Реферат: К истории электрического освещения

Борис Хасапов

Эта история начинается с очень далекой от электричества темы, чем подтверждается факт, что в науке не бывает тем второстепенных или малоперспективных для изучения. В 1644г. итальянский физик Э.Торичелли изобрел барометр. Прибор представлял собой стеклянную трубку длиной около метра с запаянным концом. Другой конец был опущен в чашечку с ртутью. В трубке ртуть не опускалась полностью, а образовывалась так называемая «торичеллиева пустота», объем которой менялся от погодных условий.

В феврале 1645г. кардинал Джованни де Медичи распорядился установить в Риме несколько таких трубок и держать их под наблюдением. Это удивительно по двум причинам. Торичелли был учеником Г.Галилея, который последние годы был в опале за безбожие. Во-вторых, от иерарха-католика последовала ценная идея и с тех пор начались барометрические наблюдения. В Париже такие наблюдения начались с 1666г.

В один прекрасный день (вернее ночь) 1675г. французский астроном Жан Пикар, в темноте перенося барометр, увидел загадочные огни в «торичеллиевой пустоте». Проверить наблюдение Пикара было легко и поэтому десятки ученых повторяли опыт. Было замечено, что яркость огней зависела от чистоты ртути и наличия остатков воздуха в пустоте. И это все. Никто не мог понять, почему в изолированном пространстве возникает огонь. Это была настоящая головоломка, разгадка которой растянулась на многие годы. ( 1 )

Сэр Исаак и Фрэнсис Гауксби старший

5 декабря 1703г. президентом Английской академии наук (Лондонского Королевского общества) становится великий физик Исаак Ньютон. В этот же день в должность оператора академии вступает Фрэнсис Гауксби. В его обязанности входит подготовка и демонстрация экспериментов, проводимых академиками. Такое совпадение означает, что Ньютон знал кого брать себе в помощники. ( 2 )

Лондонский механик Гауксби, владелец мастерской, к этому времени считался первоклассным конструктором научных приборов и инструментов, в том числе и изобретателем нового типа вакуум насоса.

В те годы Ньютон работал над проблемами оптики. Он и многие другие ученые тогда интересовались феноменом свечения в темноте различных камней, светлячков, гниющей древесины. К этой теме подходило и свечение барометра. Решили проверить гипотезу о том, что свет в пустоте барометра дает электричество, получающееся от трения ртути о стекло. Ф.Гауксби решил смоделировать этот процесс. Он взял пустотелый стеклянный шар и выкачал из него воздух. Железную ось шара поставил на опоры и с помощью ременной трансмиссии привел его во вращение. При натирании шара ладонями внутри его появился свет, причем «настолько яркий, что можно было читать слова из заглавных букв. Одновременно освещалась вся комната. Свет казался странного пурпурного цвета». ( 3 ). Барометрическая загадка была разгадана.

Британская энциклопедия называет Гауксби ученым, намного опередившим свое время, поэтому не сумевшим развить свои идеи. В частности установка с натираемым шаром являла собой первую электрическую машину. Она была забыта и через десятилетия вновь изобретена в Германии. Но получение ученым тлеющего электрического разряда сыграло большую роль в развитии учения об электричестве. Современная газоразрядная лампа и неоновая реклама ведут свое летоисчисление с этого времени.

Как парадокс отметим еще одну историческую персону. Лондонский аптекарь Самуэл Уолл, по некоторым данным дядя Гауксби, еще в 1700г., имея смутное представление и в оптике и электричестве, заявил, что из натертого янтаря он извлек искру, которая заставила его думать, будто её свет и треск представляет подобие молнии и грома. Но его предположения немедленно были забыты. Вспомнили, когда это оказалось истиной. ( 4 )

Повелитель молний

Освещение электричеством не надо было изобретать. Оно было изобретено самой природой и в этом нас убеждают летние грозы. А сходство искры с грозовым разрядом после Уолла отмечал не один ученый. «Признаюсь, что идея бы очень мне понравилась, - - рассуждал один из них, - - если бы была хорошо доказана, а доказательства для этого нужны очевидные» ( 5 ). Но как исследовать процесс, проходящий в облаках и чрезвычайно опасный для жизни экспериментатора? Ведь не было ни самолетов, ни воздушных шаров и даже очень высоких зданий, чтобы добраться до грозовых туч.

