Дуговая лампа или дуговой светильник — это лампа, которая излучает свет с помощью электрической дуги (также называемой вольтовой дугой).
Угольная дуговая лампа, состоящая из дуги между угольными электродами в воздухе, изобретенная Гемфри Дэви в первом десятилетии 1800-х годов, была первым практическим электрическим освещением . [1] [2] Она широко использовалась, начиная с 1870-х годов, для освещения улиц и больших зданий, пока не была вытеснена лампой накаливания в начале 20-го века. [1] Она продолжала использоваться в более специализированных приложениях, где требовался точечный источник света высокой интенсивности, например, в прожекторах и кинопроекторах, до окончания Второй мировой войны . Угольная дуговая лампа в настоящее время устарела для большинства этих целей, но она все еще используется в качестве источника ультрафиолетового света высокой интенсивности .
Термин теперь используется для газоразрядных ламп , которые производят свет посредством дуги между металлическими электродами через газ в стеклянной колбе. Обычная люминесцентная лампа — это ртутная дуговая лампа низкого давления. [3] Ксеноновая дуговая лампа , которая производит белый свет высокой интенсивности, теперь используется во многих приложениях, где раньше использовалась угольная дуга, таких как кинопроекторы и прожекторы.
Дуга — это разряд, возникающий при ионизации газа . Высокое напряжение подается на лампу, чтобы «зажечь» или «поджечь» дугу, после чего разряд может поддерживаться при более низком напряжении. «Поджечь» требует электрической цепи с зажигателем и балластом . Балласт подключается последовательно с лампой и выполняет две функции.
Во-первых, когда питание впервые включается, зажигатель/стартер (который подключен параллельно через лампу) устанавливает небольшой ток через балласт и стартер. Это создает небольшое магнитное поле внутри обмоток балласта. Мгновение спустя стартер прерывает ток от балласта, который имеет высокую индуктивность и поэтому пытается поддерживать ток (балласт противодействует любому изменению тока через него); он не может, так как больше нет «цепи». В результате на балласте на мгновение появляется высокое напряжение, к которому подключена лампа; поэтому лампа получает это высокое напряжение через него, которое «зажигает» дугу внутри трубки/лампы. Цепь будет повторять это действие до тех пор, пока лампа не будет достаточно ионизирована, чтобы поддерживать дугу.
Когда лампа поддерживает дугу, балласт выполняет свою вторую функцию, ограничивая ток до необходимого для работы лампы. Лампа, балласт и зажигатель согласованы по номиналу друг с другом; эти детали должны быть заменены на те же номиналы, что и неисправный компонент, иначе лампа не будет работать.
Цвет света, излучаемого лампой, меняется, поскольку ее электрические характеристики меняются с температурой и временем. Молния — это похожий принцип, когда атмосфера ионизируется высокой разностью потенциалов (напряжением) между землей и грозовыми облаками.
Температура дуги в дуговой лампе может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию. Внешняя стеклянная колба может достигать 500 градусов по Цельсию, поэтому перед обслуживанием необходимо убедиться, что колба достаточно остыла для обработки. Часто, если эти типы ламп выключены или отключены от источника питания, лампу невозможно снова включить в течение нескольких минут (так называемые лампы с холодным повторным включением). Однако некоторые лампы (в основном люминесцентные трубки/энергосберегающие лампы) можно включить снова сразу после выключения (так называемые лампы с горячим повторным включением).
