Штучне освітлення

Віктор Лаврус

Призначення штучного освітлення - створити сприятливі умови видимості, зберегти хороше самопочуття людини і зменшити стомлюваність очей. При штучному освітленні всі предмети виглядають інакше, ніж при денному світлі. Це відбувається тому, що змінюється положення, спектральний склад і інтенсивність джерел випромінювання.

Історія штучного освітлення почалася тоді, коли людина стала використовувати вогонь. Багаття, факел і скіпка стали першими штучними джерелами світла. Потім з'явилися масляні лампи і свічки. На початку XIX століття навчилися виділяти газ і очищені нафтопродукти, з'явилася гасова лампа [1], яка використовується по сьогоднішній день.

При запаленні гніту виникає світиться полум'я. Полум'я випромінює світло тільки тоді, коли тверде тіло нагрівається цим полум'ям. Чи не горіння породжує світло, а лише речовини, доведені до розпеченого стану, випромінюють світло. У полум'ї світло випромінюють розпечені частинки сажі. У цьому можна переконатися, якщо помістити скло над полум'ям свічки або гасової лампи.

На вулицях Москви і Петербурга освітлювальні масляні ліхтарі з'явилося в 30-х роках XVIII століття. Потім масло замінили спиртово-скипидарною сумішшю. Пізніше, в якості горючої речовини, стали використовувати гас і, нарешті, світильний газ, який отримували штучним шляхом. Світлова віддача таких джерел була дуже мала через низьку колірної температури полум'я. Вона не перевищувала 2000К.

За колірною температурою штучне світло сильно відрізняється від денного, і ця різниця давно було помічено по зміні кольору предметів при переході від денного до вечірнього штучного освітлення. В першу чергу було відмічено зміна кольору одягу. У ХХ столітті з широким поширенням електричного освітлення зміна кольору при переході до штучного освітлення зменшилася, але не зникла.

Мал. 1. Модель газового заводу в Мюнхенському музеї.

Сьогодні рідко хто знає про заводи, які виробляли світильний газ (рис.1). Газ отримували при нагріванні кам'яного вугілля в ретортах. Реторти - це великі металеві або глиняні порожнисті судини, які наповнювали вугіллям і нагрівали в печі. Що виділився газ очищали і збирали в спорудах для зберігання светильного газу - газгольдерах.

Понад сто років тому, в 1838 році, «Суспільство освітлення газом Санкт-Петербурга» побудувало перший газовий завод. До кінця XIX століття майже у всіх великих містах Росії з'явилися газгольдери. Газом освітлювали вулиці, залізничні станції, підприємства, театри і житлові будинки. У Києві інженером А. Є. Струве газове освітлення було влаштовано в 1872году.

Створення електрогенераторів постійного струму з приводом від парової машини дозволило широко використовувати можливості електрики. В першу чергу винахідники подбали про джерела світла і звернули увагу на властивості електричної дуги, яку вперше спостерігав Василь Володимирович Петров в 1802 році. Сліпуче яскраве світло дозволяв сподіватися, що люди зможуть відмовитися від свічок, скіпи, гасової лампи і навіть газових ліхтарів.

У дугових світильниках доводилося постійно підсуває поставлені «носами» один до одного електроди - вони досить швидко вигорали. Спочатку їх зсовували вручну, потім з'явилися десятки регуляторів, найпростішим з яких був регулятор Аршро. Світильник складався з нерухомого позитивного електроду, закріпленого на кронштейні, і рухомого негативного, сполученого з регулятором. Регулятор складався з котушки і блоку з вантажем.

При включенні світильника через котушку протікав струм, сердечник втягувався в котушку і відводив негативний електрод від позитивного. Дуга підпалювалася автоматично. При зменшенні струму втягує зусилля котушки зменшувалася і негативний електрод піднімалося під дією вантажу. Широкого поширення ця та інші системи не отримали через низьку надійності.

У 1875 році Павло Миколайович Яблочков запропонував надійне і просте рішення. Він розташував вугільні електроди паралельно, розділивши їх ізолюючим шаром. Винахід мало колосальний успіх, і «свічка Яблочкова» або «Русский світло» знайшов широке поширення в Європі.

