Электрическая лампочка от и до наших дней

История инноваций
В последние десятилетия XIX века в жизнь многих европейских городов вошло электрическое освещение.

Появившись сначала на улицах и площадях, оно очень скоро проникло в каждый дом, в каждую квартиру и сделалось неотъемлемой частью жизни каждого цивилизованного человека. Это было одно из важнейших событий в истории техники, имевшее огромные и многообразные последствия. Бурное развитие электрического освещения привело к массовой электрификации, перевороту в энергетике и крупным сдвигам в промышленности. Однако всего этого могло и не случиться, если бы усилиями многих изобретателей не было создано такое обычное и привычное для нас устройство, как электрическая лампочка. В числе величайших открытий человеческой истории ей, несомненно, принадлежит одно из самых почетных мест.

В XIX веке получили распространение два типа электрических ламп: лампы накаливания и дуговые. Дуговые лампочки появились немного раньше. Свечение их основано на таком интересном явлении, как вольтова дуга. Если взять две проволоки, подключить их к достаточно сильному источнику тока, соединить, а затем раздвинуть на расстояние нескольких миллиметров, то между концами проводников образуется нечто вроде пламени с ярким светом. Явление будет красивее и ярче, если вместо металлических проводов взять два заостренных угольных стержня. При достаточно большом напряжении между ними образуется свет ослепительной силы.

Впервые явление вольтовой дуги наблюдал в 1803 году русский ученый Василий Петров. В 1810 году то же открытие сделал английский физик Деви. Оба они получили вольтову дугу, пользуясь большой батареей элементов, между концами стерженьков из древесного угля. И тот, и другой писали, что вольтова дуга может использоваться в целях освещения. Но прежде надо было найти более подходящий материал для электродов, поскольку стержни из древесного угля сгорали за несколько минут и были малопригодны для практического использования. Дуговые лампы имели и другое неудобство — по мере выгорания электродов надо было постоянно подвигать их навстречу друг другу. Как только расстояние между ними превышало некий допустимый минимум, свет лампы становился неровным, она начинала мерцать и гасла.

Первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги сконструировал в 1844 году французский физик Фуко. Древесный уголь он заменил палочками из твердого кокса. В 1848 году он впервые применил дуговую лампу для освещения одной из парижских площадей. Это был, короткий и весьма дорогой опыт, так как источником электричества служила мощная батарея. Затем были придуманы различные приспособления, управляемые часовым механизмом, которые автоматически сдвигали электроды по мере их сгорания.

Понятно, что с точки зрения практического использования желательно было иметь лампу, не осложненную дополнительными механизмами. Но можно ли было обойтись без них? Оказалось, что да. Если поставить два уголька не друг против друга, а параллельно, притом так, чтобы дуга могла образовываться только между двумя их концами, то при этом устройстве расстояние между концами углей всегда сохраняется неизменным. Конструкция такой лампы кажется очень простой, однако создание ее потребовало большой изобретательности. Она была придумана в 1876 году русским электротехником Яблочковым, который работал в Париже в мастерской академика Бреге.

Свеча Яблочкова состояла из двух стержней, изготовленных из плотного роторного угля, расположенных параллельно и разделенных гипсовой пластинкой. Последняя играла двоякую роль, так как служила и для скрепления углей между собой и для их изоляции, позволяя вольтовой дуге образовываться лишь между верхними концами углей. По мере того как угли сверху обгорали, гипсовая пластинка плавилась и испарялась, так что кончики углей всегда на несколько миллиметров выступали над пластинкой.

Свечи Яблочкова привлекли к себе всеобщее внимание и наделали много шуму. В 1877 году с их помощью было впервые устроено уличное электричество на Avenue de L'Opera в Париже. Всемирная выставка, открывшаяся в следующем году, дала возможность многим электротехникам познакомиться с этим замечательным изобретением. Под названием «русский свет» свечи Яблочкова использовались позже для уличного освещения во многих городах мира. Эти лампы любопытны еще и тем, что требовали для себя исключительно переменного тока, так как скорость сгорания положительного и отрицательного электродов в них была неодинаковой и при постоянном токе надо было делать положительный электрод толще. Именно для Яблочкова Грамм изготовил свой первый генератор переменного тока. Но наряду с достоинствами свечи Яблочкова имели свои недостатки. Главное неудобство заключалось в том, что угли в них сгорали очень быстро — свеча средней величины светила не более двух часов.

