125 лет лампочке Эдисона: изобретение, перевернувшее мир
Как и все великие изобретения, лампочку нельзя приписать одному изобретателю. Это была серия небольших усовершенствований идей предыдущих изобретателей, которые в итоге и привели к появлению тех самых ламп, которые мы используем в наши дни
Лампы накаливания освещают мир
Задолго до того, как Томас Эдисон запатентовал — сначала в 1879 году, а затем годом позже, в 1880 году — и начал коммерциализацию своей лампы накаливания, британские изобретатели уже продемонстрировали, что электрический свет можно получить с помощью дуговой лампы. В 1835 году был продемонстрирован первый постоянный источник электрического света, и в течение следующих 40 лет ученые всего мира работали над лампой накаливания. Их работы были сосредоточены вокруг совершенствования нити накаливания (части лампы, излучающей свет при нагревании электрическим током) и атмосферы внутри колбы (независимо от того, откачан ли из нее воздух или колба заполнена инертным газом для предотвращения окисления и перегорания нити накала). Ранние лампы накаливания имели чрезвычайно короткий срок службы, были слишком дорогими в производстве или потребляли слишком много энергии.
Когда Эдисон и его исследователи из Менло-Парка вышли на сцену, они сосредоточились на улучшении нити накаливания — сначала тестировали углерод, затем платину, прежде чем, наконец, вернуться к углеродной нити. К октябрю 1879 года группа Эдисона изготовила лампочку с карбонизированной нитью из непокрытой хлопчатобумажной нити, которая могла работать в течение 14,5 часов. Они продолжали эксперименты, пока не остановились на нити, сделанной из бамбука, которая продлила срок службы лампы до 1200 часов — эта нить стала стандартом для ламп Эдисона на следующие 10 лет. Эдисон также внес и другие улучшения в конструкцию лампочки: например, создал более совершенный вакуумный насос для полного удаления воздуха из лампочки и разработал винт Эдисона (который сейчас является стандартным патроном для лампочек).
Нельзя говорить об истории электрической лампочки, не упомянув Уильяма Сойера и Албона Мэна, получивших в США патент на лампу накаливания, и Джозефа Свона, запатентовавшего свою лампочку в Англии. Вечный вопрос, о котором не перестают спорить и по сей день: не нарушали ли патенты Эдисона на лампочки патенты этих других изобретателей? В конце концов американская осветительная компания Эдисона объединилась с Thomson-Houston Electric Company — компанией, производящей лампы накаливания по патенту Сойера-Мэна, — чтобы образовать General Electric, и английское освещение Эдисона компания объединилась с компанией Джозефа Свона и образовала Ediswan в Англии)
Что делает вклад Эдисона в электрическое освещение таким выдающимся, так это то, что он не остановился на улучшении лампочки — он разработал целый набор изобретений, которые сделали использование лампочек практичным. Эдисон смоделировал свою технологию освещения на основе существующей системы газового освещения. В 1882 году на виадуке Холборн в Лондоне он продемонстрировал, что электричество можно распределять от расположенного в центре генератора по ряду проводов и трубок. Одновременно он сосредоточился на улучшении производства электроэнергии, разработав первую коммерческую энергетическую станцию под названием Pearl Street Station в Нижнем Манхэттене. А чтобы отслеживать, сколько электроэнергии потребляет каждый потребитель, Эдисон разработал первый электросчетчик.
Новая эра электрического света
Пока Эдисон работал над всей системой освещения, другие изобретатели продолжали вносить небольшие улучшения, дорабатывая процесс производства нити накаливания и повышая эффективность лампы. Следующее большое изменение в лампе накаливания произошло с изобретением вольфрамовой нити европейскими изобретателями в 1904 году. Новые лампы накаливания с вольфрамовой нитью работали дольше и давали более яркий свет по сравнению с лампами накаливания с нитью из углерода. В 1913 году Ирвинг Ленгмюр выяснил, что помещение в колбу инертного газа, такого как азот, удваивает ее эффективность. В течение следующих 40 лет ученые продолжали вносить усовершенствования, которые снизили стоимость и повысили эффективность лампы накаливания. Но к 1950-м годам исследователи все еще выяснили, как преобразовать около 10% энергии, потребляемой лампой накаливания, в свет, и начали фокусировать свою энергию на других решениях в области освещения.
В 19 веке два немца — стеклодув Генрих Гайсслер и врач Юлиус Плюкер — обнаружили, что они могут производить свет, удаляя почти весь воздух из длинной стеклянной трубки и пропуская через нее электрический ток. Это изобретение стало известно как трубка Гейслера. Тип газоразрядной лампы, эти лампы не пользовались популярностью до начала 20-го века, когда исследователи начали искать способ повысить эффективность освещения. Газоразрядные лампы стали основой многих технологий освещения, включая неоновые лампы, натриевые лампы низкого давления (тип, используемый в наружном освещении, например, в уличных фонарях) и люминесцентные лампы.
