General Electric Metallized

Лампы накаливания GEM с металлизированной нитью

Развитие электрической лампы накаливания в конце 19-го – начале 20-го веков закономерно привело к использованию в качестве тела накала самого тугоплавкого из всех существующих металлов – вольфрама. Однако, путь к этому был не простой и весьма интересный. На этом пути было перепробовано немало различных материалов и разработано множество новых технологий. При этом на рынке, кроме углеродных, одновременно были представлены несколько других видов ламп разработанные в это время: Танталовая лампа Болтона; Лампа Нернста; Осмиевая лампа Карла Ауэра фон Вельсбаха. Поразительно, но одновременно с поисками новых тел накала, произошло существенное улучшение в технологии производства традиционных для того времени углеродных ламп накаливания, что позволило им просуществовать ещё достаточно долго вместе с новыми вольфрамовыми лампами. А совершил все это американский химик Уиллис Родни Уитни (англ. Willis R. Whitney) (22 августа 1868 — 9 января 1958), личность незаурядная и в свое время хорошо известная. Достаточно сказать, что он был основателем и главой исследовательской лаборатории компании General Electric. Среди сотрудников его лаборатории были Ирвинг Ленгмюр и Уильям Дэвид Кулидж, которые сыграли важную роль в совершенствовании лампы накаливания на конечном этапе её становления.

Уитни, Кулидж и Ленгмюр дискутируют в исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади.
This photograph shows Whitney, Coolidge, and Langmuir in discussions at the General Electric research laboratories in Schenectady.

Что же касается самого Уитни, то первоначально он изобрел высокотемпературную электрическую печь сопротивления с помощью которой усовершенствовал процесс производства углеродных волокон. Лампы изготовленные из этих волокон получили название GEM или General Electric Metallized. Больше всего в этом названии удивляет (вызывает вопросы) слово Metallized, т.е. металлизированная. Исходя из современного понимания этого слова, можно было бы предположить, что углеродная нить была насыщена или покрыта тонким слоем металла. Но все было совсем не так.


Чтобы разобраться с этим вопросом стоит обратиться к источнику информации, который наиболее близок к тому временному периоду (начало 20-го века), ибо, как показывает опыт, тезис «большое видится на расстоянии» не всегда срабатывает при поиске исторической истины.
На сайте donsbulbs - rare specialty bulbs projector lamps выложены сканы страниц очень интересной книги The HISTORY of the Incandescent lamp, выпущенной в 1927 году в Schenectady, New-York. Вероятно, многие приведенные там сведения взяты из первых уст, т.к. на тот момент Уиллис Уитни продолжал возглавлять лабораторию General Electric в Скенектади. И поэтому ниже привожу перевод главы из этой книги, посвященной лампе GEM.

GEM или металлизированные углеродные нити

Доктор Уиллис Р. Уитни, глава Научно-исследовательской лаборатории General Electric Company в Скенектади, разработал электрическую печь сопротивления. Она состояла из углеродной трубы, приблизительно три дюйма в диаметре, внутри которой размещались изделия для нагрева. Сильный ток в несколько тысяч ампер, пропущенный через трубу, нагревал её до очень высокой температуры, которая, как оценивают, была приблизительно равна 3500 градусов C, что примерно на 500 градусов ниже точки плавления углерода и на около 1650 градусов выше рабочей температуры углеродной нити.
Чтобы дать общее представление об ужасно высокой температуре, достигнутой этой электрической печью, писатель однажды изучил непосредственно открытый конец одной из труб, когда она была полностью нагрета и, когда глаза приспособились, держал 50-вольтовую лампу с угольной нитью непосредственно между глазом и горячим интерьером трубы. Напряжение на лампе тогда медленно поднималось и, когда напряжение на 50-вольтовой нити составляло более чем 100 В, нить была похожа на темную линию на фоне горячей трубы.
Оригинальные эксперименты доктора Уитни были основаны на идее о том, что в углеродных нитях, изготовленных по существующей на тот момент технологии, все еще сохранялись небольшие следы таких оксидов, как кремнезем и глинозем, веществ, которые восстанавливались углеродом при рабочей температуре лампы с образованием углекислого газа. Было очевидно, что почернение углеродных ламп связано с проходящей при высокой температуре химической реакцией двуокиси углерода с углеродом нити, с образованием монооксида углерода. Условия в лампе были таковы, что на внутренней поверхности стеклянной колбы эта реакция шла в обратном направлении, т.е. образовывался чистый углерод, осаждавшийся на стекле, и углекислый газ. Таким образом, устойчивый процесс почернения стекла мог продолжаться до бесконечности. Применение высоких температур к нитям в вакууме не приводило к устранению оксидов. Однако, было очевидно, что нити не могли испариться полностью внутри высоко нагретой углеродной трубки, в то время как содержание кремнезема и глинозема должно было  существенно сократиться. Эффекта изменения характера (природы) графита в обработанной нити при этом не ожидалось.
Самая высокая температура, достигаемая во время карбонизации углеродной нити, составляла приблизительно 2700 градусов, что значительно ниже того, что доктор Уитни мог получить в своей печи. Имея несколько готовых карбонизированных нитей под рукой, он решил провести эксперимент по их нагреванию, чтобы увидеть, могли ли они быть улучшены. После того как нити были подвергнуты воздействию высокой температуры, он сделал из них лампы и испытал их. Лампы с обработанными таким образом нитями дали удивительно хорошие результаты.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ, 1905
Доктор В. Р. Уитни изобрел лампу GEM, которая имела углеродную нить подвергнувшейся воздействию высокой температуры в электрической печи сопротивления, которую он также изобрел. Лампа GEM была на 25 процентов более эффективной, чем с обычной углеродной нитью.

