Якщо темрява вселяє людині почуття страху та невпевненості — невідомо які злі сили ховаються у темряві, то світло навпаки дає відчуття тепла та затишку. І якщо вдень наших предків завжди тішило яскраве сонце, то ніч уявлялася “кошмаром”, який якнайшвидше хотілося “пережити” в затишному місці.
Попередники електричної лампочки
Люди замислилися над створенням освітлення, яке залежало від сил природи. На допомогу прийшов вогонь, який упродовж століть був вірним супутником людини. Спочатку це було багаття, яке не тільки освітлювало житло, але й забезпечувало теплом та смачною їжею. Пізніше виникла потреба у переносному джерелі світла — полювання на сплячих уночі тварин забирало менше сил — відпадала необхідність у виснажливому переслідуванні жертви. Так з’явилися смолоскипи: як паливо у них застосовувалися деревна смола і тваринний жир. Щоб уповільнити процес горіння та продовжити час “роботи” смолоскипа, займистим матеріалом стали просочувати шматки тканини — прообрази гніту. З появою гніту (скручена з рослинних волокон нитка, що має здатність вбирати в себе рідину) широкого поширення набули лампади та лампи (від грецького “світити”). Гніт поміщався у посудину, наповнену рідкою горючою речовиною. Перші такі пристрої з’явилися в Античній Греції за кілька тисяч років до нашої ери.
Паралельно використовувалися скіпки — тонкі та довгі дерев’яні тріски, що встановлювалися на підставку. Зручнішими виявилися свічки, вони дозволили відмовитися від рідкого пального, яке при випадковому перекиданні лампи ставало джерелом пожежі. Гніт поміщався в густу жирну оболонку: спочатку використовувався жир тварин, потім його замінили бджолиним воском.
Розвивалися природознавчі науки, зокрема і хімія. Це спричинило відкриття горючих газів. Такий газ поміщався у спеціальну закриту місткість, з клапаном для дозованого виходу газу з посудини у зовнішнє середовище. Так, наприкінці XVIII століття з’явилися газові ліхтарі. Найчастіше як паливо використовувався карбід. Карбід — хімічна сполука вуглецю та водню, яка при взаємодії з водою виділяє газ ацетилен.
Наприкінці XIX століття з’явився новий винахід — гасові лампи, що являли собою герметичну металеву місткість, заповнену гасом — очищеним продуктом перегонки нафти. У сосуд вставлявся тканинний гніт з пристроєм регулювання довжини кінця, що виводився на поверхню. Пари гасу, що вбралися у гніт, підпалювалися і давали рівне, досить яскраве світло. Щоб гніт не згас від випадкових рухів повітря при перенесенні його закривали скляним ковпаком. Свічки та гасові лампи досі служать надійними та зручними джерелами світла, в умовах відсутності електричної енергії.
Історія створення електричної лампочки
Дугові лампи
Історія використання електричної енергії як джерела світла починається з відкриття явища “електричної дуги” (розряд електричної енергії, що з’являється між двома електродами, які знаходяться на невеликій відстані один від одного). Першовідкривачем цього явища вважається фізик Василь Петров. На той час зміну механічним джерелам електричної енергії, в основі яких лежав принцип електризації тертям, прийшов “вольтів стовп” (1800 року італійський фізик Алессандро Вольта пред’явив наукової громадськості першу гальванічну батарею). У ході проведення одного з експериментів Петров виявив, що поступово зближуючи два шматочки деревного вугілля, підключених до полюсів батареї, на відстані приблизно 5 мм між ними з’являється дуже яскраве свічення білого кольору. Не розвиваючи свою думку далі, Петров припустив, що цей принцип може використовуватися для освітлення.
У 1810 р. сер Хемфрі Деві (Великобританія) сконструював перший працездатний пристрій для одержання стійкої електричної дуги. Два загострені вугільні стрижні були приєднані до гальванічної батареї, що складалася з 2000 елементів. Бувши замкнутими між собою вони розжарювалися до червоного кольору, коли експериментатор за допомогою спеціального механізму розводив кінці, в проміжку з’являлося сліпуче біле свічення, назване згодом “світлом Деві” або “вольтовою дугою”. При цьому джерелом світла служила не власне дуга, а розпечені до білого жару вістря вугілля.