Да и реквизит исследовательских приборов в середине XYIIв. был весьма скудным. Электрический заряд определялся обыкновенной пробкой из бутылки, подвешенной на шелковой нити. Поднесенная к заряженному телу, она к нему притягивалась, а зарядившись –отталкивалась. Физики имели под рукой еще один прибор – лейденскую банку. Это был примитивный конденсатор. Вода, налитая в бутылку представляла собой одну из его обкладок с выводом контакта из горлышка. Другой обкладкой была ладонь исследователя. Силу электрического разряда экспериментатор проверял на себе.

Можно ли было браться за опаснейшие опыты с набором таких возможностей? Конечно нет! И оптимизм некоторых ученых вызывал горькую улыбку. Но вот за дело берется гений, и задача упрощается до примитивизма. Решение просто, убедительно и даже элегантно.

Чтобы попасть в облака великий американец Б.Франклин использует детскую игрушку – бумажный змей, запущенный при ветре в грозовые облака на льняной нити. Мокрая она обладает прекрасной электропроводностью. Когда змей достиг грозовых туч, Франклин поднес к нити вывод лейденской банки и зарядил ее. Вот и всё. Она зарядилась и теперь опыты с зарядом облака можно было проводить в своей квартире. А заряд этой банки давал искры такого же цвета, был ломаным, давал специфический запах, то есть производил те же эффекты, что и электричество, полученное от машины трения.

Франклин даже определил, что облака наэлектризованы в основном отрицательным зарядом. Причем тоже просто. Он зарядил одну лейденскую банку зарядом из облака, другую от натертого стеклянного шара. Когда поднес к первой банке пробку на шелковой нити – Пробка притянулась и оттолкнулась. Поднеся же ко второй банке ее же уже заряженную, обнаружил, что она притянулась, продемонстрировав, что грозовой заряд и стеклянное (положительное) электричество имеют разные знаки. ( 6 )

Эти опыты, проведенные в 1751г., были настолько убедительными, что не оставляли тени сомнения. А электрический свет ослепительно яркий можно было бы получать, если бы продлить искру молнии с тысячных долей секунды (как у молнии) до реально требуемого для освещения времени.

Электрическая дуга

В 1799г. А Вольта создает первый гальванический элемент. Химическая энергия элемента позволяла генерировать потребителю электроэнергию значительное время, не то, что лейденская банка. Правда потенциал зарядов был низким. Ученые для получения высоких напряжений начали соединять элементы последовательно в батареи.

Петербургский академик В.В.Петров вскоре собрал батарею с электродвижущей силой порядка 2000вольт. Конечно в сравнении с потенциалом грозового облака это было маловато, зато разряд искусственной молнии мог продолжаться минуты.

В одном из опытов, используя древесные угли в качестве электродов, Петров получил при сближении углей до 5-6 мм очень яркий и продолжительный разряд. Его потом назовут электрической дугой. Ученый записал, что между электродами «является весьма белого цвета свет или пламя, от которого оные угли загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может». ( 7 )

Здесь прямо имеется указание использования дуги для освещения человеческого жилья. Дело в том, что архаичное, ныне полузабытое слово ПОКОЙ по В.Далю означает «комнату, горницу, палату; всякое отделение жилья». Сейчас это редкое слово можно услышать в больнице – приемный покой, или в Кремле – царские покои.

Однако это были не больше, чем пожелания, Сложность и стоимость изготовления химического источника тока были таковы, что ни о каком практическом применении такого освещения не могло быть и речи. А первые попытки просто показать его публике ограничивались показом «восхода солнца» в Парижской опере, организацией ночной рыбалки на Сене или иллюминацией Московского кремля на коронационных торжествах.

Трудности в организации электроосвещения были непреодолимыми не только по причине отсутствия надежного источника электричества, его стоимости и сложности в обслуживании, но и громоздкости дела, о чем свидетельствует событие, произошедшее в Париже в 1859г.

