Към историята на електрическото осветление

Тази история започва с тема, много далеч от електричеството, което потвърждава факта, че в науката няма вторични или неперспективни за изучаване. През 1644г Италианският физик Е. Торичели изобретява барометъра. Устройството представляваше стъклена тръба с дължина около метър със запечатан край. Другият край беше потопен в чаша живак. В тръбата живакът не потъва напълно, но се образува така наречената „торицелова пустота“, чийто обем варира поради метеорологичните условия.

През февруари 1645г Кардинал Джовани де Медичи нареди да бъдат инсталирани няколко такива тръби в Рим и да се държат под наблюдение. Това е изненадващо по две причини. Торичели беше ученик на Г. Галилео, който през последните години беше опозорен заради атеизма. Второ, ценна идея следва от католическия йерарх и оттогава започват барометрични наблюдения. В Париж подобни наблюдения започват през 1666г.

Един хубав ден (или по-скоро нощ) 1675гр. Френският астроном Жан Пикар, носейки барометър в тъмното, видя мистериозни светлини в „торицелската пустота“. Беше лесно да се провери наблюдението на Пикард и затова десетки учени повториха експеримента. Беше наблюдавано, че яркостта на светлините зависи от чистотата на живака и наличието на остатъчен въздух в празнотата. И това е всичко. Никой не можеше да разбере защо възниква пожар в изолирано пространство. Това беше истински пъзел, отговорът на който продължи дълги години. (1)

Сър Исаак и Франсис Гоуксби-старши

5 декември 1703 г. президентът на Английската академия на науките (Кралското общество на Лондон) е великият физик Исак Нютон. В същия ден Франсис Гоуксби поема длъжността оператор на академията. Неговите отговорности включват подготовката и демонстрацията на експерименти, проведени от учени. Това съвпадение означава, че Нютон е знаел кого да вземе за свои помощници. (2)

По това време лондонският механик Гауксби, собственик на работилницата, се счита за първокласен дизайнер на научни инструменти и инструменти, включително изобретател на нов тип вакуумна помпа.

В онези години Нютон работи по проблемите на оптиката. Тогава той и много други учени се интересуваха от феномена на сиянието в тъмнината на различни камъни, светулки, гниеща дървесина. Блясъкът на барометъра стигна до тази тема. Те решиха да тестват хипотезата, че светлината в празнотата на барометър дава електричество от триенето на живак върху стъклото. Ф. Гауксби реши да симулира този процес. Той взе куха стъклена топка и изпомпва въздух от нея. Сложих желязната ос на топката върху опорите и с помощта на коланче предадох я въртях. Когато търкаше топката с длани, вътре в нея се появи светлина, „толкова ярка, че беше възможно да се четат думи с главни букви. В същото време цялата стая беше осветена. Светлината изглеждаше странна пурпурна. (3). Барометричната мистерия беше решена.

Британската енциклопедия нарича Гауксби учен, който е много по-напред от времето си, поради което не е в състояние да развие своите идеи. По-специално, инсталацията с натъркана топка беше първата електрическа машина. Той е забравен и десетилетия по-късно е изобретен отново в Германия. Но учените, получаващи тлеещ електрически разряд, изиграха голяма роля в развитието на учението за електричеството. Съвременните газоразрядни лампи и неонови знаци имат своето отражение от този момент нататък.

Като парадокс отбелязваме друга историческа фигура. Лондонският фармацевт Самюъл Уол, според някои източници, чичо Гоксби, още през 1700 г., имайки неясна представа за оптика и електричество, заяви, че е извадил искра от настърган кехлибар, който го е накарал да мисли, че светлината и пукането му представляват прилика на мълния и гръм. , Но предположенията му веднага бяха забравени.Помнете кога се оказа вярно. (4)

Властелин на светкавицата

Електрическото осветление не трябваше да бъде измислено. Той е измислен от самата природа и летните гръмотевични бури ни убеждават в това. А приликата на искрата с гръмоотвод след Уол бе отбелязана от повече от един учен. „Признавам, че много бих харесала идеята - аргументира се един от тях,„ ако тя беше добре доказана и доказателствата, необходими за това, са очевидни “(5). Но как да разследваме процеса, протичащ в облаците и изключително опасен за живота на експериментатора? В края на краищата нямаше самолети, балони и дори много високи сгради, които да стигнат до гръмотевиците.