Этот недостаток, впрочем, был присущ и многим другим дуговым лампам. Не раз у изобретателей являлась мысль заключить вольтову дугу в лишенную кислорода атмосферу. Ведь благодаря этому лампа могла бы гореть значительно дольше. Долгое время эти попытки не удавались, так как пытались выкачать воздух целиком из всей лампы. Американец Джандус первый придумал помещать под купол не всю лампу, а только ее электроды. При возникновении вольтовой дуги кислород, заключенный в сосуде, быстро вступал в реакцию с раскаленным углеродом, так что вскоре внутри сосуда образовывалась нейтральная атмосфера. Хотя кислород и продолжал поступать через зазоры, влияние его сильно ослаблялось, и такая лампа могла непрерывно гореть около 200 часов.

Но даже в таком усовершенствованном виде дуговые лампы не могли получить достаточно широкого распространения. Вольтова дуга представляет собой очень сильный источник света. Яркость ее горения невозможно уменьшить ниже некоторого предела. Поэтому дуговые лампы использовались для освещения больших залов, вокзалов или площадей. Но они были совершенно непригодны для применения в маленьких жилых или рабочих помещениях.

Намного удобнее в этом смысле были лампочки накаливания. Устройство их всем известно: электрический ток, проходя через тонкую нить, раскаляет ее до высокой температуры, благодаря чему она начинает ярко светиться. Еще в 1820 году французский ученый Деларю изготовил первую такую лампу, в которой накаливаемым телом служила платиновая проволока. После этого в течение полувека лампы накаливания почти не использовались, поскольку не могли найти подходящего материала для нити. Поначалу наиболее удобным казался уголь. В 1873 году русский электротехник Лодыгин сделал лампочку с нитью из роторного угля. Он же первый начал откачивать из баллона воздух. В конце концов ему удалось создать первую лампочку накаливания, получившую некоторое практическое применение, но она оставалась еще очень несовершенной. В 1878 году американские электротехники Сойер и Ман нашли способ изготавливать маленькие угольные дуги небольшого сечения путем обугливания картона в графитовом порошке. Эти дуги заключали в стеклянные колпачки. Однако и эти лампочки были очень недолговечны.

В 1879 году за усовершенствование электрической лампочки взялся знаменитый американский изобретатель Эдисон. Он понимал: для того, чтобы лампочка светила ярко и долго и имела ровный немигающий свет, необходимо, во‑первых, найти подходящий материал для нити, и, во‑вторых, научиться создавать в баллоне сильно разреженное пространство. Было проделано множество экспериментов с различными материалами, которые ставились со свойственным для Эдисона размахом. Подсчитано, что его помощники опробовали не менее 6000 различных веществ и соединений, при этом на опыты было израсходовано свыше 100 тысяч долларов. Сначала Эдисон заменил ломкий бумажный уголек более прочным, приготовленным из угля, потом стал делать опыты с различными металлами и наконец остановился на нити из обугленных бамбуковых волокон. В том же году в присутствии трех тысяч человек Эдисон публично демонстрировал свои электрические лампочки, осветив ими свой дом, лабораторию и несколько прилегающих улиц. Это была первая лампочка с продолжительным сроком службы, пригодная для массового производства. Но поскольку изготовление нитей из бамбука оказалось достаточно дорогим, Эдисон разработал новый способ выделки их из специальным образом обработанных волокон хлопка. Сначала хлопок помещали в горячий хлорно‑цинковый раствор, где он постепенно растворялся. Полученную жидкость сгущали с помощью насоса до тестообразного состояния и выдавливали через тонкую трубку в сосуд со спиртом. Здесь она превращалась в тонкую нить и наматывалась на барабан. Полученную нить путем нескольких промежуточных операций освобождали от хлорно‑цинкового раствора, сушили, разрезали, заключали в v‑образные формы и обугливали в печи без доступа воздуха. Затем на нити напыляли тонкий слой угля. Для этого их помещали под колпак, заполненный светильным газом, и пропускали через них ток. Под действием тока газ разлагался, и на нити осаждался тонкий слой углерода. После всех этих сложных операций нить была готова для употребления.

