Последующие три года были порой наибольшего расцвета изобретательской и исследовательской деятельности Яблочкова. Не прошло и года, как он решил задачу сохранения расстояния между углями электрической дуги, создав осветительный прибор, названный его именем, — «свечу Яблочкова».
Людская молва приписывала изобретение «свечи Яблочкова» счастливому случаю. Говорили, будто бы изобретатель, сидя за столиком парижского кафе и приводя в порядок заметки, набросанные им в течение трудового дня, случайно положил рядом два карандаша, и что при виде этих двух карандашей у него возникла мысль о параллельном расположении двух углей в дуге. Но, конечно, это было не так. Изобретение «свечи» явилось следствием многолетней и упорной работы.
Вот как сам Яблочков рассказывает об изобретении в докладе, сделанном им в 1879 году в Петербурге в Русском техническом обществе: «Первые опыты с электрическим освещением производил я ещё здесь, в России, в 1872–1873 гг. Я работал тогда с обыкновенными регуляторами разных систем, затем несколько времени с вышедшей тогда лодыгинской горелкой системы накаливания. Около этого времени мне пришла мысль, имеющая связь с моими последующими работами.
Я делал тогда следующие опыты: брал очень тонкие угольки, помещал их между двумя проводниками, а для того, чтобы уголь не сгорал, я обматывал его волокнами горного льна. Идея была та, чтобы уголь, накаливаясь, сам не сгорал, а накаливал окружающую его глину или горный лён[1].
Из опытов этих ничего не вышло, и притом производил я их с большим перерывом и даже, наконец, совсем бросил, сохранив у себя мысль о применении глин и других земель к электрическому освещению. Я снова принялся работать только в 1875 г. в Париже и стал употреблять тоже глину и всякие другие пригодные изолирующие вещества, помещая их в вольтову дугу, чтобы поддерживать расстояние между углями. Делая опыты здесь, в России, я употреблял небольшое количество элементов и обширных наблюдений поэтому производить не мог. Работая же в Париже, у Брегета, мне пришлось иметь дело с большими электрическими машинами. Здесь я исследовал свойства этих глин.
Находясь в вольтовой дуге при довольно сильном токе, они плавились и затем испарялись, так что трудно было поддержать горение».
«Затем, — говорил Яблочков, — я придумал приспособление, которое известно ныне под именем моей свечи, т. е. помещал между углями изолировку, которая испаряется одновременно со сгоранием угля».
Изобретения Яблочкова
На рис. 4 показана «свеча Яблочкова», а также электрический фонарь, как он впервые был осуществлён Яблочковым. При работе на переменном токе оба угля сгорают с одной и той же скоростью, изолирующая масса между ними испаряется и, таким образом, сохраняются постоянное расстояние между концами углей и постоянная длина электрической дуги, независимо от колебаний питающего дугу напряжения. На рис. 5 и 6 показано предложенное Яблочковым приспособление для помещения в фонаре четырёх свечей, зажигаемых одна за другой при помощи коммутатора по мере сгорания каждой из них.
Рис. 4. Свеча и электрический фонарь Яблочкова.
Рис. 5. «Подсвечник» (держатель) к свечам Яблочкова.
Рис. 6. 1 — подсвечник; 2 — коммутатор Яблочкова.
Результатом опытов Яблочкова явилась не только разработка свечи. Он обнаружил, что сопротивление многих тугоплавких тел электрическому току, как то: каолина, магнезии и т. д., уменьшается при нагревании, вопреки широко распространённому тогда мнению, будто сопротивление всех твёрдых тел увеличивается с повышением температуры, как это имеет место в металлах. Сила электрического тока, проходящего через каолиновую пластинку и разогревающего её, растёт, и раскалённая пластинка начинает ярко светиться. Обнаружив это явление, Яблочков использовал его для изготовления лампы накаливания, не требовавшей удаления воздуха. Телом накала в этой лампе служила каолиновая пластинка, вырезанная в форме той или иной фигуры или буквы, как это показано на рис. 7.
Рис. 7. Форма каолиновых стерженьков в лампе накаливания Яблочкова.
Идея ламп накаливания, предложенная Яблочковым, та же, что и в запатентованной 20 лет спустя и имевшей крупнейший успех лампы физика-химика В. Нернста.
Яблочков считал, что лампы накаливания вообще очень невыгодны. Он совершенно не верил в возможность их успешного применения в широком масштабе и поэтому не использовал этого своего открытия в полной мере.
Зажигание электрической дуги в «свече Яблочкова» первоначально достигалось помещением между концами основных углей специальных уголёчков, служивших запалом. Вскоре Яблочков стал применять в качестве запала полоску из какого-либо металла, наносимого на верхнюю грань изолирующего угли тела.
