Газоразрядная лампа

Газоразрядная лампа – это осветительный прибор, принцип действия которого базируется на горении дуги ионизированного газа. Это достаточно обширное семейство, которое в начале XXI века захватило в мире едва ли не три четверти всего сегмента иллюминации. В него входят и популярные люминесцентные лампы дневного света, и лампы ДРЛ. Ещё до внедрения их в обиход осветительные устройства, работающие за счёт газового разряда, встречаются в романе Жюля Верна «Путешествие к центру Земли» (1864 год).

История развития электростатической ионизации газов

Исторически принято считать годом рождения газоразрядных ламп 1675. Именно тогда одною из ночей французский учёный Жан-Феликс Пикар заметил свечение своего ртутного барометра в то время, как переносил его из обсерватории в порт святого Майкла. Чтобы читатели представили вполне себе это явление, нужно учесть некоторые особенности конструкции. В ртутном барометре имеется трубка, запаянная с одного конца. Кроме того наличествует чаша. То и другое заполнено металлической ртутью.

Для определения давления трубку резко переворачивают и опускают в чашу. Тогда ртуть под действием земного тяготения начинает стекать вниз, образуя выше себя вакуум. В результате запаянный конец трубки остаётся полым, и протяжённость пустого пространства зависит от атмосферного давления, которое, действуя на ртуть в чаше, должно уравновесить силу тяжести.

Барометр Пикара

Барометр Пикара

При транспортировке своего барометра Пикар наверняка спешил и сильно растряс прибор. В результате произошла электризация стекла трением о ртуть, и статический заряд вызвал ионизацию металлических паров. Процесс сильно облегчался, благодаря созданному вакууму. Пары ртути и сегодня ещё используются в некоторых газоразрядных источниках света. В частности, ультрафиолетовая составляющая свечения активизирует люминофор лампы дневного света.

Пикар не смог объяснить обнаруженного явления, но немедленно доложил о нем в научных кругах. Много позже изучением занялся известный швейцарский математик Иоганн Бернулли. Ему задача оказалась также не по зубам, но сей учёный муж активно практиковал опыт со свечением, в том числе дал о нем представление французской академии наук. Так в 1700 году на одной из демонстраций явление лицезрел английский механик, и по совместительству учёный, Фрэнсис Хоксби. На базе Королевского научного общества Британии он начинает активно ставить опыты.

За основу решающего эксперимента Хоксби берет модель электростатического генератора Герике (1660 год). По описаниям машина представляла собой солидных размеров шар из серы, вращающийся на железном стержне. Трением о ладони оператора объект приобретал при вращении значительный заряд. Дальнейший ход мыслей Хоксби вполне понятен. В инструкции Герике фигурировало предложение залить серу в стеклянный шар, который затем следует разбить. Английский учёный вовсе пропустил этот шаг. К сожалению, нам неизвестно, имели ли ранние работы (например, трактат Гильберта 1600 года) представление об электризации стекла, но Хоксби так или иначе выдвинул соответствующее предположение.

Модель электростатического генератора Герике

Модель электростатического генератора Герике

В результате экспериментальная установка содержала вместо серного шара стеклянный с каплями ртути на дне, а внутри по возможности создали вакуум. При вращении сферы на железном стержне и электризации её путём трения ладонями наблюдалось свечение достаточное для того, чтобы можно было читать книгу в непосредственной близости. Так, в 1705 году английское научное общество продемонстрировало первую газоразрядную лампу. Было дано верное объяснение, что к обнаруженному явлению имеют отношение пары ртути. А после – ход работ замер на целый век. Не находилось практического применения вновь открытому явлению.

