«Искусственный свет: Его влияние на цивилизацию»

По словам Мердока, годовая стоимость газового освещения в этом первоначальном случае составляла 600 фунтов стерлингов после щедрого учета процентов на вложенный капитал и амортизации аппаратуры. Стоимость обеспечения такого же количества света с помощью свечей он исчислил в 2000 фунтов стерлингов. Это сравнение проводилось на основе в среднем двух часов искусственного освещения в день. На основе трех часов искусственного освещения в день относительная стоимость газового и свечного освещения составляла примерно один к пяти. Мердок был характерен своей скромностью при обсуждении своих достижений, и следующее его заявление следует читать с учетом условий 1808 года:

Своеобразная мягкость и чистота этого света с его почти неизменной интенсивностью снискали ему большую популярность у рабочих. А то обстоятельство, что он свободен от неудобств и опасности, проистекающих от искр и частой подрезки свечей, имеет существенное значение как средство уменьшения пожарной опасности, которой, как известно, подвержены хлопчатобумажные фабрики.

Хотя эта установка на фабрике Филлипса и Ли является первой, описанной Мердоком, в действительности она не является первой промышленной установкой газового освещения. В ходе разработки газового аппарата на предприятиях Сохо и после своей световой демонстрации в 1802 году он постепенно распространил газовое освещение на все основные цехи. Однако в некотором смысле это была экспериментальная работа. Другие применяли свои знания и изобретательность к проблеме практического внедрения газового освещения, но Мердока метко назвали «отцом газового освещения». Среди пионеров были Ле Бон во Франции, Бехер в Мюнхене и Винцлер, или Винзор, немец, которого привлекли возможности газового освещения благодаря выставке, устроенной Ле Боном в Париже в 1802 году. Винзор узнал, что Ле Бону был выдан патент в Париже в 1799 году на получение осветительного газа из дерева, и попытался получить права для Германии. Потерпев здесь неудачу, он принялся изучать секреты процесса Ле Бона, что ему и удалось, возможно, во многом благодаря накоплению информации непосредственно от изобретателя во время переговоров. Затем Винзор обратился к Англии как к плодородной почве для эксплуатации газового освещения и, проведя некоторое время эксперименты в Лондоне, составил планы организации Национальной тепловой и световой компании.

Винзор был прежде всего промоутером с небольшими техническими знаниями или вовсе без них; ибо в своих заявлениях и рекламе он пренебрегал фактами с легкостью, которой обладают только невежды. Он хвастался своими изобретениями и открытиями в самой гиперболической манере, что неизбежно должно было вызвать споры. Тем не менее он был умен и в 1803 году публично продемонстрировал свой план освещения с помощью каменноугольного газа в театре Лицеум в Лондоне. Он читал лекции, сопровождавшиеся интересными и поучительными экспериментами, и таким образом привлекал публику к своей выставке. Все это время он продвигал свою компанию, но его рекламный инстинкт заставлял его делать заявления экстравагантными и обманчивыми, что подвергало его насмешкам и подозрениям со стороны ученых людей. Его попытка получить определенные эксклюзивные права через акт Парламента провалилась из-за противодействия людей науки его претензиям и позиции, которую Мердок справедливо занял в целях самозащиты. Эти годы споров представляют собой занимательную литературу для тех, кто пожелает ее прочитать, но, к сожалению, пространство не позволяет останавливаться на ней. Расследования комитетов Парламента также предоставляют забавные штрихи. На протяжении всего этого Мердок выглядел скромным и консервативным и пользовался поддержкой авторитетных научных мужей, в то время как Винзор упорствовал в экстравагантных претензиях.

Во время одного из таких расследований сэр Хамфри Дэви был допрошен комитетом Палаты общин в 1809 году. Он опроверг претензии Винзора на превосходный кокс как побочный продукт и заявил, что производство газа путем перегонки угля было хорошо известно уже тридцать или сорок лет, а производство дегтя — столь же долго. Он заявил, что, по мнению Совета Королевского общества, Мердок был первым человеком, применившим каменноугольный газ для освещения на практике. Будучи секретарем Общества, сэр Хамфри Дэви заявил, что на последней сессии оно присудило медаль Румфорда Мердоку за «его экономичное применение газового света».

Винзор приступил к плаванию своей компании, не дожидаясь акта Парламента, и в 1807 году осветил улицу в Пэлл-Мэлл. Из-за сопротивления, которое он вызвал, и благодаря справедливым претензиям на приоритет со стороны Мердока, законопроект об инкорпорации Национальной тепловой и световой компании с капиталом в 200 000 фунтов стерлингов был отклонен. Однако в 1812 году ему удалось получить сильно измененную по форме хартию для Чартерной компании газового света и кокса, которая стала предшественницей нынешней Лондонской компании газового света и кокса.

Условия, наложенные на эту компанию, как изложено в раннем трактате о газовом освещении (Аккума в 1818 году), были следующими:

Полномочия и права, предоставленные этому корпоративному органу, весьма ограничены и умеренны. Составляющие его лица не имеют исключительных привилегий; их хартия не препятствует другим лицам вступать с ними в конкуренцию. Их деятельность ограничивается столицей, где они обязаны поставлять не только более сильный и лучший свет улицам и приходам, которые пожелают освещаться газом, но также по более дешевой цене, чем та, что платится за освещение упомянутых улиц нефтью обычным способом. Корпорации не разрешается торговать оборудованием для производства или подачи газа в частные дома, их капитал или акционерный капитал ограничен 200 000 фунтов стерлингов, а его Величество имеет право объявить хартию газового света недействительной, если компания не выполнит ее условий.

Прогресс этой молодой компании поначалу был медленным, но с назначением Сэмюэля Клегга инженером в 1813 году началась эра технических разработок. Были построены новые станции и внедрено множество усовершенствований. Большой шаг вперед был сделан благодаря улучшению методов очистки газа. Полезность газового освещения быстро росла по мере исчезновения предрассудков, но долгое время акции компании продавались по цене значительно ниже номинала. Примерно в это же время произошел первый взрыв газа, и члены Королевского общества создали прецедент, который жил и процветал: они назначили комитет для проведения расследования. Но, по-видимому, расследование имело некоторую ценность, поскольку оно привело «к некоторым полезным изменениям и новым модификациям в его аппаратуре и механизмах».

