История развития электрического освещения

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЛАСТНОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»

Индивидуальный проект

на тему

«История развития электрического освещения»

Выполнил:

Селезнёв Михаил,

студент группы 2021-10

Руководитель проекта:

Саранцева Маргарита Юрьевна,

преподаватель физики

Липецк, 2022

Содержание:

1. Введение……………………………………………………………………….3

2. История освещения до электричества……………………………………….4

3. Переходная стадия.……………………………………………………………6

4. Лампа Лодыгина.………………………………………………………………8

5. Лампа Яблочкова………………………………………………………………10

6. Лампа Эдисона…....……………………………………………………………11

7. Люминесцентные лампы..……………………………………………………..13

8. Светодиодные источники света……………………………………………….15

9. Натриевая лампа………………………………………………………………..17

10. Ксеноновая лампа Шульца…………………………………………………….19

11. Энергосберегающие лампы…………………………………………………...21

12. Технические характеристики ламп……………………………………….......23

13. Вывод…………………………………………………………………………...24

14. Список использованных Интернет – ресурсов ……………………………...25

Введение

Цель проекта: Ознакомить с историей возникновения источников электрического освещения и расширить спектр знаний о них.

Актуальность: Самым первым крупным потребителем электроэнергии стало освещение. Знания об истории настолько распространённого электротехнического устройства, как лампочка, являются просто необходимыми в современном мире. Люди должны знать, каким великим умам они должны быть благодарны.

История освещения до электричества

Самыми первыми источниками освещения начиная с ранней эпохи развития человека были костёр и факел. Сначала костёр горел в пещерах, равномерно освещая и согревая пространство вокруг себя. Затем, его переместили в специальное место, названное очагом.

До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился большой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания

все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.

В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.

До П.Н. Яблочкова применение переменного тока считали не только опасным, но и совершенно неподходящим для практического использования, потому столь долгое время сфера электромеханики находилась в состоянии простоя.

В «доэлектрической» эпохе люди пользовались примитивными источниками освещения – масляными лампами, свечами.

На Руси, например, придумали использовать в качестве источника света зажженную щепу, называемую лучиной. Принцип весьма прост – ее закрепляли под углом на подставке с металлическим наконечником и поджигали нижний конец. Под огонь ставили металлический лист или сосуд с водой, чтобы уберечь дом от пожара.

Со временем, открывались новые вещества, способные поддерживать горение. Даже относительно близко к моменту изобретения первой электрической лампы люди придумывали новые способы использования горючих веществ. Так, в начале XIX века появились жировые свечи, а в 1790 году французский инженер Филипп Лебон начал работать над процессами перегонки сухой древесины и вскоре смог выделить газ, горение которого было намного ярче, чем у любого другого на тот день светового прибора. Некоторое время он продолжал свои эксперименты, усовершенствуя процесс, и вскоре свет увидел первый газовый рожок, на который Филипп получил патент.

Переходная стадия

Изобретению электрической лампочки предшествовали ещё события, уже связанные с электричеством, во многом поспособствовавшие созданию лампы Лодыгина и других:

1780 год – созданы водородные лампы, в которых впервые за всю историю для розжига используется электрическая искра.

1802 год – открыто свечение накаленной проволоки из платины и золота.

1802 год – русский ученый, физик-экспериментатор Василий Владимирович Петров, самостоятельно обучавшийся электротехнике, открывает явление электрической дуги между двумя угольными стержнями. Помимо светового излучения, он открывает и доказывает практическое применение данного эффекта для сварки и плавки металлов, а также восстановления их из руд. Петров делает еще ряд важных открытий, поэтому он по праву называется отцом отечественной электротехники.

1802 год – В.В. Петров открывает эффект свечения тлеющего разряда.

1820 год – английский астроном Уоррен де ла Рю демонстрирует первую из известных ламп накаливания.

1840 год – немецкий физик Уильям Роберт Грове впервые применяет для разогрева нити накаливания электрический ток.

1841 год – английский изобретатель Ф. Молейнс патентует свою лампочку, в которой светился порошковый уголь, помещенный между двумя платиновыми стержнями.

1844 год – Американский ученый Старр пытается создать лампы с угольной нитью, но результаты его опытов неоднозначны.

1845 год – в Лондоне Кинг получает патент на применение нитей накаливания из угля и металла для освещения.

