Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - электрическое освещение
Электрическое освещение
§ 1. Законы излучения. § 2. Тело, накаливаемое электрическим током. § 3. Угольная лампа накаливания. § 4. Изготовление ламп накаливания. § 5. История угольной лампочки накаливания. § 6. Лампы Нернста и Ауэра. § 7. Вольтова дуга постоянного тока. § 8. Вольтова дуга переменного тока. § 9. Лампы с вольтовой дугой. § 10. Лампы с закрытой дугой. Лампы с пламенной дугой. Некоторые новые лампы. § 11. История ламп с вольтовой дугой. § 12. Стоимость электрического освещения.
§ 1. Законы излучения. Всякий искусственный источник света, служащий обычным целям освещения, должен по возможности заменять собой дневной солнечный свет в тех условиях, когда последний отсутствует. Чтобы выполнить это свое назначение, источник света должен по возможности удовлетворять следующему основному условию: спектральный состав света, излучаемого источником, должен быть по возможности близок к составу солнечного спектра (свет источника должен быть белый). Это приводит к вопросу первостепенной теоретической и практической важности: отчего зависит спектральный состав света, излучаемого источником? ответ на этот вопрос может быть дан только по отношению к источникам, светящимся вследствие нагревания до каления излучающих свет частей их (уголек в лампе накаливания, частицы углерода в пламени керосина, газа и ацетилена, сетка в газокалильной горелке Ауэра, положительный уголь в вольтовой дуге); такое свечение называется температурным (калорическим) свечением, и большинство практически применяемых источников света основано вполне или отчасти на температурном свечении. Законы различных случаев люминесценции, т. е. излучения света без значительного повышения температуры (фосфоресценция, свечение разреженных газов под влиянием электрических разрядов и т. д.), еще мало известны; до сих пор свечение вследствие люминесценции почти не применяется в качестве источника света, хотя нельзя исключить возможность участия явлений люминесценции в процессах, происходящих в некоторых источниках света (вольтова дуга, некоторые пламена). Законы температурного свечения, изученные за последние 10 лет Луммером Курлбаумом, Прингсгеймом, Вином, Планком и др., должны лежать в настоящее время в основании всякого исследования температурных источников света; эти законы дают непосредственный ответ на вопрос о том, от чего зависит спектральный состав излучаемого накаленным светом тела. Приводим краткое изложение основных законов температурного излучения. Каждое тело излучает при всякой температуре лучистую энергию (свет) всевозможных длин волн, как видимую глазом, так и не видимую им; при этом количества энергии, излучаемой посредством волн различной длины вообще, различны; сумма энергий, излучаемых посредством волн всевозможных длин, есть полная энергия, излучаемая телом. При повышении температуры тела растет полная энергия, излучаемая телом, но при этом количества энергии, посылаемые посредством волн различной длины, возрастают неодинаково, т. е. меняется относительное распределение энергии между волнами различных длин. Вообще, чем выше температура тела, тем большую долю полной излучаемой энергии несут волны малой длины и тем меньшая доля приходится на волны большой длины. При низких температурах (ниже 400—500°) количество энергии, несомой короткими волнами видимого спектра, столь незначительно, что оно не может быть воспринято глазом (тело не светится). При повышении температуры количество энергии, несомой волнами видимого спектра, растет, как вследствие увеличения полной энергии, излучаемой телом, так и вследствие того, что большая часть полной энергии приходится на долю коротких волн. При некоторой температуре количество энергии, несомой наиболее длинными (красными) волнами видимого спектра, сделается столь значительным, что будет в состоянии произвести впечатление на глаз — это соответствует началу красного каления тела. При дальнейшем повышении температуры постепенно будут достигать предела видимости части видимого спектра, соответствующие все более и более коротким волнам, и к красным лучам присоединится последовательно видимое количество оранжевых, желтых, зеленых и т. д., и тело от красного каления мало-помалу перейдет к калению желтому и белому. Чем выше температура тела, тем более относительное распределение энергии в видимом спектре приблизится к тому, которое производит на наш глаз впечатление ярко-белого (напр. солнечного) света. У различных тел общий ход изменения излучения с температурой, оставаясь в качественном отношении совершенно одинаковым, заметно различен в отношении количественном. Количественная сторона этих явлений могла быть сознательно изучена для различных тел только в недавнее время, когда более подробное исследование закона Кирхгоффа (см.) привело к установлению понятия об абсолютно-черном теле; опытное изучение этого воображаемого тела дало возможность принять его, как основное по излучательным свойствам, и сравнивать с ним в отношении этих свойств всякое другое. Абсолютно-черным телом называется такое, которое при всяких условиях вполне поглощает падающие на него лучи всех длин волн и нисколько их не отражает и не пропускает. Из всех известных тел ни одно (даже сажа) этому условию не удовлетворяет. Но, как показали исследования Луммера и других, можно искусственно создать условия, при которых всякое тело будет обладать свойствами абсолютно-черного; это дало возможность опытным путем изучить излучательные свойства абсолютно-черного тела. Если мы назовем через А(λ) дробь, которая показывает, какую долю падающей на тело лучистой энергии длины волны λ данное тело поглощает, то для абсолютно-черного тела А(λ) при всевозможных условиях и для всевозможных λ будет, очевидно, равно единице. Для тел не абсолютно-черных А(λ) ( 1 и величина А(λ) зависит как от условий, при которых находится тело (напр. от температуры его), так и, главным образом, от длины волны λ. Если мы назовем через E(λ, Т) (абсолютно-черное) количество энергии, излучаемой при темп. Т абсолютно-черным телом посредством волн длины λ, а через E'(λ, Т) ту же самую величину для какого-нибудь тела, то закон Кирхгофа может быть формулирован так:
E'(λ, Т) = А'(λ, T) x E(λ, T) (абс.-черн.).. . (1),
т. е. излучение всякого тела при темп. Т для лучей длины λ представляет такую долю излучения абсолютно-черного тела для той же длины волны и при той же самой температуре, какую долю энергии лучей длины λ, падающих на данное тело, оно поглощает при температуре Т. Таким образом, не только поглощение, но и излучение абсолютно-черного тела больше такового для какого бы то ни было другого тела, и черное тело по излучающей способности представляет, следовательно, предел, ниже которого будет излучательная способность всякого другого. Изучение путем опыта излучения абсолютно-черного тела дало возможность построить кривые, показывающие, как распределена при различных температурах между волнами различных длин полная энергия, излучаемая абсолютно-черным телом. Эти кривые изображены на фиг. 1, причем на горизонтальной оси нанесены длины волн в тысячных долях миллиметра (µ), а на вертикальной — количества излучаемой энергии. Из фиг. 1 видно: 1) что полное количество излучаемой энергии быстро возрастает с повышением температуры; 2) что для каждой температуры есть волны определенной длины, несущие наибольшее количество энергии (максимум излучения); 3) что при повышении температуры максимум излучения переходит мало-помалу к волнам все меньшей и меньшей длины. Видимая часть спектра заключает длины волн приблизительно от 0,3 до 0,8 µ, т. е. лежит налево от вертикальной пунктирной черты рисунка. В этой области излучаемая энергия столь незначительна в сравнении с той, которая излучается невидимыми длинными волнами, что как измерить ее, так и представить на фиг. очень трудно; между тем физиологическое действие ее на глаз, выражающееся впечатлением света, даже при 1000° уже очень заметно. Фиг. 1 поучительна в том отношении, что показывает, какие огромные количества лучистой энергии невидимого света (направо от вертик. пункт. черты) мы должны привести в действие, чтобы попутно получить ничтожные количества энергии видимых лучей (свет в обычном смысле). Изучение результатов, легших в основание построения этих кривых, привело к трем основным законам излучения абсолютно-черного тела: 1) закон Стефана-Больцмана. Полное количество энергии E, излучаемой абсолютно-черным телом, растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуры (см.) Т тела
E = σ·Т4.. . (2)
где σ — некоторый коэффициент пропорциональности; таким образом, если поднять температуру тела с 1000° абс. до 2000° абс., то полное количество излучаемой им энергии возрастет не в 2, а в 24 = 16 раз. Если под E подразумевать количество энергии, выраженной в малых калориях, излучаемой 1 кв. см поверхности тела, то σ = 7,68·10-11 мал. кал. 2) Произведение из длины волны λm, соответствующей максимуму излучаемой энергии Em, на абсолютную температуру тела Т есть величина постоянная, равная, по исследованиям Луммера, 2940, если выражать длины волн в тысячных долях мм.
λm·Т = 2940.. . (3)
Итак, при увеличении абсолютной температуры вдвое длина волн, несущих максимум энергии, уменьшается вдвое, т. е. перемещается к видимой части спектра; напр. при 1000° абс. — λm = 2,94 µ, при 2000° абс. — 1,47 µ, а в желтой части спектра (λ около 0,5 µ) максимум энергии будет лежать приблизительно при 6000°. 3) Максимум излучения Eт растет пропорционально пятой степени абсолютной температуры, т. е. при повышении температуры вдвое Eт возрастает в 25 = 32 раза. Все эти законы объединяются теоретически выведенной формулой Планка, которая дает распределение энергии в спектре абсолютно-черного тела и довольно близко выражает найденные из опыта и данные в фиг. 1 результаты: где E(λ, Т) есть количество лучистой энергии длины волны λ, излучаемой абсолютно-черным телом при абсолютной темп. Т, а С и с два коэффициента. Если выражать E в эргах, λ — в см., то С и с имеют значения
С = 4,94 x 10-15; с = 1,46.
Вышеизложенные законы относятся к абсолютно-черному телу. все тела, с которыми приходится иметь дело в осветительной практике, далеко не удовлетворяют основному условию абсолютно-черного тела — вполне поглощать все падающие на него лучи. Для всякого другого тела формула Планка, согласно закону Кирхгоффа, приняла бы вид где А(λ, Т) есть, вообще говоря, очень сложная и в большинстве случаев нам мало известная зависимость поглощательной способности данного тела от длины волны и температуры. У серого тела, т. е. такого, которое поглощает при всех условиях одинаковую долю лучей всех длин волн, падающих на него, А(λ, Т) есть величина постоянная. Но и совершенно серого тела мы не знаем, а потому единственное, что можно сказать о всяком не черном теле, будет то, что E'(λ, Т) у него всегда меньше предела E(λ, Т) (абс.-черн.). Чтобы узнать низший предел E'(λ, Т) для обычно применяемых тел, Луммер подверг исследованию тело, возможно далеко удаленное по свойствам от абсолютно-черного, а именно блестящую платину (зеркально отражает большую часть из падающих на нее лучей) Исследование распределения энергии, излучаемой раскаленной платиной, дало кривые фиг. 2, в которой по горизонтальной оси опять нанесены длины волн в тыс. долях мм, а по вертикальной оси количества излученной энергии; но так как количество излучаемой платиной энергии при той же самой температуре почти в 10 раз меньше энергии, излучаемой абсолютно-черным телом, то масштаб вертикальной оси увеличен почти в 10 раз против масштаба этой оси в фиг. 1. Фиг. 2.
Из фиг. 2 видно, что и у не черного тела излучение незначительного по энергии количества видимого света (налево от вертикальной пунктирной линии) сопровождается, даже при высоких температурах, излучением огромного количества энергии невидимых глазом волн большой длины. Исследование кривых показало, что полное излучение платины растет приблизительно пропорционально пятой степени абс. температуры; другие вещества, более близкие к абс.-ч. телу, как то: окись железа, уголь, дают степени выше 4, но ниже 5. Второй закон, связующий λт с абс. темп., оправдывается и для исследованных пока не черных тел и дает, напр., для платины
λт·Т = 2630.. . (6)
Найдя опытным путем величину λт для спектров различных источников лучистой энергии и предполагая, что излучающие свет вещества этих источников по излучательным свойствам своим расположены между черным телом и платиной, можно по формулам (3) и (6) вычислить температурные пределы, между которыми должна заключаться истинная температура Т этих источников:
2630/λт ( Т ( 2940/λт.