Первые газоразрядные лампы

Нельзя сказать, чтобы XVIII век прошёл бесполезно для исследований в сфере электричества, несмотря на фразу, оброненную выше. Значимыми можно считать работы Дюфе, в 1733 году предположившего наличие двух родов зарядов с целью теоретического обоснования наблюдаемого явления. Он их назвал смоляными и стеклянными. А в общем речь идёт об объяснении феномена, рассмотренного Гильбертом ещё в 1600 году, а именно:

  1. Наэлектризованный шар притягивает многие тела.
  2. Соприкоснувшись с шаром, тела начинают от него отталкиваться.
Читайте также:  Нормы освещённости

В понимании Дюфе объект приобретал заряд того же знака при соприкосновении. Чем и объясняется рассмотренное явление. Но настоящий прогресс в науке начался в ту пору, когда одно за другим государства отменяли наказание за занятие колдовством. В результате на свет появилась Лейденская банка, а Бенджамин Франклин доказал электрическую природу молнии, Вольта изобрёл первый электрохимический источник энергии. В 1729 году произошло революционное открытие, являющееся основой для многих других: Стивен Грей додумался собрать проводники воедино и получил первую в мире электрическую цепь. С тех пор ток можно передавать на расстояние.

Изобретённая в 1746 году Вильямом Ватсоном электрическая машина сплавляла заряд по шёлковым шнурам, что позволило Жану-Антуану Нолле продемонстрировать более эффектную дугу в среде разряженного газа. Примерно в то же время Готфрид Груммерт высказал предположение, что подобное освещение хорошо подошло бы для использования в шахтах и других местах, где открытое пламя повышает вероятность взрыва, а Иоганн Винклер заметил, что неплохо бы вместо шаров использовать длинные колбы, согнутые по форме букв алфавита, предвосхитив, таким образом, появление на свет трубок Гейслера и экрана телевизора.

Чуть позже, в 1752 году, Ватсон частично реализовал эти задумки (первый дисплей запатентован в 1893 году ). В частности, демонстрируя опыт с горением дуги в трубке длиной 32 дюйма. Благодаря столь блистательным открытиям, в 1802 году произошло сразу два значимых для рассматриваемой темы события:

  • Англичанин Хампфри Дэви открыл явление свечения накаливаемой электричеством платиновой проволоки.
  • Наш соотечественник, В. Петров при помощи вольтова столба, состоящего из 4200 (по другим данным – только 2100) пар медных и цинковых пластин. Для сравнения – источник энергии сэра Хампфри Дэви был вдвое меньшей мощности (2000 пластин).

И если достижения Петрова были успешно забыты под влиянием событий Отечественной войны 1812 года и в силу обычного российского наплевательства, то в Англии к проблемам электричества подошли более серьёзно. Заслуга именно Хампфри Дэви состоит в том, что он, будучи химиком, повторяя опыты зарубежного коллеги, начал экспериментировать с различными газовыми средами. Конечно же, член Королевского научного общества был знаком с опытами Фрэнсиса Хоксби и наверняка захотел проверить не является ли новое открытие повторением ранних попыток создать искусственные источники света.

Опыты Фрэнсиса Хоксби

Опыты Фрэнсиса Хоксби

Эти эксперименты привели к тому, что были замечены линейчатые спектры газовых разрядов. Попутно замеченные Волластоном и Фраунгофером особенности излучения Солнца в последующем позволили Кирхгофу и Бунзену высказывать предположения о составе атмосферы нашего светила. Это тесно связно с рассматриваемой темой, потому что спектр разряда также линейчатый. Например, натриевые лампы дают оранжевый свет, и при помощи люминофора приходится распределение частот корректировать (лампы ДРЛ). Затем эстафету принял Майкл Фарадей (с середины 30-х годов XIX века), показал процесс возникновения дуги в среде разреженных газов, внёс свою лепту и Генрих Румкорф, предоставив в руки физиков инструмент для получения импульсов высокого напряжения (катушка Румкорфа, 1851 год). В 1835 году Чарльз Уитстон зарегистрировал спектр разряда дуги в парах ртути, попутно отметив ультрафиолетовую составляющую.

