Из истории создания электролитической лампы

Татьяна Глушкова
336
0

Материалы статьи были представлены на XI Международной научно-практической конференции "История науки и техники. Музейное дело" (28–30 ноября 2017 года).

Автор: Меркулова И.И.

Электрическое освещение, ставшее первым массовым потребителем электрической энергии, ведет свою историю с начала XIX в. Над созданием самого востребованного электротехнического устройства – электрической лампы – работало множество ученых и инженеров. Все они стремились к одной цели: увеличению световой отдачи источника света.

Скачать презентацию к статье

Возможно, впервые мысль накаливать током вещества, не проводящие его в холодном состоянии, для получения света появилась еще в 1845 г., когда губернский секретарь Ф.И. Борщевский изобрел лампу накаливания, в которой калильным телом служил плавиковый шпат. Известно, что она представляла собой комнатную гальваническую лампу в виде вазы с батареей Грове, в которую были опущены проводники с острыми кусочками плавикового шпата. В заявлении о выдаче привилегии Борщевский пишет (Свидетельство Департамента мануфактур и внутренней торговли Министерства финансов № 3428 от 19 июля 1845 г.): «Замена угля плавиковым шпатом имеет важные преимущества тем, что… шпат посредством раскаления, передавая сильный свет, остается всегда неизменным в массе, следовательно, однажды устроенное расстояние между проводниками остается всегда неизменным и не требует особого снаряда для сближения, как при углях, что неудобно и хлопотливо» [5, с. 24]. Сведений об этой лампе сохранилось очень мало. Известно только, что когда она демонстрировалась в зале Вольного экономического общества в Санкт-Петербурге, то затмила свет 50 масляных ламп.

В 1867 г. французским физиком M. Леру была предложена первая конструкция нашумевшей впоследствии лампы Soleil («Солнце») [7, с. 562]. В куске извести устраивалась открытая осветительная камера с двумя длинными отверстиями для движения придерживаемых пружинами угольных стержней. Внутри одного из стержней был вставлен еще один более тонкий угольный стержень, необходимый для произведения короткого замыкания в случае потухания дуги. На заднем конце тонкого угля был устроен железный стержень, который мог притягиваться к электромагниту и тем самым отводить уголь. При замыкании цепи электрический ток проходил через стержни, электромагнит оттягивал тонкий стержень, и образовывалась дуга. Если лампа не зажигалась, цепь оказалась бы разомкнутой, электромагнит перестал бы оттягивать запальный стержень, который в этом случае вновь бы замкнул цепь. Недостатком лампы было устройство регулятора, поскольку тонкий стержень часто застревал внутри полого угля или, наоборот, спаивался с противоположным углем.

В 1877 г. идея применить в качестве накаливаемых тел проводники второго класса (твердые электролиты) пришла П.Н. Яблочкову. В изобретенной им «электрической свече» угольные электроды изолировались друг от друга каолиновой или гипсовой прослойкой. Занимаясь совершенствованием своей «свечи», Яблочков изучал поведение различных изоляционных материалов при высокой температуре. Используя стержни из каолина или смеси каолина с магнезией, которые становились электропроводящими при определенных условиях, П.Н. Яблочков положил начало применению проводников второго рода для получения света. Уже во втором дополнении к основному, французскому, патенту на «электрическую свечу» (№ 112024 от 23 марта 1876 г.), выданном 2 октября 1876 г., П.Н. Яблочков пишет: «Многочисленные опыты мне прямо показали, что большое число твердых изоляционных материалов, лишь только они перешли в жидкое состояние, становятся настоящим проводником вольтовой дуги» [2, с. 72].

В первом дополнении к французскому патенту № 115793 на распределение токов, выданном 20 февраля 1877 г., П.Н. Яблочков заявляет права на электрическую лампу с двумя металлическими стержнями, между которыми в качестве изолятора используется пластинка из тугоплавкого материала (магнезия, циркон, мел и т.п.). В пятом дополнении к французскому патенту № 112024 на электрическую лампу от 31 марта 1877 г., Яблочков пишет: «Если рассматривать полоску из такого тугоплавкого металла, как каолин, помещенную между двумя угольными либо металлическими проводниками,… конечным результатом всегда является собственно свет, происходящий от физического воздействия этого тока на каолин.…». Во втором дополнении к французскому патенту № 115793 на распределение токов, предназначенных для освещения электрическим светом, выданном 27 апреля 1877 г., ученый указывает: «Одним словом, ток может проходить через тела, которые до сих пор считались изоляторами и которые, наоборот, сразу становятся проводящими и накаливаются под действием самой искры в течение нескольких мгновений» [2, с. 87] и предлагает в качестве источника света из каолиновых пластин полоски в форме своих инициалов – P. J. [3, с. 42].