Хто придумав лампочку?

Винахідником електричної лампочки розжарювання вважають російського електротехніка А.Н.Лодигіна. У 1872 році він продемонстрував зразок лампи розжарювання з вугільною ниткою і отримав привілей (патент) №1847.

У той же час, інший винахідник електричної лампочки, по іншу сторону Атлантики, вперше задумався про використання електричного освітлення, коли газова компанія відключила газ в його майстерні за несплату [2]. Його ім'я - Томас Алва Едісон. На Всесвітній виставці в 1881р. він представив розроблену ним систему освітлення. Пізніше його сучасник Еміль Ратенау * так описав свої враження: «По тодішнім поняттям гігантський генератор струму, названий« Джумбо », за своєю конструкцією та потужності набагато поступався сучасним колосам. Однак вперше були створені машини, які могли претендувати на цю назву. У центрі нової системи знаходився шедевр - лампа розжарювання з вугільною ниткою. Система освітлення Едісона була настільки продумана до найменших деталей і майстерно виконана, що висловлювалася думка, ніби вона десятиліттями випробувана в численних містах »[3]. Слід зазначити, що сучасні лампи з тілом напруження з спіраль вольфрамової дроту мають світлову віддачу в 8 ... 10 разів вище, ніж перші лампи з вугільною ниткою.

* Еміль Ратенау - засновник концерну «Альгемайне електріцітетс-акціенгезельшафт» ( «АЕГ»), Німеччина.

Кілька років по тому Еміль Ратенау оснастив лампами розжарювання Едісона королівський театр в Мюнхені, щоб продемонструвати публіці переваги цього технічного досягнення.

Головними труднощами на шляху до широкого застосування вугільно-дугового освітлення була відсутність надійного і недорогого джерела електричної енергії. Це перешкода була усунена в 1867 році Греммі, який винайшов самовозбуждаемую динамо-машину, що виробляє постійний струм. Приблизно в той же час було зроблено ще одне відкриття, що вплинуло на прогрес електричного освітлення: Спренгел винайшов потужний вакуумний насос.

Багато матеріалів, які окислюються при прожарюванні на повітрі, благополучно виконували свої функції в «вакуумі».

У 1878 році Едісон звернувся до невирішеної проблеми електричного освітлення в побуті. Електричного світла потрібно було витримати конкуренцію в ціні, яскравості і зручності з газовим ріжком. Перш ніж приступити до лабораторних досліджень, Едісон до тонкощів вивчив газову промисловість. На папері він розробив план центральної електростанції і схему радіальних ліній до будинків і фабрикам. Потім він підрахував вартість міді та інших матеріалів, які будуть потрібні для виготовлення ламп і видобутку електроенергії за допомогою динамомашини, рухомих парою. Аналіз цих цифр визначив не тільки розміри лампи, а й ціну її, дорівнює 40 центам.

Коли Едісон переконався, що зможе вирішити проблему електричного освітлення, він почав працювати над лампою з вугільною ниткою розжарювання, вміщеній в скляну кулю, з якого викачано повітря. 27 січня 1880 Едісон отримав патент на винахід №223898.

Сама по собі думка була не новою, якщо не брати до уваги того, що по конструкції лампа Едісона відрізнялася від своїх попередниць. Головне його досягнення - це вичерпне вивчення матеріалів і те, що він в надзвичайно короткий термін знайшов найбільш ефективний і надійний вугілля для нитки розжарювання.

Перші нитки розжарювання являли собою звичайні швейні нитки, покриті вугіллям. Вони могли перебувати в розпеченому вигляді протягом сорока годин. Едісон перепробував всі речовини, що містять вуглець: продукти харчування, смоли - загалом рахунку шість тисяч різновидів рослинного волокна. Кращий результат показав бамбук, особливо той сорт бамбука, з якого був зроблений футляр японського пальмового віяла.

В останній день 1879 на замовлених Едісоном спеціальних поїздах три тисячі чоловік прибули подивитися на сотні електричних лампочок, які горіли в його майстерні і на навколишніх дорогах, енергія підводилася до них від центральної динамомашини по підземних проводах.