Он заказал несколько нитей от Харрисона для повторения эксперимента, но он не дал хорошего результата. Вторая партия нитей, присланная от него, была не лучше. После проведенного расследования было установлено, что он думал, что нити, которые он имел под рукой и которые дали хорошие результаты, были необработанными (untreated) нитями, тогда как они были в действительности обработанными (treated) нитями, Тогда он получил несколько обработанных нитей от Харрисона и на этот раз повторил свой оригинальный успех.
Эти обработанные волокна, после воздействия на них высокой температуры электрической печи, были очень пористыми и вздутыми (blistered), как будто газы вышли изнутри нити. Было установлено, что эти пузырьки исчезали, если необработанные нити были сначала нагреты в электрической печи, затем обработаны, а затем снова нагреты в печи. Лампа с такими нитями была разработаны и названа GEM (General Electric Metallized) или металлизированная углеродная лампа накаливания (metallized carbon filament lamp) и была выведена на рынок в 1905 году. Доктор Уитни получил патент на него в марте 1909 года, исходная заявка на который была подана в феврале 1904 года. Эта лампа была на 25 процентов более эффективной, чем обычная углеродная лампа, или 4,25 люмен на ватт для GEM по сравнению с 3,40 для обычной лампы, при одинаковых сроках жизни (600 часов). Если же лампа GEM работала с той же эффективностью, что и обычная лампа (3,40 люмен на ватт), время её работы увеличивалось в 4 ¾ раза, а значит можно сказать, что ее качество было в 4 ¾ лучше.

Патент США №916905. Carbon, filament, and method of making the same.
WILLIS R. WHITNEY, OF GLENVILLE, NEW YORK, ASSIGNOR TO GENERAL ELECTRIC COMPANY, A CORPORATION OF NEW YORK.

Зависимость сопротивления от температуры (resistance characteristic) обычной углеродной нити является "негативной", то есть, её сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Металлы имеют "позитивную" характеристику, и сопротивление GEM-лампы также увеличивается с повышением температуры, аналогично металлам. Вот почему новые нити назвали металлизированным углеродом или GEM (General Electric Metallized) нить.Главное изменение в физических свойствах GEM по сравнению с углеродной нитью, которое позволило ей работать безопасно при более высокой температуре (приблизительно 1900 градусов C), тем самым обеспечивая большую эффективность, было в обработанном покрытии нити, которую назвали "shell", или оболочка, скорлупа. Эта оболочка была графитом, и до и после обжига в электрической печи, как было определено химическим тестом. Кроме того, она имеет характерный для графита "жирный" вид и дает отметку как графит карандаша на белой бумаге. Оболочка после обжига оказалась более чистым графитом, так как его удельный вес стал значительно выше, и кроме того она стала намного более упругой и гибкой, чем раньше. Оболочку можно было отделить от ядра (основная нить) в коротких трубчатых секциях. Эта термообработанная оболочка, если её сжать, как пружина вернётся назад к оригинальной форме после снятия давления, тогда как необработанная оболочка сломается при очень небольшом давлении. У необработанной оболочки характеристика сопротивления является отрицательной до определенной температуры, после которой у нее эта характеристика становиться немного положительной. Обработанная оболочка имеет намного более низкое холодное сопротивление и решительно положительную характеристику при любых температурах.
Термообработка сердечника вытесняет большинство его минеральных зольных элементов и так предотвращает вздутия готовой нити. Зольные компоненты более летучи, чем углерод. Эти зольные компоненты (а также углерод нити) испаряются в обычной углеродной лампе во время ее горения, конденсируются на колбе лампы, и является частью обесцвечивания лампочки. Вследствие небольшого количества минеральных зольных элементов, существующих в нити GEM, лампа поддерживает свою излучаемую мощность во время жизни намного лучше, чем обычная углеродная лампа, в связи с меньшим почернением колбы. Необработанная углеродная нить является блестяще черной, обработанный углерод - блестяще серый, и нить GEM тускло-серая в цвете. Посредством этого можно отличить эти лампы друг от друга.

GEM лампы образца 1905 и 1908 годов, с двумя и с одной углеродными нитями.

Первые лампы GEM для сетей напряжением 110 Вольт, поступившие на рынок в 1905 году, имели две нити, соединенные последовательно. Позже стало возможно сделать лампы с единственной овальной нитью для напряжения 110 В, которые попали на рынок в 1909 году. Лампы были сделаны в типоразмерах от 30 до 250 ватт, но, с появлением вольфрамовых ламп накаливания в 1907 году, GEM-лампы высокой мощности скоро исчезли из употребления. Лампа на 50 ватт была самой популярной и продавалась до 1918 года, когда производство всех ламп GEM прекратилось.
Лампы серии GEM были сделаны и для уличного освещения, но они также быстро исчезли, как и 30- и 60-вольтовые GEM-лампы для освещения железнодорожного подвижного состава, с появлением ламп с вольфрамовой нитью. GEM лампы для напряжения 220 Вольт ни когда не изготовлялись.

Вот такая история GEM лампы, записанная, полагаю, из первых уст её разработчиков.
А если коротко подытожить, то можно сказать следующее: Уиллис Уитни разработал технологию высокотемпературной обработки графитовых нитей, в результате которой эти нити очищались от примесей, вызывавшие потемнение колб ламп в процессе эксплуатации, а их поверхностная графитовая оболочка приобретала свойства характерные для металлов. Поэтому лампы, изготовленные с применение графитовых нитей, прошедших высокотемпературную обработку, получили название GEM, что означает General Electric Metallized. Эффективность (КПД) этих ламп оказалась на 25% выше чем у обычных на то время графитовых, при более ярком производимом свете, что было вызвано более высокой температурой эксплуатации.