ЛАМПОЧКА НАКАЛИВАНИЯ
ЛАМПОЧКА НАКАЛИВАНИЯ
В шестидесятые годы основной областью применения электричества был телеграф. Семидесятые годы явились эпохой электрического освещения.
Растущие города, возникавшие большие здания и фабричные корпуса нуждались в новом источнике света, дающем более энергичное освещение, которое можно рассредоточить по отдельным многочисленным точкам.
Освещение становится основной областью применения электричества. Вместе с тем электрическое освещение привело к созданию промышленного типа генератора и центральной электрической станции, которые, в свою очередь, открыли электричеству путь в силовой аппарат промышленности.
На этих победоносных путях электричества в первый период его развития большую роль сыграли работы Эдисона. Эдисона прежде всего считают отцом современного электрического освещения.
Вместе с получением огня человек получил в свое распоряжение и первые источники света в виде костра, смоляных факелов и лучины. Постепенно совершенствуясь, эти первобытные источники света были заменены фитильными светильниками, получившими широкое распространение еще в глубокой древности. Столицы Египта, Ассирии и Вавилонии применяли фитильные лампы больших размеров даже для освещения улиц.
Следующим шагом явилось применение восковых, стеариновых и парафиновых свечей и усовершенствование масляных ламп.
В шестидесятые годы XVIII века были введены ламповые стекла, а в восьмидесятые — полые фитили. В середине XIX века получает распространение керосин. Это дало большой толчок дальнейшему развитию освещения. В начале XIX века было введено одновременно в Англии и во Франции газовое освещение; в России оно появилось в 1835 году в Петербурге. Впоследствии газовое освещение было усовершенствовано в очень значительной степени Ауэром, применившим в 1892 году калильные сетки. Это позволило ему еще долго выдерживать борьбу с электричеством.
Мы не будем останавливаться на истории развития освещения. Приведем лишь один факт из области борьбы против «света».
В «Кёльнише Цейтунг» за 1818 год было помещено воззвание, адресованное тем гражданам, которые являлись сторонниками уличного освещения. Оно гласило:
1. Уличное освещение с теологической точки зрения есть вмешательство в божий распорядок: ночь нельзя превращать в день.
2. С медицинской точки зрения — ночное пребывание на улицах будет увеличивать заболевания.
3. С философской точки зрения — уличное освещение должно способствовать упадку нравов.
4. С полицейской точки зрения — оно делает лошадей пугливыми, а преступникам помогает.
5. С общественной точки зрения — публичные празднества имеют назначением создать подъем национального чувства, важное значение при этом имеет иллюминация; существование же постоянного уличного освещения значительно ослабит эффект, производимый иллюминацией.
В XIX веке появился целый ряд новых достижений, обеспечивших победоносное развитие электрических источников света. Напомним основные этапы этого движения.
Тепловые действия электрического тока были замечены уже вскоре после открытия Александром Вольта в 1800 году гальванического элемента, когда представилась возможность получить ток, достаточно сильный для того, чтобы раскалить тонкий проводник, соединяющий полюсы гальванической батареи.
В 1802 году профессор физики петербургской Военно-медицинской академии В. В. Петров при опытах с батареей из большого числа медных и цинковых кружков получил вольтову дугу. Между двумя кусками угля при этом появился «весьма яркий белого цвета свет, от которого темный покой довольно ясно освещен быть мог».
В 1808 году Дэви повторяет опыт с получением вольтовой дуги. Ему почти в течение целого столетия приписывали честь этого открытия.
Впервые вне лаборатории и классной комнаты вольтова дуга была применена в 1845 году в Парижской опере, чтобы производить эффект восходящего солнца. Появление вольтовой дуги в этой роли произвело такое сильное впечатление, что более предприимчивые директора театров решили применить ее для того, чтобы при помощи линз и оптических призм воспроизвести эффект светящихся фонтанов, искусственной радуги и молнии. В то время, однако, получение постоянного и ровного света было крайне затруднительно. Концы углей сгорали, расстояние между ними увеличивалось, дуга ослабевала, а затем и совсем гасла. Необходимо было специальное механическое приспособление — регулятор, — чтобы сдвигать угли, между которыми возникала вольтова дуга, и таким образом удерживать их постоянно на одном и том же соответствующем расстоянии друг от друга. Первый регулятор был сконструирован в 1845 году Райтом в Лондоне. Далее следует целый ряд усовершенствований во взаимном расположении углей. Так, например, в 1846 году Стайт и Эдвардс в Лондоне получили патент на несколько регуляторов, причем угли помещались в наклонном положении по отношению друг к другу.
В 1876 году выдающийся русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков получает во Франции первую привилегию на свою «электрическую свечу». Вместо того чтобы помещать стержни вольтовой дуги вертикально один над другим, Яблочков поставил их рядом, разделив тонким слоем изолирующего вещества. Благодаря такой форме вольтова дуга, образующаяся между концами стержней, напоминала пламя свечи. Угли сгорали подобно тому, как сейчас сгорает свеча. Это изобретение вскоре получило широкую известность как «свеча Яблочкова».
Яблочков применил в своей лампе (1877—1878 гг.) в качестве калильного тела стерженьки из каолина и смеси его с магнезией, которые при высокой температуре являются проводниками электрического тока. Вольтова дуга была единственным источником электрического освещения. Яблочков осветил электрическими свечами бульвары Парижа. В 1877 году во всем мире было только восемьдесят регулярно работавших электрических ламп.
