Electric Bulb – part 6. Истории электрической лампы накаливания (расширенная версия)

Дополнения и комментарии  к статье: Кто же изобрел электрическую лампочку? Часть 6.
Переход от углеродной нити к металлической. Часть 2.

Лампа Нернста.

К концу 19-го века низкая эффективность угольной лампы накаливания была ясна всем. И это обстоятельство служило главным препятствием для дальнейшего победного шествия электрического освещения, особенно в Европе, с её высокой, в то время, ценой на электроэнергию. Поэтому, ни чего удивительного нет в том, что именно европейские ученые и инженеры усиленно искали вещества способные заменить углеродную нить в лампах накаливания. Ими было предложено несколько вариантов таких ламп, в том числе разработанная немецким профессором Вальтером Нернстом электрическая лампочка, впоследствии получившая его имя – Лампа Нернста.
Следует сказать, что в то время, условия для массового внедрения ламп накаливания еще больше ухудшились. Это произошло после изобретения колпачка Ауэра (в английском варианте - incandescent gas mantle или Welsbach mantle), появление которого резко подняло эффективность газового освещения. Поэтому, победа электричества в битве с газом, в то время, была очевидна не для всех. Лампа Нернста своим появлением сильно прибавила энтузиазма сторонникам электрического освещения, вдохнув в них новые силы. Как подтверждение этих слов, вот что писал по этому поводу журнал Science в 1898 году.

The Nernst Light.

Удивительный прогресс в освещении в течение последних лет характеризуется большой гонкой между газом и электричеством. Едва лампы накаливания смогли закрепиться в практическом мире, в этот момент Ауэр фон Вельсбах сделал свое знаменитое усовершенствование в газовом освещении, а также стала очевидной возможность использования для этих целей ацетилена. Поэтому многие посчитали, что электричеству, в конце концов, придется уступить господство газу. Нернст теперь возвращает пальмовую ветвь электроэнергии, так как он ожидает, что стоимость его света за целый вечер будет не больше, чем у Эдисона за час.

Вальтер Нернст и его Свет.

Рассказ о Лампе Нернста следует начать с личности её создателя. Не часто случается, чтобы изобретатель являлся лауреатом Нобелевской премии и автором одного из фундаментальных законов Физики.

Вальтер Герман Нернст (нем. Walther Hermann Nernst, 25 июня 1864 - 18 ноября 1941) — немецкий физик, химик, один из основателей науки физическая химия,  лауреат Нобелевской премии по химии в 1920 году «в признание его работ по термодинамике».
Нернст родился в Бризене (в то время Западная Пруссия, ныне Вомбжезьно, Польша) в семье мирового судьи Густава Нернста, причем мать его была полькой по национальности. Образование он получил, изучая физику и математику, в университетах Цюриха, Берлина, Граца и Вюрцбурга, где и окончил обучение в 1887 году.
После непродолжительной работы в Лейпциге ассистентом у всемирно известного химика Оствальда, Нернст основал Институт физической химии и электрохимии в Геттингене. Там он и изобрел в 1897 году электрическую лампу, которая впоследствии получила название Лампа Нернста, и сделала её автора знаменитым и богатым.
В 1905 году он постулировал новый тепловой закон классической физики (теорему Нернста) или Третье начало термодинамики - физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Когда Нернст вывел свой тепловой закон, он только что стал профессором физической химии в Берлинском университете, куда он переехал из Геттингена. Будучи особенно успешным в применении законов термодинамики для химических и электрохимических реакций, он был одним из основателей этой области химии. Поколения студентов и молодых ученых выросли с его учебником Теоретической Химии. Он также воспитал много талантливых учеников, ставших впоследствии известными учеными.
В 1920 году Вальтер Нернст получил Нобелевскую премию по химии в знак признания его работ по термохимии, включая третий закон термодинамики. В 1924 году он стал директором Физического института при Берлинском университете, с должности которого и ушел в отставку в 1933 году.
В 1930 году Нернст в сотрудничестве с компаниями Bechstein и Siemens разработал электрический рояль "Нео-Bechstein-Flügel", работавший по принципу современных электрогитар. Вальтер Нернст принадлежит к небольшой группе ученых, которые в двадцатом веке преуспели как в экспериментальной (практической) деятельности, так и в теории.
Умер Вальтер Герман Нернст 18 ноября 1941 года в Обер-Цибелле, около Мускау, Германия.

