Кто изобрёл лампочку и почему на это потребовалось 100 лет

Однозначно ответить, кто первым изобрёл лампочку, нельзя. Электрический свет развивали десятки учёных и инженеров, среди которых Павел Яблочков, Александр Лодыгин и Томас Эдисон. Эксперименты велись ещё в начале XIX века, а привычная конструкция с герметичной колбой и вольфрамовой нитью появилась только спустя почти сто лет.

За это время учёные и инженеры испытали десятки материалов для нити накаливания, научились откачивать воздух из колбы и протестировали разные способы продлить срок службы лампы. Рассказываем, кто участвовал в её создании и как лампочка постепенно приобрела современный вид.

Содержание

• Почему лампочку изобретали несколько раз
• Как устроена лампа накаливания
• 1809–1878 годы: создание дуговой лампы

• Разработка первого прототипа
• Создание лампы Павлом Яблочковым

• 1840–1880 годы: разработка нити и вакуума для ламп накаливания

• Эксперименты с платиной и углём
• Усовершенствование угольной лампы
• Разработка глубокого вакуума

• 1878–1895 годы: создание городской системы освещения

• Лампочка Томаса Эдисона
• Строительство городской инфраструктуры уличного освещения
• Патентные споры между компаниями

• 1890-е — 1920-е: разработка современной лампочки

• Лампочка Александра Лодыгина
• Улучшение вольфрамовой нити
• Заполнение колбы газом и закручивание нити

• Так кто же первым изобрёл лампочку?

Почему лампочку изобретали несколько раз

В XIX веке дома и улицы освещали с помощью открытого огня. Свечи, масляные и керосиновые лампы, газовые рожки давали не только свет, но и копоть, дым и жар. Они расходовали топливо и могли стать причиной пожара. К концу века во многих городах появилось газовое уличное освещение, однако в домах по‑прежнему использовали свечи и лампы.

Газовое освещение позволяло подсвечивать по вечерам сразу целые улицы, но для него прокладывали трубы, устанавливали фонари и горелки, нанимали специалистов для обслуживания системы. Газ стоил дорого, поэтому в домах даже к концу века встречался редко.

В электрической лампе ток проходит через проводник, нагревает его, и тот начинает светиться. Самой лампе не нужен ни фитиль, ни запас топлива, а внутри неё нет открытого пламени.

Создать лампу, которая светила бы ярко и долго, оказалось непросто. Нить накаливания должна была выдерживать высокую температуру и сохранять форму. При контакте с воздухом раскалённый материал быстро разрушался, поэтому нить помещали в герметичную стеклянную колбу. Инженерам также предстояло разработать контакты, патрон и проводку, рассчитанную на нужную нагрузку.

Для электрического освещения одной лампы было мало: требовались электростанции, кабели, выключатели и приборы учёта. Поэтому лампочку нельзя считать изобретением одного человека. Одни инженеры искали материал для нити, другие совершенствовали лампу, третьи строили электросети. Поэтому электрическое освещение появилось благодаря работе многих людей.

Как устроена лампа накаливания

Внутри стеклянной колбы лампы накаливания светится тонкая металлическая нить. Электрический ток проходит по ней, сопротивление нагревает материал, и нить начинает излучать видимый свет. Чем выше её температура, тем ярче она светится.

Похожий эффект можно увидеть у электроплитки или старого обогревателя. Спираль сначала краснеет, а затем раскаляется добела. В лампе действует тот же принцип. Нить делают тонкой и выбирают для неё материал, который выдерживает высокую температуру и сохраняет форму.

Стеклянная колба изолирует нить от кислорода и продлевает её жизнь. На воздухе раскалённый материал быстро окисляется и разрушается. Из ранних ламп откачивали воздух, чтобы нить меньше соприкасалась с кислородом. Позднее колбы стали заполнять малоактивными газами — азотом или аргоном. Такая среда мешала вольфраму испаряться, а стеклу — чернеть.

1809–1878 годы

Создание дуговой лампы

Первым электрическим светом, который увидели города, была не лампа накаливания, а электрическая дуга. Эти технологии развивались параллельно, но именно дуговая лампа была первой реализована на городских улицах.