В течение этих лет внедрялось множество усовершенствований, и одно из них в 1816 году увеличило выход газообразного продукта из угля путем перегонки дегтя, полученного при первой перегонке. В 1816 году Клегг получил патент на горизонтальную вращающуюся реторту; на аппарат для очистки каменноугольного газа с помощью «известкового молока» и на ротационный газовый счетчик.

Прежде чем продвигаться слишком далеко, мы должны упомянуть раннюю работу Уильяма Генри. В 1804 году он публично описал метод получения каменноугольного газа. Помимо проведения экспериментов по производству и использованию каменноугольного газа для освещения, он посвятил свои знания химии анализу газа. Он также провел аналитические исследования относительной ценности дерева, торфа, масла, воска и различных видов угля для дистилляции газа. Его химические анализы в значительной степени показали свойства углеводорода, от которого зависела осветительная ценность. Результаты его работы были опубликованы в различных английских журналах между 1805 и 1825 годами и внесли большой вклад в развитие газового освещения.

Хотя первоначальный газовый счетчик Клегга был сложным и громоздким, он оказался полезным устройством. По сути, он представлял собой самое оригинальное и полезное изобретение, вызванное ранним газовым освещением. Позже Сэмюэл Кроссли значительно усовершенствовал его, в результате чего он получил широкое распространение, однако отнюдь не был принят повсеместно. Другим усовершенствованием, сделанным Клеггом в то время, было устройство, поддерживавшее давление газа приблизительно постоянным независимо от давления в газгольдере или цистерне. Клегг ушел из службы газовой компании в 1817 году с послужным списком достижений, которые прославили его имя в анналах газового освещения. Мердок, несомненно, имеет право на отличие за то, что он был первым человеком, применившим газовое освещение в крупных частных заведениях, но Клегг преодолел множество трудностей и был первым, кто осветил целыи город этим средством.

В Лондоне в 1817 году ежедневно производилось более 300 000 кубических футов каменноугольного газа, количества, достаточного для работы 76 500 аргановских горелок, дающих по 6 свечей каждая. Газовое освещение теперь вызывало огромный интерес и было прочно установлено. Вестминстерский мост был освещен газом в 1813 году, а улицы Вестминстера — в течение следующего года. Газовое освещение стало популярным в Лондоне к 1816 году, и в течение следующих нескольких лет оно было принято в главных городах и поселках Соединенного Королевства и на Континенте. Оно проникало в дома поначалу довольно медленно из-за опасений сопутствующих опасностей, отсутствия очистки газа и посредственного обслуживания. Только во второй половине девятнадцатого века оно стало повсеместно использоваться в жилых домах.

Газовая горелка, впервые примененная Мердоком, получила название «петушиный гребень» из-за формы пламени. Она обладала осветительной ценностью, эквивалентной примерно одной свече на каждый кубический фут сожженного в час газа. Следующим шагом было сплющивание сваренного конца газовой трубы и высверливание ряда отверстий в линию. По форме пламени эта форма горелки получила название «куриная бородка» (cockscomb). Она была несколько эффективнее горелки с петушиным гребнем. Следующим очевидным шагом было разрезать конец трубы с помощью тонкой пилы. Из этого разреза газ горел в виде листа пламени, называемого «летучая мышь» (bats-wing). В 1820 году Нильсон создал горелку, которая позволяла двум небольшим струям сталкиваться и тем самым образовывать плоское пламя. Эффективность этой «рыбьего хвоста» горелки была несколько выше, чем у более ранних. Ее пламя было более устойчивым, так как на него меньше влияли сквозняки воздуха. В 1853 году Франкланд показал аргановскую горелку, состоящую из металлического кольца, содержащего ряд отверстий, из которых выходили струи газа. Стеклянный колпак окружал их, другой колпак, простирающийся несколько ниже, окружал все это, а стеклянная пластина закрывала днище. Воздух, подаваемый к газовым струям, опускался вниз между двумя колпаками и нагревался перед тем, как достичь горелки. Это увеличивало эффективность за счет уменьшения количества охлаждения горелки воздухом, необходимым для горения. Это усовершенствование фактически было предшественником регенеративных ламп, разработанных позже.

В 1854 году Боудич выпустил регенеративную лампу, и благодаря чрезмерной известности, которую получила эта лампа, его обычно считают создателем регенеративной горелки. Этот принцип был принят в нескольких лампах, которые появились позже. Все они основывались на принципе нагрева как газа, так и воздуха, необходимого для горения, до их достижения горелки. Горелка чем-то похожа на перевернутый Арджан, расположенный так, чтобы создавать круговое пламя, проецирующееся вниз с центральным острием. Проходы для воздуха и газа находятся непосредственно над пламенем и нагреваются им. В 1879 году Фридрих Сименс выпустил лампу этого типа, которая была адаптирована из устройства, изначально разработанного для целей отопления, благодаря производимому превосходному свету. Это была лучшая газовая лампа до того времени. Позже Вэнем, Кромарти и другие запатентовали лампы, работающие по этому же принципу.

Мердок рано модифицировал аргановскую горелку, чтобы удовлетворить требования сжигания газа, и, используя дымоход, добился лучшего горения и более устойчивого пламени, чем от открытых горелок. Он и другие признали, что температура пламени оказывает значительное влияние на количество испускаемого света, и непроводящий материал, такой как стеатит, был заменен вместо металла, который охлаждал пламя, проводя от него тепло. Это были ранние шаги, приведшие в конечном итоге к регенеративной горелке.

Растущая эффективность различных газовых горелок обозначается следующими величинами, которые представляют собой приблизительную силу света на основе равных норм потребления, а именно одного кубического фута газа в час:

Candle-power

per cubic foot of

gas per hour

Fish-tail flames, depending upon size 0.6 to 2.5 Argand, depending upon improvements 2.9 to 3.5 Regenerative 7 to 10

Видно, что возможности газового освещения были признаны в нескольких странах, каждая из которых внесла свой вклад в его развитие. Некоторые из более ранних описаний взяты главным образом из Англии, но они призваны служить лишь примерами возникавших трудностей. Несомненно, подобные споры возникали и в других странах, где пионеры также вынашивали газовое освещение до его зрелости. Однако несомненно, что значительная часть раннего прогресса освещения такого рода была зародилась в Англии. Газовое освещение было обречено стать процветающей индустрией и имеет такое важное значение в освещении, что отдельная глава посвящена его современным разработкам.