Таким путем найдены были пределы, между которыми должна заключаться температура нижеследующих источников света:
------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Источник | λт | Т |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Солнце | 0,5 µ | 5260—5880° |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Дуговая лампа | 0,7 | 3750—4200 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Лампа Нернста | 1,2 | 2200—2450 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Лампа накаливания | 1,4 | 3875—2100 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ацетилен | 1,0 | 2700—3000 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Газокалильная лампа | 1,2 | 2200—2450 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Газовая лампа Арганда | 1,55 | 1700—1900 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Свеча | 1,5 | 1750—1960 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------
В источнике света ценной является только та часть иссылаемой им лучистой энергии, которая расположена в видимой части спектра, т. е. между длинами волн λ = 0,3 и λ = 0,8 µ. Эта часть энергии растет при повышении температуры, как вследствие возрастания полного количества иссылаемой энергии всех длин волн, так и вследствие перемещения в спектре максимума энергии к более коротким волнам. Как возрастает энергия лучей какой-нибудь одной длины λ при повышении температуры абс.-ч. тела, легко видеть из приведенной выше формулы Планка (5). Количество всего видимого света, излучаемого телом, определяется суммой энергии, излучаемых всеми волнами в видимой части спектра. Для абс.-ч. тела увеличение количества излучаемого света с повышением температуры было исследовано Луммером и Прингсгеймом, которые нашли, что 1 кв. мм абс.-черн. тела излучает:
------------------------------------------------------------------------
| при 1175° С | 0,0042 ед. Гефнера |
|-----------------------------------------------------------------------|
| 1325 | 0,0220 |
|-----------------------------------------------------------------------|
| 1435 | 0,0635 |
------------------------------------------------------------------------
что дает при экстраполировании:
------------------------------------------------------------------------
| 1500 | около 0,1 ед. Гефнера |
|-----------------------------------------------------------------------|
| 1700 | " 0,5 |
|-----------------------------------------------------------------------|
| 1800 | " 1,0. |
------------------------------------------------------------------------
Этот чрезвычайно быстрый рост количества излучаемого света с повышением температуры был найден и у платины, и у других тел. Из сопоставления всех имеющихся по этому вопросу данных можно заключить, что при температурах выше 2000° абс. темп. количество излучаемого света растет приблизительно пропорционально 14—12 степени абс. темп., как для абс.-ч. тела, так и для всех других тел, более или менее приближающихся к серому; при более низких темп. возрастание количества излучаемого света идет еще быстрее. Отсюда следует, напр., что 1 кв. мм поверхности кратера вольтовой дуги (Т = 4000° абс.) иссылает больше 1 кв. мм. поверхности уголька в лампе накаливания (Т = 2000°) приблизительно в 212 = ок. 4000 раз. Так как полное количество излучаемой энергии растет пропорционально 4 степени абс. температуры, а количество энергии видимого света пропорционально по меньшей мере 12 степени абс. темп., то, следовательно, отношение видимой энергии к полной энергии, излучаемой телом (световое полезное действие источника), быстро возрастает с повышением температуры источника. Это видно и из результатов опытов Джира (Geer), приводимых ниже; в первом столбце дано название источника света, во втором — его абс. темп. (приблиз.), в третьем — число, указывающее, какой процент полной энергии, излучаемой источником, иссылается лучами видимой части спектра (только первые 3 источника основаны вполне на темп. свечении):
------------------------------------------------------------------------------------------
| Газовая лампа Арганда | 1800° | 1,6 % |
|-----------------------------------------------------------------------------------------|
| Лампа накаливания | 2000° | 6,0 % |
|-----------------------------------------------------------------------------------------|
| Дуговая лампа | 4000° | 10,4 % |
|-----------------------------------------------------------------------------------------|
| Ацетилен | 2800 | 10,5 % |
|-----------------------------------------------------------------------------------------|
| Трубка Гейсслера | — | 32 % |
|-----------------------------------------------------------------------------------------|
| Ртутная дуга в пустоте | — | 45 % |
------------------------------------------------------------------------------------------
Из чисел для первых трех источников, а также из рассмотрения кривых фиг. 1 и 2 мы видим, какие огромные количества лучистой энергии мы должны вызвать в действие даже у лучших источников света, чтобы получить сравнительно ничтожные количества видимой световой энергии (напр. у вольтовой дуги лишь 0,1 излучаемой энергии служит для освещения). Но лучистая энергия, иссылаемая накаленным телом, образуется всегда из той энергии какого-либо другого вида, которая поддерживает тело при температуре каления, напр. из энергии химической в пламенах, из энергии электрического тока в лампочках накаливания. Таким образом, лишь незначительная часть энергии, затрачиваемой в рассматриваемых источниках света, превращается в световую; эти источники света являются поэтому малоэкономичными. Если накаливаемое тело есть черное или серое, то полезное световое действие его можно повысить исключительно только повышением его температуры; экономичность источника с черным телом будет, следовательно, функция исключительно температуры его. Если же тело обладает различным поглощением для лучей различных длин волн, то световое полезное действие и экономичность его будут зависеть, очевидно, не только от температуры, но и от того, как велика поглощательная способность его для волн различной длины. Если, напр., данное тело обладает свойствами абсолютно-черн. тела для невидимых глазом длинных волн и почти вполне отражает или пропускает видимые лучи, то световое полезное действие такого тела будет ничтожно мало. Наоборот, если тело обладает свойствами абс.-ч. для видимой части спектра, но зато почти вполне отражает или пропускает темные невидимые лучи, то световое полезное действие такого тела будет очень велико; в таком теле почти вся энергия, затрачиваемая на поддержание его при высокой температуре, превращалась бы в энергию лучей видимого света; такое тело представляло бы идеал источника света, основанного на температурном свечении. В настоящее время такое вещество неизвестно; все вещества, излучающие свет в известных в настоящее время источниках света, основанных на температурном свечении, скорее приближаются по свойствам своим к свойствам абс.-ч. тела. Пока такое идеальное тело не найдено, лучшим источником света будет тот, который обладает наиболее высокой температурой.
Все изложенное выше относится исключительно к температурному свечению. К случаям свечения вследствие люминесценции не могут быть приложены вышеприведенные законы и зависимости; до сих пор еще не вполне даже ясно, в какой мере к явлениям люминесценции может быть приложен закон Кирхгоффа в наиболее даже простой его формулировке: тело поглощает те лучи, которые оно при тех же самых условиях излучает (см.). Законы, управляющие свечением вследствие люминесценции, еще очень мало известны. Непосредственные опыты показывают, что световое полезное действие люминесцирующего тела может быть очень велико, т. е. что люминесцирующий источник может иссылать при низких температурах заметное количество энергии видимых лучей, не иссылая в то же время значительно больших количеств энергии темных, невидимых лучей. Так, по опытам и расчетам Эберта (1895), фосфоресцирующая краска, светящаяся в пустоте под влиянием падающих на нее катодных лучей, потребляет на то же самое количество иссылаемого света энергию в 1500 раз меньшую, чем лампочка Гефнера (см.) Исследования Ланглея и Вери (1892) над свечением светляка (Pyrophorus noctilucus) показали, что этот светляк излучает лучи исключительно видимого спектра и что не только лучший искусственный источник света, но даже и солнце стоит по полезному световому действию значительно ниже этого насекомого. Явления люминесценции играют (по Прингсгейму) роль во всех тех случаях, когда светящимся телом является раскаленный пар или газ. Поэтому участие явлений люминесценции возможно во многих пламенах (может быть, в пламени ацетилена), а также в тех вольтовых дугах, в которых светятся не только раскаленные электроды, но и сама дуга (см. ниже). Это видно и из второй половины последней таблицы, согласно которой ацетиленовое пламя дает значительно большее полезное действие, чем ему надлежало бы иметь по его температуре, а ртутная дуговая лампа с температурой несомненно более низкой, чем угольная дуговая лампа, имеет полезное действие до 45 %!
§ 2. Тело, накаливаемое Э. током. Наиболее простым и наиболее ясным с внешней стороны способом доставлять раскаленному телу ту энергию, которую оно иссылает в пространство в виде лучистой энергии, является Э. ток. Этот способ поддержания излучающего тела при постоянной высокой температуре применяется в наиболее распространенных в настоящее время источниках света — Э. лампах накаливания. По проводнику, способному выдержать, не разрушаясь (плавясь, испаряясь, распыляясь), возможно высокую температуру, пропускают Э. ток. Если разность потенциалов на концах проводника (напряжение) равна E вольтам, а сопротивление проводника равно R омам, то каждую секунду в проводнике выделяется количество Э. энергии W =Е2/R джоулей, превращающееся в проводнике в количество тепла Q = 0,24·(Е2/R) малых калорий. Это тепло начинает повышать температуру проводника, который, в свою очередь, находясь при температуре более высокой, чем температура окружающей среды, начинает иссылать в эту среду лучистую энергию и терять тепло непосредственной передачей его окружающей (газообразной) среде, уносящей тепло теплопроводностью и конвекционными токами. Пока Q, доставляемое в единицу времени проводнику током, больше, чем энергия, теряемая в то же самое время проводником, температура проводника повышается. Но вместе с повышением температуры растут и количества энергии Л и П, теряемые проводником через лучеиспускание и через непосредственную передачу, так как обе эти потери быстро возрастают с повышением разности между температурами тела и окружающей среды. Наконец наступает момент, когда количество доставляемой проводнику в 1 сек. энергии W равно количеству теряемой им в 1 сек. энергии (Л + П), тогда температура тела перестает повышаться и дальнейшее стационарное состояние тела при постоянной температуре Т характеризуется равенством:
W = Л + П.. . (1)
При увеличении доставляемой энергии W (увеличением разности потенциалов E на концах проводника) температура проводника повышается до тех пор, пока сумма увеличившихся вследствие повышения температуры (Л + П) не сравняется с W. В предыдущем § мы видели, что световое полезное действие сильно растет с повышением температуры; следовательно, если мы калим наше тело в качестве источника света, то нам выгодно довести его до наиболее высокой температуры, которое оно может в течение некоторого времени выдержать, не разрушаясь; пусть абсол. температура его будет тогда Т. Если поверхность тела, с которой оно теряет энергию, равна S, то Л = S·f(t), a П = S·φ(Т); в эти выражения мы не ввели температуру окружающей среды, потому что возможные ее изменения на практике столь ничтожны в сравнении с Т, что ими можно пренебречь. Итак, при стационарном состоянии
Е2/R = S[f(t) + φ(T)].. . (2)
Если наш проводник представляет цилиндрическую нить с круглым сечением радиуса r и длины L, то
R = k(L/πr2) и S = 2πrL,
где k — удельное сопротивление вещества проводника при температуре Т. Подставляя эти значения R и S в (2), находим
E2r/L2 = 2k[f(t) + φ(t)] = A.. . (3)
где А есть величина, зависящая только от природы тела и среды и от температуры тела и постоянная при данной температуре его. Пусть, единица поверхности данного тела при температуре Т дает σ единиц света. Тогда количество единиц света С, излучаемое всем телом, равно
С = σ·S = σ·2πrL
или
rL = C/(2πσ) = CB.. . (4),
где В есть величина, зависящая только от природы тела и среды и от температуры тела и постоянная при данной температуре его. Из (3) и (4), связывающих величины r, L, E и С для данного тела при данной температуре, находим
r = M·(C2/3)·(E-2/3)
L = N·(C1/3)·(E2/3),
где М и N — некоторые величины, постоянные для данного тела и среды при данной температуре. Раз мы выбрали вещество тела, среду, в которой оно калится, и температуру каления, мы можем, пользуясь (5), определить размеры накаливаемой нити для каждого желаемого числа единиц света и желаемого напряжения. Так, например, для угольной нити, горящей в пустоте при температуре, при которой на каждую свечу поглощается около 3,5 джоулей в секунду, величины
М = 0,32 и N = 2,0,
если r и L выражены в мм, C в свечах, E в вольтах. Из (5) следует, что для данного вещества, калимого при данной температуре: 1) каждому напряжению и каждой силе света соответствуют одни определенные размеры калильной нити; 2) что сопротивление нити, пропорциональное L/r2, пропорционально, следовательно, E2/С, т. е. при данном напряжении сопротивление нити уменьшается обратно пропорционально числу свечей, а при данном числе свечей растет пропорционально квадрату напряжения, и 3)очевидное следствие, что энергия E2/R, поглощаемая нитью при данном напряжении, пропорциональна числу свечей, даваемому нитью. Чем выше температура нити, тем выше световое полезное действие ее, а следовательно, тем ниже энергия, поглощаемая нитью на каждую даваемую ею свечу. Ввиду этого температуру, при которой калится нить из какого-нибудь данного материала, можно указывать также, сообщая, сколько ваттов (джоулей в 1 сек.) поглощает данная нить на одну свечу. Каждую лампочку накаливания можно, конечно, поддерживать при разных температурах, а следовательно, и разном поглощении энергии на одну свечу; на практике, чтобы сделать лампу возможно более экономичной, ее заставляют гореть при наиболее высокой температуре, которую калильная нить может выдержать в течение более или менее продолжительного времени.
§ 3. Угольная лампа накаливания. Наиболее распространенный в настоящее время источник света есть лампочка накаливания, в которой калению током подвергается тонкая угольная нить. Эта нить помещена в безвоздушном пространстве, как для того, чтобы предотвратить сгорание накаленной нити вследствие соединения ее с кислородом воздуха, так и, главным образом, для того, чтобы избежать потерь энергии, проистекающих от непосредственной передачи нитью тепла окружающей среде. Под влиянием каления угольная нить лампы накаливания вследствие не вполне еще ясных молекулярных, а может быть, и электрических процессов мало-помалу распыляется с поверхности и утончается. Если одно какое-нибудь место этой нити утончится более других, то в этом месте будет вследствие увеличившегося сопротивления выделяться большее количество тепла; температура этого места будет выше температуры всей остальной нити, вследствие чего усилится и распыление угля с этого места; этот процесс продолжается до тех пор, пока угольная нить не перервется в утонченном месте, т. е. лампочка не перегорит. Чем выше температура нити, чем быстрее идет процесс разрушения ее, тем, следовательно, меньше долговечность лампочки. В то же время чем выше температура уголька, тем больше полезное световое действие лампы и тем меньше количество энергии, потребляемой на одну свечу. Отсюда вытекает, что высокая экономичность лампы накаливания может быть достигнута только на счет ее долговечности. Наиболее применяемые лампы накаливания горят при температуре уголька около 1600—1700° С., потребляя при этом около 3,5 ватт на свечу; долговечность таких ламп в среднем равна около 1000 часам горения. Применяемые теперь часто более экономичные лампы, потребляющие от 2 до 2,5 ватт на свечу (маловаттные лампы), горят при более высокой температуре; несмотря на то, что угольку этих ламп стараются придать более плотное строение для того, чтобы он мог выдерживать более высокую температуру, распыление уголька в таких лампах накаливания идет значительно быстрее и долговечность их поэтому значительно меньше. По мере утончения уголька растет его сопротивление, а следовательно, уменьшается доставляемая ему энергия (Е2/R), следствием чего является понижение температуры уголька и полезного светового действия его, а следовательно, повышение количества энергии, потребляемого угольком на одну свечу. Кроме того, уголь, распылившийся с поверхности калильной нити, оседает на поверхности стекла сосуда, в котором содержится уголек, в виде малопрозрачного слоя и поглощает исходящую из уголька световую энергию. Ввиду этих причин экономичность ламп накаливания довольно быстро падает с продолжительностью их службы. В нижеследующей таблице, а также на фиг. 3 и 4 даны результаты исследований Мура и Линга (1892) над тремя разными группами ламп накаливания, отличавшимися в начале горения их количеством ватт, потребляемых на свечу:
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | Ватты на свечу в | Число свечей в | Число свечей | Средняя |
| Группа | начале горения | начале горения | уменьшилось вдвое | долговечность в |
| | | | через часов | часах |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| I | 1,72 | 20,9 | 110 | 270 |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| II | 2,76 | 16,6 | 325 | 390 |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| III | 3,32 | 16,1 | 1050 | 1050 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
На фиг. 3 показано в процентах падение силы света (вертикальная ось) в зависимости от продолжительности горения в часах (горизонтальная ось). На фиг. 4 дано потребление ватт на свечу (верт. ось) в зависимости от продолжительности горения в часах (гориз. ось). Из таблицы и чертежей видно, что в среднем все же экономичнее те лампы накаливания, которые горят при более низкой температуре (группа III); несмотря на значительные успехи последнего времени в изготовлении маловаттных угольных ламп накаливания, этот результат сохраняет свою силу и до сих пор. Перегоревшую или сильно потемневшую лампу приходится заменять новой, что представляет известный расход; стоимость горения лампы, с другой стороны, пропорциональна потребляемой ею энергии. У обыкновенных ламп расходы на энергию значительны, но ничтожны расходы по замене ламп новыми; у маловаттных ламп расход на энергию значительно меньше в начале горения, но заметно вырастают расходы по замене ламп новыми. Выбор наиболее выгодной для каждого данного случая температуры лампы зависит от столь многих причин, как то: стоимости Э. энергии, стоимости ламп, допустимого падения силы света и т. д., что общих правил по этому вопросу дано быть не может; практика показывает, что в среднем все же лампы с начальным потреблением около 3 ватт на свечу являются наиболее выгодными и удобными.
