Ауэр, Сименс и... мы

     Давайте-ка совершим путешествие в прошлое - поэкспериментируем с газовым фонарем.
     Для начала поясним цель. Она может быть как весьма скромной, так и глобальной. Все зависит от вашего выбора и возможностей.

     У нас в стране достаточно много мест, где нет электричества, между тем как на кухнях используется привозной газ. Зажечь здесь газовый фонарь было бы логично. В известной мере это предложение связано и с разразившимися над страной бедами. Впрочем, газовые фонари для домашнего освещения выпускаются во всем мире: от сытой Америки до благословенной Чехии и Словакии (рис. 4). Даже у них не везде выгодно подводить электричество или ставить мини-электростанции. Порой газовый свет обходится гораздо дешевле.

Рис. 4

     А вот глобальный подход к проблеме. Несмотря на все успехи в области газоразрядных ламп, в домах преобладают тепловые источники света - лампы накаливания. И вот что получается. Мы сжигаем на электростанции топливо (порою тот же газ) и 39% его тепла превращаем в электроэнергию. С учетом потерь при передаче (15%) до потребителя доходит лишь третья часть энергии. Если электричество питает компьютер или электромотор, вопросов нет. Но когда его снова превращают в тепло, становится обидно. Гораздо выгоднее получить его от сжигания непосредственно топлива. (Не потому ли в современных домах многие считают нужным держать газовые плиты.) Следуя такой логике, уместен вопрос: почему газовый фонарь уступил место лампе накаливания?
Рис. 1      Оказывается, все дело в температуре. Чем она выше, тем больше света можно получить на единицу тепла. Температура сгорания газа в обычной горелке около 1500 градусов, а нити электролампы - 2800 и более. Поэтому на один джоуль тепла электрическая лампа дает в пять раз больше света, чем газ. Этот расклад и решил судьбу газового фонаря. Но не сразу. Между электрической лампой и фонарем шла долгая борьба. И любое изобретение, дающее снижение расхода газа и улучшение качества света, принималось с восторгом. Более других в этом преуспели немцы.
     Профессор Ауэр фон Вельсбах около 1880 года нашел способ уменьшить такой расход в два-три раза. Суть его мы изложили в статье "Новая история газового фонаря". Вы можете ее припомнить, взглянув на рисунок 1.
     Сегодня время от времени появляются в продаже иностранные газовые (а также керосиновые) лампы с ауэровскими колпачками. Однако их часто запрещают из-за присутствия в колпачках радиоактивного элемента - тория. Между тем известны старинные составы для пропитки колпачков, не содержащие торий. Использовались азотнокислые соли алюминия, лантана, иттрия, циркония, церия. После сгорания колпачка они превращались в окислы. Вот какой цвет свечения и относительный световой эффект они давали (см. таблицу).

Материал Цвет свечения Относительный
световой эффект
(единиц)

