Использование электрической энергии
Точку в разработке ламп накаливания поставил американский изобретатель Томас Альва Эдиссон. В его лампах использовался тот же принцип, что и у Яблочкова, однако все устройство находилось в вакуумной оболочке, которая предотвращала быстрое окисление дуги, и поэтому лампа Эдиссона могла использоваться достаточно продолжительное время.
Эдиссон начал работать над проблемой электрического освещения ещё в 1877 году. За полтора года он провел более 1200 экспериментов. 21 октября 1879 года он подключил к источнику питания лампу, которая горела два дня. В 1880 году Томас Эдиссон запатентовал свое изобретение. Первое коммерческое использование ламп Эдиссона состоялось в 1880 году на корабле Columbia. АН следующий год фабрика в Нью-Йорке была освещена лампами Эдиссона. Его изобретение стало приносить большие деньги, сделав изобретателя весьма богатым человеком. В то же время Павел Яблочков, не менее одаренный изобретатель, давший человечеству много полезных новинок, умер в бедности в Саратове 31 марта 1894 года.
Источники света всегда будут совершенствоваться во времени, пока человечество живо.
В нижеследующей таблице представлено развитие источников света во времени.
Эти материалы были предоставлены известным специалистом в области светотехники господином Боденхаузеном (Германия), за что мы ему очень благодарны. История развития электрического освещени переживала времена застоя и подъема. Самым долгим был путь от лучины к свече и затем к масляной лампе. Значительный интерес представляет история развития ламп накаливания, совершивших революцию в технике освещения. Несмотря на то что многие изобретения не нашли практического применения, с точки зрения развития технических идей они, несомненно, заслуживают внимания.
В 1873 году А.Н. Лодыгин устроил первое в мире наружное освещение лампами накаливания Одесской улицы в Петербурге. В 1880 году он получил патент на лампу накаливания с металлической нитью.
Совершенно естественно, что развитие и совершенствование источников света определялось:
- повышением энергетической эффективности;
- увеличением срока службы; - улучшением цветовых характеристик излучения (цветовой температуры, индекса цветопередачи и т.д.).
В следующей таблице приведены некоторые характеристики источников излучения. Причем охвачена лишь небольшая группа (общее число типов источников излучения превышает 2 000).
Разработка и производство люминесцентных ламп связано с именем С.И. Вавилова, под руководством которого был разработан люминофор, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимое. В 1951 году за разработку люминесцентных ламп С.И. Вавилов, В.Л. Левшин, В.А. Фабрикант, М.А. Константинов-Шлезингер, Ф.А. Бутаев, В.И. Долгополов были награждены Государственной премией. Кстати, Сергей Иванович Вавилов был также одним из первых, кто положил начало светотехнике в СССР. Он первым в МВТУ прочитал лекции по светотехнике, написал ряд книг по истории света и его физиологическом воздействии на человека.
Необходимо отметить вклад Н.А. Карякина в развитие дуг высокой интенсивности с угольными электродами. Прожекторы с такими источниками света применялись во время Великой Отечественной войны, а также в киносъемках и для кинопроекций. Позже они стали вытесняться ксеноновыми лампами, но их значение в военные годы для СССР трудно переоценить. За работы по угольным дугам высокой интенсивности Н.А. Карякин с сотрудниками были удостоены Государственной премии.
С целью увеличения срока службы разрядных ламп (причина выхода из строя, как правило, была связана с электродами) разработаны безэлектродные люминесцентные лампы. Сюда можно отнести высокочастотные компактные безэлектродные люминесцентные лампы, безэлектродные лампы в форме витка, микроволновые безэлектродные серные лампы.
Одним из новых источников света, которые начали внедряться в практическое освещение (сигнальное, рекламное), являются светодиоды. С 1968 года (первое серийное изготовление) до настоящего времени световая отдача увеличена от 0,2 лмВт до 40 лм/Вт.
Сегодня уже выпускаются серийно не только светодиоды монохроматического излучения, но и белого цвета. По прогнозам, в 2005 году световая отдача ряда светодиодов будет заметно превышать 100 лмВт. Основные преимущества светодиодов – большая сила света (для некоторых типов несколько тысяч канделл), малые размеры, большой срок службы (десятки тысяч часов), маленькое напряжение питания (единицы вольт).