При повышении напряжения на концах уголька лампы накаливания возрастает количество доставляемой ей энергии. Если мы будем рассматривать уголек лампы накаливания как абсолютно-черное или серое тело, то согласно § 1 мы можем написать, пользуясь обозначениями § 2,
E2/R = σST4,
откуда следует, что при повышении напряжения температура уголька возрастает пропорционально корню квадратному из напряжения. Согласно § 1 количество излучаемого света растет пропорционально 12—14 степени температуры, откуда можно заключить, что количество излучаемого света возрастает пропорционально приблизительно 6—7 степени приложенной разности потенциалов E. Потребляемая энергия возрастает пропорционально только второй степени разности потенциалов; из сопоставления этих данных вытекает, что потребление ватт на свечу должно изменяться обратно пропорционально приблизительно 4—5 степени приложенной разности потенциалов. [В этом расчете не принято во внимание изменение сопротивления угля с температурой; это допустимо, так как вопрос касается сравнительно небольших изменений температуры; при повышении, напр., напряжения в 1,4 раза (фиг. 5) абсолютная температура возрастает только в √1,4 = около 1,2 раза. Уголь уменьшает сопротивление при повышении температуры, так что сопротивление холодной лампочки в 1,5—2 раза больше горящей.]. Опыты вполне подтверждают эти соображения. На фиг. 5 дана найденная из опыта кривая, указывающая на чрезвычайно быстрое возрастание числа свечей ламп накаливания (16 свечей при 108 ваттах) по мере возрастания напряжения. Опытные данные над лампами накаливания привели к результату (Herzog und Feldmann, "Elektrische Beleuchtung", стр. 33), что число свечей возрастает пропорционально 6,8 степени напряжения, а поглощение ватт на свечу падает пропорционально 4,8 степени напряжения, т. е. весьма близко к степеням, предсказанным теоретически. Ввиду значительного возрастания силы света с повышением напряжения в цепях тока, питающих лампы накаливания, необходимо поддержание более или менее постоянной разности потенциалов; колебания разности потенциалов должны быть не выше 2—3 %, иначе горение ламп связано будет с неприятными, очень заметными колебаниями в силе света. При применении переменного тока с обычной, довольно высокой частотой перемен (до 50 раз в сек.) температура уголька столь мало успевает следить за изменениями напряжения, что колебания в силе света не превосходят 6—7 % (Плотников, 1902) и благодаря своей частоте незаметны для глаза. Лампы накаливания изготовляются для всех напряжений, от самых малых до 200 вольт. Для более высокого напряжения лампы накаливания не изготовляются, так как согласно § 2 угольки таких ламп пришлось бы делать очень тонкими и длинными, что представляло бы трудности и при изготовлении, и при поддерживании угольков внутри стеклянного шара, в котором они помещаются. Лампы накаливания для обыкновенного освещения изготовляются обыкновенно с силой света в 5, 10, 16, 25, 32, 50, 100 свечей, хотя для специальных целей готовятся лампочки и в 1—2 свечи, и в 1000 и 2000 свечей. Внешний вид нескольких ламп накаливания изображен на фиг. 6; у ламп, изготовленных для высокого напряжения, уголек свернут спирально, чтобы возможно было уместить длинный уголек в сравнительно небольшом стеклянном шаре. Лампы накаливания включаются в цепь Э. тока всегда параллельно, как показано на фиг. 7. При таком включении перегорание одной или нескольких ламп или выключение их из цепи не влечет за собой изменений в условиях горения остальных ламп. При последовательном включении ламп (фиг. 8), как оно применялось в первые времена освещения при помощи ламп накаливания, перегорание или выключение одной из ламп влекло за собой потухание всего ряда последовательно соединенных ламп; чтобы избежать этого, применяли особого рода автоматические переключатели, которые вводили в цепь на место перегоревшей или выключенной лампы равное ей по величине сопротивление. § 4. Изготовление ламп накаливания. Накаливаемая угольная нить добывается в настоящее время обугливанием растительных веществ, так как первые же опыты приготовления нитей прессованием и обжиганием смесей угля (сажи) с каким-нибудь связующим веществом (патока, деготь) показали совершенную непригодность этого рода нитей. В качестве растительного вещества, подвергающегося обугливанию, применялась бумага, шелк, трава, волокна бамбука (Эдисон) и т. д. В настоящее время в качестве исходного материала применяется почти исключительно чистая хлопчатобумажная нить (процесс Свана). Она моется в растворе соды или аммиака для удаления жира, затем тщательно промывается и высушивается. Сухая, намотанная на катушки нить медленно пропускается затем через ванну с крепкой серной кислотой (плотность 1,64, темп. 15—16°); время пребывания нити в кислоте, смотря по толщине нити, от 5 до 15 сек. Выходя из ванны, пергаментированная бумага, представляющаяся в виде полупрозрачной студенистой нити, тщательно промывается в воде и наматывается на барабаны, на которых и высушивается. Пергаментирование нити не меняет ее химического состава (С6Н10О5), но существенно изменяет ее физические свойства, делая ее твердой и упругой; получаемое пергаментированием хлопка вещество называют амилоидом. Высушенная амилоидная нить пропускается через отверстия волочильной доски, высверленные в пластинках алмаза или тому под. твердого камня; острия края отверстий срезают все неровности нити и придают ей правильное круговое сечение и блестящую плотную поверхность. В процессе Винна и Поуэлля хлопчатая бумага растворяется в растворе хлористого цинка, и полученная вязкая жидкость прожимается сквозь небольшое круглое отверстие в сосуде со спиртом, в котором тотчас отвердевает в виде тонкой крепкой нити с гладкой блестящей поверхностью, не требующей уже дальнейшей обработки. В процессе Вестона из листов прозрачной целлюлозы, полученной из целлулоида, штампуются необходимой толщины и ширины нити. Полученная тем или другим способом нить наматывается на угольные формы и подвергается обугливанию без доступа воздуха в графитовых тиглях, засыпанных угольной пылью или графитом. Температуру печи в течение 10—15 часов медленно поднимают до белого каления и затем в течение 10—12 часов дают ей охлаждаться, после чего вынимают тигли с нитями. Чем выше температура, до которой доведена была печь, тем однороднее и крепче получающиеся угольные нити. После того, как нити будут разрезаны на куски желаемой длины, к концам их прикрепляют коротенькие платиновые проволочки. В особых приборчиках концы нитей прижимаются к концам проволочек, и место соприкосновения смазывается жидкой смесью угольного порошка с патокой. Чтобы это скрепление сделать более плотным, приборчики опускают в какой-нибудь жидкий углеводород — масло, скипидар или керосин, и пропускают через места скрепления довольно сильный ток, доводящий погруженные в жидкость места скрепления до красного каления. Вследствие нагревания жидкости она разлагается, и на местах скрепления из жидкости оседает плотный угольный слой, крепко соединяющий платину с углем. Чтобы сама угольная нить не подвергалась накаливанию, к ней прижимают у самых мест скрепления металлическую полоску, по которой проходит ток от одного скрепления к другому. Угольные нити подвергают затем одному из самых важных процессов — утолщению (flashing). Для этой цели нить погружают в разреженные (до 1 см ртутного столба) пары какого-либо углеводорода, напр. эфира, бензина, пентана, и нагревают до каления током. В соприкосновении с раскаленным угольком пары разлагаются, и уголь из них оседает твердым и плотным слоем на накаливаемый уголь. Свойство угля, осевшего таким путем, сильно отличается от свойств обугленного амилоида; он значительно тверже, схож по физическим свойствам с графитом; удельное сопротивление его (350 микроом — см.) в 10 раз меньше угля, составляющего нить. Посредством процесса утолщения в прежние времена уравнивали неодинаковую по всей длине толщину нитей: более тонкие части нити, представляя большее сопротивление, сильнее накаливались, и на них отлагалось большее количество угля; мало-помалу толщина угля делалась по всей длине близка одинаковой. Тот же процесс служил и для уравнивания сопротивления отдельных нитей, т. е. процесс продолжался до тех пор, пока осевший слой угля не уменьшал сопротивления нити до желаемой величины. В современном производстве ламп накаливания угольные нити получаются непосредственно уже везде одинаковой толщины, так что процесс утолщения служит, главным образом, для изменения поверхности угольной нити и придания ей большей твердости, большей излучающей способности и большей сопротивляемости распылению; отчасти процесс этот служит в настоящее время и для уравнения свойств отдельных ламп, причем его продолжают до тех пор, пока все нити при одной и той же самой разности потенциалов не будут иметь одну и ту же самую степень каления (т. е. температуру). Приготовленная нить вводится внутрь стеклянной груши (фиг. 9), и держащие нить платиновые проволочки оплавляются стеклом (фиг. 10), герметически впаивающим нить в грушу. Единственным металлом, годным для поддерживания угольной нити, является платина, так как коэффициент расширения ее (см.) настолько близок к коэффициенту расширения стекла, что даже при сильном нагревании лампочки стекло от платины не отстает и не растрескивается вокруг нее. Спай медленно охлаждают и затем из лампы выкачивают воздух. Целью удаления воздуха из ламп является: 1) исключение возможности сгорания уголька вследствие соединения углерода нити с кислородом воздуха; 2) защита угольной нити от сильной потери тепла конвекционными токами (см.) через заполняющий лампочку воздух. Чтобы избежать перегорания угля, лампу можно было бы наполнить водородом или азотом; но это не устранило бы второго, наиболее важного неудобства лампы, наполненной газом. Теряя через газ сравнительно очень большое количество тепла, лампа, наполненная газом, не могла бы дойти до столь высокой температуры, каковую получает при затрате того же самого количества Э. энергии лампа с пустотой; а так как количество излучаемого света растет чрезвычайно быстро с повышением температуры, то лампа с газом была бы значительно менее экономичной, чем лампа с пустотой. Кроме того, оболочка лампы, наполненной газом, была бы при горении лампы всегда очень сильно нагретой и могла бы представлять даже опасность в смысле пожара. Ввиду этих причин лампы стараются выкачать как можно более совершенно и пользуются для этого ртутными насосами (см.) по системе Гейсслера или Шпренгеля). [В последнее время начали применять механические насосы, в которых поршни ходят в слое масла. Механические насосы значительно прочнее и удобнее в обращении, чем ртутные, и выкачивание может вестись значительно более быстро]. Выкачка ведется одновременно над целым рядом ламп, причем для удаления воздуха, поглощенного угольками и стенками стеклянных груш, угольки во время выкачивания ламп подвергаются непрерывному накаливанию током, а груши нагреваются газовыми горелками. Когда достигнута достаточная степень выкачки, лампы спаивают с насоса, нагревая паяльной горелкой суженные места между грушей и трубкой, соединяющей лампу с насосом; давлением атмосферного воздуха размягченное стекло сжимается и запирает отверстие груши. Снятые с насосов лампы испытывают на пустоту, прикладывая их к одному из полюсов действующей индукционной катушки, полюсы которой раздвинуты настолько, что искра между ними не скачет. В хорошо выкачанной лампе остатки газа внутри груши почти не светятся, а появляется лишь свечение стенок груши, указывающее на разрежение, соответствующее тому, при котором возникают сильные катодные лучи (Круксово разрежение, см.). Выкачанные лампы подвергаются фотометрическому исследованию, целью которого является определение той разности потенциалов, которую следует приложить к концам лампового уголька, для того чтобы уголек достиг желаемой температуры или желаемого поглощения Э. энергии на одну свечу. Для этой цели фотометр (см.) устанавливают в таком положении между испытуемой и нормальной лампами, чтобы равенство полей фотометра наступало тогда, когда испытуемая лампа имеет желаемое число свечей, напр. S свечей. Затем изменяют напряжение на зажимах лампы до тех пор, пока фотометр не даст равенства освещенных полей (т. е. испытуемая лампа не даст S свечей). Тогда отсчитывают по включенному в цепь лампы ваттметру (см.) Э. энергию W, поглощаемую лампой. Если W/S (поглощение ватт на одну свечу) близко соответствует тому числу, которым задался фабрикант ламп, то лампа считается удовлетворительной и на ней отмечается то число вольт, при котором она дала S свечей. При этом способе испытания ламп (способ Свинбэрна) получаются лампы, дающие слегка разнящееся для различных ламп число свечей (от 14 до 18 свечей для лампы номинально в 16 свечей), но все эти лампы горят при одинаковой температуре (одинаковой степени каления) и поглощают одинаковую энергию на каждую, свечу. [При одновременном горении нескольких ламп даже значительные разности в количестве свечей, даваемых лампами, незаметны для глаза; между тем даже ничтожные разности в степени каления (температуры) резко бросаются в глаза благодаря тому, что яркость угольков чрезвычайно быстро возрастает с повышением температуры (см. § 2).]. Лампы сортируют по отмеченной на них разности потенциалов и затем снабжают оправой — цоколем. Для этой цели к платиновым проволочкам припаиваются кусочки медной проволоки, а эти последние припаиваются к контактам оправы (цоколя), наиболее у нас распространенный тип оправы (Эдисон, 1881 г.) изображен в разрезе на фиг. 11. Цилиндр А из тонкой латунной жести, снабженный крупной винтовой нарезкой, одет на гипсовую или фарфоровую часть, в дно которой вставлен латунный кружок В. Одна медная проволочка припаивается к цилиндру, другая — к кружку; эти части являются, таким образом, полюсами лампы. Груша заливается в оправе гипсом или фарфоровой массой. Внешний вид цоколя дан на фиг. 12, а вид лампочек с цоколем Эдисона изображен на фиг. 6. В цоколе Сименса (фиг. 13) медные проволочки припаяны к двум изолированным друг от друга латунным лопастям А и В, залитым гипсом в латунный цилиндр С, держащий грушу. Кроме описанных типов цоколей, существуют и другие, менее употребляемые типы, описания которых не приводим. [Две лампочки фиг. 6 снабжены цоколем Свана.]. При пользовании лампой накаливания она вставляется в патрон, соединенный с проводами, вводящими ток в лампу. Патрон для оправы Эдисона показан в разрезе на фиг. 14. Лампа ввинчивается цоколем в гайку а, при чем цилиндрическая оболочка цоколя приходит в металлическое соприкосновение с гайкой а, а кружок — с изолированной от гайки пластинкой с; к а и к с присоединены провода r, r, приводящие ток к лампе. Приготовление ламп накаливания представляет в настоящее время немаловажную отрасль электротехнической промышленности; большие заводы ламп накаливания приготовляют до 25000 дамп в день. В России нет заводов для приготовления ламп накаливания, и большинство потребляемых ламп доставляется германскими, австрийскими и бельгийскими заводами.
