7.2. Відкриття вольтової дуги. Дугові електричні лампи

Вивчаючи властивості електричного струму, В.В. Петров приєднав мідним дротом до полюсів побудованої ним батареї два вугільні стрижні (електроди) і зближував їх кінці. Він побачив, як між ними з'явилася яскрава дуга і освітила лабораторію. Коли вчений став вводити в неї шматочки металів, то вони дуже швидко розплавлялися. Явище електричного розряду між кінцями злегка розведених вуглин Петров спостерігав як в повітрі, так і в інших газах і вакуумі. Це була так звана вольтова дуга. Таким чином, честь відкриття вольтової дуги належить В.В. Петрову, що випливає з його книги «Вісті про гальвані-вольтовські досліди», яка вийшла в 1803 р.

У своїй книзі Петров не тільки описав відкрите ним явище, але і вказав на можливість використання цього явища для освітлення, плавки та відновлення металів з їх оксидів, і тим самим вперше висловив думку про практичне застосування електричного струму. Проте електрика в ті часи не набула ще практичних застосувань і тому дослідження з електрики в Росії не були продовжені.

Мал. 7.1. Пристрій для утворення вольтової дуги

Мал. 7.2. Розжарене вугілля вольтової дуги

В.В. Петров так описав відкрите ним явище: «Якщо на скляну плитку або лавочку зі скляними ніжками будуть покладені дві або три деревні вуглини, здатні до створювання світлоносних явищ за допомогою Гальвані Вольтовської рідини, і якщо потім металевими ізольованими направлячами, з’єднаними з обома полюсами величезної батареї, наближати оні один до другого на відстань від однієї до трьох ліній, то з’являється між ними вельми яскраве білого кольору світло або полум'я, від якого оні вуглини швидше або повільніше спалахують і від якого темний покій досить ясно освітлений може бути».

З цієї миті й потрібно починати історію електротехніки як самостійної галузі техніки. Через те, що книга Петрова була видана російською мовою, багато хто з іноземних вчених не зміг ознайомитися з його відкриттям. Відкриття Петрова було на десятиліття забуте, а ім'я В.В. Петрова, першої в світі людини, яка подивилася на електрику з позицій технічних – з погляду користі, яку електрика могла б принести людям, було у той час взагалі не відоме за кордоном.

І лише пізніше, в 1810 р., ці досліди повторив англійський вчений сер Хемфрі Деві, який удостоївся великого звання першовідкривача електричної дуги і який прославився тим, що найгеніальнішим його «відкриттям» був його учень, великий Майкл Фарадей. Деві приводив у зіткнення дві загострені вуглини, сполучені з полюсами батареї, що складалась з 2000 елементів (мал. 7.1). Завдяки величезному виділенню тепла вуглини розжарювалися до червоного. Коли ж Деві віддаляв їх кінці один від одного, струм продовжував передаватися через розжарене повітря від одної вуглини до іншої, поширюючи сліпуче світло, яке одержало назву світла Деві, або вольтової дуги. При цьому, джерелом світла була не сама дуга, а розжарені до білого кінці вуглин (мал. 7.2). Оскільки вуглини, між якими утворюється дуга, поступово згорають (позитивний приблизно вдвічі швидше за негативний), згодом був винайдений пристрій, який автоматично наближав одну вуглину до іншої, залишаючи відстань між ними весь час постійною.

Пристрій, який дозволяє підтримувати більш-менш постійне горіння вольтової дуги, послужив прообразом перших електричних джерел світла, або так званих дугових електричних ламп.

Вперше поза лабораторією і класною кімнатою електрична дуга була застосована в 1845 році в Паризькій опері, щоб відтворити ефект сонця, що сходить. Успіх був повний!!!

Яблочков Павло Миколайович (1847–1894) – російський електротехнік, винахідник і підприємець. Після закінчення Миколаївського інженерного училища в 1866 році був направлений для проходження офіцерської служби в Київський гарнізон, але через хворобу вимушений був піти у відставку. Винайшов дугову лампу без регулятора (патент 1876 року), електричну свічку («свічка Яблочкова»), працював над створенням електричних машин і хімічних джерел струму. 

Найперші електричні лампи – вугільні дугові – були створені сером Хемфрі Деві в 1809 році. Два вугільні стрижні підключалися до клем величезної батареї. У точці зіткнення ці стрижні розжарювалися до білого. Коли ж їх розводили на відстань близько 10 см один від одного, між ними спалахувала сліпуча біла світлова дуга. Проте практичне застосування вугільні дугові лампи знайшли значно пізніше. Перша стаціонарна лампа була встановлена в 1862 році на маяку Дандженесс.

Мал. 7.3. Дугова електрична лампа ЯблочковаПерше дугове джерело світла сконструював в 1844 році французький фізик Жан Бернар Леон Фуко. У ході розробки конструкцій дугових ламп виникло завдання регулювати відстань між електродами. Найбільш простими регуляторами були електромагнітні – перші електроавтоматичні прилади. Набули поширення лампи з регуляторами комбінованої дії (електромагнітної і механічної), наприклад дугова лампа російського винахідника А.І. Шпаковського. У 1856 році ці лампи вперше успішно використовувалися для освітлення великої площі перед Лефортовським палацом під час коронаційних урочистостей в Москві. Але необхідно було так удосконалити конструкції дугових ламп, щоб вони були простими і надійними, доступними для широкого вжитку. Успішне рішення цієї проблеми тісно пов'язане з винаходом П.М. Яблочковим «електричної свічки» – дугової лампи без регулятора.