Плазменная дуговая лампа Vortek, изобретенная в 1975 году Дэвидом Кэммом и Роем Нодвеллом в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, Канада, была занесена в Книгу рекордов Гиннесса в 1986 и 1993 годах как самый мощный непрерывно горящий источник света мощностью более 300 кВт или 1,2 миллиона свечей. [4]
В угольной дуговой лампе электроды представляют собой угольные стержни в свободном воздухе. Чтобы зажечь лампу, стержни соприкасаются, тем самым позволяя относительно низкому напряжению зажечь дугу. [1] Затем стержни медленно раздвигаются, и электрический ток нагревается и поддерживает дугу в зазоре. Кончики угольных стержней нагреваются, и углерод испаряется. [1] Стержни медленно сгорают в процессе использования, и расстояние между ними необходимо регулярно регулировать, чтобы поддерживать дугу. [1]
Было изобретено много изобретательных механизмов для автоматического управления расстоянием, в основном на основе соленоидов . В одной из простейших механически регулируемых форм (которая вскоре была заменена более плавно действующими устройствами) электроды установлены вертикально. Ток, питающий дугу, последовательно проходит через соленоид, прикрепленный к верхнему электроду. Если точки электродов соприкасаются (как при запуске), сопротивление падает, ток увеличивается, и увеличенное тяговое усилие соленоида раздвигает точки. Если дуга начинает гаснуть, ток падает, и точки снова смыкаются.
Свеча Яблочкова — это простая дуговая лампа без регулятора, но ее недостатки заключаются в невозможности перезапуска дуги (однократное использование) и ограниченном сроке службы, составляющем всего несколько часов.
Спектр, излучаемый угольной дуговой лампой, наиболее близок к спектру солнечного света среди всех ламп. Это один из первых электрических фонарей, его резкий, интенсивный свет обычно ограничивал его использование для освещения больших площадей. Хотя невидимые длины волн были неизвестны во время их изобретения, вскоре было обнаружено, что открытые лампы производят большое количество инфракрасного и вредного ультрафиолетового излучения, не встречающегося в солнечном свете. Если дугу поместить в стеклянный шар, было обнаружено, что многие из этих невидимых лучей могут быть заблокированы. Однако вскоре угольно-дуговые лампы были вытеснены более безопасными, эффективными, универсальными и простыми в обслуживании лампами накаливания и газоразрядными лампами. Угольно-дуговые лампы по-прежнему используются там, где требуется близкое приближение солнечного света, для тестирования материалов, красок и покрытий на износ, выцветание или ухудшение или, например, материалов космических аппаратов, которые должны подвергаться воздействию солнечного света на орбитах, более близких к земной. [5]
Дуга состоит из чистого углеродного пара, нагретого до состояния плазмы. Однако дуга вносит очень небольшой вклад в световой выход и считается несветящейся, поскольку большая часть ее излучения происходит в спектральных линиях в фиолетовой и УФ-частях спектра. Большая часть спектров углерода происходит в очень широкой линии с центром в 389 нм (УФ-А, сразу за пределами видимого спектра) и очень узкой линии в 250 нм (УФ-В), а также в некоторых других менее мощных линиях в УФ-С.
Большая часть видимого и ИК-излучения производится из-за накала, создаваемого на положительном электроде, или аноде. В отличие от вольфрамовых анодов, используемых в других дуговых лампах, которые остаются относительно холодными, углерод создает гораздо более высокое сопротивление, и электроны вынуждены входить в анод в самой горячей точке, генерируя огромное количество тепла, которое испаряет углерод и создает углубление на поверхности анода. Это углубление нагревается от 6000 до 6500 градусов по Фаренгейту (от 3300 до 3600 градусов по Цельсию, чуть ниже его точки плавления), заставляя его очень ярко светиться от накала. Из-за этого электроды часто располагались под прямым углом друг к другу, при этом анод был обращен наружу, чтобы не блокировать его световой выход. Поскольку углерод имеет самую высокую температуру плавления среди всех элементов, это единственная лампа, излучение черного тела которой способно почти соответствовать температуре Солнца в 10 000 градусов по Фаренгейту (5500 градусов по Цельсию), особенно при использовании фильтров для удаления большей части ИК- и УФ-излучения. [6]