Совершенно очевидно, что в скором времени светодиоды составят серьезную конкуренцию не только лампам накаливания, но и люминесцентным лампам.
Таблица 1. Развитие источников света во времени
| 10000 г. до н. э. | Масляные лампы и факелы. |
| 4000 г. до н. э | Горящие камни в Малой Азии. |
| 2500 г. до н. э | Серийное производство глиняных ламп с маслом. |
| 500 г. до н. э | Первые свечи в Греции и Риме. |
| 1780 г. | Водородные лампы с электрическим зажиганием. |
| 1783 г. | Лампа с сурепным маслом и плоским фитилем. |
| 1802 г. | Свечение накаленной проволоки из платины или золота. |
| 1802 г. | Дуга В.В. Петрова между угольными стержнями. |
| 1802 г. | Свечение тлеющего разряда в опытах В.В. Петрова. |
| 1811 г. | Первые газовые лампы. |
| 1816 г. | Первые стеариновые свечи. |
| 1830 г. | Первые парафиновые свечи. |
| 1840 г. | Немецкий физик Грове использует для подогрева нити накала электрический ток. |
| 1844 г. | Старр в Америке делает попытку создать лампу с угольной нитью. |
| 1845 г. | Кинг в Лондоне получает патент "Применение накаленных металлических и угольных проводников для освещения". |
| 1854 г. | Генрих Гобель создает в Америке первую лампу с угольной нитью и освещает ею витрину своего магазина. |
| 1860 г. | Появление первых ртутных разрядных трубок в Англии. |
| 1872 г. | Освещение лампочками А.Н. Лодыгина в Петербурге Одесской улицы, аудиторий Технологического института и других помещений. |
| 1874 г. | П.Н. Яблочков устраивает первую в мире установку для освещения железнодорожного пути электрическим прожектором, установленным на паровозе. |
| 1876 г. | Изобретение П.Н. Яблочковым свечи из двух параллельных угольных стержней. |
| 1877 г. | Макссим в США сделал лампу без колбы из платиновой ленты. |
| 1878 г. | Сван в Англии предложил лампу с угольным стержнем. |
| 1880 г. | Эдисон получает патент на лампу с угольной нитью. |
| 1897 г. | Нернст изобретает лампу с металлической нитью накаливания. |
| 1901 г. | Купер-Хьюит изобретает ртутную лампу низкого давления. |
| 1903 г. | Первая лампа накаливания с танталовой нитью, предложенная Больтеном. |
| 1905 г. | Ауэр предлагает лампу с вольфрамовой спиралью. |
| 1906 г. | Кух изобретает ртутную дуговую лампу высокого давления. |
| 1910 г. | Открытие галогенного цикла. |
| 1913 г. | Газонаполненная лампа Лангье с вольфрамовой спиралью. |
| 1931 г. | Пирани изобретает натриевую лампу низкого давления. |
| 1946 г. | Шульц предлагает ксеноновую лампу. |
| 1946 г. | Ртутная лампа высокого давления с люминофором. |
| 1958 г. | Первые галогенные лампы накаливания. |
| 1960 г. | Первые ртутные лампы высокого давления с йодистыми добавками. |
| 1961 г. | Натриевые лампы высокого давления. |
| 1982 г. | Галогенные лампы накаливания низкого напряжения. |
| 1983 г. | Компактные люминесцентные лампы. |
Таблица 2. Некоторые характеристики источников излучения
| Тип источника излучения | Мощность, Вт | Световой поток, лм | Световая отдача, лмВт | Срок службы, час. |
| Вакуумные и газонаполненные лампы накаливания общего назначения | 15-1 000 | 85-19 500 | 5-19,5 | 1 000 |
| Галогенные лампы накаливания общего назначения | 1 000-2 000 | 22 000-440 000 | 2 000-3 000 | |
| Ртутные разрядные люминесцентные лампы | 15-80 | 600-5 400 | 40-65 | 1 000-15 000 |
| Ртутные лампы высокого давления | 80-2 000 | 3 400-120 000 | 40-60 | 10 000-15 000 |
| Ртутные лампы сверхвысокого давления | 120-1 000 | 4 200-53 000 | 35-53 | 100-800 |
| Металлогалогенные лампы | 250-3 500 | 19 000-350 000 | 75-100 | 2 000-10 000 |
| Натриевые лампы низкого давления | 85-140 | 6 000-11 000 | 70-80 | 20 000 |
| Натриевые лампы высокого давления | 50-1 000 | 25 000-47 000 | 100-115 | 10 000-15 000 |
| Ксеноновые лампы | 50-10 000 | 35 700-2 088 000 | 18-40 | 100-800 |
НЕМНОГО ИСТОРИИ
До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился большой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В середине X1X века начинается быстрый рост применения электродвигателей и все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало изобретение П. Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой "свечи Яблочкова". Ни одно из изобретений в области электротехники не получало столь быстрого и широкого распространения, как свечи Яблочкова. Это был подлинный триумф русского инженера. Павлу Николаевичу Яблочкову принадлежит честь:
· создания самой простой по принципу дуговой лампы – электрической свечи, сразу же получившей широкое практическое применение, заслужившей всеобщее признание и повлекшей за собой прогресс всей электротехники;
· изобретения способов включения произвольного числа электрических свечей в цепь, питаемую одним генератором электрического тока. До изобретения П.Н. Яблочкова этого делать совершенно не умели, каждая дуговая лампа нуждалась в отдельной динамо-машине;
· изобретения трансформатора;
· внедрения в практику переменного тока. До П.Н. Яблочкова применение переменного тока считали не только опасным, но и совершенно неподходящим для практического использования;
· изобретения различного рода других источников света, как, например, каолиновой лампы, линейных светящихся проволок и других;
· создания большого числа электрических машин и аппаратов оригинальной конструкции, в том числе электрической машины без железа;
· изобретения различных гальванических элементов, например, самозаряжающегося аккумулятора, известного под названием автоаккумулятора Яблочкова. В наше время электротехника возвращается к разработке идей П.Н. Яблочкова в этой области.
Для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока изобретателем был создан особый прибор - индукционная катушка (трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении цепи в соответствии с числом подключенных свечей.
Именно появление электрического освещения различных систем вызвало к жизни первые электрические станции. Первая такая станция – блок-станция, то есть станция для одного дома, не обеспечивающая передачу энергии на большое расстояние, была создана в 1876 году в Париже для питания электричеством свечей Яблочкова.
А в 1881 году – первая Международная выставка электричества и Международный конгресс электриков, Министр почт и телеграфа Франции, официальный спонсор выставки, в докладе президенту Французской республики писал: «Эта выставка будет вмещать в себя все то, что относится к электричеству: на ней будут демонстрироваться всевозможные аппараты и приборы, служащие для получения, передачи, распределения электрической энергии. Конгресс в Париже соберет наиболее выдающихся ученых-электриков. Представители чудесной науки, только что раскрывшей перед человечеством свои громадные ресурсы и вскружившей ему голову своими беспрестанными эффектами, обсудят все результаты произведенных исследований и новейшие теории, созданные в этой области. Представители других стран, приглашенные во Францию, будут рады воспользоваться этим случаем, чтобы, так сказать, узаконить науку об электричестве и измерить ее глубину».
Действительно, успехи электротехники были тогда частыми и разнообразными. Но до 1881 года электриками разных стран использовались десятки самых различных единиц тока, сопротивления – не было стандарта на электрические единицы. Сопоставить результаты исследователей разных стран было чрезвычайно сложно. Именно в 1881 году на Международном конгрессе электриков, приуроченном к первой Международной выставке электричества, в нашу жизнь вошли столь хорошо известные нам сейчас единые электротехнические единицы.
На заседании конгресса слушатели в штыки встретили сообщение французского физика Марселя Депрэ, высказавшего еретическую мысль о возможности передачи электроэнергии на большие расстояния. Это сообщение котировалось в качестве неплохой шутки, забавной утопии.
А уже через год, на Мюнхенской международной электрической выставке, Марсель Депрэ продемонстрировал буквально наповал пораженным посетителям небольшой водопад, действующий от центробежного насоса, вращаемого электромотором. Но не это главное – электромотор снабжался электроэнергией от линии передачи из другого города – Мисбаха, расположенного в 57 километрах от Мюнхена, где электроэнергия рождалась тоже в водопаде.