Процесс изготовления лампочки тоже был очень сложным. Нить помещали в стеклянный колпачок между двумя платиновыми электродами, вплавленными в стекло (дорогой платиной приходилось пользоваться потому, что она имела одинаковый со стеклом коэффициент теплового расширения, что было очень важно для создания герметичности). Наконец, с помощью ртутного насоса из лампочки выкачивали воздух, так что в ней оставалось не более одной миллиардной того воздуха, который содержался в ней при нормальном давлении. Когда выкачивание заканчивалось, лампочку запаивали и насаживали на цоколь с контактами для вкручивания в патрон (и патрон, и цоколь, а также многие другие элементы электрического освещения, сохранившиеся без изменений до наших дней — выключатели, предохранители, электрические счетчики и многое другое — были также изобретены Эдисоном). Средняя долговечность лампочки Эдисона составляла 800‑1000 часов непрерывного горения.

Почти тридцать лет лампочки изготавливались описанным выше способом, но будущее было за лампочками с металлической нитью. Еще в 1890 году Лодыгин придумал заменить угольную нить металлической проволокой из тугоплавкого вольфрама, имевшей температуру накала 3385 градусов. Однако промышленное изготовление таких лампочек началось только в XX веке.


Источник: izobreti.ru
 
Российский изобретатель взглянул по-новому на лампу накаливания и предложил альтернативу ее дальнейшего использования.

Российский изобретатель, старший научный сотрудник Московского авиационного института Юрий Макаров считает, что электрическая лампа накаливания еще не исчерпала себя и ее стоит модернизировать, благодаря чему она будет достаточно эффективна, дешева и долговечна.

Хронология открытий


Несмотря на свою простоту и дешевизну, лампа накаливания, именуемая в народе «лампочкой Ильича», обладает очень серьезным недостатком – для образования светового потока она использует только 5% потребляемой энергии, а все остальное превращает в тепло. Однако этот технико-технологический шедевр русского изобретателя Лодыгина, продавшего в 1906 году свой патент на вольфрамовую нить американской компании General Electric, исправно служит людям более века.

В середине ХХ века появились более экономичные источники света – газоразрядные ртутные люминесцентные лампы «дневного» света (РЛЛ), которые прижились, несмотря на массу недостатков. Во-первых, РЛЛ мерцают с частотой 50 Гц, что повышает утомляемость пользователей. Во-вторых, их начинка – вреднейшая для человека ртуть. В Европе и Америке есть программы по утилизации таких ламп, но у нас в стране, как правило, отслужившие колбы летят в обычные мусорные контейнеры и вывозятся на свалки, а ведь в каждой лампе РЛЛ содержится 2 г ртути. Если учесть, что их выпускают 1,5 млрд в год, то на помойки ежегодно попадает около 2000 т ядовитого металла.

Сегодня, как более экономичные, рекламируются компактные ртутные люминесцентные лампы (КЛЛ) со спиральными трубками. На электроэнергии вы сэкономите, а вот на покупке самих ламп можно разориться. Стоит КЛЛ минимум 100 рублей за штуку. Это связано с тем, что в них есть так называемый «электронный балласт», находящийся в цоколе и состоящий из четырех диодов, трех конденсаторов, дросселя и микроконтроллера. К тому же, утверждение о том, что КЛЛ служат в 3-4 раза дольше ламп накаливания, сильно преувеличено. Поскольку КЛЛ обладают теми же недостатками, что и РЛЛ, эксперты потребительского рынка Европы советуют не использовать такие лампы для чтения и держать их подальше от детей. Представитель Федерации немецких инженеров Андреас Киршнер пояснил, что вокруг светящейся спиральной трубки возникает электрический смог, и такие лампы нельзя использовать в непроветриваемых помещениях. Если это действительно так, то гигантскую индустрию «энергосберегающих» ламп очень скоро ждет неминуемый крах. А что же взамен?