В первое время дуговая лампа должна была обслуживаться отдельной динамо-машиной, соединенной с первичным двигателем. В дальнейшем Яблочкову удается разрешить задачу центрального снабжения энергией целой установки электрических ламп его системы, включенных в одну особую цепь, то есть разрешить задачу дробления электрического света.
Необходимо подчеркнуть, что многие выдающиеся физики и химики Европы и Америки решительно возражали против самой возможности «дробления световой энергии». В Англии парламент назначил даже специальную комиссию из крупнейших ученых для решения этого вопроса. Заключение ее было крайне неблагоприятно. Комиссия высказалась в том смысле, что деление электрического света представляет собой задачу, для человека непосильную.
«Свеча Яблочкова» не только открыла эпоху электрического освещения, но и была первой точкой, в которую поступала только небольшая порция всей электрической энергии, создаваемой генератором.
Дуговые лампы до сих пор применяются в прожекторах, кинопроекторах, маяках и т. п.
Однако мощность дуговых ламп была велика, стоимость эксплуатации слишком высока. Изобретательская мысль работала по пути создания электрической лампы накаливания.
Опыты показали, что большинство раскаленных проводников окисляется настолько быстро, что абсолютно невозможно продолжительно накаливать их в воздухе. В результате многочисленных исследований определенно наметились два пути, которые легли в дальнейшем в основу всех работ по созданию электрических источников света. Эти два пути, которые не потеряли своего значения и до настоящего времени, заключаются, с одной стороны, в стремлении найти тела, наиболее тугоплавкие и неизменяющиеся при высокой температуре, а с другой — в создании таких условий, при которых раскаленное тело не подвергалось бы разрушительному действию кислорода. Это последнее условие достигается либо выкачиванием из баллона лампы содержащегося в ней воздуха, либо наполнением ее инертным газом. Первым металлом, который пытались применить в качестве калильного тела в электрических лампах, была платина. Точка плавления ее сравнительно высока, около 1750° С. В то же время платина не изменяется на воздухе даже при температуре каления.
В 1840 году изобретатель гальванического элемента Грове построил лампу (очень примитивной конструкции), в которой в качестве калильного тела была применена платина в виде спирали. Дороговизна платины, а также ее способность плавиться при напряжении лампы выше известного предела заставили искать другие тела накаливания. Внимание изобретателей направилось в сторону угля, могущего при известной температуре дать высокую мощность световых излучений.
Уголь обладает свойством переносить высокую температуру, не расплавляясь. Лишь при температуре около 3 300° С он переходит в размягченное состояние. Это важное свойство угля, а также его большая распространенность в природе по сравнению с дорогою платиною делали его очень подходящим материалом для изготовления калильных тел в электрических лампах. Однако уголь, получающийся непосредственно обугливанием органических веществ, не мог быть применен для этой цели вследствие своей пористости. Пришлось заняться отысканием специальных сортов угля. С другой стороны, уголь при накаливании жадно соединяется с кислородом, в присутствии которого сгорает. Это обстоятельство требовало создания таких условий, при которых не происходило бы это окисление. Естественным в данном случае выходом являлось накаливание угольной нити в среде, лишенной кислорода. Решение этой задачи пошло прежде всего по пути создания пустотных (вакуумных) электрических ламп накаливания.
В 1846 году Гебель построил первую угольную лампу. В этой лампе впервые в качестве калильного тела была применена нить, приготовленная из обугленных волокон бамбукового тростника. Чтобы предохранить нить от сгорания, Гебель помещал ее в стеклянный баллон, из которого удалялся воздух. Для этого баллон лампочки вместе с припаянной к ней трубкой предварительно наполнялся ртутью. Затем трубка открытым концом погружалась в ртуть, налитую в широкий сосуд. Благодаря этому в баллоне образовывалась барометрическая пустота, которая является тем вакуумом, при котором изобретатели пытались достигнуть предохранения угольного стерженька от окисления. Однако получившийся таким образом в баллоне вакуум был недостаточен, и угольный стерженек быстро перегорал. Потребовалось еще свыше тридцати лет, прежде чем идея Гебеля нашла свое практическое воплощение в работах Лодыгина и Эдисона, который вывел угольную лампу из лаборатории на широкую дорогу практического ее применения.
После первых успехов фонографа Эдисон решил в июле 1878 года недолго отдохнуть. Он принял участие в научной экспедиции астрономов в Раулинс (штат Вайоминг) для специальных наблюдений солнечного затмения. Эдисон решил испытать при этом свой тазиметр, о котором мы говорили выше. Затем он отправился на охоту в Колорадо. После двухмесячного отдыха изобретатель чувствовал себя готовым к новой борьбе, к новым исследованиям.
На обратном пути Эдисон посетил в Ансонии Вильяма Валаса, который работал над электрическими дуговыми лампами с угольными электродами. Подробно ознакомившийся с работами Валаса по дуговым лампам, Эдисон откровенно сказал ему на прощание: «Мне кажется, Валас, я побью вас в области электрического освещения. Мне кажется, что вы идете по ложному пути». Валас подарил Эдисону динамо-машину вместе с комплектом дуговых ламп для освещения лаборатории в Менло-Парке.