Під впливом високої температури електроди з вугілля дуже швидко згорали тому згодом до пристрою був доданий механізм, що автоматично підтримував відстань між вугіллям незмінним.
Широку популярність і визнання у світі здобула “свічка Яблочкова” — дугова вугільна електрична лампа, винайдена в 1875 Павлом Яблочковим.
У ході одного з дослідів з електролізу розчину кухонної солі, два паралельно розташовані вугільні електроди, занурені у ванну з електролітом, випадково торкнулися один одного — між ними виникла потужна електрична дуга. Цей факт подав винахіднику ідею створити електричну дугову лампу без механізму регулювання міжелектродної відстані.
Новий пристрій являв собою два вугільні стовпи, розділені електролітом (Яблучків використовував каолін). Каолін це глина, яка є ізолятором в нормальних умовах, але при нагріванні починає проводити електричний струм. При підключенні до джерела напруги на кінцях стовпів виникала дуга, яка у міру згоряння вугілля випаровувала каолін. Отриманий пристрій виявився простим та надійним.
Після фурору, зробленого на Всесвітній виставці у Парижі “свічка Яблочкова” впевнено перекочувала на вулиці Лондона та інших столиць.
Яскравість свічення у таких ламп була на порядок вищою, ніж у газових, та й обходилися вони дешевше. До 1880 року інтерес до лампочок у світі неймовірно зростав: на публічній доповіді про нововведення у висвітленні Олександра Сіменса (двоюрідного брата засновника Siemens AG Вернера фон Сіменса) замість газових, у залі були встановлені дугові лампи. У цих пристроїв було достатньо недоліків: вугільні стрижні швидко згоряли, а для невеликих приміщень світло було надто яскравим.
Лампи розжарювання
Наступним етапом розвитку освітлювальних ламп стали лампи розжарювання — електричне джерело світла, що працює на принципі нагрівання струмопровідної нитки до високої температури. В 1801 р. англійським фізиком сером Гемфрі Деві був виявлений ефект випромінювання світла платиновою ниткою при нагріванні. Практичного застосування на той момент дослідник для свого відкриття не знайшов: випробуваний зразок на відкритому повітрі миттєво випаровувався.
Саме окислення та випаровування матеріалу, з якого виготовлялася нитка розжарення, стала головною перешкодою для всіх наступних дослідників.
Якусь подібність електричного ліхтаря запропонував широкому загалу Джеймс Боемен Ліндсей у 1835 році. Про його роботи залишилося мало документальних свідчень, відомо лише, що йому вдалося прочитати книгу на великій відстані, підсвічуючи її за допомогою свого винаходу.
Через 5 років, припустивши, що платина не просто випаровується а згорає під впливом атмосферного кисню, британський учений Уоррен Де Ла Рю поміщає платинову нитку у вакуумну колбу. Виходить деяка подоба сучасної лампи розжарювання, але без цоколя з різьбленням. До того ж використання платини як нитки що світиться, не передбачало великого комерційного успіху винаходу.
1841 року Фредерік де Молейн з метою зниження комерційної вартості пристрою демонструє прилад, в якому дрібна вугільна крихта світиться між двома платиновими електродами, укладеними у вакуумну колбу.
Джон Веллінгтон, геніальний американський винахідник приходить до думки виготовити нитку цілком із вуглецю. Після смерті вченого його роботу продовжив Роберт Нуді, його розробки сьогодні можна побачити в музеї замку Блуа.
Електротехнік Олександр Миколайович Лодигін у 1872 році вигадав свою лампу розжарювання і вже за два роки отримав на неї патент. Дійшовши висновку, що залізо та вугільні стрижні — не найкращий варіант він продовжував свої дослідження. У 1883 році емігрувавши з Росії до Франції він налагоджує виробництво перших ламп розжарювання. Тут він виводить теорію, що нитку розжарювання можна виготовляти з тугоплавких металів: вольфрам, молібден, титан, хром. Теорія пізніше з успіхом підтвердилася у практичних розробках і сьогодні можна зустріти прилади, які працюють за цим принципом. Усі патенти Лодигіна було перекуплено американською компанією Дженерал Електрик, сам винахідник повернувся до Росії, але згодом був змушений емігрувати до США.