VII

НАУКА ПРОИЗВОДСТВА СВЕТА

В предыдущих главах была представлена значительная часть исторического развития искусственного освещения, и несколько тем были прослежены до современного периода, который знаменует начало интенсивного наступления ученых на проблемы, относящиеся к производству эффективных и адекватных источников света. Многие исторические события еще предстоит затронуть в последующих главах, но читателю необходимо в данный момент ознакомиться с некоторыми общими физическими принципами, чтобы он мог с большим интересом читать некоторые из следующих глав. Видно, что с точки зрения искусственного освещения «темные века» затянулись далеко в девятнадцатый век. Масляные лампы и газовое освещение начали серьезно развиваться в начале прошлого века, но пионеры уделяли внимание главным образом механическим деталям и отчасти химии топлив. Быстрого прогресса удалось достичь лишь тогда, когда к источникам света была применена физическая наука.

Все источники света, использовавшиеся на протяжении веков, и почти все современные излучают свет за счет накаливания твердых тел или твердых частиц, и интересным фактом является то, что углерод, как правило, является твердым веществом, испускающим свет. Это обусловлено различными физическими характеристиками углерода, главнейшей из которых является его чрезвычайно высокая температура плавления. Тем не менее, большинство практических источников света прошлого и настоящего можно разделить на два общих класса: (1) Те, в которых твердые тела или твердые частицы нагреваются за счет собственного горения, и (2) те, в которых твердые тела нагреваются каким-либо иным способом. Некоторые источники света включают оба принципа, а некоторые, возможно, не могут быть отнесены ни к одному принципу без оговорок. Светящиеся пламена горящего материала, такие как пламя лучин, свечей, масляных ламп и газовых рожков, а также тлеющие угольки горящего материала относятся к первому классу; а газовые сетки накаливания, электрические нити и в некоторой степени дуговые лампы представляют второй класс. Определенные «пламенеющие» дуги включают оба принципа, но свет светлячка, фосфоресценция и раскаленный газ в «вакуумных» трубках не могут быть включены в эту упрощенную классификацию. Статус этих явлений станет понятен позже.

Было замечено, что пламя служило видными источниками искусственного света; и хотя оно обладает низкой световой эффективностью, в нем все же есть много привлекательного с точки зрения портативности, удобства и дробления. Материалы, которые сжигались для получения света, будь то твердые или жидкие, богаты углеродом, и за яркость пламени благодаря своему накалу отвечают именно твердые частицы углерода. Струя чистого газообразного водорода будет гореть очень горячо, но с такой низкой яркостью, что ее едва видно. Если в пламя внедрить твердые частицы, обычно будет выделяться гораздо больше света. Газовая горелка бунзеновского типа, в которой полное сгорание достигается смешиванием воздуха в правильных пропорциях с газом, дает горячее пламя бледно-голубого цвета. При закрытии отверстия, через которое поступает воздух, пламя становится ярким и дымным. Пламя теперь становится менее горячим, о чем свидетельствует присутствие дыма или частиц углерода, и горение не является полным. Однако оно ярче, потому что твердые частицы углерода, проходя вверх через пламя, нагреваются до температур, при которых они светятся, и каждая из них становится миниатюрным источником света.

Внимательный наблюдатель заметит, что пламя спички, свечи или газового рожка неодинаково ярко по всей своей структуре. Читатель может убедиться в этом, зажегши спичку и наблюдая за пламенем. Ближе к нижней части всегда имеется розоватая или более темная область. В этой менее светящейся зоне воздух соединяется с водородом углеводорода, который подвергается испарению и распаду. Даже пламя свечи или горящей лучины представляет собой миниатюрный газовый завод, поскольку твердые или жидкие углеводороды испаряются до того, как сгореть. Из-за поступающего в этой точке более холодного воздуха пламя оказывается недостаточно горячим для полного сгорания. Несгоревшие частицы углерода поднимаются с его потоком и раскаляются до белого каления, что и объясняет наличие более яркой части. В случаях полного сгорания они в конечном итоге окисляются до углекислого газа до того, как успевают улетучиться. Если внести в пламя кусок металла, он немедленно покрывается сажей или углеродом, поскольку металл понижает температуру ниже точки, при которой химическая реакция — соединение углерода с кислородом — может продолжаться. Обычное плоское газовое пламя типа «летучая мышь» может иметь температуру в центральной части от 300 °F внизу до примерно 3000 °F вверху. Центральная область залегает между двумя более горячими слоями, в которых вертикальный перепад температур не столь велик. Яркость верхней части объясняется раскаленным углеродом, образовавшимся в нижней части.

Когда ученые путем исследования пламени выяснили, что яркость обусловлена излучением света раскаленным твердым веществом, был открыт путь для многочисленных экспериментов. В первые дни газового освещения проводились исследования с целью определения связи между осветительной способностью и химическим составом газа. Полученные результаты в сочетании со знанием о необходимости присутствия твердого углерода в пламени привели к усовершенствованию газа в целях освещения. Газ, богатый углеводородами, которые в свою очередь богаты углеродом, имеет высокую осветительную ценность. Тепловой эффект зависит от тепловых единиц, поэтому оценка газа в калориях или других тепловых единицах на кубический фут полностью удовлетворительна лишь для газа, используемого для отопления. Химический состав является лучшим индикатором осветительной способности.

По мере роста научных знаний предпринимались усилия по введению твердого вещества в пламя источников света. Вместо того чтобы ограничивать усилия углеродным составом газа, в пламя стали непосредственно помещать твердые материалы, и таким образом были разработаны различные горелки накаливания. Кусочек извести, помещенный в водородное пламя или пламя горелки Бунзена, начинает сильно нагреваться и ярко светиться. Создавая более горячее пламя с помощью паяльной лампы, в которой сжигаются водород и кислород, кусочек извести нагревали до более высокой температуры и получали более интенсивный свет. В Париже предпринималась серьезная попытка уличного освещения с использованием кнопок из диоксида циркония, нагреваемых в кислородно-угольно-газовом пламени, но она оказалась безуспешной из-за быстрого разрушения кнопок. Это было направление экспериментов, приведшее к разработке извести-света (лимлайта). Горелка накаливания нашла широкое применение, и до тех пор, пока использование электричества не стало повсеместным, известковый свет оставался главной опорой для сцены и проецирования фонарей. Он используется даже сегодня для некоторых целей. Происхождение фразы «быть в центре внимания» (в известковом свете) очевидно. Световая интенсивность оксигидрогенового известкового света в практическом применении обычно составляла от 200 до 400 свечей. Свет быстро уменьшается по мере использования горелки, если время от времени к пламени не подводить новую поверхность извести. При высоких температурах известь несколько летуча, и ее поверхность, по-видимому, меняет свою излучающую способность. Было обнаружено, что оксид циркония служит лучше, чем известь.

