ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Аннотация. В статье рассматривается история электрического освещения, начиная с патентных споров между Томасом Эдисоном и Джозефом Суоном, что привело к созданию компании "Ediswan". Описаны ключевые этапы совершенствования лампы накаливания, включая переход к вольфрамовым нитям и использование инертных газов. Обсуждается переход к современным технологиям, таким как люминесцентные лампы и светодиоды, как ответ на низкий КПД старых ламп. Влияние электрического освещения на общество проявляется в продлении активного времени суток.

Ключевые слова: электрическое освещение; электрическая дуга; лампа накаливания; газонаполненные лампы; люминесцентные лампы; газоразрядные лампы; светодиод; электрическое освещение.

Изобретение электрического освещения стало одним из величайших технологических прорывов в истории человечества, кардинально изменив образ жизни, продлив световой день, повысив производительность труда и безопасность. Этот путь был долгим, наполненным гениальными догадками, упорным трудом и конкуренцией множества изобретателей. Задолго до того, как электричество стало привычной частью нашей жизни, ученые уже начали исследовать его потенциал для освещения. В начале XIX века британский химик Хэмфри Дэви создал первую электрическую дуговую лампу.

Рисунок 1. Электрическая дуга

Электрическая дуга (1802-1809 гг.): Английский ученый Хэмфри Дэви обнаружил, что при пропускании тока через два угольных стержня, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, между ними возникает ослепительно яркое свечение – электрическая дуга. В 1809 году он продемонстрировал свою "дуговую лампу". Это был прорыв, однако эти первые дуговые лампы были непрактичны: угольные стержни быстро сгорали, требовали сложной регулировки и мощного источника тока, а сама дуга была слишком яркой и нестабильной для домашнего использования.

Ранние опыты с накаливанием (1820-1850-е гг.): Параллельно шли эксперименты с другим принципом – накаливанием проводника электрическим током до видимого свечения. В 1820 году француз Деларю пропускал ток через платиновую проволоку. В 1838 году бельгиец Жобар создал угольную лампу накаливания. В 1840-х годах англичанин Уоррен Де ла Рю экспериментировал с платиновой спиралью в вакууме, а американец Джон Старр получил патент на лампу с угольным стержнем в вакууме. Однако все эти ранние лампы накаливания имели крайне малый срок службы и низкую эффективность. Основными проблемами были быстрый износ нити накала (окисление на воздухе или испарение в вакууме) и отсутствие надежных источников питания.

"Свеча Яблочкова" (1876 г.): Работая над усовершенствованием дуговых регуляторов, Яблочков пришел к гениально простому решению: он расположил два угольных стержня параллельно, разделив их слоем изолятора (каолина), который испарялся по мере сгорания углей. Это устраняло необходимость в сложном механизме сближения электродов. "Свеча Яблочкова" была проста в изготовлении, надежна и давала яркий свет. Она требовала переменного тока, что также стимулировало развитие соответствующих генераторов.

Рисунок 2. Свеча Яблочкова

"Русский свет": Изобретение Яблочкова произвело фурор на Всемирной выставке в Париже в 1878 году. Его "свечи" освещали улицы, магазины, театры по всему миру, получив название "la lumière russe" ("русский свет"). Это было первое массовое применение электрического освещения. Однако "свечи Яблочкова" имели и недостатки: относительно небольшой срок службы (около 1.5-2 часов), невозможность повторного зажигания и фиксированная, высокая яркость.

Рисунок 3. «Русский свет»

Александр Николаевич Лодыгин (Россия): В 1872 году Лодыгин продемонстрировал лампу накаливания с угольным стержнем, помещенным в герметичную стеклянную колбу, из которой был откачан воздух (создан вакуум). В 1874 году он получил российский патент а свое изобретение. Лампы Лодыгина могли гореть несколько десятков часов, что было значительным шагом вперед. Он также экспериментировал с различными материалами для нити накала, включая вольфрам (позже это станет ключевым).