Газоразрядные лампы Гейслера

Первыми коммерчески успешными можно считать творения Гейслера. Датой их рождения принято считать 1857 год. Именно этот стеклодув и по совместительству физик догадался в колбу с разряженным газов вставить 2 электрода. Подавая затем на них напряжение, он лицезрел красочный  разряд дуги. Проще говоря, Гейслер соединил воедино открытия Петрова и Хоксби. Дуга тлеет в колбе с атмосферой из паров газа. А дальнейшее – выбор цвета – уже не составило труда, поскольку имелись наработки сэра Хампфри Дэви и Майкла Фарадея.

Читайте также:  Клеммная колодка

С 80-х годов трубки Гейслера широко выпускаются для целей развлечения населения. И сегодня ещё неоновые огни считаются лицом США. Примечательно, что будучи помещены рядом с источниками сильного электромагнитного излучения, такими как катушки Тесла, лампы Гейслера загораются самопроизвольно. То есть выполняются условия ионизации разреженной газовой среды. Исследования, сопряжённые с поиском технических решений для целей освещения привели учёных к открытию электрона, измерению его заряда и массы, появлению на свет электронных ламп.

Лампа Гейслера

Лампа Гейслера

Тем временем в России

Возможность розжига порохового заряда электрической искрой была известна примерно с 1745 года. Но едва ли сапер мог унести с собой лейденскую банку или терпеливо натирать шерстью янтарь в любых погодных условиях. Долгое время военное дело не брало во внимание подобные мелочи. Но в 1812 году российский офицер Шиллинг сумел через электрический элемент питания произвести подводный взрыв. Считается, что именно военное дело дало толчок к развитию исследований электричества в России. Первая дуговая лампа установлена в 1849 году самим изобретателем (Якоби) на башне Адмиралтейства Санкт-Петербурга. Ее свет был столь ярок, что сравнивался обывателями с солнечным.

Применение прожекторов с разрядными лампами практически полностью ограничивается военным делом, за малым исключением, когда эти источники указывают путь кораблям с маяка. Нас же в этой теме интересуют наработки Джона Томаса Рея, датированные 1860 годом, который догадался объединить электрическую дугу (Петров и Якоби) с атмосферой паров ртути (Майкл Фарадей) при нормальном давлении.

От Эдисона до современных газоразрядных ламп

И все же, несмотря на все явные преимущества, газоразрядные лампы Гейслера имели существенные недостатки. В частности, малый срок службы. С 90-х годов XIX века некто Дэниэл МакФарлен Мур работал в компании Эдисона и вскоре после поступления на службу стал изучать историю. Больше всего его заинтересовали газоразрядные лампы Гейслера. Что не так с моим светом? – вопрошал к нему Эдисон. Мур ответил на это: он слишком тусклый, слишком горячий и чересчур красный. Что ж, это вся правда о лампах накаливания того времени.

Современная лампа

Современная лампа

В 1892 году ртутная газоразрядная лампа была усовершенствована Мартином Лео Аронсом. Эта наработка была в 1901 году усовершенствована Петером Купером Хьюиттом и обрела коммерческий успех.

С 1894 Мур организовывает две собственные компании, занимающиеся проблемами освещения. Главной особенностью его ламп (1896 год) стало то, что газ по мере расходования возобновлялся. В результате устройство могло работать сколь угодно долго. Первое коммерческое использование зарегистрировано в 1904 году. Лампа с отдачей 10 люменов на 1 Вт осветила магазин оборудования и приборов. Как писали очевидцы, несмотря на всю сложность и громоздкость (50 ярдов длиной) отдача того стоила. Поскольку КПД новых газоразрядных ламп в 3 раза превышал аналогичные цифры для ламп накаливания.

Отличительной особенностью было использование в лампах Мура паров азота и углекислого газа. В результате получался фактически дневной свет. А пары азота давали более мягкое свечение и низкую цветовую температуру. Появление на свет вольфрамовых нитей сделало невыгодным дальнейшее производство, компании были поглощены (1912 год) Дженерал Электрик, а патенты скуплены. Но и сам Мур не остался без работы, перейдя в лаборатории своего преемника в этой бесконечной эстафете. Позже изобрёл неоновую лампу.

Практически все уже сказано. А желающие узнать больше могут заглянуть в разделы про лампы ДРЛ и люминесцентные лампы.