индии и Австралии. Он основал компанию «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°». Признание важности его труда вдохновило Лодыгина. Он совершенствовал свою лампочку, а его мастерская выпускала все новые ее разновидности. Но «Товарищество» для изготовления и продажи лампочек Лодыгина не выдержало конкуренцию со старыми способами освещения. Мастерскую закрыли, «Товарищество» распалось, о лампочках Лодыгина на некоторое время забыли. А. сам изобретатель поступил слесарем на завод.

С 1878 года Лодыгин занимался усовершенствованием водолазного аппарата, трудился над другими изобретениями. В 1894 году в Париже организовал ламповую фирму «Лодыгин и де Лиль»и в 1900 году участвовал во Всемирной выставке в Париже. В начале ХХ века Лодыгин начал заниматься летательным аппаратом вертикального взлёта.

 

 

Между Лодыгиным и другим русским изобретателем Яблочковым не один десяток лет шёл творческий спор спор о путях развития электрического освещения.

Яблочков Павел Николаевич (1847, Сердобский уезд Саратовской губернии — 1894 ) — русский электротехник, военный инженер, изобретатель и предприниматель; он считал, что отказ от дуги — ошибка Лодыгина и лампочки накаливания не смогут быть прочными и экономичными. Лодыгин, в свою очередь, упорно совершенствовал лампочку накаливания.

 

 

Яблочков  работал над усовершенствованием освещения дугой. Однако в таком светильнике приходилось постоянно пододвигать поставленные «носами» друг к другу электроды — они довольно быстро выгорали. Сначала пробовали делать это вручную, затем появились десятки различных регуляторов.Но для широкого применения такая система не годилась из-за ее сложности и, соответственно, ненадежности. В 1875 году  Яблочков предложил великолепное по своей простоте решение вопроса. Вместо того, чтобы помещать угольные стержни под углом или навстречу друг другу, Яблочков поместил их параллельно(!) друг другу и разделил слоем изолирующего вещества — каолина, испарявшегося по мере сгорания углей. Это приспособление, нашедшее себе обширное применение и по сейчас ещё не совсем исчезнувшее, получило название «свечи Яблочкова». 

Работая на Курской железной дороге, Павел Николаевич предложил поставить на паровозе поезда Александра II электрический фонарь для освещения пути. По мере сгорания стержней их сближал механический регулятор. Ток давала гальваническая батарея. Молодому изобретателю пришлось две ночи напролет провести на паровозе, беспрестанно подправляя регулятор.

 

 

Очень много пришлось поработать над выбором подходящего изолирующего вещества и над методами получения подходящих углей. Однако, уже в 1876 г. свечи Яблочкова появились в продаже и начали расходиться в громадном количестве. Они получили, главным образом, применение для уличного освещения. Каждая свеча стоила около 20 копеек и горела 1/3 часа; по истечении этого времени приходилось вставлять в фонарь новую свечу. Впоследствии были придуманы фонари с автоматической заменой свечей.

Изобретение это имело колоссальный успех, и «свеча Яблочкова» или «Русский свет» нашел широкое распространение во всех странах Европы.  Однако питание «свечей» постоянным током было неудобным. Уголь положительного электрода сгорал быстрее, ведь при образовании дуги анод, бомбардируемый электронами, разогревается до высоких температур. Анод делали массивным, но и это усложнение светильника не давало желаемого результат; Именно тогда, стараясь «уравнять в правах» электроды, Яблочков и предложил использовать переменный ток. Пожалуй, это решение по своей значимости было гениальным Оно сразу позволило решить две проблемы: сделать «свечу» удобной и экономичной и во многом улучшить конструкцию свечи Яблочкова.

 

 

Второй шаг в создании современной электропередачи был снова сделан Яблочковым и его помощником Иваном Филипповичем Усагиным (о нём чуть ниже). И достигалось это при помощи трансформаторов, изобретенных П. Н. Яблочковым и названных им по распространенной в то время терминологии «индукционными катушками». Яблочков был первый, применивший для освещения трансформаторы, которые в вышеописанной схеме включались у него вместо конденсаторов. Зачем трансформатор нужен?

 

 

Дуговые электрические лампы нельзя было включать в цепь параллельно — ведь зажигание такого светильника — это просто напросто короткое замыкание. Поэтому приходилось включать все лампы последовательно и одновременно. Яблочков вышел из этого положения с по мощью индукционных катушек-бобин с двумя обмотками, то есть, на нынешнем языке говоря, трансформаторов. Их первичные обмотки включались последовательно, а к вторичным присоединялись «свечи Яблочкова». Эти бобины трансформаторы были изготовлены Усагиным.

Таким образом Яблочков открыл способ «дробления света» и практически решил задачу применения переменного тока. При отключении одного из потребителей все остальные продолжали гореть. Индукционные катушки были известны до изобретения П. Н. Яблочкова. Например, железное кольцо Фарадея имело две обмотки. Наиболее совершенная катушка Румкорфа, изобретенная в 1848 г. Она использовалась в военном деле для взрывания мин и в узконаучных целях для постановки опытов. Индукционные катушки П. Н. Яблочкова впервые предназначались для трансформации переменного тока в промышленных целях.

 

 

Также Яблочков первый пытался менять окраску электрического света, прибавляя в испаряющуюся перегородку между углями различные металлические соли. Свеча Яблочкова не могла, конечно, долго удержаться ввиду её значительных неудобств: недолговечности и понижения светящейся точки по мере горения. Но все же она явилась первой, позволившей применить в более широких размерах электрическое освещение на улицах, площадях, в театрах, магазинах и т. п.

 

 

Изобретение П. Н. Яблочкова открыло широкие возможности практического применения электроэнергии. С помощью трансформаторов «электрические свечи» Яблочкова мощно и ровно осветили улицы Парижа, Лондона, Нью-Йорка и других крупнейших городов. «из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворцов шаха Персидского и короля Камбоджи».

 

 

«Русским светом» и «русским солнцем» называли её во всём мире. В Петербурге Яблочков осветил Литейный мост, площадь перед театром и некоторые заводы.

 

 

В 1876 г. П. Н. Яблочков получил патент на свое изобретение во Франции, а в 1877-1879 гг. и в ряде других стран.

 

 

А как же спор с Лодыгиным? Спора не было! Несмотря на различия во взглядах, Яблочков и Лодыгин относились друг к другу с уважением, вместе работали в научном обществе, организовывали журнал «Электричество». На заводе Яблочкова изготавливали и лампочки Лодыгина, который к тому времени внес усовершенствования в свое изобретение. Новая лампочка потребляла меньше тока и служила несколько сот часов.

Недостатком свечи Яблочкова был слишком сильный свет, который она давала — не менее 300 свечей. При этом она излучала столько тепла, в отличие от лампочки Лодыгина, что в небольшой комнате было невозможно дышать. Поэтому свечами Яблочкова пользовались для освещения улиц и больших помещений: театров, заводских цехов, морских портов. В свою очередь, лампочки накаливания не нагревали сколь-нибудь заметно помещение. Их можно было делать любой силы.

На парижской выставке 1881 г. свеча Яблочкова была признана лучшим способом электрического освещения. Но их стали использовать все реже, и вскоре сам изобретатель потерял к ним интерес.

После того как закрылся завод Яблочкова, Лодыгину не удалось наладить в России широкое производство своих ламп. Он уехал сначала в Париж, затем в Америку. Он узнал, что там изобретенная им лампочка носит имя Эдисона. Но русский инженер не стал доказывать свой приоритет, а продолжал работу над усовершенствованием своего изобретения.

 

Говоря о То́масе А́льва Эдисоне (1847-1931) следует отметить, что перед созданием своей лампочки в его руках побывала лампочка Лодыгина. Эдисон начал работу над лампой с угольной нитью накаливания, помещенной в стеклянный шар, из которого выкачан воздух. Он нашел способ выкачивать воздух из баллона лучше, чем это удавалось другим изобретателям.

 

 

Эдисон получил патент не на изобретение лампочки, а лишь на усовершенствование, поскольку приоритет оставался за Лодыгиным. Сам Лодыгин в Америке вернулся к опытам с нитью из тугоплавких металлов. Он и нашел самый подходящий материал для нити, использующийся до сих пор — вольфрам.