Таким образом, установив, что стержни или пластины из каолина или из смеси каолина с магнезией и другими веществами при высокой температуре становятся проводящими ток и могут в таком состоянии накаливаться до свечения, П.Н. Яблочков в 1877 г. изобрел каолиновую лампу. Каолиновая лампа Яблочкова состояла из подставки с двумя пружинами (зажимами), между которыми было укреплено тело накала в виде пластины из каолина. Зажим располагался над индукционной катушкой, искры которой нагревали пластинку. П.Н. Яблочков пишет: «Таким образом, это дополнение предусматривает производство света при воздействии электрическими искрами любого рода на тугоплавкие тела…» [2, с. 88].

Надо заметить, что П.Н. Яблочков считал развитие дуговых источников света более важным и перспективным направлением, чем ламп накаливания. Каолиновая лампа стала своего рода промежуточным, дополнительным результатом исследований, когда ученый работал над поисками лучших материалов для прослойки в электрической свече, а впоследствии над решением проблемы зажигания свечи после ее отключения от источника тока. Яблочков, добавляя в материал прослойки металлические порошки, стал использовать ее и в качестве средства для повторного зажигания свечи. Устройство каолиновой лампы и применение индукционных катушек для разделения электрического тока на несколько ветвей являются предметом английского патента № 1996, выданном 13 октября 1877 г., и германского патента № 1630 от 14 августа 1877 г.

В 1880 г., делая сообщение о своем способе электрического освещения на заседании Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии, П.Н. Яблочков рассказал об освещении посредством накаливания каолиновых пластинок, наряду с двумя основными способами получения света – с помощью накаливания и вольтовой дуги. Каолиновая лампа Яблочкова была встречена с большим интересом. В 1881 г. она экспонировалась на Парижской электротехнической выставке, в 1882 г. – на Второй Петербургской электротехнической выставке. Но практического применения она не получила.

В 1878 г. Т. Эдисон, совершенствуя свою платиновую лампу, предложил покрывать платиновую проволоку пленками извести, магнезии, оксидами циркония и тория (английский патент № 5306 от 28.12.1878 г.). В 1879 г. английский изобретатель Дж. Лейн-Фокс предлагал в качестве тела накала использовать смесь углерода с оксидами редкоземельных металлов (английский патент № 1122 от 20.03.1879 г.).

В 1897 г. В. Нернст (1836–1941), профессор физики в Геттингене и Берлине, также использовал проводники второго рода в качестве тела накала. Изобретенная им лампа вошла в историю техники как «лампа Нернста». Французский журнал «L’Eclairage électrique», рассказывая в 1898 г. о только появившейся лампе Нернста, не преминул упомянуть, что «первые попытки, хотя и неудачные, были сделаны еще 20 лет тому назад Яблочковым, работавшим над самосвечением каолина» [6, с. 174]. Об этом упоминает и В. Нернст в своем немецком патенте 1899 г. – Patentschrift Nr. 104872.

В заявлении на получение швейцарской привилегии (№ 15.183, кл. 100) В. Нернст определяет свое изобретение следующим образом: электрокалильная лампа, характеризующаяся комбинацией включенного в электрическую цепь калильного тела из вещества, не проводящего тока при обыкновенной температуре, но хорошего проводника в раскаленном состоянии, с устроенным вблизи этого калильного тела электрическим источником тепла, включенным в другую цепь и состоящим из нагревающего проводника и из кожуха, изготовленного из плохопроводящего или изолирующего материала.

Первоначальные опыты проводились со стержнями из магнезии. Впоследствии использовался оксид циркония. Оксиды циркония изготавливались в виде небольших стержней, которые монтировались в обычный цоколь. Трудность заключалась в подключении, т.е. в том, как заставить тело накала в холодном состоянии проводить электричество. Сначала использовался самый простой способ подогреть лампу – при помощи спички или спиртовой лампочки.