В газовые горелки вносились усовершенствования с целью получения более горячего пламени, в которое можно было бы вводить твердое вещество для получения яркого света. Использовалось множество материалов, но очевидно, что они ограничивались веществами с довольно высокой температурой плавления. Успешно применялись известь, магнезия, диоксид циркония и подобные оксиды. Если читатель пожелает провести эксперимент в подтверждение этого простого принципа, пусть он возьмет кусок магниевой ленты, используемой в освещении для фотографии, и поджёг ее в пламени Бунзена. Если удерживать ее осторожно во время горения, получится цельная лента пепла (магнезии). Поместив ее в слабосветящееся пламя, он будет удивлен яркостью ее свечения после нагревания. Простой эксперимент указывает на возможности производства света в этом направлении. Естественно, испробовали металлы с высокой температурой плавления, такие как платина, и примерно в 1880 году в практическое употребление вошла сеть из платиновой проволоки, по сути платиновая сетка. Город Нант освещался газовыми горелками с использованием этих платиново-сетчатых сеток, но сетки оказались неудачными из-за их быстрого разрушения. Это направление экспериментов в конце концов принесло плоды огромной ценности, ибо из него развилась газовая сетка.

Группа так называемых «редкоземельных элементов», среди которых цирконий, торий, церий, эрбий и иттрий (это оксиды циркония и др.), обладает рядом интересных химических свойств, некоторые из которых были с выгодой использованы при разработке современного искусственного света. Они представляют собой белые или желтовато-белые оксиды сильно огнеупорного характера, встречающиеся в некоторых редких минералах. Большинство из них очень яркие при нагревании до высокой температуры. Последняя особенность легко объясняется, если рассмотреть природу света и излучающие свойства веществ. Предположим, куски разных веществ, например стекла и извести, нагреваются в бунзеновском пламени до одинаковой температуры, достаточно высокой, чтобы заставить светиться оба. Несмотря на одинаковые условия нагревания, стекло будет лишь слабо светиться, в то время как кусок извести будет светиться ярко. Первое является плохим излучателем; кроме того, известь излучает относительно больший процент своей общей энергии в форме световой энергии.

Последний момент станет яснее, если читатель освежит в памяти природу света. Любой светящийся источник, такой как солнце, пламя свечи или лампа накаливания, испускает электромагнитные волны, мало чем отличающиеся от тех, что используются в беспроводной телеграфии, за исключением того, что они имеют гораздо меньшую длину волны. Глаз способен регистрировать некоторые из этих волн как свет точно так же, как приемная станция настроена на регистрацию диапазона длин волн электромагнитной энергии. Электромагнитные волны, испускаемые источником света вроде солнца, не все видимы, то есть не все они вызывают ощущение света. Те из них, которые это делают, составляют видимый спектр, и различные длины волн видимой лучистой энергии проявляются, вызывая ощущения различных спектральных цветов. Лучистая энергия наименьшей длины волны, воспринимаемая зрительным аппаратом, возбуждает ощущение фиолетового цвета, а наибольшей — ощущение глубокого красного. Между этими двумя крайностями видимого спектра главные спектральные цвета располагаются в порядке возрастания длин волн: синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Электромагнитная энергия, излучаемая источником света в волнах слишком большой длины, чтобы восприниматься глазом как свет, называется в целом «инфракрасной лучистой энергией». Энергия с волнами слишком короткими для восприятия в качестве света именуется в целом «ультрафиолетовой лучистой энергией». Твердое тело при высокой температуре испускает электромагнитную энергию всех длин волн — от кратчайшего ультрафиолета до длиннейшего инфракрасного излучения.

Еще одна сложность возникает в вариации видимости или светимости энергии длин волн в пределах диапазона видимого спектра. Очевидно, что никакое количество энергии, не способное возбудить ощущение света, не будет видимым. Энергия тех длин волн, которые находятся вблизи краев видимого спектра, будет неэффективна в производстве света. Та энергия, которая возбуждает ощущение желто-зеленого цвета, производит наибольшую светимость на единицу энергии и является наиболее эффективным светом. Видимость или световая эффективность лучистой энергии может располагаться приблизительно следующим образом в соответствии с вызываемыми цветами: желто-зеленый, желтый, зеленый, оранжевый, сине-зеленый, красный, синий, глубокий красный, фиолетовый.

Ньютон, английский ученый, впервые описал открытие видимого спектра, и это имеет столь фундаментальное значение в науке о свете, что первый абзац его оригинальной работы в «Трудах Королевского общества Лондона» цитируется следующим образом:

В 1666 году (в каковое время я применил себя к шлифовке оптических стекол иных фигур, нежели сферические) я раздобыл треугольную стеклянную призму, чтобы испробовать с ее помощью знаменитое явление цветов. И для того, затемнив мою комнату и сделав небольшое отверстие в ставнях окна, дабы впустить надлежащее количество солнечного света, я поместил мою призму у самого входа, дабы свет преломлялся через нее на противоположную стену. Поначалу было весьма отрадным развлечением наблюдать живые и интенсивные цвета, производимые таким образом; но спустя некоторое время, занявшись их более осмотрительным рассмотрением, я был удивлен, увидев их в продолговатой форме; каковую, согласно принятому закону преломлений, я ожидал обнаружить круглой. Они ограничивались по бокам прямыми линиями, но на концах затухание света происходило столь постепенно, что было трудно точно определить форму, однако они казались полукруглыми.

Даже Ньютон не мог иметь ни малейшего представления о тех грандиозных открытиях, которые будут основаны на спектре.