Вот такая краткая биография Вальтера Нернста, выдающегося ученого и изобретателя, составленная мною из различных источников. При этом, некоторые факты его биографии иногда отличались от источника к источнику. И потому, заранее извиняюсь, если кто найдет в приведенной выше биографии неточности.

Как специалист в электрохимии, Нернст знал, что кроме металлов, электрический ток проводят растворы электролитов. Но электролиты приобретают проводимость не только в растворах, но и в расплавах. Если бы удалось найти такой электролит (его состав), который при нагревании до высокой температуры становился проводником, оставаясь при этом в твердом состоянии, то его можно было бы использовать в качестве накаливаемого элемента в электрической лампочке. Способностью выдерживать высокие температуры обладает керамика. Нернст нашел такой её состав, который был пригодным для целей освещения, т.е. был электролитом при высокой температуре. Состав сырья использовавшегося для изготовления керамических калильных стержней в разных источниках приводится разный, что и не удивительно, если рассматривать лампу Нернста в развитии, а также с учетом наличия разных производителей промышленных ламп, имевших каждый свою команду инженеров, источников сырья и т.д. Но это было уже позже, а вначале и конструкция была примитивной (первичный подогрев осуществлялся пламенем газовой горелки), и состав керамического стержня был простой – на основе оксида магния. В таком виде эта лампа и была подана в заявках на первые патенты, как например в  американском №623811, заявленном 2 октября 1897 года, а отправленной из Берлин 18 сентября 1897 года (Signed at Berlin this 18th day of Septembe, 1897).

Один из первых прототипов Лампы Нернста.
Рисунок из патента США №623811 – Electrical glow-light.

Вот что написано в этом патенте по поводу конструктивных особенностей лампы и состава светоизлучающего элемента:

It is, for example, possible to bring such substances as lime, magnesia, zirconia, and other of the rare earths, which are examples of dry electrolytes, to a conducting condition by the application of external heat - such, for instance, as may be obtained from an alcohol lamp or a gas-flame - and if traversed by an electric current while in such heated condition they will be brought to an intense white heat and maintained in that condition by the passage of the current.
They, moreover, have the capacity of withstanding these very high temperatures even while exposed to the open air, so that exhausted receptacles or those filled with poorly-conducting gases are not necessary, although permissible, with my invention.
I have, for example, by external means heated in the open air a small hollow cylinder of burnt magnesia of seven millimeters length and 1.5 millimeters thickness to a conducting temperature and with a current of less than one-third of an ampere at one hundred and eighteen volts pressure obtained a light much greater than that of the present commercial sixteen-candle-power incandescent lamp.
For the purpose of heating the light-giving body C to the proper temperature for rendering it conductive under the influence of the electrical pressure to which it is subjected the flame of a lamp C may be used. Any other suitable device may be employed for applying the initial external heat.
В качестве примера можно привести такие вещества, как известь, магнезия, двуокись циркония и других редкоземельных элементов, которые являются примерами сухих электролитов, проведенных в проводящее состояние путем применения внешнего тепла - такого, например, какое может быть получено из спиртовки или газопламенной горелки - и если в таких нагретом состоянии пойдёт электрический ток, то они будут доведены до белого интенсивного каления и поддерживаться в таком состоянии проходящим током.
Они, кроме того, обладают способностью выдерживать эти очень высокие температуры даже на открытом воздухе, так что разряженные емкости или те, что заполнены плохо проводящими газами не являются необходимыми, хотя и допустимы, с моим изобретением.
Я, например, внешними средствами нагрева нагревал на открытом воздухе небольшой полый цилиндр из жженой магнезии семи миллиметров длиной и 1,5 мм толщиной до проводящей температуры и с током менее одной трети ампер в сто восемнадцать вольт  напряжения получил свет гораздо больше, чем теперешние коммерческие лампы накаливания в шестнадцать свечей.
Для нагрева светоизлучающего тела С до нужной температуры, чтобы сделать его проводящим под воздействием электрического напряжения, которому он подвергается, может быть использовано пламя горелки C'. Любое другое подходящее устройство может быть использовано для начального внешнего нагрева.