Архитектор Ленуар решил в строившемся фешенебельном кафе в центре города применить электрический свет. Эта заманчивая идея, хотя речь о стоимости не шла, не смогла воплотиться в жизнь. По расчету оказалось, что для установки 300 источников света потребовалось бы выстроить громадное здание для батарей, равновеликое самому кафе. ( 8 )

Генералы заинтересовались

С 1745г. электрической искрой научились поджигать спирт и порох. Полвека эта способность демонстрировалась в университетах, балаганах и школах, но практического применения не находила. Виной тому была сложность электризации тел трением для получения искры. Одно дело получать искры в сухом отапливаемом помещении или летом, а на практике? История сохранила такой казус.

Мы уже упоминали С.Уолла, предположившего сходство молнии и искры. Несомненно, что искру он получал, но в присутствии членов Лондонского Королевского общества он не смог повторить свой же опыт, поэтому его не избрали членом этого Общества.

С появлением гальванических элементов положение изменилось. В любое время можно было гарантированно получать искру. Тогда и обратили внимание на нее военные. Русский офицер и дипломат П.Л.Шиллинг в 1812г. произвел первый подводный взрыв порохового заряда, что другим способом сделать почти невозможно.

Для ввода в армейскую практику электроподрыва мин много энергии вложил генерал К.А.Шильдер, который применял работоспособную электроарматуру своей конструкции для взрывов – запалы, контактные устройства, разъединители. Им же сделано наблюдение, что электроподжог можно сделать одним проводом, используя вместо другого электропроводность земли и воды.

Учитывая возможности электричества в 1840г. военном Инженерном ведомстве было создано Техническое Гальваническое заведение, в котором обучались военнослужащие обращению с электроприборами, а также выполнялись исследовательские и конструкторские функции. К военноэлектрической проблематике был подключен физик мирового уровня Б.С.Якоби, роль которого трудно переоценить в развитии нового направления военной науки.

Техническое Гальваническое заведение может гордиться, своим выпускником 1869г. П.Н.Яблочковым, внедрившим в мировую практику применение переменных токов, трансформаторы и дуговые светильники под названием «Русский свет», но это будет позже, а сейчас электрические запалы входят в практику русской армии и широко используются в войне на Кавказе – Чечне и Дагестане. Иногда армия выполняет и заказы гражданских ведомств – очищает взрывами от заторов льда реку Нарва или Кронштадтскую гавань. ( 9 )

Минная война

Крымская война разразилась в 1853г. Коалиция западных стран в очередной раз вмешалась в дела стран, лежащих далеко от пределов их границ, не давая возможностей мирного развития России. Основные события развернулись на Черном море. Союзники против российского парусного флота применяют уже паровой, а против гладкоствольных русских ружей применяют винтовки. Нашим соотечественникам флот пришлось утопить, чтобы не позволить вражеским пароходам войти в бухты Севастополя. Что же касается винтовок агрессора, то пули из них безнаказанно поражали с расстояний, недоступным русским ружьям. Плохо быть технически отсталой страной. А этот опыт как-то не учли наши современные реформаторы.

При осаде неприятелем Севастополя пришлось возводить средневековую инженерную защиту – рвы, бастионы, защитные стенки. Тогда шансы стрелков уравнивались. В ближнем бою годились и ружья, а всем известной была сила русского штыка. К укреплениям противники боялись приближаться. Тогда союзники начали минную войну. Что это такое?

Чтобы избежать потерь под стенами осажденной крепости, саперы нападающей армии прокладывают под землей галереи, шурфы, сапы. Роют норы под самые стены укреплений, закладывают взрывчатку и подрывают. Гибнут защитники, а разрушенные сооружения брать легче. Защитники же ведут контрминную войну. И все это связано с большим количеством подземных работ.

При защите Севастополя саперами России было произведено большое количество земляных работ. За семь месяцев подземной минной войны защитники проложили под землей 7 км коммуникаций. И все лопатой и киркой без вентиляции. Это были в большинстве своем норы. Инженера А.Б.Мельникова, руководителя подземных работ, друзья в шутку называли «Обер-кротом».