Окись алюминия синевато-белый свет 31,56

Окись лантана белый свет 28,32

Окись иттрия желтовато-белый свет 22,96

Окись циркония белый свет 15,30

Окись церия красноватый свет 5,02

     Самый приятный свет, отмечалось Ауэром, давала смесь из окислов алюминия и иттрия в соотношении 2:1. Располагая такими данными, есть смысл попытаться создать свой состав для колпачка Ауэра. Можно попробовать для этой цели и другие вещества. Например, окись натрия может дать своеобразный сильный желтоватый свет. Он, правда, сильно нарушит цветопередачу, но фонарь будет очень экономичным... Его свет вполне пригоден для освещения строительных площадок и дорог.
Рис. 2      Фонари с колпачками Ауэра сегодня можно сделать и самому на основе покупных газовых горелок с баллонами. Во время экспериментов колпачок лучше укреплять на крючке из тугоплавкой нихромовой проволоки от электроплитки (см. рис 2). Но чтобы получить хороший результат, придется провести множество экспериментов.
     Записывать составы применяемых солевых растворов и измерять получаемый от них световой эффект. Для успеха дела полезно заглянуть в учебник физики, познакомиться с измерением света. Работа по поиску оптимального химического состава для пропитки колпачка Ауэра довольно увлекательна. Но сегодня почти все забыли, что повысить эффективность газового фонаря можно совсем иначе. Вернер Сименс, основатель известнейшей фирмы, добился так называемой регенерации тепла. Заметив, что продукты сгорания, покидающие фонарь, имеют высокую температуру, он направил их на подогрев свежей порции газа (рис. 3). В результате повысилась температура сгорания и снизился расход газа. Фонари Сименса не уступали по экономичности фонарям Ауэра. Впрочем, был у них один недостаток.
     Пламя газа бесцветно. И для того, чтобы заставить его светиться, к газу подмешивали специальные вещества, создающие копоть. Такой газ назывался светильным. В регенеративных фонарях использовался именно он. Вносили в пламя особые тела, способные светиться при нагревании. Их пытались делать из тех же составов, что и колпачки Ауэра. Но получалось дорого, и дальше экспериментов дело не пошло. Кроме того, по иронии судьбы фонари Сименса появились в то время, когда уже забрезжила эпоха электричества, и сам изобретатель оказался одним из активнейших ее деятелей...
     Но поскольку у нас с вами задача прямо противоположная, заметим: сегодня появились недорогие вещества, которые можно было бы использовать в качестве тела накала для регенеративного фонаря. К примеру, высокочистый кремний, который применяется для создания инфракрасной оптики. Это почти черное на вид вещество прозрачно для тепловых лучей. Поэтому согласно законам термодинамики при нагревании будет испускать в основном видимый свет и лишь в небольшой мере тепловое излучение. Возможно, при использовании такого кремния и удастся создать очень экономичный газовый фонарь, способный во многих случаях вытеснить электрические лампы.

Давным-давно

     В 1802 году профессор петербургской Академии наук В.В.Петров впервые подсоединил к мощной батарее два уголька, коснулся ими друг друга, чуть раздвинул и... Вначале посыпались искры, затем промежуток между угольками заполнило ослепительное пламя. По форме оно напоминало огненный дугообразный мост.
     Так был открыт электрический дуговой разряд - самый яркий на последующие сто с лишним лет источник света. Раньше всех дугу стали практически применять в России. В 1849 году академик Б.С.Якоби установил дуговой фонарь на башне Адмиралтейства в Петербурге (рис. 1). Гальванические батареи стоили очень дорого, но электрический свет оценили за необычайность и красоту, и в 1856 году в Москве, в Лефортове, по случаю коронационных торжеств уже горело несколько электрических солнц.
     Электрическая дуга нуждалась в постоянной регулировке расстояния между углями. Созданные для этого механические автоматы получились весьма сложны и дороги. Остроумно проблему решил П.Н.Яблочков. Рис. 2 Он поставил два угля рядом, разделив их между собою изолирующим слоем, а сверху поставил электропроводящую перемычку, необходимую для зажигания дуги в момент включения. Дуга горела на концах углей 10 - 12 часов, до их полного выгорания.
     За внешнее сходство со свечой устройство назвали свечой Яблочкова. В 80-х годах прошлого века она освещала улицы и театры Парижа, Лондона, дворцы монархов Камбоджи и Персии. Но и тогда дуговая лампа оставалась предметом роскоши. Свет же был нужен всем. И дугу начала вытеснять созданная в 90-е годы лампа накаливания. На единицу мощности она выдавала света примерно в 10 - 20 раз меньше, однако ее дешевизна и простота в обращении решили дело.
     Электротехники не смогли примириться с победой столь прожорливого источника света. В начале 90-х годов появилась дуговая лампа Аронса (рис. 2). Здесь дуга горела внутри стеклянной трубки, причем не на углях, а на ртутных электродах. Ртуть испарялась и тут же, не расходуясь, конденсировалась на прежнее место. Лампа была раз в 10 экономичнее ламп накаливания, но свет ее сильно искажал цветовосприятие. Сегодня дальние потомки этой лампы освещают автомобильные дороги всех стран мира. В их свете плохо различимы цвета, но для вождения автомобиля это не очень важно. Важно, что достигается почти 20-кратная экономия электроэнергии.
     Когда едете по ночной автостраде, вспомните: ее освещает электрическая дуга, открытая в 1802 году нашим соотечественником В.В.Петровым.