В качестве альтернативы предлагаются светодиодные лампы. Но их розничная цена на порядок выше люминесцентных. И это пока все, что предлагает современная наука! Кроме того, существует вполне реальная проблема будущего для немалого количества ламповых заводов, которым уже запретили выпускать транжирящие попусту электроэнергию лампочки в 100 Вт. Чтобы как-то обойти этот запрет, заводы начали выпуск 95-ваттных лампочек. Но это ли решение проблемы? Как насытить рынок эффективной и доступной по цене продукцией?
Новый источник света


Между тем, уже есть источник света, лишенный многих недостатков, присущих уже существующим лампам. Его придумал Юрий Васильевич Макаров, старший научный сотрудник Московского авиационного института. Лампа Макарова (коллеги изобретателя назвают ее в шутку «лампочкой ВасИльича») выполнена на базе стандартной электролампочки накаливания с металлическим цоколем, с той лишь разницей, что внутри основной колбы нить накаливания помещена еще в одну тонкостенную колбу, расположенную в зоне максимальных температур (1000-2000оС) и выполненную из металлической сетки или жаростойкой ткани (асбест, углеткань). На эту колбу равномерно нанесен слой высокотемпературного люминофора. После включения такой лампы спираль почти мгновенно разогревает люминофор до 1500оС, и он превращает поглощаемую тепловую энергию в световое излучение.

В качестве высокотемпературного люминофора – вещества, которое под воздействием температуры начинает светиться, могут использоваться, например, сульфид цинка, активированный катионами меди, или соли натрия и калия, активированные катионами других металлов. Яркость лампы в целом обещает быть в 2-3 раза больше яркости спирали, разогревающей люминофоровую колбу. Поэтому светоотдача новой лампочки мощностью 40 Вт будет эквивалентна светоотдаче обычной лампы накаливания мощностью примерно 150 Вт. При этом экономия энергии составит 70-80%.

Для организации массового выпуска новых ламп накаливания с абсолютно безвредной термической люминесценцией потребуется лишь минимальная модернизации существующего лампового производства, уверен изобретатель. Стоимость одной новой лампочки по расчетам Юрия Макарова не превысит 10 рублей.

На снимках:

1. Светодиодная лампа «Оптолюкс»

2. Компактная люминесцентная лампа

3. Обычная лампа накаливания (60 Вт) и компактная люминесцентная лампа (11 Вт) одинаковой светоотдачи, справа – экспериментальная лампа Макарова (в ней сетка с люминофором помещена снаружи светильника, что не дает ей возможность нагреваться до оптимальной температуры) мощностью 60 Вт


Источник: Наука и жизнь

Электрический счетчик: от медной пластины до «умного» учета

История инноваций
О предпосылках появления первых приборов учета энергии.

В первой половине 19 века было сделано множество открытий в области электромагнетизма. В 1820 году французский ученый Андре-Мари Ампер открыл явление взаимодействия электрических токов. В 1827 году немец Георг Симон Ом установил зависимость между силой тока и напряжением в проводниках. В 1831 году англичанин Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, который лег в основу принципа действия генераторов, двигателей и трансформаторов.

Во второй половине того же столетия через довольно короткие промежутки времени были созданы лампа, динамо-машина, двигатель, трансформатор, счетчик и гидротурбина. Все эти открытия и изобретения подготавливали почву и одновременно порождали необходимость в создании электросчетчика.

В 1861 году венгр Аньош Йедлик и независимо от него в 1867 году немец Вернер фон Сименс придумали модели динамо-машины. Это дало возможность вырабатывать электроэнергию в больших количествах. Первой областью массового применения электричества стало освещение. Поскольку электроэнергию начали продавать, возникла необходимость определить цену. Однако было неясно, в каких единицах следует вести учет, и какие принципы измерения были бы наиболее удобными.

В 1872 году американец Самюэль Гардинер запатентовал счетчик часов работы лампы. Прибор измерял время, в течение которого электроэнергия подавалась в точку нагрузки, при этом все лампы, подключенные к этому счетчику, контролировались одним выключателем. Однако с появлением электрической лампочки Эдисона стало практиковаться разветвление цепей освещения, и счетчик Гардинера вышел из употребления.