Концепция освещения угольной дугой была впервые продемонстрирована Гемфри Дэви в начале 19 века, но источники расходятся во мнениях относительно года, когда он впервые продемонстрировал это; упоминаются все 1802, 1805, 1807 и 1809. Дэви использовал угольные палочки и батарею из двух тысяч ячеек , чтобы создать дугу через зазор в 4 дюйма (100 мм). Он установил свои электроды горизонтально и заметил, что из-за сильного конвекционного потока воздуха дуга образовывала форму арки. Он придумал термин «арочная лампа», который был сокращен до «дуговая лампа», когда устройства вошли в общее употребление. [7]
В конце девятнадцатого века дуговое электрическое освещение широко использовалось для общественного освещения. Склонность электрических дуг мерцать и шипеть была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Айртон написала серию статей для The Electrician , объяснив, что эти явления были результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. [8] [9] В 1899 году она стала первой женщиной, которая прочитала свою собственную работу перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее работа называлась «Шипение электрической дуги». [10]
Дуговая лампа стала одним из первых примеров коммерческого использования электричества, феномена, который ранее ограничивался экспериментами, телеграфом и развлечениями. [11]
В Соединенных Штатах были попытки производить дуговые лампы в коммерческих целях после 1850 года, но отсутствие постоянного электроснабжения помешало усилиям. Таким образом, инженеры-электрики начали концентрироваться на проблеме улучшения динамо Фарадея . Концепция была улучшена рядом людей, включая Уильяма Эдвардса Стэйта и Чарльза Ф. Браша . Только в 1870-х годах лампы, такие как свеча Яблочкова, стали более распространенными. В 1877 году Институт Франклина провел сравнительные испытания динамо-систем. Та, что была разработана Брашем, показала лучшие результаты, и Браш немедленно применил свое усовершенствованное динамо для дугового освещения, ранним применением стало освещение Public Square в Кливленде, штат Огайо , 29 апреля 1879 года. [12] Несмотря на это, Уобаш, штат Индиана, утверждает, что был первым городом, когда-либо освещенным «Brush Lights». Четыре из этих фонарей заработали там 31 марта 1880 года. [13] Уобаш был достаточно маленьким городом, чтобы его можно было полностью осветить четырьмя фонарями, тогда как установка на Публичной площади Кливленда освещала только часть этого большого города. [14] В 1880 году Браш основал Brush Electric Company .
Резкий и яркий свет оказался наиболее подходящим для общественных мест, таких как Общественная площадь Кливленда, поскольку он примерно в 200 раз мощнее современных ламп накаливания .
Использование дуговых электрических ламп Brush быстро распространилось. Scientific American сообщил в 1881 году, что система использовалась в: [15] 800 светильниках на прокатных станах, сталелитейных заводах, магазинах, 1240 светильниках на шерстяных, хлопчатобумажных, льняных, шелковых и других фабриках, 425 светильниках в крупных магазинах, гостиницах, церквях, 250 светильниках в парках, доках и летних курортах, 275 светильниках на железнодорожных депо и в магазинах, 130 светильниках в шахтах, литейных заводах, 380 светильниках на фабриках и в учреждениях различного рода, 1500 светильниках на осветительных станциях, для городского освещения, 1200 светильниках в Англии и других зарубежных странах. Всего было продано более 6000 светильников.
В 1880-х годах произошло три крупных достижения: Франтишек Кржижик изобрел в 1880 году механизм, позволяющий автоматически регулировать электроды. Дуги были заключены в небольшую трубку, чтобы замедлить расход углерода (увеличивая срок службы примерно до 100 часов). Были внедрены пламенные дуговые лампы , в которых в угольные стержни добавлялись соли металлов (обычно фториды магния, стронция, бария или кальция) для увеличения светового потока и получения различных цветов.
