пятница, 23 ноября 2012 г.

The Tantalum Lamp. История электрической лампы накаливания (расширенная версия)

Дополнения и комментарии  к статье: Кто же изобрел электрическую лампочку? Часть 7.
Электрическая лампа накаливания – переход от углеродной нити к металлической. Часть 3.

Танталовая лампа Болтона.

Процесс перехода от углеродной к металлической нити в лампах накаливания, происходивший в  конце 19-го - начале 20-го века, шел по нескольким направлениям, которые часто пересекались во времени и пространстве, и со стороны мог выглядеть хаотичным и непредсказуемым. В этой гонке участвовало много действующих лиц, некоторые из них иногда вырывались в лидеры, и даже добивались определенных экономических успехов в продаже своих ламп накаливания с неуглеродной нитью (non-carbon filament).
Так, достаточно успешной можно считать электрическую осмиевую лампу накаливания, которую изобрел австрийский ученый-химик и изобретатель Карл Ауэр фон Вельсбах (Carl Auer von Welsbach). Еще больше коммерческого успеха выпало на долю лампы Нернста, которая производилась по обе стороны Атлантического океана: в США фирмой принадлежавшей известному промышленнику и изобретателю Джорджу Вестингаузу (George Westinghouse); в Европе – молодой, но ставшей впоследствии знаменитой фирмой AEG (Allgemeine Elektrizitats-Gesellschaft) из Германии.
Но, наибольших успехов в производстве неуглеродных, до вольфрамовых ламп накаливания  добился Вернер фон Болтон (Werner von Bolton) с его электрической лампочкой, нить которой была сделана из тантала.
Следует сказать, что информации о Болтоне, как о человеке, ученом и изобретателе не очень много. Вот что пишет о нем английская Википедия.


Werner von Bolton (8. April 1868 – 28. October 1912) was a German chemist and materials scientist. He devised a technique for producing filaments for incandescent light bulb made out of tantalum in 1902.
Life
Werner von Bolton was born in Tbilisi, Georgia. He went on to study Chemistry at the Technische Hochschule Berlin and in Leipzig. Post-Graduation, von Bolton worked at the company Siemens & Halske in Berlin. In 1895 he achieved his doctorate.
In 1902 von Bolton detected the benefits of using Tantalium (Ta.)as a material in the production of filaments. Tantalium allowed for a greater luminosity with lower energy consumption when compared with previous alternatives such as coal.
In 1905, Siemens & Halske awarded von Bolton the position of director of the first central laboratory of the company, later the Physics and Chemistry laboratory.
After 1910, the bulbs with a tantalium filament were replaced by those with a tungsten filament.
Von Bolton died in Berlin on 28 October, 1912. He is honoured with the Boltonstraße, a street named after him in Siemensstadt, an area of Berlin's Spandau district.
From Wikipedia, the free encyclopedia
Немецкая Википедия содержит немного больше информации об этом человеке, и потому рискну предложить на всеобщее обозрение свой достаточно вольный перевод вот этой статьи: Werner von Bolton.

