Однако свеча П.Н. Яблочкова имела и серьезные недостатки: она горела всего лишь два часа. Если за это время подача электричества прекращалась, то зажечь ее повторно было уже невозможно.
Но существовали дуговые фонари других типов, способные гореть без присмотра десятки часов. К тому же их можно было зажигать и гасить неограниченное число раз. Это достигалось за счет громоздкого и сложного механизма, который сближал угли по мере их выгорания и снова зажигал дугу после включения тока.
Прошло не более десяти лет, как эти устройства полностью вытеснили свечу Яблочкова из уличного освещения. Но потребность в очень простом и надежном источнике света, который мог бы работать где угодно, оставалась, а дуговой фонарь с механическим регулятором для этих целей никак не годился.
Многие изобретатели пытались решить проблему при помощи лампы накаливания. Она легко зажигается при подаче напряжения, гораздо дольше горит и всегда может быть зажжена повторно.
Однако создать ее оказалось нелегко. Тонкие металлические проводники не выдерживали высокой температуры и быстро перегорали на воздухе.
Чтобы этого избежать, приходилось запаивать нити в стеклянные колбы и откачивать из них воздух. Сейчас нам это кажется простым делом. Но первые лампы такой конструкции были трудоемки в изготовлении, непомерно дороги и служили не более ста часов.
П.Н.Яблочков в этом деле пошел своим путем. Этот путь он нашел, работая над составом перемычек для зажигания своих дуговых свечей. Он заметил, что каолин при комнатной температуре является прекрасным изолятором, но при нагревании до 600–700 °C начинает проводить электрический ток. При этом он накаляется добела и испускает яркий свет. (Каолин, напомним, это белая мягкая глина, состоящая из окиси кремния и окиси алюминия. При добавлении к ней полевого шпата она становится сырьем для приготовления фарфора.)
Если сжечь в атмосфере кислорода смесь порошка алюминия и кремния, произойдет ослепительно яркая вспышка, а температура пламени превысит 3000 °C. Когда реакция закончится, в сосуде останутся те самые окислы алюминия и кремния, из которых состоит каолин. Поскольку их образование сопровождалось столь бурным выделением энергии, окислы при температурах 2000–2500 °C оказываются устойчивы, сохраняют механическую прочность и не вступают в химические реакции.
В 1879 году, понаблюдав за поведением раскаленного каолина, Яблочков создал лампу накаливания, состоявшую из фарфорового стержня, накаляемого электрическим током (рис. 1).
Для того чтобы лампа Яблочкова начала давать свет, ее фарфоровый стержень нужно было предварительно накалить. Для это изобретатель возле каждой лампы располагал источник тока высокого напряжения — катушку Румкорфа. При подключении лампы к сети катушка начинала выдавать несколько тысяч вольт и стержень охватывался потоком искр, которые быстро его нагревали. Из изолятора он постепенно превращался в проводник. Ток, который теперь мог по нему протекать, усиливал нагрев, и проводимость стержня росла. Очень быстро фарфор раскалялся и начинал давать ровный яркий свет. Однако необходимость иметь возле каждой такой лампы катушку Румкорфа приводила к чрезмерному удорожанию устройства. Потому в те годы лампа Яблочкова особого распространения не получила.
Испытать работу такой лампы можно на простом демонстрационном эксперименте. Фарфоровый стержень найти довольно трудно, поэтому замените его стеклянной палочкой.
Соберите цепь из лампы и выключателей, как показано на рисунке 2.
В разрыве этой цепи поставьте стеклянную палочку диаметром 3–5 мм. Если эту цепь просто подключить к сети 220 В, лампа гореть не будет. Но начните подогревать стекло сильным пламенем газовой горелки, и вскоре заметите, как стекло начнет проводить ток и лампа загорится. После этого лампу можно замкнуть накоротко. Высокая температура стекла будет поддерживаться проходящим по нему электрическим током.
В отличие от фарфора стекло легко размягчается и высоких температур не выдерживает. Однако для чисто демонстрационных целей яркость его свечения вполне достаточна.
Лампа накаливания со стержнем из окислов металла была вторично изобретена немецким ученым Вальтером Нернстом уже после смерти П.Н.Яблочкова (рис. З).
Дело в том, что и лампа Яблочкова, и обычная лампа накаливания 96 % энергии испускают в диапазоне теплового излучения. Чтобы уменьшить эту излишнюю трату энергии, Нернст применил стержень из фарфора с добавлением окислов тория и церия. В целом КПД лампы Нернста получался почти в два раза выше, чем у ламп накаливания обычного типа.