Эдисон был склонен согласиться с преобладающим мнением относительно легкой разрушаемости углерода, но, окончательно не решив этот вопрос для себя, временно отложил это направление экспериментов и вступил в новую область. Ранее он проводил некоторые испытания платиновой проволоки в качестве горелки накаливания для лампы, но на время оставил ее в пользу углерода. Теперь он обратился к использованию почти тугоплавких металлов — таких как бор, рутений, хром и т. д. — в качестве разделителей или крошечных мостиков между двумя угольными точками, причем ток действовал таким образом, чтобы довести эти разделители до высокой степени накаливания, при которой они испускали яркий свет. Он также поместил некоторые из этих тугоплавких металлов непосредственно в цепь, доведя их до накаливания, и использовал кремний в порошкообразной форме в стеклянных трубках, помещенных в электрическую цепь. Его записи включают использование порошкообразного кремния, смешанного с известью или другими весьма тугоплавкими непроводниками или полупроводниками. Выводы Эдисона относительно этих веществ заключались в том, что, хотя в некоторых отношении они укладывались в рамки возможности для дробления электрического тока, они не дотягивали до идеала, который он имел в виду для коммерческих результатов.
Систематизированные атаки Эдисона на проблему состояли из двух частей, первую из которых мы только что описали: она началась в сентябре 1877 года и продолжалась примерно до января 1878 года. Параллельно он и его рабочая сила были очень заняты день и ночь другими важными предприятиями и изобретениями. Среди последних можно особо упомянуть фонограф, так как он был изобретен поздней осенью 1877 года. С того времени и до июля 1878 года его время и внимание день и ночь были почти полностью поглощены ажиотажем, вызванным изобретением и демонстрацией этой машины. В июле, чувствуя себя заслуживающим краткого отпуска после нескольких лет непрерывного труда, Эдисон отправился с экспедицией в Вайоминг понаблюдать за солнечным затмением и попутно испытать свой тазиметр — чувствительный прибор, разработанный им для измерения тепла, передаваемого через огромные пространства космоса. Его поездка уже описана. Он отсутствовал около двух месяцев. Вернувшись домой отдохнувшим и посвежевшим, мистер Эдисон говорит: «После возвращения из поездки для наблюдения за солнечным затмением я отправился с профессором Баркером, профессором физики в Пенсильванском университете, и доктором Чендлером, профессором химии в Колумбийском колледже, к мистеру Уоллесу, крупному производителю латуни в Анонии, штат Коннектикут. Уоллес в то время экспериментировал с последовательным дуговым освещением. Как раз тогда я хотел заняться чем-то новеньким, и профессор Баркер предложил мне поработать и посмотреть, смогу ли я раздробить электрический свет так, чтобы его можно было получать в небольших единицах, подобных газу. Это не было новым предложением, потому что годом ранее я провел ряд экспериментов по электрическому освещению. Они были отложены ради фонографа. Я решил возобновить поиски и продолжить их. По возвращении домой я начал свой обычный курс сбора всякого рода данных о газе; скупил все труды обществ газовой техники и т. д., все старые тома газовых журналов и т. д. Собрав все данные и исследовав распределение газовых рожков в Нью-Йорке на основе реальных наблюдений, я пришел к выводу, что проблема дробления электрического тока может быть решена и коммерциализирована». Около конца августа 1878 года он начал свою вторую организованную атаку на дробление тока, которая неуклонно продолжалась до тех пор, год и два месяца спустя, пока он не одержал решительную победу.