Эдисон вернулся в Менло-Парк и со свойственной ему способностью безгранично отдаваться овладевшей им идее принялся за работу над электрической лампой накаливания. После тщательного изучения вопроса Эдисон пришел к заключению о возможности разрешения проблемы широкого дробления электрического света. До 1879 года в научных кругах, как мы уже говорили, господствовало мнение, что разрешить эту задачу невозможно. Главная причина неудач, ранее постигших целый ряд экспериментаторов в Европе и Америке, заключалась в том, что они не занимались проблемой всей системы освещения, а только отдельной лампой. Эдисон направил всю свою энергию на разрешение именно этой проблемы и со свойственным ему увлечением углубился во все многообразие вопросов, связанных с разработкой всей системы освещения. Он поставил перед собой следующую задачу: помощью электричества получить чистый, ровный и негаснущий свет и притом настолько дешево, чтобы он мог конкурировать с газом. Из двух возможных систем — вольтовой дуги и лампы накаливания — Эдисон выбрал последнюю. Он стремился создать такой прибор, посредством которого каждый мог бы иметь свой источник света, не нуждаясь в специальной для этого станции.
В начале своих работ Эдисон также стал применять платину в качестве светящегося тела. Он изготовил лампу с платиновой проволокой, диаметром в 0,25 миллиметра и длиною около 9 метров, навитой на известковый цилиндр. При дальнейших работах по усовершенствованию платиновой лампы Эдисон покрывал тонкую платиновую проволочку слоем тугоплавких веществ, как окись циркония или церия, магнезия и другие. Обстоятельные исследования и опыты Эдисона и его сотрудников, главным образом Фрэнсиса Элтона, показали, что платина все же является материалом, мало пригодным для применения ее в лампах накаливания. Тогда Эдисон направляет свое внимание на угольную нить. Предыдущие опыты Эдисона с угольными микрофонами позволили ему широко изучить различные свойства угля, его удельное сопротивление, температуру плавления. И совершенно естественно, что мысль изобретателя напряженно работала в направлении всевозможного применения угля.
Еще ранее при своих опытах с благородными металлами (платина, иридий и их сплавы), употребляемыми в качестве нити накаливания, Эдисон установил решающее значение вакуума. В апреле 1879 года он проделал следующий опыт: сначала накаливал платиновую нить в воздухе и получил силу света в 4 свечи. Когда же он нить такой же длины стал накаливать в вакууме, то получил силу света в 25 свечей.
В настоящее время пустотные приборы получили громадное значение не только в лабораторной обстановке, но и в различных отраслях техники. Когда много лет тому назад ученики известного французского электротехника Блонделя обратились к нему с вопросом о том, в какой наиболее интересной области электротехники следует сейчас работать, Блондель им ответил: «Глядите в пустотные трубки». Этими словами Блондель подтвердил предсказание Максвелла, сделанное в семидесятых годах прошлого столетия, в котором утверждалось, что пустотная трубка бросает яркий свет на всю область науки об электричестве и даже на вопрос о строении вещества. И действительно, пустотная трубка явилась могучим орудием для целого ряда революционных открытий в технике и особенно в физике.
Каждый шаг вперед в технике высокого вакуума сопровождался важнейшими научными открытиями. Вакуум открыл дорогу новейшим победам в области электрических ламп. Огромная заслуга Эдисона заключается в том, что он один из первых в области осветительной техники обратил внимание на способы повышения вакуума. Благодаря своеобразной комбинации воздушных насосов он в октябре 1879 года был уже в состоянии получить вакуум (разрежение в колбе) почти в одну миллионную долю атмосферы. Это, правда, значительно меньше того вакуума, который техника дает возможность получить сейчас. Однако по тому времени это явилось очень крупным достижением.
Разрешив проблему вакуума, Эдисон мог идти дальше и сосредоточить все свое внимание на поисках материала, наиболее пригодного для нити накаливания.
В этот период в одну из своих рабочих ночей Эдисон сидел в лаборатории, обдумывая одну из очередных своих задач, и при этом рассеянно катал между пальцами кусок смешанной со смолою спрессованной сажи, которую он употреблял для телефона. Мысли изобретателя витали далеко, а в это время его пальцы механически превратили маленький кусочек сажи со смолою в тонкую нить. Когда Эдисон случайно на нее взглянул, у него возникла мысль попытать эту нить в лампе. Немедленно был поставлен опыт, который, к большому удовольствию изобретателя, дал положительный результат. Он стал производить дальнейшие опыты. Форма и состав вещества изменялись. После многочисленных упорных опытов Эдисон изготовил лампочку с обугленной хлопчатобумажной нитью (в виде подковы), помещенной в стеклянный баллон, из которого был тщательно выкачан воздух.
21 октября 1879 года Эдисон включил лампочку в электрическую цепь. В лампочке вспыхнул свет. Изобретатель увеличил силу тока, ожидая, что хрупкая нить не выдержит накаливания. Свет стал еще ярче. Эдисон продолжал повышать силу тока, пока не достиг температуры плавления алмаза. Лампочка, наконец, оказалась побежденной и погасла. Более сорока восьми часов подряд просидели Эдисон и его ближайший ассистент Бэчлор над этим новым открытием.
Так родилась электрическая лампа накаливания с угольной нитью, одно из крупнейших изобретений XIX века. Однако потребовалось еще около тринадцати месяцев упорной работы и затраты в 40 тысяч долларов, чтобы достигнуть результатов, могущих найти широкое практическое применение.
Все эти долгие месяцы Эдисон и его помощники работали с огромным напряжением. Надежды сменялись разочарованием. Работа кипела и днем и ночью. В конце концов у Эдисона разболелись глаза. В его записной книжке мы находим запись от 27 января 1879 года:
«Из-за сильного света у меня после семи часов работы заболели глаза, и я вынужден ее прекратить».
На следующий день он записал:
«Прошлой ночью испытывал адскую боль с 10 вечера и до 4 утра, когда заснул при помощи большой дозы морфия. К 4 дня глазам стало лучше, и они не так болят, но я потерял день».
Возникли и финансовые затруднения. Собственных средств Эдисона было недостаточно. С помощью представителя компании «Вестерн Юнион» Эдисон привлек к финансированию нескольких крупных предпринимателей, связанных с фирмой «Вестерн Юнион», банкирским домом Джона Пирпонта Моргана, компанией Нью-Йоркской надземной паровой железной дороги и другими. Они образовали Эдисоновскую компанию электрического освещения с капиталом в 300 тысяч долларов. По настоянию учредителей организация этой компании держалась в секрете.
Эдисон получил в свое распоряжение первые 50 тысяч долларов. Деньги были быстро израсходованы, эксперименты продолжались, появилась нужда в новых средствах. Банкиры сердились, они требовали практических результатов и грозили отказом в финансировании.
Нервозность обстановки усугублялась травлей, начатой против Эдисона. Слухи о его деятельности, несмотря на секретность, просочились в прессу. Поднялась паника среди акционеров газовых компаний. Репортеры и многие ученые вооружились дубинками против «самонадеянного фокусника». Они пытались доказать принципиальную невозможность превращения электрической энергии в световую.
Эдисон не сдавался. Он понимал, что голоса искренних, но заблуждающихся ученых тонут в инспирированном хоре голосов, побуждаемых коммерческими интересами. Уверенность Эдисона основывалась на опыте его предшественников. Ему были известны работы первого создателя лампочки накаливания — А. Н. Лодыгина. Военный приемщик крейсеров, строившихся в США для России, лейтенант А. М. Хотинский привез с собой лампы Лодыгина. Сила Эдисона состояла в созданной им совершенно новой системе научно-экспериментальной работы. Лампу накаливания не могли создать изобретатели-одиночки в маленьких мастерских и лабораториях. Эдисон организовал изобретательскую работу по принципу крупных предприятий. Он был гениальным техником-изобретателем, вместе с тем он был пионером крупной промышленной организации научно-экспериментальной работы.
Британская энциклопедия 1929 года в статье, посвященной освещению, подчеркивала, что не Эдисон был первым изобретателем лампы накаливания. В качестве первых изобретателей лампы накаливания статья называет А. Н. Лодыгина (Россия, 1872) и Джозефа Свана (Англия, 1877). Величайшая заслуга Эдисона была в том, что он первый создал практически осуществимую, а потому и широко распространившуюся систему электрического освещения лампами накаливания с прочной, обладающей высоким сопротивлением нитью накала, с высоким и устойчивым вакуумом и с возможностью подведения электрического тока к огромному количеству независимых друг от друга и от расстояния точек освещения.
21 декабря 1879 года на первой странице газеты «Нью-Йорк Геральд» появилась большая статья: «Триумф великого изобретателя в области электрического освещения». Газета излагала краткую историю электрического освещения, говорила о работах других лабораторий, ближайших предшественников Эдисона, в том числе Яблочкова и Лодыгина, довольно подробно освещала этапы работы Эдисона с вакуумной лампочкой — сначала с платиновой, а потом с угольной нитью, описывала процесс получения последней и подробно рассказывала о «блестящих результатах» и «великом открытии». В газете сообщалось, что «первая публичная демонстрация долго ожидаемого электрического света Эдисона… должна состояться под Новый год в Менло-Парке, причем последний будет освещен этим новым светом… Ученые и весь цивилизованный мир с нетерпением ожидают результатов этого вечера».
Утром 21 декабря в контору газеты, к ее заведующему репортажем Альберту Орру вбегает редактор газеты Томас Коннери. Он взволнован. В его руках утренний выпуск газеты. Орр удивлен появлением редактора в столь необычный для него час. Коннери, указывая на первую страницу газеты, восклицает:
— Мистер Орр, объясните мне, как подобное сообщение могло появиться в газете? Кто это только мог написать: «Свет передается по проводу»? Наша газета станет теперь посмешищем для публики… Разве вам неизвестно, что давно уже была доказана невозможность такого противоестественного явления?
Не успокаивают Коннери убеждения Орра и его сообщение, что статья написана одним из наиболее крупных и хорошо зарекомендовавших себя корреспондентов — Фоксом, газетным работником, наиболее близким к вопросам науки и техники.
— Как это только Фокс решился сыграть такую штуку с газетой? — продолжает совершенно расстроенный Коннери. — Немедленно разыщите его и пришлите ко мне… Мы должны что-то предпринять, чтобы избежать скандала…
С самого начала своих опытов в области электрического освещения и до момента первой публичной демонстрации электрических ламп в Менло-Парке Эдисон не допускал никого в свою лабораторию. До 21 декабря 1879 года в печати ничего не было опубликовано о каких-либо значительных этапах его работы.
