Крепеж и качественная светотехника

Дуговые лампы, работающие в среде атмосферного воздуха. Основные этапы развития.

Название дуга произошло от внешней формы разряда, открытого В.Петровым, горящего в открытой атмосфере между горизонтально расположенными угольными стержнями, который из-за конвекции принимает форму выгнутой кверху дуги. Это название сохранилось до сих пор.
В первых дуговых лампах дуга горела между угольными электродами и поэтому их называют обычно угольными дугами. Основную долю светового потока (ок.95%) в дугах с чисто угольными электродами дает излучение концов электродов, раскаленных до 370044100 К. Световая отдача составляет от 4 до 10 лм/Вт, продолжительность горения 5-20 часов, в зависимости от диаметра и длины углей, силы тока и других условий.

Рис.1.Принципиальная схема дифференциального регулятора В.Н.Чиколева

Рис.2. «Свеча Яблочкова»

Более или менее широкие работы по практическому применению угольных дуг стали возможны только после создания и усовершенствования динамо-машин, дающих возможность получать электрическую энергию достаточной мощности непрерывно в течение длительного времени, - т.е. в период с 1865 по 1875 гг. До этого для питания ламп использовались гальванические батареи, и применения дуговых ламп становились единичными событиями, привлекавшими внимание общественности.
Одной из основных проблем практического использования угольных дуг было автоматическое поддержание расстояния между сгорающими углями. Было предложено множество всяких систем, порой достаточно сложных. Успешно эту задачу удалось решить русскому инженеру Владимиру Николаевичу Чиколеву в 1874 году. Он создал так называемый дифференциальный регулятор, в котором поддержание постоянного расстояния между сгорающими угольными электродами осуществлялось при помощи двух соленоидов, из которых один соединен последовательно с дугой, а второй параллельно. Соленоиды воздействуют на железный стержень, меняющий расстояние между электродами, и, вместе с тем, ток и напряжение на дуге (см. рис.1). Очень важно, что при помощи дифференциального регулятора Чиколева удалось осуществить устойчивую работу, вообще говоря, любого числа последовательно включенных угольных ламп.
Почти одновременно Павел Николаевич Яблочков гениально решил эту проблему, создав знаменитую «свечу Яблочкова». В ней два угольных стерженька-электрода располагались параллельно друг другу на небольшом расстоянии, а пространство между ними заполнялось изолирующим веществом (каолином), которое во время горения дуги испарялось и давало основной вклад в излучение. Общий вид «свечи Яблочкова» дан на рис.2. В течение короткого периода с 1876 по 1882 гг. «свеча Яблочкова» триумфально шествовала по столицам и городам Европы и многих других стран мира под названием «русский свет». В Москве, например, в 1880 г. действовало более 70 таких фонарей. Однако, после Всемирной Парижской выставки 1881 г., на которой Т. Эдисон в широком масштабе демонстрировал свои лампы накаливания с угольной нитью, интерес к свече Яблочкова стал угасать.
Между тем работы по усовершенствованию дуговых ламп, работающих в среде атмосферного воздуха, продолжались. В истории их дальнейшего развития наиболее значимы были следующие этапы:
Работа дуги в пространстве с ограниченным доступом воздуха (1893 г.). Она позволила уменьшить скорость сгорания углей и таким образом увеличить продолжительность горения (т) от 2 до 10 раз; правда, при этом несколько падала светоотдача.
«Пламенные» дуги. Для более устойчивого горения дуги угольные электроды стали делать в виде трубки из более плотного графита и менее
 

Рис.3. Спектры излучения пламенных угольных дуг с электродами, содержащими примеси соединений некоторых элементов: а- фитильные электроды простой угольной дуги, б- с примесью РЗМ, в- кобальта (Со), г- стронция (Sr).

