На рубеже веков первая коммерчески успешная газоразрядная ртутная лампа была создана американским инженером-электриком и изобретателем Питером Купером-Хьюиттом (Peter Cooper Hewitt) (1861-1921) в 1901 году.
Эта лампа излучала неприятный сине-зеленый свет, что сильно ограничивало ее варианты использования. Однако в месте с этой ртутной лампой использовался индуктивный балласт, который в дальнейшем сыграл важную роль развитии систем газоразрядного освещения. Кроме того, она была более эффективной, чем лампы накаливания того времени.
Ртутные лампы нашли широкое применение медицине, для стерилизации питьевой воды, для освещения общественных мест, таких как шоссе, дороги, парки, так как их коэффициент полезного действия и срок эксплуатации был намного больше ламп накаливания.
Питер Купер-Хьюитт на обложке журнала 1903 года
В раннем возрасте Питер Купер-Хьюитт начал исследования в области электричества и механики в теплице, переоборудованной в мастерскую. В своих экспериментах он опирался на ранние разработки в области флуоресцентного освещения, ранее выполненными другими учеными и изобретателями.
Самым старым предшественником флуоресцентного освещения, возможно, является эксперимент, проведенный и описанный в 1707 году Фрэнсисом Хоксби, который путем электростатической ионизации паров ртути генерировал голубоватый свет, которого было достаточно, чтобы прочитать письмо.
В статье 1852 года Джордж Стоукс ввел термин флуоресценция, вдохновленный минералом флюоритом, который естественным образом светится при воздействии света.
Стоукс считал, что свечение было вызвано минералом, преобразующим ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Его теория послужила объяснением свечения, которое, по наблюдениям ученых, возникает в трубках с частичным вакуумом при пропускании через них электрического тока.
В 19 веке два немца, стеклодув Генрих Гайсслер и врач Юлиус Плюкер, обнаружили, что они могут производить свет, удаляя почти весь воздух из длинной стеклянной трубки и пропуская через нее электрический ток. Это изобретение стало известно как трубка Гейсслера.
Никола Тесла демонстрирует свои газоразрядные лампы
Томас Эдисон и Никола Тесла экспериментировали с газоразрядными лампами в 1890-х годах, но никогда не производили их в промышленных масштабах. На Всемирной выставке 1893 года были представлены газоразрядные лампы, разработанные Николой Теслой.
В 1901 году Питер Купер-Хьюитт продемонстрировал свою ртутную лампу, которая излучала голубовато-зеленый свет, непригодный для большинства практических целей, т.к. она характеризовалась очень плохой цветопередачей (патент USPTO № 682 692 от 17 сентября 1901 года). Однако ее конструкция была очень близка к конструкции современных газоразрядных ламп.
Ртутная дуговая лампа низкого давления Питера Купера-Хьюитта является первым прототипом современных люминесцентных ламп.
Конструкция ртутной лампы
Первая дуговая ртутная лампа состояла из тонкой стеклянной трубки, изготовленной из самого твердого боросиликатного стекла, содержащей большую дозу ртути, которая была запечатана в очень высоком вакууме - в лампах Купера-Хьюитта не использовалось газовое наполнение.
Первоначально лампа была пригодна только для работы на постоянном токе, анод имел форму полого железного цилиндра, а катод представлял собой большую лужу ртути (до килограмма жидкого металла), находящуюся в выпуклом резервуаре на противоположном конце трубки. Длина лампы составляла пятьдесят дюймов (1270 мм), диаметр трубки один дюйм (25 мм).
При токе в 3,5 ампера лампа и напряжении 110 вольт лампа потребляла значительную мощность в 385 ватт. Общий световой поток составлял около 6900 люмен, что давало световую отдачу 17,9 лм/Вт.
Первые ртутные лампы нужно было зажигать, наклоняя трубку, чтобы установить контакт между двумя электродами и жидкой ртутью.
Немного позже Купер-Хюиттт разработал индуктивный балласт для включения ламп (устройство, включенное последовательно с газоразрядной лампой, которое регулирует проходящий через нее ток).
Кроме плохой цветопередачи, существенным недостатком этих ламп было то, что они содержали в большом количестве ртуть, а пар внутри трубки всегда был насыщенным.
Другими словами, изменение температуры лампы приводило к тому, что большее или меньшее количество ртути испарялось в разряд, а из-за этого изменялись электрические характеристики разряда и значение световой отдачи. Такие колебания температуры окружающей среды или напряжения питания приводили к нежелательным изменениям характеристик лампы в очень широком диапазоне.
Одна из первых ртутных ламп Купера-Хьюитта
Купер-Хьюитт не верил, что людям нужны сине-зеленые лампы в их домах, поэтому он искал другие применения для ртутных ламп в фотостудиях, киностудиях и промышленных цехах.
При этом, экономическая составляющая сыграла здесь важную роль, потому что не остался незамеченным тот факт, что при одинаковом потреблении электроэнергии ртутные лампы давали во много раз больше света, чем угольные нити ламп накаливания той эпохи.