Возвращаясь теперь к особому свойству оксидов редких земель — а именно к их необычайному свечению при нагревании в пламени, — легко понять причину этого. Например, когда ряд веществ нагревается до одинаковой температуры, они могут излучать одинаковое количество энергии и при этом существенно различаться по яркости. Многие вещества обладают «избирательными» свойствами поглощения и излучения. Одно может излучать больше лучистой энергии и меньше инфракрасной, а для другого может быть верно обратное. Первое будет казаться ярче второго. Научные работники в области производства света искали такие «избирательные» излучатели, чьи прочие свойства были бы удовлетворительными. Редкие земли обладают свойством селективности и к тому же, к счастью, являются высокоогнеупорными. Вельсбах использовал их в своей мантии, эффективность которой отчасти обусловлена именно этим свойством селективности. Недавние работы показывают, что с помощью принципов, заложенных в газовой мантии, все еще можно достичь гораздо более высокой эффективности производства света.

Возвращаясь снова к пламени, можно наблюдать другое интересное физическое явление при помещении в пламя растворов различных химических солей. Например, если кусок асбеста пропитать хлоридом натрия (поваренной солью) и поместить в пламя Бунзена, бледно-голубое пламя внезапно становится светящимся и приобретает желтый цвет. Если повторить это с другими солями, в каждом случае будет отмечен характерный цвет. Желтый цвет пламени характерен для натрия, и если исследовать его с помощью спектроскопа, можно увидеть яркую желтую линию (по сути, двойную линию). Это составляет основу спектрального анализа в его применении к химии.

Каждый элемент имеет свой характерный спектр, состоящий обычно из линий, однако сложность варьируется в зависимости от элементов. Спектры элементов также обнаруживают линии в ультрафиолетовой области, которые можно изучать с помощью фотографической пластинки, фотоэлемента и другими средствами. Их спектральные линии или полосы простираются и в инфракрасную область, где они изучаются с помощью болометра или другой аппаратуры для детектирования лучистой энергии по теплу, которое она выделяет при поглощении. Спектральный анализ гораздо чувствительнее самых точных весов, ибо если растворить крупинку соли в бочке воды и пропитать этой водой полоску асбеста, а затем внести ее в пламя Бунзена, станет заметен желтый цвет, характерный для натрия. Удивительным примером возможностей этого метода является открытие гелия на солнце еще до того, как он был найден на Земле! Его спектральные линии были обнаружены в спектре солнца, и их нельзя было объяснить никаким известным элементом. Тем не менее следует отметить, что спектр элемента вообще различается в зависимости от способа его получения. Обычно для этого используются электрическая искра, дуга, электрический разряд в вакуумной трубки и пламя.

На спектре остановились довольно подробно, поскольку он имеет важнейшее значение для производства света и, вероятно, будет играть большую роль в будущих разработках. Хотя в освещении мало использовалось введение химических солей в обычное пламя, представляется несомненным, что такие разработки возникли бы, если бы электрические источники света не вышли на арену. Однако этот принцип с большим успехом применяется в дуговых лампах. В первых дуговых лампах использовались простые угольные электроды, но в некоторых из новейших угольных дуговых ламп применяются электроды из углерода, пропитанные различными солями. Например, фторид кальция дает яркий желтый свет при использовании в углях «пламенного» типа. Они подробно описаны далее.

Следуя этому принципу производства света, были разработаны вакуумные трубки. Крукс изучал свечение различных газов, заключая их в трубку, из которой откачивали воздух до получения слабого вакуума. При подключении высокого напряжения к электродам на каждом конце через остаточный газ проходил электрический разряд, делая его светящимся. Различные газы показывают свои характерные спектры, и их пригодность в качестве производителей света становится сразу очевидной.

Однако в настоящее время наиболее общим принципом производства света является излучение тел благодаря их температуре. Если кусок проволоки нагреть электричеством, он станет очень горячим, прежде чем начнет светиться. При этой температуре он излучает только невидимую инфракрасную энергию и имеет нулевую эффективность как производитель света. По мере нагревания он начинает казаться красным, но с повышением температуры становится оранжевым, пока — если бы его удалось нагреть до температуры солнца, около 10 000 °F — он не стал бы казаться белым. Все это время его световая отдача растет, поскольку он излучает не только возрастающий процент видимой лучистой энергии, но и возрастающее количество наиболее эффективной световой энергии. Но даже когда он кажется белым, большое количество излучаемой им энергии приходится на невидимую инфракрасную и ультрафиолетовую области, которые неэффективны для производства света, поэтому в лучшем случае вещество при такой высокой температуре неэффективно как производитель света.

В этой ветви науки о производстве света вещества ищут не только из-за их высокой температуры плавления, но и из-за их способности селективно излучать как можно больше видимой энергии наиболее светового характера. Тем не менее современный метод использования температурного излучения горячих тел имеет свои ограничения.

Световая отдача сегодняшних источников света все еще очень мала, но за последние полвека были достигнуты большие успехи. Должны произойти какие-то радикальные изменения, если эффективность производства света должна достичь гораздо более высокого показателя. Много говорилось о светлячке и о фосфоресценции. Эти источники света излучают, по-видимому, только видимую энергию и, следовательно, эффективны как излучатели лучистой световой энергии. Но многое еще предстоит выяснить в отношении них, прежде чем они станут пригодны для общего применения в освещении. Если ультрафиолетовое излучение падает на фосфоресцирующий материал, он светится с заметной яркостью, но остается холодным на ощупь. Вещество той же яркости благодаря своей температуре было бы горячим; поэтому фосфоресценцию называют «холодным» светом.

Знакомство с определенными терминами необходимо, если читатель хочет понять определенные части текста. Ранняя свеча постепенно стала стандартом, и стандартные свечи до сих пор являются удовлетворительными стандартами там, где не требуется высокая точность. Их сила света и осветительная ценность стали единицами подобно тому, как фут был произвольно принят в качестве единицы длины. Интенсивность других источников света выражалась через количество свечей или долю свечи, которые давали такое же количество света. Но сила света свечи измерялась только в горизонтальном направлении. Точно так же сила света источников света еще недавно выражалась в свечах, измеренных в определенном направлении. Лампы накаливания оценивались в средних горизонтальных свечах, что было бы удовлетворительно, если бы сила света была одинаковой во всех направлениях, но это не так. Поэтому сила света в одном направлении не дает меры общего светового потока.

