Истоки и первооткрыватели, история электрического освещения

Электричество – обыденное и жизненно необходимое для большинства людей явление. И как любая привычная вещь, оно редко заметно. Мало кто задаётся вопросом откуда оно появляется, как работает, что с его помощью можно сделать. Однако, его исследованием занимались задолго до нашей эры и до сих пор некоторые загадки остаются без ответа.

Кто придумал электричество — история

Частные проявления электричества изучались ещё задолго до нашей эры. Но соединить их в одну теорию, объясняющую вспышки молний в небе, притяжение предметов, способность вызывать пожары и онемение частей тела или даже смерть человека, оказалось непростой задачей.

Учёные издревле изучали три проявления электричества:

• Рыбы, вырабатывающие электричество;
• Статическое электричество;
• Магнетизм.

В Древнем Египте целители знали о странных способностях нильского сома и пытались с его помощью лечить головную боль и другие заболевания. Древнеримские врачи использовали в сходных целях электрического ската. Древние греки подробно изучали странные способности ската и знали, что оглушить человека существо могло без прямого контакта через трезубец и рыболовные сети.

Несколько раньше было обнаружено, что если потереть янтарь о кусок шерсти, то он начнёт притягивать шерстинки и небольшие предметы. Позже был открыт и другой материал со сходными свойствами – турмалин.

Примерно в 500-х годах до н.э. индийские и арабские учёные знали о веществах, способных притягивать железо и активно использовали эту способность в разных областях. Около 100-го года до н.э. китайские учёные изобрели магнитный компас.

В 1600 году Уильям Гилберт, придворный врач Елизаветы I и Якова I, обнаружил, что вся планета – это один огромный компас и ввел понятие «электричество» (с греческого «янтарность»). В его трудах эксперименты с натиранием янтаря о шерсть и способность компаса указывать на север начали объединяться в одну теорию. На картине ниже он демонстрирует магнит Елизавете I.

Игра с огнем или первые газовые рожки

Электрическую энергию стали впервые массово употреблять именно для освещения, так что лампу накаливания точно можно назвать самым популярным прибором, оно пришло на смену газового. Начало XIX характеризуется массовым появлением хороших осветительных приборов, с него и начинается история освещения. Сила света от газовых рожков уже недостаточна, строятся большие дома и производства, им нужен яркий свет, начинается развитие электрического освещения. Кроме того, нужны легко обслуживаемые приборы, так что приходится переходить на альтернативный тип поставки света в помещения.

Наука, изучающая электричество

Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.

Теории и законы электричества

Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:

• Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
• Закон Ома – основной закон электрического тока;
• Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
• Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
• Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
• Закон Кулон – об электростатике;
• Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
• Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
• Законы Фарадея – об электролизе.

Первые опыты с электричеством

Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.

Наше время, светодиодные лампы

Светоизлучающий диод или LED — одна из наиболее быстро развивающихся сейчас технологий. Светодиоды используют полупроводники для преобразования электрического тока в свет. Они небольшие по площади, меньше одного квадратного миллиметра и излучают свет в определенном направлении уменьшая потребность в отражателях и рассеивателях.

Это наиболее эффективный источник света, присутствующий на рынке. Светодиодные лампы потребляют минимум энергии и могут работать до десяти лет. Это уже не история электрического освещения, а его будущее. Историю развития светодиодного освещения мы обязательно рассмотрим в одной из наших следующих статей.

Откуда берется электрический ток

Электричество, поступающее по проводам в дома, вырабатывается электрическим генератором на различных электростанциях. На них генератор соединён с постоянно вращающейся турбиной.

В конструкции генератора есть ротор – катушка, которая располагается между полюсами магнита. При вращении турбиной этого ротора в магнитном поле по законам физики появляется или наводится электрический ток. Таким образом назначение генератора – преобразовывать кинетическую силу вращения в электричество.

Заставить турбину крутиться можно многими способами, используя разнообразные источники энергии. Они разделяются на три вида:

• Возобновляемые – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: потоков воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
• Невозобновляемые – энергия, получаемая из ресурсов, которые возникают очень медленно, несоизмеримо с темпами расходования: уголь, нефть, торф, природный газ;
• Ядерные – энергия, получаемая из процесса ядерного деления клеток.

Чаще всего электроэнергия возникает благодаря работе:

• Гидроэлектростанций (ГЭС) – строятся на реках и используют силу водного потока;
• Тепловых электростанций (ТЭС) – работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
• Атомные электростанции (АЭС) – работают на тепловой энергии, получаемой от процесса ядерной реакции.