Слава Едісона була така велика, що ще до того, як в 1880 році був виданий перший патент на новий винахід, чутки про те, що Едісон вирішив проблему електричного освітлення, спричинили за собою різке падіння акцій газових компаній.

Після кожної демонстрації, що влаштовується Едісоном, ціни акцій починали коливатися, а одного разу на лондонській біржі сталася справжня паніка.

Але плани Едісона були значно ширше, ніж удосконалення електричної лампи. «Все це настільки ново, - говорив Едісон, - що кожен крок робиш в темряві. Потрібно створювати динамо-машину, лампи, провідники і думати про тисячу речей, про які ще ніхто ніколи не чув ». Едісон вживав терміни, що застосовуються в газовому освітленні: динамомашини відповідали газовим резервуарах; ізольовані проводи, покладені уздовж вулиць, були еквівалентом газових труб. Попереду було ще винайти електричні лічильники за аналогією з газовими для виміру споживання енергії.

Едісон сконструював двофазний генератор, тим самим вирішивши проблему, яка здавалася безнадійною навіть провідним електрикам того часу. Люди, які висміювали Едісона за його невігластво у теоретичних питаннях, не могли повірити, що можна винайти динамо-машину, яка працювала б в умовах мінливої ​​електричного навантаження. Адже споживачі весь час включають і вимикають світло в будинку або в різних будинках на одній вулиці. Динамомашина Едісона була побудована всупереч всім канонам конструкторської науки того часу, але він і на цей раз мав рацію.

Потім Едісон приступив до виготовлення динамомашини, кабелів, лампочок і освітлювальних приладів. Він викликав з Англії Семюела Інселла і призначив його розпорядником своєї фірми. Так почалася кар'єра Інселла на терені створення міських комунальних зручностей.

Після того як виробництво було налагоджено, багато допоміжні фабрики були продані концерну, очолюваному Генрі Уіллардом, який нажив стан на будівництві залізниць на Заході. Нова корпорація стала називатися «Едісон Дженерал Електрик компані».

Едісон залишався в електроламповий компанії просто з принципу. Він дав собі слово домогтися, щоб лампочка коштувала не більше 40 центів, інакше весь проект не буде мати комерційного значення, і повинен був стримати це слово, щоб не впустити себе у власних очах. Він зайнявся механізацією методу виробництва ламп. У перший рік лампа коштувала 1 долар 25 центів, на наступний рік - 1 долар 10 центів, а вже протягом третього року ціна її знизилася до 50 центів. На наступний рік кожна лампа вже приносила прибуток у три центи, і нові доходи покрили всі попередні втрати. Коли ціна лампи стала дорівнює 22 центам, Едісон продав фабрику.

Суд над електролампочки

Впровадження науково-технічних досягнень в повсякденну практику нерідко стикалося з таким протидією, що поборникам нового доводилося часом використовувати форму судового процесу з обвинувачами, захисниками і суддями для докази переваг нової техніки. Дивно, але факт, що за допомогою судового процесу довелося доводити широкій публіці, здавалося б, очевидні переваги електричного освітлення. Для цього в березні 1879 року англійський парламент заснував комісію, яка мала покласти край пересуди і безглуздим чуткам, що розпускаються супротивниками електрики - газовими компаніями.

Комісія мала значними повноваженнями: вона мала право викликати всіх свідків, яких вважатиме потрібними, і на тих же правах, на яких їх викликає суд.Дізнання вироблялося так само, як судове слідство. Відповідачем було електрику.

Свідки давали свідчення щодо його властивості та дій, стенографісти записували їх. Члени комісії займали суддівські місця. Стіл з речовими доказами був заставлений різними електричними приладами, з якими тут же проводилися досліди. Стіни покривали креслення і діаграми.

Головою суду був обраний професор хімії Л.Плейфер. Строго дотримуючись процедуру суду, комісія «допитала» свідків захисту - Тиндаля, Томсона, Приса, Сіменса, Кука та інших.