Дата этого интересного визита в Анонию зафиксирована надписью, сделанной Эдисоном на использованном им стеклянном бокале. Надпись, выцарапанная алмазом, гласит: «Томас А. Эдисон, 8 сентября 1878 г., сделано при электрическом свете». Другие участники группы оставили подобные памятные знаки, которые в силу обстоятельств стали весьма ценными. Было засвидетельствовано множество экспериментов с дуговым освещением, и Эдисон приобрел небольшую динамо-машину Уоллеса-Фармера для собственной работы, а также комплект дуговых ламп Уоллеса для освещения лаборатории в Менло-Парк. Перед отъездом из Анонии Эдисон многозначительно заметил: «Уоллес, я считаю, что могу обойти вас в производстве электрического света. Не думаю, что вы работаете в правильном направлении». Другая дата, показывающая, как быстро была возобновлена работа, — 14 октября 1878 года, когда Эдисон подал заявку на свой первый патент на освещение: «Усовершенствование электрических ламп». Годы спустя, обсуждая работу Уоллеса, который был не только великим пионером электротехнического производства, но и одним из основателей проволочно-волочильной и латунно-обрабатывающей промышленности, Эдисон сказал: «Уоллес был одним из самых ранних пионеров в электрических делах в этой стране. Он проделал много хорошей работы, за которую другие получили признание; и работой, которую он проделал на заре электрического освещения, другие воспользовались в значительной степени, а он оказался оттеснен в сторону и забыт». Вместе со всем этим в Анонии с Уоллесом сотрудничал проф. Мозес Г. Фармер, знаменитый внедрением противопожарной системы; как первооткрыватель самовозбуждающегося принципа современной динамо-машины; как пионер-экспериментатор в области электротранспорта; как инженер-телеграфист и как лектор по минам и взрывчатым веществам для военно-морских классов в Ньюпорте. В течение 1858 года Фармер, который, подобно Эдисону, был неутомимым исследователем, провел серию изысканий по производству света с помощью электричества и даже изобрел автоматический регулятор, с помощью которого ряд платиновых ламп при параллельном соединении можно было поддерживать при постоянном напряжении в течение любого времени. В июле 1859 года он каждый вечер освещал одну из комнат своего дома в Салеме, штат Массачусетс, такими лампами, используя в них небольшие кусочки платиновой и иридиевой проволоки, которые накалялись с помощью тока от первичных батарей. Фармер не был частью группы в тот памятный сентябрьский день, но его работы были известны благодаря его тесной связи с Уоллесом, и нет сомнений, что на них ссылались. Такая работа не зашла далеко, «лампы» имели безнадежно короткий срок службы, и все было очевидно экспериментальным; но все это было полезно и наводило на мысли того, чей открытый разум не отвергал намеков ни с какой стороны.
В начале своих новых попыток Эдисон вернулся к экспериментам с углеродом в качестве горелки накаливания для лампы и провел очень большое количество испытаний, причем все в вакууме. Испытывались не только обычные полосовые бумажные угли, но и папиросная бумага, покрытая гудроном и сажей, свернутая в тонкие палочки, подобные вязальным спицам, карбонизированная и доведенная до накаливания в вакууме. Эдисон также точно так же пробовал твердый углерод, древесные угли и почти все мыслимые разновидности бумажного углерода. При наилучшем вакууме, который он тогда мог получить с помощью обычного воздушного насоса, угли сохранялись в состоянии накаливания в лучшем случае лишь от десяти до пятнадцати минут. Такие результаты, очевидно, не представляли коммерческой ценности.
Затем Эдисон обратил свое внимание в другие стороны. В своем самом первом рассмотрении проблемы дробления электрического тока он решил, что единственным возможным решением является использование лампы, тело накаливания которой имеет высокое сопротивление в сочетании с малой излучающей поверхностью и способно использоваться в так называемом «параллельном соединении», чтобы каждую единицу, или лампу, можно было включать или выключать, не мешая никакой другой единице или лампе. Никакое другое расположение не могло считаться коммерчески целесообразным.
Полный смысл трех предыдущих предложений не будет очевиден для неспециалистов, какими, несомненно, являются многие читатели этой книги; и теперь, находясь на пороге серии экспериментов Эдисона, приведших к базовому изобретению, мы вставляем краткое пояснение, чтобы читатель мог постичь логические рассуждения и работу, которые в данном случае принесли столь далеко идущие результаты.