Преобразованная энергия по проводам поступает в трансформаторные подстанции и распределительные устройства и уже потом доходит до конечного потребителя.

Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относят ветрогенераторы, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получить электроэнергию через необычные явления. Альтернативная энергетика сильно уступает по производительности и окупаемости традиционным источникам, но в определённых ситуациях помогают сэкономить и снизить нагрузку на основные электросети.

Самое начало, лампа накаливания

История электрического освещения началась еще задолго до того, как Томас Эдисон сначала в 1879, а потом еще раз через год в 1880 запатентовал свою лампу накаливания и начал ее популяризировать английские изобретатели показывали, что электрический свет можно получить с помощью дуговой лампы. Первый электрический свет люди увидели в 1835 году. После того еще целых 40 лет ученые со всего мира работали над усовершенствованием лампы накаливания и перебирали различные нити (часть лампы, которая при прохождении через нее электрического тока накаляется и производит свет) и атмосферы лампы (нужно ли использовать вакуум или заполнить лампу инертным газом, чтобы нить не перегорала так быстро).

Эти первые лампы накаливания имели очень короткий срок жизни, были слишком дороги, чтобы наладить их массовое производство, а также потребляли много энергии.

Когда Эдисон и его последователи из Менло-Парк начали заниматься вопросом искусственного освещения, они сосредоточились на усовершенствовании самой нити накаливания. Они пытались выбрать наилучший материал, первым был углерод, затем платина, затем исследователи опять вернулись к углероду. К концу октября 1879 года команда Эдисона создала лампочку из обугленной хлопчатобумажной нити, которая могла светить 14.5 часов.

Команда и дальше продолжала экспериментировать с нитями накаливания, пока они не остановились на одном из сортов бамбука. Такие лампочки могли гореть до 1200 часов. Эта нить стала стандартом для лампочки Эдисона в течение следующих десяти лет. Эдисон также делал другие усовершенствования для ламп накаливания, он предложил выкачать весь воздух из колбы, чтобы нить не перегорала так быстро, а также он ввел стандарт, на способ подключения лампы к сети ввинчиванием.

Нельзя говорить об истории лампочки не вспомнив об Уильяме Сойере и Абоне Мэне, которые получили патент США на лампы накаливания. Еще был Джозеф Свон, получивший патент на лампу накаливания в Англии. В то время было много споров, нарушает ли лампа накаливания Эдисона патенты всех этих людей. Но, в конце концов, компания Эдисона слилась с компанией Thomson-Houston Electric, которая выпускала лампы под патентом Сойера-Мэна и стала называться General Electric. Затем к этой компании присоединилась английская компания Джозефа Свона.

Вклад Эдисона в историю электрического освещения очень большой. Он не остановился на улучшении лампы накаливания. Он разработал целый ряд изобретений, которые сделали использование лампочек более практичным. Эдисон смоделировал свою технологию освещения на основе существующей газовой системы.

В 1882 году, в Лондоне он показал, что электричество может быть распределено от центрального генератора в нужные места с помощью электрических проводов и труб. Одновременно с этим он сосредоточился на повышении выработки энергии. Была разработана первая коммерческая электростанция Pearl Street Station в нижнем Манхэттене. Кроме того, чтобы отследить сколько энергии использовал каждый клиент Эдисон разработал первый электрический счетчик.

В то время, пока Эдисон работал над своей системой освещения, другие изобретатели продолжали делать маленькие подвижки в улучшении нити накаливания и повышении эффективности лампочки. Следующее большое изменение в лампе накаливания произошло с изобретением вольфрамовой нити европейскими изобретателями в 1904. Новые лампы горели дольше и имели более яркий свет по сравнению с углеродными лампами. В 1913 Ирвинг Ленгмора выяснил, что вместо вакуума лучше использовать инертный газ, такой как азот. Это повысило эффективность лампы накаливания в два раза. В следующие 40 лет ученые продолжали вносить мелкие улучшения, что повысило эффективность лампы и уменьшило потребление энергии. Но в 50 х годах ученые выяснили, что на свет используется только 10 процентов энергии, все остальное уходит на тепло. Тогда они переключились на другие решения. На этом история освещения не закончилась.

Основные исторические вехи эры электричества

В конце века электрическая энергия стала доминирующей во всем, на ней работает промышленность, без электричества нельзя себе представить развития мира. На этой незаменимой для современного мира энергии работает все. Так что освещение – малая часть достижений, хотя и немаловажная, скоро будет открыт галогенный цикл (год 1913). Каким будет освещение будущего предугадать трудно, сегодня наука и промышленность идут рядом семимильными шагами. После лампы накаливания и газонаполненных ламп мы уже познакомились с галогенными и люминесцентными лампами и другими источниками излучения. Для большого спроса требуется недорогой вариант осветительных приборов, в наш быт стремительна входят светодиодные лампы и ленты, потребители уже знакомы с люминофорами и ксеноновыми лампами. Что нас ждет завтра – покажет будущее, эра современного применения электричества только началась.

Пройденная до электрическая эпоха

Первые приборы, работающие на электричестве, появились в 1802 году, источники тому – разработки В.В.Петрова – его поиски освещения с использованием простейшей электрической дуги привели к изобретению чего то необычного. Это появились лампы накаливания, параллельно этим работам проходило конструирование и первых ламп, первая необычная для того времени лампа сделана в Англии, ее автор Деви в том же году, что и Петров. Когда физик Жан Бернар Фуко заменил древесные электроды на аналоги из угля, лампа стала гореть дольше, но пока что управлялась вручную. Ее уже использовали в театрах и в микроскопах для точечного освещения, уже нашли применение таким ярким осветительным приборам в маяках, но пока это были первые неуверенные шаги в мир яркого света с угольными электродами.

Дуговое освещение пошло по своему особенному пути, там применили свои силы Чиколев и Штуккерт, довольно много дуговых ламп выпустили заводы Сименса, вплоть до 80-годов они использовались для освещения городов, устанавливались на транспорте. Когда эра дуговых ламп прошла, они остались в прожекторах и проекционных приборах.

История освещения: от костра до светодиодов и дальше

24.09.2018 16:40 статья

В этой статье мы вкратце расскажем о том, почему людям необходимо искусственное освещение и как оно развивалось на пути от костров на стоянках первобытных людей до современных светодиодных систем.

Содержание

• Костёр, а с ним и свет, и тепло
• Пробуем электричество
• Приветствуем газорязрядные лампы!
• Появление светодиодов
• Смотрим в будущее

Кому из людей не знаком страх темноты? Конечно, многие взрослые скажут: чего там бояться, темнота она и есть темнота. Но давайте попробуем вспомнить то время, когда мы были детьми: кровать с уютными подушкой и одеялом представлялась крошечным безопасным островком в море темноты. Шкаф становился проходом в неизведанное, пространство под кроватью – убежищем для монстров. Почему темнота оказывает такое влияние на большинство людей, откуда берётся страх перед ней и почему мы чем дальше, тем отчаянней нуждаемся в свете?

Некоторые исследователи полагают, что страх перед темнотой появился у людей ещё в древности как следствие жизненного опыта. Например, многие хищники ведут ночной образ жизни, а значит, вероятность быть съеденным ночью оказывается выше. К тому же наши органы чувств плохо приспособлены к условиям слабой освещённости: всё-таки человек – существо преимущественно дневное

. Добавим к этому суточные ритмы, которые (если речь не идёт о привыкшем к ночному образу жизни, хотя и тут вопросов остаётся достаточно) изменяют биохимические процессы в организме, что приводит к снижению умственной активности и физических способностей. Картина получается тревожная: человек ночью весьма уязвим. Ну а где тревога – там и страх, который в современном городе кажется чем-то иррациональным, но поспорить с опытом тысяч прошлых поколений, запечатлённым в нашей ДНК, не так-то просто.

Поэтому современные города стали похожи на новогодние ёлки – в поле зрения людей постоянно находится как минимум один источник света, а чаще – намного больше. В отдельных случаях экологи даже используют понятие «светового загрязнения» для описания засветки, возникающей над крупными городами, что ещё раз подчёркивает вред от избыточного освещения.

Костёр, а с ним и свет, и тепло

Когда-то человеческие поселения были еле-еле освещены светом костров и факелов. Первым источником света для первых людей стал огонь

. И дело пошло на лад: хищники остались в окружающей костёр темноте, а поселенцы вдобавок получили источник тепла для приготовления пищи.

Среди продуктов сгорания присутствует множество частиц с избыточной энергией, полученной в ходе реакции. Но долго пребывать в таком виде они не могут и стремятся вернуться в основное состояние. А поскольку энергия ниоткуда не берётся и никуда не пропадает, она испускается в том числе в виде фотонов, которые формируют как видимый свет, так и инфракрасное излучение, которое мы воспринимаем как тепло. Но здесь и кроется загвоздка. Поскольку на видимый свет приходится лишь небольшая часть излучения, световая отдача костра, факела, свечи и т.п. очень невелика.