Доводи свідків звинувачення були наступними. На думку художників, електричне світло «холодний і представляє мало експресії *». Англійські леді знаходили, що він надає «якусь мертвотність особи і, крім того, ускладнює вибір одягу, так як освітлені електричним світлом костюми здаються іншими, ніж при вечірньому освітленні». Торговці Біллінсгсетского ринку скаржилися на те, що «електричне світло надає поганий вигляд рибі, і просили зняти влаштоване у них освітлення». Багато скаржилися на різь в очах і миготіння світла.

* Експресія [лат. expressio вираз] - виразність, сила прояву (почуттів, переживань).

Свідки захисту терпляче роз'яснювали, що слід дивитися не на ліхтарі, а на освітлені ними предмети, що дивитися прямо на сонце ще болючіше, але ніхто не ставить це в провину сонячного світла. Що мертвотність особи помічається тільки «при змішуванні газового світла з електричним». Що «миготіння» дуги в лампах від неякісно виготовлених електродів. І т.д. і т.п.

У вироку комісія постановила, що електричне світло вийшов з області дослідів і проб і йому необхідно надати можливість конкуренції з газовим освітленням. Комісія заборонила передавати електричне освітлення газовим компаніям, «як некомпетентним в питаннях електротехніки». Що ж стосується економічності, то електротехніку належало пройти ще тривалий шлях - до створення центральних електричних станцій, ліній електропередачі і розподільних пристроїв [4].

Перші кроки електричного світла

Перші випадки застосування електрики в Україні для потреб освітлення відомі з 70-х років минулого століття. У 1878г. російський інженер А. П. Бородін обладнав токарний цех київських залізничних майстерень чотирма електричними дуговими ліхтарями. Кожен ліхтар мав свою електромагнітну машину Грамма. Ліхтарі були розташовані в два ряди в шаховому порядку. Вугілля розраховані на 3 години роботи. У 1880р. були застосовані лампи П. Н. Яблочкова для освітлення майстерень Дніпровського пароплавства.

Перша електростанція в Росії з'явилася в Петербурзі в 1879 році і призначалася для освітлення Ливарного мосту, а наступна ще через пару років в Москві - для освітлення Луб'янській пасажу. У 1886 році в Росії працювало кілька електростанцій - під Санкт-Петербургом і Москвою, Києвом і Нижнім Новгородом, Баку, Харковом. Працювали вони на привізній паливі та виробляли постійний струм для вуличного освітлення.

У 80-х роках будуються перші міські електростанції загального користування в Москві і Петербурзі, створюються сприятливі умови для широкого застосування електричного освітлення в побуті та промисловості. У 1886р. було встановлено електричне освітлення в парку «Шато-де-Флер» у Києві *. Досвід використання електричного світла продемонстрував його величезні переваги перед іншими видами освітлення. Через 10 років в Києві почала діяти перша електрична станція загального користування.

* Тепер стадіон «Динамо».

Перший контракт на пристрій електричного освітлення міста був укладений з товариством «Савицький і Страус», до складу якого входили комерсанти Києва. Роботи зі спорудження електричної станції виконувались вітчизняними фахівцями. Освітлювальні лінії прокладали відставні унтер-офіцери мінних класів з Петербурга. Вони ж монтували обладнання. Консультували проект і будівництво професор фізики Київського університету Н. Н. Шиллер і начальник київського залізничного училища І. М. Мацон, який мав учений ступінь з електротехніки. Головним інженером товариства «Савицький і Страус» став інженер-технолог М. К. Бахмутов.

Перша центральна електрична станція Києва загального користування почала працювати в кінці 1890р. Станція давала струм для освітлення міського театру, Хрещатика і будинків приватних абонентів. Вона була розташована в кам'яниці, на Театральній площі * і мала ізольовану котельню, машинне відділення і розподільний пристрій. В котельні були встановлені три парових котла, опалювалися дровами. Вода надходила з міського водопроводу. Котли давали пар для трьох горизонтальних двоциліндрових парових машин по 60л.с. (44,1кВт) кожна. Ці машини приводили в дію три динамомашини Сіменса. Крім того, для харчування 14 дугових ліхтарів встановлених на Хрещатику, були встановлені дві динамомашини з приводом від парових машин потужністю по 20л.с. (14,7кВт). Потужність електростанції становила близько 150к (110,3кВт).