§ 5. История угольной лампочки накаливания. Первые попытки применить накаливание проводников током для целей освещения были сделаны в 1844 г. английским инженером де Молейном (de Moleyns), который накаливал платиновую проволоку, помещенную внутри стеклянного шара. Попытки того же рода были сделаны позже Петри (Pétrie, 1847) и де Шанзи (de Chanzy, 1858), но все они не давали желаемых результатов, так как платиновая проволока при белом калении слишком быстро переплавлялась. В 1845 г. Кинг и Старр пробовали заменить платину палочками из ретортного угля (§ 11), сгоравшими, однако, довольно быстро. В 1874 г. А. Н. Лодыгин в СПб. начал свои опыты по Э. освещению. Первая его лампа изображена на фиг. 15: между массивными медными стержнями АА, входившими в герметически закрытый стеклянный шар, зажата была тонкая палочка с, выпиленная из ретортного угля; герметическая укупорка уголька несколько замедляла его сгорание. Несмотря на несовершенство этой лампы, в 1874 г. банкиром Козловым в товариществе с Лодыгиным основано было общество для эксплуатации лампы Лодыгина; в том же году Академия наук по докладу Вильда присудила Лодыгину Ломоносовскую премию в 1000 руб. В 1875 г. во главе товарищества стал г. Кон, выпустивший под своим именем усовершенствованную лампу Лодыгина, спроектированную В. Ф. Дидрихсоном. В этой лампе (фиг. 16) угольки помещались в безвоздушном пространстве, и перегоревший уголек автоматически заменялся другим. Ток проходил из изолированного зажима N по стержню D в уголек E и из него по пружинящей пластинке J и стержню С выходил через корпус лампы в другой зажим. Когда правый уголек перегорал, пластинка J опускалась и включала в цепь следующий уголек; таких угольков в лампе было пять; когда перегорал последний, пластинка J касалась стержня Н и вводила его в цепь; таким образом, перегорание всех углей не прекращало прохождение тока через другие лампы, соединенные с данной последовательно. Воздух выкачивался ручным насосом через трубку К. Тремя такими лампами в течение 2 месяцев освещался в 1875 г. магазин белья Флорана в СПб., а также, по предложению Струве, освещались под водой кессоны при постройке Александровского моста через Неву. За границей в 1875 г. производили опыты над описанной лампой, построенной в мастерских Дюбоска, в Париже — Грамм, Фонтэн и дю Монсель на заводе Сотера и Лемонье, в Берлине — Гефнер фон Альтенек на заводе Сименса. По словам дю Монселя, пять угольков одной лампы хватало на один вечер, а свет лампы равнялся 20 карселям (см.). В 1875 г. Дидрихсон начал приготовление угольков из дерева обугливанием деревянных цилиндриков без доступа воздуха в графитовых тиглях, засыпанных угольным порошком. В 1876 г. за смертью Кона товарищество распалось, и из дальнейших усовершенствований угольной лампы накаливания в России можно еще только указать на лампу П. П. Булыгина (1876), в которой накаливался конец длинного уголька, выдвигавшегося автоматически по мере обгорания конца его.
§ 6. Новые лампы накаливания Нернста и Ауэра. Стремление увеличить полезное световое действие ламп накаливания, а следовательно, и экономичность их, привело к применению в качестве накаливаемого тела нитей из тугоплавких веществ, выдерживающих без разрушения значительно более высокие температуры, чем угольная нить. К лампам накаливания этого рода принадлежит лампа Нернста, в которой накаливается стерженек, спрессованный из тугоплавких окислов, проводящих ток только при высокой температуре, и лампа Ауэра, в которой накаливаемым телом является нить из осмия.
Лампа Нернста. Идея приготовлять накаливаемое током тело из огнестойкого вещества, которое делается проводящим только при высокой температуре, принадлежит П. Яблочкову (1877). Он пользовался пластинками D из каолина, магнезии и т. под. веществ, которые зажимались между контактами С, сообщавшимися с полюсами высокого напряжения небольшого трансформатора В (фиг. 17). При действии трансформатора вдоль пластинки перескакивал поток искр, накаливавший поверхность пластинки и делавший ее проводящей; по проводящей поверхности проходил ток и поддерживал ее при белом калении. Эта остроумная лампа была придумана Яблочковым (взамен непригодной еще в те времена угольной лампы) как решение вопроса о дроблении Э. света, но не нашла применения. В 1897 г. проф. Нернст в Геттингене вновь предложил применение огнестойких веществ в качестве накаливаемого током тела и охранил свое изобретение патентами. В лампе Нернста накаливанию током подвергается стерженек, спрессованный из окислов некоторых металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия); чтобы сделать стерженек проводящим, его подогревают либо пламенем спиртовой лампочки или спички (первоначальный тип ламп Нернста), либо (в современных лампах) особым подогревателем, состоящим из платиновой спирально свернутой проволоки, которая накаливается током при включении лампы в цепь и автоматически выключается из цепи, когда нагретый лучеиспусканием платиновой спирали стерженек сам делается проводящим. Схематически современная лампа Нернста изображена на фиг. 18. N представляет накаливаемый стерженек, CD — подогреватель, состоящий из тонкой платиновой проволоки, обернутой асбестовой массой. Внутри оправы лампы В помещен миниатюрный электромагнит E, включенный в цепь стерженька N. При включении лампы в цепь, ток проходит из А через замкнутый контакт а по I в подогреватель CD и возвращается через III в В. Когда под влиянием подогревателя стерженек N делается проводящим, часть тока начинает проходить через Е и небольшое сопротивление R (см. ниже) по пути II в N и возвращается в В по пути III. Проводимость N под влиянием проходящего тока все увеличивается; сила тока, проходящего по N, все увеличивается и наконец достигает такой силы, что электромагнит E притягивает насаженный на пружину железный контакт а и таким образом размыкает цепь подогревателя; при дальнейшем горении лампы ток проходит только по стерженьку N. Сопротивление N столь быстро уменьшается с повышением температуры, что небольшое случайное, неизбежное в цепи Э. тока превышение напряжения вызвало бы весьма сильное увеличение силы тока в N, что привело бы к разрушению стерженька. Чтобы избежать этого, в цепь N и включено сопротивление R из тонкой железной проволоки, сопротивление которой с увеличением силы тока (температуры) возрастает. Размеры R могут быть подобраны так, что сила тока, протекающего по лампе, в пределах возможных в цепи колебаний напряжения почти не будет изменяться; сопротивление R заключено в стеклянный цилиндрик, из которого выкачан воздух. Внешний вид горелки лампы Нернста изображен на фиг. 19. Горелка насаживается на выдающиеся из оправы стержни I, II, III при помощи пружинящих обхватов m, m, т; при перегорании лампы меняется только горелка ее. Лампа Нернста горит в воздухе; горелка защищена матовым, рассеивающим свет стеклянным колпаком. [В новейших типах лампы Нернста подогреватель не обхватывает стерженек N, а лежит в виде зигзага под ним. В этой конструкции подогреватель не закрывает части стерженька, и количество света при том же поглощении энергии больше.]. Стерженек лампы проводит электролитически и должен разлагаться под влиянием прохождения постоянного тока. Опыт показывает, однако, что если даже не менять направления тока, проходящего по лампе, то стерженек все же выдерживает, не разлагаясь, продолжительное горение. Нернст объясняет это тем, что выделяющийся на аноде при электролизе кислород диффундирует к катоду и вместе с кислородом воздуха вновь окисляет выделяющийся на катоде металл. Опыты Бозе, производившего исследование горения лампы Нернста в пустоте, подтвердили в общем приведенные предположения и показали, что правильное горение этой лампы возможно только в присутствии кислорода воздуха. При применении переменного тока возможность разложения стерженька электролизом исключена, и лампа Нернста может гореть и в пустоте. Средняя продолжительность горения современных (1903) ламп Нернста не выше 400 часов; поглощаемая ими энергия при той же силе света значительно меньше энергии, поглощаемой угольными лампами, а именно равна около 1,5 ватта на свечу и только после 400 часов горения повышается до 2 ватт. Из 12 ламп, исследованных проф. Веддингом, 5 л. выдержали свыше 600 ч. горения, другие 7 перегорели через 19, 159, 189, 197, 315 и 431 час. Одна из ламп, горевшая еще через 700 часов, поглощала на свечу:
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Через часов | 0 | 50 | 150 | 275 | 430 | 600 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Ватты | 1,38 | 1,48 | 1,58 | 1,66 | 1,75 | 2,50 |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Электромагнитный выключатель поглощает не более 1 ватта, железный реостат около 5 ватт. Существенными недостатками лампы Нернста (в настоящем виде ее) является сравнительно высокая цена и сложность конструкции оправы, хрупкость горелок и заметная неоднородность их, а также то обстоятельство, что эти лампы не могут быть изготовлены для малых сил света. Несмотря на эти недостатки, лампы Нернста находят значительное распространение ввиду высокой экономичности их; особенно успешно применение их взамен малоамперных дуговых ламп, перед которыми лампы Нернста представляют немаловажные преимущества. О будущности их трудно сказать что-либо определенное, так как конструкцию лампы нельзя признать даже приблизительно установившейся. Лампы Нернста изготовляются для Европы заводом "Allgemeine Electricitäts Gesellschaft" в Берлине. Высокая экономичность лампы Нернста находит объяснение, главным образом, в высокой температуре дающего свет стерженька — именно около 2000°, между тем как уголек обычной лампы накаливания достигает температуры не выше 1700°. По излучательным свойствам стерженек Нернста стоит ниже, чем уголь обычной лампы накаливания, т. е. более удален от абсолютно-черного тела. Действительно, если бы излучательные свойства этих двух тел были одинаковы, то при том же поглощении энергии лампа Нернста должна была давать приблизительно в [(2000 + 273)/(1700 + 273)]12 = прибл. 4 раза больше света, чем угольная нить; в действительности же она дает лишь в 2 раза больше света.
В осмиевой лампе Ауэра фон Вельсбаха, известного изобретателя газокалильных ламп, накаливанию током подвергается нить из металлического осмия, выдерживающего без плавления температуру до 2500° (см.). Не известный еще в деталях процесс фабрикации осмиевых ламп заключается в общих чертах в том, что из содержащего осмий материала приготовляется тестообразная масса, из которой выжимаются нити, которые после сушки прокаливаются током и восстановляются при этом в чистый осмий. Нити обычным путем впаиваются в стеклянные груши, из которых выкачивается воздух; внешний вид лампы ничем не отличается от вида обычной лампы накаливания. Ввиду возможности достижения весьма высокой температуры нити лампы Ауэра являются весьма экономичными — они поглощают в среднем всего около 1,6 ватта на свечу, и долговечность их при этом равна долговечности хорошей угольной лампы накаливания (т. е. около 800 час.; завод "Gasglünlicht-Gesellschaft" в Берлине, изготовляющий эти лампы, гарантирует 500 час. горения). Так как осмий проводит ток значительно лучше угля, то осмиевые нити при данном числе свечей и данном напряжении тока должны быть значительно тоньше соответствующих угольных нитей. Очень тонкие нити не имеют достаточной механической крепости; поэтому осмиевые лампы изготовляют пока (1903) для напряжений не выше 40 В. и при этом напряжении с силой света не менее, чем в 25 свечей. Это представляет большое неудобство ламп Ауэра, так как в 110 В. цепь приходится включать по 3 лампы в 37 В. последовательно, или, в случае переменного тока, ставить у каждой лампы небольшой трансформатор, понижающий напряжение. Другим неудобством является пока высокая цена ламп (около 3 р.; килограмм осмия стоит около 2500 р.). Препятствием к распространению ламп может явиться редкость осмия; мировая добыча его ничтожно мала и далеко не соответствует условиям массового производства ламп из этого материала. Осмиевые лампы не получили еще достаточного испытания на практике; в некоторых странах (напр. России) в продаже их еще (1903) не существует.