Отсутствие вентиляции обычно усугубляется еще и дымным воздухом поля битвы. Гарь пороха и дым, содержащие в себе опасный для человека угарный газ, бывают страшнее пуль. У саперов появляется так называемая минная болезнь. Вот симптомы ее серьезного проявления: «Больной внезапно падает, дыхание его останавливается и при явлениях бессознательного состояния и судорог наступает смерть». ( 11 )

Принудительную вентиляцию в условиях войны организовать невозможно. Увеличивать диаметры нор – значит терять время. Оставался один резерв: освещение подземных работ. Обычно саперы пользовались свечами. Они служили и источниками огня при подрыве, их же можно было использовать для задержки времени, чтобы дать возможность саперу уйти из зоны поражения. К заряду подсыпалась дорожка из пороха и в нее вставлялся огарок свечи. Когда он догорал – происходил взрыв. Понятно, что работа с порохом и открытым огнем приводила к большим потерям от несчастных случаев

Но не только этим был плох открытый огонь. Вот что написано в учебнике химии того времени: «Человек сжигает своим дыханием каждый час 10 г. углерода. Горение свечи, лампы и газа изменяет состав воздуха так же, как дыхание человека». ( 12 ). Если воспользоваться источником света, который не потребляет кислорода, проблемы вентиляции саперов были бы решены наполовину. Такой свет можно было создать с помощью электричества. И к этому у военных были все предпосылки. Источник электричества у них был без дела почти все время, исключая секунды для подрыва.

Опыт Крымской войны показал, что электрический метод подрыва, применяемый русскими минерами, был более надежным и удобным, чем огневой, применяемый союзниками. Например, число отказов при взрывах у русских минеров составляло лишь 1%, а у противника 22%.

Для внедрения электроосвещения под землей оставалось за немногим. Нужно было заняться этим вопросом вплотную. А это можно было сделать только после окончания войны.

Первые попытки внедрения

Поражение России в Крымской войне и успехи в ней минной войны убедили генералитет в необходимости лидирования в области применения электричества в военном деле. С 1866г. начинаются первые попытки применения электроосвещения под землей. Применение для освещения подземных работ яркого света электрической дуги было безрассудным .Единственно возможным способом в то время было освещение с помощью трубок Гейслера. Таковая и поныне экспонируется в Политехническом музее Москвы. Что это такое?

Немецкий изобретатель Генрих Гейслер после изобретения ртутного насоса, будучи стеклодувом, основал в Бонне мастерскую научных приборов. С 1858г. он начал массовый выпуск стеклянных трубок различных конфигураций и размеров с двумя электродами в вакуумное пространство, заполнявшееся разными разреженными газами. В электрическом поле они светили различными цветами (разный состав газа) даже от обыкновенной электрофорной машины. (Вспомним открытие Гауксби). С широким внедрением гальванических элементов трубку можно было зажечь от них, но с помощью индукционных катушек, которые повышали напряжение до высоких потенциалов.

Трубки были высококачественными, изготавливались в больших количествах и поэтому получили имя изготовителя трубок. Находили они применение в демонстрационных целях физических кабинетов гимназий и университетов. А также в научных целях в спектроскопии газов. Инженерное ведомство сделало попытку освещения подземных работ с помощью таких трубок

В нашем распоряжении имеются результаты первых таких попыток. Применялись элементы Бунзена и индукционная катушка Румкорфа. Менялись напряжения питания катушки и частота тока трубки, а также длина питающих проводов. Испытания проводились под землей в реальных условиях Усть-Ижорского лагеря.

Трубка давала «беловатый сильно мерцающий свет. На стене на расстоянии метра образовывалось пятно такой яркости, что можно было отличать печатные буквы от письменных, но читать затруднительно».

Вполне объяснимая в полевых условиях сырость сильно влияла на результаты испытаний. Высокое напряжение ощущали испытатели в виде ударов током. Катушка Румкорфа отсырела и работала нестабильно. Контакт самопрерывателя беспрестанно подгорал, и требовалась зачистка. Вот заключение саперных инженеров: «Эти обстоятельства заставляют сомневаться в успешности применения трубки Гейслера, как по слабому их свету, так и по сложности с которой нужно обращаться с этими приборами».