Вернер фон Болтон (родился 8 апреля 1868 года в Тбилиси, умер 28 октября 1912 в Берлине) - немецкий химик и материаловед. Он изобрел способ изготовления нитей из тантала, которые в 1905 году заменили ранее стандартные нити углерода в электрических лампах накаливания.
Вернер Болтон изучал химию в Берлине (Шарлоттенбург, Берлинский технологический институт) и Лейпциге. В это же время он также работал в качестве стажера на фирме Siemens & Halske. Защитив докторскую диссертацию в 1895 году, Болтон уже в следующем (1896) году стал начальником лаборатории света на заводе лампочек Сименса и Гальске.
В 1902 году Болтон открыл для себя преимущества химического элемента тантала (Ta) в качестве материала для производства нитей: танталовые нити накала имели более длительный срок службы и имели более высокую яркость и низкое энергопотребление (более высокая светоотдача), чем лампы с углеродными нитями. Еще одним её преимуществом была улучшенная устойчивость к вибрациям, что существенно упрощало доставку ламп потребителям.
Со своим коллегой Отто Фейерлейном (Otto Feuerlein) он работал над практической реализацией применения танталовых нитей в лампах накаливания. В 1903 году ему удалось получить чистый тантал в плавильной вакуумно-дуговой печи с водяным охлаждением никелевых электродов.
Сименс начал поставлять на рынок танталовые лампы Болтона в январе 1905 года. К 1914 году было произведено более 50 миллионов лампочек, изготовленных по методу Болтона.
Однако, начиная с 1910 года, танталовые лампы Болтона начали постепенно вытесняться вольфрамовыми (самая высокая точка плавления и светоотдача из всех металлов), произведенными по методу Уильяма Дэвида Кулиджа, на который Сименс приобрел лицензию в США.
В 1905 году компания Siemens & Halske назначила Болтона руководителем своей первой центральной лабораторией, будущей физико-химической лаборатории.
Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Изложено все очень кратко, даже слишком кратко для столь великого человека, и даже с учетом его относительно короткой жизни. Очень интересным моментом в этой биографии является место рождения – Тбилиси, т.е. территория Российской Империи. Американцы, как “знатоки” истории, особенно европейской, пошли ещё дальше, утверждая на сайте Edison Tech Center в статье History of the Incandescent Light (1802 - Today), что Вернер фон Болтон - грузин, живущий в Германии (a Georgian living in Germany). Неужели …

Танталовая лампа – русский след в истории электрической лампочки ?