И необходимите изследователски инструменти в средата на XYII век. беше много оскъдно. Електрическият заряд се определяше от обикновен корк от бутилка, окачена на копринена нишка. Доведена до заредено тяло, тя беше привлечена от него и когато се зареждаше, тя отблъскваше. Физиците имаха под ръка още едно устройство - буркан от Лейдън. Това беше примитивен кондензатор. Водата, излята в бутилката, беше една от нейните чинии с изтеглянето на контакт от шията. Друга подплата беше дланта на изследователя. Експериментаторът провери силата на електрическия разряд върху себе си.

Може ли човек да предприеме най-опасните експерименти с набор от такива възможности? Разбира се, че не! А оптимизмът на някои учени предизвика горчива усмивка. Но геният се заема с въпроса и задачата се опростява до примитивизъм. Решението е просто, убедително и дори елегантно.

За да падне в облаците, великият американец Б. Франклин използва детска играчка - хвърчило, пуснато на вятъра в гръмотевици върху ленена нишка. Мокро, има отлична електрическа проводимост. Когато змията стигна до гръмотевичните вълни, Франклин доведе преднината на лийдънската банка до струната и я зарежда. Това е всичко. Тя беше обвинена и сега експерименти с зареждането на облака можеха да се проведат в нейния апартамент. И зарядът на този буркан даде искри със същия цвят, той беше счупен, той даде специфична миризма, тоест произвежда същите ефекти като електричеството, получено от триещата машина.

Франклин дори определи, че облаците са електрифицирани главно от отрицателен заряд. И също е просто. Той зареди един лейденски буркан със заряд от облак, друг от разтъркана стъклена топка. Когато донесе тапата върху копринената нишка до първата кутия, тапата се издърпа нагоре и се избута. След като я заведох вече заредена на втората банка, установих, че тя е привлечена, демонстрирайки, че зарядът от мълния и стъкленото (положително) електричество имат различни признаци. (6)

Тези експерименти, проведени през 1751 г., бяха толкова убедителни, че не оставиха сянка на съмнение. А електрическата светлина би била ослепително ярка, ако човек може да удължи искрата на мълнията от хилядни от секундата (като мълния) до действително необходимото време за осветление.

Електрическа дъга

През 1799г И Волта създава първата галванична клетка, Химическата енергия на елемента позволява на потребителя да генерира електроенергия за значително време, а не като банката в Лайден. Истинският потенциал за зареждане беше нисък. За да получат високо напрежение, учените започнаха да свързват последователно клетки в батерии.

Петербургският академик В. В. Петров скоро сглоби акумулатор с електромоторна сила от порядъка на 2000 волта. Разбира се, в сравнение с потенциала на гръмотевичен удар това не беше достатъчно, но изхвърлянето на изкуствена светкавица може да продължи минути.

В един от експериментите, използвайки дървени въглища като електроди, Петров получи много ярък и дълготраен разряд, когато въглищата бяха събрани до 5-6 мм. След това ще бъде наречена електрическа дъга. Ученият написа, че между електродите "има много бяла светлина или пламък, от който тези въглища светят и от които тъмното спокойствие може да бъде доста ясно осветено". (7)

Има пряка индикация за използването на дъгата за осветяване на човешкия корпус.Факт е, че архаичната, вече полузабравена дума SILENT според В. Дал означава „стая, камера, камера; всеки отдел за жилищно настаняване. " Сега тази рядка дума може да бъде чута в болницата - приемното отделение или в Кремъл - кралските камари.

