Краткая история развития электрического освещения

Конспект лекций

Электрическое освещение

В.Л. Вязигин

Омск 2007

Вязигин, В.Л.

Электрическое освещение: конспект лекций / В.Л. Вязигин – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 70 с.

В конспекте изложены лекции, читаемые студентам 5-го курса специальности «Электроснабжение». В конспект вошли разделы, посвященные изучению основ светотехники, источников света (как ламп накаливания, так и разрядных), светильников.

Конспект предназначен в первую очередь для дистанционной формы обучения, но может быть использован студентами и других форм обучения.

Конспект содержит 67 рисунков, 3 таблицы.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.

Редактор В.А. Маркалева

Компьютерная верстка М. Бальчугова

ИД № от 2007 г.

Сводный темплан 2007 г.

Подписано в печать. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж 150 экз. Заказ

__________________________________________________________________

Издательство ОмГТУ. 644050, Омск - 50, пр-т Мира, 11

Типография ОмГТУ

Целью изучения дисциплины «Электрическое освещение» является знакомство с основами светотехники, современными источниками света, методами проектирования. Необходимость этого для инженеров-электриков вызвана тем, что на цели электрического освещения в России расходуется примерно 13% вырабатываемой электрической энергии. В стране установлено более 1,5 млрд. световых точек общей мощностью около 150 млн. кВт. Следовательно, дисциплина посвящена изучению одного из основных потребителей электрической энергии, существенно влияющего на экономические показатели электропотребления. Дисциплина тесно связана с вопросами электроснабжения в целом.

Сейчас трудно представить, как можно жить без электрического освещения, а ведь история его развития не очень длительна. Считается, что 70-е годы 19 века это “эпоха развития электрического освещения”, именно тогда, менее чем 150 лет назад, были сделаны основные изобретения, которые широко стали применяться в начале 20 века.

История развития освещения является многовековой. Первые масляные и нефтяные лампы появились примерно за 10 тыс. лет до новой эры. Они были обнаружены при раскопках магдаленской культуры. Эти источники света просуществовали девять тыс. лет.

В гробнице египетского фараона Тутанхамона (1350 г. до н.э.) среди других ценностей нашлось место подсвечникам и свечам.

Первые крупные мастерские по изготовлению ламп появились в 1 веке н.э., а в 1260 г. во Франции была создана гильдия изготовителей свечей. Этот источник света был основным в течение трёх тысяч лет, постепенно совершенствуясь от восковых и сальных до стеариновых и парафиновых (XIX век).

Усовершенствования в области освещения начались в конце 18 века – появились газовые лампы, на смену которым пришло электричество.

Важно отметить, что история развития электрического освещения – это во многом история русских открытий и изобретений.

Ещё Михаил Васильевич Ломоносов высказал мысль об общности электричества и света после того, как наблюдал свечение наэлектризованного полого стеклянного шара.

Важнейшим научным событием, повлиявшим на развитие электрического освещения, явилось открытие явления электрической дуги. В 1802 году оно было описано выдающимся российским электротехником Василием Владимировичем Петровым (1761 – 1834), о котором академик С.И. Вавилов говорил, что это второй по значимости и по хронологии российский физик вслед за М.В. Ломоносовым до середины 19 века. Интересно, что об открытии Петрова было забыто. Только в конце 19 века один из студентов Петербургского университета нашёл в фондах библиотеки брошюру с его описанием, оспорив тем самым приоритет англичанина Дэви, который наблюдал электрическую дугу на 11 лет позже.

Итак, в 1802 году Петров построил крупнейшую для того времени гальваническую батарею (Вольтов столб), которая содержала 4200 медных и цинковых пластин (если их расположить в один ряд, то получится стопка длиной 12 метров). Благодаря этой батарее он открыл явление электролиза. Исследуя различные явления при протекании электрического тока по тем или иным материалам, он взял угольные стержни и развёл их между собой ‑ между концами стержней возникла электрическая дуга. Это был первый шаг в развитии электрического освещения.