Так трубкам Гейслера был вынесен приговор, но он не был окончательным для применения электричества вообще. В акте об испытаниях звучат и оптимистические ноты: «Трубки Гейслера давали мало надежды на успешное применение их к работам в минных галереях, в то же время занялись приисканием более надежного средства». Подполковник Сергеев, например, «предложил воспользоваться прибором наподобие предложенных им осветительных аппаратов для свидетельствования каналов в орудиях. Устройство основано на раскаливании платиновой проволоки» ( 13 ).

Необходимость – путь к изобретению

Стволы артиллерийских орудий после многократных выстрелов под действием пороховых газов неравномерно изнашиваются. Для их дефектировки издавна использовался «Прибор для осмотров канала ствола». В комплект прибора входило зеркало, укрепленное на шомполе длиной около 2 метров и свечки на специальном штыре. Процесс сводился к тому, что при помощи свечи освещался участок ствола, а его состояние видно было по отражению в зеркале.

Понятно, что такой ответственный контроль (а стволы, бывает, разрываются) в неверном отражении колеблющегося пламени свечи не мог быть качественным. Поэтому раскаленная платиновая проволока при такой же яркости, как свеча, но дававшая ровный свет, была предпочтительней. Осветительный аппарат В.Г.Сергеева не сохранился, хотя устройство для «осмотра каналов ствола» есть в фондах Музея артиллерии Петербурга. Обидно, но первый светильник на принципе накаливания не сохранился и нет о нем никаких сведений.

Идея использования раскаленной платиновой нити для освещения подземных работ была поддержана командованием и приказано воплотить ее в жизнь тому же Сергееву. Он заведовал мастерскими Саперного батальона, поэтому сложностей при изготовлении образцов не было. Положение упрощалось тем, что к окончанию войны в России были разработаны новые более, более мощные взрывчатые вещества, некоторые из них от пламени не взрывались. Для возбуждения взрыва их стали применять малый заряд пороха с направленным взрывом, служивший детонатором.

Конструкция такого заряд-детонатора была предложена в 1865г. Д.И.Андриевским. В этом запале были использованы железные опилки для образования кумулятивной выемки. (Рис.1). Порох здесь поджигался платиновой нитью, раскаливаемой током. Без пороха и железных опилок этот запал представлял собой элементарный электрический фонарик с коническим отражателем.

Однако применять в таком виде светильник было невозможно. Мало того, что он мог послужить причиной взрыва при закладке заряда в горн, как и свеча. Но для работы в местах, где имеется болотный газ, его надо было окружать предохраняющей от взрыва сеткой Дэви, как это сделано в шахтерских лампах. Или придумывать что-то другое. В.Г.Сергеев от сетки отказывается.

Чертежей светильника Сергеева не сохранилось, но есть достаточно подробное описание, сделанное штабс-капитаном Беленченко. Вот краткий текст: «Фонарь состоит из медного цилиндра диаметром 160мм, закрытого с передней стороны стеклом. К краям вырезки припаян другой цилиндр, входящий внутрь первого. Со стороны стекла наружного цилиндра, внутренний закрыт плосковыпуклым стеклом. Во внутренний цилиндр вставляется рефлектор. Изолированные проволоки оканчиваются в рефлекторе двумя стойками, между которыми помещена платиновая проволока, изогнутая спиралью». Нами сделан предполагаемый вид фонаря по этому описанию. (Рис.2) Пространство между цилиндрами и стеклами заполнялось глицерином для охлаждения фонаря.

Рис.1. Промежуточный заряд-детонатор Д.И.Андриевского. 1—железные опилки, 2 – порох. Рис.2. Окончательный вариант светильника В.Г.Сергеева с раскаливаемой нитью.

Испытания, проведенные в августе 1869г. показали, что «главное удобство фонаря при употреблении в минных галереях состоит в том, что он может освещать работы там, где свеча не горит (!!!) и удобен при откапывании земли», то есть при тяжелых физических работах, так как при горении «не портит воздух».

Одна батарея элементов Грове освещала по времени от 3 до 4 часов. Сначала фонарь охлаждался водой, но при ее нагревании всплывали пузырьки воздуха между стеклами и ухудшали качество светового луча. Световой луч давал свет такой силы, что «можно было читать от фонаря на расстоянии двух саженей (более 2 метров)». (16)

Фонарь Сергеева был принят на вооружение и существовал еще в 1887г., когда великий русский ученый Д.И Менделеев поднимался на воздушном шаре Саперного батальона для наблюдения солнечного затмения. (Воздушный шар наполнялся водородом и был взрывоопасен).