Если мы рассмотрим простую цепь, в которой течет ток, и включим в цепь угольный проводник в форме подковы, который требуется довести до накаливания теплом, выделяемым проходящим через него током, то прежде всего очевидно, что сопротивление, оказываемое току самими проводами, должно быть меньше сопротивления, оказываемого горелкой, поскольку в противном случае ток будет расходоваться в виде тепла в проводящих проводах. В самом основании искусства электрического освещения лежит существенно коммерческое соображение о том, что нельзя тратить слишком много на проводники, и Эдисон определил, что для использования проводов практического размера напряжение тока (т. е. его давление или характеристика, преодолевающая сопротивление его потоку) должно составлять сто десять вольт, что с момента принятия стало стандартом. Использование более низкого напряжения или давления, хотя и делало решение проблемы освещения простым, как мы увидим, потребовало бы увеличения размера проводящих проводов до запрещающих пределов. Существенное увеличение напряжения или давления, позволяя некоторую экономию на стоимости проводников, колоссально увеличило бы трудности создания проводника с достаточно высоким сопротивлением для получения света посредством накаливания. Это казающееся отдаленным соображение — вес используемой меди — было поистине коммерческим ключом к проблеме, точно так же как горелка накаливания была научным ключом к этой проблеме. До изобретения Эдисона лампы накаливания предлагались как возможность, но они были снабжены угольными стержнями или полосками относительно низкого сопротивления, и для доведения их до накаливания требовался ток низкого давления, поскольку ток высокого напряжения проходил бы через них так легко, что не генерировал бы тепла; а для передачи тока низкого давления по пропроводам без потерь потребовались бы провода огромного размера. [8] Имея дело с током относительно высокого давления, необходимо было предоставить угольную горелку, которая по сравнению с ранее предложенными имела бы очень большое сопротивление. Углерод как материал, определенный после упорных поисков, по-видимому, сулил наибольшие надежды, но даже с этим веществом необходимое высокое сопротивление могло быть получено только путем изготовления горелки крайне малого поперечного сечения, тем самым уменьшая и ее излучающую поверхность. Следовательно, решающим моментом было производство нитевидного угольного волокна с относительно большим сопротивлением и малой излучающей поверхностью, способного выдерживать механические удары и выдерживать температуру более двух тысяч градусов в течение тысячи часов или более до разрушения. И этот нитевидный проводник требовалось поддерживать в вакуумной камере, настолько идеально сформированной и сконструированной, чтобы в течение всех этих часов и подвергаясь воздействию меняющихся температур ни одна частица воздуха не проникла внутрь для разрушения волокна. И не только это, но и лампа после ее разработки не должна быть простой лабораторной возможностью, а практическим коммерческим изделием, способным производиться с низкими затратами и в больших количествах. Констатации того, что должно было быть сделано в те дни фактической, а также научной электрической темноты, вполне достаточно, чтобы объяснить позицию Тиндаля, предпочитавшего оставить проблему в руках Эдисона, а не в своих собственных. Утверждать, что решение проблемы заключалось лишь в уменьшении размера угольной горелки до простой нити, значит утверждать лишь полуправду; но кто, скажем мы, имел бы дерзость даже предположить, что такое истонченное тело может поддерживаться при белом калении без разрушения в течение тысячи часов? Решение заключалось не только в этом, но и в огромной массе терпеливо проработанных деталей — производстве волокон, их равномерной карбонизации, изготовлении колб, создании идеального вакуума и бесчисленных других факторах, упущение любого из которых в конечном итоге привело бы к неудаче.
[Сноска 8: В качестве практической иллюстрации этих фактов профессор Баркер из Пенсильванского университета (после того как Эдисон изобрел лампу накаливания) подсчитал, что если бы медные проводники для подачи тока к лампам Эдисона в заданном районе стоили 100 000 долларов, то медные проводники для освещения того же района лампами более ранних экспериментаторов — например, лампой, изобретенной Конном в 1875 году, — обошлись бы примерно в 200 000 000 долларов. Такая огромная разница объяснялась тем, что лампа Эдисона обладала высоким сопротивлением и относительно небольшой излучающей поверхностью, в то время как лампа Конна имела очень низкое сопротивление и большую излучающую поверхность.]
Продолжая это отступление еще на шаг, чтобы объяснить термин «параллельное соединение», можно отметить, что существуют две основные системы распределения электрического тока: одна называется «последовательной», а другая — «параллельным соединением». Они проиллюстрированы в виде схемы рядом друг с другом, причем стрелки указывают направление течения тока. Как можно видеть, последовательная система представляет собой один непрерывный путь для тока. Ток для последней лампы должен проходить через первую и все промежуточные лампы. Следовательно, если гаснет хотя бы одна лампа, непрерывность пути нарушается, ток не может течь, и все лампы гаснут, если не предусмотрена петля или обводной путь. Совершенно очевидно, что такая система была бы коммерчески нецелесообразной при использовании небольших единиц, аналогичных газовым рожкам. С другой стороны, в системе с параллельным соединением ток можно рассматривать как текущий по двум параллельным проводникам, подобно вертикальным сторонам лестницы, концы которых никогда не сходятся. Каждая лампа помещается в отдельную цепь поперек этих двух проводников, подобно перекладине в лестнице, создавая тем самым отдельный и независимый путь для тока в каждом случае. Следовательно, если лампа гаснет, затрагивается только это конкретное ответвление или ступень лестницы; прерывается лишь этот один конкретный путь для тока, но это никак не мешает остальным лампам. Они продолжают гореть, каждая независимо от другой. Поэтому читатель без труда поймет, что система с параллельным соединением является единственной коммерчески жизнеспособной там, где электрический свет должен использоваться в небольших единицах, подобных газовым или масляным.