Еще в 1879 году Павел Николаевич Яблочков заявил, что передачу энергии надо вести при помощи переменного тока. Спустя несколько лет, 25 августа 1891 года, Доливо-Добровольский на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне применил трехфазный переменный ток и продемонстрировал передачу электрической энергии на расстояние 175 километров. Именно трехфазный ток вырабатывают станции и в наши дни. Одновременно с блестящим решением вопроса о передаче электрической энергии на расстояния получила практическое осуществление и идея П.Н. Яблочкова о централизованном производстве энергии на специальных станциях.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Промышленность, транспорт, сельское хозяйство, бытовое потребление (освещение, холодильники, телевизоры). Большая часть электроэнергии превращается в механическую, 1/3 — технические цели (электросварка, плавление, электролиз и т. п.).
Главный способ получения электрической энергии и в наши дни основан на применении вращающихся генераторов – динамо, как их называли раньше. Таким путем получается электроэнергия не только на обычных тепловых электростанциях и гидростанциях, где генераторы приводятся в движение паром или текущей водой, но и на всех действующих атомных электростанциях.
«СВЕЧА ЯБЛОЧКОВА»
| В середине XIX века история науки и техники подошла к критическому периоду, когда главные усилия ведущих ученых и изобретателей – электротехников многих стран сосредоточились на одном направлении: создании более удобных источников света. Раньше всего это удалось осуществить в конце 1870-х годов выдающимся русским изобретателям – П.Н. Яблочкову, А.Н. Лодыгину и В.Н. Чигареву. |
Русский инженер, один из пионеров мировой электротехники и светотехники Павел Николаевич Яблочков (14 сентября 1847, село Жадовка, Сердобского уезда Саратовской губернии — 19 (31) марта 1894, Саратов) закончил Техническое гальваническое заведение в Петербурге, впоследствии преобразованное в Офицерскую электротехническую школу, выпускавшую военных инженеров-электриков. Техническое гальваническое заведение было первым в Европе военным учебным заведением, ставившим своей задачей развитие и усовершенствование методов практического применения электричества в инженерном деле. Одним из организаторов и руководителей этого учебного заведения являлся крупнейший русский ученый и изобретатель, пионер электротехники Б.С. Якоби. П.Н. Окончив Гальваническое заведение, Яблочков был назначен начальником гальванической команды в 5-й саперный батальон. Однако едва только истек трехлетний срок службы, он уволился в запас, расставшись с армией навсегда. Яблочкову предложили место начальника службы телеграфа на только что вступившей в эксплуатацию Московско-Курская железная дороге. Уже в начале своей службы на железной дороге П.Н. Яблочков сделал свое первое изобретение: создал “чернопишущий телеграфный аппарат”. Подробности этого изобретения до нас не дошли.
Свою изобретательскую деятельность П.Н. Яблочков начал с попытки усовершенствовать наиболее распространенный в то время регулятор Фуко. Весной 1874 года ему представилась возможность практически применить электрическую дугу для освещения.
| От Москвы в Крым должен был следовать правительственный поезд. Администрация Московско-Курской дороги в целях безопасности движения задумала осветить этому поезду железнодорожный путь ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, интересующемуся электрическим освещением. Впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе установили прожектор с лучшей по тому времени дуговой лампой с регулятором Фуко. Дуговую лампу нужно было непрерывно регулировать. Электрическая дуга, дающая яркий свет, возникает лишь тогда, когда концы горизонтально расположенных угольных электродов находятся друг от друга на строго определённом расстоянии. |
Чуть оно уменьшается или увеличивается, разряд пропадает. Между тем во время разряда угли выгорают, так что зазор между ними всё время растёт. И чтобы применить угли в электрической дуговой лампе, требовалось использовать специальный механизм-регулятор, который бы постоянно, с определённой скоростью подвигал выгорающие стержни навстречу друг другу. Тогда дуга не погаснет. Регулятор был очень сложный, действовал с помощью трех пружин и требовал к себе непрерывного внимания. Хотя опыт удался, но он еще раз убедил Павла Николаевича, что широкого применения такой способ электрического освещения получить никак не может. Стало ясно: нужно упрощать регулятор.
Дуговой разряд в виде так называемой электрической (или вольтовой) дуги был впервые обнаружен в 1802 году русским учёным профессором физики Военно-медико-хирургической академии в Петербурге, а впоследствии академиком Петербургской Академии наук Василием Владимировичем Петровым. Петров следующими словами описывает в одной из изданных им книг свои первые наблюдения над электрической дугой: «Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля... и если металлическими изолированными направлятелями...сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трёх линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещен быть может... ».