В 1881 году Томас Алва Эдисон запатентовал «электрический», а по принципу работы – электролитический счетчик. Прибор использовал электрохимический эффект тока: он содержал электролитическую ячейку, куда в начале расчетного периода помещалась точно взвешенная пластинка меди. Ток, проходящий через электролит, вызывал осаждение меди. В конце расчетного периода, медную пластинку взвешивали снова, и разница в весе отображала количество электричества, которое прошло сквозь нее. Этот счетчик был калиброван таким образом, что счета можно было выставлять в кубических футах газа, поскольку изобретатель считал, что электричество нужно продавать как газ (последний широко использовался в то время для освещения). Однако считывание показаний было сложным даже для энергетической компании, а для потребителя – совершенно невозможным. Позднее Эдисон добавил счетный механизм для удобства считывания показаний счетчика.

Существовали и другие электролитические счетчики, такие как водородный счетчик немецкой компании Siemens Shuckert и ртутный счетчик Йенского стекольного завода Schott&Gen. Jena. Устройства этого типа измеряли только ампер-часы и не могли использоваться при колебаниях напряжения.

Следующим типом приборов учета потребленной электроэнергии стали маятниковые счетчики. Принцип их работы основывался на создании некоторого движения – колебания или вращения – пропорционального энергии, которое, в свою очередь, могло бы запустить счетный механизм для отображения показаний счетчика.

Принцип работы маятникового счетчика был описан американцами Вильямом Эдвардом Эйртоном и Джоном Перри в 1881 году. Обособленно от них в 1884 году немец Германн Арон сконструировал маятниковый счетчик. Прибор позволял измерять ампер-часы или ватт-часы, но его можно было использовать исключительно для сетей постоянного тока. Первые счетчики содержали два часовых механизма и из-за этого стоили очень дорого. Постепенно их вытеснили моторные счетчики. В 1889 году американец Элиху Томсон разработал свой «самопишущий ваттметр» для компании General Electric.

На эволюции электросчетчиков очень сильно отразилось изобретение трансформаторов. В середине 19 века было еще неясно, какие системы окажутся эффективней – системы постоянного или переменного тока. Однако вскоре выявился один важный недостаток систем постоянного тока – напряжение нельзя было изменить, а, следовательно, было невозможно создавать более крупные системы. В 80-х годах 19 века были созданы первые трансформаторы. Начиная с 20 века системы переменного тока постепенно вытеснили прочие. Соответственно, для учета электроэнергии потребовалось решить новую задачу – измерение электроэнергии переменного тока.

В 1885 году итальянец Галилео Феррарис сделал важное открытие: два не совпадающих по фазе поля переменного тока могут заставить вращаться сплошной ротор, такой как диск или цилиндр. В 1888 году независимо от него американец хорватского происхождения Никола Тесла тоже обнаружил вращающееся электрическое поле. Эти открытия привели к появлению индукционных счетчиков. В 1888 году Оливер Шелленбергер разработал счетчик количества электричества для переменного тока. Противодействующий момент создавался винтовым механизмом. В 1889 году венгр Отто Титуц Блати запатентовал «электрический счетчик для переменных токов». Аппараты крепились на деревянной основе, делали 240 оборотов в минуту и весили 23 кг. К 1914 году вес устройства снизился до 2,6 кг.

Индукционные счетчики, основанные на принципах Феррариса и Блати, все еще производятся в больших количествах и выполняют основную работу по учету энергии, благодаря их низкой стоимости и отличным показателям надежности.

По мере распространения электричества появилась концепция многотарифного электросчетчика с локальным или дистанционным управлением, счетчика максимальной нагрузки, счетчика предварительно оплаченной электроэнергии.

В 1934 году компания Landis&Gyr разработала счетчик «Тривектор», измеряющий активную и реактивную энергию и потребляемую мощность.

Электронные технологии нашли применение в учете энергии в 1970-х годах, с появлением первых аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Сначала были разработаны точные стационарные счетчики. В 1980-х годах были разработаны гибридные счетчики, состоящие из индукционных счетчиков и электронных тарифных единиц. Эта технология использовалась относительно недолго.