Хотя русские и так достаточно “наследили” в истории электрического освещения, можно было бы порадоваться обнаружению еще одного такого следа. Однако, при более внимательном изучении этого вопроса, этот след оказался не совсем русским. В Google-Books мне удалось найти очень интересную книгу: The History of N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken: Volume 2, A Company of Many Parts, в которой описывается история становления осветительного бизнеса компании Филипс. А так как этот бизнес очень тесно связан с мировой осветительной индустрией, и происходило это в конце 19-го – начале 20-го веков, то в книге можно найти много интересных фактов по истории развития электрической лампочки того периода. Можно даже сказать, что в ней отражен европейский взгляд на историю электрического освещения того периода, и он (взгляд) несколько отличается от американского. Ниже попытаюсь кратко передать содержание этой книги, того что касается Болтона и его лампы.
В начале 20-го века Берлин был центром (focal point) светотехники (lighting technology). Из различных новых видов ламп, которые появилась в то время, наиболее важные были доведены до практического применения компаниями, созданными в городе. Siemens & Halske в то время казалось были равнодушны ко всем этим процессам, однако внимательно следили за “развитием лихорадки”. Они были осторожны, но отнюдь не пассивны. С их репутацией, от них можно было бы ожидать, что они возьмут на себя инициативу в этой области, однако без предварительной огласки, и конечно без преждевременных обязательств.
То, что Siemens & Halske действительно искали новые пути, подтверждается дневником Вильгельм фон Сименса за 1901 г., в котором содержится такой пассаж: “Доктора Бом и Болтон работают над лампой с нитью из редкоземельных металлов". В дневнике за 1902 год мы читаем, что двое ученых были заняты разработкой танталовой лампы с весны этого года. Выбор материала для нити, таким образом, был сделан. 13 сентября 1903 года, Болтон сообщил Вильгельму фон Сименсу, что преуспел в волочении (протягивании) танталовой проволоки диаметром 0,05 мм. С превосходными свойствами нити, сделанной из этого металла, имеющего температуру плавления 2850°C, Siemens & Halske получили сильные козыри на то время.
Химик Вернер Болтон (1868-1912), родившийся в Тбилиси (Грузия), открыл процесс, который сделал возможным получение танталовой лампы в промышленных масштабах. Он был сыном «балтийского немца», Уильяма Болтона, который был в штате филиала Siemens & Halske в Санкт-Петербурге, а затем стал управляющим (менеджером) медного рудника компании на Кавказе. Еще юношей, Вернер Болтон переехал в Берлин, где был принят «как сын» в семью Siemens. После окончания учебы он в 1896 году присоединился к Siemens & Halske. Ему была дана свобода в выборе своей области исследований, а также он был обеспечен необходимыми средствами. В течение первых нескольких лет Болтон не преследовал резко очерченного курса (направления), но затем, следуя тенденциям времени, он постепенно заинтересовался работами Нернста и Ауэра фон Вельсбаха. При этом, конечно, он двигался в направлении, которое было не без интереса для компании. Он не только получал информацию о развитии лампы Нернста и лампы из осмия, но и наблюдал с близкого расстояния работу, проводимую над циркониевой лампой, развитие которой компания Siemens & Halske взяла на себя. Новая техника (технология) электрической печи, разработанная французским химиком Анри Муассаном (1851-1907) дала новый импульс в исследованиях тугоплавких металлов. В 1902 году Муассан стал первым исследователем, отделившим небольшое количество тантала путем электролиза. Не менее значимым было  активное участие Вильгельм фон Сименс в проекте Болтона: “Он заботился о каждой детали и охотно помогал на каждом этапе”. Определенное соперничество по отношению к Эмилю Ратенау и его лампе Нернста, несомненно, сыграли в этом свою роль.
В марте 1902 года эксперименты Болтона получили твердое направление. Все его предыдущие усилия по созданию прочной нити из любого материала не удались, но возможности не были исчерпаны. В момент вдохновения, источник которого мы не знаем, Болтон понял, с уверенностью, какие из редких металлов были лучшими для этих целей: «Я убежден, что ванадий, ниобий и тантал являются наиболее подходящими металлами для нитей. Правда, никто еще не наблюдал эти металлы в чистом виде, и никто не знает их свойства, но их положение в периодической таблице говорит мне, что они особенно подходят для использования в нитях ламп накаливания».
Болтон показал свое открытие Людвигу Фишеру (Ludwig Fischer), который тогда руководил патентным отделом в Siemens & Halske. (Именно через подробные записи последнего, эта информация дошла до нас.) Через месяц, Болтон показал импровизированный источник света сделанный из довольно грубого тантала. Он тогда еще не испытывал ванадий и ниобий. 7 апреля 1902 года Фишер подал заявку на патент. При этом он задекларировал “нити, стержни или проволоку” из ванадия, тантала и ниобия, или их сплавов, изготовленные из оксида соответствующего металла, который был отлит со связующим веществом, которое затем разложилось под действием электрического тока.
Подробностей о Болтоне и его изобретении в вышеприведенном отрывке больше, но все же еще остался нераскрытым вопрос - так что же изобрел (открыл) Болтон?
