Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики

Электротехнические устройства не выходили за пределы лабо­раторий, пока не было достаточно мощного и экономичного источ­ника электрической энергии и массового потребителя. К 1870 г. такой источник был создан. В течение следующих 20 лет происходило зарождение основных электротехнических уст­ройств массового промышленного и бытового назначения.

Электрическое освещение - первое массовое энергетическое применение электрической энергии - сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники. Электриче­ская лампа и по нынешний день осталась самым распространен­ным электротехническим устройством.

В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенные преимуще­ства перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения установок светильным газом, сравнительная дешевизна горючего, простота газовых горелок и их обслуживания. Но по мере развития производства, роста городов, строи­тельства крупных производственных зданий, гостиниц, магази­нов и т.д. оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отноше­нии, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала.

Особенно недостатки газового освещения стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве по 12 - 14 часов в сутки, вызывая резкое снижение производительности труда.

От указанных недостатков было свободно электрическое освещение. Конструирование источников электрического освещения шло в двух направлениях: использование электрической дуги (дуговые лампы) и явления накаливания проволоки током (лампы накаливания).

Началом истории электрического освещения можно считать опыты В. В. Петрова (1802 г.), в которых была установлена возможность освещения помещений электрической дугой. В том же году Дэви продемонстрировал накал проводника током.

Принципиальными недостатками дугового источника являются: открытое пламя (пожарная опасность), огромная сила света и необходимость регулирования дугового промежутка по мере сгорания углей.

В 1844 г. Жан Бернар Фуко заменил электроды из древесного угля электродами из ретортного угля. Это увеличило продолжительность горения лампы, но ее регулирование оставалось ручным (рис.5.1.). Такие лампы могли получить применение лишь в тех случаях, когда требовалось непродолжительное по времени, но интенсивное освещение.

В ходе разработки дуговых ламп возникла задача регулирования расстояния между электродами. Поэтому вся история дуговых ламп представляет собой по существу разработку конструкций различных регуляторов (см. выше).

В 80 - е годы дуговые лампы были единст­венным источником света, который применялся для освещения улиц, гаваней, а также больших помещений производственного или общественного на­значения, они стали обычными источниками света в прожектор­ной и светопроекционной технике.

Особое место среди дуговых источников света занимает «электрическая свеча» Павла Николаевича Яблочкова. Это изобретение не привело к массо­вому и длительному применению именно этого источника света, но именно оно вызвало бурный рост электротехнической промышленности.

Внешний вид электрической свечи показан на рис, 5.2, где видно, что в держателе с токоподводами укреплялись два парал­лельных угольных стержня, отделенных один от другого слоем каолина (глинистая порода, обладает высокой огнеупорностью). В верхней части лампы была тонкая проводящая перемычка – запал. Когда включали лампу, перемычка сгорала, на ее месте возникала дуга, и угли выгорали, уменьшаясь в разме­рах.

Одна электриче­ская свеча могла гореть около 2 часов; при установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем для включения очередной свечи, можно было обеспечить беспере­бойное освещение в течение более длительного времени.

Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. Электрическая техника предшествующего периода базировалась исключительно на постоянном токе. Дуговые электриче­ские лампы с регуляторами также питались постоянным током. П. Н. Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток. В этом случае получалась вполне устойчивая дуга. В связи с тем, что осветительные установки по системе Яблочкова стали подключать к источникам переменного тока, заметно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше не находили практического при­менения.

Таким образом, электроосвещение было одним из важнейших стимулов развития электрических машин и электрохимических источников тока.

Значительному развитию электротехники способствовала так­же и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.

Из всех способов «дробления», предложенных Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получилось несколько независи­мых цепей, в которые включались свечи) и применение индукци­онных катушек (рис. 5.3). Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в за­висимости от ее параметров могли подключаться одна, две и более свечей. Если первичная цепь питалась постоянным током, то пре­дусматривалось включение в нее специального прерывателя для наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.

Для питания нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки с ответвлениями – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.

Схема интересна и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник.

Но значение электрической свечи этим не исчерпывается. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, до­ступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы - централи­зациипроизводства электрической энергии и се распределения. Яблочков первым указал на то, что электрическая энергия должна распределяться подобно тому, как доставляются к потребителям газ и вода.

Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лам­пы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим луч­шие экономические и световые показатели.

Самая ранняя по времени лампа накаливания была построена англичанином Деларю в 1809 г. (рис. 5.4). В этой лампе накаливалась платиновая спираль, находящаяся в стеклянной трубке.

В 1838 г. бельгиец Жобар стал накаливать угольные стержни в разреженном пространстве. Эта лампа была дешевле, но срок ее службы был незначителен.

До 70-х годов XIX в. лампы накаливания не получили сколько - нибудь заметного применения из - за своего несовершенства. Трудность заключалась в подборе дешевого и долговечного материала для нитей накаливания и методов получения вакуума. Необходимо было так усовершенствовать конструкцию самих источников света, чтобы они были простыми, надежными и доступными для широкого потребления.

В 1870 г. Александр Николаевич Лодыгин сконструировал лампу накалива­ния с тонким угольным стержнем, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 5.5). Стремясь уве­личить время горения, Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стержней, рас­положенных так, чтобы при сгорания одного автоматически вклю­чался следующий.

Постепенно он усо­вершенствовал лампы. Если первые лампы работали 30 - 40 мин, то со временем, когда он применил вакуумные колбы, срок служ­бы увеличился до нескольких сотен часов.

Эдисон, ознакомившись с лампой Лодыгина, также заинтересовался проблемой электроосвещения. В 1879 г. им была предложена конструкция с угольной нитью и винтовым цоколем. Он же разработал во всех деталях систему электрического освещения и систему централизованного электроснабжения.

Лампы Эдисона должны были решать две задачи: создавать умеренную освещенность и гореть каждая независимо от других. Эдисон понял, что для этого необходимо иметь нить высокого сопротивления, которая позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до Эдисона).

В 1879 г. Эдисон запатентовал лампу с платиновой спиралью высокого сопротивления, а в 1880 г. – лампу с угольными нитями. К ним он разработал систему откачки баллонов и технологию крепления вводов и угольной нити.

Для возможности массового применения Эдисон разработал большое количество устройств: цоколь и патрон, поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электроэнергии и построил в 1882 г. в Нью – Йорке первую центральную электростанцию. Эдисон превратил электроэнергию в товар, продаваемый всем желающим, а электроустановку – в систему централизированного электроснабжения.

Уже в 80-е годы начинается быстрое развитие электрического освещения, массовое производство ламп накаливания, что вызвало дальнейшее развитие электромашиност­роительной промышленности, электроприборостроения, электро­изоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.

В 1893 - 1894 гг. Лодыгин запатентовал лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью.