Да возгорится свет, да не одолеет его тьма: как появилась и эволюционировала электрическая лампочка

Мы не можем представить своей жизни без столь обыденной вещи, как электрическая лампочка. Она стала неотъемлемой частью повседневной реальности практически любого человека, мы воспринимаем ее как должное — и даже не вспоминаем о том, что каких-то 150 лет назад наши предки жили при свете восковых и стеариновых свечей, масляных и керосиновых ламп. За 230 с небольшим лет скромная электрическая лампочка прошла огромный путь: с момента, когда англичанин Эбенезер Киннерсли первым догадался разогреть проволоку до стадии накаливания, до того дня, когда японец Сюдзи Накамура окончательно довел до ума технологию изготовления синих светодиодов. Рассказывает Владимир Веретенников.

Первые шаги

По некоторым данным, первым, кто создал прообраз современной нити накала, был английский ученый и экспериментатор Эбенезер Киннерсли. Он специализировался на изучении свойств электрического тока — и в 1761 году в ходе очередного эксперимента продемонстрировал, что проволоку можно разогреть до стадии накаливания. Однако с практической точки зрения его находка оказалась бесполезной, ведь накаленная проволока имела обыкновение очень быстро плавиться или сгорать.

Кстати, в начале XIX века люди научились освещать помещения посредством нагревания куска оксида кальция до степени накаливания, для чего применялась только-только изобретенная кислородно-водородная горелка. В частности, такие «лампы» использовались в театрах: для освещения сцены.

В 1802 году британский исследователь Хэмфри Дэви, один из основателей электрохимии, сделал следующий шаг к зарождению лампочки. Он сконструировал гигантский примитивный аккумулятор, который установили в подвале Королевского института Великобритании. Дэви применил свой аккумулятор для того, чтобы пропустить электрический ток через тонкую полоску платины. Ученый выбрал именно этот металл по той причине, что он имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Однако получившаяся у него нить накаливания оказалась недостаточно яркой и прослужила очень недолго. Тем не менее данный эксперимент заложил фундамент под всю последующую работу, ведущуюся в этом направлении.

Последователи Дэви пробовали самые разные варианты: платиновую или иридиевую проволоку, углеродные стержни, помещая их в полностью или частично вакуумированные емкости.

К слову, Дэви также продемонстрировал прообраз дуговой лампы. Пропуская ток через два угля, он получил между концами углей огненный язык дугообразной формы, которому и дал название вольтовой дуги. В течение следующих сорока лет изобретатели потратили много усилий, чтобы превратить угольную дуговую лампу в практическое средство освещения.

Правда, сама угольная дуга оказалась тусклой и фиолетового цвета, излучая большую часть своей энергии в ультрафиолетовом диапазоне. Но если дуга питается постоянным током, на положительном электроде образуется углубление, сильно раскаленное вследствие удара потока электронов, летящих с большой скоростью от отрицательного электрода к положительному. Это раскаленное углубление — кратер дуги — и является собственно источником света, так как оно излучает около 85% всего светового потока дуги.

Первые дуговые лампы очень быстро сжигали свои углеродные стержни, выделяли опасный монооксид углерода (он же угарный газ) и, как правило, вырабатывали мощность в десятки киловатт. Следовательно, они могли использоваться лишь для освещения больших площадей.

Однако исследователи неутомимо пытались приспособить дуговые лампы для домашнего использования.

В июле 1835 года шотландский изобретатель Джеймс Боуман Линдсей в ходе публичного собрания, состоявшегося в городе Данди, продемонстрировал прообраз современной лампочки накаливания. К сожалению, детали его изобретения нам неизвестны, но, по утверждениям очевидцев, творение Линдсея позволяло в темноте «читать книгу на расстоянии полутора футов».

В 1838 году бельгиец Жан-Батист-Амбруаз-Марселин Жобар, увлекавшийся литографическим, а позже и фотографическим делом, предложил свой вариант лампы накаливания — он использовал очень несовершенную углеродную нить, помещенную в вакуум.