В 1902 году изобретатель заявил: «Если учесть, что этот свет, полученный с помощью газообразной ртути, имеет эффективность, по крайней мере, в восемь раз большую, чем эффективность, получаемая от обычной лампы накаливания, будет понятно, что он находит свое применение в местах, где отсутствие красного цвета не важно, ибо экономичность работы с лихвой компенсирует несколько неестественный цвет, придаваемый освещенным предметам».
В 1903 году Питер Купер-Хьюитт создал улучшенную версию своей ртутной газоразрядной лампы, которая в конечном итоге нашла широкое промышленное применение. Улучшение цвета было достигнуто за счет использования флуоресцентных материалов из красителя родамина розового цвета.
Еще одно изобретение Купера-Хьюитта заключалось в использовании последовательно соединенных ламп с угольной нитью накаливания в качестве балласта для его лампы. Лампы накаливания давали сильный красный вклад в общий спектр, но несколько снижали эффективность всего светотехнического прибора.
Офисные светильники - blended light lamps («лампы смешанного света»), состоящие из комбинации двух ламп накаливания и ртутной лампы, 1912 год
Год спустя, обеспеченный деньгами американского предпринимателя Джорджа Вестингауза, Питер Купер-Хьюитт основал в Нью Йорке компанию для производства первых коммерческих ртутных ламп Cooper Hewitt Electricity Company.
Довольно быстро в результате серьезного прогресса в производстве вольфрамовых ламп накаливания первые дуговые ртутные лампы начали терять популярность в фабричном освещении.
Компания Cooper-Hewitt развернула смелую маркетинговую кампанию, заявляя в своей рекламе, что отсутствие красного излучения в их лампах на самом деле следует рассматривать как большое преимущество. Утверждалось, что усталость глаз, вызванная напряженной работой при искусственном освещении, почти полностью обусловлена наличием «вредных красных лучей» в спектре лампы накаливания.
Дуговые ртутные лампы позволили снимать фильмы в помещении без солнечного света
В конце концов, эффективные вольфрамовые лампы накаливания стали очень популярны, а лампы Купера-Хьюитта были изгнаны в крупную полиграфическую промышленность, где их резкий синий свет идеально соответствовал требованиям технологических процессов того времени.
Позже Питер Купер Хьюитт разработал ртутную лампу с кварцевой трубкой, которая нашла широкое применение в биологических и медицинских целях. Компания Westinghouse занималась производством кварцевых изделий с 1908 года и много лет продавала их как лампы для загара.
В 1910 году ультрафиолетовый свет от ртутных ламп был применен для очистки воды.
В 20-х годах XX века несмотря на серьезную конкуренцию с лампами накаливания продажа ртутных ламп продолжало оставаться прибыльным бизнесом, и обнадеживающие результаты с газоразрядными лампами более высокого давления в Европе позже возродили интерес к ртутным лампам для общего освещения.
К 1919 году компания General Electric была настолько уверена в будущем ртутной технологии, что выкупилакомпанию Cooper-Hewitt и принадлежащие ей патенты. В 1934 г. была разработана улучшенная лампа под маркой Cooper-Hewitt, и примечательно, что ее производство на заводе GE продолжалось до 1965 г.
Рисунок из книги Уильяма Элмера Форсайта и Эллиота К. Адамса, "Флуоресцентные и другие газоразрядные лампы" (Нью-Йорк: Murray Hill Books, Inc., 1948)
В 1926 году Эдмунд Гермер, Фридрих Мейер и Ганс Шпаннер предложили увеличить давление газа внутри трубки и покрыть ее изнутри флуоресцентным порошком, который поглощал бы ультрафиолетовое излучение, испускаемое газом, и преобразовывал бы его в более однородный белый свет.
Идея была запатентована в следующем году, а позже патент был приобретен американской компанией General Electric, и под руководством Джорджа Э. Именно он был разработан для коммерческого использования в 1938 году и впервые продемонстрирован публике на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году.
С тех пор принципы работы люминесцентных ламп остались неизменными, за исключением технологий производства и используемого сырья.
Современные люминесцентны лампы
Кроме изобретения первой коммерчески успешной ртутной лампы Питер Купер-Хьюитт прославился и другими своими изобретениями.
Он первым описал принцип работы вакуумного лампового усилителя.
В 1902 году, почти одновременно со своими ртутными лампами, им был разработан ртутный дуговой выпрямитель - первый в истории выпрямитель, который мог преобразовывать переменный ток в постоянный без использования механических средств.
Ртутно-дуговые выпрямители широко использовались в электрических железных дорогах, в источниках питания постоянного тока для мощных радиопередатчиков, химической промышленности, гальванике, станциях зарядки аккумуляторов и в высоковольтной передаче постоянного тока (HVDC). В 1970-х и 1980-х годах такие выпрямители были вытеснены силовыми полупроводниковыми устройствами на диодах и тиристорах.
В 1918 году заинтересовавшись зарождающейся авиационной техникой, Питер Купер-Хьюитт построил вместе с Ф. Б. Крокером прототип вертолета.
В 1903 году Колумбийский университет присвоил ему степень почетного доктора наук в знак признания его научных достижений.