Вплоть до XIX века, когда широкое распространение начало получать освещение электрическое, человечество использовало практически одно горение как источник света. На этом пути были перепробованы различные варианты топлива и исполнения светильников: в разное время и в разных ситуациях люди пользовались лучинами, керосиновыми и масляными лампами, свечами, газовыми фонарями. Встречались и экзотические решения. Например, индейцы использовали для освещения своих хижин высушенную рыбу-свечу с пропущенным через неё фитилём – обилие в ней жира прекрасно поддерживает горение. Собственно, поэтому эта небольшая рыбка и получила в народе такое название (по-научному же она это эвлахон или тихоокеанский талеихт).

Пробуем электричество

С приходом эпохи электричества ситуация начала меняться. Первыми электрическими лампами, вопреки расхожему мнению, стали вовсе не лампы накаливания, а угольные дуговые источники света

. В таком приборе источником света выступала электрическая дуга, образовывавшаяся между двумя угольными электродами. В конце XIX века такие лампы получили широкое распространение в качестве источников уличного освещения.

Кстати, одним из изобретателей, отличившихся на поприще электрического света, стал наш соотечественник Павел Николаевич Яблочков, разработавший простую и эффективную конструкцию угольной дуговой лампы, в дальнейшем и названной его именем – свечой Яблочкова. Однако, Павлу Николаевичу тоже не удалось преодолеть один из самых больших недостатков таких источников света – их маленький срок службы. Большинство образцов угольных дуговых ламп горели не больше 100 часов.

Поэтому в начале XX века повсеместно стали использоваться более долговечные лампы накаливания

с нитями из тугоплавких металлов, которые до сих пор, по прошествии уже более чем ста лет, всё ещё остаются весьма популярными в силу своей дешевизны и неприхотливости. Хотя первые образцы, разработанные Томасом Эдисоном ещё в 70–80-х годах XIX века использовали угольное волокно и также имели ограниченный срок службы – около 40 часов, это не помешало им получить широкое распространение и иметь коммерческий успех. Ключевым фактором для них стало удобство использования и низкая цена – в течение первых пяти лет существования фабрики Эдисона по производству ламп их цена снизилась с 1 доллара 25 центов до 22 центов за штуку.

Приветствуем газорязрядные лампы!

Но о дуговых, или разрядных, источниках света никто не забыл. Ещё в 90-х годах XIX века Никола Тесла запатентовал систему освещения газоразрядными лампами

, наполненными аргоном. Такая лампа требовала для своей работы источника тока высокого напряжения и высокой частоты. Кстати, далёкие потомки тех первых ламп используются и по сей день, наряду с криптоновыми, ксеноновыми, неоновыми и некоторыми другими.

В дальнейшем идея развивалась, появлялись металлогалогенные, натриевые лампы, большое распространение получили лампы ртутные – которые мы используем и сейчас. Хотя первые эксперименты с парами ртути в качестве внутренней среды газоразрядных ламп показали, что свет, отдаваемый таким источником, имеет довольно низкое качество – в видимой части его спектра преобладают синие и зелёные цвета. Более того, в нём велико количество ультрафиолета, для глаза невидимого, а в больших количествах вредного для живых организмов. На этом свойстве паров ртути, кстати, основаны бактерицидные и кварцевые лампы – в них используются специальные типы стёкол, которые в большей степени пропускают ультрафиолетовое излучение, чем привычное нам силикатное стекло.

В 1926 году группа немецких инженеров во главе с Эдмундом Гермером предложила покрывать внутреннюю поверхность ртутных ламп люминофором – веществом, которое способно поглощать ультрафиолет и переизлучать свет в видимом диапазоне. Так родилась люминесцентная лампа – она же лампа дневного света. Важным преимуществом газоразрядных ламп стала, была и остаётся более высокая эффективность по сравнению с лампами накаливания – их светоотдача может на порядок отличаться. А значит, меньше энергии становится теплом и больше – светом.

Появление светодиодов

Первые промышленно значимые светодиоды

появились в 60-х годах XX века. На первых порах это были источники красного (реже – жёлто-зелёного) света, которые использовались в различных индикаторах. Эффективность их оставляла желать лучшего – всего 1-2 люмена на ватт, что было чуть ли не на порядок ниже традиционных ламп накаливания. 30 лет спустя, в середине 90-х годов, этот показатель составлял уже 30, а к концу тысячелетия – уже до 60 люменов на ватт.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Источником же света служит процесс рекомбинации, также как у рассмотренных ранее дуговых ламп, но в данном случае он идёт не между положительно заряженными ионами и электронами, а между электронами и дырками – обычными «обитателями» полупроводников. Причём излучать светодиод может только в очень узком диапазоне спектра, определяемом составом полупроводника. Поэтому для создания белых светодиодов в любом случае используются люминофоры.

