По сравнению с дуговой лампой развитие технологии ламп накаливания сильно отставало. Дэви показал: электрический ток может нагреть вещество до такой температуры, что оно начнет светиться. Но основная проблема состояла в том, что рабочая температура должна быть достаточно высока, чтобы вызвать свечение, и в то же время она не должна вызвать окисление и сгорание вещества. Исключение представлял собой уголь, который не плавился при высоких температурах, однако благодаря своим свойствам мог легко вспыхнуть, из-за чего эксперименты с ним слишком далеко не продвинулись. Платина, обладающая высокой сопротивляемостью окислению, являлась еще одним материалом с приемлемыми качествами. Но она дорогая, и, что особенно важно, ее трудно довести до температуры свечения, которая очень близка к температуре плавления (около 1770 °С).
Во второй четверти XIX века многие исследователи изучали проблему лампы накаливания, разрабатывая нити из различных комбинаций платины или иридия и угольных прутков, заключенных в стеклянные сосуды с откачанным или частично откачанным воздухом.
ЧТО ТАКОЕ СВЕТ
Согласно определению, свет можно рассматривать как электромагнитную волну либо как поток фотонов (элементарных частиц). Он всегда служил одним из главных объектов физических исследований, в которых отметились такие известные ученые, как Ньютон, Гюйгенс, Френель, Юнг, Милликен, Эйнштейн и много других. Изучение световых явлений показывает, что свет обладает двойственной природой: волновой (то есть ведет себя как волна), когда он распространяется, и корпускулярной (то есть ведет себя как поток частиц), когда взаимодействует с материей. Этот постулат — один из базовых принципов квантовой механики. С одной точки зрения, основанной на корпускулярной природе света, фотоны определяются как сгустки энергии, обладающие импульсом, но не имеющие массы. Такие частицы могут испускаться атомом. Чтобы понять процесс, благодаря которому это становится возможным, необходимо ввести понятие атомных орбит. Электроны в атоме связаны с атомным ядром. В расширенном смысле можно сказать, что они занимают определенные области вокруг ядра, электронные орбиты, в зависимости от их уровня энергии. В целом электроны, расположенные на более высоких энергетических уровнях, движутся по орбитам, более удаленным от ядра. Процессы испускания фотонов (света) объясняются следующим образом: когда электрон принимает или получает энергию, например из-за столкновения с другими частицами (1), он может перескакивать на орбиту с более высоким энергетическим уровнем (2). Эта ситуация называется «возбужденное состояние» и длится мельчайшие доли секунды (переходное состояние). Почти сразу электроны стремятся к базовому энергетическому уровню (с меньшей энергией), возвращаясь на свою первоначальную орбиту. При этом энергия, соответствующая разнице между энергетическими уровнями, высвобождается в виде фотона (3).
Первый патент на такое устройство получил в 1841 году английский изобретатель Фредерик де Молейнс (1804-1854) со своим комбинированным проектом, где были задействованы уголь и платина в вакууме, созданном в стеклянной колбе. В 1845 году американский изобретатель Джон Старр (1822-1846) запатентовал две лампочки, в которых использовались, соответственно, два разных материала, и устроил их демонстрацию. К сожалению, вскоре он умер, не дожив и до 25 лет и не дождавшись подтверждения, что его лампы совершенно функциональны. За три десятилетия из лабораторий изобретателей всего мира вышли разнообразные осветительные устройства, но никто из них не смог разрешить фундаментальную проблему лампы накаливания, то есть понять, как довести материал до белого каления, чтобы это не привело к его разрушению.
ДОЛГИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
После того как Эдисон поставил перед своей командой задачу найти светоиспускающий материал для производства рабочей лампы накаливания, успешные, как казалось, результаты не заставили себя ждать. Это убедило изобретателя в том, что цель будет достигнута очень скоро. Первые эксперименты проводились с целью выяснить причины неудач предыдущих изобретателей. Уголь представлялся наиболее простым и экономичным решением, но благодаря своей хрупкости он оказался явно непригодным в качестве элемента накаливания. Эдисон решил, что вместо того чтобы искать способ защиты его от сгорания, проще найти метод автоматической регулировки температуры нагрева металла.
В течение нескольких дней он представил в патентное бюро caveat, содержащий 44 разных способа саморегуляции температуры металлов при накаливании в зависимости от пропускаемого через них тока. Главной идеей Эдисона было использовать температурное расширение металлов, чтобы выключить или снизить подаваемый ток при приближении к точке плавления. Он предлагал сделать это либо в самой накаливаемой спирали либо с помощью дополнительной металлической детали.
История создания фонографа дала ему большой опыт в области рекламы и продвижения своей продукции. Так что, как только у него в руках оказалась лампочка, работавшая всего несколько минут и совершенно неприменимая на практике, он, тем не менее, тут же разместил эту новость в газетах, сопроводив ее описаниями грандиозного будущего электрического освещения. На фабрике Уильяма Уоллеса генератор смог питать электричеством десяток лампочек. Эдисон уверял, что он разрабатывает настолько экономичную и эффективную лампу, что в сети один генератор сможет обеспечить током «тысячи, а может, и десяток тысяч» ламп. Печать и рынок уже привыкли серьезно реагировать на заявления Эдисона, ожидая каждое новое его изобретение как эпохальное событие. Его слова сразу же вызвали широкую волну энтузиазма, и акции компаний, производящих светильный газ, на нью-йоркской и лондонской биржах резко пошли вниз. Финансисты с Уолл-Стрит, связанные с телеграфией, газом и другими стратегическими секторами, среди которых были и управляющие «Вестерн Юнион», и члены семьи Вандербильтов, начали наперебой предлагать Эдисону основать совместное акционерное общество. В итоге появилась «Эдисон Электрик Лайт Компани», целью которой стало поддержать опытные разработки электрического освещения, проводимые Эдисоном в Менло-Парке, и получить соответственные патенты.
ЧТО ТАКОЕ НАКАЛИВАНИЕ?
Накаливанием называется явление испускания света из-за нагревания материала. Все тела испускают тепловое излучение, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Некоторые материалы, когда их температура значительно возрастает, достигают так называемого состояния накала, краснея или белея под воздействием тепла и испуская излучение, которое воспринимается человеческим глазом. То же самое происходит в лампочке накаливания. Тепловое излучение, возникшее в результате нагрева спирали под действием тока, испускается в виде электромагнитных волн, воспринимаемых нами в том числе и как тепло. Спектр света зависит напрямую от температуры нагрева тела: при температуре около 1600 °С оно испускает красно-оранжевый свет, при 5000 °С — белый, переходящий затем даже в светло-голубой (8000-9000 °С).