Окремо історики згадують роботи Джозефа Вілсона Суона. У 1850 році цей англійський фізик починав з робіт над нитками розжарювання, виконаними з паперу із вугільним напиленням. У 1860 році на світ з’явився реально робочий і комерційно прийнятний пристрій, який, однак, мав три істотні недоліки:
- на той момент не вдавалося створити всередині колби приладу якісний вакуум;
- пристрій мав малий час життя;
- споживав багато електроенергії.
З появою у середині 70-х нових вакуумних помп продовжилися розробки Суона у сфері вдосконалення свого винаходу. 1878 року вчений демонструє нові розробки на лекціях у Ньюкаслі, 1880 року отримує патент на виробництво нових лампочок. Тепер вдалося повністю видалити повітря з колби — нитка нагрівалася до жару, але не згорала. Щоправда, такі спіралі, маючи низький опір, вимагали потужних мідних провідників для підведення електроенергії.
Завдання освітлення приміщень за допомогою електричних ламп було вирішено. Папір, як основа для нитки розжарювання, був замінений на бавовну. І першим у світі об’єктом, що отримав електричне освітлення, став будинок Суона на Лоу Фелл. Інтерес до цієї теми зростав не тільки у наукових колах, а й серед широкої громадськості. Першим громадським закладом, який отримав електричну ілюмінацію, став Савойський театр творчості у Вестмінстері. З цією метою був залучений електрогенератор потужністю 88 кВт та 1200 лампочок, конструкції Суона.
У освітлюваних за цією технологією приміщеннях перестав спалюватися газ, що зменшило виділення тепла і звело нанівець зайве споживання кисню. Для доказу повної пожежної безпеки інновації прямо під час представлення одну з лампочок у люстрі навмисно розбили. 29 грудня 1881 року “Таймс” відзначає перспективність цього методу висвітлення. Популярність ламп розжарювання набирає обертів у всіх галузях життєдіяльності. Нарешті, безпечне освітлення приходить на військовий флот і в шахти, де використання відкритого вогню становило реальну загрозу людському життю. Дослідники окремо наголошують на повній незалежності розробок Суона від досліджень Едісона.
Паралельно в Канаді видається ще один патент на електричні лампи розжарювання. Його володарем стає Генрі Вудвард. Його розробку відрізняє незвичайна форма колби, до того ж як наповнювач використовується інертний азот, що значно знижує вимоги до міцності скляної частини виробу. Широкого комерційного розповсюдження ці вироби не набули, але на них звернув увагу Едісон, який викупив патент за 5 000 доларів.
Перший пробний виріб Едісона, що мав нитку розжарювання з карбону, пропрацював 13,5 години. В 1880 р. інженер отримує патент на лампочку з елементом розжарювання з бамбука, яка здатна працювати в 1000 разів більше попередниці. Далі, розробник приходить до висновку, що нитка має бути з тугоплавкого металу з високим опором, щоб продовживши термін життя виробу істотно знизити енергоспоживання. Але на той момент метали з високим електричним опором не були широко поширені. Тому для виготовлення електродів, що підводять напругу до нитки розжарювання, як і раніше, використовувалася платина, а основою нитки служили екзотичні матеріали: бавовна, папір і навіть дерев’яні шплінти. Новий патент 1883 р. припускав виготовлення нагрівального елемента з вуглецю.
1897 року німецький хімік Волтер Нернст демонструє світильник з керамічним нагрівальним елементом. У ході досліджень їм було встановлено, що стрижень з кераміки (випробовувалися оксиди цирконію, кальцію, ітрію, торію) може бути джерелом світла, перебуваючи в розжареному стані.
Попри те, що лампи з керамічним нагрівачем виявилися вдвічі ефективнішими, порівняно з вуглецевими, для приведення їх у працездатний стан був потрібен час на розігрів, а користувачі чекати не хотіли. Ці лампи були витіснені пристроями з металевою ниткою.