Если источник света имеет силу света в одну свечу во всех направлениях, освещенность на расстоянии одного фута в любом направлении называется фут-свечой. Это единица интенсивности освещения. Люмен — это количество света, которое падает на один квадратный фут, если интенсивность освещения составляет одну фут-свечу. Видно, что площадь сферы с радиусом в один фут составляет 4π или 12,57 квадратных футов; следовательно, источник света, имеющий силу света в одну свечу во всех направлениях, излучает 12,57 люмена. Это удобная единица, поскольку она измеряет общее количество света, а световая отдача может выражаться в люменах на ватт, люменах на кубический фут газа в час и т. д.

Конечно, эффективность источников света обычно интересует потребителя, если она выражается в терминах стоимости. Но с практической точки зрения существует множество элементов, которые объединяются в другой важный фактор, а именно в пригодность. Поэтому эффективность искусственного освещения с точки зрения потребителя должна представлять собой отношение пригодности к стоимости. Однако ученого в основном интересует эффективность самого источника света, которая может выражаться в люменах на ватт или в количестве света, получаемом при заданном темпе потребления или излучения энергии. Такой метод оценки источников света наказывает те из них, которые излучают значительную энергию, не производящую ощущения света или имеющую в лучшем случае длины волн, которые неэффективны в этом отношении. Та лучистая энергия, которая полностью имеет длину волны максимальной видимости или, другими словами, вызывает ощущение желто-зеленого цвета, является наиболее эффективной для создания светового ощущения. Конечно, нет доступных осветительных приборов, которые приближались бы к этому теоретическому идеалу, и вряд ли это был бы практический идеал. При монохроматическом желто-зеленом свете волшебная палитра цветов исчезла бы, и окружение представляло бы собой монохром из оттенков этого цвета. Не имея цветов, с которыми можно было бы сопоставить этот цвет, мир был бы бесцветным. Это должно быть очевидно, если учесть, что объект, который кажется красным при осветителе, содержащем все цвета, например при солнечном свете, был бы черным или темно-серым при монохроматическом желто-зеленом свете. Красный цвет при нынешних условиях поддерживается благодаря контрасту с другими цветами, поскольку последние существуют благодаря тому факту, что большинство наших нынешних осветительных приборов содержат их оттенки. Предполагается, что читатель знает, что красный объект, например, кажется красным потому, что он отражает (или пропускает) красные лучи и поглощает остальные лучи в осветителе. Другими словами, цвет обусловлен селективным поглощением, отражением или пропусканием.

Возможно, идеальным осветительным прибором, наиболее универсальным для общей деятельности, является белый свет, соответствующий полуденному солнечному свету. Если выбрать это в качестве научного идеала, то современные осветительные приборы гораздо более «эффективны», чем если бы идеалом был самый эффективный свет.

Световая отдача лучистой энергии, наиболее эффективной для создания ощущения света (желто-зеленой), составляет около 625 люмен на ватт. То есть, если бы гипотетический источник света излучал энергию только этой длины волны, каждый ватт производил бы 625 люмен. Световая отдача наиболее эффективного белого света составляет около 265 люмен на ватт; другими словами, если бы гипотетический источник света излучал энергию только видимых длин волн и в пропорциях, создающих ощущение белого цвета, каждый ватт производил бы 265 люмен. Если бы такой белый свет был получен путем чисто температурного излучения — то есть нормальным излучателем при температуре 10 000 °F, что в настоящее время невыполнимо, — световая отдача составила бы около 100 люмен на ватт. Нормальный излучатель, который испускает энергию благодаря своей температуре без избирательного излучения большей или меньшей энергии в какой-либо части спектра, чем указано теоретическими законами излучения, называется «абсолютно черным телом» или нормальным излучателем. Современные осветительные приборы имеют световую отдачу от 5 до 30 люмен на ватт, так что видно, что предстоит сделать еще очень многое, прежде чем будут достигнуты предельные значения эффективности.

Количество света, получаемое от различных газовых горелок на каждый кубический фут потребляемого в час газа, колеблется для открытого газового пламени от 5 до 30 люмен; для горелок Аргана — от 35 до 40 люмен; для регенеративных ламп — от 50 до 75 люмен; а для газовых мантий — от 200 до 250 люмен.

При разработке источников света, конечно, следует избегать любых вредных воздействий газов, образующихся при горении или химическом взаимодействии. Некоторые из продуктов горения дуг вредны, но ни одна коммерческая дуга не кажется опасной при ее использовании по назначению. Газовые горелки отнимают у атмосферы кислород и портят ее газами, которые, однако, безвредны при полном сгорании. То, что достаточная вентиляция необходима там, где потребляется кислород, очевидно из данных, представленных авторитетами в области гигиены. Стандартная горящая свеча портит воздух в комнате почти так же, как взрослый человек. Обычная керосиновая лампа портит атмосферу так же, как полдюжины человек. Обычная одномантальная горелка вызывает такую же порчу воздуха, как два или три человека.

Чтобы получить общее представление о прогрессе в производстве света, ниже приводится таблица относительной световой отдачи нескольких источников света в округленных числах. Эти значения эффективности даны в отношении наиболее эффективного (желто-зеленого) света.

Efficiency

in per cent.

Sperm-candle0.02 Open gas-flame.04 Incandescent gas-mantle.19 Carbon filament lamp.05 Vacuum Mazda lamp1.3 Gas-filled Mazda lamp2 to 3 Arc-lamps2 to 7 White light radiated by "black-body"16 Most efficient white light40 Firefly95 Most efficient light (yellow-green)100

Световая отдача источника света отличается от световой отдачи лампы. Первая представляет собой отношение произведенного света к количеству энергии, излучаемой источником света. Последняя представляет собой отношение произведенного света к общему количеству энергии, потребляемой устройством. Другими словами, световая отдача лампы меньше, чем источника света, поскольку учитывается потребление энергии в других частях лампы, помимо самого источника света. Эти дополнительные потери заметны в механизмах дуговых ламп, но почти ничтожны в вакуумных лампах накаливания с нитью накала. Они неизвестны для светлячка, поэтому можно определить его световую отдачу только как источника света. Его эффективность как световой установки может быть и, пожалуй, является довольно низкой.

