Лампочка, но не Ильича (лекция 4)

1.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Введение в современные
проблемы физики
С.Е.Муравьев, А.С.Ольчак
кафедра теоретической ядерной физики
кафедра общей физики
1

2.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Лекция 4. Лампочка, но не Ильича
Технологии освещения. Открытый огонь – костер, лучина, свеча,
керосиновая лампа. Электрические лампы: дуга, лампа накаливания.
Яблочков и его русский свет. Эдиссон – 1999 способов, как не надо делать
лампы. Новые ламповые технологии: галогенные, энергосберегающие,
светодиоды.
2

3.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Человеку всегда был нужен свет!
Чтобы освещать свои жилища…
Чтобы работать вечером и ночью…
Чтобы отдыхать вечером и ночью…
Чтобы иметь и хлеб, и досуг, и зрелища…
И нам пришлось создать технологии получения света!
3

4.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Огромное количество
людей трудятся в этой
области человеческой
деятельности
А «световые» технологии
продолжают
совершенствоваться и
развиваться
Потому что человечеству всегда нужно будет делать свет!
4

5.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но начать мы хотим чуть-чуть с политики. В СССР лампочку называли
«лампочка Ильича». Ну какое отношение имел Ленин к лампочке?
…большевики не делали лампочку, но существенный скачок в развитии
страны в 20-е годы произошел. И план электрификации СССР провели
именно большевики. А вот предыдущей власти – такое ощущение – ничего
этого было не нужно…
5

6.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но мы говорить будем о технической части этого открытия.
Не о политиках, а об инженерах. Не о лампочке Ильича, а о лампочке
Дэви, Эдисона, Яблочкова, Лодыгина…
6

7.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
До начала 19 века - открытый огонь. Свечи, лучины,
керосиновые или масляные лампы. А уличное освещение
(а такое в европейских городах было) – газовые фонари.
Светильный, а потом и природный (метан) газ. В 1830 году
Фарадей прочитал публичную лекцию – «История свечи».
Законы физики и химии, по которым работает свеча.
Потом она была записана и издана небольшой книжечкой.
Очень интересно!
7

8.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Существовали целые отрасли промышленности по изготовлению:
лучин, масляных ламп, свечей, производства светильного газа
И в этих отраслях «гуляли» большие деньги.
Фридрих Аккум,
Первый завод по производству
И сжижению светильного газа
(Лондон, 1815 год)
Очень коммерчески успешный!
8

9.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но так не могло продолжаться долго, потому что…
НАСТУПАЛА ЭРА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

10.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
1800 год
Алессандро Вольта создает источник тока – вольтов столб. Наборы
медных и цинковых кружков, которые с одной стороны контактируют друг
с другом, с другой между ними картонный диск, смоченный раствором
электролита – соли или кислоты. Возникал постоянный электрический
ток. Наступила эра электричества!

11.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Франсуа Араго: «В начале 1800 года вследствие
теоретических соображений знаменитый профессор
придумал составить длинный столб из кружков:
медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать
заранее от такого столба? Это собрание, странное и,
по-видимому, бездействующее, этот столб из
разнородных металлов, разделенных небольшим
количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее
которого никогда не изобретал человек, не исключая
даже телескопа и паровой машины».
Ни много, ни мало – лучше телескопа и паровой
машины!
11

12.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
И сразу же после открытия Вольты физики стали экспериментировать со
столбом.
1803-1804 год. Василий Петров в Петербурге собрал батарею из 4000
кружков – напряжение около 2000 В (!), и увидел электрическую дугу.
А.А.Мусин-Пушкин

13.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
В 1809 году Хэмфри Дэви тоже зажег электрическую дугу. И Дэви первым
предложил освещать с помощью батареи улицы (интересно, что до вольтова столба Дэви пытался освещать улицы с помощью конденсаторов,
заряженных трением)
13