Ровно через десять дней, в канун Нового года, состоялась демонстрация нового освещения в Менло-Парке. Из Нью-Йорка были направлены специальные поезда. Около трех тысяч человек, в том числе много видных общественных деятелей, поспешили в этот день в Менло, чтобы увидеть «странный яркий свет лампочек, подвешенных на проводе, протянутом между деревьями».
Семьсот лампочек освещали в этот вечер Менло-Парк.
Толпа заполнили здания лаборатории. Эдисон и его помощники давали объяснения. Внешне Эдисон ничем не отличался от своих товарищей, он был одет в рабочий костюм. Многие, ждавшие встречи с Эдисоном, рассчитывали увидеть маститого, важного, чисто одетого господина и были поражены, узнав, что один из молодых приветливых механиков, дававших объяснения, и есть Эдисон.
Не обошлось без инцидентов. Один из посетителей пытался при помощи медного провода вызвать короткое замыкание в линии. Эдисон добродушно велел прогнать его. Несколько ламп было украдено. Несмотря на предупреждение, многие заходили в помещение динамо-машины. У всех у них намагнитились и остановились часы. Рассказывали, что у одной нарядной девушки, близко подошедшей и наклонившейся к «Мэри-Анн» (так называли динамо-машину), выпали из волос все головные шпильки.
В последующие дни газеты были полны сообщениями о событии в Менло-Парке. Триумф Эдисона был общепризнан. Тем не менее было много заметок и статей, пытавшихся дискредитировать и самую идею и ее осуществление.
Современная электрическая лампа накаливания существенно отличается от первой лампы Эдисона, но важнейшие ее элементы в основном сохранили свою принципиальную основу до наших дней.
В первый период производства ламп Эдисон сосредоточил свое внимание на исходном материале для получения угольной нити. Обугленные бумажные нити, употреблявшиеся в его первых лампах, не удовлетворяли изобретателя. Он стал искать наиболее совершенный для этой цели материал. О поражающем масштабе этих исследований свидетельствуют лабораторные дневники, куда обычно ежедневно заносились работы, выполненные за данный день, и полученные при этом результаты.
Сперва Эдисон пытался применить в качестве исходного материала шелковые нити, всякого рода картоны, рисовальную бумагу, лески удочек, хлопчатобумажные нити, фибру, целлулоид, скорлупу ореха и кедра и т. д.
Он изучал под микроскопом структуру всех этих веществ. Однажды он испробовал листья бамбука. Оказалось, что наиболее подходящей является бамбуковая нить. Он решается искать лучшие сорта бамбука. В этих поисках сотрудники Эдисона, во многих случаях с риском для здоровья и даже с опасностью для жизни, проникают в Китай и Японию, в Южную Америку, на Кубу, во Флориду . — за пальмовыми растениями, на Ямайку — за тростниками, на Цейлон, в Индию и Гвиану.
В лаборатории Эдисона было произведено за этот период около шести тысяч обугливаний разных сортов бамбука и сахарного тростника. И около десяти примерно лет основным материалом для получения угольной нити оставался японский бамбук. Эдисон никогда не считал лучшим то, что уже имеет. На все эти искания Эдисон истратил около 100 тысяч долларов, но его исследования не прекращались.
В этих поисках, в исследовании, раскинутом на громадном пространстве мира, мы имеем пример тех методов, которыми производил свои опыты великий изобретатель.
Эдисон работал и над тем, чтобы получить нить для лампочки не только обугливанием волокон бамбука, но и способом прессования. Нитроклетчатка или нитроцеллюлоза растворялась в кислоте, полученная пластичная масса продавливалась через тонкие отверстия, полученные таким образом нити промывались, навивались на деревянные планки и просушивались, а затем сгибались (для придания им необходимой формы) и обугливались.
Потребовались бы целые тома, чтобы рассказать подробно о многочисленных опытах и исканиях, которые пришлось проделать изобретателю и его сотрудникам на путях изготовления, производства и усовершенствования электрической лампы накаливания. Эдисон не остановился на электрической лампочке. Он взял ее как основу для создания практически осуществимой целой системы электрического освещения. Свои задачи он в 1880 году наметил в записке, гласящей в основном следующее:
1. Разработать широкий и основательный, правильный метод распределения тока, удовлетворительный в научном смысле и практическом, в коммерческом отношении эффективный и экономичный. Это означает систему, аналогичную газовому освещению. Сеть проводников должна быть соединена между собой так, чтобы в любой части города лампы могли питаться электричеством, поступающим по нескольким направлениям; таким образом будет предотвращен какой-либо перерыв в освещении вследствие неполадок в отдельной секции.
2. Электрическая лампа должна давать примерно такое же количество света, как газовый рожок, который привычка определила как соответствующую полезную единицу. Эта лампа должна требовать только небольших вложений в медные провода для подводки тока. Каждая отдельная лампа должна быть независима от другой. Каждая из ламп должна изготовляться и работать достаточно экономно, чтобы коммерчески конкурировать с газом. Лампа должна быть долговечна, легка и проста в обращении, длительно сохраняя постоянство потребляемой энергии и отдаваемой силы света.