Увы о дальнейшей судьбе первого светильника с накаливанием нити, нашедшего практическое применение в России, ничего не известно, хотя конструкция была перспективной и современные шахтерские светильники в принципе ничем не отличаются от фонаря Сергеева, разве что источник питания шахтеры носят с собой. ( 17 ).

Вместо заключения

Электрическим освещением занимались не только в России. Почти все конструкторы начинали свои работы в области создания лампочки накаливания с раскаливания платиновой проволоки. Но она имеет низкую температуру плавления, поэтому неэкономична.

Изобретатели предлагали накаливать уголь в безвоздушном пространстве, затем тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал…

Затем оказалось, что для лампочек нужно специальное стекло, чтобы тепловой коэффициент линейного расширения его совпадал с таким же, как у металла ввода, иначе лампа разгерметизировалась. При высоких температурах накала нагреваемая нить испарялась, поэтому лампочки были недолговечны в работе. Их стали делать газонаполненными…

Ясно, что полукустарные мастерские русских изобретателей не могли выполнять массу исследовательских, конструкторских и технологических работ. И дело стояло на мертвой точке, хотя в России были изобретатели первой величины, достаточно вспомнить Яблочкова и Лодыгина. У них попросту не было больших денег для этого.

А вот Эдисон, создав в 1879г. свою конструкцию лапочки, уже владел могучей компанией «Эдисон энд Ко» Поэтому и смог довести дело по внедрению лампочки накаливания до финала. Акционеры же русских ламповых фабрик предпочитали вместо затрат на оборудование ввозить все основные полуфабрикаты, как стекло, вольфрам, молибден из-за границы. В основном из Германии. Поэтому в первую мировую войну вступили, не умея делать радиолампы. В те времена была распространена шутка, что «в русской электролампочке только воздух русский, да и тот весь выкачен». Кстати выкачен некачественно, ибо радиолампа не могла работать с таким вакуумом». (18)

Как бы не получилось у нас так же с нанотехнологиями.

Список литературы

1. У.Мидлтон. История теории дождя и других форм осадков. Гидрометиздат, 1969, с.59.

2. Я.Г.Дорфман. Всемирная история физики с древних времен до конца XYIII века. М., Наука, 1974. с.281.

3. М.И.Радовский. Начальный этап учения об электричестве. «Электричество», №3, 1838, с.62.

4. Ф.Розенбергер. История физики. Часть 2, М-Л., 1933, с.251.

5. К.Фламмарион. Атмосфера. СПБ, 1900, с.434

6. В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. М., АН СССР, 1956., с.111.

7. В.В.Петров.Известия о гальвани-вольтовских опытах. В кн: В.В.Петров, Т.Гроттгус, Ф.Ф.Рейсс. Избранные труды по электричеству. М., ГТТЛ, 1956, с.82.

8. Л.Д.Белькинд. Павел Николаевич Яблочков. М., 1956, с.112.

9. Краткий исторический очерк Технического Гальванического заведения. «Инженерный журнал» 1869, №12, с.465-486.

10. Военно-инженерное искусство и инженерные войска русской армии. Сб. статей. Воениздат, М., 1958, с.122.

11. Большая энциклопедия под ред. С.Н.Южакова, т.13, СПБ, 1909, с.191.

12. Д.И..Менделеев. Основы химии, т.1, ГХИ, М-Л., 1947, с.491.

13. ЦГВИА, Ф, 802, оп.3, , д.19, Л:26-29.

14. Письмо начальника Военно-исторического музея артиллерии, инженерных войск и войск связи. №348 от21 мая 1992г.

15. А.И.Иволгин. Развитие и применение минно-подрывных средств. Воениздат, М., 1956, с.104.

16. ЦГВИА. Ф.802, оп.3, д.21, лл.46-49.

17. Д.И.Менделеев в вопоминани ях современников. М., Атомиздат, 1973, с. 253.

18. Г.Левитан. Советская электролампочка. «Хочу все знать», №1, 1928. с.131.