Создание прототипа дуговой лампы Хэмфри Дэви

В начале XIX века учёные уже умели получать электрический ток, но ещё не знали, как использовать его для постоянного освещения. Источником энергии служил вольтов столб — батарея из медных и цинковых пластин, между которыми находился электролит. Такая батарея быстро разряжалась, и перезарядить её было нельзя.

Одним из учёных, экспериментировавших с электричеством, был британский химик Хэмфри Дэви. Он работал с мощными батареями и изучал, как ток воздействует на разные вещества.

Во время одного из опытов Дэви пропустил ток через тонкую полоску платины. Из-за сопротивления металл сильно нагрелся и начал светиться. Так учёный показал, что электричество можно превратить в свет с помощью раскалённого проводника. Этот принцип позже лёг в основу ламп накаливания.

Для опыта Дэви выбрал платину, потому что она плавится при очень высокой температуре. Однако такая конструкция была непрактичной: платина стоила дорого, а на воздухе раскалённый металл быстро разрушался.

Затем Дэви получил электрический свет другим способом. Он подключил к батарее два угольных стержня, подвёл их близко друг к другу, а затем немного разъединил. Ток продолжил проходить через промежуток между стержнями, образовав яркую электрическую дугу. В 1809 году Дэви впервые публично продемонстрировал этот принцип.

Так появились два ранних типа электрического освещения: свет от раскалённого проводника и электрическая дуга. Но устройства Дэви потребляли много энергии, быстро изнашивались и требовали громоздких батарей. Поэтому использовать их для освещения домов и улиц было невозможно.

Разработка коммерческой дуговой лампы Павлом Яблочковым

Павел Яблочков учился в военном инженерном училище, служил в инженерных частях, а затем работал на Московско-Курской железной дороге. Там он занимался телеграфным оборудованием, а позже начал экспериментировать с батареями, динамо-машинами и электрическим освещением.

В то время дуговые лампы уже давали яркий свет, но оставались сложными в эксплуатации. В них два угольных стержня располагались концами друг к другу. Во время работы они постепенно сгорали, расстояние между ними увеличивалось и дуга могла погаснуть. Поэтому специальный механизм должен был постоянно сближать электроды.

Яблочков предложил более простую конструкцию. Он расположил два угольных стержня параллельно и разделил их слоем изоляционного материала. Электрическая дуга возникала между верхними концами стержней. По мере работы уголь и изолирующая прослойка выгорали одновременно, поэтому расстояние между электродами почти не менялось. Лампе больше не требовался сложный механизм регулировки.

Устройство получило название «свеча Яблочкова». Переменный ток позволял обоим угольным стержням выгорать равномернее. В 1876 году изобретатель получил французский патент и продемонстрировал свечу в Лондоне. Уже в следующем году такие лампы начали использовать для освещения общественных пространств, в том числе Лувра. Во время Всемирной выставки 1878-го десятки свечей Яблочкова осветили район Парижской оперы.

Изобретение быстро стало популярным. Яблочков продал патент компании Breguet, которая на пике выпускала до 8 тысяч свечей в день. Однако каждая из них работала в среднем около полутора часов, после чего угольные стержни приходилось заменять.

Свеча Яблочкова хорошо подходила для улиц, вокзалов и больших залов: электрическая дуга давала очень яркий свет. Но она мерцала, требовала частого обслуживания и была слишком резкой для жилых помещений. Для домов требовалась небольшая лампа, которая светила бы ровно и могла бы работать дольше.

1840–1880 годы

Поиски нити для лампы накаливания

Пока дуговые лампы освещали улицы и большие помещения, изобретатели пытались создать более компактный источник света для домов. Им предстояло подобрать материал для нити накаливания, удалить воздух из колбы и добиться её герметичности.

На решение этих задач ушло около 40 лет. От первых опытных ламп 1840-х годов до моделей, пригодных для массового производства, сменилось целое поколение изобретателей.