VIII

СОВРЕМЕННОЕ ГАЗОВОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

Как уже отмечалось, индустрия освещения как общественная служба зародилась в Лондоне около века назад, а компании для обслуживания населения на Континенте были организованы вскоре после этого. С этого раннего начала газовый свет долгое время оставался единственным осветительным прибором, поставляемым коммунальным предприятием. Видно, что на протяжении веков в освещении было достигнуто мало успехов, пока в XVIII веке масляные лампы не были усовершенствованы Арганом. Свечи и масляные лампы с открытым пламенем использовались еще при строительстве пирамид, и они были обычным явлением вплоть до приближения девятнадцатого века. Фактически прошло несколько десятилетий после установки первого газового освещения, прежде чем эта форма освещения начала вытеснять усовершенствованные масляные лампы и свечи. Лишь около 1850 года оно начало проникать в дома средних и бедных классов. В первой половине девятнадцатого века общее количество света в среднем доме было меньше, чем теперь получается от одного источника света, используемого в жилых помещениях; тем не менее общая стоимость освещения жилого дома значительно снизилась. Если представить социальную и промышленную деятельность человечества в эти различные периоды параллельно с развитием искусственного освещения, становится очевидной тесная связь. Шло ли искусственное освещение рука об руку с наукой, изобретениями, торговлей и промышленностью или оно освещало им путь?

Хотя газовое освещение зародилось в Англии, оно вскоре стало привлекать внимание и в других местах. В 1815 году в Филадельфии была предпринята первая попытка создать газовый завод; но прогресс был медленным, в результате чего Балтимор и Нью-Йорк вышли вперед в строительстве газовых заводов. В архивах сохранилось множество протестов против предложений, означавших прогресс в освещении. Сейчас это забавно, но это свидетельствует об инертности людей в подобных вопросах. Когда Боллман разрабатывал план освещения Филадельфии с помощью газовых труб, группа видных горожан подала в 1833 году протест, призванный показать, что последствия использования газа будут ужасными. Но этот протест потерпел неудачу, и в 1835 году в Филадельфии был основан газовый завод. Таким образом, газовое освещение, которое для сэра Вальтера Скотта было «чумным нововведением», задуманным безумцем, пережило свои ранние трудности и превратилось в мощную индустрию. Непрерывные усовершенствования и растущий объем производства не только изменили ход цивилизации благодаря усилению и адекватности освещения, но и снизили стоимость освещения за девятнадцатый век до ничтожной доли его первоначальной стоимости.

Подумайте о городе Филадельфии в 1800 году с населением около пятидесяти тысяч человек, зависящем в своем освещении исключительно от свечей и масляных ламп! День рождения Вашингтона в 1817 году праздновался грандиозным балом, на котором присутствовало пятьсот представителей элиты. Старый отчет об этом событии гласит, что помещение освещалось двумя тысячами восковых свечей. Стоимость этого освещения в сто раз превышала стоимость такого же количества света для подобного мероприятия в настоящее время. Можно ли представить себе нынешнюю сложную деятельность такого города, как Филадельфия, с почти двумя миллионами жителей, существующую в условиях освещения вековой давности? Сегодня в городе насчитывается более пятидесяти тысяч уличных фонарей — по одному на каждого жителя столетней давности. Из этих уличных фонарей около двадцати пяти тысяч работают на газе. Этот единичный пример характерен для газового освещения, которое положило начало «веку света» и выпестовало его сквозь превратности юношеского возраста. Потребление газа в Соединенных Штатах за это время выросло до трех миллиардов кубических футов в день. Исключительно для целей освещения в 1910 году было использовано почти сто миллиардов кубических футов. Эта страна была благословлена большими запасами природного газа; но по мере его истощения постоянно открываются новые нефтяные месторождения, так что с точки зрения сырья будущее газового освещения обеспечено на долгое время вперед.

Появление газовой мантии обусловило выживание газового освещения, поскольку к моменту ее появления электрические лампы уже были изобретены. Им было суждено стать грозными источниками света наступающего века, и без газовой мантии газовое освещение не преуспело бы. Ауэр фон Вельсбах проводил спектроскопическое изучение редких земель, когда перед ним встала задача нагревания этих веществ. Он погружал хлопок в растворы этих солей как вариант обычного способа изучения элементов путем их введения в пламя. Сжегши хлопок, он обнаружил, что получил копию исходной ткани, состоящую из оксида металла, и она ярко светилась, оставаясь в пламени.

Это натолкнуло его на мысль создать мантию для осветительных целей, и в 1885 году он внедрил такую мантию в коммерческое использование. Его первые мантии были неудовлетворительными, но в 1886 году они были усовершенствованы за счет использования тория, оксида тория, в сочетании с другими оксидами редких земель. Его мантия стала не только прочнее, но и давала больше света. Позднее он значительно усовершенствовал мантии, очистив оксиды, и наконец добился своего великого триумфа, добавив небольшое количество церия, оксида церия. Вельсбах заслуживает огромной похвалы за свою обширную работу, которая преодолела множество трудностей и наконец подарила миру долговечную мантию, значительно увеличившую количество света, которое ранее можно было получить от газа.

Физические характеристики мантии зависят от ткани и от используемых редких земель. Она не должна чрезмерно сжиматься при сгорании, а зола должна оставаться пористой. Было обнаружено, что мантия, в которой используется только торий, является плохим источником света, но при добавлении небольшого количества церия мантия ярко светится. Экспериментально было определено, что наилучшие пропорции содержания редкоземельных элементов составляют одна часть церия и девяносто девять частей тория. Большие или меньшие пропорции церия снижали светоотдачу. Фактический процент этих оксидов в золе мантии составляет около 10%, что делает содержание церия равным примерно одной части на тысячу.

Мантии изготавливаются путем вязания цилиндров из хлопка или другого волокна и пропитывания их раствором нитратов церия и тория. Затем один конец цилиндра сшивается асбестовой нитью, которая также образует петлю для подвешивания мантии над горелкой. После высыхания мантии в надлежащей форме ее выжигают; органическое вещество исчезает, а нитраты превращаются в оксиды. После завершения этого «выжигания» и удаления остаточного почернения мантия погружается в коллодий, что укрепляет ее для транспортировки и обращения. Коллодий представляет собой раствор пироксилина в спирте и эфире с добавлением масла, такого как касторовое масло, для предотвращения чрезмерного сжатия при высыхании.

