Історія люмінесцентних ламп
Люмінесцентне освітлення пройшло досить незвичайний шлях: будучи знайомим людству з давніх часів у самих різних видах та отримавши найбільш технологічне виконання у ХХ-тому столітті, воно так і залишилося для усіх другорядним, назавжди канувши у Лету. Цікавим є також той факт, що у процесі вдосконалення технології та «приборкання» люмінесценції вчені зробили безліч інших важливих відкриттів, які у певній мірі зробили й саме світіння газів більш незатребуваним. Сьогодні ми розповімо читачам про те, як складалася доля джерел люмінесцентного світла у найбільш активній фазі їх наукового вивчення – протягом півтора останніх століть.
Вперше явище люмінесценції людина виявила багато десятків тисячоліть тому. Воно поєднувалося зі флюоресценцією водоростей, а також виділялося у Північному сяйві. Знайомство з тим видом люмінесценції, який є відомим нам зараз за однойменними лампочками, сталося близько вісімдесяти років тому, при цьому близько 40 з них пішло на становлення репутації такого освітлення, менше 30 – на стадію активної експлуатації, й усього 10 – на те, щоб довести їхню неспроможність перед світлодіодними лампами. Є сумна іронія у тому, наскільки тернистий шлях пройшла ця технологія, щоб швидко піти на смітник історії, будучи витісненою більш досконалими пристроями.
Інтерес до люмінесценції
У рамках історії науки та техніки вважається, що першою значимою персоною серед вчених, які звернули увагу на люмінесценцію, був М. В. Ломоносов. Ще у XVIII-тому столітті він проводив експерименти зі світінням водню у скляній сферичній посудині. Хоча при цьому був використаний електричний струм, Михайло Васильович не ставив перед собою завдання винайти джерело штучного освітлення, й його досліди мали абсолютно загальний науковий інтерес.
Протягом багатьох десятиліть до цієї теми вчені всерйоз майже не поверталися. Й тільки у 1856-тому році німецький склодув Генріх Гейслер показав світу скляну трубку з газом, який світився всередині. Це був зовсім не промисловий прототип, а проста експериментальна установка, роботу якої забезпечував саморобний вакуумний насос. Ідея видалити повітря до Гейслера прийшла через те, що воно могло потенційно заважати розглядати слабке світіння. Винахід включав у себе високовольтну котушку, за допомогою якої у прозорій колбі під вакуумом породжувалося синьо-зелене світіння. При заповненні посудини газом колір світіння змінювався, що означало можливість застосовувати різні гази та отримувати нові відтінки. На ім'я винахідника такий виріб отримав загальну назву «трубка Гейслера».
Усього за рік вчений з відомої французької династії Беккерель – Олександр Едмон Беккерель – починає серйозно досліджувати явище електролюмінесценції. Вже у 1859-тому році, після декількох серій дослідів з трубками Гейслера, він приходить до висновку щодо необхідності нанесення спеціальних покриттів на внутрішню поверхню посудин – речовин з люмінесцентними властивостями. Маючи попередній досвід у області оптичної фізики, вивчаючи сонячне та штучне світло протягом багатьох років, А. Е. Беккерель розумів напрямок, у якому слід розвиватися даній технології на благо суспільства та прогресу. Разом з тим, навіть на цьому етапі ніхто не ставив собі за мету винайти джерело світла, яке було б здатне замінити лучину, ліхтар або канделябр. Той рівень яскравості, який був отриманий Беккерелем, не сприяв суттєвому інтересу до люмінесценції як альтернативному джерелу світла, а тому на певному етапі експерименти були зупинені. Зате вчений зумів залишити після себе фундаментальну ідею про нанесення люмінофорів на поверхні для збільшення світності.