Уоррен де ла Рю и Фредерик де Молейнс исследуют платину и уголь

В 1840 году британский химик и астроном Уоррен де ла Рю создал одну из первых ламп накаливания. Он поместил платиновую спираль в стеклянную трубку, откачал из неё воздух и пропустил через металл электрический ток. Спираль раскалилась и начала светиться.

Платина подходила для эксперимента, потому что выдерживала высокую температуру. Вакуум тоже играл важную роль: без кислорода раскалённый металл медленнее разрушался. Так де ла Рю показал два принципа будущей лампы накаливания: светящуюся нить нужно поместить в герметичную колбу с разреженным воздухом.

Однако использовать такую лампу в быту было невозможно. Платина стоила слишком дорого. Для одного опыта нужно было немного металла, но массовое производство ламп потребовало бы огромного количества платиновой проволоки. Электрическое освещение оказалось бы дороже свечей, масляных ламп и газовых рожков.

В следующем году британский изобретатель Фредерик де Молейнс попытался заменить платину более доступным материалом. В 1841-м он получил первый британский патент на лампу накаливания. Внутри стеклянной колбы с откачанным воздухом находились две платиновые спирали, а между ними — угольный порошок. Ток проходил через уголь, нагревал его, и порошок начинал светиться.

Де Молейнс предусмотрел и запас угля. Над спиралями располагалась трубка, из которой порошок должен был постепенно поступать на место сгоревшего материала. Однако угольный порошок не мог заменить прочную нить: он осыпался, выгорал неравномерно, а механизм его подачи усложнял и удорожал конструкцию.

Лампа де Молейнса так и осталась экспериментальной. Но в ней уже сочетались три важнейших элемента будущей лампы накаливания: стеклянная колба, разреженный воздух и угольный материал, который светился под действием тока.

Александр Лодыгин создаёт лампочку с несколькими фитилями

Александр Лодыгин начинал как военный, но в 1870 году оставил службу и переехал в Санкт-Петербург. Он посещал занятия по физике, химии и механике в Технологическом институте, проектировал летательную машину с электродвигателем и ставил опыты с электрическим светом.

В ранней лампе Лодыгина светился тонкий стержень из ретортного угля — плотного угольного материала, который получали при сильном нагревании каменного угля без доступа воздуха. Изобретатель закреплял стержень между проводниками внутри стеклянной колбы. Ток проходил через уголь, нагревал его, и стержень начинал светиться.

Первые колбы Лодыгин заполнял обычным воздухом. Когда изобретатель включал лампу, часть угольного стержня сгорала и поглощала кислород. После этого оставшийся уголь мог светиться дольше. Способ работал, но угольный стержень становился короче при каждом включении лампы. Позднее из колбы стали откачивать воздух, поэтому уголь меньше соприкасался с кислородом и сгорал медленнее.

В 1871—1874 годах Лодыгин показывал свои лампы в Адмиралтействе, Галерной гавани, Технологическом институте и на Одесской улице в Петербурге. В 1872-м он подал заявку на привилегию — так в Российской империи называли патент. Документ на «способ и аппараты электрического освещения» он получил 11 июля 1874 года. За изобретение Академия наук присудила Лодыгину Ломоносовскую премию.

Главной проблемой оставалась недолговечность угольного стержня. Когда он перегорал, лампа гасла, а герметичную колбу приходилось менять целиком. Тогда Лодыгин и его сотрудник Василий Дидрихсон поместили внутрь несколько стержней. После перегорания одного из них ток переключался на следующий, поэтому лампа могла работать дольше.

Лодыгин и Дидрихсон также усовершенствовали откачку воздуха и герметизацию колбы. В 1875 году их лампы в течение двух месяцев освещали комнату петербургского «Магазина платья и белья Флорана». Такие же устройства использовали при строительстве Литейного моста. Они работали внутри кессонов — герметичных камер, в которых строители возводили опоры под водой.

Несколько стержней увеличивали срок службы лампы, но усложняли её конструкцию. Каждый дополнительный элемент занимал место, а уголь всё равно постепенно разрушался. Для практичной лампы требовалось одно тонкое тело накала, способное долго выдерживать высокую температуру.