Рисунок 4. Лампа накапливания

Лампы Лодыгина использовались для освещения улиц и зданий в Петербурге. Томас Алва Эдисон (США): Эдисон, известный своим системным подходом, не просто стремился создать лампочку, а разрабатывал целую систему электрического освещения: генераторы (динамо-машины), провода, патроны, выключатели, счетчики электроэнергии. В 1879 году, после тысяч экспериментов с различными материалами, он создал лампу с обугленной бамбуковой нитью в глубоком вакууме, которая горела более 1200 часов. Это был коммерчески успешный продукт. Эдисон наладил массовое производство ламп и построил первые электростанции, сделав электрическое освещение доступным для широкого круга потребителей.

Джозеф Уилсон Суон (Англия): Параллельно с Эдисоном, и даже немного раньше (в 1878 году), английский физик и химик Джозеф Суон продемонстрировал работающую лампу накаливания с угольной нитью (из обугленной бумаги, а затем хлопка). Он получил британский патент в 1880 году. Между Эдисоном и Суоном возникли патентные споры, которые в итоге привели к созданию в Великобритании совместной компании "Ediswan".

Угольные нити были хрупкими и не очень эффективными. Поиски велись в направлении тугоплавких металлов. Лодыгин еще в 1890-х годах предлагал использовать вольфрам, осмий, молибден. Вольфрамовая нить (начало XX века): Австриец Карл Ауэр фон Вельсбах разработал технологию производства осмиевой нити. В 1904 году Шандор Юст и Франьо Ханаман (Венгрия) запатентовали лампу с вольфрамовой нитью. Однако по-настоящему прочную и технологичную вольфрамовую нить (из тянутого вольфрама) разработал американский ученый из лаборатории Эдисона Уильям Кулидж в 1910 году. Вольфрам обладал очень высокой температурой плавления, что позволило повысить температуру накала, а значит, яркость и светоотдачу лампы, а также ее долговечность.

Рисунок 6. Люминесцентные лампы

Газонаполненные лампы (1913 г.): Американский ученый Ирвинг Ленгмюр обнаружил, что заполнение колбы инертным газом (азотом или аргоном) под определенным давлением уменьшает испарение вольфрама с нити, что позволяет повысить ее температуру и продлить срок службы. Спиралевидная форма нити также способствовала повышению эффективности.

Рисунок 5. Газонаполненные лампы

Закат эры ламп накаливания и новые технологии Лампы накаливания доминировали на протяжении почти всего XX века, но их низкий КПД (большая часть энергии превращается в тепло, а не в свет) стимулировал поиск новых, более эффективных источников света. Люминесцентные лампы (1930-е гг.): Основаны на свечении люминофора под действием ультрафиолетового излучения газового разряда. Они значительно экономичнее ламп накаливания. Газоразрядные лампы высокого давления: Ртутные, натриевые, металлогалогенные лампы, используемые для уличного и промышленного освещения, обладающие высокой светоотдачей.

Светодиоды (LED) (конец XX - начало XXI вв.): Полупроводниковые приборы, напрямую преобразующие электрический ток в световое излучение. Светодиодные лампы являются наиболее энергоэффективными, долговечными и экологичными на сегодняшний день, постепенно вытесняя все другие типы ламп в бытовом и коммерческом освещении. 

Рисунок 8. Светодиоды

Изобретение электрического освещения оказало колоссальное влияние на развитие цивилизации: продление активного времени суток: Люди перестали быть полностью зависимы от естественного света. Повышение производительности: заводы и фабрики смогли работать в ночные смены. Увеличение безопасности: освещенные улицы снизили уровень преступности. Развитие культуры и развлечений: театры, рестораны, клубы смогли функционировать вечером. Изменение архитектуры и городского планирования. Общее улучшение качества жизни. Сегодня развитие электрического освещения продолжается. Интеллектуальные системы освещения, управляемые с помощью смартфонов и других устройств, позволяют настраивать яркость, цветовую температуру и даже создавать динамические световые сцены. История электрического освещения — это яркий пример того, как научные открытия и технологические инновации, а также инженерное искусство способны преобразовывать мир, делая его светлее и комфортнее.. От первых электрических искр до сложных светодиодных систем — этот путь демонстрирует неустанное стремление человечества к прогрессу и комфорту. И можно быть уверенным, что этот процесс продолжается, поскольку ученые и инженеры постоянно работают над созданием еще более совершенных и эффективных источников света.