Яблочков стал также примешивать к изолирующей массе, помещённой между углями, порошки металла, например цинка. При сгорании угля изолирующая масса испарялась, а находившийся в ней металл выделялся ка её поверхности в виде полоски. Это позволяло, возобновляя подачу тока, повторно зажигать свечу. Прибавление различных металлов отзывалось также на яркости пламени дуги и позволяло придавать цвету этого пламени тот или иной приятный для общего освещения оттенок.
«Свечи Яблочкова» хватало на полтора часа горения. В каждом фонаре на так называемом «подсвечнике» укреплялось по нескольку свечей. Из них горела всегда только одна, именно та, для которой условия горения были наиболее благоприятны. Эти наиболее благоприятные условия заключались в том, что горела та свеча, омическое сопротивление которой было наименьшим. Когда она погасала, загоралась следующая и т. д.
При работе на постоянном токе температура раскалённого конца того из двух углей электрической дуги, который соединён с положительным полюсом источника тока, много выше, чем температура раскалённого конца второго угля, соединённого с отрицательным полюсом источника тока. Для того чтобы при этих условиях оба угля укорачивались одинаково быстро, обеспечивая этим постоянную длину дуги, Яблочкову пришлось делать диаметр положительного угля примерно в два раза больше, чем диаметр отрицательного. Неудобство, вызываемое необходимостью точного подбора диаметров углей, Яблочков обошёл тем, что предложил пользоваться для питания дуги переменным током вместо общепринятого тогда постоянного тока. При работе на переменном токе концы обоих углей имеют одну и ту же температуру и сгорают с одной и той же скоростью.
Для электрического освещения по методу Яблочкова стали строить динамомашины переменного тока.
Рис. 8. Общая схема электрического освещения Яблочкова: 1 — фонарь; 2 — коммутатор; 3 — динамо-электрическая машина.
Таким образом, изобретение «свечи Яблочкова» впервые привело к применению в электротехнике переменного тока. Этот ток, кроме электрического освещения, имеет, как скоро оказалось, большие преимущества перед постоянным током и в других областях электротехники.
Задачу дробления электрического света Яблочков решил несколькими различными способами. В противоположность фонарям с регуляторами, 4–5 «свечей Яблочкова» можно было включать последовательно в одну электрическую цепь. Кроме того, он предложил включать в основную электрическую цепь машины последовательно первичные обмотки нескольких индукторных катушек, а цепи с последовательно включёнными свечами питать токами, наведёнными во вторичных обмотках тех же катушек, как это показано на рис. 9.
Рис. 9. Схема Яблочкова — дробления электрического света при помощи трансформаторов: 1 — трансформаторы; 2 — держатели «свечей».
При пользовании машинами постоянного тока необходимо было включать в первичную цепь прерыватель. При переходе на переменный ток дело опять сильно упростилось, так как прерыватели были уже не нужны и вся схема работала на принципе трансформатора. Таким образом, П. Н. Яблочков впервые применил этот принцип для практических целей. Несколькими годами позже лаборант физического кабинета Московского университета И. Ф. Усагин построил для осуществления идеи Яблочкова вместо индукторных катушек специальные приборы, явившиеся уже настоящими трансформаторами. Третий предложенный Яблочковым способ дробления света заключался в применении для этой цели конденсаторов.
По схеме, изображённой на рис. 10, одна из обкладок каждого конденсатора присоединялась к общему проводу, соединённому с одним из полюсов динамомашины переменного тока. Другая обкладка того же конденсатора заземлялась через одну или несколько последовательно включённых «свечей Яблочкова». Второй полюс динамо-машины также был заземлён непосредственно или через конденсаторы и свечи, как показано на рисунке.
Рис. 10. Схема Яблочкова — дробления электрического света при помощи конденсаторов: а — при включении «свечей Яблочкова» без посредства земли; б — «свечи» включены между наружной обкладкой лейденской банки (конденсатора) и землею. Перекрещенным наискось прямоугольником показано положение динамомашины переменного тока.
Тотчас же после изобретения и лабораторного испробования «свечи» Яблочков придал всей горелке техническое оформление, допускавшее её применение на практике. В 1876 году он выезжал в Лондон на выставку точных и физических приборов. «Свеча Яблочкова» имела большой успех на этой выставке.
После возвращения изобретателя из Лондона он познакомился с одним предприимчивым французом, владельцем мастерских, изготовлявших водолазные приборы. Тот предоставил в распоряжение Яблочкова свои мастерские для серийного производства свечей и необходимой аппаратуры. В то же время было учреждено достаточно мощное акционерное «Общество изучения электрического освещения по методам Яблочкова». Были организованы испытания по освещению некоторых первоклассных парижских магазинов и больших улиц при помощи «свечей Яблочкова». Эти испытания расширялись со всё большим и большим успехом. Началось широкое распространение нового электрического освещения не только в Париже, но и в других крупных европейских центрах — Лондоне, Петербурге, Мадриде, Неаполе, Берлине. Это было поистине триумфальное шествие «свечи Яблочкова» по Европе. На востоке она распространилась, по выражению современников, «до дворцов шаха персидского и короля Камбоджи».