Після тридцятирічного затишшя у цій сфері по світу сенсаційно пронеслося звістка про експеримент з трубками Гейслера, поставлений у Колумбійському університеті. Займався цим американський винахідник сербського походження Нікола Тесла. У травні 1891-го року він зумів перед публікою продемонструвати дослід, який передбачає світіння відразу декількох вакуумованих трубок, поміщених до електричного поля нової високочастотної котушки. При цьому вчений пояснював зв'язок між тим, яке світло народжується у ємностях, та який склад був нанесений на їхні стінки. Для отримання яскравого білого світла Тесла використовував ітрій, а саму трубку йому навіть не доводилося приєднувати до установки електродами. За допомогою електростатичного поля високої напруженості посудину з покриттям можна було вільно переміщати по кімнаті, як свічку у свічнику, а світіння досягалося виключно за рахунок індукції. Публіка виявилася вражена яскравим штучним світлом, при якому цілком можна було б писати листи та читати. Усього трохи більше, ніж за місяць, 23 червня 1891-го року, Нікола Тесла отримує патент на цілий комплекс газорозрядних освітлювальних приладів. На цей раз установка побудована на базі аргонових ламп, які живляться струмами високого вольтажу та частоти. Як відомо, той самий газ до сих пір найбільш часто використовують у пристроях газорозрядного освітлення.
Становлення люмінесцентного освітлення
Три роки по тому американський інженер Деніел МакФарланд Мур зумів просунутися набагато далі – він винайшов виріб, які сьогодні ми б назвали лампою денного світла. Вчений застосував суміш інертних газів – азоту та діоксиду вуглецю, причому перший давав молочно-рожевий відтінок світіння, а другий забезпечував його висвітлення до ступеня, що є віддалено порівнянним зі світлом сонця. Незважаючи на те, що ефективність виробу була абсолютно очевидною, перша версія була занадто громіздкою для створення світильників на їхній основі. Винахіднику з кількома помічниками довелося витратити цілих десять років, щоб у 1904-тому році ввести нові пристрої у масовий вжиток. Лампи Мура почали використовуватися у різних конторах, магазинах, у банках та готелях, продовжуючи світлий час доби.
Інший відомий винахідник, Томас Едісон, також не пройшов повз явище люмінесценції. Він неодноразово робив спроби розвинути ідеї Гейслера, надавши їм більш прикладний характер. Паралельно з іншими вченими у 1896-тому році він розробив покриття з вольфрамату кальцію для рентгенівських трубок, що у подальшому переросло у люмінесцентні лампи дугової конструкції та було захищено патентом 1907-го року. Тим не менш, якість світла, отриманого таким способом, була невисокою, що змусило Едісона сконцентруватися на розвитку своєї основної ідеї – лампах розжарювання з вольфрамовими нитками. Вони мали комерційний успіх та завжди залишалися домінуючою тенденцією у науковій роботі Едісона.
Одночасно з іншими на рубежі XIX-XX-го століть працював ще один американський учений, Пітер Купер Хьюітт. У 1901-му році він показав свою ртутну лампу, яка забезпечувала м'яке синьо-зелене світіння, а з точки зору світлової віддачі від кожного спожитого вата перевершувала головний винахід Едісона. Неважко здогадатися, що ключовою перепоною для поширення ламп Хьюїтта став колір, який не підходив для масового застосування. Хоча слід зазначити, що сам принцип роботи ламп історія зберегла, й у Америці 30-х років джерела світла системи Хьюїтта застосовувалися у освітленні доріг та тротуарів ліхтарними стовпами.
Наступне відкриття відбулося майже раптово. У 1926-тому році у Німеччині вчені шукали найбільш ефективне джерело ультрафіолетового випромінювання. Едмунд Гермер та його співробітники виявили, що при підвищенні тиску у колбі з флуоресцентним порошком початковий відтінок переходить у білий, з рівномірним розподілом світлового потоку. При цьому і його яскравість, і тон були набагато ближчими до нейтрального денного світла, а тому – перевершували аналогічні показники лампочок розжарювання. Згодом саме прізвище Гермера впишуть до підручників, оскільки його конструкція є найближчою до того, як влаштовані люмінесцентні лампи сучасного типу. Вже у 1934-тому році компанія General Electric викупила патент Гермера та розпочала роботу зі вдосконалення його напрацювань.