Через 20 лет Лодыгин вернулся к этой задаче и занялся тугоплавкими металлами. Об этом мы поговорим в следующем разделе.15

Джозеф Суон улучшает вакуум в лампах

Джозеф Суон начал экспериментировать с электрическими лампами ещё в 1850-х годах. В качестве элемента накаливания он использовал полоски обугленной бумаги: помещал их в стеклянную колбу и пропускал через них ток. Уголь нагревался и светился, но лампа работала недолго.

Главной проблемой был воздух внутри колбы. Насосы того времени не могли удалить его полностью, поэтому раскалённый уголь быстро разрушался. Кроме того, при нагревании из пор самого материала выделялись газы. Они оседали на стекле, из-за чего колба темнела и пропускала меньше света.

В середине 1870-х годов Суон вернулся к опытам и начал использовать ртутную помпу Шпренгеля. В ней капли ртути двигались по узкой трубке, захватывали воздух и постепенно удаляли его из колбы. Процесс занимал много времени, зато позволял получить более глубокий вакуум, чем прежние насосы.

Параллельно с откачкой воздуха Суон нагревал угольный элемент. Под действием высокой температуры из материала высвобождались газы, а помпа сразу удаляла их из колбы. Благодаря этому стекло медленнее покрывалось тёмным налётом, а осветительный элемент служил дольше.

В конце 1878 года Суон представил лампу Ньюкаслскому химическому обществу, а 3 февраля 1879 года провёл публичную демонстрацию примерно для 700 зрителей. Внутри стеклянной колбы с откачанным воздухом находился угольный стержень, соединённый с платиновыми элементами.

Несмотря на глубокий вакуум, угольный стержень быстро разрушался. Суон решил заменить его тонкой хлопчатобумажной нитью. Он обрабатывал её серной кислотой, чтобы сжать волокна до плотной однородной основы, а затем обугливал без доступа воздуха. Полученная нить меньше крошилась, лучше сохраняла форму и подходила для серийного производства.

В 1880 году Суон запатентовал усовершенствованную лампу и вскоре начал выпускать её в Великобритании. В 1883-м его предприятие объединилось с британской компанией Эдисона. Новая компания Edison and Swan United Electric Light Company, или Ediswan, производила лампы с угольными нитями, разработанными Суоном.

1878–1895 годы

От одной лампы к системе освещения

Предыдущие изобретатели были сосредоточены на самой лампе: искали подходящую нить и улучшали конструкцию колбы. Но для массового электрического освещения требовалась уже целая инфраструктура: электростанции, провода, выключатели и другие элементы. Именно эту задачу начал решать Эдисон вместе с другими изобретателями.

Томас Эдисон создаёт коммерческую лампочку

Томас Эдисон занялся электрическим освещением осенью 1878 года. Он сразу подошёл к вопросу комплексно — работал не только над лампой, но и над всей системой освещения: электростанциями, уличными линиями, ответвлениями к домам, выключателями, патронами, предохранителями и другими элементами.

Конструкция лампы напрямую влияла на стоимость всей сети. Лампочки с низким сопротивлением требовали много тока; чтобы снабжать сотни домов, пришлось бы прокладывать толстые и дорогие медные провода. Эдисон стремился создать лампу с сопротивлением около 100 Ом — такая лампа потребляла меньше тока, поэтому для сети подходили более тонкие провода. Лампы подключали параллельно, чтобы каждую можно было включать и выключать независимо от остальных.

Сначала Эдисон экспериментировал с платиной, используя наработки других изобретателей. К весне 1879 года сотрудники его лаборатории в Менло-Парке научились помещать платиновую нить в колбу с откачанным воздухом. В вакууме металл служил дольше, но всё равно оставался слишком дорогим для массового производства.

Тогда команда вернулась к угольным нитям. Уголь обладал высоким сопротивлением, а тонкие волокна для него можно было получать из доступных растительных материалов. В вакуумной колбе такая нить почти не соприкасалась с кислородом и разрушалась медленнее.