Нельзя рассматривать лампу, представленную в этом патенте, как изделие готовое для коммерческого производства и практического использования. Здесь декларируется только принцип получения света от веществ, являющимися твердыми или, как их называет Нернст, сухими (dry) электролитами. И вот, с наличием практически только принципа работы лампы и лабораторного прототипа, изобретатель начинает искать пути коммерциализации своей идеи. И надо признать, что сделал он это очень успешно и в достаточно короткий срок.
Продолжая работать над усовершенствованием лампы, прежде всего с целью добиться автоматического (без газовой горелки) зажигания, Нернст пытается привлечь внимание к своей идее научную общественность и простую публику. Появляется серия статей в различных газетах и журналах, что сильно подогревает интерес к новой лампе. Вот что писал журнал Science в ноябре 1898 года:

В Frankfurter Zeitung недавно появилось очень интересное сообщение о новых электрических лампах профессора Нернста. Так как информацию по этому вопросу до сих пор было так трудно получить, краткая аннотация настоящей статьи, может представлять интерес для читателей Science.

Как было объявлено ранее, профессор Нернст использует оксид магния для светящегося материала, который при обычных температурах не является проводником, но при нагревании до достаточно высокой степени (и в этом заключается открытие профессора Нернста) становится идеальным проводником и испускает блестящий белый свет. Предварительный подогрев магнезии (A) профессор Нернст выполняет, поместив его в фокусе рефлектора (C), как показано на рис.1. На внутренней стороне отражателя расположена спиральная проволока из платины (D), которая, когда её накаляют током, производит тепло, достаточное, чтобы сделать магнезию проводником; ток затем проходит непосредственно через оксид по проводу (B) и затем в катушку выключателя. Усложненная форма лампы показана на рис.2. Здесь магнезия (А) находится внутри цилиндра (C), который также охватывает платиновая спираль (D). Как только спираль накаливания достаточно нагревает магнезию, ток проходит через оксид по проводу (B). В этой цепи катушка (G), которая превратившись в магнит, опустит железный прут (E), тем самым снижая теперь накаливание магнезии внутри цилиндра. После разрыва цепи, катушка теряет свой магнетизм, и пружина (F) поднимает железную планку и магнезию в свою прежнюю позицию. Как преимущества по сравнению с обычными лампами накаливания, профессор Нернст утверждает, что тоже самое количество света может быть получено на одну треть стоимости, а также магнезия допускает нагрев в гораздо большей степени, чем углеродные нити и  свет чище получается. Сообщается также об успешной замене платины более дешевым материалом, хотя название не обнародовано. Допускается использование переменного и постоянного тока.

H. Monmouth Smith. The Nernst Lamp. Science.

November 18, 1898, pp. 689 – 690

По материалам сайта www.nernst.de

Представленное выше описание лампы Нернста из ноябрьского номера журнала Science за 1898 год, соответствует конструкции лампы, на которую были поданы заявки на патенты США за пол года до этого (28 апреля 1898 года), впоследствии ставшие патентами №№ 685724, 685725, 685726 и 685727.

Патент США №685724. W.Nernst. Method of electric lighting.
Application filed Apr. 28, 1898. Patented Oct. 29, 1901.

