История люминесцентных ламп
Люминесцентное освещение прошло весьма необычный путь: будучи знакомым человечеству с древних времён в самых разных видах и получив наиболее технологичное исполнение в ХХ-том веке, оно так и осталось для всех второстепенным, навсегда канув в Лету. Любопытен также тот факт, что в процессе совершенствования технологии и «укрощения» люминесценции учёные совершили огромное количество других важных открытий, которые в некоторой степени сделали и само свечение газов более невостребованным. Сегодня мы расскажем читателям о том, как складывалась судьба источников люминесцентного света в наиболее активной фазе их научного изучения – на протяжении полутора последних веков.
Впервые явление люминесценции человек обнаружил много десятков тысячелетий назад. Оно сочеталось с флюоресценцией водорослей, а также выделялось в Северном сиянии. Знакомство с тем видом люминесценции, который известен нам сейчас по одноимённым лампочкам, случилось около восьмидесяти лет назад, притом около 40 из них ушло на становление репутации такого освещения, менее 30 – на стадию активной эксплуатации, и всего 10 – на то, чтобы доказать их несостоятельность перед светодиодными лампами. Есть грустная ирония в том, сколь тернистый путь прошла данная технология, чтобы быстро отправиться на свалку истории, будучи вытесненой более совершенными устройствами.
Интерес к люминесценции
В рамках истории науки и техники считается, что первой значимой персоной среди учёных, обративших внимание на люминесценцию, был М. В. Ломоносов. Ещё в XVIII-том веке он проводил эксперименты со свечением водорода в стеклянном сферическом сосуде. Хотя при этом был использован электрический ток, Михайло Васильевич не ставил перед собой задачу изобрести источник искусственного освещения, и его опыты имели совершенно общий научный интерес.
В течение многих десятилетий к этой теме учёные всерьёз почти не возвращались. И только в 1856-том году немецкий стеклодув Генрих Гейслер показал миру стеклянную трубку со светящимся внутри газом. Это был совсем не промышленный прототип, а простая экспериментальная установка, работу которой обеспечивал самодельный вакуумный насос. Идея удалить воздух к Гейслеру пришла на почве того, что тот мог потенциально мешать разглядеть слабое свечение. Изобретение включало в себя высоковольтную катушку, при помощи которой в прозрачной колбе под вакуумом порождалось сине-зелёное свечение. При заполнении сосуда газом цвет свечения менялся, что означало возможность применять разные газы и получать новые оттенки. По имени изобретателя такое изделие получило общее название «трубка Гейслера».
Всего через год учёный из известной французской династии Беккерелей – Александр Эдмон Беккерель – начинает серьёзно исследовать явление электролюминесценции. Уже в 1859-том году, после нескольких серий опытов с трубками Гейслера, он приходит к выводу о необходимости нанесения специальных покрытий на внутреннюю поверхность сосудов – веществ с люминесцентными свойствами. Имея предшествующий опыт в области оптической физики, изучая солнечный и искусственный свет на протяжении многих лет, А. Э. Беккерель понимал направление, в котором следует развиваться данной технологии во благо общества и прогресса. Вместе с тем, даже на этом этапе никто не ставил себе цель изобрести источник света, который был бы способен заменить лучину, фонарь или канделябр. Тот уровень яркости, который был получен Беккерелем, не способствовал существенному интересу к люминесценции как альтернативному источнику света, а потому на определённом этапе эксперименты были остановлены. Зато учёный сумел оставить после себя фундаментальную идею о нанесении люминофоров на поверхности для увеличения светимости.
После тридцатилетнего затишья в этой сфере по миру сенсационно пронеслось известие об эксперименте с трубками Гейслера, поставленном в Колумбийском университете. Занимался этим американский изобретатель сербского происхождения Никола Тесла. В мае 1891-го года он сумел перед публикой продемонстрировать опыт, предполагающий свечение сразу нескольких вакуумированных трубок, помещённых в электрическое поле новой высокочастотной катушки. При этом учёный объяснял связь между тем, какой свет рождается в ёмкостях, и какой состав был нанесён на их стенки. Для получения яркого белого света Тесла использовал иттрий, а саму трубку ему даже не приходилось присоединять к установке электродами. При помощи электростатического поля высокой напряжённости сосуд с покрытием можно было свободно перемещать по комнате, как свечу в подсвечнике, а свечение достигалось исключительно за счёт индукции. Публика оказалась поражена ярким искусственным светом, при котором вполне можно было бы писать письма и читать. Всего через месяц с небольшим, 23 июня 1891-го года, Никола Тесла получает патент на целый комплекс газоразрядных осветительных приборов. На этот раз установка построена на базе аргоновых ламп, питающихся токами высокого вольтажа и частоты. Как известно, тот же самый газ до сих пор наиболее часто используют в устройствах газоразрядного освещения.
Становление люминесцентного освещения
Три года спустя американский инженер Дэниэл МакФарланд Мур сумел продвинуться гораздо дальше – он изобрёл изделие, которые сегодня мы бы назвали лампой дневного света. Учёный применил смесь инертных газов – азота и диоксида углерода, причём первый давал молочно-розовый оттенок свечения, а второй обеспечивал его осветление до степени, отдалённо сравнимой со светом солнца. Несмотря на то, что эффективность изделия была совершенно очевидна, первая версия была слишком громоздкой для создания светильников на их основе. Изобретателю с парой помощников пришлось потратить целых десять лет, чтобы в 1904-том году ввести новые устройства в массовый обиход. Лампы Мура начали использоваться в различных конторах, магазинах, в банках и гостиницах, продлевая светлое время суток.