14.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А что такое электрическая дуга?
Если в воздушном промежутке между проводниками, к которым
приложено электрическое напряжение, появятся свободные электроны,
и напряжение будет больше 5-10 вольт, электроны ионизуют атомы,
возникает плазма, и устойчивый ток. А при рекомбинации электроны
переходят на нижние атомные уровни и излучают свет в оптическом
диапазоне. Разогрев происходит до температур выше 5000 градусов. А
при больших токах – и до 50000!
14

15.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но этот принцип освещения не получил распространения, поскольку
выгорали электроды, и дуга гасла. Нужно было придумать конструкцию,
которая могла бы их приближать друг другу по мере сгорания. Первую
дуговую лампу сделал Фуко, но стержни сдвигал «руками».
Придумывались и другие конструкции сближения электродов
15

16.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А вот первую конструкцию, где электроды не нужно двигать, придумал
русский инженер Павел Николаевич Яблочков (он в это время работал в
Париже). Гениальное решение – расположить электроды параллельно и
разделить диэлектриком (который сгорал бы вместе с электродами)! В
1875 году эти лампы (под названием – «русский свет») освещали улицы
Парижа, а в 1877 году на всемирной выставке – российский павильон.
16

17.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Простота "свечей Яблочкова", заменивших
дуговые фонари с регуляторами для
сближения
углей,
привела
к
их
распространению, и вскоре "свет Яблочкова"
освещал бульвары Парижа, набережные
Темзы, проспекты Петербурга и даже города
Камбоджи. Это было триумфом Яблочкова.
17

18.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но лампа Яблочкова работала часы… И тогда пришел Томас Эдисон с
лампой накаливания. Идея: нагреть проводник до высоких температур,
пропуская через него ток. Тогда он будет светиться.
Изобретали лампы и до Эдисона
В 1809 году Де Ла Рю. Лампа накаливания с платиновой спиралью;
В 1838 году бельгиец Жобар предложил угольную лампу накаливания;
В 1854 году немец Генрих Гёбель. Рабочий вариант источника света. Нить
из обугленного бамбука в откачанном сосуде.
В 1860 г. англичанин Джозеф Сван получил патент на лампу накаливания.
В 1872 году Александр Лодыгин. Угольный стержень в стеклянной колбе.
В 1873 г. Дирихсон. Усовершенствование лампы Лодыгина. Металл. 18

19.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
19

20.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но это только ключевые фигуры.
И вообще в каждой стране есть «свой» изобретатель лампы накаливания!
Англия – Дэви, Деларю, Сван
Бельгия – Жобар
Франция - Фуко
Германия - Гёбель
Россия – Петров, Лодыгин, Яблочков, Дирихсон
Австрия – фон Вельсбах, Блау, Ремане
США - Эдисон
20

21.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
В конце 70-х лампой накаливания занялся Томас Эдисон. Заслуга Эдисона в
удешевлении лампы в 50 раз (дешевые материалы).
С 1878 года Эдисон с помощниками провел 12 тысяч опытов, попробовав 6000
комбинаций веществ, израсходовав на это (по его словам) 100 тысяч долларов.
Так что тяжел труд инженеров!
Поиск и материалов, и цоколя, и патрона. Первый вариант – платиновая спираль.
Время горения – 40 часов.
Затем обугленные бамбуковые волокна (потом и более дешевые хлопковые). Из
лампочки откачивался воздух, и она запаивалась в цоколь.
21

22.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Сохранились свидетельства о публичной демонстрации в присутствии
3000 человек электрического освещения. Эдисон показал как он осветил
свой дом и прилегающие улицы. Эдисон довел продажную цену лампочки
до 22 центов (от 10 долларов). Работала лампочка Эдисона 800-1000
часов – 40-50 дней работы! Лампа Эдисона выпускалась 30 лет (!).
22

23.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Один журналист спросил Эдисона.
«Вы сделали 2000 экспериментов, и
только в 2000-м нашли как делать
лампочку, а в остальных терпели
неудачу. Каково это, терпеть неудачу
1999 раз подряд?».
«Молодой человек, – ответил Эдисон,
– я не ошибался две тысячи раз. Я
нашел 1999 способов, как не надо
делать лампочку».
И это правда!
23