плотной угольной набивки «фитиля». В 1899 г. в состав фитиля стали вводить соли различных элементов. В результате удалось получать излучение различного цвета со спектром соответствующего элемента. Так, например, соли стронция окрашивают дугу в красный цвет, кальция - в оранжевый, бария - в синий и т.д. Пламенные дуги с солями редкоземельных металлов (РЗМ) дают излучение близкое к солнечному и получили в свое время наибольшее распространение для освещения. В пламенных дугах большая часть излучения сосредоточена в самой дуге. Световая отдача зависит от состава добавок, и, например, в дугах с добавками РЗМ достигает 20-30 лм/Вт (см. рис.3).
Особо надо отметить, что открытая дуга дает уникальную возможность получать излучение практически всех элементов таблицы Менделеева. В дальнейшем именно в открытой дуге были измерены интенсивности излучения более чем 90 тысяч спектральных линий всех элементов и составлены соответствующие атласы и таблицы.
В 1904 году Штейнмец предложил дуги с металлическими электродами: катод в виде железной трубки, набитой смесью РегОз+ТЮг, а анод сплошной, медный. В дальнейшем применялись и другие соединения, на основе которых были созданы т.н. магнетитовые (катод - железная трубка, наполненная смесью магнетита (РезО^, оксида титана (ТЮг) и оксида хрома (СггОз); анод -массивный медный) и титановые дуговые лампы (катод - Т\Ог в смеси с Рез04); анод - медный или угольный), работающие на постоянном токе. Для работы на переменном токе оба электрода изготавливались из TiC3 в смеси с углем. Такие лампы имели т| от 15 до 25 лм/Вт и т от 50 до 200 часов и в США длительное время успешно конкурировали с мощными лампами накаливания (см., например, рис.4).

Рис.4. Дуга с металлическими электродами

Рис.5. Дуга высокой интенсивности (ДВИ)

В 1912-13 годах появились закрытые пламенные дуговые фонари с углями, содержащими соли РЗМ с т до 100-120 ч. и tj от 25 до 40 лм/Вт.
Исключительно важным этапом в развитии открытых угольных дуг явилось открытие Г. Беком в 1910 году эффекта высокой интенсивности. Оказалось, что при повышении плотности тока в 10 и более раз на фитильном аноде образуется кратер с яркостью, в несколько раз превышающей яркость простой угольной дуги. Такие дуги получили название дуг высокой интенсивности (ДВИ). Они определили развитие угольных дуг вплоть до конца 50-х - начала 60-х годов нашего столетия, когда их начали вытеснять лампы закрытого типа. На рис.5 дан общий вид ДВИ.
ДВИ явились первым мощным источниками света высокой яркости малых размеров, что позволило создать прожекторы дальнего действия с узким световым пучком. Во время 1-ой Мировой войны подобные прожекторы широко применялись для обнаружения самолетов противника и других целей. В последующие годы прожекторостроение продолжало энергично развиваться и совершенствоваться. ДВИ были детально изучены и усовершенствованы и в 30-х годах, было налажено производство ВИ углей и прожекторов разного назначения в передовых странах, в том числе и в СССР.
Фитили усовершенствованных анодных углей для ДВИ содержат обычно до 50-60% фтористого церия, а угли на большие токи сверху омеднены. ДВИ с такими углями дают яркий белый свет с Тцв = 6000 К. В зависимости от диаметра анодного угля (6-30мм) и силы тока (18-250 А) яркости кратера составляют от 400 до 900 Мкд/м2. Световые отдачи растут с нагрузкой и соответственно скоростью сгорания анодного угля и при скорости 600 и более мм/час достигают 70 и более лм/Вт.
Прожекторы с подобными ДВИ широко применялись во время Великой Отечественной Войны в войсках ПВО, на ВМФ и в других объектах. Кроме прожекторов, ДВИ широко применялись также при киносъемках и для кинопроекции вплоть до конца 50-х - начала 60-х годов, когда их постепенно стали вытеснять более удобные в эксплуатации дуговые лампы закрытого типа: короткодуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления, а в последнее время металлогалогенные короткодуговые лампы.
Важную роль в развитии прожекторной техники в СССР, особенно в предвоенные годы и во время ВОВ, сыграла группа ученых и инженеров во главе с проф. Н.А. Карякиным, а также работники КБ и заводов. За разработку углей для ДВИ проф. Карякин Н.А. с сотрудниками были удостоены Государственной премии.
Помимо перечисленных типов дуг, для исследовательских целей и специальных применений было создано большое количество особых видов дуг, в том числе сверхмощные на токи 1000 и более А, дуги с воздушным обдувом анода, вихревые в воздушной и водяной струях и многие другие.
Автор - Г.Н. Рохлин