§ 7. Вольтова дуга постоянного тока. Если привести в соприкосновение два проводника (электрода), между которыми поддерживается некоторая разность потенциалов при помощи источника тока, полюсы которого соединены с проводниками, и затем развести проводники на некоторое небольшое расстояние, то 1) при незначительной разности потенциалов между проводниками при размыкании перескочит искра и дальнейшее прохождение тока между проводниками прекратится; 2) при достаточной разности потенциалов может между проводниками образоваться проводящий мост из раскаленного газа окружающей среды и раскаленных паров вещества проводников, по которому ток продолжает проходить, не прерываясь. При этом концы проводников сильно раскаляются, а проводящий мост представляется в виде сравнительно слабо светящегося веретенообразного облака, соединяющего концы проводников. При горизонтально расположенных проводниках мост под влиянием подымающихся нагретых газов принимает дугообразную, изогнутую вверх форму, почему все явление названо было Дэви, открывшим его, световой, или вольтовой, дугой; название это сохранилось для данного явления во всех его чрезвычайно разнообразных формах, часто ничего общего с дугой не имеющих. Для возникновения устойчивой вольтовой дуги необходимо: 1) чтобы разность потенциалов между полюсами источника тока была не ниже некоторой определенной величины, зависящей от природы проводников и окружающей среды, и 2) чтобы при данной электродвижущей силе источника и данном расстоянии между концами проводников сила тока в цепи была не меньше некоторой определенной величины, зависящей от природы проводников и окружающей среды, от электродвижущей силы источника и от расстояния между проводниками (см. ниже). При выполнении означенных, определенных для каждой комбинации внешних обстоятельств условий вольтова дуга может быть образована, вообще говоря, между всякими проводящими телами. [Между некоторыми металлами (цинк, висмут, сурьма) почти не удается поддержать устойчивой вольтовой дуги. Вэртс (Wurts, 1893), исследовавший вольтову дугу между этими металлами, полагает что причиной, препятствующей образованию дуги, является плохая проводимость паров окислов данных металлов.]. Наибольший интерес представляет дуга между угольными электродами, так как почти исключительно вольтова дуга между угольными электродами применяется для освещения, и так как этот вид дуги является наиболее исследованным, все нижеизложенное будет относиться исключительно к дуге между угольными электродами.
Если мы образуем устойчивую вольтову дугу между двумя углями и дадим ей некоторое время погореть, поддерживая концы углей на постоянном расстоянии и силу тока постоянной, то концы углей примут некоторую определенную, характерную для данных условий и сохраняющуюся при неизменных условиях форму, общий вид которой изображен на фиг. 20. Положительный уголь (соединенный с положительным полюсом источника) закругляется на конце; на верхушке его образуется ярко светящаяся белым светом углубленная чашечка (кратер) d, вокруг которой расположена значительно менее ярко и более желтоватым оттенком светящаяся зона e, а выше — раскаленная лишь докрасна зона f; над f часто замечается венец из расплавленных капелек различных веществ, подмешанных к углю. Отрицательный уголь (нижний на фиг. 20) заостряется; тупой, ярко-бело светящийся кончик g его окружен менее яркими зонами h (желтой) и i (красной); на последней замечаются те же капельки, которые наблюдаются выше зоны f пол. угля. Сама дуга состоит из внутреннего фиолетового ядра а с очень высокой температурой, отделенного темной оболочкой с от внешнего зеленоватого ореола b. Относительные размеры кратера, зон и вид дуги зависят как от длины дуги (расстояние от плоскости, проходящей через край кратера до острия отрицательного угля), так и от силы тока; диаметр кратера возрастает с силой тока, причем поверхность его растет приблизительно пропорционально силе тока; при постоянной силе тока размеры кратера растут с увеличением расстояния между углями; темная оболочка между ядром и ореолом дуги исчезает при малых силах тока и малых длинах дуги. Чем меньше длина дуги и чем больше сила тока, тем более заострен отрицательный уголь. При очень малых длинах дуги на острие отрицательного угля образуется тупой нарост (гриб, фиг. 21), образование которого, вероятно, вызвано недостаточно быстрым доступом кислорода воздуха к раскаленным угольным парам и происходящим вследствие этого отложением несгоревших угольных паров на более холодном отрицательном угле. По мере горения дуги угли обгорают, вследствие чего длина дуги увеличивается; при этом количество угля, сгорающего на пол. угле, приблизительно в 2—2,4 раз больше, чем на отрицательном. Чтобы сделать линейное обгорание углей одинаковым, нужно положительный уголь сделать толще отрицательного в определенное (около 1,6) число раз. При таких углях для поддержания длины дуги постоянной обоим углям нужно давать одинаковые перемещения. В современных лампах с вольтовой дугой, служащих для освещения, это сближение углей производится обыкновенно автоматически при помощи особых, электрически регулируемых механизмов, называемых регуляторами (§ 9). Количество обгорающего угля приблизительно пропорционально силе тока и зависит от природы угля, длины дуги и содержания кислорода в окружающем дугу газе. Дугу нельзя рассматривать как обыкновенный проводник; это тотчас вытекает из исследования падения потенциала вдоль дуги. Результаты такого исследования даны на фиг. 22; сплошная черта справа изображает распределение потенциала. Если полное падение потенциала вдоль дуги равно 45 вольтам, то это падение составляется примерно из: 1) внезапного падения (скачка) потенциала на 39 вольт у поверхности соприкосновения положительного угля с дугой, 2) из незначительного, но постепенного падения около 3 вольт вдоль самой дуги, 3) из незначительного по величине, но внезапного падения (скачка) потенциала около 3 вольт у поверхности соприкосновения отрицательного угля с дугой. Скачки потенциала у поверхности углей составляют необходимое условие существования дуги, и дуга не может установиться, если действующая электродвижущая меньше соответствующей данной длине дуги и данной силе тока сумме скачков потенциала. Величина этих скачков зависит, по исследованиям г-жи Айртон, наиболее внимательно изучившей вольтову дугу постоянного тока, как от силы тока, так и от длины дуги. Положительный скачок растет при постоянной силе тока с длиной дуги и уменьшается при данной длине дуги с увеличением силы тока. Отрицательный скачок не зависит от длины дуги и также уменьшается с увеличением силы тока. Полное падение потенциала вдоль дуги должно, следовательно, зависеть при данной длине дуги от силы тока. Эта зависимость для нескольких длин дуги (между сплошными углями) дана на фиг. 23, из которой видно, что разность потенциалов на углях вообще уменьшается с увеличением силы тока. Выше некоторой, определенной для каждой длины дуги, силы тока наступает неспокойное горение ее, не допускающее измерений (пунктир на чертеже); при дальнейшем увеличении силы тока дуга вновь начинает гореть более спокойно, но горение ее сопровождается шипением (шипящая дуга); уменьшившаяся при этом почти на 10 В. разность потенциалов далее почти не меняется при увеличении силы тока. Причиной шипения, по исследованиям г-жи Айртон, является то обстоятельство, что расширившийся кратер не защищен достаточно дугой и в него врывается воздух, окисляющий пары угля, повышающий температуру кратера и понижающий тем напряжение; опыты вполне подтверждают это предположение, так как при отсутствии кислорода шипения не наблюдается и, наоборот, вдувание кислорода в спокойную дугу может вызвать шипение. Зависимость между длиной дуги, силой тока и разностью потенциалов на углях для спокойно горящей была неоднократно выражаема формулами. Из последних ближе всего результатам опытов отвечает формула г-жи Айртон
V = α + βL + (γ + δL)/J.. . (1),
где V есть разность потенциалов между углями, J — сила тока, L — длина дуги, α, β, γ, δ — постоянные, зависящие от состава и толщины углей и от окружающей среды. Так, напр., для сплошных углей в 11 мм (пол. уголь) и 9 мм (отр. уг.) Айртон нашла
V = 38,88 + 2,07L + [(11,66 + 10,54L)/J], где L выражено в мм, a J в амперах. B формуле (1) 0,8α + δL/J представляет скачок потенциала у пол. угля, 0,2α + γL/J есть скачок потенциала у отр. угля, a βL есть падение потенциала вдоль дуги, не зависящее от силы тока. Дуга может образоваться при каждой данной длине и данной электродвижущей силе источника E лишь при силе тока большей, чем некоторая предельная наименьшая сила тока Jm (критическая сила тока). Исследование условия горения дуги показывает, что E, V и Jm связаны зависимостью (Stark, "Drude's Ann.", XII, 1903, 693)
Jm(dV/dJ)J=J m = E — V.. . (2)
где (dV/dJ)J=J m есть значение производной от потенциала по силе тока для данной длины дуги при значении J = Jm. Сопоставляя (1) и (2) можно найти, что
Jm = 2(γ + δL)/[E — (α + βL)].. . (3).
[По наблюдениям Штарка (1903), минимальная сила тока тем меньше, чем больше самоиндукция цепи при том же самом сопротивлении ее.].
Отсюда видно, что критическая сила тока уменьшается вместе с возрастанием электродвижущей силы источника и что наименьшая электродвижущая сила, достаточная для получения дуги длины L, должна быть больше
E ) α + βL.
Механизм явлений, происходящих в вольтовой дуге, весьма сложен и в настоящее время еще не выяснен. Несомненно, что при горении дуги происходит усиленное испарение вещества с положительного электрода, а иногда более слабое испарение и с отрицательного. Эти пары образуют дугу и в дуге отчасти сгорают, окисляясь под влиянием кислорода воздуха. Необходимость определенной наименьшей электродвижущей силы для образования дуги стараются объяснить существованием в дуге обратной электродвижущей силы поляризации вроде той электродвижущей силы поляризации, которая часто наблюдается при электролизе. Пока действующая электродвижущая сила меньше возникающей в дуге при горении обратной электродвижущей силы, дуга образоваться не может. Несмотря на многочисленные опыты, произведенные для обнаружения этой обратной электродвижущей силы, существование ее до сих пор не могло быть доказано. Выяснения внутреннего механизма вольтовой дуги можно ожидать от электронной теории. которая даже в настоящее время уже дала возможность глубже проникнуть в сложные явления, сопровождающие горение дуги (работы Штарка и Миткевича). Вольтова дуга обладает весьма высокой температурой. У положительного угля температура кратера, независимо от силы тока, равна около 4000° (§ 1), у конца отрицательного угля около 2800°; температура ядра дуги, вероятно, выше температуры кратера и зависит от силы тока. Нагретый до чрезвычайно высокой температуры кратер излучает температурным свечением огромное количество света, максимум энергии которого, сообразно температуре кратера (§ 1), лежит приблизительно при λ = 0,7µ. Из всего количества света, излучаемого дугой, около 85 % приходится на долю кратера положительного угля, около 10 % на долю отрицательного угля и всего около 5 % на долю самой дуги. Яркость кратера, т. е. количество световой энергии, излучаемой единицей поверхности кратера, должна быть вследствие постоянства температуры его величиной постоянной; это соображение достаточно близко подтверждается опытами Абнея, Виолля и Томпсона, которые постоянство температуры кратера объясняют тем, что на кратере поглощаемая испарением угля скрытая теплота парообразования препятствует поднятию температуры кратера выше известного предела. При увеличении силы тока полное количество света, излучаемого кратером, растет вследствие почти пропорционального силе тока возрастания излучающей поверхности кратера. Представляя по форме своей вогнутую чашечку, кратер вертикально вниз расположенного положительного угля должен был бы излучать наибольшее количество света вертикально вниз, наименьшее — в горизонтальном направлении. Характер распределения излучения вольтовой дуги усложняется, однако, как поглощением света от кратера под ним расположенным отрицательным углем, так и участием в излучении самой дуги и отрицательного угля. В результате получается распределение излучения, схематически изображенное для дуги постоянного тока на фиг. 24, в которой обращенный вниз кратер предположен находящимся в центре полуокружности; на каждом из радиусов полуокружности нанесен отрезок, пропорциональный силе света в направлении этого радиуса, и концы этих отрезков соединены сплошной кривой. Из фиг. видно, что наибольшая сила света Jm излучается под углом около 40—50° от вертикального направления и что по мере удаления от этого угла по обоим направлениям сила света быстро спадает. [По опытам Галльвакса (1904), это распределение относится лишь к видимым лучам. Так, наприм., ультрафиолетовые лучи меняются по силе лишь на 2 % при переходе от горизонтального направления к углу в 60°. Это несомненно указывает на то, что главную долю ультрафиолетовых лучей излучает сама дуга.]. Чтобы охарактеризовать полное количество световой энергии, излучаемой вольтовой дугой, представим себе источник света, излучающий равномерно по всем направлениям в сумме то же самое количество световой энергии, что излучает данная дуга; силу света этого воображаемого источника называют средней сферической силой света данной дуги. Между средней сферической силой света дуги Js, максимальной — Jm и силой света, излучаемой в горизонтальном направлении Jh, выведено было приближенное соотношение
Js = (Jh/2) + (Jm/4).. . (4)
Так как Jh приближенно равняется 0,2Jm, то формулу (4) можно написать: Js = 0,35Jm (формула Руссо). Что касается зависимости Js или Jm от силы тока, то определенных данных по этому вопросу привести нельзя, так как излучение света заметно меняется в зависимости от природы углей и от толщины их при данной силе тока. Приближенные величины Js и Jm в единицах Гефнера (см.) для сил тока от 2 до 12 ампер даны в нижеследующей таблице:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Сила тока в | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 12 |
| ампер. | | | | | | | | | | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Js | 70 | 130 | 200 | 300 | 380 | 480 | 570 | 650 | 800 | 1100 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Jm | 200 | 370 | 570 | 860 | 1080 | 1370 | 1620 | 1860 | 2280 | 3150 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Данные относительно поглощения энергии на 1 свечу у вольтовой дуги должны быть относимы к одной свече средней сферической силы света. Если взять одну дугу, горящую при 45 вольтах и 10 амперах, то теоретическое поглощение ватт на 1 свечу будет 450/800 = 0,56 ватт. На практике поглощаемая энергия всегда больше, так как последовательно с лампой включается реостат, тоже поглощающий энергию. Если, как это обыкновенно делается, в 110-вольтовую цепь включены последовательно две лампы по 10 ампер, то во всей ламповой цепи поглощается 1100 ватт при общей силе света в 1600 свечей, что дает 1100/1600 = 0,69 ватт на среднюю сферическую свечу. Причиной высокой экономичности вольтовой дуги является несомненно чрезвычайно высокая температура кратера.