Кроме этого, было обнаружено, что стержни из смеси оксидов различных металлов становятся проводниками при меньшей температуре, чем стержни из оксидов каждого металла в отдельности. Поэтому в лампах Нернста использовались запатентованные составы смесей оксидов нескольких редких металлов: циркония, иттрия, тория, эрбия, для нагрева которых было достаточно 950 °С. Дальнейшая работа лампы проходила при температуре около 2 500 °С. Для защиты от ослепительного света лампы применялись колпаки из матового или опалового стекла; они же предохраняли саму лампу от движения воздуха, которое вызывает изменения температуры, а, следовательно, и силы света. Лампу Нернста можно было погасить, направив на нее сильную струю воздуха.

Первой фирмой, в которую обратился В. Нернст, пытаясь заинтересовать ее своим изобретением, была самая крупная немецкая фирма – «Сименс» (Siemens). Но она не поддержала этот проект. В 1897 г. более молодая и ставшая впоследствии знаменитой немецкая фирма AEG – «Всеобщая Компания Электричества» (Allgemeine Elektricitats Gesellschaft), приобрела привилегию В. Нернста.

В русской привилегии № 3886, выданной 31 июля 1900 г. иностранной фирме «Всеобщая компания электричества» (в Берлине) на лампу с калильным телом из проводников 2-го класса без автоматического зажигания, отмечается, что «нагревание калильного тела производится извне, например, спичкой…» [7, с. 418]. Отверстие в нижней части колбы служит для введения «зажигательного» пламени.

Усилиями фирмы AEG после длительных опытов было осуществлено автоматическое подогревание стержней применением спирали, утопленной в магнезии. Нагрев осуществлялся следующим образом: вокруг стержня обматывалась тонкая платиновая проволока, через которую пропускался электрический ток. После приобретения достаточной проводимости нагреватель автоматически отключался. В среднем лампы Нернста «зажигались» через 70–90 сек.

Одним из важных преимуществ лампы Нернста являлось отсутствие вакуума для накаливания светящегося стержня. Это обстоятельство позволяло перегоревшую лампу не выбрасывать полностью (как лампу накаливания). Достаточно было заменить съемную горелку, состоявшую из калильного стержня и подогревательного аппарата, не меняя баллона и арматуры. Это делало лампу при первоначальном устройстве дешевой и очень экономичной. Первые лампы Нернста расходовали 1,5 Вт/св при больших размерах и 1,6 Вт/св при малых размерах (удельная мощность лампы накаливания в это время была 3–3,5 Вт/св). Таким образом, стоимость электрического освещения была вдвое меньше. Время службы составляло 400–500 час. Еще одно важное преимущество ламп Нернста заключалось в возможности изготавливать их для высокого напряжения: 250 В и выше.

Кроме необходимости иметь автоматический нагреватель и добавочное сопротивление, приходилось считаться с электролитической проводимостью, которая сопровождалась химическим разложением проводника и осаждением продуктов разложения на границе соединения проводника с электродом. Место контакта разрушалось вследствие химического действия тока раньше, чем разрушалось электролизом само тело накала. Чтобы продлить срок службы лампы, было затрачено много трудов на поиск стойкой мастики для прикрепления стержня к электродам. Фирма AEG (англ. привил. № 26790, 1898 г.) для этой цели производила особую смесь из металлических оксидов и флюсов или связующего материала, этой массой покрывалось место контакта, которое затем подвергалось прокаливанию для увеличения прочности.

К 1906 г. заводами фирмы AEG было выпущено более миллиона ламп. Лампы накаливания Нернста производились двух типов – «А» и «В»: тип «А» – для напряжения 96–160 В; тип «В» – для напряжения 196–260 В. Большие лампы типа «А» изготавливались в двух вариантах: нормального типа, с вертикально расположенным телом накала, и для интенсивного горения, с горизонтально расположенным телом накала. Лампы второго варианта давали особенно сильный, распространяющийся вниз свет. Лампы типа «А» чаще всего подвешивались на шнурах. Малые лампы Нернста типа «В» также изготавливались с горизонтальным телом накала в двух вариантах: с цоколем Эдисона, Свана или Сименса и для применения в виде свечеобразных ламп.