3. Создать прибор-счетчик, который позволял бы на дому у каждого потребителя определять количество потребляемой им электрической энергии, подобно тому как это делается в случае применения газа.
4. Создать такую систему или сеть проводников как воздушных, так и подземных, к которой можно было бы присоединиться в любом промежуточном пункте, и чтобы проводники, ответвляющиеся от главных проводов, проходящих по улицам, можно было проводить в каждый этаж дома. Там, где эти главные линии проводов проходят под землею, как в больших городах, они должны быть защищены трубой для медных проводников, но эта труба должна допускать возможность присоединения.
5. Разработать средство для поддержания во всех пунктах обширной сети распределения тока практически одинакового его напряжения для того, чтобы все лампы, расположенные как вблизи, так и вдали от центральной станции, все время давали одинаковый свет независимо от числа включенных ламп, а также для того, чтобы предохранить лампы от быстрого перегорания вследствие внезапных и сильных колебаний напряжения тока. В месте производства (генерирования) тока должны быть устройства, регулирующие напряжение тока во всей сети освещения.
6. Сконструировать эффективную динамо-машину, которой в настоящее время не существует, для экономически выгодного превращения энергии пара в быстроходных паровых машинах в электрическую энергию. Дать полное устройство станций с паровыми машинами, электрическими аппаратами и вспомогательными приспособлениями для обеспечения эффективной и непрерывной работы, аппараты для включения и выключения отдельных потребителей энергии, средства регулировать и выравнивать нагрузку, приспособления, обеспечивающие, чтобы число работающих в данное время динамо соответствовало спросу на энергию центральной станции.
7. Изобрести предохранительное приспособление, которое препятствовало бы току возрасти чрезмерно в любом проводнике и тем вызвать пожар или другое повреждение. Изобрести выключатели для включения и выключения тока. Также изобрести средства и способ установления внутренних проводок, которые должны подавать ток к источникам света и другим приспособлениям внутри здания.
8. Сконструировать коммерчески эффективные моторы для работы элеваторов, печатных машин, самоточек, вентиляторов и т. д., моторы, работающие от тока, генерируемого на центральных станциях и распределяемого по сети главных проводов, проходящих по улицам города.
Моторы этого типа были неизвестны, когда Эдисон напечатал свою работу.
Мы видим, что Эдисон ставит перед собою огромную программу работ и изобретательства. Все в этой программе было новое: и источники электрического тока, и сама система получения и распределения энергии, и источники света, и вся аппаратура. Эдисон сам приступил к практической реализации своей программы. В этих целях он организовал в 1878 году специальную Эдисоновскую компанию электрического освещения. Контора компании была переведена в центр Нью-Йорка, на Пятую авеню, в дом № 65. Здесь находились служебные комнаты Эдисона и директора конторы. Была устроена специальная комната для посетителей, где демонстрировались различные аппараты, лампы и способы электрического освещения. Ток получали от динамо-машины, установленной в подвале дома. В верхнем этаже дома помещалась библиотека.
В течение многих месяцев тысячи людей вечерами наводняли контору Эдисоновской компании, остававшуюся открытой для посещения всех желающих до десяти-одиннадцати часов ночи. Один из ближайших сотрудников Эдисона и его биограф, Мэдкрофт, рассказывает, как он в течение четырех лет почти все свои вечера, если только они не были заняты срочными и особо важными делами, демонстрировал перед посетителями аппаратуру и давал им объяснения.
Прежде всего Эдисон открывает небольшую фабрику для производства электрических лампочек в Менло-Парке, около своей лаборатории. Этой фабрикой управляет Эптон. Хотя в самом начале лампочка обходилась Эдисону в 1,25 доллара, он подписал договор на семнадцать лет — срок действия патента — о поставке ламп по 40 центов.
Вот как об этом рассказывает сам изобретатель:
«В первом году электрические лампы стоили нам около 1 доллара 10 центов каждая. Мы продавали их по 40 центов, но их было выпущено всего 20 или 30 тысяч. В следующем году лампочка стоила нам около 70 центов, а мы продавали ее за 40 центов. В этом году было сделано много ламп, и мы потеряли денег больше, чем в первом году. В третьем году нам удалось получить машину и изменить процесс производства таким образом, что стоимость лампочки понизилась в среднем до 50 центов. Я продолжал продавать их по 40 центов и потерял еще больше денег в этом году, чем в предыдущие годы, так как продажа ламп все увеличивалась. На четвергом году я снизил себестоимость до 37 центов и в один этот год вернул все деньги, которые я раньше потерял. В конце концов я снизил себестоимость до 22 центов, а продавал их по 40 центов. Изготовлялись лампы миллионами. И тогда биржа решила, что это очень выгодное дело, и купила его».
Вскоре производство электрических лампочек было перенесено из Менло-Парка в Гаррисон (штат Нью-Джерси). Здесь Эдисон на публичных торгах купил большую фабрику, где ранее производилась клеенка.
«Мы организовали фабрику в Гаррисоне, — рассказывает Эдисон, — с первоначальным капиталом в 10 тысяч долларов, разделенным на 100 акций. Один из моих сотрудников, находясь в затруднительном положении, продал две свои акции некоему Катенгу. До того времени мы не давали никаких доходов по акциям. Теперь же мы дошли до такого состояния, что могли каждую субботу подсчитывать свои дивиденды. Катенг, увидевший, что каждую неделю в течение трех подряд мы аккуратно выплачиваем дивиденд, протелефонировал нам, а затем и лично пришел узнать, что это за фирма, которая в состоянии так аккуратно уплачивать дивиденд. В то время фабрика уже делала обороты в 1 миллион 85 тысяч долларов».