§ 8. Вольтова дуга переменного тока. Если питать вольтову дугу переменным током, то каждый из углей поочередно становится положительным, затем отрицательным. Ввиду этого обгоревшие угли не отличаются по форме концов своих; оба угля одинаково быстро обгорают и одинаково заостряются, и на тупых концах у обоих углей образуются маленькие кратеры. У вертикально расположенных углей иногда замечается большее заострение верхнего угля, которое, однако, надо приписать исключительно влиянию потока горячего воздуха, подымающегося от нижнего угля. При питании вольт. дуги переменным током электродв. сила два раза в течение одного полного периода становится меньше той минимальной электродвижущей силы, которая необходима для горения дуги; ввиду этого дуга должна потухать два раза в течение одного периода тока. Непосредственные опыты подтвердили правильность этого воззрения. Несмотря на это потухание, дуга самостоятельно после потухания зажигается вновь; это указывает на то, что хорошая электропроводность газов дуги между концами углей сохраняется еще некоторое время после потухания дуги. Опыты с постоянным током, быстро размыкаемым и замыкаемым вновь через некоторый промежуток времени, показали, что дуга самостоятельно зажигается вновь, если промежуток времени между размыканием и замыканием тока не больше около 1/20 сек.; при чаще всего применяемых на практике переменных токах (50 периодов в сек.) полупериод тока занимает только около 0,01 сек., что вполне объясняет самостоятельное зажигание дуги переменного тока после потухания ее. Введенная в цепь переменного тока В. дуга должна быть рассматриваема, как показали опыты Блонделя, Штейнмеца и др., как проводник, не обладающий самоиндукцией. Несмотря на это, энергия, поглощаемая В. дугой даже в цепи без всякой самоиндукции, не может быть рассчитываема непосредственно, как произведение эффективной разности потенциалов V на эффективную силу тока J; для получения истинного поглощения энергии необходимо произведение V·J умножить на некоторый коэффициент А = 0,85—0,95 (по опытам Дудделя и Маршанта), величина которого зависит от природы углей и увеличивается с увеличением числа периодов тока. То же самое обстоятельство имеется во всех тех случаях в цепи переменного тока, когда в цепи наблюдается смещение фазы силы тока относительно фазы электродвижущей силы; в этом случае А = Cosφ, где φ есть смещение фаз. Непосредственные опыты (Дудделя и Блонделя) показали, однако, что смещения фаз в В. дуге нет и что причиной явления служит искажение кривой переменного тока вследствие введения в цепь тока вольт. дуги. На фиг. 25 линейным пунктиром дана (по опытам Дудделя и Маршанта, 1899) кривая электродвижущей силы источника тока, точечным пунктиром — кривая силы тока, а сплошной чертой — разность потенциалов между углями; в цепи не было самоиндукции. На фиг. 26 даны те же величины, когда в цепь включена была самоиндукция около 0,008 генри. Причиной искажения кривых является периодическое изменение кажущегося сопротивления дуги; величина этого сопротивления зависит от силы тока, проходящего по дуге и периодически меняющего свою силу в случае переменного тока. Детали характера искажения кривой переменного тока вследствие введения В. дуги еще сравнительно мало изучены. Температура кратеров В. дуги переменного тока должна периодически меняться, хотя вследствие большой частоты перемен и малой теплопроводности угля колебания температуры должны быть незначительными; последнее обстоятельство было подтверждено опытами Бэрни (1897). Что касается вопроса о средней температуре кратеров, то он еще не решен; вероятно, температура кратеров заметно ниже температуры кратера положительного угля у дуги постоянного тока, но выше температуры острия отрицат. угля. Благодаря существованию двух кратеров распределение освещения вокруг вольтовой дуги (фиг. 27) представляет как бы удвоение рис. распределения освещения у дуги постоянного тока. Наибольшая сила света наблюдается под углом 50—60° от горизонтального направления; характер распределения освещения сильнее, чем у дуги постоянного тока, меняется в зависимости от толщины углей и длины дуги. Средняя сферическая сила света Jm может быть приближенно вычислена (по Блонделю) для сил тока от 8 до 12 амп. по формуле
Js = (Jh/4) + (Jm+ Jm')/4,
где Jm и Jm' — две максимальные силы света, верхняя и нижняя. Некоторые данные относительно сил света Js, Jh, Jm, Jm′ для нескольких сил тока можно усмотреть из следующей таблицы, дающей результаты опытов общества "Гелиос" над вольт. дугами переменного тока, горевшими при одной и той же самой разности потенциалов.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Сила тока | 10 | 15 | 16 | 20 | 30 | 50 амп. |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| J | 150 | 670 | 925 | 940 | 1800 | 1630 свечей |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Jm | 550 | 1500 | 2160 | 2800 | 3880 | 4840 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Jm'. | 550 | 1570 | 2200 | 2760 | 3880 | 4660 |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Js | 275 | 870 | 1200 | 1500 | 2200 | 2625 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Приведенные числа не могут, однако, служить данными для указания силы света всякой вольтовой дуги переменного тока при приведенных в таблице силах тока. Сила света вольтовой дуги переменного тока столь сильно зависит как от вещества углей, толщины их и расстояния между ними, так и от формы кривой электродвижущей силы источника тока, что дать более или менее определенные числа для силы света вольтовой дуги переменного тока при различных силах тока является невозможным. Вызываемые колебаниями в силе тока периодические колебания температуры концов углей вызывают, в свою очередь, периодические колебания в силе света, излучаемого вольтовой дугой переменного тока. При высоких температурах незначительные колебания в температуре вызывают значительные изменения в силе света; поэтому незначительные колебания в темп. концов углей дуги переменного тока вызывают колебания в силе света, доходящие до 50 % (Плотников, 1902). Наоборот, отсюда можно заключить, что колебания температуры углей не превосходят приблизительно (см. § 1) , или около 6 %. Колебания температуры вольт. дуги переменного тока вызывают также характерное звучание (гудение) ее. Вследствие колебаний в температуре происходят периодические расширения и сжатия в газовой оболочке, окружающей дугу, достаточные, чтобы вызвать впечатление звука; число колебаний этого звука равно кратному числу колебаний силы тока. [Если искусственно вызвать весьма быстрые колебания в силе тока, а следовательно, и температуре дуги, то можно заставить ее сильно звучать (поющая дуга). Если эти колебания производятся звуками человеческого голоса, вызывающими колебания в силе тока, проходящего по дуге, то дугу можно заставить говорить, как телефон (говорящая дуга).]. Поглощение энергии на 1 свечу у вольтовой дуги переменного тока значительно больше, чем у дуги постоянного тока. Многочисленные измерения по этому вопросу показали согласно, что при одной и той же поглощаемой энергии средняя сферическая сила света дуги переменного тока в 1,8—2 раза меньше силы света дуги постоянного тока, а следовательно, поглощение ватт на свечу в 1,8—2 раза больше, чем у дуги постоянного тока.
§ 9. Лампы с вольтовой дугой. Материалом для электродов ламп с вольтовой дугой служит искусственно приготовляемая угольная масса, состоящая из обожженной смеси порошка ретортного угля с каменноугольным дегтем. Ретортный уголь размалывается в особых мельницах в мелкий порошок, который вместе с сажей и каменноугольным дегтем размешивается в пластическую массу. Масса поступает в цилиндры, из которых под огромным давлением выжимается через круглое отверстие в виде длинных стержней. Разрезанные на куски надлежащей длины стержни кладутся в тигли, засыпаются угольным порошком и поступают в печи, где обжигаются без доступа воздуха при температуре 1100—1700°. При высокой температуре печи деготь разлагается и выделяющийся из него в виде графитообразной массы углерод плотно связывает частицы угля в одну твердую массу. Готовые охлажденные угли представляют весьма твердые, звонкие, однородные стержни; длина их, смотря по назначению, от 15 до 30 см. Кроме сплошных углей, в дуговых лампах пользуются еще углями с фитилем; эти угли представляют угольные толстостенные трубки, во внутреннюю узкую полость которых при помощи ручных прессов вжимается более мягкая угольная или графитовая масса, размешанная на растворимом стекле и содержащая примеси из калийных и натронных солей и другие. Угли с фитилем горят значительно более спокойно, чем сплошные, и дуга в них более стойко держится на месте. В лампах постоянного тока в качестве полож. угля берут обыкновенно фитильный, в качестве отрицательного — сплошной; в лампах переменного тока обыкновенно оба угля либо сплошные, либо фитильные. Толщина углей выбирается в зависимости от силы тока, причем у дуг постоянного тока положит. уголь берется настолько толще отрицательного, чтобы линейное обгорание их было приблизительно одинаково; у дуг переменного тока толщина обоих углей одинакова. Практика выработала наиболее удобные размеры углей для дуг различной силы тока. В нижеприведенной таблице даны для дуг постоянного тока различной силы размеры углей, наиболее подходящая разность потенциалов и приблиз. продолжительность горения углей в 25 см длиной.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Сила тока в амперах. | 2—2,5 | 3—3,5 | 4—5 | 6—7 | 8—9 | 10—11 | 12—15 | 15—19 | 20—24 | 25—29 |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Диметр полож. угля | 8 | 11 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 20 | 22 | 25 |
| (фит.) в мм | | | | | | | | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Диаметр отриц.угля | 5 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 13 | 13 | 15 | 18 |
| (спл.) в мм | | | | | | | | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Средняя | | | | | | | | | | |
| продолжительность | 8,5 | 11,2 | 11,2 | 12,2 | 13,5 | 13,7 | 14,5 | 12 | 12 | 14 |
| горения угля в 25 см в | | | | | | | | | | |
| часах | | | | | | | | | | |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Разность потенциалов в | 36 | 37 | 38 | 39 | 39 | 41 | 42 | 43 | 43 | 43 |
| вольт. | | | | | | | | | | |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Те же самые данные для дуг переменного тока различной силы можно усмотреть из следующей таблицы:
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Сила тока в амперах | 6—7 | 8—9 | 10—11 | 12—13 | 14—15 | 16—17 | 18—20 | 21—24 | 25—35 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Диаметр обоих углей в мм | 8 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 18 | 20 | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Продолжительность горения угля | 7 | 7,7 | 9,5 | 11,5 | 12 | 12 | 12 | — | — |
| в 25см в часах | | | | | | | | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Разность потенциалов в вольтах | 29 | 30 | 31 | 32 |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Приведенные в этих таблицах данные не являются совершенно постоянными для всяких ламп и всяких углей, так как требуемая разность потенциалов зависит, напр., от конструкции регулирующего механизма лампы, а продолжительность горения угля в сильной мере зависит от состава его. Каждый завод ламп с вольтовыми дугами дает для каждого типа своих ламп точные, выработанные практикой указания относительно размеров углей и требуемой разности потенциалов. Для сближения обгорающих в вольтовой дуге углей и для поддержания длины дуги постоянной пользуются ручными и автоматическими регуляторами. Ручные регуляторы применяются значительно реже автоматических; ими пользуются еще изредка в физических лабораториях, в дуговых лампах, предназначенных для проекционных фонарей (см.), а также иногда и в прожекторах. Внешний вид такого регулятора изображен на фиг. 27а, на которой ясно видно, как посредством винтов а, b, с можно подымать всю дугу, а также сближать угли по мере их обгорания. Автоматические регуляторы должны: 1) при замыкании тока сблизить угли до соприкосновения, 2) затем тотчас развести их до достижения надлежащего расстояния между углями, 3) поддерживать это расстояние по мере обгорания углей и менять его сообразно с изменением условий доставления Э. энергии. Все огромное число существующих конструкций автоматических регуляторов постоянного и переменного тока может быть подразделено на 3 основных типа, схемы которых ниже описаны. 1) Схема лампы с последовательным соединением (последовательная или сериэс-лампа) дана на фиг. 28. Нижний (отриц.) уголь предположим неподвижным; верхний уголь прикреплен к плечу рычага, оттягиваемому вниз пружиной f, стремящейся привести угли в соприкосновение. К другому концу рычага привешен железный цилиндр, висящий в полости катушки S и втягиваемый в нее, когда по толстой обмотке катушки проходит ток. Из внешней цепи ток по обмотке катушки идет в верхний уголь, затем по дуге и нижнему углю возвращается в цепь. Когда замыкают цепь тока, в которую включена лампа, по этой последней проходит сильный ток, так как сопротивление лампы при соприкасающихся углях весьма невелико; железный цилиндр втягивается в катушку и разводит угли, между которыми образуется дуга, до тех пор, пока момент силы, растянувшейся пружины, не сравняется с моментом силы втяжения цилиндра, уменьшающейся по мере увеличения длины и сопротивления дуги и вызванного этим уменьшения силы тока; придав пружине f надлежащее натяжение, можно придать дуге желаемую длину. По мере обгорания углей длина и сопротивление дуги увеличиваются и сила тока уменьшается; вследствие этого уменьшается втяжение цилиндра в катушку, пружина f пересиливает и сближает вновь угли до достижения нормальной силы тока. Если сила тока почему-либо возрастает, то пересилит катушка S и разведет угли. Таким образом, регулировочный механизм последовательной лампы стремится поддерживать силу тока в лампе постоянной. Если включить последовательно две такие лампы, то сила тока в обеих лампах будет всегда одинаковой. Предположим, что в первой из этих ламп происходит вызванное обгоранием углей приближение их друг к другу. Вследствие этого увеличивается сила тока не только в первой, но и во второй лампе; усиление тока вызовет раздвижение углей во второй лампе, и независимо от того, необходимо ли такое раздвижение углей для правильного горения лампы или нет, раздвижение углей во второй лампе вызовет, в свою очередь, ослабление силы тока, которое заставит измениться положение углей в первой лампе и т. д. Таким образом, правильное горение двух. или нескольких последовательно соединенных последовательных ламп невозможно, так как регулировка одной из них всегда отзывается на правильном горении остальных; при параллельном соединении, если разность потенциалов достаточно постоянна, несколько последовательных ламп могут гореть спокойно, не мешая друг другу. Описанный тип ламп в настоящее время применяется очень редко, только в проекционных фонарях, прожекторах и т. п. Значительно более распространены более совершенные 2) лампы с параллельным соединением (шунтовые лампы), схема которых дана на фиг. 29. В этих лампах действием пружины f угли разводятся; сведение углей производится втяжением железного цилиндра в катушку S с тонкой обмоткой большого сопротивления, включенной в ответвление между углями.