И Томас Эдисон, и Никола Тесла экспериментировали с люминесцентными лампами в 1890-х годах, но ни один из них никогда не производил их в коммерческих целях. В этой области большего успеха добился Питер Купер Хьюитт: его прорывное изобретение в начале 1900-х годов стало одним из предшественников люминесцентной лампы. Хьюитт создал сине-зеленый свет, пропустив электрический ток через пары ртути и включив балласт (устройство, подключенное к лампочке, которое регулирует поток тока через трубку). Хотя лампы Cooper Hewitt были более эффективными, чем лампы накаливания, у них было мало подходящих применений из-за цвета света.
К концу 1920-х и началу 1930-х годов европейские исследователи проводили эксперименты с неоновыми трубками, покрытыми люминофором (материалом, который поглощает ультрафиолетовый свет и преобразует невидимый свет в полезный белый свет). Эти открытия вызвали в США исследовательские программы по люминесцентным лампам, и к середине и концу 1930-х годов американские осветительные компании демонстрировали люминесцентные лампы военно-морскому флоту США и на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году. Эти лампы работали дольше и были примерно в три раза эффективнее ламп накаливания. Потребность в энергосберегающем освещении американских военных заводов привела к быстрому внедрению люминесцентных ламп, и к 1951 году линейные люминесцентные лампы производили больше света в США.
Люминесцентное чудо
Еще одна нехватка энергии — нефтяной кризис 1973 года — заставила инженеров по освещению разработать люминесцентную лампу, которую можно было бы использовать в жилых помещениях. В 1974 году исследователи из Sylvania начали исследовать, как можно уменьшить размер балласта и встроить его в лампу. Хотя они разработали патент на свою лампочку, они не смогли найти способ ее производства. Два года спустя, в 1976 году, Эдвард Хаммер из General Electric придумал, как согнуть люминесцентную лампу в спираль, создав первый компактный люминесцентный светильник. Как и Sylvania, General Electric отложила этот проект, потому что новое оборудование, необходимое для массового производства этих ламп, было слишком дорогим.
Первые компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) появились на рынке в середине 1980-х по розничной цене $25-35, но цены могли сильно различаться в зависимости от региона из-за различных рекламных акций, проводимых коммунальными предприятиями. Потребители указали на высокую цену как на препятствие номер один при покупке компактных люминесцентных ламп. Были и другие проблемы — многие компактные люминесцентные лампы 1990 года были большими и громоздкими, они плохо вписывались в светильники, имели низкую светоотдачу и непостоянную производительность. С 1990-х годов улучшение характеристик КЛЛ, цены, эффективности (они потребляют примерно на 75% меньше энергии, чем лампы накаливания) и срока службы (они служат примерно в 10 раз дольше) сделали их жизнеспособным вариантом как для арендаторов, так и для домовладельцев. Спустя почти 30 лет после того, как КЛЛ были впервые представлены на рынке, их цена упала и модель ENERGY STAR, к примеру, стоит всего $1,74 США за лампочку при покупке в упаковке из четырех штук.
Будущее за светодиодами
Одной из наиболее быстро развивающихся технологий освещения наших дней являются светодиоды. Они используют полупроводник для преобразования электричества в свет, часто занимают небольшую площадь (менее 1 квадратного миллиметра) и излучают свет в определенном направлении, что снижает потребность в отражателях и рассеивателях.
Они также являются самыми эффективными светильниками на рынке. КПД лампочки, также называемый световой отдачей, представляет собой меру излучаемого света (люменов), деленную на потребляемую мощность (ватты). Лампа со 100-процентной эффективностью преобразования энергии в свет будет иметь эффективность 683 лм/Вт. Для сравнения, лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт имеет эффективность 15 лм/Вт, эквивалентная КЛЛ имеет эффективность 73 лм/Вт, а современные сменные лампы на основе светодиодов, представленные на рынке, варьируются от 70 до 100 Вт. 120 лм/Вт при средней эффективности 85 лм/Вт.
В 1962 году, работая в General Electric, Ник Холоньяк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра в виде красных диодов. Затем были изобретены бледно-желтые и зеленые диоды. По мере того как компании продолжали совершенствовать красные диоды и их производство, они начали появляться на рынке во все большем разнообразии – и с годами их разновидностей становится все больше. А ведь все начиналось с одной-единственной лампочки...