Това обаче не беше нищо повече от желание. Сложността и цената на производството на химически източник на ток бяха такива, че нямаше въпрос за практическо приложение на такова осветление. И първите опити просто да го покажат на обществеността се свеждаха до показването на „изгрева“ в Парижката опера, организирането на нощния риболов на Сена или осветяването на Московския Кремъл на тържествата по коронацията.

Трудностите при организирането на електрическо осветление бяха непреодолими не само поради липсата на надежден източник на електроенергия, неговата цена и сложност в поддръжката, но и поради тромавостта на въпроса, както свидетелства събитието в Париж през 1859 г.

Архитектът Lenoir реши да използва електрическа светлина в модерно кафене, което се строи в центъра на града. Тази съблазнителна идея, въпреки че не беше въпрос на стойност, не можеше да бъде реализирана. Според изчисленията се оказа, че за инсталирането на 300 източника на светлина ще е необходимо да се изгради огромна сграда за батерии, равна на самото кафене. (8)

Генералите се интересуват

От 1745г електрическа искра се научи да подпалва алкохол и барут. От половин век тази способност е демонстрирана в университети, кабинки и училища, но не намери практическо приложение. Причината за това беше трудността да се електрифицират тела с триене, за да се получи искра. Едно е да получите искри в сухо, отоплявано помещение или през лятото, но на практика? Историята е запазила подобен инцидент.

Вече споменахме S. Wall, който предложи приликата на мълния и искра. Няма съмнение, че той получи искра, но в присъствието на членове на Кралското общество в Лондон, той не можа да повтори собствения си опит, така че не беше избран за член на това общество.

С появата на галванични клетки ситуацията се промени. По всяко време беше гарантирано получаването на искра. Тогава военните й обърнаха внимание. Руски офицер и дипломат П. Л. Шилинг през 1812г направи първата подводна експлозия на прахов заряд, което е почти невъзможно да се направи по друг начин.

Генерал К.А.Силдър инвестира много енергия за въвеждането на електрически взривни мини в практиката на армията, които използваха своята работеща електрическа арматура за експлозии - предпазители, контактни устройства, разединители. Той направи и наблюдението, че електрическият палеж може да се извърши с една жица, като се използва вместо друга, електропроводимостта на сушата и водата.

Предвид възможностите за електричество през 1840г. Отделът по военно инженерство създаде Техническата галванична институция, в която военният персонал се обучава за използване на електрически уреди, а също така изпълнява изследователски и проектни функции. Физик от световна класа Б. С. Якоби беше свързан с военно-електрическите проблеми, чиято роля трудно може да бъде надценена в развитието на ново направление на военната наука.

Техническата галванична институция може да се гордее със своя възпитаник през 1869г. П. Н. Яблочков, който въведе в световната практика използването на променливи токове, трансформатори и дъгови лампи под името „Руска светлина“, но това ще бъде по-късно, а сега електрическите предпазители са част от практиката на руската армия и се използват широко във войната в Кавказ - Чечня и Дагестан , Понякога армията изпълнява и заповедите на граждански отдели - почиства пристанището на река Нарва или Кронщад с експлозии от ледени задръствания. (9)

Моята война

Кримската война избухна през 1853г. Коалицията от западните страни отново се намеси в делата на държави, които се намират далеч от техните граници, без да дава на Русия възможности за мирно развитие. Основните събития се разгърнаха в Черно море. Съюзниците вече използват пара срещу руския ветроходен флот, а пушки се използват срещу руските гладкостволни оръдия.Нашите сънародници трябваше да удавят флота, за да не позволят на вражеските параходи да влязат в заливите на Севастопол. Що се отнася до пушките на агресора, куршумите от тях удрят безнаказано от разстояния, недостъпни за руските оръдия. Лошо е да бъдеш технически изостанала страна. И този опит по някакъв начин не беше отчетен от нашите съвременни реформатори.

По време на обсадата от врага на Севастопол беше необходимо да се издигне средновековна инженерна отбрана - ровове, бастиони, защитни стени. Тогава шансовете на стрелците се изравниха. В близък бой бяха подходящи и оръжията, а силата на руския щик беше известна на всички. Противниците се страхуваха да приближат укрепления. Тогава съюзниците започнаха минна война. Какво е това?