* В даний час на площі знаходиться Державний академічний театр опери та балету ім. Т.Г. Шевченко. Старий театр згорів в 1895р.

Плата за електроенергію стягувалися за 1ч горіння лампи ліхтаря. Ціна не перешкоджала збільшенню числа споживачів. Власники будинків міста охоче проводили електричне освітлення.

У 1886 році в Росії була побудована перша в країні і дуже невелика за потужністю (всього 350 кінських сил) гідроелектростанція на річці Охте в Петербурзі. Наступна - в три рази потужніша була споруджена в 1903 році на гірській річці Подкумке поблизу Єсентуки. Отримана від неї електроенергія дозволила освітити вулиці Кисловодська, Желєзноводськ і П'ятигорська.

У 1888 році «Товариство електричного освітлення 1886 року» побудувало на розі Великої Дмитрівки та Георгіївського провулка в Москві першу щодо потужну електростанцію, здатну постачати електроенергію приватних споживачів. На станції вироблявся постійний струм напругою 120 В, який надходив до абонентів по підземних кабелів. Але втрати енергії при електропередачі виявилися настільки великі, що вже наступна московська електростанція, споруджена на Раушской набережній в 1897 році, виробляла змінна напруга 2 кВ частотою 50 Гц. До споживача подавалося змінну напругу 127 В після понижуючих трансформаторів.

Проте втрати в кабельних магістралях залишалися досить значними. Зростала потреба в передачі все більших і більших потужностей. Тому з 1910 року більшість проектованих електростанцій було розраховане на напругу 6,6 кВ яке використовується і сьогодні.

Щоб ще більше знизити втрати при передачі електроенергії, потрібно підвищити напруга, що надходить безпосередньо до споживача. Ця робота розтягнулася на десятиліття.

Напруга 220 В почали використовувати в Москві з 1925 року. Через 20 років його отримували 20% споживачів. У 1970 році було вирішено перевести всю московську електромережу на напругу 220 В. Це було практично повсюдно виконано до кінця 1995 року. Поступовість в цій справі цілком з'ясовна: не можна було заставляти людей одночасно замінити в своїх квартирах всі електроприлади, та й взяти їх в таких кількостях не було звідки. Що ж стосується невеликих «особистих» понижуючих трансформаторів, то широке їх застосування звело б нанівець всю задуману економію енергії. І все ж 25 років - занадто довго. Тим більше, що навіть тепер в Москві збереглося якусь кількість будинків все з тим же дореволюційним напругою 127 В. У їх числі - Російська державна бібліотека, яка просто не має грошей на заміну всієї існуючої в неї апаратури і приладів, а також Великий театр , Міністерство закордонних справ і кілька десятків житлових будинків *.

* Нові проблеми енергетиків. Дубинський Є., головний інженер Енергозбуту АТ «Мосенерго».

Вони були і залишаються в числі перших

Найважливішим, після винаходу парової машини і залізниці, подією в господарському житті XIX ст. був перехід до використання електрики. Потрібні були люди нового складу. Німці з'явилися нацією, яка в числі перших висунула таких людей.

З самого початку на чолі електротехнічної промисловості стояли два сімейства, які надали силу німецької індустрії і допомогли їй добитися світового визнання. Їх підприємства і сьогодні дають роботу сотням тисяч людей. Це сімейства Сіменс і Ратенау.

Феноменальним в історії сімейства Сіменс з'явився навіть не той факт, що воно в потрібний час висунуло зі своїх лав генія, а то, що в одному поколінні дало відразу цілий квартет людей, які мали винятковими здібностями: брати Вільгельм, Карл, Вернер і їх кузен Георг Сіменс .