Серьёзным препятствием для массового внедрения светодиодного освещения оставалась высокая стоимость, но по мере открытия новых полупроводниковых материалов и увеличения объёмов производства их цена снижалась. Хотя до сих пор светодиодные лампы обходятся дороже, чем сопоставимые им по световому потоку лампы накаливания, это с лихвой компенсируется существенно более низким энергопотреблением и на порядок большим сроком службы.

Распространённым является мнение, что газоразрядные лампы в настоящее время сменяются на светодиодные источники в силу большей энергоэффективности последних. Это тоже не совсем правда. До недавнего времени световая отдача большинства светодиодных светильников была ничуть не выше их аналогов, например, с натриевыми лампами высокого давления. Основными критериями здесь стали срок службы – чем дольше не нужно менять лампочку, тем меньше средств тратится на сам процесс замены, безопасность с экологической точки зрения – поскольку паров ртути в них нет, утилизировать светодиодный источник света можно, как любой другой электронный прибор. Но с развитием технологии световая отдача у светодиодов будет только расти, а классические газоразрядные лампы уже достигли практического предела и дальнейшие фундаментальные исследования в этой области кажутся нецелесообразными. В настоящее время перспективные образцы светодиодов, находящиеся на стадии исследовательской работы, показывают светоотдачу на уровне 250 лм/вт.

Смотрим в будущее

Что же нас ждёт в будущем? В настоящее время ведутся разработки в области органических светодиодов (OLED)

, но пока срок службы и характеристики не позволяют использовать их в качестве источника света. В любом случае потенциал светодиодного освещения ещё далеко не исчерпан, а значит, в ближайшие годы нас ждёт постепенное развитие этого направления с увеличением энергоэффективности и уменьшением цены.

Одним из перспективных направлений в развитии светодиодных приборов выглядит использование люминофоров на основе квантовых точек

. Квантовая точка – это полупроводник, расстояние между энергетическими уровнями электронов в котором зависит от его геометрии. При переходе от одного уровня к другому испускается фотон, а значит, меняя размер квантовой точки и, соответственно, расстояние между энергетическими уровнями, мы можем менять энергию фотона, а следовательно – и частоту излучения или цвет света. Эти и некоторые другие свойства позволяют говорить о превосходстве квантовых точек над традиционными люминофорами. В настоящее время производство квантовых точек возможно в промышленных масштабах. Некоторые компании уже представили конечные продукты, в том числе и лампы, на их основе.

Источники света до появления электричества

Человек с самых ранних времен старался обеспечить освещение в темное время суток. Причем, на первых порах оно служило еще и защитой от хищников. Что касается развития источников света, можно выделить несколько основных этапов:

1. Костер. Самый первый и самый простой вариант, который разжигали в пещере или самодельном убежище и поддерживали постоянно, так как добывать огонь самостоятельно в тот период еще не умели.
2. Лучины. Со временем люди заметили, что некоторые смолистые породы дерева горят намного ярче и дольше остальных. Их стали использовать для освещения, раскалывая на небольшие лучины и поджигая по мере сгорания, что позволяло экономить материал и обеспечивать свет в течение долгого времени.
3. Первые светильники были примитивны по своей конструкции. В емкость с маслом, природной смолой либо животным жиром опускался небольшой фитиль, который горел долгое время. Со временем стали использоваться продукты нефтепереработки, что еще больше увеличило эффективность. Появились факелы и другие варианты, пропитанные горючими веществами.
4. Воск и парафин позволили изготавливать свечи, которые помогали освещать помещение долгое время. Чаще всего воск собирался и использовался при повторном изготовлении свечей.
5. Следующим этапом развития стали масляные, а затем и нефтяные лампы. Конструкция представляла собой фитиль, который пропитывался в емкости и за счет специальной системы понемногу извлекался для равномерного горения. Чтобы защитить пламя и сделать свет ровнее, сверху использовалось защитное стекло.

6. Газовые лампы широко использовались для уличного освещения в Великобритании и некоторых других странах. За счет удобства доставки газа и простоты подключения удалось получить достаточно мощный источник света, который легко зажигать и тушить.

Кстати! Все источники света, предшествующие электрическим, были небезопасны. Поэтому нередко являлись причиной пожаров, иногда даже выгорала значительная часть городов.