За да избегнат загуби под стените на обсадената крепост, сапьори на атакуващата армия поставят галерии, ями, поляни под земята. Те копаят дупки под самите стени на укрепления, слагат експлозиви и ги подкопават. Защитниците загиват, а разрушените структури са по-лесни за вземане. Защитниците водят контраминна война. И всичко това е свързано с голям брой подземни работи.

При отбраната на Севастопол сапьорите на Русия извършиха голям брой земни работи. За седем месеца от подземната минна война защитниците положиха 7 км комуникации под земята. И всичко това с лопата и кирка без вентилация. Това бяха най-вече бразди. Инженер А.Б.Мелников, ръководител на подземната работа, приятели шеговито нарекли „Обер-мол“.

Липсата на вентилация обикновено се усложнява от димния въздух на бойното поле. Изгарянето на барут и дим, съдържащ опасен за хората въглероден оксид, е по-лошо от куршумите. Сапърите имат така наречената минна болест. Ето симптомите на сериозното му проявление: "Пациентът внезапно пада, дишането му спира и настъпва смърт, когато се появят несъзнателните и конвулсивни симптоми." (11)

Принудителната вентилация във военни условия е невъзможно да се организира. Увеличаването на диаметъра на дупките означава загуба на време. Имаше само един резерв: покритие на подземните работи. Обикновено сапьорите използват свещи. Те също са служили като източници на огън по време на бомбардировките, но те също могат да бъдат използвани за забавяне на времето, за да се даде възможност на сапьора да напусне засегнатия район. Път от барут се изсипва към заряда и в него се вкарва свещ. Когато изгоря - имаше експлозия. Ясно е, че работата с барут и открит огън доведе до големи загуби от злополуки

Но не само това беше лош открит огън. Ето какво пише в учебника по химия от онова време: „Човек изгаря 10 г въглерод с дъха си на всеки час. Изгарянето на свещ, лампа и газ променя състава на въздуха по същия начин, както човек диша. " (12). Ако използвате източник на светлина, който не консумира кислород, проблемите с вентилацията на сапьорите ще бъдат решени наполовина. Такава светлина може да бъде създадена с помощта на електричество. И военните имаха всички предпоставки за това. Източникът на електроенергия, който те имаха, бездействаше почти през цялото време, с изключение на секунди за подкопаване.

Опитът от Кримската война показа, че електрическият метод на детонация, използван от руските миньори, е по-надежден и удобен от метода на огъня, използван от съюзниците. Например, броят на провалите при експлозиите на руски миньори е бил само 1%, а този на противника - 22%.

За въвеждането на електрическо осветление под земята останаха за няколко. Необходимо беше да се работи внимателно с този въпрос. И това можеше да стане едва след края на войната.

Първите опити за въвеждане

Поражението на Русия в Кримската война и успехът на минната война в нея убедиха генералите в необходимостта от лидерство в областта на използването на електричество във военните дела. От 1866г започват първите опити за използване на електрическо осветление под земята. Използването на ярка дъгова светлина за подземни работи беше безразсъдно. Единственият възможен начин по това време беше осветлението с тръби на Гейслер. Това все още е изложено в Политехническия музей в Москва. Какво е това?

След като измисля живачната помпа, немският изобретател Хайнрих Гейслер основава в Бон работилница за научни инструменти като стъклодушачка. От 1858г той започва масово производство на стъклени епруветки с различни конфигурации и размери с два електрода във вакуумно пространство, изпълнено с различни разредени газове. В електрическото поле те блестяха в различни цветове (различен газов състав) дори от обикновена електрофорова машина. (Спомнете си откритието на Гоксби). С широкото въвеждане на галванични клетки, тръбата може да се запали от тях, но с помощта на индукционни бобини, които увеличават напрежението до високи потенциали.