В США патентная защита систем дугового освещения и усовершенствованных динамо-машин оказалась сложной, и в результате отрасль дугового освещения стала высококонкурентной. Основным конкурентом Браша была команда Элиху Томсона и Эдвина Дж. Хьюстона . Эти двое основали American Electric Corporation в 1880 году, но вскоре ее выкупил Чарльз А. Коффин , переместил в Линн, Массачусетс , и переименовал в Thomson-Houston Electric Company . Тем не менее, Томсон оставался главным изобретателем, стоящим за компанией, патентующей усовершенствования системы освещения. Под руководством патентного поверенного Thomson-Houston Фредерика П. Фиша компания защитила свои новые патентные права. Руководство Коффина также привело компанию к агрессивной политике выкупов и слияний с конкурентами. Обе стратегии снизили конкуренцию в отрасли производства электрического освещения. К 1890 году компания Thomson-Houston стала доминирующей компанией по производству электрооборудования в США [16]
На рубеже веков дуговые системы освещения пришли в упадок, но Thomson-Houston контролировала ключевые патенты на городские системы освещения. Этот контроль замедлил расширение систем освещения накаливания, разрабатываемых компанией Thomas Edison 's Edison General Electric Company . И наоборот, контроль Эдисона над патентами на распределение постоянного тока и генерирующее оборудование заблокировал дальнейшее расширение Thomson-Houston. Препятствие к расширению было устранено, когда две компании объединились в 1892 году, образовав General Electric Company . [16]
Дуговые лампы использовались в некоторых ранних киностудиях для освещения внутренних съемок. Одной из проблем было то, что они производили такой высокий уровень ультрафиолетового света, что многим актерам приходилось носить солнцезащитные очки , когда они находились за кадром, чтобы облегчить боль в глазах, вызванную ультрафиолетовым светом. Проблема была решена путем добавления листа обычного оконного стекла перед лампой, блокирующего ультрафиолет. К началу эпохи «разговорного кино» дуговые лампы были заменены в киностудиях другими типами освещения. [17] В 1915 году Элмер Эмброуз Сперри начал производство своего изобретения — высокоинтенсивного угольного дугового прожектора . Они использовались на борту военных кораблей всех флотов в 20 веке для подачи сигналов и освещения врагов. [18] В 1920-х годах угольные дуговые лампы продавались как семейные товары для здоровья, заменяющие естественный солнечный свет. [19]
Дуговые лампы были заменены лампами накаливания в большинстве ролей, оставаясь только в определенных нишевых приложениях, таких как кинопроекция , прожекторы и точечные светильники. В 1950-х и 1960-х годах высокомощный постоянный ток для угольно-дуговой лампы уличного проектора, как правило, подавался комбинированным двигателем-генератором (двигатель переменного тока, питающий генератор постоянного тока). Даже в этих приложениях обычные угольно-дуговые лампы в основном были вытеснены ксеноновыми дуговыми лампами , но все еще производились как прожекторы, по крайней мере, до 1982 года [20] и все еще производятся, по крайней мере, для одной цели — имитации солнечного света в машинах «ускоренного старения», предназначенных для оценки того, насколько быстро материал может деградировать под воздействием окружающей среды. [21] [22]
Освещение углеродной дугой оставило свой отпечаток на других методах кинопроекции. Практика транспортировки и проецирования фильмов на 2000-футовых катушках и использование «переключений» между двумя проекторами была обусловлена тем, что угольные стержни, используемые в ламповых домиках проекторов, имели срок службы примерно 22 минуты (что соответствует количеству пленки в указанных катушках при проецировании со скоростью 24 кадра в секунду). Киномеханик наблюдал за тем, как стержень сгорает, на глаз (через глазок, как стекло сварщика) и заменял угольный стержень при замене катушек с пленкой. Двухпроекторная схема переключения в значительной степени исчезла в 1970-х годах с появлением ксеноновых проекционных ламп, будучи замененной однопроекционными пластинчатыми системами , хотя фильмы продолжали отправляться в кинотеатры на 2000-футовых катушках.
Люминесцентная лампа ... активируется ... ртутной дугой низкого давления.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )