7.2. Открытие вольтовой дуги. Дуговые электрические лампы

Изучая свойства электрического тока, В.В.Петров присоединил медной проволокой к полюсам построенной им батареи два угольных стерженька (электрода) и сблизил их концы. Он увидел, как между ними появилась яркая дуга и осветила лабораторию. Когда ученый стал вводить в нее кусочки металлов, то они очень быстро расплавлялись. Явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей Петров наблюдал как в воздухе, так и в других газах и вакууме. Это была так называемая вольтова дуга. Таким образом, честь открытия вольтовой дуги принадлежит В.В. Петрову, что следует из его книги «Известие о гальвани-вольтовских опытах», вышедшей в 1803 г.

Рис. 7.1. Приспособление для образования вольтовой дуги

В своей книге Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность использования этого явления для освещения, плавки и восстановления металлов из их окислов, а тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. Однако электричество в те времена не стало ещё областью практических применений и поэтому исследования по электричеству в России не были продолжены.

В.В. Петров так описал открытое им явление: «Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством Гальвани-Вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линей, то является между ними весьма яркие белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Рис. 7.2. Раскаленные угли вольтовой дуги

С этого момента и нужно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники. Из-за того, что книга Петрова была издана на русском языке, многие иностранные ученые не смогли ознакомиться с его открытием. Открытие Петрова было на десятилетие забыто, а имя В.В. Петрова, первого в мире человека, посмотревшего на электричество с позиций технических – с точки зрения пользы, которую электричество могло бы принести людям, было в то время вообще не известно за рубежом.

И только позднее, в 1810 г., эти опыты повторил английский ученый сэр Хэмфри Дэви, удостоившийся великого звания первооткрывателя электрической дуги и прославившийся тем, что самым гениальным его «открытием» был его ученик, великий Майкл Фарадей. Дэви приводил в соприкосновение два заостренных угля, которые были соединены с полюсами батареи, состоящей из 2000 элементов (рис. 7.1). Благодаря огромному выделению тепла угли накаливались докрасна. Когда же Дэви удалял их концы друг от друга, ток продолжал передаваться через раскаленный воздух от одного угля к другому, распространяя ослепительный свет, получивший название света Дэви, или вольтовой дуги. При этом источником света являлась не сама дуга, а раскаленные добела концы углей (рис. 7.2). Поскольку угли, между которыми образуется дуга, постепенно сгорают (положительный примерно вдвое быстрее отрицательного), впоследствии было изобретено устройство, автоматически приближавшее один уголь к другому, оставляя расстояние между ними все время постоянным.

Устройство, позволяющее поддерживать более-менее постоянное горение вольтовой дуги, послужило прообразом первых электрических источников света или так называемых дуговых электрических ламп.

Впервые вне лаборатории и классной комнаты электрическая дуга была применена в 1845 году в Парижской опере, чтобы воспроизвести эффект восходящего солнца. Успех был полный!!!

Самые первые электрические лампы – угольные дуговые – были созданы сэром Хэмфри Дэви в 1809 году. Два угольных стержня подключались к клеммам огромной батареи. В точке соприкосновения эти стержни раскалялись добела. Когда же их разводили на расстояние около 10 см друг от друга, между ними вспыхивала ослепительно белая световая дуга. Однако практическое применение угольные дуговые лампы нашли значительно позже. Первая стационарная лампа была установлена в 1862 году на маяке Дандженесс.

Павел Николаевич Яблочков (1847– 1894) – российский электротехник, изобретатель и предприниматель. По окончании Николаевского инженерного училища в 1866 году был направлен для прохождения офицерской службы в Киевский гарнизон, но из-за болезни вынужден был уйти в отставку. Изобрел (патент 1876 года) дуговую лампу без регулятора – электрическую свечу («свеча Яблочкова»), работал над созданием электрических машин и химических источников тока. 

Рис. 7.3. Дуговая электрическая лампа Яблочкова

Первый дуговой источник света сконструировал в 1844 году французский физик Жан Бернар Леон Фуко. В ходе разработки конструкций дуговых ламп возникла задача регулировать расстояние между электродами. Наиболее простыми регуляторами были электромагнитные – первые электроавтоматические приборы. Получили распространение лампы с регуляторами комбинированного действия (электромагнитного и механического), например дуговая лампа русского изобретателя А.И. Шпаковского. В 1856 году эти лампы впервые успешно использовались для освещения большой площади перед Лефортовским дворцом во время коронационных торжеств в Москве. Но необходимо было так усовершенствовать конструкции дуговых ламп, чтобы они были простыми и надежными, доступными для широкого потребления. Успешное решение этой проблемы тесно связано с изобретением П.Н. Яблочковым «электрической свечи» – дуговой лампы без регулятора.

Рис. 7.4. Дуговая электрическая лампа Кертинга и Маттисена

П.Н. Яблочков изобрел оригинальную дуговую электрическую лампу (рис.7.3), в которой угольные стержни были расположены не друг против друга, а параллельно, что позволило значительно надежнее сохранять неизменное расстояние между их концами. Угольные стержни были разделены изолирующей прослойкой. Концы стержней соединялись угольной пластинкой. При пропускании тока пластинка сгорала и между концами угольных стержней появлялась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась и светящаяся дуга не затухала. Изобретение П.Н. Яблочкова позволило включать источники света последовательно в общую цепь. Одна электрическая свеча могла гореть около 2 часов. При установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем для включения очередной свечи вместо перегоревшей, можно было обеспечить бесперебойное освещение в течение более длительного времени. Яблочков также установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток, в этом случае при электродах одинакового диаметра получалась вполне устойчивая дуга.

В 1876 г. Яблочков получил патент на свое изобретение, названный «Система распределения токов для электрического освещения». Простота и удобство свечей Яблочкова (или, как их называли в мире, «русского света»), заменивших дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, вызвали их повсеместное распространение, и вскоре они зажглись на улицах и площадях Парижа, Лондона и Берлина, а также Америки и даже Азии.

«Из Парижа, – писал Яблочков, – электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи». Это было подлинным триумфом русского изобретателя. В 1877 г.

Рис. 7.5. Дуговая электрическая лампа Кертинга с закрытой дугой

Рис. 7.6. Уличное освещение дуговой лампой

Рис. 7.7. Оборудование для дугового освещения: а – наружный футляр для дуговых ламп; б – лампа с футляром и колпаком; в – фонарь для дуговой лампы

В 1882 г. Потсдамская площадь в Берлине была освещена фонарями с лампами «Сименс и Гальске» (с акварели Вилли Стоуэра)

Яблочков получил еще два патента на конструкцию электрической свечи и на систему распределения токов с использованием конденсаторов. В апреле 1879 г. в Петербурге на заседании Российского технического общества Яблочков сделал доклад о своих последних работах в области электрического освещения, а через две недели там же прочел публичную лекцию на тему «Об электрическом освещении». Именно 1879 г. был годом наибольших успехов и наибольшей славы Яблочкова.

Впоследствии Кертинг и Маттисен в Лейпциге создали усовершенствованную конструкцию дуговой лампы (рис. 7.4), в которой обеспечивается постоянство сопротивления вольтовой дуги. Регулировочный механизм состоит из двойной катушки а, соединенной с системой зубчатых колес b. Вся система может поворачиваться вокруг неподвижной оси f, а также отклоняться вправо и влево под влиянием силы натяжения сердечника c. Если при возникновении тока угли соприкасаются, то возникающий сильный ток приводит в действие отклоняющую систему, разводящую угли на строго фиксированное расстояние. По мере сгорания углей вольтова дуга удлиняется и отклоняющая система реагирует на изменяющийся ток, плавно уменьшая расстояние между углями. Плавность перемещения углей обеспечивается наличием воздушного тормоза l с противовесом m из тяжелых металлических пластинок.

Рис. 7.8. Маяк на красном песке у устья Везера с дуговыми лампами, построенный в 1883–1884 годах

Однако из-за серьезных технических проблем, возникших в процессе эксплуатации (наличие открытой дуги, необходимость применения только переменного электрического тока для достижения равномерного сгорания угольных стержней, сложность механической конструкции и др.), а также в связи с появлением электрических ламп накаливания применение электрических свечей оказалось весьма ограниченным. В частности, серьезным недостатком конструкции дуговых ламп было значительное испарение угля стержней под воздействием кислорода на открытом воздухе при возникновении вольтовой дуги.

Практичный американец Джандус первым преодолел эту трудность поразительно просто, поместив под колпаком не всю лампу, а только вольтову дугу, оставив контакты угольных стержней вне закрытого сосуда. При возникновении дуги угольный пар, окисляясь небольшим количеством кислорода, имеющимся в замкнутом объеме, образует угольную кислоту. Кислота, смешиваясь с азотом воздуха, образует нейтральную атмосферу, в которой и происходит дальнейшее горение вольтовой дуги. Кроме того, в этом случае значительно изменяется весь характер процесса горения. Угольные стержни сгорают абсолютно одинаково, само горение проходит более плавно и устойчиво, а длительность горения при одинаковом размере стержней увеличивается в 10–20 раз.

На рис. 7.5 показана усовершенствованная лампа Кертинга с закрытой дугой, имевшая широкое распространение в Германии в конце XIX века.

С привлечением дуговых ламп различной конструкции были проведены первые опыты уличного освещения с помощью электрического тока (рис. 7.6, 7.7).

Однако из-за большой сложности конструкции, необходимости мощного источника тока для образования вольтовой дуги и невозможности гибкого «дробления света» дуговые лампы использовались преимущественно в качестве мощных источников освещения (например на морских маяках). На рис. 7.8 показан общий вид такого морского маяка, свет от мощных дуговых ламп которого был виден на расстоянии в 17 морских миль.