Такова была природа проблемы, стоявшей перед Эдисоном с самого начала. Во всем мире не было ничего, что хотя бы отдаленно приближалось к ее решению, хотя самые блестящие умы в области электротехники усердно работали над этим вопросом на протяжении предшествующих двадцати пяти лет. Как уже отмечалось, он довольно рано пришел к выводу, что единственное решение заключается в использовании лампы с высоким сопротивлением и малой излучающей поверхностью, и с присущим ему пылом и энергией он взялся за решение проблемы именно с этой точки зрения, абсолютно веря в успешный исход. Тот простой факт, что даже при успешном создании электрической лампы штурм общей проблемы коммерческого освещения едва ли начинался, нисколько не смущал его. Для человека с энтузиазмом и уверенностью в себе, как у Эдисона, долгая череда предстоящих трудностей — скажем это со всей искренностью — должна была быть притягательной.
Посвятив несколько месяцев экспериментальным испытаниям углерода, в конце 1878 года, как уже подробно описывалось, он обратил свое внимание на платиновую группу металлов и начал серию экспериментов, в которых использовал главным образом платиновую и иридиевую проволоку, а также сплавы тугоплавких металлов в виде проволочных тел накала для ламп накаливания. Эти металлы имеют очень высокие температуры плавления и, как выяснилось, служат дольше ранее использовавшихся углеродных полосок при нагревании до белого каления электрическим током, хотя в условиях, возможных в то время, после относительно непродолжительного горения они расплавлялись избыточным током либо на открытом воздухе, либо в таком вакууме, который можно было получить с помощью обычного воздушного насоса.
Тем не менее Эдисон продолжал эту линию экспериментов с неустанной энергией, совершая улучшение за улучшением, пока примерно к апрелю 1879 года не разработал средство, благодаря которому платиновая проволока заданной длины, плавившаяся на открытом воздухе при создании света, равного четырем свечам, могла излучать свет силой в двадцать пять свечей без плавления. Это было достигнуто путем помещения платиновой проволоки в полностью стеклянную колбу, полностью запечатанную и сильно откачанную от воздуха, и пропускания тока через платиновую проволоку во время создания вакуума. В этом изобретении, новом и радикальном, мы видим первый шаг к современной лампе накаливания. Полученное таким образом знание о том, что ток, проходящий через платину во время откачки, вытесняет окклюдированные газы (т. е. газы, механически удерживаемые в металле или на его поверхности) и повышает тугоплавкость платины, привело его к цели достижения большей чистоты вакуума, исходя из теории, что чем выше достигаемый вакуум, тем выше будет тугоплавкость платинового тела накала. Этот факт также имел важнейшее значение для успешного окончательного использования углерода, поскольку без воздействия на углерод теплового эффекта тока во время создания вакуума присутствие окклюдированных газов стало бы фатальным препятствием.
Продолжая эти эксперименты с самым страстным усердием, не считаясь со временем, совершенно пренебрегая приемами пищи и уделяя лишь скудные часы на сон, урывками вырываемые в разное время дня или ночи, Эдисон продолжал работу лаборатории без перерыва. Было создано большое разнообразие ламп платино-иридиевого типа, в основном с тепловыми устройствами для регулирования температуры тела накала и предотвращения его плавления от избытка тока. Изучение аппаратуры для получения более совершенного вакуума велось непрерывно, поскольку Эдисон понимал, что в этом кроется мощный фактор окончательного успеха. К августу он получил насос, способный создавать вакуум до одной стотысячной доли атмосферы, а в какой-то момент в следующем месяце или в начале октября получил насос, создающий вакуум до одной миллионной доли атмосферы. Следует помнить, что условия, необходимые для ПОДДЕРЖАНИЯ этого высокого вакуума, стали возможными только благодаря его изобретению цельной стеклянной колбы, в которой все соединения были герметично запаяны при ее изготовлении в лампу, благодаря чему высокий вакуум мог сохраняться непрерывно в течение любого времени.