Примою цієї четвірки став Вернер Сіменс. Він був людиною, який зустрічається, ймовірно, раз на століття. Журналіст Фелікс Піннер, що відрізнявся відомої критичністю своїх суджень, писав про нього: «Вернер Сіменс був, можливо, найяскравіший сплав геніальних почав в області техніки, науки і підприємництва, які коли-небудь поєднував у собі житель Німеччини». Ні наука, ні техніка ніколи не були самоціллю для Вернера. Розвиваючи свої ідеї, він завжди виходив з тієї проблеми, для якої вони представляли собою можливе рішення.

12 жовтня 1847р. було зареєстровано відкрите торгове товариство фірма «Сіменс унд Хальске». Її засновниками стали Вернер Сіменс і, механік Георг Хальске. Негласним учасником фірми став радник юстиції Георг Сіменс.

Еміль Ратенау, що народився на 22 роки пізніше Вернера Сіменса, був вихідцем із заможної купецької сім'ї Берліна. Він вивчав машинобудування в Ганновері і Цюріху, працював конструктором у серпні Борзига [3], а потім відправився в Англію для поглиблення своїх знань.

Одного разу, на зворотному шляху з Англії, він зустрівся з Вернером Сіменсом і обговорював можливості освітлення міських вулиць електричним світлом. Рік по тому в Парижі Еміль Ратенау пережив головна подія свого життя. На Всесвітній виставці 1881р. він зустрівся з Томасом Едісоном.

Ратенау отримав в Едісона одну-єдину ліцензію на виробництво його лампочки і в квітні 1883р. заснував фірму «Дойче Едісон-гезельшафт фюр ангевандте електріцітет АГ» *. «Спочатку - місцева електрична промисловість помірних масштабів і прагнень в рамках німецької економіки; в кінці - світова промисловість, яка за своїми розмірами не поступається промисловості ніякої іншої країни », - дивувався журналіст Фелікс Піннер тих подій, які відбулися в наступні роки [3].

* У 1887р. назва фірми було змінено на «Альгемайне електріцітетс-акціенгезельшафт» ( «АЕГ»).

Сфера електротехніки занадто велика для того, щоб в ній могла панувати одна-єдина фірма, а подальше вдосконалення техніки потребує все більших витрат. Тому першого червня 1919 роки три фірми: «АЕГ», «Сіменс унд Хальске АГ» і «Ауер Гезельшафт АГ» об'єднали свої зусилля з виробництва ламп розжарювання. Так виникла торгова марка ОСРАМ і фірма «ОСРАМ ГмбХ» *. На сьогоднішній день єдиним засновником «ОСРАМ» є Сіменс АГ.

* Торгова марка ОСРАМ була зареєстрована в 1906 році і належить до найстаріших торгових марок.

Другим відомим виробником джерел світла є Філіпс Лайтінг. Ця компанія є частиною концерну Філіпс Електронікс - однієї з відомих світових компаній в галузі електроніки. Лайтінг - найстаріше підрозділ концерну Філіпс, якому понад сто років. На початку двадцятого століття пан Ентоні Філіпс, брат засновника фірми Герарда Філіпса, зробив ряд вдалих ділових поїздок до Росії з тим, щоб представити на російському ринку останні досягнення фірми. Освітлення Зимового Палацу було в той час найбільшим проектом компанії Філіпс.

У 1914 році в Санкт-Петербурзі відкрилося торгове представництво фірми. Двома роками пізніше вона продавала в Росії вже два мільйони лампочок на рік. У 1917 році торгове представництво було закрито. Після восьмидесятирічного відсутності компанія Філіпс Лайтінг відновила свою діяльність на ринках Росії, України, Білорусії. Сьогодні відкриті представництва в Москві, Санкт-Петербурзі, Києві, Мінську, Алма-Аті, Ташкенті.

У трійку найбільших виробників джерел світла також входить електротехнічна компанія Дженерал Електрик (США), яка заснована в 1892.

Список літератури

Лаврус В.С. Джерело енергії. К .: НиТ, 1997..

Винайдено на зло. «Наука і життя» №1, 1988.

Гюнтер Оггер. Грюндери і грюндерство. - М .: Прогрес, 1985.

Б. Хасапов. Процес над ... електролампочки. «Техніка - молоді», 1988.