Ввиду большого сопротивления катушки S ток, проходящий через нее, будет пропорционален разности потенциалов между углями. Когда мы замкнем ток, то разность потенциалов между углями будет равна полной разности потенциалов между проводами K1 K2, к которым приключена лампа; через S пройдет сравнительно сильный ток, С втянется и приведет угли в соприкосновение. Тотчас разность потенциалов между углями, а следовательно, и ток в S сделается весьма малым, пружина f перетянет и угли сильно разойдутся, образуя дугу. Как только образуется дуга, ток в S возрастет, цилиндр начнет втягиваться и сблизит угли настолько, чтобы уменьшающаяся по мере сближения углей втягивающая сила S сделалась равной силе пружины f. Когда угли обгорят, разность потенциалов между ними возрастет, сила тока в S увеличится, цилиндр втянется и снова сблизит угли. Наоборот, если почему-либо угли сблизятся, разность потенциалов между ними уменьшится, втягивающая сила S уменьшится, пружина f перетянет и разведет угли до нормального расстояния. Положение равновесия рычага достигается всегда при некоторой определенной разности потенциалов между углями; мы можем, следовательно, сказать, что шунтовый регулятор поддерживает между углями достоянную разность потенциалов. При последовательном включении двух или нескольких шунтовых ламп регулировка одной из них тоже отзывается на горении всех других, но лишь весьма незначительно сравнительно с последовательной лампой. Поэтому шунтовые лампы часто применяют в последовательном соединении.
3) Дифференциальная лампа, представляющая наиболее совершенный из трех типов, имеет две катушки: S1 с толстой обмоткой последовательно с углями и S2 с тонкой обмоткой в ответвлении к углям (фиг. 30). Положим, что до пропускания тока угли касаются друг друга; при замыкании тока чрез S1 пройдет сильный ток, и втяжение цилиндра вниз раздвинет угли и образуется дуга. Как только дуга появится, разность потенциалов между углями возрастет, ток в S1 ослабнет, по S2 пройдет более сильный ток и втяжение верхнего цилиндра снова сблизит угли до тех пор, пока катушки S1 и S2 не удержат рычаг в равновесии. Когда угли обгорят, сопротивление дуги возрастет, сила тока в S1 ослабнет, в S2 увеличится (вследствие увеличения разности потенциалов между углями), втяжение верхнего цилиндра пересилит и угли сблизятся. Наоборот, если угли слишком сблизятся, то пересилит втяжение нижнего цилиндра и угли снова разойдутся. Равновесие рычага наступит всегда при равновесии между втягивающими силами S1 и S2; первая зависит от силы тока, вторая — от разности потенциалов между углями. Равновесие наступит, следовательно, при некотором постоянном отношении между силой тока и разностью потенциалов на углях, т. е. при некотором определенном сопротивлении дуги. Таким образом, дифференциальная лампа поддерживает постоянным сопротивление дуги. Дифференциальные регуляторы горят одинаково хорошо и в последовательном, и в параллельном соединении и мало влияют друг на друга при совместном горении. В вышеизложенном дана лишь голая схема устройства регуляторов. В действительности механизм их значительно сложнее, принадлежа по идее к одному из вышеизложенных трех типов. В настоящее время применяются главным образом шунтовые и дифференциальные регуляторы. В качестве примера устройства регулирующего механизма дуговых ламп приведем описание механизма дифференциальной шнуровой лампы постоянного тока Сименса и Гальске (фиг. 31). В колпаке лампы помещена рама СС, качающаяся около точки F, лежащей между точками привеса обоих углей. В раме вращается желобчатый шкив А, соединенный с одним из колес зубчатой передачи, последнее колесо которой D при среднем положении рамы удерживается на месте при посредстве пружинящей собачки Е. Через шкив перекинут гибкий медный шнур BB, поддерживающий оправу (угледержатель) верхнего угля и прикрепленный другим концом (см., напр., фиг. 32) к нижнему угледержателю, могущему скользить вверх и вниз вдоль стоек ZZ. Рама С качается около точки F и поддерживает с правой стороны железный цилиндр G, входящий верхним концом в катушку с последовательной обмоткой, нижним концом в катушку с шунтовой обмоткой. Верхний угледержатель сделан тяжелее нижнего, так что под влиянием тяжести его шкив А повернулся бы по часовой стрелке и привел бы угли в соприкосновение, опустив верхний уголь и подняв нижний, если бы тому не препятствовала собачка E, задерживающая вращение всей зубчатой системы, связанной с А. При замыкании тока якорь втягивается в нижнюю шунтовую катушку, рама поворачивается по часовой стрелке, колесо D освобождается, и шкив А под влиянием тяжести верхнего угледержателя сближает угли до соприкосновения. Когда угли соприкоснутся, якорь G с силой втянется в верхнюю последовательную катушку, шкив А повернется вместе с рамой против часовой стрелки и угли разойдутся; поворачиванию шкива в обратную сторону под влиянием тяжести верхнего угледержателя воспрепятствует собачка Е. При увеличении дуги вследствие обгорания углей разность потенциалов между углями увеличится, перетянет шунтовая катушка, рама повернется, D освободится, и угли сблизятся; при достижении дугой нормальной величины якорь вернется в положение равновесия, и колесо D вновь упрется в собачку Е. Чтобы при весьма быстром разведении углей световая дуга не прервалась, в лампе устроено тормозное приспособление, состоящее из воздушного клапанного насоса L, шток поршня которого встречает при движении вниз головку винта М, прикрепленного к раме; при поднятии якоря вверх тормоз замедляет движение якоря и угледержателей; на движение же рамы и якоря вниз насос не оказывает никакого влияния, так как поршень с рамой не связан. Пружины H1, H2 служат для уравновешения рамы в ее среднем положении и для уменьшения нагрузки оси, вокруг которой вращается рама. Лампы переменного тока, основанные на втяжении железных якорей в катушки, мало чем отличаются по конструкции от ламп постоянного тока. Из ламп переменного тока другого рода интерес представляет лампа Шуккерта (Утцингера), изображенная на фиг. 32 и 33.
Алюминиевый диск а вращается между полюсами двух электромагнитов — последовательного E и шунтового е. Переменные магнитные поля электромагнитов вызывают в диске переменные токи, смещенные по фазе относительно токов, создающих магнитное поле; вследствие взаимодействия между полем и созданным им токами диск приходит во вращение. Магниты расположены так, что один из них стремится вращать диск по часовой стрелке, другой — против нее. Вращение диска посредством зубчатых колес передается шкиву, вокруг которого лежит цепочка, концы которой прикреплены к угледержателям. При нормальной длине дуги противоположные вращательные моменты, исходящие от двух электромагнитов, равны друг другу, и диск и угли остаются в покое. Когда длина дуги увеличится вследствие обгорания углей, сила тока падает, но вырастает разность потенциалов на углях, вследствие чего пересиливает электромагнит, введенный параллельно; под действием его диск вращается так, что угли сближаются. Если же сила тока почему-либо увеличится выше нормы, то диск поворачивается в обратную сторону и разводит угли до тех пор, пока не наступит равновесие вращательных моментов, действующих на диск. Таким образом, диск непрерывно поворачивается, поддерживая сопротивление дуги постоянным. Лампы с вольт. дугой включают обыкновенно в цепь с разностью потенциалов большей, чем та, которая необходима для лампы, и избыток напряжения "убивают" в реостате. Включенный последовательно с лампой ламповый реостат действует весьма благотворно на спокойствие и правильность горения лампы. Предположим, что мы имеем шунтовую лампу, которая требует 40 вольт при 8 амп., и что мы включили ее в 42-вольтовую цепь последовательно с реостатом в (42 — 40)/8 = 0,25 ома. Лампа с хорошим механизмом начнет регулировать, когда разность потенциалов повысится до 41 вольта; тогда падение потенциала вдоль реостата будет равняться всего 1 вольту, а следовательно, сила тока в цепи упадет до 1 : 0,25 = 4 амп., т. е. до половины первоначальной величины; вместе с тем и сила света упадет почти вдвое. Хорошая лампа регулирует около 3 раз в минуту; поэтому в рассмотренном случае сила света лампы будет часто и сильно колебаться. Предположим теперь, что мы включили эту лампу в 60-вольтовую цепь последовательно с реостатом в (60 — 40)/8 = 2,5 ома. При возрастании напряжения до 41 вольт падение потенциала вдоль реостата будет 60 — 41 = 19 вольт, а сила тока в цепи упадет всего только до 19/2,5 = 7,6 амп., т. е. изменится всего на 5 %; столь же мало изменится и сила света. Отсюда видно, что ламповый реостат действует как буфер, ослабляющий колебания в силе тока в лампе. [В случае ламп переменного тока вместо реостатов часто применяют реактивные катушки (катушки проволоки с железным сердечником, обладающие значительной самоиндукцией).]. Чем больше реостат, тем ровнее горит лампа; но так как в реостате даром тратится энергия, то стараются брать реостат не больше того, который необходим для более или менее ровного горения лампы. Обыкновенно считают, что реостат должен быть таков, чтобы падение потенциала вдоль него было не менее 20 вольт, но при чувствительных и часто регулирующих механизмах реостат может быть значительно меньше. Так, напр., в обыкновенную 110-в. цепь включают обыкновенно две 45-в. лампы с реостатом, вдоль которого падает 20 вольт; но в настоящее время имеются уже диффер. лампы, столь чувствительно регулирующие, что в 110-в. цепь можно включить 3 лампы в 35 вольт с ничтожным реостатом на 5 В. (фиг. 34) или 3 лампы в 37 В. даже вовсе без реостата; конечно, пользование такими лампами возможно только там, где разность потенциалов между питающими проводами поддерживается в близких пределах постоянной. Дифф. лампы строятся обыкновенно для сил тока от 6 до 25 ампер. Чем меньше сила тока, потребляемого лампой, тем более чувствителен и хорошо конструирован должен быть ее регулирующий механизм. Усовершенствования в ламповых механизмах позволили в последнее время строить малые дуговые лампы, горящие при 4, 3, 2, даже 1,5 амперах. Эти лампы не обладают, однако, до сих пор высоким совершенством ламп на большую силу тока; опасным конкурентом этим лампам может явиться лампа Нернста. После изобретения шунтовых и дифференциальных ламп явилась впервые возможность включения в одну цепь нескольких ламп последовательно. Для этой цели пользовались обыкновенно источниками тока с высоким напряжением (до нескольких тыс. вольт) и включали в цепь последовательно иногда несколько десятков ламп. Недостатком этой системы является необходимость жечь все лампы при одинаковой силе тока; кроме того, при потухании одной лампы потухала вся цепь; для избежания этого вводили параллельно к каждой лампе особые автоматические переключатели, которые при потухании лампы автоматически вводили на ее место в цепь некоторое сопротивление. Более удобным является развившееся позже параллельное включение ламп (послед. и дифф. ламп), при котором в одну и ту же цепь могут быть введены лампы для самых различных сил тока. При обычных 110 и 220-в. цепях включение в цепь по одной лампе параллельно является крайне невыгодным, так как последовательно с каждой лампой в цепь должен быть помещен реостат значительно больший, чем тот, который необходим для спокойного горения лампы (напр. при 110 В. цепи и 45 В. лампы реостат с падением в 65 в.); реостат этот даром поглощает больше энергии, чем сама лампа. Поэтому по одной лампе параллельно включают только в низковольтные цепи (фиг. 35; 65-в. цепь; В — дуговая лампа, W — реостат, G — лампа накаливания); в 110-в. цепи включают параллельно группы из 2—3 последовательно соединенных ламп (фиг. 36), а в 220-в. цепи — группы из 4—6 ламп.