Использовать электрическую дугу с целью электрического освещения смог другой выдающийся российский учёный-изобретатель Борис Семёнович Яко́би. В первую очередь он известен как изобрётатель первого в мире двигателя постоянного тока (1834 г.). Он же создал самопишущий телеграфный аппарат, первую буквопечатающую машинку (патент на аналогичную через 5 лет получил американец Юз). За разработку методов гальванопластики Якоби получил Демидовскую премию Академии наук. Борясь с засильем иностранцев в 1844 г. он пытался провести работы по строительству телеграфной линии Москва-Петербург только с помощью российских инженеров и техников.

Якоби была создана лампа следующей конструкции: были взяты два угольных стержня, расположенные вдоль общей оси, на них подавалось постоянное напряжение, в зазоре между стержнями возникала электрическая дуга, создающая яркий свет. Такое «электрическое солнце» было установлено в Петербурге на здании Адмиралтейства. Однако лампа обладала существенным недостатком – спустя время стержни выгорали, расстояние между ними увеличивалось. В результате мощность электрической дуги падала, и она гасла. Возле лампы дежурил специально обученный фонарщик, который следил за поддержанием постоянного расстояния между стержнями. Это было не практично.

В 1856 году Александр Ильич Шпаковский (он известен также как изобретатель паяльной лампы и форсунки для впрыскивания жидкого топлива) усовершенствовал лампу Якоби. Им был разработан механический регулятор для приближения стержней друг к другу. Основу регулятора составлял часовой механизм, сближавший стержни с постоянной скоростью. Однако настройка механизма была сложна, а механический редуктор отказывал на морозе.

В 1865 году русский электрик Владимир Николаевич Чиколев разработал новый способ регулирования расстояния между угольными стержнями в лампах (рис.1) дифференциальную лампу. Её основу составлял электромагнитный автоматический регулятор – имелось две катушки, включенные последовательно со стержнями, создавалось электромагнитное поле. Когда менялось расстояние, между стержнями возникал вращающий момент, ротор вращался и приближал стержни, т.е. была использована обратная связь по току. За счёт электромагнитного регулятора расстояние между стержнями было постоянным. За границей использовались, так называемые, лампы Симменса, действующие по тому же принципу. Они были основаны на патенте немецкого инженера Шуккерта. Но такие источники света были достаточно сложны и стоили дорого, поэтому не нашли широкого применения.

В.Н. Чиколев сделал ряд других изобретений – усовершенствовал электродвигатель, гальваническую батарею, свинцовый аккумулятор. Но наибольший вклад он внёс в теорию прожекторов: современные прожекторы обязаны своим рождением трем русским изобретениям: дуге В.В. Петрова, регулятору В.Н. Чиколева, и зеркальному отражателю великого механика И.П. Кулибина, еще в 1779 году построившего первый зеркальный прожектор.

Другим усовершенствованием дуговой лампы стали лампы Жаспара. В них использовался регулятор, действующий по принципу электромагнита – один из стержней соединялся с сердечником, который втягивала катушка, включённая последовательно с дугой.

Переворот совершил русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков. Этот незаурядный человек проявил свои способности ещё в детстве – в 12 лет он изобрёл угломерный аппарат. Затем саратовский гимназист разработал счётчик для измерения пути повозки. В 1869 г. он поступил в «Техническое гальваническое заведение» – школу военных электриков Якоби. Яблочков усовершенствовал разрядный источник света, изменив расположение стержней. Стержни он поместил вертикально рядом друг с другом, электрически разделив их изоляционной каолиновой прокладкой. При включении в сеть постоянного тока сначала выгорала тонкая пластинка, плохо проводящая ток и соединяющая концы стержней, а затем между ними возникала дуга, которая постепенно по мере выгорания углей перемещалась вниз. Такая электрическая свеча горела ровным ярким светом больше часа. Впервые она была установлена в 1876 г. на паровозе, водившем состав из Москвы в Крым.

В 1881 году 72 таких источника света освещали театральный зал Международной электротехнической выставки в Лондоне. Называли его «свечёй Яблочкова» (рис.2), «русским солнцем», «русским светом». Завоевав всеобщее признание, свечи Яблочкова освещали лучшие гостиницы, улицы и парки городов Европы: Лувр и площадь Опера в Париже, развалины Колизея в Риме и т.п. Это был первый широко применяемый разрядный источник света.

В дальнейшем Яблочков усовершенствовал свой источник света, применив в качестве питания источник переменного напряжения. Однако организовать собственное производство «свечей» Яблочков не смог. В 1894 г. он скончался в бедности.

Примерно в тоже время, появилась первая лампа накаливания (ЛН), запатентованная в России в 1874 году. Её изобретателем явился Александр Николаевич Лодыгин. Первоначально Лодыгин не ставил перед собой задачу заниматься источниками света, он пытался построить «электролёт» (вертолёт с электрическим приводом), где все механизмы получали питание от аккумуляторной батареи, расположенной на земле и соединенной с вертолётом посредством кабеля. Электролёт был построен, и использовался в годы первой мировой войны для наблюдения за позициями противника. Из-за отсутствия средств Лодыгин не запатентовал своё изобретение, и патент позже (1883 г.) был выдан братьям Гастону и Альберу Тиссандье.

Для освещения электролёта в ночное время, был необходим электрический источник света. Лодыгин решил использовать явление, описанное ещё в 1840 г. английским ученым Гровом – свечение угольного стержня во время протекания по нему электрического тока. Лодыгин взял угольный стержень, подал на него постоянное напряжение. При протекании тока стержень светился. Недостатком было то, что в воздухе угольный стержень очень быстро сгорал. Тогда был использован такой прием: в стеклянный баллон устанавливались два стержня. После подачи постоянного напряжения на первый стержень, выгорал кислород внутри баллона, потом подавалось напряжение на второй стержень. Так как кислорода в баллоне уже не было, источник света работал гораздо дольше. Так в 1872 г. появилась лампочка очень похожая на современную ЛН (рис.3). Продолжительность её горения первоначально составляла 45 часов. Дальнейшие усовершенствования Лодыгина проходили в поиске новых тел накала: использовались металлические нити – железная, потом молибденовая (1890 г.), осмиевая, иридиевая. В августе 1873 г. на Одесской улице в Петербурге установили 8 фонарей с лампами Лодыгина. Это стало городской сенсацией. Отовсюду приходили люди, чтобы посмотреть на новый источник света, сравнить его с газовыми фонарями. Это была 1-я в мире установка наружного освещения с ЛН. Лодыгину была присуждена Ломоносовская премия.

За рубежом считают, что изобрел ЛН Томас Алва Эдисон в 1878 г. Однако главнейшей заслугой этого выдающегося организатора научно-экспериментальных работ (на его счету 1093 патента) является не создание собственно ЛН, а доведение ее до серийного производства и некоторые важные усовершенствования конструкции. Именно на усовершенствование ЛН Эдисон в 1881 году получил патент в России. Сначала в лампе использовалась угольная нить, полученная обугливанием тонких длинных бамбуковых волокон. Затем начали откачивать воздух из колбы. В 1909 г. было запатентовано использование вольфрама в качестве тела накала и началось производство вакуумных ламп с прямой вольфрамовой нитью. Важнейшим изобретением Эдисона явился резьбовой цоколь, применяемый и по сей день. В 1913 г. американский физик И. Ленгмюр предложил использовать вместо нити вольфрамовую спираль, помещенную в инертный газ.

После разработок Эдисона использование разрядных ламп было отодвинуто на второй план. Интересно отметить, что Яблочков, Лодыгин и Эдисон родились в одном году (1847).

Новым толчком к развитию разрядных ламп было изобретение россиянами С.И. Вавиловым и В.А. Фабрикантом в 1936 – 1940 годах люминесцентных ламп. В 50-х годах ХХ века появились ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ. В начале 60-х – металлогалогенные лампы. Совершенствование разрядных источников света весьма интенсивно происходит и в наши дни. В тоже время совершенствуются и ЛН. Так, в 1959 г. появились галогенные лампы в кварцевых колбах.

Дата добавления: 2014-01-07