Карл Ауер фон Вельсбах запатентував лампочку з першою в історії ниткою розжарювання з металу. Для першого робочого пристрою, що побачив світ, у 1898 році використовувався осмій.
Наступні спроби використовувати карбон, покритий шаром провідника, були зведені нанівець появою вольфрамової нитки. Цей матеріал використовується і досі.
З подальших інноваційних розробок у пристрої лампи розжарювання Едісоном запропоновано та реалізовано:
- використання різьбового цоколя;
- застосування патрона для підключення до електромережі;
- введення в ланцюг живлення лампочки плавкого запобіжника;
- розмикання ланцюга за допомогою поворотного вимикача.
Свій сучасний вигляд: вольфрамова нитка розжарення яка виконана у вигляді подвійної пружини, гладка скляна колба і стандартизований у всьому світі цоколь електрична лампочка набула після 20-х років минулого століття, відтоді її вигляд десятиліттями суттєво не змінювався.
Газорозрядні лампи
На зорі свого існування колби лампи розжарювання наповнювалися газоподібними сполуками брому чи йоду. Це робилося для продовження терміну служби спіралі. Ще з 1675 був відомий ефект світіння ртутного барометра за певних умов. Його помітив та описав французький астроном Жан Пікар. Цю ідею підхопив і розвинув Френсіс Хоксбі, через 30 років продемонструвавши свій варіант електричної лампи, що працює без нитки накалювання, з використанням інших фізичних законів. Принцип дії таких ламп ґрунтувався на властивостях деяких газів випромінювати свічення при попаданні в електричне поле (так званий процес іонізації). У першому дослідному зразку після вакуумування скляної кулі, зарядженої статичною електрикою, його порожнина заповнювалася невеликою кількістю ртуті. Пари ртуті під впливом електричного поля починали випромінювати слабке світло, якого, проте, вистачало, щоб прочитати книгу.
Поки Василь Петров займався вивченням феномена електричної дуги, талановитий фізик та винахідник, добре знайомий зі склодувною справою, Генріх Гейслер проводив дослідження з розробки приладів, що дозволяють оцінити поведінку різних газів у вакуумі під впливом електричного поля. Один із його приладів увійшов до історії під назвою “трубка Гейслера”. На базі цього пристрою, що являв собою скляну трубку з впаяними по її кінцях двома електродами в 1857 Гейслер демонстрував джерела світла різних колірних відтінків. Вакуум полегшував процес іонізації, а у якості середи розряду використовувалися аргон і неон.
Через два роки француз Олександр Беккерель трохи модернізував пристрій Гейслера, покривши внутрішню поверхню трубки люмінофором (речовиною, що випромінює світло під впливом електричного заряду). Такі лампи згодом отримали назву “люмінесцентних”.
“Останній штрих” у розвиток освітлювальних приладів, що працюють за цією технологією, вніс американець Даніель Мур. Він закачував у колбу діоксид вуглецю або азот, через що спектр свічення лампи набував білий або рожевий відтінок. З 1904 року такі лампи використовуються для освітлення внутрішніх приміщень.
Заповнивши трубку Гейслера парами ртуті Пітер Х’юїт отримав джерело рівного зеленого свічення, що якнайкраще підходило для освітлення вулиць.
Едмунд Джемер покрив внутрішню поверхню ртутної лампи люмінофором і отримав свічення близьке за спектром до природного. У 1927 році він отримав патент, і такі лампи стали широко використовуватися для освітлення вулиць. Термін їхньої служби досягав 4 000 годин. У широкий продаж люмінесцентні лампи надійшли у 40-х роках минулого століття.
Види сучасних електричних ламп
31 грудня 2013 року на телеканалі CNN з’явився некролог ветерану електричних джерел світла — звичній для усіх лампі розжарювання: у США набула чинності заборона на виробництво та імпорт лампочок потужністю 40 та 60 Вт. З урахуванням дедалі більшої загрози глобального потепління клімату планети така заборона цілком виправдана: строго кажучи лампа розжарювання прилад більше “опалювальний”, ніж “освітлювальний” (у вигляді світла видається всього 5% спожитої пристроєм енергії, решта виділяється у вигляді тепла).