В коллекции «Источники света» Политехнического музея хранятся три лампы Нернста: №№ 1499/1−2, 14838. Они представляют собой модель «А». Их производство было начато фирмой AEG в 1903 г. В лампе Нернста горелка построена таким образом, что можно отдельно заменять и нагреватель, и накаливаемые стержни. Обычно изношенные горелки требовали замены через каждые 300 час. (при благоприятных условиях до 600 час.). Средняя полусферическая сила света равнялась 180 свечам.
Кроме этого, в коллекции «Источники света» хранится электрическая лампа накаливания, которая являлась добавочным сопротивлением для лампы Нернста типа «В». Реостат предохранял тело накала от перегрузки при колебаниях напряжения.

В США все привилегии В. Нернста в 1898 г. приобрел Д. Вестингауз, который после доработки лампы до промышленного образца для организации производства и продажи ламп создал в 1901 г. в Питтсбурге компанию Nernst Lamp Company. Американские лампы строились не только с одним, но и с несколькими накаливаемыми стержнями и давали силу света при 220 В: в 50 св (1 стержень), 100 св (2 стержня), 170 св (3 стержня), 400 св (6 стержней) и 2 000 св (30 сержней). Технические характеристики лампы были лучше: срок службы тела накала при непрерывной работе – 890 час, нагревателя – около 200 час, Для пуска в действие требовалось всего 30 сек.

Еще в 1899 г. знаменитый британский электротехник Джеймс Суинберн (James Swinburne) предрекал лампе Нернста блестящее будущее. Учитывая экономическую эффективность ламп, низкую стоимость эксплуатации, световой эффект (приятный для глаз человека белый свет), он считал, что электрические лампы накаливания вскоре совсем выйдут из употребления и их заменит лампа Нернста: «Самые большие лампы Нернста вполне могут соперничать с дуговыми лампами по коэффициенту полезного действия» [1, с. 98].

В США дуговые лампы стали заменять многосвечными лампами Нернста, поскольку удельная мощность их сопоставима, а ухода они требовали меньше. Американский журнал «Electrical Review» в 1905 г. рассказал об устроенном уличном освещении лампами Нернста в одном из пригородов Хартфорда (Hartford). Выбор между газовыми рожками и лампами Нернста был решен в пользу последних: горение одной лампы обходилось в 18 долларов в год, а газового рожка – в 27 долларов. Электрический ток вырабатывался на электростанции, находящейся в 23 км от города. Всего было установлено 2 500 ламп. Дважды в день они контролировались тремя мальчиками, которые разъезжали на велосипедах и заменяли перегоревшие горелки новыми.

Однако первые попытки применить лампы Нернста для освещения улиц и больших помещений не всегда были успешными. Заслуживает внимания случай с установкой, оборудованной только лампами Нернста, на Парижской выставке в 1900 г. Установка эта была осуществлена в павильоне фирмы AEG. При пробе освещения все лампы одновременно перегорели; причиной этого явления, по-видимому, было резкое повышение напряжения в сети. Несмотря на это, многочисленные преимущества лампы Нернста поразили посетителей выставки: и комфортный свет, и экономичность, и возможность замены только перегоревших элементов.

В. Нернст был не последним, кто пытался воспользоваться проводниками второго рода в качестве накаливаемых тел. В 1904 г. немецкий инженер В. Бем, указывая на основополагающее значение работ П.Н. Яблочкова в этом вопросе, опубликовал свои исследования по практическому изготовлению подобной лампы накаливания. Они касались увеличения прочности накаливаемых тел, удешевления стоимости замены подогревателя, устройства добавочного сопротивления и т.п. Были изготовлены лабораторные опытные экземпляры, и автор собирался приступить к их массовому изготовлению.

Попытки изготовить удобную в употреблении и экономически выгодную «электролитную» лампу продолжались и в США. В 1899–1900 гг. американский инженер Р. Фессенден взял несколько привилегий на лампу с калильным телом из проводников второго рода (U.S. Patents 638,837; 638,838; 638,839; 638,840; 639,161; 650,521; 670,316). Он предлагал изготавливать тело накала с концами из материала, становящимся проводником при более низкой температуре, чем средняя часть стержня. В этом случае платиновые вводы возможно было заменить на более дешевые – из никеля или сплава никеля и железа. В другом патенте он предлагал применять для концов калильного тела графит (для защиты электродов от высокой температуры тела накала). В одном из патентов он предлагал снабдить тело накала фитилем для зажигания лампы.
Устройством электролитных ламп занималась также английская фирма British Thomson-Houston («Томсон-Хьюстон»). Было предложено несколько интересных запатентованных решений подогрева: с помощью термостата в форме двух полос с различными коэффициентами расширения (англ. пат. № 5941, 1899 г.), с помощью вольтовой дуги (англ. пат. № 13.404, 1899 г.).