П.М. Яблочков винайшов оригінальну дугову електричну лампу (мал. 7.3), в якій вугільні стрижні були розташовані не один проти одного, а паралельно, що дозволило значно надійніше зберігати незмінну відстань між кінцями вугільних стрижнів. Вугільні стрижні були розділені ізолюючим прошарком. Кінці стрижнів з'єднувалися вугільною пластинкою. При пропусканні струму пластинка згорала і між кінцями вугільних стрижнів з'являлася електрична дуга. У міру згорання вугілля ізолюючий прошарок випаровувався і світна дуга не затухала. Винахід П.М. Яблочкова дозволив включати джерела світла послідовно у загальне коло.

Одна електрична свічка могла горіти приблизно дві години. При встановленні декількох свічок в спеціальному ліхтарі, обладнаному перемикачем для включення чергової свічки замість тієї, що перегоріла, можна було забезпечити безперебійне освітлення протягом тривалішого часу. Яблочков також встановив, що для живлення свічки краще застосовувати змінний струм, в цьому випадку при електродах однакового діаметру виходила цілком стійка дуга.

Мал. 7.4. Дугова електрична лампа Кертінга і МаттісенаУ 1876 р. Яблочков одержав патент на свій винахід, названий «Система розподілу струмів для електричного освітлення».

Простота і зручність свічок Яблочкова (або, як їх називали в світі, «російського світла»), що замінили дорогі, складні та громіздкі дугові ліхтарі з регуляторами для безперервного зближення вуглин, що згорали, викликали їх широке розповсюдження, і незабаром вони запалилися на вулицях і площах Парижу, Лондону і Берліну, а також Америки і навіть Азії. «З Парижа, – писав Яблочков, – електричне освітлення розповсюдилося по всьому світу, дійшовши до палацу шаху Персидського і до палацу короля Камбоджі». Це було справжнім тріумфом російського винахідника. У  1877 р. Яблочков одержав ще два патенти на конструкцію електричної свічки і на систему розподілу струмів з використанням конденсаторів.
Мал. 7.5. Дугова електрична лампа Кертінга із закритою дугоюМал. 7.6. Вуличне освітлення дуговою лампою  Мал. 7.7. Устаткування для дугового освітлення: а – зовнішній футляр для дугових ламп; б – лампа з футляром і ковпаком; в – ліхтар для дугової лампи

У 1882 р. Потсдамська площа в Берліні була освітлена ліхтарями з лампами «Сіменс і Гальське» У квітні 1879 р. в Петербурзі на засіданні Російського технічного товариства Яблочков зробив доповідь про свої останні роботи в галузі електричного освітлення, а за два тижні там же прочитав публічну лекцію на тему «Про електричне освітлення». Саме 1879 рік був роком найбільших успіхів і найбільшої слави Яблочкова.

Згодом Кертінг і Маттісен в Лейпцігу створили вдосконалену конструкцію дугової лампи (мал. 7.4), в якій забезпечується постійність опору вольтової дуги. Регулювальний механізм складається з подвійної котушки а, сполученої із системою зубчатих коліс b. Вся система може повертатися навколо нерухомої осі f, а також відхилятися вправо і вліво під впливом сили натягнення сердечника с. Якщо при виникненні струму вуглини стикаються, то виникаючий сильний струм приводить в дію відхиляючу систему, яка розводила вуглини на строго фіксовану відстань. У міру згорання вуглин вольтова дуга подовжувалась, а відхиляюча система реагувала на струм, що змінювався, плавно зменшуючи відстань між вуглинами. Плавність переміщення вуглин забезпечувалась наявністю повітряного гальма I з противагою m з важких металевих пластинок.

Проте через серйозні технічні проблеми, що виникли в процесі експлуатації (наявність відкритої дуги, необхідність застосування тільки змінного електричного струму для досягнення рівномірного згорання вугільних стрижнів, складність механічної конструкції та ін.), а також у зв'язку з появою електричних ламп розжарювання застосування електричних свічок виявилося вельми обмеженим. Зокрема, серйозним недоліком конструкції дугових ламп було значне випаровування вугілля стрижнів під впливом кисню на відкритому повітрі при виникненні вольтової дуги.

Мал. 7.8. Маяк на червоному піску у гирла Везера з дуговими лампами, збудований у 1883–1884 роках (із акварелі Віллі Стоуера)

Практичний американець Джандус першим подолав цю трудність вражаюче просто, вмістивши під ковпаком не всю лампу, а тільки вольтову дугу, залишивши контакти вугільних стрижнів поза закритою судиною. При виникненні дуги вугільна пара, окислюючись невеликою кількістю кисню, наявному в замкнутому об'ємі, утворювала вугільну кислоту. Кислота, змішуючись з азотом повітря, утворювала нейтральну атмосферу, в якій і відбувалося подальше горіння вольтової дуги. Крім того, в цьому випадку значно змінювався весь характер процесу горіння. Вугільні стрижні згорали абсолютно однаково, саме горіння проходило плавніше і стійко, а тривалість горіння при однаковому розмірі стрижнів збільшувалась у 10–20 разів.

На мал. 7.5 показана вдосконалена лампа Кертінга із закритою дугою, яка була широко розповсюджена в Німеччині наприкінці XIX століття.

Із залученням дугових ламп різної конструкції були проведені перші досліди вуличного освітлення за допомогою електричного струму (мал. 7.6, 7.7). Проте внаслідок великої складності конструкції, необхідності могутнього джерела струму для утворення вольтової дуги і неможливості гнучкого «дроблення світла» дугові лампи використовувалися переважно як могутні джерела освітлення (наприклад на морських маяках). На мал. 7.8 показаний загальний вид такого морського маяка, світло від потужних дугових ламп якого було видно на відстані в 17 морських миль.