Тръбите бяха висококачествени, произведени в големи количества и затова получиха името на производителя на тръбата. Те намериха приложение за демонстрационни цели в кабинетите по физика на гимназии и университети. А също и за научни цели в газовата спектроскопия. Инженерният отдел се опита да освети подземните работи с помощта на такива тръби

Имаме на разположение резултатите от първите подобни опити. Използвани са елементи на Bunsen и индукционна намотка на Рукорф. Променя се захранващото напрежение на намотката и честотата на тока на тръбата, както и дължината на захранващите проводници. Тестовете са проведени под земята в реалните условия на лагера Уст-Ижора.

Епруветката излъчваше „белезникава, мигаща светлина. На стената на разстояние от метър се образува петно ​​с такава яркост, че е възможно да се разграничат печатни букви и писмени, но е трудно да се чете. "

Влажността, доста обяснима в полето, силно повлия на резултатите от теста. Високото напрежение се усещаше от тестерите под формата на токови удари. Намотката на Руморф стана влажна и нестабилна. Контактът на самопрекъсвача непрекъснато изгаряше и се изискваше събличане. Ето и заключението на инженерите на сапьорите: „Тези обстоятелства поставят под съмнение успеха на използването на тръбата Geisler, както при слаба осветеност, така и в сложността, с която тези устройства трябва да се боравят.“

Така тръбите на Гейслер бяха осъдени, но това изобщо не беше окончателно за използването на електричество. Оптимистичните бележки се чуват и в доклада за изпитване: "Гейслеровите тръби не дадоха малка надежда за успешното им приложение за работа в моите галерии, като в същото време бяха ангажирани с намирането на по-надеждни средства." Подполковник Сергеев например „предложи да се използва устройство като осветителното устройство, което той предложи да тества каналите в пушките. Устройството се основава на нажежаване на платинена тел ”(13).

Нуждата е пътят към изобретението

Стълбовете на артилерийските парчета след множество изстрели под въздействието на прахови газове неравномерно се износват. За тяхното отстраняване на неизправности отдавна се използва „Устройство за проверка на отвора“. Комплектът за инструменти включва огледало, монтирано на рамка с дължина около 2 метра, и свещи на специален щифт. Процесът се свеждаше до факта, че с помощта на свещ се осветява секция от багажника и състоянието му се вижда от отражение в огледалото.

Ясно е, че такъв отговорен контрол (а стволовете понякога се спукват) при неправилно отражение на вибриращия пламък на свещта не би могъл да бъде с високо качество. Следователно, за предпочитане е гореща платинена жица със същата яркост като свещ, но даваща постоянна светлина. Осветителният апарат на В.Г.Сергеев не е запазен, въпреки че устройство за „проверка на каналите на багажника“ е във фондовете на Музея на артилерията на Санкт Петербург. Жалко е, но първата лампа на принципа на нажежаема жичка не е запазена и за нея няма информация.

Идеята за използване на гореща платинена нишка за осветяване на подземна работа беше подкрепена от командата и наредена да я върне към живот от същия Сергейев. Той ръководи цеховете на батальона „Сапър“, така че нямаше трудности при производството на проби. Ситуацията беше опростена от факта, че до края на войната в Русия бяха разработени нови, по-мощни експлозиви, някои от тях не избухнаха от пламъка.За да предизвикат експлозия, те започнаха да използват малък заряд на барут с насочен взрив, който служи като детонатор.

Дизайнът на такъв заряден детонатор е предложен през 1865г. Д. И. Андриевски. В този предпазител бяха използвани желязото за образуване на кумулативен разкоп. (Фиг. 1). Барутът се подпалва от платинена нишка, нагрявана от ток. Без барут и железни вложки този предпазител беше елементарен електрически фенер с конусен отражател.

Въпреки това беше невъзможно да се използва лампата в тази форма. Не само можеше да предизвика експлозия, когато в огнището беше поставен заряд като свещ. Но за да работите на места, където има блатен газ, беше необходимо да го обградите с взривозащитна мрежа от Дейви, както беше направено в минните лампи. Или измислете нещо друго. В.Г.Сергеев отказва мрежата.