В 1810 году то же открытие сделал английский физик Деви. Оба они получили вольтову дугу, пользуясь большой батареей элементов, между концами стерженьков из древесного угля. Первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги сконструировал в 1844 году французский физик Древесный уголь он заменил палочками из твердого кокса. В 1848 году он впервые применил дуговую лампу для освещения одной из парижских площадей.
Справедливости ради надо сказать, что попытки использования дуговых ламп предпринимались в России и до Яблочкова. Свои дуговые лампы с регуляторами разработали русские изобретатели Шпаковский и Чиколев. Электрические лампы Шпаковского в 1856 уже горели в Москве на Красной площади во время коронации Александра II. Чиколев же использовал мощный свет электрической дуги для работы мощных морских прожекторов. Придуманные этими изобретателями автоматические регуляторы имели отличия, но сходились в одном — были ненадёжны. Лампы горели совсем недолго, а стоили дорого.
Совместно с опытным электротехником Н.Г. Глуховым Яблочков начал заниматься в мастерской усовершенствованием аккумуляторов и динамо-машины, проводил опыты по освещению большой площади огромным прожектором. В мастерской Яблочкову удалось создать электромагнит оригинальной конструкции. Он применил обмотку из медной ленты, поставив ее на ребро по отношению к сердечнику. Это было его первое изобретение.
Наряду с опытами по усовершенствованию электромагнитов и дуговых ламп Яблочков и Глухов большое значение придавали электролизу растворов поваренной соли. Во время одного из многочисленных опытов по электролизу поваренной соли параллельно расположённые угли, погруженные в электролитическую ванну, случайно, коснулись друг друга. Тотчас между ними вспыхнула ослепительно яркая электрическая дуга. Именно в эти минуты зародилась у него мысль о постройке дуговой лампы... без регулятора.
В октябре 1875 года Яблочков отправляется за границу и везет с собой изобретенную им динамо-машину. Осенью 1875 года Павел Николаевич в силу сложившихся обстоятельств оказался в Париже в мастерских физических приборов Бреге. В докладе, прочитанном 17 ноября 1876 года на заседании Французского физического общества, Яблочков сообщал:
| “Я придумал новую лампу, или электрическую свечу, в высшей степени простой конструкции. Вместо того чтобы помещать угли друг против друга, я их размещаю рядом и разделяю посредством изолирующего вещества. Оба верхних конца углей свободны”. Свеча Яблочкова состояла из двух стержней, изготовленных из плотного роторного угля, расположенных параллельно и разделенных гипсовой пластинкой. |
Последняя служила и для скрепления углей между собой и для их изоляции, позволяя вольтовой дуге образовываться лишь между верхними концами углей. По мере того как угли сверху обгорали, гипсовая пластинка плавилась и испарялась, так что кончики углей всегда на несколько миллиметров выступали над пластинкой.
Простота устройства свечи, удобство обращения с нею были просто поразительны, особенно по сравнению со сложными регуляторами. Это и обеспечило свече громкий успех и быстрое распространение. 23 марта Павел Николаевич взял на нее французский патент за № 112024, содержащий краткое описание свечи в ее первоначальных формах и изображение этих форм. Этот день стал исторической датой, поворотным пунктам в истории развития электро- и светотехники, звездным часом Яблочкова. «Русский свет» (так называли изобретение Яблочкова) засиял на улицах, площадях, в помещениях многих городов Европы, Америки и даже Азии. «Из Парижа, - писал Яблочков,- электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи»).
| 15 апреля 1876 года в Лондоне открывалась выставка физических приборов. На ней показывала свою продукцию и французская фирма Бреге. Своим представителем на выставку Бреге направил Яблочкова, который участвовал на выставке и самостоятельно, экспонировав на ней свою свечу. В один из весенних дней изумленный Лондон ахнул, когда изобретатель провел публичную демонстрацию своего детища. На невысоких металлических столбах (постаментах) Яблочков поставил четыре своих свечи, обернутых в асбест и установленных на большом расстоянии друг от друга. |
К светильникам подвел по проводам ток от динамо-машины, находившейся в соседнем помещении. Поворотом рукоятки ток был включен в сеть, и тотчас обширное помещение залил очень яркий, чуть голубоватый электрический свет. Многочисленная публика пришла в восторг.