Через два года английский астроном Уоррен де ла Рю провел опыт, суть которого заключалась в пропуске электрического тока через платиновую проволоку, помещенную в стеклянный цилиндр с вакуумом внутри. Де ла Рю предположил, что свойства платины позволят ей работать при высоких температурах, а если она не будет контактировать с молекулами газа, то это увеличит долговечность конструкции. Но несмотря на то, что конструкция оказалась вполне работоспособной, стоимость платины делала ее непрактичной в плане коммерческого использования.

В следующем году ирландец Фредерик де Молейн получил патент «на производство электроэнергии и ее применения для освещения и движения». Концепция Молейна подразумевала, в частности, использование для освещения устройств с платиновой нитью в вакууме. Однако он так и не смог создать по-настоящему работоспособного устройства. В 1844 году американец Джон Старр запатентовал на родине, а годом позже и в Великобритании электрическую лампу с угольной нитью — но, опять же, не смог довести свое изобретение до стадии практического применения.

В 1851 году французский фокусник Жан Эжен Робер-Уден публично продемонстрировал лампу накаливания собственной конструкции, которую потом использовал во время своих представлений.

Дело о лампе Гебеля

Наступает очередь упомянуть о таинственном случае, относительно которого у современных историков науки до сих пор нет полного согласия. Бесспорно одно: в 1892 году суд в Нью-Йорке приступил к рассмотрению спора 74-летнего немецкого эмигранта Генриха Гебеля с прославленным Томасом Алвой Эдисоном. Немец пытался доказать, что патент Эдисона на электрическую лампочку не может быть действительным — поскольку он, Гебель, изобрел подобную лампочку еще в 1854 году! Дело Edison Electric Light Co против Columbia Incandescent Lamp Co привлекло тогда большое внимание публики. Впрочем, в глазах общественности никому почти не известный «выскочка» Гебель заведомо проигрывал Эдисону, уже являвшемуся на тот момент общепризнанной «звездой».

По словам Гебеля, он в 1854 году, как и Эдисон несколькими десятилетиями позже, использовал нить, полученную из бамбука, — толщиной в 0,2 мм. Она светилась значительно дольше, чем все остальные металлические нити, которые использовали в предыдущих экспериментах. В качестве стеклянной колбы Гебель, как он утверждал, сначала использовал флаконы от одеколона, а позднее — стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути (принцип барометра), а в качестве источника тока служила батарея, изобретенная еще в 1799 году итальянцем Алессандро Вольтой.

Гебель говорил судьям, что использовал эти лампы как для рекламы собственного магазина в Нью-Йорке, так и в повседневной жизни своей семьи. Кроме того, он смастерил телескоп собственной конструкции и предлагал всем желающим смотреть на звезды. Рекламу телескопа Генрих разместил в центре Нью-Йорка. Гебель уверял, что применил электрические лампы и для рекламы телескопа. Однако, по его словам, они тогда по разным причинам не нашли более широкого применения.

Суд привлек к этому делу многих лиц в качестве свидетелей. И что удивительно, не столь уж малое количество людей под присягой подтвердили, что собственными глазами видели электрические лампы Генриха Гебеля в 1850–1870-х годах. Причем это утверждали не только члены семьи Гебеля и их друзья, но и совершенно посторонние лица, которые просто проходили по улице мимо его магазина или заглядывали туда за покупками.

Всего в пользу Гебеля высказались 75 человек. Они говорили, что тысячи жителей Нью-Йорка видели лампы Гебеля, и уверяли, что его лампы горели 45, 87 и 166 часов. Для сравнения — первые лампы Эдисона на момент подачи им патентной заявки горели примерно 40 часов.

Впрочем, тут же были высказаны подозрения, что Гебель тайком подкупил «своих» свидетелей.

Однако примерно 70 с лишним свидетелей заявили совершенно противоположное: что они помнят только масляные лампы, горевшие в магазине Гебеля. В конечном итоге процесс закончился для Генриха неудачно: суд счел, что доказательств приоритета Гебеля недостаточно, и подтвердил патент Эдисона. 4 декабря 1893 года Генрих Гебель умер от пневмонии, а годом позже истек и срок патента Эдисона. Современные историки до сих пор спорят: врал Гебель о своей лампе или не врал? Впрочем, большинство сейчас склоняются к мнению, что всё же врал. Или нет?

Рабочий прототип

А вот факт, который уже не подлежит никакому сомнению: в 1859 году американский инженер Мозес Фармер создал электрическую лампу с платиновой нитью накаливания. Одиннадцать таких ламп Фармер разместил у себя дома в городе Салем — это было первое в мире жилище с электрическим освещением. Лампы Фармера попали и в продажу. Молодой Томас Эдисон позже увидел одну из этих лампочек в магазине в Бостоне — и тогда впервые задумался о том, чтобы завести бизнес в сфере технологий, связанных с использованием электричества.

В 1860 году британский химик и физик Джозеф Уилсон Суон получил патент на лампу накаливания с углеродной нитью, над которой работал в течение десяти лет. Увы, лампочка Суона работала недолго и неэффективно. Но пятнадцатью годами позже Суон вернулся к работе над лампой, получил в 1878 году новый патент — и годом позже публично продемонстрировал в Ньюкасле свое усовершенствованное творение: снижение количества кислорода в колбе дало возможность доводить нить до белого каления так, чтобы она не воспламенялась. В том же 1879 году началась установка электрического освещения в домах Великобритании.

В 1872 году русский техник Александр Николаевич Лодыгин окончил рукопись «Теория дешевого электрического освещения», в которой, в частности, утверждал:

Перейдя от слов к делу, Лодыгин предложил собственный вариант электрической лампочки. Он заменил помещенную в стеклянный баллон металлическую проволоку, которую использовали многие предыдущие исследователи, угольным стержнем.

Ток в его лампу подавался по проводам, которые проходили через оправу, закрывающую отверстие баллона. Первоначально лампа Лодыгина работала всего минут сорок, но он постоянно работал над увеличением срока ее службы, выйдя в конечном итоге на 700–1000 часов.

В 1875 году сотрудник Лодыгина Василий Дидрихсон, руководствуясь идеями своего «босса» (тот в «Теории дешевого электрического освещения» дважды указывает на необходимость вакуума или нейтральных газов в колбе лампы), внес в его творение важные усовершенствования. Дидрихсон додумался откачивать из лампы воздух (для чего был создан специальный насос) и применять несколько нитей (в случае перегорания одной из них следующая включалась автоматически).

Александр Николаевич Лодыгин получил патенты многих стран — Австро-Венгрии, Испании, Португалии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксонии и даже Индии и Австралии. В 1874 году изобретателю вручили и российский патент (привилегия № 1619 от 11 июля 1874 года), а также Ломоносовскую премию от Петербургской Академии наук. Он основал компанию «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°». Тем не менее на родине его труд особого интереса не вызвал. Впоследствии Лодыгин из-за близости к революционным кругам был вынужден оставить Россию — он жил в США и Франции, создавая всё более совершенные лампы накаливания.

Именно Лодыгин первым предложил применять в лампах нити из вольфрама и молибдена и закручивать нить накаливания в спираль.

Недолгий взлет Павла Яблочкова

В 1874 году российский изобретатель и предприниматель Павел Николаевич Яблочков начал работу над лампой собственной конструкции, которую завершил спустя два года. Знаменитая впоследствии «свеча Яблочкова» относилась к разряду дуговых ламп: в них дуговой разряд происходил на открытом воздухе между двумя угольными стержнями. В «свече Яблочкова» была решена стародавняя «родовая болезнь» дуговых ламп, нуждавшихся в регуляторе для того, чтобы постоянно менять расстояние между неравномерно сгорающими угольными стержнями для поддержания напряжения. Придумать эффективный механический регулятор ни у кого не вышло, хоть многие и пытались. А приставить к каждой лампе по человеку — тоже не выход.