Рисунките на лампата на Сергеев не са запазени, но има доста подробно описание, направено от капитана на Беленченко. Ето кратък текст: „Фенерът се състои от меден цилиндър с диаметър 160 мм, затворен от предната страна със стъкло. Друг цилиндър е споен към краищата на среза, който отива вътре в първия. От стъклената страна на външния цилиндър вътрешната е покрита с плоско изпъкнало стъкло. Във вътрешния цилиндър се поставя рефлектор. Изолираните проводници завършват в рефлектора с два стълба, между които е поставена платинена жица, извита със спирала. " Създадохме предполагаемия вид на фенера според това описание. (Фиг. 2) Пространството между цилиндрите и чашите беше запълнено с глицерин за охлаждане на лампата.

 

Фиг. Междинно зарядно-детонатор Д. И. Андриевски. 1 - железни пълнежи, 2 - барут. Фиг. 2 Окончателната версия на лампата V.G.Sergeeva с гореща нишка.

Тестове, проведени през август 1869г показа, че „основното удобство на фенерче, когато се използва в моите галерии, е, че той може да осветява работа, когато свещта не свети (!!!) и е удобно при копаене на земята“, тоест по време на тежка физическа работа, тъй като гори. "Не разваля въздуха."

Една батерия от клетки Grove свети от 3 до 4 часа. Отначало фенерът се охлаждаше от вода, но когато се нагрява, въздушните мехурчета плуваха между чашите и влошаваха качеството на светлинния лъч. Светлинният лъч даваше светлина с такава сила, че „беше възможно да се чете от лампата на разстояние от две санти (повече от 2 метра)“. (16)

Фенерът на Сергеев е приет и съществува през 1887 г., когато големият руски учен Д. И. Менделеев се издига в балона на батальона „Сапър“, за да наблюдава слънчево затъмнение. (Балонът беше напълнен с водород и беше взривоопасен).

Уви, съдбата на първата лампа с нажежаема жичка, която намери практическо приложение в Русия, не е известна, въпреки че дизайнът беше обещаващ и модерните минни лампи по принцип не се различават от фенера на Сергеев, освен ако миньорите не носят източник на енергия със себе си. (17).

Вместо заключение

Електрическо осветление имаше не само в Русия. Почти всички дизайнери започнаха своята работа в областта на създаването на крушки с нажежаема жичка с нажежаема платинена тел. Но той има ниска точка на топене, следователно е неикономичен.

Изобретателите предлагат да светят въглища в безвъздушно пространство, а след това огнеупорни метали: волфрам, молибден, тантал ...

Тогава се оказа, че за електрическите крушки е необходимо специално стъкло, така че топлинният коефициент на линейно разширение на него съвпада със същия като този на входния метал, в противен случай лампата не е под налягане. При високи температури нагрятата нишка се изпарява, така че крушките са краткотрайни. Започнаха да правят пълни с газ ...

Ясно е, че полу-занаятчийските работилници на руски изобретатели не биха могли да извършат много изследвания, проектиране и технологична работа. И въпросът беше в застой, въпреки че в Русия имаше изобретатели от първа величина, достатъчно е да си припомним Яблочков и Лодигин.Те просто нямаха много пари за това.

И ето Едисон, създал през 1879г. неговият дизайн на стъпалото, който вече е собственост на могъщата компания "Edison & Co.", следователно той успя да изведе въпроса за въвеждането на крушки с нажежаема жичка до финал. Акционерите на руските фабрики за лампи предпочетоха да внасят всички основни полуфабрикати, като стъкло, волфрам, молибден от чужбина, вместо разходите за оборудване. Предимно от Германия. Следователно те влязоха в Първата световна война, като не успяха да направят радио тръби. В онези дни шегата беше широко разпространена, че „в руска електрическа крушка само руски въздух и дори това е изпусната“. Между другото, тя беше изпомпана с лошо качество, тъй като радио тръбата не можеше да работи с такъв вакуум. " (18)

Няма да работи същото с нанотехнологиите.