Проводники второго рода нашли свое применение не только в лампах накаливания, но и в дуговых лампах. Перспективность ламп с электродами из твердых электролитов объяснялась несколькими причинами: 1) потребляемая мощность – около 0,3 Вт/св (втрое меньше, чем у обычной дуги); 2) медленное расходование материала электродов (и, как следствие, отсутствие регулятора); 3) возможность получения небольшой силы света, что предполагало ее применение для внутреннего освещения.
В 1899 г. американский инженер A. Worth получил несколько патентов на дуговые лампы с электродами из электролитов (Electrical World and Enginee. Т. 33) [4, с. 292]. Он предложил применять комбинированные электроды, используя и уголь, и оксиды редких металлов. В этом случае дуга образовывалась сначала между угольными частями, а когда они сгорали, между внутренней или наружной частью электрода, изготовленной из электролита. К этому времени она успевала нагреться настолько, чтобы проводить электрический ток.

В 1900 г. немецкий инженер Е. Раш (E. Rasch) предложил образовать дугу между электродами из проводников второго рода (нем. пат. № 117214, 1899 г.). Для придания электродам необходимой проводимости использовался нагрев дугой, образованной между угольными электродами. Только после этого между электролитическими стержнями можно было образовать дугу, при этом было обнаружено чрезвычайно медленное расходование электродов.

После образования дуги концы электродов накалялись до очень высокой температуры и испускали яркий белый свет. Температура (равная температуре испарения используемого электролита) не была измерена, но она превосходила температуру кратера дуги с угольными электродами. Поскольку непрерывный спектр дуги зависит от входящих в состав электрода веществ, это давало возможность изменять оттенок света. Совершенно белый свет давали электроды из оксида циркония или магнезии. В отличие от дуги с угольными электродами значительная часть света приходилась на дугу, в которой сначала происходило разложение вещества, а затем, при соединении с кислородом, –образование оксидов, которые накаливаясь в дуге, делали ее более яркой. Предварительное нагревание электродов, необходимое для образования дуги, можно было осуществлять различными способами в зависимости от материала электродов: дугой между угольными электродами, пламенем спички, повышением напряжения.

Многочисленные достоинства лампы с проводниками второго рода обещали ей широкое распространение. Однако потребовалось свыше двух лет упорного инженерного труда и значительных финансовых затрат, чтобы от лабораторных опытов перейти к фабричному изготовлению и практическому пользованию. Привилегии Яблочкова, Нернста, AEG демонстрируют длинный путь, который прошла электролитическая лампа от лабораторного образца до промышленного продукта. Несмотря на организованное массовое производство ламп Нернста, они изготавливались всего около 10 лет. AEG прекратила их выпуск в 1909 г., хотя сменные элементы производились еще несколько лет. В настоящее время это очень редкие источники света. Несколько экземпляров сохранилось в технических музеях и частных коллекциях.

Литература, источники и примечания

  1. Бюллетень Политехнического общества, состоящего при Императорском Техническом Училище. – М.: типолитогр. Лашкевич, 1899. – № 1−4.
  2. Павел Николаевич Яблочков. Труды. Документы. Материалы / сост. Л.Д. Белькинд; отв. ред. М.А. Шателен. — М.: изд-во Акад. наук СССР, 1954. – 464 с.
  3. Очерк работ русских по электротехнике с 1800 по 1900 год: объясн. кат. экспонатов, выставляемых 6 Электротехн. отд. Рус. техн. о-ва / сост. под ред. [и с предисл.] Я.И. Ковальского; Всемир. выставка 1900 г. в Париже. – СПб., 1900. – 130 с.
  4. Кузнецов, А.А. Электрические источники света, способы их исследования и применения. Принято как руководство в Электротехн. ин-те Императора Александра III. – СПб.: изд. К.Л. Риккера, 1904. – 479 с.
  5. РГИА. Ф. 18. Оп. 8. Д. 307.
  6. Лампочка накаливания В. Нернста // Электричество. 1898. № 11−12.
  7. Свод привилегий, выданных в России. Издание Отдела промышленности. Вып. 9. – СПб., 1900.