Эдисон начинает борьбу за электрическое освещение, которое на первых порах своего существования столкнулось с противодействием газовых компаний.
Ипполит Фонтэн в 1880 году (в предисловии к своей книге по газовому освещению) писал следующее:
«В жилых домах газовое освещение является наиболее приятным, удобным и дешевым способом освещения. Электрическое освещение получит доступ, возможно, для отдельных больших помещений или в особо роскошно оборудованных квартирах, но это будет столь редким исключением, что, кажется, бесполезно о нем упоминать. Несмотря на конкуренцию, которая имеет место в отдельных случаях между электрическим светом и газом, газовое производство никогда не будет заменено в своем развитии электрическим освещением. Электрическое освещение никогда (!) не нанесет ущерба газовому или масляному освещению или свечам».
Мы в данном случае имеем пример предсказания, быстро опрокинутого жизнью и прогрессом техники.
В газовую промышленность были вложены значительные суммы, и мы видим, как в целом ряде крупнейших городов и столиц, как, например, в Париже, еще очень долгое время продолжает существовать газовое освещение благодаря наличию различного рода концессий и договоров. Однако уже через несколько лет эдисоновская лампочка накаливания стала настолько «полезным общественным достоянием», что ее изобретатель получил во всех странах мира сто шестьдесят девять патентов.
В Лондоне пути новому изобретению прокладывает электрическое освещение церкви Сити Темпл.
В Америке электрическое освещение впервые вводится в здании Блу-Маунти — в отеле, расположенном высоко в горах.
4 сентября 1882 года весь Нью-Йорк, первым из городов мира, освещается электрическими лампочками накаливания от центральной электрической станции Эдисона.
Первым кораблем, оборудованным Эдисоном, было судно «Жаннетта», предназначенное для экспедиции на Северный полюс, возглавляемой капитаном Де-Лонгом. Все предприятие финансировал издатель и владелец газеты «Нью-Йорк Геральд» Джемс Беннет. Эдисон был приглашен оборудовать на судне телефонную связь. С согласия Беннета и Де-Лонга он оборудовал там также электрическое освещение, установив свой генератор. В июле 1879 года «Жаннетта» вышла из Сан-Франциско и направилась в Арктику. Вблизи Новосибирских островов судно было затерто льдами. Большинство членов экспедиции погибло.
Один из первых пароходов, использовавших электрическое освещение, была только что построенная «Колумбия» — самое большое и лучшее из курсировавших между атлантическим и тихоокеанским побережьем судов.
Железнодорожный магнат и газетный издатель Генри Виллард, владевший также пароходными линиями, предложил Эдисону заняться устройством электрического освещения на «Колумбии». Эдисон энергично принялся за дело и оборудовал корабль генераторной установкой и сетью освещения. Как обычно, консервативные «знатоки и специалисты» выступили с предсказаниями пожара и гибели корабля. Однако в 1880 году «Колумбия» вышла из Нью-Йорка и направилась на юг, к мысу Горн. Через семь недель в дом на Пятой авеню прибыла телеграмма из Сан-Франциско:
«Колумбия» прибыла сегодня, совершив первый рейс без происшествий. Ваши генераторы и электрические лампы прекрасно работали на всем пути. Все радуются и изумляются. Весь Сан-Франциско у доков, чтобы поглядеть пароход. Приветствия и лучшие пожелания».
Телеграмму прислал Виллард, бывший вместе с семьей пассажиром «Колумбии». С тех пор Эдисона и Вилларда долгие годы связывала тесная дружба. Впоследствии Виллард приобрел акции Эдисоновского лампового завода в Ньюарке и Машинного завода в Скенектади и создал в 1890 году Эдисоновскую всеобщую электрическую компанию, став ее президентом,
Эдисон оборудовал электрическое освещение в нескольких театрах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Бостоне. Более того, в одном из нью-йоркских театров он организовал балетное ревю, в котором у каждой балерины на лбу зажигалась электрическая лампочка. Рассказывают, что однажды в Бостонском театре, освещенном эдисоновскими лампами, на представлении «Иоланты» присутствовал Эдисон с женой. Вдруг он заметил, что свет тускнеет. Выскользнув из зала, он быстро направился к силовой установке, где обнаружил, что кочегар заснул и давление в котле упало. Недолго думая, Эдисон сбросил пиджак, засучил рукава и принялся поспешно забрасывать уголь в потухавшую топку. Когда все было приведено в порядок, Эдисон, отругав кочегара и отряхнувшись, отправился на место, где Мэри Эдисон перчаткой стряхнула с него угольную пыль.
Электрический свет быстро и широко завоевывал мир.
Спустя тридцать лет, в 1910 году, 45 миллионов лампочек было уже в ежедневном употреблении в одних только США.
Мы знакомы уже с грандиозной программой Эдисона по созданию целой системы получения и распределения электрической энергии.
С разрешением основного вопроса о лампе накаливания возникло требование на улучшенный тип генератора электрической энергии — динамо-машины, изобретение которой явилось одним из самых крупных событий в истории техники.