Итак, идея достаточно хорошо защищена патентами, но сам продукт еще далек от совершенства. Необходимы были средства для доведения лампы до промышленного образца, т.е. на проведение исследований (то, что сейчас назвали бы НИОКР), а также на организацию производства и продвижение уже готового продукта. Но так как сфера интересов молодого профессора лежала несколько в другой области, чем все эти организационные и другие проблемы, было ясно, что сам он вряд ли будет ими заниматься, да и скорее всего не осилит. Необходимо было найти и заинтересовать крупную электротехническую фирму, готовую вложить деньги в этот перспективный продукт, и продать ей все права (патенты) на него.
Представьте себе: Германия, конец 19-го века, нужна крупная электротехническая фирма. Первое что придет на ум - это конечно фирма Сименс (Siemens), куда и обратился Нернст, пытаясь заинтересовать своим изобретением. Но, по-видимому, там были слишком ограничены, чтобы экспериментировать с новинками, и не желали тратить деньги на развитие научных исследований. После первых экспериментов, для которых Нернст использовал свою лабораторию в Берлине, Siemens решила не поддерживать этот проект. Возможно, были еще причины их нежелания. Т.к. Нернст имел патент на свое изобретение, то вполне возможно, что цена, которую он попросил за него, обескуражила фирму.
В таких случаях изобретателям следует попытаться найти молодую фирму, которые обычно более предрасположены к новациям и экспериментам. Вальтер Нернст так и поступил, обратившись к ставшей впоследствии знаменитой фирме AEG (Allgemeine Elektrizitats-Gesellschaft) из Берлина, которая, будучи молодой компанией, была более безрассудной. Кроме того, её председатель, Эмиль Ратенау (Emil Rathenau) был впечатлен личностью Нернста и обладал чувством предприимчивости (смелости). Один из директоров компании, Mamroth, отправился в Геттинген и обсудил все детали с Нернстом, в том числе финансовые дела. AEG приобрела патент и взяла на себя его дальнейшее развитие. Нернст получил свою цену, миллион марок - поистине ошеломляющая в то время сумма.
Все дальнейшие усовершенствования лампы Нернста в Европе делали уже инженеры AEG. И надо сказать, что они добились в этом больших успехов, ибо уже в 1900 году на Всемирной Торговой Выставке в Париже павильон AEG был освещен с помощью 800 ламп Нернста, что в то время было весьма впечатляющим. 

AEG на Парижской выставке 1900 года. Пригласительный билет.

На выставке в Париже AEG представила два вида ламп: простую, для разжигания которой надо было нагреть нить спичкой или свечой; и автоматического типа, в которой предварительный подогрев осуществлялся дополнительной электрической спиралью. И надо сказать, что лампа Нернста произвела большое впечатление на посетителей выставки, как специалистов, так и простых обывателей. У неё был целый ряд преимуществ перед существовавшими на тот момент обыкновенными лампами накаливания с угольной нитью:

1. Более комфортный белый свет, по сравнению с желтым у угольной лампы и зеленоватым у осмиевой лампы, что было следствием более высокой температуры накаливаемого тела (около 2000C).
2. Более высокая температура обеспечивала и более высокий, чем у угольных ламп, КПД, и как следствие меньшее количество затрачиваемой электроэнергии на тоже количество света, даже не смотря на наличие в конструкции дополнительных энергопотребляемых элементов.   
3. Отсутствие необходимости вакуумирования колбы лампы, кроме удешевления процесса производства, позволило сделать нагревательный и накаливаемый элементы сменными. Т.е. после перегорания нити накаливания, надо было менять не всю лампу, а сняв стеклянную колбу, заменить только перегоревший элемент.

В различных газетах и журналах появились статьи с хвалебными отзывами и описанием конструкции новой лампы. Так, например, появилась статья Nernst Lamp at the Exposition в журнале Scientific American от 01.09.1900 года, с содержанием которой можно познакомиться на сайте www.nernst.de. Дабы не утомлять читателей этой длинной статьёй и её некачественным переводом (моим), приведу более краткое описание лампы Нернста из энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, объединив рисунки из этих источников.