Думаю, что процесс изобретения нового источника накаливания происходил в несколько этапов.
На первом этапе надо было определиться с выбором материала. Исходя из Таблицы Менделеева, были выбраны элементы ванадий, ниобий и тантал, которые предположительно должны были обладать необходимыми для накаливаемых элементов свойствами. Однако, на тот момент, этих металлов в виде прутков, пригодных для волочения через фильеры с целью получен6ия проволоки, еще не существовало. Поэтому, для получения тонкой проволоки был выбран существовавший к тому времени способ, заключавшийся в продавливании через маленькое отверстие смеси порошка и оксида металла с последующей сушкой, обугливанием и восстановлением оксида до металла в атмосфере водорода. Вероятно, таким способом и были получены первые образцы проволоки, после исследования которых, Тантал и был выбран, как наиболее подходящий металл для использования в новых лампах накаливания.
Чтобы понять, что сделал Болтон на втором этапе, следует обратиться к истории открытия и технологии получения тантала в чистом виде. Вот что написано по этому поводу в книге: «Металлургия редких металлов», Зеликман А.Н., Меерсон Г.А. М., «Металлургия», 1973.
Глава V
НИОБИЙ И ТАНТАЛ.
ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ.
ПРОИЗВОДСТВО ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РУДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
§ 1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Элемент ниобий (Колумбий) открыт в 1801 г. английским химиком Гатчетом в минерале, найденном в Колумбии и получившем название колумбит. В 1802 г. шведский химик Экеберг в двух минералах, найденных в Финляндии и Швеции, открыл новый элемент, названный танталом, что символизировало трудности («муки Тантала»), которые встретились при попытке растворить окисел нового элемента в кислотах.
В последующем оба открытых элемента считали тождественными. Лишь в 1844 г. немецкий химик Розе доказал, что минерал колумбит содержит два разных элемента: ниобий (названный по имени мифологической богини слез Ниобы - дочери Тантала) и тантал. В 1865 г. Мариньяк открыл способ разделения тантала и ниобия, основанный на различии в растворимости комплексных фтористых солей этих элементов. Этот способ приобрел промышленное значение и используется еще и в настоящее время.
Попытки получить тантал и ниобий в форме чистых компактных металлов долгое время были безуспешными. Тантал в чистом виде впервые получен в 1903 г., ниобий — в 1907 г. Больтоном. В промышленных масштабах тантал начали выпускать в 1922 г., а ниобий — в конце тридцатых годов.
Глава VI
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НИОБИЯ И ТАНТАЛА
§ 1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Металлический ниобий и таитал получают из их соединений одним из следующих методов:
1)  восстановлением из комплексных фтористых солей натрием;
2)  восстановлением из окислов углеродом;
3)  восстановлением из окислов алюминием;
4)  электролизом расплавленных сред;
5) восстановлением из хлоридов магнием и натрием;
6) восстановлением из хлоридов водородом.
В связи с высокими температурами плавления ниобия (2470° С) и тантала (3000° С) они выделяются по всем указанным способам, кроме третьего, в форме порошков или спекшейся губки. По третьему способу (разработанному для производства ниобия) вследствие большого термического эффекта реакции развивается самопроизвольный процесс с выплавкой сплава ниобия с алюминием, из которого алюминий затем удаляют при вакуумной переплавке.
Задача получения компактных ковких ниобия и тантала осложняется тем, что эти металлы при высоких температурах активно поглощают газы (азот, водород, углеводороды). Это делает их хрупкими, и операции завершающих стадий спекания порошков и переплавки металлов для окончательного рафинирования и дегазации приходится проводить в вакууме, что осложняет технологию, и конструкцию производственной аппаратуры.
Принцип электролитического получения тантала подобен принципам производства алюминия. Основой электролита служит раствор Тa2О5 в расплавленном К2ТаF7 (аналогично смеси криолит + глинозем). Электролиз одного К2ТаF7 не проводят вследствие возникающего анодного эффекта. Расплавленные фторидные соли плохо смачивают графитовый анод и при некоторой критической анодной плотности тока выделяющиеся на аноде пузырьки фтора оттесняют электролит от поверхности анода, возникает искрообразование, напряжение повышается, сила тока понижается. Устранение анодного эффекта достигается (как и при электролизе алюминия) добавлением в электролит окиси (Тa2О5), поверхностно активной по отношению к графиту, что улучшает смачивание анода расплавленным электролитом. Величина критической плотности тока заметно повышается. В этом случае электролиз идет за счет разложения Тa2О5 и на аноде выделяется кислород, а не фтор, что также облегчает условия проведения производственного процесса.
Думаю, что технологический процесс получения ковкого тантала включал два этапа:
1. Получение порошкового тантала, вероятно, методом электролиза расплавленных сред;
2. Получение ковкого тантала, вероятно, путём переплавки и рафинирования порошкового тантала, полученного на первом этапе, в электровакуумной  печи. Впрочем, этот этап можно осуществить и методом порошковой металлургии.