Дослідницьку групу у GE очолювали Джордж Інман та Річард Тайер, які буквально зуміли зробити революцію у освітлювальній сфері. Вже до серпня того ж року вони змогли довести ефективність виробів до 35 лм/Вт, що ще зовсім недавно здавалося майже недосяжною межею. На хвилі успіху, що нахлинув, у грудні 1934-го року у США починається масове виробництво таких виробів. Популярність ламп даного типу пояснювалася їх цілком заслуженою ефективністю, й до 1938-го року моделі денного світла довжиною у 48 дюймів заполонили стельові світильники майже усіх офісів країни. Усі чотири роки дослідницькі департаменти працювали над тим, щоб винайти електрод, який ефективно протистоятиме руйнівній дії електроструму. Компанія скуповувала будь-які патенти, що стосувалися цієї тематики, й намагалася впровадити їх у виробництво.
Новий час та споживчі реалії
До Європи люмінесцентні освітлювальні прилади прийшли майже на ціле десятиліття пізніше, а у СРСР взагалі почали використовуватися тільки у 1960-тих. При цьому саме на території Радянського Союзу з'явився помітний функціональний розподіл лампочок розжарювання та газорозрядних моделей. Перші використовувалися там, де було необхідне загальне та локальне світло – у люстрах, настільних лампах, настінних світильниках та бра, а другі застосовувалися виключно у місцях громадського користування – у навчальних класах та аудиторіях, у холах установ, у великих приміщеннях цехів та кабінетів. Передбачалося, що світло люмінесцентних моделей покликане замінити природне денне, але при цьому бути умовно робочим, підтримувати дисципліну. У будинках такі вироби практично не прийнято було використовувати, за рідкісним винятком.
До кінця ХХ-го століття однозначно намітилися тенденції з заміщення люмінесцентних джерел. Хоча явного конкурента їм тоді ще не було, для вчених стало очевидно, що якісна зміна світлоприладів трапиться вже у найближчі роки. На початку XXI-го століття люди активно почали використовувати галогенові лампочки, які по суті, є варіацією тих самих люмінесцентних моделей, але у побуті вони майже не прижилися. Зате нове дихання газорозрядні моделі отримали з виходом на ринок так званих «енергозберігаючих» ламп. Насправді це були ті ж самі вироби, тільки у новому форм-факторі. Другу їхню назву – КЛЛ – можна розшифрувати як «компактні люмінесцентні лампи». Фактично ту саму трубку Гейслера завили у спіраль та з прямої зробили наближеною за габаритами до лампочок розжарювання. Завдяки цьому встановлювати вироби стало можливим навіть до звичайних патронів для ламп стандарту Е27. Хитрий хід виробників продовжив активний період продажів по всьому світу ще на 5-7 років й не дав технології згаснути назовсім. Крім того, він привернув увагу громадськості до питань енергоефективності, які й до цього дня у тренді. Однак, найбільш іронічним можна назвати те, що вирішальним фактором у питанні, скільки ще триватиме існування люмінесцентних моделей стала інша тенденція епохи. Як тільки широка громадськість дізналася, що у таких виробах містяться пари ртуті, продажі почали стрімко падати, й галузевий ринок зазнав істотного спаду.
У той самий час отримала розвиток нова технологія – світлодіоди. Їх можна було без побоювання протиставляти усім попереднім типам освітлення: такі вироби є повністю безпечними для екології, вони легко показують високі експлуатаційні характеристики, економічні у роботі та служать у 5-10-30 разів довше за усіх попередників. Світлова віддача діодів не залишає шансів люмінесценції з точки зору енерговитрат на один люмен, а слабка залежність від стрибків напруги, типових для нашого часу, однозначно схиляє відмовитися від будь-яких альтернатив. Звичайно, це не означає, що люмінесцентні моделі більше зовсім не виробляються, проте їхня доля сьогодні здебільшого – це усе ті ж самі суспільні простори. Хоча навіть звідти їх зараз дедалі більше витісняють світлодіодні панелі, які за того ж розміру здатні забезпечити кращу освітленість, витративши на це значно менше енергії.