Материалы и структура ткани мантий подвергались тщательному изучению. Сначала использовался хлопок; затем были внедрены волокна рами. Было обнаружено, что мантия из рами имеет больший срок службы, чем хлопковая мантия. Позже мантии подвергались мерсеризации путем погружения в аммиачную воду, и этот процесс давал более прочный материал. Последней разработкой является использование искусственного шелка в качестве базовой ткани, что приводит к созданию мантии, превосходящей предыдущие по прочности, гибкости, постоянству формы и постоянству световых свойств. Эта мантии из искусственного шелка позволяет производить манипуляции даже после того, как она проработала несколько сотен часов. Этот большой прогресс объясняется тем, что после выгорания волокон искусственного шелка волокна остаются сплошными и непрерывными, а не пористыми, как в предыдущих мантиях.

Цветовое значение света мантий может существенно изменяться путем изменения пропорций редких земель. Желтизна света была прослежена до церия, поэтому, изменяя пропорции церия, можно влиять на цвет света.

Перевернутая мантия открыла большие возможности в газовом освещении. Свет можно было легко направлять вниз, и было разработано множество светильников, таких как подвесные чаши. Фактически осветительная арматура и получаемые световые эффекты шли в ногу с электрическим освещением, несмотря на большие трудности, с которыми сталкивался проектировщик арматуры газового освещения. При проектировании перевернутой горелки, работающей на принципах Бунзена, возникло много проблем, но в конце концов они были успешно решены. В последние годы много внимания уделялось эффективности газовых горелок, в результате чего был достигнут высокий уровень развития.

Было разработано несколько методов электрического розжига, в которых обычно используется электрическая искра. Электрический розжиг и развитие дистанционного управления принесли большие улучшения, особенно в уличное освещение с помощью газа. Газовые клапаны для дистанционного управления приводятся в действие давлением газа и электромагнитами. В целом инженеры по газовому освещению шли в ногу с электрическим освещением поразительным образом, если учесть их трудности.

Появились различные типы горелок, целью которых было сжигание большего количества газа за данное время под мантией и тем самым увеличение светоотдачи. Это привело к разработке системы высокого давления, в которой давление газа сначала в несколько раз превышало обычное. Газ подается в смешивающую трубку под этим более высоким давлением таким образом, что также затягивается достаточное количество воздуха. Таким образом, горение в горелке форсируется сверх уровня, достигаемого при обычном давлении. Обычное давление газа равно давлению нескольких дюймов водяного столба, но в системах высокого давления используются давления до шестидесяти дюймов водяного столба. При этой системе высокого давления мантичные горелки дают до 500 люмен на кубический фут газа в час.

Топливом для газового освещения служат природный газ, карбюрированный водяной газ и каменноугольный газ, получаемый путем перегонки угля, но существуют различные методы производства искусственных газов. Каменноугольный газ производится аналитически путем перегонки определенных видов угля, но водяной газ и генераторный газ производятся синтетически путем воздействия нескольких компонентов друг на друга. Карбюрированный водяной газ производится из фиксированного углерода, пара и нефти, а также из пара и нефти. Генераторный газ производится действием пара или воздуха, или обоих вместе, на фиксированный углерод. Водяной газ, получаемый из пара и нефти, обычно ограничивается теми местами, где сырье легко доступно. Состав газа определяет его теплотворную способность и осветительную ценность, причем компоненты, благоприятные для одного, не обязательно благоприятны для другого. Каменноугольный газ обычно имеет меньшую осветительную ценность, чем карбюрированный водяной газ. Он содержит, например, больше водорода, чем водяной газ, и хорошо известно, что водород при горении дает мало света.

Как было показано в предыдущей главе, перегонка газа из угля для осветительных целей началась в конце восемнадцатого века. С этого начала производство каменноугольного газа развилось в крупную и сложную промышленность. Этот метод по сути представляет собой сухую перегонку. Уголь помещается в реторту, и когда он достигает температуры около 700 °F за счет нагрева внешним огнем, уголь начинает плавиться и начинают выделяться пары углеводородов. Как правило, это парафины и олефины. По мере повышения температуры эти углеводороды начинают подвергаться изменениям. Существовавшие долгое время химические связи разрушаются, и происходит перегруппировка атомов углерода и водорода. Сами химические реакции становятся очень сложными и в некоторой степени окутаны неопределенностью. На этой последней стадии определяются осветительная и теплотворная ценность газа. Обычно на полную перегонку газообразных и жидких продуктов из порции угля отводится около четырех часов. В этом процессе возникает много интересных химических проблем, а влияние температуры и времени не может быть рассмотрено в рамках этой книги. Помимо каменноугольного газа, получается целый ряд побочных продуктов в зависимости от исходного сырья, процедуры и рынка сбыта.

После получения каменноугольного газа его необходимо очистить и удалить по крайней мере сероводород. Один из способов достижения этого — промывка газа водой и аммиаком, что также удаляет часть углекислого газа и синильной кислоты. Различные другие нежелательные компоненты удаляются химическими средствами в зависимости от условий. Очищенный газ поступает в газгольдер; но, конечно, все это время давление регулируется, чтобы поддерживать постоянное давление в магистралях.

Много внимания уделялось обогащению газа для осветительных целей, то есть получению газа высокой осветительной ценности из дешевого топлива или с помощью недорогих процессов. Это достигалось путем разложения смолы, получаемой при перегонке угля, и добавления этих газов к каменноугольному газу; путем смешивания карбюрированного водяного газа с каменноугольным газом; путем карбюрирования низкосортных каменноугольных газов; и путем смешивания нефтяного газа с низкосортным каменноугольным газом.

Водяной газ имеет низкую осветительную ценность, но после карбюрирования он горит ярким пламенем. Водяной газ получают путем повышения температуры слоя топлива из антрацита или кокса с помощью нагнетаемого воздуха, который затем отключается, в то время как через раскаленное топливо пропускается пар. Это дает водород и оксид углерода. Для получения карбюрированного водяного газа к нему примешивают нефтяной газ, который вырабатывается путем нагревания нефти в ретортах.

Производится множество видов газа, которые определяются требованиями и доступным сырьем. Количество осветительного газа, получаемого из тонны топлива, конечно, варьируется в зависимости от способа производства, сырья и назначения топлива. Выход каменноугольного газа на тонну угля имеет порядок величины 10 000 кубических футов. Типичный выход по весу из реторты каменноугольного газа составляет,

10,000 cubic feet of gas17percent. coke70"" tar5"" ammoniacal liquid8""