24.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Производители газовых ламп предприняли атаку на электрическое
освещение. Были проведены десятки исследований, в которых
«доказывалось», что электрическое освещение вредно.
Из одной из таких работ: «Для жилых помещений газовое освещение
является самым приятным, удобным и дешевым. Электрическое
освещение, возможно, найдет применение для отдельных больших комнат
и в парадных квартирах, но это будет таким редким исключением, что
излишне обращать на него внимание. Никогда электрический свет не
нанесет ущерба газу, масляным лампам и свечам». Нанес…
24

25.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Австриец Ауэр фон Вельсбах в 1885
году предложил новую газовую горелку
(«ауэровский колпачок»). Сетчатый
колпачок из марли, пропитанный
солями металлов. В момент зажигания
марля сгорает, а соли образуют
твердый остов. Этот остов уже не
горит, а накаляется газом до бела и
ярко
светит.
Газовая
лампа
накаливания! Сила света больше в
несколько раз, газа потребляли в 6 раз
меньше, чем прежние горелки.
25

26.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но Ауэр фон Вельсбах сам и «похоронил» свой колпачок. Он
предложил одну из первых конструкций лампы с осмиевой
нитью.
А в 1905 году Ф.Блау и Г.Ремане изготовили лампу с вольфрамовой нитью (3380 °С). В 1906 г. Вельсбах основал
компанию OSRAM, известную и ныне. OSRAM - слияние
частей названий осмий (OSmium) и вольфрам (wolfRAM).
26

27.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но не только Вельсбах предложил лампу
накаливания с металлической нитью: это были
и наши люди!
Александр Николаевич Лодыгин использовал
вольфрамовую нить. У вольфрама температура плавления – 3400 градусов (а чем выше
рабочая температура, тем больше доля света в
излученной энергии). Но сначала это было
дорого, но затем (это было уже в начале 20
века) технологии производства вольфрама
были разработаны и нить лампы стали делать
из вольфрама. А лампа стала долговечнее.
27

28.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А почему лампы перегорают?
Лампа перегорает потому, что испаряется
вольфрам (огромная температура). Испарившийся вольфрам оседает на стенках колбы,
уменьшая ее прозрачность. Это повышает
температуру внутри, нить еще больше
испаряется. Нить становится тоньше, тоньше,
а потом разрушается. При этом при
перегорании нити может загореться дуга,
температура внутри резко повысится, лампа
взорвется. Так что и процесс перегорания
лампочки очень непростой.
28

29.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Галогенные лампочки (20 годы).
Эти лампочки наполнены бромом или йодом,
который может вступать в реакцию с вольфрамом
при 250 градусах. Размер лампы подбирается так,
чтобы стенки колбочки (а она совсем маленькая)
имели такую температуру (поэтому ее делают из
тугоплавкого кварцевого стекла). Испарившийся
вольфрам вступает в реакцию с галогеном с
образованием газообразного соединения. Стенки
не загрязняются, а соединение вольфрама с
галогеном разлагается при температуре 2000
градусов,
т.е.
около
спирали.
Вольфрам
переносится назад, «заживляя» спираль.
29

30.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Галогенные лампы служат
гораздо дольше (их время
работы может достигать
десятков тысяч часов), т.е.
годы (!).
И еще одно достоинство
галогенных ламп. Они работают при более высокой
температуре, чем обычные
лампы накаливания, обеспечивая более высокий КПД
по свету.
30

31.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но
они
чрезвычайно
чувствительны к загрязнениям стенок колбы, их, например, нельзя брать руками. Поверхность в местах контактов пальцев со
стеклом покрывается жиром, он сгорает, свет через
эти участки проходит не
так, лампы перегреваются
и выходят из строя.
31