В динамо-машине нашла свое разрешение задача преобразования механической энергии в электрическую.
В1883 году Э. X. Ленц в докладе Петербургской Академии наук формулирует принцип обратимости: генератор динамо-машины может работать и как электродвигатель. Тем самым открываются широкие перспективы для победоносного шествия электромотора. В целостной энергетической системе объединяются преобразователи энергии — генераторы и электродвигатели, Начинается новая эра в технике и мировой экономике. Электрическая энергия поднимает технику на небывалую высоту, делает для нее возможным разрешение задач столь гигантских масштабов, что тесными становятся для нее берега капиталистического хозяйства.
Электрическая машина основана на законе электромагнитной индукции Фарадея. Первые машины были сконструированы еще в 1832 году. В 1871 году Грамм сооружает первую практически пригодную электрическую машину. Однако только в период 1871 —1886 годов разработаны основные элементы конструкции электрической машины промышленного значения — прототипа ныне существующих (работы Уайльда, Сименса, Уитстона, Грамма, Пагинотти, Гефнер-Альтенека, Гопкинса, Эдисона и других).
Достигнув значительного развития к середине восьмидесятых годов прошлого века, машина постоянного тока отходит на второй план, уступая первое место системам переменного тока, которые после появления практически пригодного трансформатора начинают играть решающую роль в технике XX века.
Важно установить действительное место и роль Эдисона в длинной цепи изобретений, определивших развитие динамо-машины постоянного тока. В восьмидесятых годах прошлого века в конструкции машин постоянного тока очень серьезным являлся вопрос о массивном якоре; нагревание и реактивное действие на основное магнитное поле сильно мешали работе электрических машин. В своем британском патенте (№ 1385, от 5 апреля 1880 года) — «Усовершенствования динамо— или магнитоэлектрических машин и электрических двигателей» — Эдисон впервые дал наиболее правильное решение для конструкции тела якоря электрической машины, а также впервые предложил способ выключения электрического тока путем многократного разрыва дуги. Предложенная Эдисоном толщина листов активного железа якоря в 1/32—1/64 дюйма сохранилась и до настоящего времени.
Проблема питания большого количества приемников электрического тока одним генератором электрической энергии потребовала прежде всего соответствующего регулирования режима в работе машины. Эту задачу различные изобретатели решали разными методами. Эдисон впервые предложил метод регулирования путем изменения магнитного сопротивления машины. В своем британском патенте (№ 4552, от 18 октября 1881 года) Эдисон пишет: «…Предметом изобретения является простой и эффективный способ регулировки электродвижущей силы динамо— или магнитоэлектрической машины с целью передачи потребителю только той силы тока, которая ему нужна, и для сохранения в цепи постоянного напряжения». Способ Эдисона не получил широкого развития, но в некоторых специальных случаях, например в сварочных машинах, сохранился до наших дней.
Первая динамо-машина, которую Эдисон построил, могла питать электрическим током только 60 лампочек, каждая в 16 свечей. Эти машины присоединялись ремнем к мотору или к валу трансмиссии. Изобретатель стал работать над созданием более мощной динамо-машины. Весною 1881 года он сконструировал динамо-машину, которая непосредственно соединялась с мотором, работала без приводного ремня и была способна питать током 1 200 лампочек.
Подобного проекта в то время никто не мог бы выполнить, и нередко Эдисон подвергался насмешкам критиков, мнивших себя экспертами. Однако ни нападки критиков, ни даже насмешки не могли остановить Эдисона, когда он приходил к заключению, что та или иная задача может и должна быть решена.
Хладнокровно он шел к цели, преодолевая на пути все препятствия.
Его мастерские работали днем и ночью, пока не построили эту большую по тому времени машину. Закончили ее летом 1881 года. В Париже происходила знаменитая Международная электрическая выставка, где Эдисон установил свою систему освещения. Он обещал прислать на выставку свою динамо-машину. Машина была полностью готова и испытана, оставалось только четыре часа на то, чтобы ее запаковать и отправить на пароход, направляющийся в Европу. Эдисон, предвидя все это, заранее нанял и подготовил шестьдесят человек. Каждый получил письменные инструкции по единому плану. Каждый знал, что он должен сделать. После испытания динамо она была погружена и отправлена на пароход, причем каждый точно выполнял назначенную ему функцию. Полиция разрешила быстрый проезд по улицам. Погруженная машина следовала беспрепятственно, предшествуемая повозкой, на которой стоял колокол, звонивший, как на пожар. Динамо-машина со своим мотором без всяких повреждений и приключений в дороге прибыла своевременно на пароход. Динамо вместе с двигателем и арматурой весила 27 тонн и являлась в то время «восьмым чудом» мира науки. Она стала хорошо известна в широких кругах под названием «Джумбо», по имени огромного слона, находившегося в то время в одном из зоологических садов.
Производство динамо-машин было организовано Эдисоном в Нью-Йорке, в старом здании на Герк-стрит. Во главе этой большой фабрики он ставит Бэчлора. В дальнейшем Эдисон переносит это производство в Скенектади (в трехстах километрах от Нью-Йорка), где оно явилось одним из основных камней будущих огромных предприятий — американской Всеобщей электрической компании («Дженерал электрик компани»),
Эдисон разрабатывает и совершенствует самую систему распределения тока для целей освещения.