Штучне освітлення

Віктор Лаврус

Призначення штучного освітлення - створити сприятливі умови видимості, зберегти хороше самопочуття людини і зменшити стомлюваність очей. При штучному висвітленні 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. Вогнище, 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 гнота 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 розжареного 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 та Петербурга освітлювальні масляні ліхтарі з'явилося в 30-х роках XVIII століття. Потім масло замінили спиртово-скипидарні 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.

По колірній температурі штучне світло сильно відрізняється від денного, і ця відмінність давно було помічено по зміні кольору предметів при переході від денного до вечірнього штучного освітлення. У першу чергу було відмічено зміна кольору одягу. У ХХ столітті з широким поширенням електричного освітлення зміна кольору при переході до штучного освітлення зменшилося, але не зникло.

Рис. 1. Модель газового заводу в Мюнхенському музеї.

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

Більше ста 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. У першу чергу винахідники подбали про джерела світла і звернули увагу на властивості електричної дуги, яку вперше спостерігав Василь Володимирович Петров у 1802 році. Сліпуче яскраве світло дозволяв сподіватися, що люди зможуть відмовитися від свічок, скіпки, гасової лампи і навіть газових ліхтарів.

У дугових світильниках доводилося постійно підсуває поставлені «носами» один до другу 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 підпалювала автоматично. При зменшенні струму втягуючий зусилля котушки зменшувалася і негативний електрод піднімалося під дією вантажу. Широкого розповсюдження ця та інші системи не отримали з-за низької надійності.

У 1875 році Павло Миколайович Яблочков запропонував надійне і просте рішення. Він розташував вугільні електроди паралельно, розділивши їх ізолюючим шаром. Винахід мала колосальний успіх, і «свічка Яблочкова» або «Російський світ» 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 інший бік Атлантики, вперше замислився 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: «За тодішнім поняттям гігантський генератор струму, названий« Джумбо », за своєю конструкції та потужності набагато поступався сучасним колоса. Проте 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 найдрібніших 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 перший лампи з вугільною ниткою.

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

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

Головною труднощами на шляху до широкого застосування вугільно-дугового освітлення було відсутність надійного та недорогого джерела електричної енергії. Це перешкода була усунена в 1867 році Греммі, який винайшов самовозбуждаемую динамомашину, 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 матеріали, які окислюються при прожарюванні на повітрі, благополучно виконували свої функції у «вакуумі».

У 1878 році Едісон звернувся до невирішеної проблеми електричного освітлення в побуті. Електричному світлі потрібно було витримати конкуренцію в ціні, яскравості та 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, але 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 у скляну кулю, з якого викачано повітря. 27 січня 1880 Едісон отримав патент на винахід № 223898.

Сама по собі думка була не новою, якщо не рахувати 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 знаходитися в розпеченому вигляді протягом сорока годин. Едісон перепробував всі речовини, що містять вуглець: продукти харчування, смоли - у загальному рахунку шість тисяч різновидів рослинного волокна. Кращий результат показав бамбук, особливо той сорт бамбука, з якого був зроблений футляр японського пальмової віяла.

В останній день 1879 на замовлених Едісоном спеціальних поїздах три тисячі людей прибутку 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 динамомашину, лампи, провідники і думати про тисячі речей, про яких ще ніхто ніколи не чув ». Едісон вживав терміни, що застосовуються в газовому освітленні: динамомашини відповідали газовим резервуарах; ізольовані дроти, 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, здавалася безнадійної навіть провідним електрикам того часу. Люди, які висміювали Едісона за його невігластво у теоретичних питаннях, не могли повірити, що можна винайти динамомашину, 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. Динамомашини Едісона була побудована всупереч всім канонам конструкторської науки того часу, але він і цього разу 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 Уїллард, який нажив статки 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 добитися, щоб лампочка коштувала не більше 40 центів, інакше весь проект не буде мати комерційного значення, і повинен був стримати це слово, щоб не упустити 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 її ціна 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 дорівнювати 22 центів, Едісон продав фабрику.

Суд над електролампочки

Впровадження науково-технічних досягнень у 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 володіла значними повноваженнями: вона мала право викликати всіх свідків, яких вважатиме за потрібне, і на тих самих 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 та діаграми.