Более точно сказать о процессе получения чистого ковкого тантала, разработанного Болтоном, мне затруднительно. Кто желает в это углубиться, может воспользоваться описаниями патентов Вернера фон Болтона, список которых я привожу ниже. Кстати, интересная деталь, почти во всех патентах, Болтон представляется как подданный Российской Империи (a subject of the Emperor of Russia). Ещё стоит обратить внимание, что патентной защите в фирме Сименс уделяли большое значение.

Список патентов  США, полученных Вернером фон Болтоном.

  • Патент США №799441. Process for purifying tantalum metal. 12.09.1905
  • Патент США №817732. Electric incandescent lamp. 10.04.1906
  • Патент США №817733. Homogeneous body of highly-refractory metals. 10.04.1906
  • Патент США №817734. Incandescing body for lighting purposes. 10.04.1906
  • Патент США №891223. Process for manufacturing the filaments of electric incandescent lamps. 16.06.1908
  • Патент США №896705. Process for hardening tantalum. 25.08.1908
  • Патент США №904831. Process of making homogeneous bodies from tantalum metal or other refractory metals. 24.11.1908
  • Патент США №905402. Method of removing carbon from metallic filaments. 01.12.1908
  • Патент США №915657. Incandescent body for electric glow-lamp. 16.03.1909
  • Патент США №925798. Apparatus for producing homogeneous bodies from metals of a highly refractory nature. 22.06.1909
  • Патент США №927935. Method of manufacturing filaments for electric lamps. 13.07.1909
  • Патент США №980723. Process of forming electric-incandescent-lamp filaments. 10.08.1909
  • Патент США №936403. Process of making filaments for electric incandescent lamps. 12.10.1909
После получения ковкого тантала осталось разработать технологию изготовления тонкой проволоки путем волочения, что не должно было составить большого труда, т.к. подобные технологии к тому времени уже существовали. К тому же ковкий тантал оказался достаточно пластичным материалом. И потому, уже 13 сентября 1903 года, Болтон сообщил Вильгельму фон Сименсу, что сумел получить танталовую проволоку диаметром 0,05 мм.
После этого осталось разработать саму танталовую лампочку и наладить её промышленное производство, что сделать было уже гораздо проще, т.к. к тому времени лампы с углеродной нитью производились уже два десятилетия. И вот уже в январе 1905 года фирма Siemens & Halske начала поставлять на рынок первые электрические лампочки накаливания с танталовой нитью.

Танталовые электрические лампы накаливания.
The Tantalum Lamp
Началось триумфальное шествие танталовой лампы по всему миру. В подтверждение этого, статья The Tantalum Lamp в американском журнале Popular Mechanics за апрель месяц 1905 года. В конце этой статьи написано: "The lamps are at present being made only in Berlin", т.е. Лампы в настоящее время производится только в Берлине.
Но такое состояние, когда эти лампы производились только в Берлине, продолжалось не долго. Были проданы лицензии на производство лампочек в разные страны и разным фирмам. В США всеми фирмами, имевшими лицензию, было произведено около 9 миллионов танталовых лампочек из проволоки, поставляемой из Берлина. Сама же фирма Siemens & Halske с 1905 по 1910 годы произвела приблизительно 27,5 миллионов лампочек. До окончания их производства в 1914 году, по всему миру было произведено 50 миллионов ламп с танталовой нитью.
Как видно, объемы производства лампы Болтона были значительно выше, чем у осмиевой лампы Ауэра и лампы Нернста. Тем не менее, не смотря на такой успех, танталовая лампа просуществовала недолго. Логика технического прогресса привела к появлению и господству ламп с накаливающим элементом, сделанным из самого тугоплавкого металла – вольфрама. Но, это уже другая история.


1 комментарий:

  1. Великолепная статья! Но и этот замечательный автор не удержался, чтобы не куснуть американцев. Комплексы, комплексы... Да, Вы знаете историю лучше того, кто счел, что Болтон - грузин. Ошибиться может каждый. Но как и Вы не представляете всех россиян, так и тот автор не представляет всех американцев. Кстати, именно американские исследовали нашли в архивах Физфака МГУ данные о Лосеве. А российские не поинтересовались своим человеком и своими архивами...

    ОтветитьУдалить