§ 10. Лампы с закрытой дугой. Лампы с пламенной дугой. Некоторые новые лампы. Если замедлить доступ кислорода к углям дуговой лампы, то обгорание углей происходит значительно медленнее нормальной скорости обгорания. Это наблюдение, сделанное еще Стэтом (Staite) в 1846 г., послужило исходной точкой для множества попыток конструировать лампы с замедленным доступом кислорода к углям и, следовательно, с продолжительным горением углей. Но лишь в 1893 г. Джэндесу (Jandus) в Америке удалось построить первую применимую на практике лампу с закрытой дугой; в настоящее время существует много типов этих ламп. Во всех этих лампах угли помещаются внутри стеклянного сосуда, в который они проходят со столь малым зазором в стенках сосуда, что обмен воздуха между внутренностью сосуда и внешним воздухом весьма затруднен. Вскоре после зажигания лампы весь кислород воздуха, содержавшийся во внутренности сосуда, соединяется с углем, и угли продолжают гореть в индифферентной смеси из азота, окиси углерода и углекислоты, в которую лишь медленно диффундирует кислород окружающего воздуха; в такой газовой среде угли обгорают в 12—15 раз медленнее, чем в открытом воздухе. Закрытая дуга по свойствам своим заметно отличается от дуги открытой. На положительном угле не образуется углубленного кратера, на отрицательном — острия, а оба угля принимают форму, изображенную на фиг. 37. Дуга имеет заметно фиолетовый оттенок и крайне подвижна. Распределение освещения у такой дуги изображено на фиг. 38, из которой видно, что максимум света наблюдается под углом около 20° от горизонтальной линии. Для правильного горения дуги требуется поддерживать разность потенциалов, значительно большую, чем у дуги открытой, — 75—80 вольт для дуги постоянного тока, 65—70 вольт для дуги переменного тока. Поглощение ватт на свечу у закрытой дуги на 30—40 % больше, чем у открытой; затрата энергии на горение лампы увеличивается еще благодаря тому, что в 130-вольт. цепь можно включить последовательно только одну лампу, а избыток напряжения приходится даром убивать в реостате. Конструкция ламп с закрытой дугой вообще значительно проще, чем у обыкновенных ламп, так как регулировка вследствие медленного обгорания углей, может происходить значительно реже. На фиг. 39 изображена дифф. лампа с закрытой дугой постоянного тока завода Кертинга и Матиссена. Угли в 30 см длиной горят в лампах с закрытой дугой без смены от 150 до 200 часов, так что постановка ламп особенно выгодна там, где доступ к лампам затруднен.
Еще в 1844 г. Кассельман заметил, что пропитывание углей солями некоторых металлов увеличивает количество света, излучаемого дугой, при той же затрате энергии. В 1898 г. Бремер подверг внимательному исследованию дугу между углями со значительною примесью (20—50 %) солей кальция, кремния, магния и других и показал, что дуга между такими углями обладает при одинаковой силе света неожиданно малым потреблением энергии в сравнении с дугой между обыкновенными углями. В дуге Бремера излучают свет не только угли, но, главным образом, сама дуга, длина которой достигает 15—20 мм (в обыкновенных лампах редко больше 5 мм) и которая имеет вид ярко светящегося пламени, почему и сама дуга получила название пламенной (Flammenbogen). В лампе Бремера, схематически изображенной на фиг. 40, угли расположены наклонно друг к другу, и дуга сдувается вниз при помощи электромагнита, включенного параллельно к углям. Фотометрическое исследование лампы Бремера показало, что ввиду значительного участия самой дуги в излучении света распределение света у такой дуги совершенно иное (фиг. 41), чем у обыкновенной дуги, вообще значительно более равномерное; свет, излучаемый лампой, имеет, смотря по составу углей, желтый или красный оттенок. Поглощение энергии на 1 свечу необыкновенно мало — 0,1—0,2 ватта на свечу у дуги постоянного тока, около 0,5 у дуги переменного тока. Пламенные дуги в лампах Бремера получили пока малое распространение ввиду некоторых, несомненно исправимых, недостатков самих ламп. Значительно большее распространение нашли пламенные дуги, получаемые в лампах обыкновенного типа, в которых обыкновенно угли заменены углями со значительной примесью солей; смотря по характеру примеси, лампы дают золотисто-желтый, молочно-белый или красный свет; угли обгорают значительно быстрее обыкновенных. Лампы обыкновенного типа, пригодные для пламенных дуг, изготовляются в настоящее время многими заводами. Ниже приводим некоторые данные для подобной лампы с пламенной дугой постоянного тока золотисто-желтого оттенка.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Сила тока в амперах | 12 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Напряжение в вольтах | 43 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Средняя сферическая сила света в свечах | 2125 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Поглощение ватт на свечу | 0,25 |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Продолжительность горения углей в 25 см в часах | 7 |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Неудобством этих ламп является пока яркая окраска их света, быстрое и неспокойное сгорание углей, а также то обстоятельство, что угли при сгорании выделяют некоторые газы, так что лампы с пламенными дугами могут быть применяемы только для наружного освещения. Необыкновенно высокая экономичность ламп с пламенными дугами, а также само распределение света вокруг них указывает на то, что в этих дугах мы имеем дело не только с температурным свечением (концов углей), но и с люминесценцией (дуги); ничего более определенного по поводу этих дуг пока сказать нельзя, так как они еще очень мало исследованы. [Недавно (1901) Раш предложил получать дугу между непроводниками того же рода, каковые применяются к лампе Нернста, подогрев их предварительно вспомогательной угольной дугой до температуры, при которой они начинают проводить ток (Elekrolytbogenlicht). Экономичность этих дуг очень высокая.]. Люминесценции следует приписать, несомненно, и чрезвычайно высокую экономичность многообещающей ртутной дуговой лампы Хюитта (Cooper Hewitt, 1901), промышленная разработка которой ведется в настоящее время. В этой лампе чрезвычайно длинная (до 50 см) дуга получается в стеклянной трубке с выкачанным воздухом между ртутными электродами. Чтобы зажечь эту дугу, приходится пропустить между электродами разряд высокого напряжения, который образует между электродами светящийся разряд, вроде разряда в Гейсслеровой трубке. Раз между электродами образовался проводящий мост в виде этого разряда, зажигается дуга, которая продолжает гореть и при напряжениях не свыше 100 вольт; так как явление происходит в пустоте, то материал электродов не сгорает, а лишь непрерывно испаряется и вновь конденсируется. Особенностью света, излучаемого лампой Хюитта, является полное отсутствие в этом свете красных лучей. Лампа поглощает около 0,3 ватта на свечу; продолжительность жизни ее больше таковой обыкновенной лампы накаливания — от 1200 до 1800 часов.
§ 11. История ламп с вольтовой дугой. Явление вольтовой дуги между угольными электродами со всеми его характерными признаками было описано впервые В. Петровым (см.) в книге его "Известие о гальвани-вольтовских опытах", изданной в 1803 г. В 1808 г. его вновь наблюдал Дэви, который дал наблюденному явлению название "дуга" и внимательно изучил и описал в нескольких работах. Первая попытка применить вольтову дугу к освещению при помощи автоматического регулятора относится к 1846 г. и принадлежит Стэту (Staite); в его регуляторе угли сближались часовым механизмом, не регулировавшимся током. В 1848 г. появилась первая последовательная лампа Аршеро (Archerau), изображенная на фиг. 42; угли сближались до соприкосновения грузом и раздвигались втяжением в соленоид железной оправы нижнего угля. Затем Фуко (Foucault) в 1849 г., Серрен (Serrin) в 1860 г. и Фуко и Дюбоск (Dubosc) в 1863 г. построили регуляторы, приводимые в движение часовыми механизмами, ход которых регулировался током, обегавшим лампу (послед. л.). Последние два регулятора, отличающиеся большим совершенством, но и большою сложностью конструкции, до сих пор встречаются в физических лабораториях. Первая шунтовая лампа была построена в 1878 г. Фонтэном (Fontaine), первая дифференциальная лампа — Чиколевым в СПб., в 1879 г. и одновременно с ним — Гефнер-Альтенеком в Берлине. Дальнейшее развитие конструкции регуляторов шло весьма быстро; в России конструирована была в 1882 г. оригинальная лампа Репьева, в которой постоянное расстояние между углями достигается применением двух положительных и двух отрицательных углей, причем каждая пара одноименных углей наклонена друг к другу и упирается друг в друга концами; верхние угли опускались силою тяжести, нижние подымались вверх грузиками; сближение углей для целей зажигания и раздвижение их производилось электромагнитом. В начале 80-х годов появился целый ряд ламп (Reynier, Werdermann) с полунакаливанием, в которых тонкая угольная палочка прижималась грузом к толстой угольной пластине. В этих лампах, представлявших нечто среднее между вольтовой дугой и лампой накаливания, излучал свет кончик тонкого угля, обгоравшего в месте соприкосновения с пластиной и автоматически вновь подвигавшегося до соприкосновения с ней; эти лампы не нашли применения. Весьма оригинальное решение вопроса о регуляторах дано было в 1876 г. В. Яблочковым в его электрических свечах. Яблочков располагал два угля параллельно (фиг. 43), разделив их изолирующим слоем из гипса или каолина; верхушка этой свечи снабжалась запалом, состоявшим из кусочка угольной массы, соединявшей параллельные угли. При пропускании тока запал сгорал и зажигал дугу между углями; при пользовании переменным током оба угля сгорали одинаково быстро, изолирующий слой в дуге испарялся, и двойной уголь правильно сгорал сверху вниз, как обыкновенная свеча. Продолжительность горения свечей Яблочкова (в 30 см) была не более 2 часов, почему обыкновенно в одном подсвечнике располагалось несколько свечей, автоматически включавшихся в цепь одна за другой по мере сгорания. Свечи Яблочкова применялись в течение некоторого времени для освещения улиц и площадей в Париже и СПб. В видоизменении свечи Яблочкова, предложенном Жаменом (Jamin), между углями не было изолирующего слоя, а дуга отталкивалась к концу углей электродинамическим действием соленоида, обегаемого током; в свече В. Тихомирова (1880), предназначенной для горения при постоянном токе, положительный уголь был в 2 раза длиннее отрицательного и спирально оборачивался вокруг последнего. Электрические свечи уступили вскоре место более сложным, но более экономичным регуляторам; в настоящее время вновь делаются попытки усовершенствовать их и возродить их к жизни. Дэви и первые исследователи вольтовой дуги в качестве электродов пользовались древесным углем. Бунзен, Фуко и Грове применили для этой же цели значительно более твердый и более медленно сгорающий ретортный уголь, т. е. угольный осадок, образующийся на стенках реторт, в которых производится перегонка каменного угля для добывания светильного газа. Ввиду высокой стоимости стержней из ретортного угля и неоднородности их Бунзен еще в 1840 г. предложил искусственное приготовление углей. Но все попытки искусственно приготовить медленно сгорающие однородные угли не удавались, и лишь в 1878 г. Наполи удалось получить угли, более или менее пригодные и схожие с теми, которыми пользуются в дуговых лампах в настоящее время.
§ 12. Стоимость Э. освещения. Электрические источники света, основанные на температурном свечении, обладают весьма высокой температурой; вследствие этого полезное световое действие их, а следовательно, и поглощение энергии на свечу должно быть незначительным. Так, напр., лампочка накаливания, поглощая даже 4 ватта на свечу, потребляет в час (3600 секунд) всего 4 x 0,24 x 3600 = 3450 грамм-калорий на свечу; вольтова дуга даже с поглощением в 1 ватт на среднюю сферическую свечу потребляет в час всего только 0,24 x 3600 = 860 грамм-калорий. Сравним эти данные с данными для одного из наиболее совершенных неэлектрических источников света — для газокалильной лампы Ауэра. Эта лампа сжигает в час около 2 литров газа на свечу; один литр газа, сгорая, дает 5400 гр.-кал. тепла. Таким образом, лампа Ауэра на свечу в час потребляет около 10800 гр.-кал., что в 3 раза больше потребления лампы накаливания и в 12 раз больше потребления дуги! Между тем Э. освещение является вообще одним из наиболее дорогостоящих способов освещения — это является единственно следствием дороговизны электрической формы энергии. Действительно, 1 куб. м газа дает 5400000 гр.-кал. и стоит около 8 коп., так что 106 гр.-кал. из газа стоят ок. 1,5 коп. Один гектоватт-час энергии Э. тока дает 86400 гр.-кал. и стоит ок. 3 коп.. так что 106 гр.-кал., полученных при помощи Э. тока, стоят ок. 35 коп., т. е. приблизительно в 23 раза дороже того же количества энергии, полученного из газа. Одно и то же самое количество гр.-кал. дает в лампе накаливания в 3 раза большее, а в вольтовой дуге в 12 раз большее количество света, чем в газокалильной горелке. Ввиду этого стоимость свечи, полученной от лампы накаливания, в 23/3 = около 7 раз, а от дуговой лампы в 23/12 = около 2 раз дороже свечи, полученной от газокалильной горелки. Высокая стоимость энергии Э. тока обусловлена самым способом добывания ее. В большинстве случаев она получается при помощи динамо-машин, приводимых в движение паровыми двигателями. Из энергии угля, горящего в топке котла, в среднем лишь около 75 % полезно превращаются в энергию пара; в лучшем случае лишь 12 % этой энергии достигают динамо-машины. Вследствие потерь в динамо-машине и проводах в лучшем случае лишь приблизительно 7 % основной энергии, затраченной в топке котла, достигают источников света. Из этих остатков энергии в лучшем случае около 6 % в лампах накаливания и ок. 12 % в дуговых лампах превращается в энергию видимых лучей (света); таким образом, в виде света мы получаем в лампах накаливания лишь 0,004, в дуговых лампах 0,008 основной, затраченной на добывание света энергии! Ввиду этого всякое, даже незначительное, усовершенствование в котлах и паровых машинах столь же важно для удешевления Э. освещения, как и усовершенствование ламп. В случае получения энергии тока посредством даровой движущей силы (водопады) стоимость Э. освещения, конечно, значительно уменьшается. Несмотря на высокую стоимость, Э. освещение нашло огромное применение, которое с каждым днем растет. Это следует приписать необыкновенным удобствам этого освещения, относительно которых ни один способ освещения с Э. сравниться пока не может.
Литература. По вопросам излучения см. Хвольсон, "Курс физики" (т. II, 2-е изд. 1903), а также Lummer, "Die Ziele der Leuchttechnik" (1903). По лампам накаливания и дуговым лампам вообще см. все большие курсы электротехники; специально о лампах накаливания: G. Ram, "The incandescent lamp" и Krüger, "Die Herstellüng der elektrischen Glühlampe". О вольтовой дуге: Н. Ayrton "The electric arc" (1902); Monasch, "Der elektrische Lichtbogen" (1903). О новых лампах Нернста, Ауэра, Бремера, Хюитта см. электротехнические журналы за последние 4 года. Об электрическом освещении вообще капитальное сочинение J. Herzog und C.Feldmann, "Handbuch der elektrischen Beleuchtung" (2-ое изд., 1901).
А. Гершун.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон
1890—1907
Вопрос-ответ:
