В 1802 году выдающийся русский физик В. В. Петров открыл явление электрической дуги, названное впоследствии вольтовой дугой. Электрическая дуга — дуга Петрова, как надо её по праву называть, — представляет собой электрический разряд в воздухе между двумя сближенными между собой углями. Описывая открытую им дугу, В. В. Петров высказал мысль, что посредством этой дуги «тёмный покой довольно ясно освещён быть может». Но от гениальной мысли, родившейся в мозгу учёного, до её осуществления, и в особенности до широкого применения в практике, путь оказался длинным. Попыток осуществить мысль Петрова о применении электрической дуги для освещения было сделано очень много. Были также предприняты попытки осуществить освещение при помощи электрического тока, используя нагревание твёрдых тел проходящим через них током (лампы накаливания). Так, уже в 1838 году один учёный пытался применить электрический ток для накаливания угольных стержней. Были другие попытки применить электрический ток для освещения. Но все эти попытки долгое время не приводили к удовлетворительным практическим результатам. В первых лампах накаливания тело накала быстро сгорало или окислялось. Электрическая же дуга требовала постоянной регулировки расстояния между углями, так как при горении дуги угли укорачиваются, расстояние между ними увеличивается, условия, в которых происходит явление дуги, меняются, электрический разряд ослабевает и в конце концов, при большом расстоянии между углями, дуга гаснет.
Чтобы избежать погасания дуги, был предложен ряд приспособлений, так называемых регуляторов. В этих регуляторах при уменьшении силы тока специальный электромагнит передвигал один из углей и восстанавливал между ними нужное расстояние.
Регуляторы представляли собой довольно сложные приспособления. Они состояли из электромагнита, а также других деталей, например, из ряда зубчатых колёс и пружин, напоминающих часовой механизм. Один из таких регуляторов изображён на рис. 1.
Рис. 1. Регулятор электрической дуги.
Сложность механизма приводила к нечёткой работе регуляторов и к частой их поломке. Необходимо также иметь в виду, что режим электрической дуги постоянно изменялся не только вследствие изменения расстояния между концами углей, но также и при каждом колебании напряжения электрической цепи, питающей лампу. Поэтому регулировка' была недостаточной, и применение электрической дуги требовало постоянного вмешательства человека.
Кроме того, от каждого источника электрического тока можно было питать только одну дугу. При параллельном включении горела всегда только одна дуга. При последовательном соединении нескольких дуговых горелок регулятор одной дуги мешал работе другой: в одних дугах угли смыкались, в других они расходились на большие расстояния — и вся цепь гасла.
Применять для питания каждой «электрической горелки» свою отдельную маленькую электрическую машину было не только сложно и неудобно, но и очень невыгодно. Маленькие машины были очень неэкономны по сравнению с большими, стоимость их также была много выше, чем стоимость одной большой машины. Все это удорожало как установку, так и эксплоатацию электрического освещения при помощи электрической Дуги. Поэтому целых 70 лет после открытия Петрова электрическое освещение всё ещё представляло собой Дорогую эффектную забаву и применялось только в парадных случаях, наравне с фейерверком. В старых книгах можно найти описания иллюминации в Москве в 1856 году. Можно найти описание «электрических солнц» используемых для световых эффектов в театрах.
Электрическое освещение при помощи дуги находило более широкое применение лишь там, где большие расходы на источники электрической энергии и необходимость постоянного ухода и наблюдения за горелками и регуляторами искупались эффектом, достигаемым при ярком освещении больших пространств в ночное время для производства каких-либо важных строительных работ.
Чтобы сделать возможным широкое использование электрического тока для освещения, электрики того времени должны были найти способ сохранения постоянного расстояния между углями дуги и добиться, как тогда выражались, «дробления электрического света» от одной большой электрической машины; или же, применяя для освещения метод накаливания твёрдых тел, добиться, чтобы «тело накала» не сгорало и не разрушалось слишком быстро.
Лишь в 70-х годах XIX столетия три русских изобретателя — Павел Николаевич Яблочков, Александр Николаевич Лодыгин и Владимир Николаевич Чиколев — почти в одно и то же время, но каждый по-своему, решили эти задачи. Они сделали электрическое освещение практически применимым, и среди них Яблочков довёл свою «свечу» и свою систему освещения до широкого применения во всей Европе.
Работы этих трёх выдающихся русских электротехников тесно переплетались между собой. Поэтому, говоря о Яблочкове, нельзя не упомянуть о работах Лодыгина и Чиколева.
А. Н. Лодыгин в своих работах исходил из представления, что в электрической дуге, горящей между двумя угольными электродами, светятся, главным образом, раскалённые током концы углей, а свечение воздуха в дуге сравнительно очень мало. Кроме того, согласно воззрениям того времени, он полагал, что на поддержание электрического тока через дугу требуется дополнительная затрата энергии (на преодоление «поляризации» дуги, как тогда выражались). Поэтому Лодыгин пришел к мысли отказаться от использования электрической дуги для освещения, а просто сомкнуть оба угольных стержня и пропускать через них ток. Для того чтобы избежать сгорания угля в кислороде воздуха, Лодыгин первоначально считал достаточным поместить более или менее толстый угольный стерженёк в плотно укупоренную стеклянную колбу, как это показано на рис. 2.
Рис. 2. Первая лампа накаливания А. Н. Лодыгина: 1 — угольный стерженек; 2 — металлические держатели; 3— стеклянная колба.
Он полагал, что часть стерженька будет затрачена на соединение с кислородом воздуха внутри колбы, а затем горение и разрушение угольного штабика прекратится, и лампой можно будет пользоваться в течение достаточно продолжительного времени. Осуществив эту идею, Лодыгин первый в мире вынес лампу накаливания из тиши научных кабинетов и лабораторий на улицу и на опыте показал возможность уличного освещения «электрическим светом». В один из тёмных осенних вечеров 1873 года жители Петербурга имели возможность любоваться ярким светом двух электрических фонарей на одной из обычно погружённых в мрак улиц в районе Песков. Этот день справедливо считается датой рождения лампы накаливания.
Демонстрация Лодыгиным электрического освещения имела большой успех и была повторена им в Галерной гавани и других местах Петербурга.
Лодыгин приобрёл патент на свою лампу не только в России, но и в Америке. Впоследствии, основываясь на работах Лодыгина, американский суд решил спор между изобретателем Эдисоном и его конкурентом Сваном тем, что аннулировал патенты обоих.
Известно, что расчёты Лодыгина на то, что кислород воздуха не будет проникать снаружи в колбу его первых ламп и уголёк не будет разрушаться, не оправдались. Тогда Лодыгин построил другой, более совершенный, но и более сложный тип лампы, с масляной укупоркой колбы и большим медным цилиндром внутри неё для уменьшения объёма воздуха. Но построить лампу с угольным телом накала, способную гореть в течение промежутка времени, достаточного для практического её использования, Лодыгину удалось только через несколько лет. В этой лампе, показанной на рис. 3, воздух из колбы был удалён воздушным насосом, простые угольные палочки были впервые заменены стерженьками, специально изготовленными путём прокаливания палочек из твёрдых пород дерева, обсыпанных угольным порошком и прокалённых в тигле без доступа воздуха.
Рис. 3. Лампа накаливания Лодыгина.
Подобного рода лампами было осуществлено пробное освещение одного из больших петербургских магазинов. Эти лампы Лодыгина были также использованы с большим успехом во время подводных работ при постройке Литейного моста через Неву.
Достигнутые успехи позволяли приступить к выпуску ламп накаливания. Но деньги, собранные учреждённым Лодыгиным паевым товариществом, давно уже были израсходованы. Поэтому ему не только не удалось реализовать свое ценное изобретение на практике, но и пришлось для добывания средств поступить слесарем-инструментальщиком в петербургский Арсенал.
Благодаря энергии, настойчивости и недюжинным способностям Лодыгину всё же удалось пробиться на более широкую дорогу инженера. До 1884 года он работал инженером в Петербурге, а затем поступил на завод, изготовлявший лампы накаливания в Париже. В то же время он не оставил своих собственных работ по усовершенствованию лампы накаливания и вскоре одержал крупную победу над Эдисоном. В 1890 году Лодыгин заявил в Америке патент на лампы накаливания, в которых он предложил заменить угольную нить нитью из тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена или тантала. Лодыгин указал способ изготовления таких нитей путём электролитического осаждения названных выше металлов на очень тонкой нити из другого, более мягкого металла, полученной обычным методом (путём протягивания). В 1900 году лампы Лодыгина с молибденовыми нитями были выставлены на всемирной Парижской выставке и имели там большой успех. В 1906 году самой крупной американской фирме по изготовлению ламп накаливания пришлось купить патент Лодыгина для того, чтобы иметь право приступить к изготовлению современных нам ламп накаливания с металлическими нитями. Таким образом, Лодыгин не только на несколько лет раньше зарубежных изобретателей построил образцы вполне годных ламп накаливания с угольной нитью, но ему неоспоримо принадлежит также и приоритет изобретения более современных ламп с металлическими нитями; эти лампы уже более тридцати лет тому назад вытеснили лампы с угольной нитью.
Дальнейшая деятельность А. Н. Лодыгина в качестве инженера-изобретателя имела место в области металлургии и других отраслей техники и протекала в Америке. После успеха ламп с металлической нитью Лодыгин вернулся в Россию. Он рассчитывал применить свой большой технический и жизненный опыт на родине для развития в ней передовой техники. Но правящие круги царской России, шедшие в поводу у иностранцев и действовавшие по указке последних, вовсе не собирались развивать передовую технику в собственной стране. Лодыгину вновь пришлось уехать за границу.