Виробники ламп розжарювання, звичайно, не хочуть втрачати бізнес, налагоджений десятиліттями, для обходу заборон з’являються лампи потужністю 39 та 59 Вт, найпотужніші з ламп освітлювальних перетворюються на прилади нагрівальні. Але закони ринку невблаганні: навіть після всіх інновацій із застосуванням сучасних технологій ККД традиційної лампочки вдалося підвищити лише до 40%, але ці роботи поки що носять лише експериментальний характер і до повноцінного впровадження таких приладів у повсякденне життя ще дуже далеко.
Сучасні енергоощадні лампи діляться на кілька видів, свою назву вони отримали через співвідношення спожитої електричної енергії та потужності світлового потоку, що випромінюється, наприклад інтенсивність світла в 800 люмен забезпечують:
- лампа розжарювання зі споживаною потужністю 60 Вт;
- галогенна лампа — 42 Вт;
- люмінесцентна — 13 Вт;
- світлодіодна — 9 Вт.
Висновок очевидний: майбутнє за новими технологіями.
Галогенні лампи
Ці лампи — один з різновидів газорозрядних ламп. Будучи модифікацією лампи Лодигіна, патент на яку перекупила компанія General Electric, галогенна лампа була вперше представлена на ринку саме цією компанією у 1958 році.
Принцип дії: внутрішній обсяг колби заповнений газом (йод, бром, хлор, фтор, бром), усередині розташована вольфрамова нитка розжарювання. При подачі напруги з розпеченої нитки починають випаровуватися молекули вольфраму, після взаємодії з газом з’єднання, що вийшло, не осаджується на поверхню колби, а повертається на спіраль, підтримуючи сильне накалювання. Інтенсивна реакція має безперервний замкнутий цикл, завдяки чому значно збільшується потужність світлового потоку. Колба може мати внутрішнє напилення: алюмінієве, дзеркальне, інфрачервоне. Завдяки цьому світло фільтрується за спектром, при цьому м’яко та рівномірно розсіюється. Такі лампи найчастіше використовуються для візуального виділення деталей інтер’єру (підсвічування ніш, дзеркал, карнизів).
Світлодіодні лампи
У 1907 році британець Генрі Раунд помітив слабке світіння при проходженні струму через пару метал-карбід кремнію (терміну “напівпровідник”, а тим більше “напівпровідниковий перехід” тоді ще не було), але не звернув на це жодної уваги. Через 16 років російський фізик Олег Лосєв провів серію експериментів та підтвердив цей факт, отримавши авторське свідоцтво. Явище назвали “світлом Лосєва”. Але тільки 1961 року Техаські інженери Гарі Піттман і Роберт Байард отримали патент на промислову технологію отримання інфрачервоного випромінювання шляхом використання напівпровідникового переходу. Прилад отримав назву світлодіод. У 1962 році співробітником все тієї ж General Electric Ніком Холоньяком розроблено перший світлодіод з випромінюванням у видимій частині спектра. Біметалева природа випромінювача забезпечила пристрою довгий термін служби — до 50 000 год. Коштували такі пристрої непристойно дорого: до 200 ＄за одиницю, і лише у 1991 році японський інженер Суджі Накамура сконструював досить потужний та недорогий синій світлодіод.
Світлодіодна лампа являє собою тонку пластину зі встановленими на ній світлодіодами, кожен з яких забезпечений оптичною лінзою, яка фокусує випромінювання. У корпус, виконаний з алюмінію та грає роль радіатора, вбудована схема, що формує необхідну напругу живлення. Зверху конструкцію закриває пластиковий матовий розсіювач. Для підключення до електромережі використовується стандартний цоколь.
Застосовуються такі лампи як повноцінна заміна ламп розжарювання, крім того, мініатюрні світлодіоди знайшли своє місце як засоби індикації в найрізноманітніших приладах.