21 октября 1879 года команда в Менло-Парке испытала лампу с нитью из обугленного хлопка. Она светилась около 14,5 часа. Опыт подтвердил, что конструкция работает, но для повседневного использования срок службы нужно было увеличить.

Эдисон и его сотрудники проверили множество материалов: бумагу, хлопок, травы, тростник и разные виды древесины. Лучше всего показал себя бамбук. Лампы с бамбуковой нитью могли работать до 1200 часов — и около десяти лет этот материал оставался основным в лампах Эдисона.

В 1878 году Эдисон основал Edison Electric Light Company, чтобы наладить массовое производство ламп и построить систему городского освещения. Компания стремилась сделать электрический свет доступнее и постепенно заняла значительную часть американского рынка.

27 января 1880 года Эдисон получил американский патент US223898A. В нём была описана лампа с тонким угольным проводником высокого сопротивления, помещённым в герметичную стеклянную колбу с почти полностью откачанным воздухом.

Одновременно Эдисон совершенствовал не только лампу, но и всё необходимое для её использования. Его команда разработала резьбовой цоколь и патрон, выключатели, предохранители, счётчики и другие элементы электрической сети. Работа велась в огромном масштабе: в архивах сохранилось более 40 тысяч страниц заметок Эдисона, связанных с электрическим освещением.

Разработанный им резьбовой цоколь стал основой современного стандарта. В обозначениях E14 и E27 буква E означает Edison, а число — диаметр цоколя в миллиметрах.

Читайте также:

Томас Эдисон: человек, который осветил весь мир

Перл-стрит: инфраструктура для освещения домов

4 сентября 1882 года компания Эдисона запустила электростанцию на Перл-стрит, 257, в Нижнем Манхэттене. Она снабжала электричеством район площадью около 0,65 км².

Место выбрали неслучайно. Поблизости находились банки, редакции газет, биржевые конторы и офисы крупных компаний. Электрический свет могли увидеть предприниматели и инвесторы, способные заказать такую же систему.

На станции сжигали уголь, чтобы нагревать воду в котлах. Пар приводил в движение двигатели, которые вращали шесть динамо-машин. Каждая из них вырабатывала около 100 кВт и могла питать примерно 1200 ламп.

Электричество поступало к клиентам по подземным проводам. Для этого под улицами проложили около 24 километров линий, защищённых от воды и повреждений. Так Эдисон объединил электростанцию, распределительную сеть и лампы в единую городскую систему.

Сначала станция передавала постоянный ток напряжением 110 В по двум проводам. Для такой сети требовались толстые медные кабели, поэтому Эдисон перешёл к трёхпроводной схеме. Лампы по-прежнему получали 110 В, но сама сеть расходовала меньше меди.

В день запуска к станции было подключено 85 клиентов с 400 лампами. Через год она обслуживала уже 513 клиентов и около 10 тысяч ламп.

Однако постоянный ток было трудно передавать на большие расстояния: часть энергии терялась в проводах в виде тепла. Поэтому электростанции приходилось строить рядом с потребителями. Последующее распространение переменного тока и трансформаторов позволило передавать электричество на десятки и сотни километров, а также снижать напряжение возле домов до безопасного уровня.

Патентные споры: кому принадлежала первая лампочка

Пока инженеры совершенствовали лампу накаливания, компании спорили о правах на её конструкцию. К началу 1880-х годов почти каждый её элемент — от угольной нити до вакуумной колбы — уже использовали разные изобретатели.

В Великобритании Эдисон и Суон сначала предъявили друг другу патентные претензии. Однако в 1883 году стороны договорились и объединили свои предприятия в компанию Edison and Swan United Electric Light Company, или Ediswan.

В США разбирательство продолжалось дольше. В 1895 году Верховный суд рассмотрел патент Сойера и Мэна, который распространялся практически на любые нити из обугленного растительного материала. Суд признал такую формулировку слишком широкой: изобретатель не мог получить исключительные права сразу на целую группу материалов.