Схематически современная лампа Нернста изображена на фиг.18. N представляет накаливаемый стерженек, CD — подогреватель, состоящий из тонкой платиновой проволоки, обернутой асбестовой массой. Внутри оправы лампы В помещен миниатюрный электромагнит E, включенный в цепь стерженька N. При включении лампы в цепь, ток проходит из А через замкнутый контакт а по I в подогреватель CD и возвращается через III в В. Когда под влиянием подогревателя стерженек N делается проводящим, часть тока начинает проходить через Е и небольшое сопротивление R (см. ниже) по пути II в N и возвращается в В по пути III. Проводимость N под влиянием проходящего тока все увеличивается; сила тока, проходящего по N, все увеличивается и наконец достигает такой силы, что электромагнит E притягивает насаженный на пружину железный контакт а и таким образом размыкает цепь подогревателя; при дальнейшем горении лампы ток проходит только по стерженьку N. Сопротивление N столь быстро уменьшается с повышением температуры, что небольшое случайное, неизбежное в цепи Э. тока превышение напряжения вызвало бы весьма сильное увеличение силы тока в N, что привело бы к разрушению стерженька. Чтобы избежать этого, в цепь N и включено сопротивление R из тонкой железной проволоки, сопротивление которой с увеличением силы тока (температуры) возрастает. Размеры R могут быть подобраны так, что сила тока, протекающего по лампе, в пределах возможных в цепи колебаний напряжения почти не будет изменяться; сопротивление R заключено в стеклянный цилиндрик, из которого выкачан воздух. Внешний вид горелки лампы Нернста изображен на фиг.19.

Горелка насаживается на выдающиеся из оправы стержни I, II, III при помощи пружинящих обхватов m, m, т; при перегорании лампы меняется только горелка ее. Лампа Нернста горит в воздухе; горелка защищена матовым, рассеивающим свет стеклянным колпаком. [В новейших типах лампы Нернста подогреватель не обхватывает стерженек N, а лежит в виде зигзага под ним. В этой конструкции подогреватель не закрывает части стерженька, и количество света при том же поглощении энергии больше.]. Стерженек лампы проводит электролитически и должен разлагаться под влиянием прохождения постоянного тока. Опыт показывает, однако, что если даже не менять направления тока, проходящего по лампе, то стерженек все же выдерживает, не разлагаясь, продолжительное горение. Нернст объясняет это тем, что выделяющийся на аноде при электролизе кислород диффундирует к катоду и вместе с кислородом воздуха вновь окисляет выделяющийся на катоде металл. Опыты Бозе, производившего исследование горения лампы Нернста в пустоте, подтвердили в общем приведенные предположения и показали, что правильное горение этой лампы возможно только в присутствии кислорода воздуха. При применении переменного тока возможность разложения стерженька электролизом исключена, и лампа Нернста может гореть и в пустоте. Средняя продолжительность горения современных (1903) ламп Нернста не выше 400 часов; поглощаемая ими энергия при той же силе света значительно меньше энергии, поглощаемой угольными лампами, а именно равна около 1,5 ватта на свечу и только после 400 часов горения повышается до 2 ватт.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Электрическое освещение

А вот так выглядела лампа Нернста производства фирмы AEG (Allgemeine Elektrizitats-Gesellschaft), схематическое устройство и описание которой приведено выше.

Nernst lamp, complete, model B with cloche, DC-lamp 0.5 ampere, 95 volts, by courtesy of Landesmuseum für Technik und Arbeit in Mannheim, Germany, (Engl.: State Museum of Technology and Labour, Mannheim)