Криптонові лампи
Виробництво таких ламп організував інженер з Угорщини Імре Броді у 1936 році. Принцип дії нічим не відрізняється від галогенних, різниця — у газі, що заповнює колбу. Добавка криптону знизила втрати на тепло і як наслідок призвела до суттєвого зниження енергоспоживання. Ці лампи мають компактні розміри, але при цьому дають інтенсивний світловий потік (на 50% яскравіше ніж у галогенних і на 20% яскравіше світлодіодних), при цьому вони здатні працювати від звичайної батареї, а предмети, підсвічені криптоновим випромінювачем добре видно на вулиці навіть у дощ або туман. Область застосування: автомобільні фари, туристичні ліхтарі, охоронні прожектори.
Перелічені види ламп використовуються виключно для освітлення, але сучасна наука розробила безліч ламп спеціального призначення, що створюють випромінювання певного спектра та інтенсивності в залежності від задачі, що вирішується. Їх області використання:
- інфрачервоні лампи — обігрівають приміщення та замкнуті обсяги;
- ультрафіолетові лампи — визначають справжність валют, знезаражують воду та повітря, прискорюють полімеризацію клейових та лакових складів;
- лазерні лампи застосовуються у лазерних принтерах, указках, рівнях, різаках, гравірувальних машинах, скальпелях;
- лампи для рослин, акваріумів, тераріумів забезпечують оптимальні умови для життєдіяльності живих організмів.
Цікаві факти про електричні лампи
- На зорі електрифікації заміна газових ліхтарів на електричні загрожувала серйозними збитками англійським газовим компаніям. З їхньої ініціативи 1879 року Британський парламент засновує спеціальну комісію з вивчення перспектив переходу на електричне освітлення. Робота комісії будувалася за зразком суду: електричне світло “звинувачувалося” в тому, що воно “холодне, бездушне і мертве”, “воно спотворює кольори, що унеможливлює правильно підібрати одяг”, “в електричному освітленні продукти втрачають товарний вигляд і продажі падають”. На щастя, здоровий глузд переміг і електричному освітленню дозволили конкурувати з газовим, свічковим і гасовим.
- Більшість світлодіодних ламп некоректно працюють з вимикачами, що мають індикатор — у вимкненому положенні вони продовжують слабо горіти або методично спалахують. Це відбувається через слабкий струм, що проходить в ланцюзі через індикатор. Для усунення проблеми необхідно або відключити індикатор, або використовувати спеціалізовану лампу.
- У пожежній частині міста Лівермор (Каліфорнія) горить лампочка компанії Shelby Electric потужністю 4 Вт, вкручена ще 1901 року і названа “Столітня лампа”. Вона декілька разів змінювала “місце проживання” та “пережила” 20 президентів США.
- Більшість світлодіодних ламп не працюють з диммерами (регуляторами яскравості), за винятком спеціальних ламп, що “диммуються”, але навіть у них яскравість зменшується лише до 15-20% від номіналу.
- Відома історія про лампочку в роті — найчистіша правда. М’язова система ротової порожнини людини влаштована так, що повторно широко розкрити рота можна тільки повністю закривши його.
- Найбільшою настільною лампою у світі вважається лампа, встановлена у швейцарському місті Мальме. Цей гігант досягає 6 м висоти та здатна навіть підтримати розмову (шведською, природно).
- В Університеті Каліфорнії в Лос-Анджелесі створено найменшу лампу розжарювання у світі. Прилад має ширину 100 атомів і складається з єдиної вуглецевої нанотрубки. Побачити її неозброєним оком можливо тільки поки вона горить, але і при цьому потрібно мати відмінний зір.
- Найпотужнішим освітлювальним приладом в історії вважається військовий прожектор, що вироблявся компанією General Electric з 1939 по 1945 р. Цей “монстр” споживав 600 кВт електроенергії, мав яскравість дуги 46,500 кд/см2 при діаметрі відбивача 3,04 м. Його світловий промінь мав інтенсивність 2,7 Мегакандел.
- Існує теорія про “світову змову” між компаніями, що займаються виробництвом лампочок. Вони нібито проектуються так, щоб термін служби не перевищував 1 000 годин. Про цю змову навіть згадує у своїй книзі “Промислове шпигунство” письменник-фантаст Жак Бержье. Інших документальних підтверджень цієї теорії поки що не виявлено.