1854 год – Генрих Гебель, находясь в Америке, впервые создает лампу с тонкой угольной нитью. Ей он освещает витрину своего магазина, в котором он продавал сделанные им часы.

1860 год – в Англии появляются первые газоразрядные ртутные трубки.

Лампа Лодыгина

А. Н. Лодыгин закончил военное училище, но затем подал в отставку и поступил в Петербургский университет. Там он начал работу над проектом летательного аппарата. В России у него не было возможности построить свое изобретение, Лодыгин уезжает во Францию. Тогда шла франко-прусская война, и молодой изобретатель хотел приспособить свое детище для военных нужд. Французское правительство приняло его предложение, и началась постройка аппарата, напоминавшего современный вертолет. Но Франция проиграла войну, и работы были остановлены. Сам Лодыгин, работая над своим изобретением, столкнулся с проблемой его освещения ночью. Эта проблема настолько его увлекла, что после возвращения в Россию Лодыгин полностью переключился на ее решение.

Лодыгин начал опыты с электрической дугой, но очень быстро от них отказался, так как увидел, что раскаленные концы угольных стержней светят ярче, чем сама дуга. Изобретатель пришел к выводу, что дуга не нужна, и начал опыты с различными материалами, накаляя их током. Эксперименты с проволокой из различных металлов ничего не дали — проволока светились лишь несколько минут, затем перегорала. Тогда Лодыгин вернулся к углю, которым пользовались для получения электрической дуги. Но он брал не толстые угольные стержни, а тонкие. Угольный стерженек помещался между двумя медными держателями в стеклянный шар, по нему пропускался электрический ток. Уголь давал свет довольно яркий, хотя и желтоватый. Угольный стержень выдерживал примерно полчаса.

Для того чтобы стержень не сгорал, Лодыгин поставил в лампу два стержня. Сперва накалялся только один и быстро сгорал, поглощая весь кислород в лампе, после этого начинал светиться второй. Поскольку кислорода оставалось очень мало, он светил примерно два часа. Теперь нужно было выкачать воздух из лампочки и исключить его просачивание внутрь. Для этого нижний конец лампы погружался в масляную ванну, через которую от источника тока к лампе шли провода. Вскоре и от этого способа пришлось отказаться, была сделана лампочка, в которой можно было менять угольные стержни после сгорания. Но неудобства возникали из-за необходимости откачивать воздух.

Академия наук присвоила Лодыгину Ломоносовскую премию за то, что его изобретение приводит к «полезным, важным и новым практическим применениям».

Лампа Яблочкова

В 1874 г. П. Н. Яблочков взялся освещать электрическим светом путь Императорскому поезду и на деле ознакомился с неудобствами существовавших в то время регуляторов для вольтовой дуги. Он задумал разработать конструкцию дуговой лампы вовсе без регулятора, поскольку не верил в возможность создания совершенных регуляторов

При работе на переменном токе оба угля сгорают с одной и той же скоростью, изолирующая масса между ними испаряется и, таким образом, сохраняются постоянное расстояние между концами углей и постоянная длина электрической дуги, независимо от колебаний питающего дугу напряжения.

Результатом опытов Яблочкова явилась не только разработка свечи. Он обнаружил, что сопротивление многих тугоплавких тел электрическому току уменьшается при нагревании, вопреки широко распространённому тогда мнению, будто сопротивление всех твёрдых тел увеличивается с повышением температуры, как это имеет место в металлах.

Сила электрического тока, проходящего через каолиновую пластинку и разогревающего её, растёт, и раскалённая пластинка начинает ярко светиться. Обнаружив это явление, Яблочков использовал его для изготовления лампы накаливания, не требовавшей удаления воздуха. Телом накала в этой лампе служила каолиновая пластинка, вырезанная в форме той или иной фигуры или буквы.

Лампа Эдисона

В 1870-х годах над созданием и совершенствованием лампы накаливания начал свою работу Эдисон. Он отличался не только продуктивностью в создании различных идей, но и фантастической работоспособностью в проведении экспериментов Изобретатель действовал методом практических проб: карбонизировал массу растений, подставлял различные материалы в качестве нити накала. В 1879 году он запатентовал усовершенствованную лампу накаливания с платиновой нитью. Далее он предложил вариант конструкции, в которой использовалась угольное волокно. Созданная им лампа могла гореть не менее 40 часов подряд. Кроме того, он создал патрон и цоколь. Эта лампочка продавалась по цене менее одного доллара и была более доступной, чем большинство восковых свечей.