Решение Яблочкова оказалось простым: он сообразил, что вместо того, чтобы располагать стержни электродов один против другого, их надо поставить параллельно, разделив прослойкой тугоплавкого вещества, не проводящего электрический ток (диэлектрика). Такая прокладка не только поможет поддержать необходимое расстояние между электродами, скрепив их между собой, но и предотвратит их короткое замыкание. Для прослойки между электродами Яблочков выбрал каолин — белую глину, из которой делают фарфор. Вольтова дуга образовывалась между верхними концами электродов. Также важной характерной особенностью этой лампы стало то, что она не требовала вакуума.

«Свеча Яблочкова» сначала показалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа Лодыгина, — и вскоре она начала распродаваться в Европе в громадных количествах.

В 1877 году электрические лучи от «свечей Яблочкова» озарили в Лондоне Вест-Индские доки, набережную Темзы, мост Ватерлоо, отель «Метрополь», пляжи Вестгейта.

В том же году изобретение Яблочкова осветило в Париже фешенебельные магазины, площадь перед зданием оперного театра, ипподром и одну из красивейших магистралей столицы — Avenue de l’Opera. В Италии им озарили развалины Колизея, Национальную улицу и площадь Колонны в Риме, в Вене — парк Фольскгартен, в Греции — Фалернскую бухту.

Новая система электрического освещения с исключительной быстротой завоевывала Германию, Бельгию, Испанию, Португалию, Швецию и прочие европейские страны — там тоже «свечи Яблочкова» озарили площади и порты, улицы и магазины, театры и ипподромы. Новинку опробовали и в других частях света: «русский свет» появился в Сан-Франциско, Филадельфии, Рио-де-Жанейро, Мехико, Дели, Калькутте, Мадрасе, Рангуне, Тегеране и Пномпене.

«Как это ни прискорбно, но в России нет места русским изобретателям, пока они не получат заграничного клейма», — сокрушалась в 1890 году «Наука и жизнь». На родине же изобретателя первая проба освещения по системе Яблочкова была произведена 11 октября 1878 года — в Кронштадте, где были освещены казармы и центральная площадь. 4 декабря восемь «свечей Яблочкова» осветили Большой театр в Санкт-Петербурге. Газета «Новое время» засвидетельствовала, что когда в театре «внезапно зажгли электрический свет, по зале мгновенно разлился белый яркий, но не режущий глаз, а мягкий свет, при котором цвета и краски женских лиц и туалетов сохраняли свою естественность, как при дневном свете».

Однако в России дуговые лампы так и не получили широкого распространения. А в передовых государствах у них быстро появился серьезнейший конкурент — лампа накаливания.

Как лампа накаливания победила дуговую лампу

В ноябре 1879 года Томас Эдисон запатентовал лампу накаливания с угольным волокном. Получению патента предшествовало более года напряженной работы: подбирая материал для нити, Эдисон и его помощники провели около 1500 испытаний различных материалов, а затем еще около 6000 опытов по карбонизации волокон различных растений. Первые их лампы работали не более сорока часов, но впоследствии Эдисон и его команда обнаружили, что карбонизированная бамбуковая нить может прослужить более 1200 часов.

Впервые «лампы Эдисона» были опробованы в 1880 году на большом грузопассажирском пароходе «Колумбия», построенном для работы у Западного побережья США.

Работая над усовершенствованием конструкций ламп, Эдисон одновременно внес огромный вклад в развитие принципов системы электроосвещения и централизованного электроснабжения — что тоже способствовало широкому внедрению электрических ламп. Также он изобрел бытовой поворотный выключатель, унифицированные цоколи для ламп и т.д. Именно творение Эдисона в конечном итоге завоевало мир, вытеснив «свечу Яблочкова».

По словам Корзинова, были веские причины, обусловившие победу ламп накаливания над дуговыми. Дело в том, что тогдашние дуговые лампы светили очень ярко, но обладали малым электрическим сопротивлением.