32.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
В 20-30 годы придумали «лампы дневного
света», энергосберегающие или люминисцентные лампы.
Эти лампы имеют более высокий КПД по
свету по сравнению с лампой накаливания, в которой основная излучаемая
энергия не свет, а тепло. Поэтому их называют энергосберегающими. И хотя светодиодные лампы имеют более высокий
КПД, их не принято так называть,
поскольку люминисцентные лампы дали
первый прорыв в световых технологиях
после ламп накаливания.
32

33.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А как работают энергосберегающие лампы?
Некоторые вещества (люминофоры) под действием ультрафиолетового излучения светятся в
видимом диапазоне. Галофосфат кальция и др.
Трубка с двумя электродами. Смесь аргона с
парами ртути. На стенках (внутри) – люминофор.
С одного из электродов благодаря термоэлектронной эмиссии выходят электроны, разгоняются электрическим полем и ионизуют атомы
ртути. При рекомбинации ионов и электронов
атомы излучают ультрафиолет. Люминофор
светится,
а
ультрафиолет
задерживается
стеклом и не выходит из лампы.
33

34.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
У такой лампы нелинейная вольтамперная
характеристика, поэтому для устойчивой
работы необходим «балласт» элемент,
который
берет
на
себя
излишек
напряжения. Необходим также механизм
запуска. В современных энергосберегающих лампах и балласт и механизм
запуска электронные.
Светоотдача при той же мощности в 5 раз
больше лампы накаливания. Срок службы
– в среднем 50 тысяч часов (5-7 лет) при
условии нечастого включения-выключения
(не больше 2000 раз).
34

35.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Впервые люминисцентный эффект показал
Томас Эдисон (1901 г.) В 1926 г. Эдмунд
Гермер придумал лампу, близкую к
сегодняшней.
Исследовал
люминофор
С.И.Вавилов. В лаборатории Вавилова были
созданы разные типы люминофоров. Есть
люминофоры, дающие разный свет – и
теплый, и холодный.
Главная проблема – экологическая. Если
лампа разбивается. Ртуть выходит наружу, а
пары
ртути
сильный
яд.
Поэтому
энергосберегающие лампы будут уходить из
обращения.
35

36.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Существуют энергосберегающие лампы, которые
включаются сразу, а есть, которые разгораются
постепенно. И еще. Цвет лампы может сильно
меняться – от холодно-белого до тепло-желтого.
Есть два типа пусковых устройств (одни
включаются сразу, другие постепенно), но закон
не обязывает производителя указывать, какой
тип устройства в этой лампе. Поэтому проверить
можно только после того, как купишь.
Что касается цвета, то все зависит от состава
люминофора – можно подобрать и холодный, и
теплый.
36

37.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Относительно энергосберегающих ламп… В Интернете
можно найти много всякого (и по большей части
заказного)…
С точки зрения света - энергосберегающие лампы не
вредные. Там стоят электронные преобразователи, которые
делают мигания быстрыми и невидимыми. Но у этих ламп
(в отличие от ламп накаливания) есть гарантия. И работают
они в 10 раз дольше ламп накаливания. И потребляют они
раз в 10 меньше энергии при том же световом потоке. Но –
дороже (раз в 5). И – главное – требуют аккуратной
утилизации. Если разбить колбу, то пары ртути выходят
наружу, а это сильный яд. Думаю поэтому человечество
должно будет от них отказаться.
37

38.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Но жизнь не стояла на месте. Поэтому даже
в эпоху абсолютного триумфа лампочки
накаливания человечество искало новые
принципы освещения…
В 1923 году советский инженер Олег Лосев,
работая в нижегородской радиолаборатории,
открывает свечение в контактах «металлкарбид кремния» - эффект, на основе
которого
работают
все
современные
светодиоды.
Понял важность открытия и свое открытие
запатентовал.
38

39.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
О нем нужно сказать особо. Первым понял (и
использовал) возможности полупроводников, создал
первый
усилитель
на
участке
спадающей
вольтамперной характеристики, был близок к открытию
транзистора, создал усилитель радиосигналов на
кристалле
карбида
кремния
–
кристадин
(международное название).
Первым увидел и понял природу светодиодного
свечения. Умер от голода в 1942 году (38 лет) во время
блокады
Ленинграда…
Место
захоронения
–
неизвестно. Вклад О.В.Лосева в развитие электроники
признан в мире, а вот мы, боюсь, его не знаем… (в
США даже используется термин the Losev light)
39