Занимаясь разработкой лампы, Эдисон понимал, что кроме выбора материалов важно и оформление механизма. Так, он изобретает предохранители, счетчики, первые выключатели, электрогенераторы. Многие из компонентов для освещения, которые придумал Эдисон, являются стандартными и до сих пор используются во всем мире. Изобретатель хотел сделать так, чтобы лампочки стали доступны всем. Для этого он начал продавать их по заниженной цене. Электрическая лампочка Эдисона стоила чуть больше доллара. Быстрая автоматизация производства позволила снизить затраты и при этом выпускать большое количество товара. Вскоре себестоимость лампы стала около 22 центов. Мечта Эдисона – общедоступность лампочек, наконец сбылась.

В настоящее время лампочки являются обычным делом. Они доступны и весьма удобны в использовании. Более того, появилось множество различных типов и моделей ламп. «Лампочка Эдисона» - это название определенного вида ламп. Они оформлены в стиле ретро и схожи с теми, что использовались во времена Томаса Эдисона. Такие лампы излучают мягкий свет, могут иметь множество разных форм. Лампочки Эдисона часто используют для дизайна помещений, где требуется уют.

Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа - это устройство, в котором электрический разряд проходя через пары ртути создаёт ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью люминофора - например, смеси галофосфата кальция с другими элементами. Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности. Раньше люминесцентные лампы называли так же лампами дневного света. Но теперь есть уже и другие лампы которые по спектру свечения близки к дневному свету.

История люминесцентной лампы началась в 1856 году, когда Генрих Гейслер с помощью соленоида заставил заполненную газом трубку вспыхнуть синим светом.

Позже корпорация General Electric купила патент у Гермера и в 1938 году довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования. Свет первых ламп напоминал естественный уличный свет в пасмурный день. Считается, что именно тогда и появилось название «лампа дневного света». 

Люминесценция – это нетепловое излучение, возникающее при спонтанном излучательном переходе ионов, молекул или атомов газов, растворов и твердых тел из высокоэнергетических состояний в состояния с более низкой энергией.

При замыкании контакта выключателя ток поступает в цепь и, минуя электроды, сопротивление которых выше, чем остальной цепи, достигает стартера. Из-за близкого расположения контактов возникает тлеющий разряд, разогревающий приваренную к одному из контактов биметаллическую пластину, которая изгибаясь, замыкает цепь. Напряжение становится достаточным, чтобы преодолеть сопротивление электродов и спровоцировать появление электрической дуги.

Поток свободно движущихся частиц, образовавшихся под воздействием высокого напряжения около вольфрамовых нитей, выбивает электроны с внешних орбит атомов заполняющего колбу инертного газа. Движущиеся свободные частицы, сталкиваясь с атомами ртути, переводят ее электроны на более высокую орбиту. Их возвращение сопровождается ультрафиолетовым излучением, которое, попадая на покрытые люминофором стенки колбы, преобразуется в видимое свечение.

Светодиодные источники света

Светодиод - прибор полупроводникового типа с электронно-дырочным переходом, который излучает свет определенной длины волны под воздействием тока, пропускаемого в прямом направлении. В основе лежит кристалл полупроводникового типа, закрепленный на основе из меди или алюминия. Сверху кристалл закрывается слоем силикона и линзой из пластмассы. Вместе они образуют оптическую систему.

Принцип работы светодиодной лампы основан на излучении света в очень узком диапазоне длин волн: то есть, с цветовой характеристикой энергии полупроводникового материала, который используется для изготовления светодиодов. Для излучения белого света от светодиодной лампы надо смешивать излучения от красного, зеленого и синего светодиодов или использовать люминофор для преобразования частей света в другие цвета.

Впервые на эффект электролюминесценции обратил внимание английский ученый Генри Рауд в 1907 году. Проводя эксперименты с током, проходящим через металл-карборунд. Он заметил свечение, которое испускал твердотельный диод, изучил и описал его.

В 1923 году подобный эксперимент поставил советский экспериментатор Олег Лосев. Физик до конца жизни занимался исследованиями данной области. Нашел более эффективные полупроводники, создал удобный полупроводниковый прибор на основе цинкита, заметно повышающий качество радиоприема. Он сделал еще ряд важнейших открытий, которые легли в основу современных высокотехнологичных устройств на основе полупроводниковых светодиодов.

