Электрического освещения

Краткая история развития

Вязигин, В.Л.

Конспект лекций

Электрическое освещение

В.Л. Вязигин

Омск 2007

удк 628.9(075)

ббк 31.294 я73

в99

Рецензенты:

В.К. Федоров, д-р техн. наук, профессор, СибАДИ,

В.Ф. Небускин, директор Западно-Сибирского филиала

ОАО ВНИИЭнергопром

В99 Электрическое освещение: конспект лекций / В.Л. Вязигин. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 83 с.

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

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

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

удк 628.9(075)

ббк 31.294 я73

© Вязигин В.Л., 2007

© Омский государственный

технический университет, 2007

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, в дисциплине изучается один из основных потребителей электрической энергии, существенно влияющий 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 XIX века – это “эпоха развития электрического освещения”, именно тогда, менее чем 150 лет назад, были сделаны основные изобретения, которые широко стали применяться в начале ХХ 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 I в.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) свечей.

Усовершенствования в области освещения начались в конце XVIII в. – 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 г. оно было описано выдающимся российским электротехником Василием Владимировичем Петровым (1761–1834 гг.), о котором академик С.И. Вавилов говорил, что это второй по значимости и по хронологии российский физик вслед за М.В. Ломоносовым до середины XIX в. Интересно, что об открытии В.В. Петрова было забыто. Только в конце XIX в. 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 г. В.В. Петров построил крупнейшую для того времени гальваническую батарею (Вольтов столб), которая содержала 4200 медных и цинковых пластин (если их расположить в один ряд, то длина его будет 12 метров). Благодаря этой батарее он открыл явление электролиза. Исследуя различные явления при протекании электрического тока по тем или иным материалам, Петров 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.

Б.С. Якоби была создана лампа следующей конструкции: были взяты два угольных стержня, расположенных 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 г. 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 г. 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 г. 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. П.Н. 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 г. 72 таких источника 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 то же время появилась первая лампа накаливания (ЛН), запатентованная в России в 1874 г. Её изобретателем явился Александр Николаевич Лодыгин. Первоначально Лодыгин не ставил перед собой задачу заниматься источниками света, он пытался построить «электролёт» (вертолёт с электрическим приводом), в котором все механизмы получали питание от аккумуляторной батареи, расположенной на земле и соединенной с вертолётом посредством кабеля. Электролёт был построен. В годы Первой мировой войны он использовался 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 восемь фонарей с лампами Лодыгина. Это стало городской сенсацией. Отовсюду приходили люди, чтобы посмотреть на новый источник света, сравнить его с газовыми фонарями. Это была первая 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 г. 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 с этого времени 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 один и тот же год (1847 г.).

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