40.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Итак, что же такое светодиоды?
Сначала о полупроводниках. Это материалы,
проводимостью которых можно легко управлять с
помощью
примесей.
Мы
можем
изготовить
полупроводники, в которых
ток переносится
электронами (n-тип) или дырками (p-тип). В контакте
полупроводников разных типов ток может течь только
в одну сторону. И в этом случае электроны и дырки
движутся в сторону границы и рекомбинируют. И
излучают свет. Это явление было открыто в 1923 году
Олегом Лосевым, который запатентовал принцип
создания твердотельного источника света с низким
напряжением (1927 год).
40

41.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Отцом светодиодной технологии в нынешнем ее
виде стал американец Ник Холоньяк.
В 1962 году он получил красное излучение на р-nпереходе арсенида галлия-фосфида. Кристалл
GaAsP был выращен на подложке из арсенида
галлия.
Для выращивания Холоньяк применил метод
газофазной эпитаксии. Работая над кристаллом,
ученый ясно представлял применение еще не
созданного устройства в качестве осветительного элемента. Нику многие пророчили получение Нобелевской премии, но... не сложилось.
41

42.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Первыми промышленный выпуск
светодиодов освоила компания General Electric, но цена …
($260 за штуку) тормозила
внедрение. Прорыв произошел в
1968 году, когда началось производство сравнительно недорогих светодиодов. На основе изобретенного Джорджем Крафордом желтого светодиода. Первый
светодиодный
дисплей
(Hewlett-Packard).
42

43.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А затем были созданы дешевые
светодиоды, способные излучать
ярко.
В 1971 году американский инженер
Жак Панков – Панков! – разработал
технологию производства дешевых
синих светодиодов.
(Панков
родился
в
СССР,
в
Чернигове, семья уехала в Америку,
и он стал американцем. Прожил
очень долгую жизнь – умер только в
2016 году)
43

44.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
И пошло!
Здесь надо отметить и Жореса Ивановича
Алферова,
получившего
Нобелевскую
премию за создание гетероструктур –
чередующихся слоев полупрводников разных
типов, позволяющих эффективно излучать
свет.
44

45.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
А затем в начале 1990-х
Исама Акасаки,
Хироси Амано и
Судзи Накамура
изобрели очень дешевый
светодиод (Нобелевская
премия 2014 г.).
45

46.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
46

47.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Достигнуты следующие параметры светодиодов массового
производства: световая отдача - выше, чем у галогенных
ламп, срок службы — 50000
часов.
Для
лабораторных
образцов были сообщения о
сроке службы – миллион часов
(120 лет) непрерывной работы
со световой отдачей в десятки
раз выше люминисцентных
ламп.
47

48.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Светодиоды в ближайшие десятилетия
вытеснят и тепловые, и разрядные
источники света. У них есть и много других
достоинств:
надежность;
высокая
устойчивость к внешним факторам
(температуре, влажности, механическим
нагрузкам); размеры; высокий коэффициент использования светового потока;
полная экологическая безопасность из-за
отсутствия ртути и стекла. И светодиоды
все активнее входят в нашу жизнь –
создав качественно новые источники
света.
48

49.

От Архимеда до Басова - наука, техника, технологии
Так чья же все-таки у нас лампочка?
Всех!
Петрова, Дэви, Яблочкова, Эдисона, Лодыгина, Ауэра, Лосева, Вавилова,
Алферова, Накамуры, многих не названных нами изобретателей. И все
они дали нам – человечеству – свет.
А уже потом в МИФИ и в ФИАНе Н.Г.Басов и А.М.Прохоров создали
совсем другой источник света - лазер.
И свет у него совсем другой!
Но это уже совсем другая история…
49