1961 год ознаменовался открытием инфракрасного светодиода. Разработали и запатентовали его Р. Байард и Г. Питтман. В последующие годы ученые активно работали над увеличением яркости и диапазона излучения полупроводниковых светодиодов.

В 1970-х годах советский академик Жорес Иванович Алферов на базе арсенида галлия на подложке вырастил многопроходную двойную слоистую структуру, образованную полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны (гетероструктуру). В области контакта таких полупроводников образуется повышенное количество носителей заряда, что в видимой, для человеческого глаза области, проявляется заметно более ярким свечением светодиодов, по сравнению с гомоструктурами (полупроводниками с единственной шириной запрещенной зоны).

Натриевая лампа

Непрерывное развитие дорожной инфраструктуры в первой половине 20 века поставило инженеров перед необходимостью разработки мощных источников света с высоким КПД, не требующих частой замены. Подобным требованиям в полной мере удовлетворяли натриевые лампы низкого давления, активное внедрение которых в Европе и США пришлось на 1930-е годы.

Несмотря на относительную простоту конструкции, изготовление устройств потребовало пересмотра ряда существующих технологий. Натриевые пары, используемые в лампах, агрессивны к обыкновенному стеклу, что потребовало использования колб из стекла на основе боросиликата. Другой особенностью стала повышенная чувствительность НЛНД к окружающей температуре. Проблема была решена помещением основной стеклянной колбы в дополнительную, с образованием своеобразного «термоса» с двумя оболочками, эффективно удерживающего тепло.

Традиционные лампы НЛНД излучают яркий свет с оранжево-желтым оттенком, что несколько ограничивает область их применения. Изделия используются преимущественно для уличного, архитектурного, декоративного освещения. В некоторых случаях допускается применение в помещениях.

Выпускаемые сегодня натриевые лампы отличаются более широкой сферой применения и достаточно часто устанавливаются в помещениях для создания световых акцентов. Следует учитывать повышенные требования изделий к качеству электроснабжения и склонность к снижению ресурса при нестабильном питании.

Современные лампы имеют высокое давление газа в колбе и отличаются от НЛНД лучшей световой отдачей и долговечностью. Также следует отметить минимальный спад светового потока на протяжении всего срока службы. Последние поколения натриевых ламп лишены большинства недостатков цветопередачи НЛНД. Это достигается увеличением температуры «холодной зоны», повышением содержания натрия, а также изменением размера колбы. Также на внешнюю колбу могут наноситься люминофоры и интерференционные покрытия.

В конце срока службы натриевые лампы высокого давления (демонстрируют явление, известное как циклирование, вызванное потерей натрия в дуге. Натрий является высокореактивным элементом и теряется в реакции с оксидом алюминия дуговой трубки. 

Ксеноновая лампа Шульца

Ксеноновая лампа Шульца (дуговая лампа) - источник искусственного света, в котором источником излучения является электрическая дуга в колбе, заполненной ксеноном.

Лампа состоит из колбы из обычного или кварцевого стекла с вольфрамовыми электродами. Колба вакуумируется и затем заполняется ксеноном. Ксеноновая лампа с короткой дугой была изобретена в 1940-х годах в Германии и представлена в 1951 году. Лампа нашла широкое применение в кинопроекторах откуда вытеснила преимущественно угольные дуговые источники света.

Лампа дает яркий белый свет, близкий к дневному спектру, но имеет достаточно невысокий КПД.

В ксеноновой лампе основной поток света излучается столбом плазмы возле катода. Светящаяся область имеет форму конуса. Спектр ксеноновой лампы приблизительно равномерный по всей области видимого света, близкий к дневному свету. Но даже в лампах высокого давления есть несколько пиков в ближнем инфракрасном диапазоне. Существуют также ртутно-ксеноновые лампы, в которых, кроме ксенона в колбе, находятся пары ртути. Они излучают голубовато-белый свет с сильным содержанием ультрафиолета, что позволяет использовать их для физиотерапевтических целей. Благодаря малым размерам светящейся области, ксеноновые лампы могут использоваться как близкий к точечному источник света, позволяющий производить достаточно точную фокусировку излучения.