Головою суду було обрано професора хімії Л. Плейфер. Строго дотримуючись процедуру суду, комісія «допитала» свідків захисту - Тиндаль, Томсона, присівши, 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 мертвота особи і, крім того, ускладнює вибір одягу, так як освітлені електричним світлом костюми здаються іншими, ніж при вечірньому висвітленні ». Торговці Біллінсгсетского ринку скаржилися на те, що «Електричне світло надає поганий вигляд рибі, і просили зняти влаштоване у них освітлення ». Багато хто 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 на сонце ще дужче, але ніхто не ставить це в провину сонячного світла. Що мертвота 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 ухвалила, 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 у питаннях електротехніки ». Що ж до економічності, то електротехніку належало пройти ще довгий 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 ліхтарями дуговими. Кожний ліхтар мав свою електромагнітну машину Грамма. Ліхтарі були розташовані у 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 Літейного 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 та Москвою, Києвом і Нижнім Новгородом, Баку, Харковом. Працювали вони на привізній паливі та виробляли постійна 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 і 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 у 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 з 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 електротехніку. Головним інженером товариства «Савицький і Страус» став інженер-технолог М. К. Бахмутов.

Перша центральна електрична станція Києва загального користування почала працювати в Наприкінці 1890р. Станція давала струм для освітлення міського театру, Хрещатика і будинків приватних абонентів. Вона була розташована в кам'яниці, на Театральной площі * і мала ізольовану котельню, машинне відділення і розподільне 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. (44,1 кВт) кожна. Ці машини приводили в дію три динамомашини Сіменса. Крім того, для харчування 14 дугових ліхтарів встановлених на Хрещатику, були встановлені два динамомашини з приводом від парових машин потужністю по 20л.с. (14,7 кВт). Потужність електростанції становила близько 150л.с. (110,3 кВт).

* В даний час на площі знаходиться Державний академічний театр опери та балету ім. Т.Г. Шевченка. Старий театр згорів у 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 (усього 350 кінських сил) гідроелектростанція на річці Охте в Петербурзі. Наступна - в три рази могутніше 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 провулку в Москві першу щодо потужну На станції вироблявся постійний струм напругою 120 В, який надходив до абонентам 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 споживачеві подавалося змінну напругу 127 В після понижуючих трансформаторів.

Тим не менше втрати в кабельних магістралях залишалися досить значними. Зростала потреба в передачі все більших і більших потужностей. Тому з 1910 року більшість проектованих електростанцій було розраховано 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 У 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 зрозуміла: не можна було заставляти людей одночасно замінити у своїх квартирах всі електроприлади, та й взяти їх у 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-таки 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 - Российская державна бібліотека, яка просто не має грошей на заміну всієї існуючої в неї апаратури і приладів, а також Большой театр, Міністерство закордонних справ і декілька 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 господарській життя XIX ст. був перехід до використання електрики. Потрібні були люди нового складу. Німці стали нацією, яка одна з перших висунула таких людей.

З самого початку на чолі електротехнічної промисловості стояли дві родини, які надали силу німецької індустрії та допомогли їй домогтися світового визнання. Їх підприємства і сьогодні дають роботу сотням тисяч людей. Оце родини Сіменс і Ратенау.

Феноменальним в історії сімейства Сіменсом з'явився навіть не той факт, що воно в потрібний час висунуло зі своїх лав генія, а те, що в одному поколінні дало відразу цілий квартет людей, що володіли винятковими здібностями: брати Вільгельм, Карл, Вернер та їхній кузен Георг Сименс.

примою цієї четвірки став Вернер Сіменс. Він був людиною, яка зустрічається, ймовірно, раз на століття. Журналіст Фелікс Піннер, що відрізнявся відомої критичністю своїх суджень, писав про нього: «Вернер Сіменс представляв собою, може, найяскравіший сплав геніальних почав в області техніки, науки і підприємництва, які коли-небудь поєднував у собі мешканець 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 Її засновниками стали Вернер Сіменс і, механік Георг Хальске. Негласним учасником фірми став радник юстиції Георг Сименс.

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 Борзіга [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 головну подію 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 1883г. 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 тим подіям, які відбулися в наступні роки [3].

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

Сфера електротехніки занадто велика для того, щоб у ній могла панувати одна-єдина фірма, а подальше вдосконалення техніки потребує все більших витрат. Тому першого червня 1919 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 - старий підрозділ концерну Філіпс, якому понад сто років. На початку двадцятого століття пан Ентоні Філіпс, брат засновника фірми Герард Філіпса, здійснив 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 відкрито торгове представництво фірми. Двома роками пізніше вона продавала в Росії вже два мільйони лампочок на рік. У 1917 році торговельне 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. Джерела енергії. К.: Нит, 1997.

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

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

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