Одним из первых эту проблему решил именно Яблочков, заменивший постоянный ток на переменный и введший в цепь конденсаторы и трансформаторы. Когда Лодыгин предложил свою долговечную лампу накаливания в качестве конкурента дуговой, Павел Николаевич сначала не воспринял это изобретение в качестве серьезного конкурента. Но лампа Эдисона уже была воспринята иначе.

Нет предела совершенству

Прогресс в сфере электрических ламп пошел бешеными темпами. В 1890-х годах изобретатели из разных стран увлеченно экспериментировали с нитями накаливания из окиси магния, тория, циркония, иттрия, осмия и тантала. Но наилучшим материалом, как выяснилось опытным путем, оказался вольфрам. Первыми патент на использование в лампах вольфрамовой нити получили в 1904 году жители Австро-Венгерской империи Шандор Юст и Франьо Ханаман. В этом же государстве были произведены и первые такие лампы, которые в 1905-м венгерская фирма Tungsram выбросила на рынок.

В 1906 году Александр Лодыгин продал свой патент на вольфрамовую нить американской компании General Electric. В том же году в США был построен и запущен в эксплуатацию завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Однако, поскольку в те годы получение вольфрама стоило больших денег, лампы с вольфрамовой нитью получались очень дорогими и, соответственно, имели ограниченное применение.

К счастью, вскоре американский физик и инженер Уильям Кулидж изобрел улучшенный метод производства вольфрамовой нити. С 1911 года General Electric начала продавать лампы накаливания с пластичной вольфрамовой нитью. Впоследствии она вытеснила все прочие разновидности нитей.

В 1910 году инженер-химик и изобретатель Жорж Клод, которого называли «французским Эдисоном», сделал первую газоразрядную лампу, заполненную неоном. 9 ноября 1911 года Клод запатентовал неоновую рекламу. Новая технология быстро распространилась по миру, завоевав огромную популярность, в частности, в США. Неоновая реклама стала неотъемлемой частью облика американских городов — в особенности в 1920–1940-х годах.

В начале 1920-х Жорж Клод первым предложил усовершенствовать лампы накаливания, заменив аргон, служивший в них заполнителем, криптоном. По мнению Клода, это должно было снизить тепловые потери при работе ламп. На практике эту идею первым проверил в 1930 году венгр Имре Броди — и заодно разработал процесс получения криптона из воздуха.

В 1913 году американский химик Ирвинг Ленгмюр, работавший на General Electric, ввел в производство стеклянные колбы для ламп, наполненные аргоном. Открытие оказалось крайне полезным — этот инертный газ позволил увеличить время работы ламп и повысил их светоотдачу.

В 1917 году американец Берни Ли Бенбоу получил патент на спиральную нить накаливания из вольфрама, которая, опять же, оказалась более надежной и долговечной.

В 1921 году японец Дзюнъити Миура, работавший на предприятии Hakunetsusha (предшественник Toshiba), создал первую лампу с двойной вольфрамовой спиралью накаливания. Первоначально такие лампы были дорогостоящими штучными изделиями, но к 1936 году на Hakunetsusha разработали метод массового производства спиральных нитей из вольфрама.

В 1925 году американский химик Марвин Пипкин запатентовал процесс кислотного травления внутренней части электрической лампы, благодаря которому они получили дополнительную прочность. Пипкин отыскал метод создания матового покрытия на внутренней поверхности стекла ламп — для получения рассеянного, не ослепляющего света. В 1947 году он же запатентовал процесс покрытия внутренней части ламп кремнеземом. Также именно Пипкину принадлежит честь создания маленьких лампочек, применяемых в детских игрушках. Благодаря всем этим изобретениям к 1964 году производство электрических ламп стало в тридцать раз дешевле, чем во времена Эдисона.

Эра светодиодов

В начале XX века человечество впервые узнало о возможности мерцания твердого кристалла под воздействием электрического тока. В 1907 году британский инженер Генри Джозеф Раунд (работавший в компании Marconi Company) экспериментировал с кристаллами карбида кремния. Он трудился над разработкой различных способов радиосвязи, исследуя способы настройки индукторов, а также испытывал различные способы передачи радиосигнала. В какой-то момент Раунд случайно увидел возникшее вокруг кристалла свечение: оно было оранжевого, желтого и зеленого цвета. Ученый описал явление электролюминесценции при прохождении тока через полупроводник.