Идея считывания показаний счетчиков на расстоянии появилась в 1960-х годах. Первоначально использовалась дистанционная импульсная передача, но постепенно вместо нее стали использовать различные протоколы и средства передачи данных. В настоящее время счетчики с развитыми функциональными возможностями основываются на новейших электронных технологиях, с применением цифровой обработки сигналов, причем большинство функций предусмотрено встроенным программным обеспечением.

При подготовке материала использована информация сайта Izmerenie.ru.


Источник: SmartGrid.ru

От первых выключателей до их элегазовых современников

История инноваций
Эта сфера электротехники начала бурно развиваться с конца 19 века.

Первые образцы многих управляющих и регулирующих устройств – выключатели, переключатели, контакторы, регуляторы напряжения – появились в конце 19 века. В 1879 году Томас Эдисон продемонстрировал разработанную им систему электрического освещения, включавшую лампу накаливания, патрон с винтовой резьбой, цоколь, клеммы, выключатель, штепсельную розетку и вилку, электрический счетчик, предохранители.

Первые сигнальные электромагнитные реле и автоматические выключатели с дистанционным управлением были созданы русским изобретателем-электриком Владимиром Чиколевым.

Михаил Доливо-Добровольский разработал и в 1893 году впервые применил автотрансформатор для регулирования, выключатель-рубильник с пружинными контактами и автоматом. В 1910 году он же изобрел дугогасительное устройство из изоляционного материала с узкими щелями и металлической решетки, а в 1914 году предложил деионную решетку со специальными электромагнитами для втягивания электрической дуги в щель. Этому же ученому принадлежит честь введения в электротехнику трехфазных токов.

В 1900 году на Парижской всемирной выставке был представлен трехфазный генератор, который «развивал при 83 1/2 оборотах в минуту, 850 кВт, соответствующих 98 А при 5000 В в каждой фазе». На нем помещался новый максимальный автоматический выключатель, который был совмещен с ручным выключателем. «Посредством особого винта прибор может быть поставлен на любое количество ампер до 2000. Неверное обслуживание, например, его включение, когда короткое замыкание еще не устранено, немыслимо. Это предохраняет машину и провода от порчи. Все нужные приборы были помещены на двух изящных киосках. На одном из них (для постоянного тока) помещался вольтметр в 500 В и амперметр на 1600 А, равно как маховичек шунтового реостата. На другой стороне киоска находились предохранители, выключатели и автоматы, а на третьей – надписи фирмы на французском, немецком и английском языках. Четвертая сторона служила дверью», – говорится в статье журнала «Электричество» №7 за 1902 год.

В начале 20 века появились первые масляные выключатели. Главные их достоинства заключались в том, что они прерывали цепь тока, не допуская образования большой вольтовой дуги, и были значительно компактнее выключателей других конструкций. Также значительно упрощался монтаж выключателя и присоединение его к сети.

В 1911 году на выставке в Турине были представлены трехфазный выключатель на напряжение 25 кВ и однофазный на напряжение 45 кВ мощностью 10 кВА. В этих выключателях дугогасящая система была помещена в заполненный маслом заземленный бак, поэтому они были названы масляными баковыми выключателями. Масло в таких выключателях служило и для гашения дуги, и для электрической изоляции токоведущих частей. Вплоть до 1930 года они являлись единственным видом отключающего аппарата в сетях высокого напряжения в силу своей простоты и дешевизны.

Высоковольтные выключатели с дугогасящей средой другого рода – воздухом, вакуумом – были разработаны и начали широко применяться в КРУ, начиная с 70-х годов прошлого века.

Шестифтористая сера, известная в мире как SF6, а в России называемая элегазом (электрическим газом), впервые была синтезирована во Франции в 1890 году. Название было дано в 1947 году Борисом Гохбергом, который еще перед войной начал изучать электрические свойства этого удивительного вещества. Им же впервые были высказаны предположения о возможности применения элегаза в качестве изоляционной среды оборудования высокого напряжения.

Еще через 50 лет, в наши дни, электротехническая общественность продолжает обсуждать преимущества и недостатки элегазовых и вакуумных выключателей.



При подготовке материала использована информация Википедии, electrolibrary.info, leg.co.ua.


Источник: SmartGrid.ru
Фото: medialiance.ru