Во всех современных ксеноновых лампах используется колба из кварцевого стекла с электродами из вольфрама, легированного торием. Кварцевое стекло — это единственный экономически приемлемый оптически прозрачный материал, который выдерживает высокое давление и температуру. Для специальных задач применяют изготовление колбы лампы из сапфира. Это расширяет спектральный диапазон излучения в сторону коротковолнового ультрафиолета и также приводит к увеличению срока службы лампы. В ксеноновой лампе анод при работе сильно нагревается потоком электронов, поэтому лампы большой мощности нередко имеют жидкостное охлаждение.

Энергосберегающие лампы

В конце XIX века Питер Купер Хьюитт изобрел первый вариант привычной и часто применяемой сейчас энергосберегающей лампы. Практичную флуоресцентную лампу удалось создать союзу Джорджа Инмана. Результат работы был представлен в 1938 году. Сам патент был получен только через три года после этого события. Предполагалось, что U-образными, а также круглыми лампами можно будет уменьшить длину светильных приборов с флуоресцентными лампами. Изобретение компактной флуоресцентной лампы спирального типа произошло в 1976 году Эдвардом Хаммером. Все требования при разработке данного проекта были соблюдены, однако работа была заморожена из-за высокой цены обеспечения наладки выпуска. Созданный дизайн тут же скопировали другие производители этого направления.

Для создания компактных флуоресцентных ламп, которые бы не отличались по размеру от обычных ламп накаливания, специалисты разработали новые высокоэффективные виды фосфора. Они обладали свойством выдержки большого напряжения, чего нельзя сказать о ранних вариантах ламп. Изогнутую колбу покрывали слоями люминофора, а в качестве наполнителя использовали инертный газ и пары ртути. Ионизация данного вещества приводит к свечению самой лампы. В колбе находятся электроды из вольфрама, которые покрываются смесью окислов кальция, бария и других элементов. В люминофоре содержатся щелочноземельные металлы, которые влияют на обеспечение работы ламп при облучении высокого уровня интенсивности. Именно за счет них специалистам удалось уменьшить размер колбы энергосберегающей лампы.

Преимуществами энергосберегающих ламп, по сравнению с лампами накаливания, являются экономия электроэнергии, долгий срок эксплуатации, небольшая теплоотдача, высокая светоотдача и выбор нужного цвета светового потока.

К недостаткам энергосберегающих ламп можно отнести достаточно большую стоимость. Помимо этого, недостатком некоторых типов таких ламп является то, что они могут способствовать развитию различных нарушений здоровья людей (Люминесцентные лампы содержат в своём составе в небольшом количестве пары ртути, в связи с чем их нельзя выбрасывать как обычный бытовой мусор, а требуется сдавать на утилизацию в специализированные организации).

Технические характеристики ламп

Заключение

Ночью жизнедеятельность человека не останавливается. Ему необходимо работать, иногда и в тёмное время суток. Для этого, человек использует источники освещения. Изначально, они были максимально примитивные. Костры, факелы и тому подобное представляли из себя грубо говоря «горящие палки», которые недолго горели, были огнеопасными и не самыми удобными при транспортировке. Затем, человек начал использовать горючие вещества для освещения. Так появились масляные, жировые лампы. Перед изобретением электрических источников света, в лучах славы находились также и газовые лампы, как например водородная. Весь XIX век является веком технологических открытий. Расцвет промышленного производства, отсутствие крупных военных конфликтов, экономический рост великих держав характеризовали всю вторую половину XIX века. Именно во второй половине началась история развития электрического освещения. В особенности, 1870-1880-х, затронувших деятельность «отцов-основателей» электрического освещения – Александра Николаевича Лодыгина, Павла Николаевича Яблочкова и Томаса Эдисона. Однако, разумеется, не стоит забывать и про других учёных, кропотливым трудом внёсших свой вклад в развитие данной области.

Список использованных Интернет-ресурсов:

1.https://fb.ru/article/2904/kratkaya-istoriya-razvitiya-elektricheskogo-osvescheniya

2. https://nsc-trade.ru/index.php?route=information/articles&articles_id=44

3. https://ru.wikipedia.org/

4. http://www.lamps.ru/stati/natrievye-lampy/

5. https://elektrik-a.su/osveshhenie/obshhaya-chast/istoriya-osveshheniya-389#i

3