Спустя шестнадцать лет советский физик и радиолюбитель Олег Лосев, проводя опыты в своей лаборатории, обнаружил свечение в кристалле из полупроводника, который использовался при изготовлении радиопередатчиков. О своем открытии он сообщил в газетах, однако им мало кто заинтересовался. Полноценное теоретическое обоснование этого явления в то время было невозможно. Но Лосев вполне осознал важность своей случайной находки — ведь она открывала путь к изготовлению эффективных безвакуумных источников света. Он получил патент под названием «Световое реле», но не доведя работу до конца, скончался в блокадном Ленинграде.

В 1962 году группа ученых под руководством американского профессора Ника Холоньяка, трудившаяся по заказу корпорации General Electric, разработала первый промышленный светодиод, работающий в видимом диапазоне. Он оказался довольно маломощным, но за работу взялись и другие исследователи, которые смогли довести изобретение до ума.

Первые промышленные образцы светодиодов излучали красный свет, а потом и зеленый. В 1968 году компания «Монсанто» презентовала пробную линейку желто-зеленых ламп. Уже тогда эти устройства были эффективнее обычных ламп накаливания, ибо они куда долговечнее. Однако получить дешевый и яркий синий светодиод долго не удавалось, поскольку не было необходимых для него кристаллов. Между тем всем хотелось обрести источник именно синего цвета — мягкого и успокаивающего.

Во второй половине 1980-х японские ученые Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура разработали способ изготовления таких кристаллов — на основе нитрида галлия, с примесью магния, цинка и индия. Акасаки, заинтересовавшийся полупроводниковыми источниками света еще в 1960-х, со временем догадался, что источники света в голубой и синей области спектра можно получить на основе нитрида галлия (GaN) — неорганического химического соединения галлия и азота. В 1989 году Акасаки, присоединившийся к нему Хироси Амано и их коллеги из Университета Нагоя продемонстрировали первый светодиод на основе GaN — а потом еще несколько лет совершенствовали эту технологию.

Сюдзи Накамура работал параллельно с Акасаки и Амано. Он вспоминает, как в 1988 году приехал на год в США приглашенным исследователем в Университет штата Флорида.

По возвращении из США Накамура возобновил свою работу в японской компании Nichia — однако ее менеджеры стали возражать против того, чтобы он продолжал исследования по созданию синего светодиода.

Год напряженного труда — и в 1990-м он придумал новый способ, как выращивать пленки нитрида галлия.

Накамуре удалось вырастить многослойные гетероструктуры на основе нитрида галлия с добавками индия, которые давали яркий синий свет. Это случилось в 1993 году, хотя могло бы произойти и раньше, не будь Накамура ограничен в ресурсах. Поначалу в его компании даже не поняли всей важности сделанного открытия.

Вслед за ярким синим светодиодом он сделал зеленый, ультрафиолетовый и белый светодиоды, а также синий лазер. Светодиодные лампы стали всё активнее применять в уличном освещении, в промышленном производстве и для бытовых нужд. А в 2014 году Накамура, Акасаки и Амано получили за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

В настоящее время светодиодные лампы продолжают победное шествие по миру, постепенно вытесняя стандартные лампы накаливания с нитью из вольфрама. Ведь в светодиодной лампе электроэнергия тратится не на прогрев спирали, как у предшественницы, а по прямому назначению — на освещение.

Как следствие, КПД светодиодной лампы куда выше, чем у ламп накаливания, — около 90% против 4%. Опять же, замена лампочек в светодиодных светильниках происходит намного реже. Так что недалек тот день, когда лампы накаливания окончательно выйдут из употребления и продолжат свою службу лишь в качестве экспонатов в музеях технологического развития. Свою функцию на благо человечества они уже выполнили.