Другой известный изобретатель, Томас Эдисон, также не прошёл мимо явления люминесценции. Он неоднократно предпринимал попытки развить идеи Гейслера, придав им более прикладной характер. Параллельно с другими учёными в 1896-том году он разработал покрытие из вольфрамата кальция для рентгеновских трубок, что в дальнейшем переросло в люминесцентные лампы дуговой конструкции и было защищено патентом 1907-го года. Тем не менее, качество света, полученного таким способом, было невысоким, что заставило Эдисона сконцентрироваться на развитии своей основной идеи – лампах накаливания с вольфрамовыми нитями. Они имели коммерческий успех и всегда оставались доминирующей тенденцией в научной работе Эдисона.
Одновременно с остальными на рубеже XIX-XX-го веков работал ещё один американский учёный, Питер Купер Хьюитт. В 1901-ом году он показал свою ртутную лампу, которая обеспечивала мягкое сине-зелёное свечение, а с точки зрения световой отдачи от каждого потреблённого ватта превосходила главное изобретение Эдисона. Нетрудно догадаться, что ключевой препоной для распространения ламп Хьюитта стал цвет, который никак не подходил для массового применения. Хотя следует отметить, что сам принцип работы ламп история сохранила, и в Америке 30-х годов источники света системы Хьюитта применялись в освещении дорог и тротуаров фонарными столбами.
Следующее открытие произошло почти внезапно. В 1926-том году в Германии учёные искали наиболее эффективный источник ультрафиолетового излучения. Эдмунд Гермер и его сотрудники обнаружили, что при повышении давления в колбе с флуоресцентным порошком исходный оттенок переходит в белый, с равномерным распределением светового потока. При этом и его яркость, и тон были гораздо ближе к нейтральному дневному свету, а потому – превосходили аналогичные показатели лампочек накаливания. Со временем именно фамилию Гермера впишут в учебники, поскольку его конструкция ближе всего к тому, как устроены люминесцентные лампы современного типа. Уже в 1934-тому году компания GeneralElectric выкупила патент Гермера и начала работу по совершенствованию его наработок.
Исследовательскую группу в GE возглавляли Джордж Инман и Ричард Тайер, которые буквально сумели произвести революцию в осветительной сфере. Уже к августу того же года они смогли довести эффективность изделий до 35 лм/Вт, что ещё совсем недавно казалось почти недостижимым пределом. На волне нахлынувшего успеха в декабре 1934-го года в США начинается массовое производство таких изделий. Популярность ламп данного типа объяснялась их вполне заслуженной эффективностью, и к 1938-му году модели дневного света длиной в 48 дюймов заполонили потолочные светильники почти всех офисов страны. Все четыре года исследовательские департаменты работали над тем, чтобы изобрести электрод, эффективно противостоящий разрушающему воздействию электротока. Компания скупала любые патенты, относящиеся к этой тематике, и пыталась внедрить их в производство.
Новое время и потребительские реалии
В Европу люминесцентные осветительные приборы пришли почти на целое десятилетие позже, а в СССР вообще начали использоваться только в 1960-тых. При этом именно на территории Советского Союза появилось заметное функциональное разделение лампочек накаливания и газоразрядных моделей. Первые использовались там, где был необходим общий и локальный свет – в люстрах, настольных лампах, настенных светильниках и бра, а вторые применялись исключительно в местах общественного пользования – в учебных классах и аудиториях, в холлах учреждений, в крупных помещениях цехов и кабинетов. Предполагалось, что свет люминесцентных моделей призван заменить естественный дневной, но при этом быть условно рабочим, поддерживать дисциплину. В домах такие изделия практически не принято было использовать, за самым редким исключением.
К концу ХХ-го века однозначно наметились тенденции по замещению люминесцентных источников. Хотя явного конкурента им тогда ещё не было, для учёных стало очевидно, что качественная смена светоприборов случится уже в самые ближайшие годы. В начале XXI-го века люди активно начали использовать галогеновые лампочки, в сущности, являющиеся вариацией всё тех же люминесцентных моделей, но в быту они почти не прижились. Зато новое дыхание газоразрядные модели получили с выходом на рынок так называемых «энергосберегающих» ламп. На самом деле это были всё те же изделия, только в новом форм-факторе. Второе их название – КЛЛ – можно расшифровать как «компактные люминесцентные лампы». Фактически всё ту же трубку Гейслера завили в спираль и из прямой сделали приближенной по габаритам к лампочкам накаливания. Благодаря этому устанавливать изделия стало возможно даже в обычные патроны для ламп стандарта Е27. Хитрый ход производителей продлил активный период продаж по всему миру ещё на 5-7 лет и не дал технологии угаснуть насовсем. Кроме того, он привлёк общественное внимание к вопросам энергоэффективности, которые и по сей день в тренде. Однако, наиболее ироничным можно назвать то, что решающим фактором в вопросе, сколько ещё продлится существование люминесцентных моделей стала другая тенденция эпохи. Как только широкая общественность узнала, что в таких изделиях содержатся пары ртути, продажи начали стремительно падать, и отраслевой рынок потерпел существенный спад.
В то же самое время получила развитие новая технология – светодиоды. Их можно было без опаски противопоставлять всем предыдущим типам освещения: такие изделия полностью безопасны для экологии, они легко показывают высокие эксплуатационные характеристики, экономичны в работе и служат в 5-10-30 раз дольше всех предшественников. Световая отдача диодов не оставляет шансов люминесценции с точки зрения энергозатрат на один люмен, а слабая зависимость от скачков напряжения, типичных для нашего времени, однозначно склоняет отказаться от каких-либо других альтернатив. Конечно, это не значит, что люминесцентные модели больше совершенно не производятся, однако их удел сегодня в основном – это всё те же общественные пространства. Хотя даже оттуда их сейчас всё больше вытесняют светодиодные панели, которые при том же размере способны обеспечить лучшую освещённость, потратив на это заметно меньше энергии.