Патентные споры подтвердили, что лампа накаливания появилась благодаря работе многих людей. Одни предложили вакуумную колбу, другие экспериментировали с углём и металлами, третьи довели конструкцию до массового производства. Поэтому приписывать её изобретение одному человеку некорректно.

1890-е — 1920-е

Создание современной лампочки

К 1890-м годам, через десять лет после патента Эдисона, угольная лампа перестала устраивать инженеров. Хотелось получать больше света при том же количестве электричества, а для этого нить нужно было нагреть сильнее. Значит, требовался материал, который выдержит высокую температуру и не развалится внутри колбы. Так началась вольфрамовая эпоха в лампостроении.

Александр Лодыгин: первое использование вольфрама в лампах

Одним из первых к тугоплавким металлам обратился Александр Лодыгин, который прежде экспериментировал с угольными стержнями. Молибден и вольфрам выдерживали более высокую температуру, но оставались твёрдыми и хрупкими: изготовить из них тонкую проволоку было сложно.

В 1893 году Лодыгин подал в США заявку на способ создания металлической нити, а в 1897-м получил патент. Он предлагал наносить слой вольфрама, молибдена или другого тугоплавкого металла на тонкую проводящую основу. Это позволяло получить нить без вытягивания хрупкого металла в проволоку.

В 1906 году Лодыгин продал патент на вольфрамовую нить компании General Electric, которую основал Эдисон.

Уильям Кулидж: получение гибкой вольфрамовой проволоки

Чтобы лампа давала больше света при том же расходе электричества, нить требовалось нагревать сильнее. Для этого нужен был материал, который выдерживал бы высокую температуру и не разрушался.

В начале XX века инженеры экспериментировали с танталом и вольфрамом. Танталовые лампы были эффективнее угольных, но их нити быстро ломались при работе на переменном токе. Вольфрам выдерживал более сильный нагрев и давал больше света, однако первые нити из него получались хрупкими и плохо гнулись.

Решение нашёл инженер General Electric Уильям Кулидж. В 1909 году он разработал способ обработки вольфрама: металлическую заготовку нагревали, проковывали, а затем протягивали через отверстия всё меньшего диаметра. Так из хрупкого материала получалась тонкая и гибкая проволока.

Вольфрамовую нить можно было сворачивать в спираль и устанавливать в лампу без сложных креплений. В 1910 году General Electric начала продавать такие лампы под маркой Mazda. Они были более долговечными и давали примерно втрое больше света на ватт, чем угольные.

Ирвинг Ленгмюр: заполнение колбы газом и закручивание нити

Гибкая вольфрамовая проволока Кулиджа сделала лампы ярче и долговечнее. Однако при сильном нагреве вольфрам постепенно испарялся и оседал на стекле. Колба темнела, нить истончалась, а лампа давала всё меньше света.

Эту проблему начал решать физикохимик Ирвинг Ленгмюр, который в 1909 году пришёл в исследовательскую лабораторию General Electric. Он выяснил, что азот внутри колбы замедляет испарение вольфрама.

Ленгмюр также предложил сворачивать проволоку в спираль. Такая нить медленнее отдавала тепло, поэтому её можно было сильнее нагреть и получить больше света при том же расходе электричества.

Так появилась лампа с вольфрамовой спиралью и газом внутри колбы. Её световая отдача достигала 12–20 люменов на ватт против примерно 10 люменов у вакуумных ламп.

В итоге к 1920-м годам лампа накаливания приобрела привычную конструкцию: стеклянную колбу с газом, вольфрамовую спираль, металлические вводы и резьбовой цоколь. Именно её мы и используем по сегодняшний день.

Так кто же первым изобрёл лампочку?

Изобретателем лампочки чаще всего называют Томаса Эдисона. Однако правильнее считать её результатом работы многих инженеров. Хэмфри Дэви показал, что электрический ток можно превратить в свет. Лодыгин и Суон совершенствовали лампы с угольными элементами, а Эдисон сделал конструкцию долговечной, доступной для массового производства и превратил её в часть полноценной системы освещения. Позднее Кулидж и Ленгмюр создали вольфрамовую спираль и заполнили колбу газом — так лампа приобрела привычный вид.