Следует сказать, что патентная защита этого изобретения была на очень высоком уровне. Заявки на изобретение были поданы практически во все патентные ведомства мира. Чтобы не создавать сложностей со сбытом, весь Земной шар был поделен на зоны влияния между фирмами, купившими права (лицензию) на лампу Нернста.
Так, созданная в Англии компания Nernst Electric Light Limited, приобретает патентные права в странах, входящих в состав континентов Австралия, Африка, Азия, Южная и Центральная Америка и на смежных островах, в том числе патентных прав уже  выданных в Аргентине, Капской колонии, Египте, Новом Южном Уэльсе, Новой Зеландии, Южной Австралии, Венесуэле и Виктории.
Фирма Ganz and Co., Ltd. из Будапешта приобретает права на распространение ламп в Австро-Венгрии, Италии и в Балканских государствах. Права на всю остальную Европу остались за AEG.
А вот в США и Канаде все права на патенты Вальтера Нернста приобрел извечный соперник Эдисона и General Electric, известный промышленник и изобретатель Джордж Вестингауз (George Westinghouse). Во всех ранних американских патентах Нернста (например №685727 - ELECTRIC GLOW-LAMP), в заглавии написано: «WALTIIER NERNST, OF GOTTINGEN, GERMANY, ASSIGNOR TO GEORGE WESTINGHOUSE, OF PITTSBURG, PENNSYLVANIA», а в более поздних (например №900416): «WALTHER NERNST, OF GOTTINGEN, GERMANY, ASSIGNOR, BY MESNE ASSIGNMENTS, TO NERNST LAMP COMPANY, OF PITTSBURG, PENNSYLVANIA, A CORPORATION OF PENNSYLVANIA». Это надо понимать так, что все права на патенты в США сначала были переданы Вестингаузу, а затем Nernst Lamp Company. Только не следует понимать так, что Nernst Lamp Company принадлежала Вальтеру Нернсту. Эта компания была создана в 1901 году и принадлежала Джорджу Вестингаузу, который, как обычно в таких случаях, для продвижения нового изобретения (товара) создал новую фирму. А именем Нернста воспользовался как товарным знаком (или брендом, как сказали бы сейчас), к тому времени уже хорошо раскрученным мировой прессой.
Организация производства ламп Нернста велась с американским масштабом. Пятиэтажное здание завода Nernst Lamp Company располагалось в Питтсбурге в здании завода с общей площадью 101 000 квадратных футов. Компания имела свой рудник (шахту) в Barringer Hill (штат Техас), где добывался минерал гадолинит, из которого получали оксид иттрия, входившего в состав светоизлучающего керамического стержня.
Развитие американской лампы Нернста, вероятно, шло по-другому пути и независимо от европейской прародительницы, т.к. были другие команда инженеров, источники сырья, рыночные условия. Вот фотографии ламп от Nernst Lamp Company производства 1903 года взятые с сайта www.nernst.de.

Лампа Нернста производства Nernst Lamp Company, Pittsburg, 1903 год.
На фото справа и внизу видны нагреватели (большие стержни) и нить накаливания - glower (маленький стержень).

Конструкция лампы была сделана с возможностью замены практически всех частей лампы: нити накала; балластного сопротивления; нагревателей. Вот разворот брошюры инструкции по эксплуатации этих ламп Нернста, на котором видны сменные элементы (glowers, heaters and ballasts) и держатель (holder) с установленными на нем нагревателями и нитью накала.

Составные части лампы Нернста производства Nernst Lamp Company.

Но, несмотря на все замечательные свойства ламп Нернста и организованное их массовое производство, они продержались на рынке относительно недолго - около десяти лет. AEG прекратила их выпуск в 1909 году, хотя и продолжала выпускать сменные элементы к ним в течение нескольких лет. Лампа Нернста ушла с рынка массовых ламп накаливания из-за появления новых, еще более эффективных лампочек. Однако, они продолжали использоваться в качестве ламп специализированного назначения, например в проекционных аппаратах. И даже в 1976 году был выдан патент США №3946331 (Nernst lamp for laser pumping), в котором предлагалось использовать лампу Нернста в качестве лампы накачки для лазерной установки.

Заключение:
Жизненный цикл Лампы Нернста как товара на рынке оказался недолгим. Такое иногда случается даже с замечательными изобретениями и у выдающихся изобретателей. Если появляется новая инновация, старая должна уйти со сцены – такова логика научно-технического прогресса. Однако, лично мне представляется, что в наше время можно было бы сделать гораздо более эффективную лампу Нернста, особенно с учетом развития современного материаловедения керамических материалов и нанотехнологий. Ведь даже прогресс в области сверхпроводимости все связывают именно с керамикой. Просто сейчас, все силы исследователей в области поиска новых источников освещения брошены на развитие светодиодов. А про лампу Нернста забыли. Может быть и зря.