Дуговая лампа

мощностью 15 кВт, Ксеноновая короткодуговая лампа используемая в проекционной системе IMAX .

Ртутная дуговая лампа от люминесцентного микроскопа .

Длиннодуговая криптоновая лампа (вверху) показана над ксеноновой лампой-вспышкой . Две лампы, используемые для лазерной накачки , сильно различаются по форме электродов, в частности, катода (слева).

Дуговая лампа или дуговой свет — это лампа, излучающая свет посредством электрической дуги (также называемой вольтовой дугой).

Угольная дуговая лампа, состоящая из дуги между угольными электродами в воздухе, изобретенная Хамфри Дэви в первом десятилетии 1800-х годов, была первым практическим электрическим источником света . Он широко использовался, начиная с 1870-х годов, для освещения улиц и больших зданий, пока его не вытеснили лампы накаливания . в начале 20 века Он продолжал использоваться в более специализированных приложениях, где требовался точечный источник света высокой интенсивности, например, в прожекторах и кинопроекторах, вплоть 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.

Этот термин теперь используется для газоразрядных ламп , которые излучают свет за счет дуги между металлическими электродами через газ в стеклянной колбе. Обычная люминесцентная лампа представляет собой ртутную дуговую лампу низкого давления. Ксеноновая дуговая лампа , излучающая белый свет высокой интенсивности, теперь используется во многих устройствах, в которых раньше использовалась угольная дуга, например, в кинопроекторах и прожекторах.

Операция

Дуга — это газа разряд, возникающий при ионизации . На лампу подается импульс высокого напряжения, чтобы «зажечь» или «зажечь» дугу, после чего разряд можно поддерживать при более низком напряжении. Для «зажигалки» необходима электрическая схема с воспламенителем и балластом . Балласт подключается последовательно с лампой и выполняет две функции.

Во-первых, при первом включении питания воспламенитель/стартер (который подключен параллельно лампе) создает небольшой ток через балласт и стартер. Это создает небольшое магнитное поле внутри балластных обмоток. Через мгновение пускатель прерывает ток от балласта, который имеет высокую индуктивность и поэтому пытается сохранить ток (балласт противодействует любому изменению тока через него); он не может, поскольку больше нет «цепи». В результате на балласте, к которому подключена лампа, на мгновение появляется высокое напряжение; поэтому на лампу поступает это высокое напряжение, которое «зажигает» дугу внутри трубки/лампы. Схема будет повторять это действие до тех пор, пока лампа не станет достаточно ионизированной, чтобы поддерживать дугу.

Когда лампа поддерживает дугу, балласт выполняет свою вторую функцию — ограничивает ток до уровня, необходимого для работы лампы. Лампа, балласт и воспламенитель соответствуют друг другу по номинальным характеристикам; эти детали должны быть заменены на те же номиналы, что и неисправный компонент, иначе лампа не будет работать.

Цвет света, излучаемого лампой, меняется по мере изменения ее электрических характеристик в зависимости от температуры и времени. Молния — это аналогичный принцип, когда атмосфера ионизируется за счет высокой разности потенциалов (напряжения) между землей и грозовыми облаками.

Криптоновая дуговая лампа во время работы.

Температура дуги в дуговой лампе может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия. Внешняя стеклянная оболочка может достигать 500 градусов по Цельсию, поэтому перед обслуживанием необходимо убедиться, что лампа достаточно остыла, чтобы ее можно было использовать. Часто, если лампы такого типа выключаются или теряют электропитание, лампу невозможно повторно зажечь в течение нескольких минут (так называемые лампы холодного повторного зажигания). Однако некоторые лампы (в основном люминесцентные лампы/энергосберегающие лампы) можно повторно зажечь сразу после выключения (так называемые лампы с горячим повторным зажиганием).

Плазменная дуговая лампа Vortek с водяной стенкой, изобретенная в 1975 году Дэвидом Каммом и Роем Нодвеллом в Университете Британской Колумбии , Ванкувер, Канада, внесена в Книгу рекордов Гиннеса в 1986 и 1993 годах как самый мощный непрерывно горящий источник света при более чем Мощность 300 кВт или 1,2 миллиона свечей.

Угольная дуговая лампа

Угольная дуговая лампа со снятой крышкой в ​​точке воспламенения. Данная модель требует ручной регулировки электродов.

Электрическая дуга, демонстрирующая эффект «арки».

Ранний экспериментальный угольный дуговой светильник с питанием от жидкостных батарей, похожий на светильник Дэви.

Медицинская угольная дуговая лампа, используемая для лечения кожных заболеваний, 1909 год.

Саморегулирующаяся дуговая лампа, предложенная Уильямом Эдвардсом Стэйтом и Уильямом Петри в 1847 году.

В угольной дуговой лампе электроды представляют собой угольные стержни, находящиеся на открытом воздухе. Чтобы зажечь лампу, стержни соприкасаются друг с другом, что позволяет относительно низкому напряжению зажечь дугу. Затем стержни медленно раздвигаются, а электрический ток нагревается и поддерживает дугу в зазоре. Кончики угольных стержней нагреваются, и углерод испаряется. Стержни в процессе эксплуатации медленно сгорают, и расстояние между ними необходимо регулярно регулировать, чтобы сохранить дугу.

Для автоматического контроля дистанции было изобретено множество хитроумных механизмов, 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 пропускают через соленоид, прикрепленный к верхнему электроду. Если точки электродов соприкасаются (как при запуске), сопротивление падает, ток увеличивается, и возросшее напряжение соленоида раздвигает точки. Если дуга начинает гаснуть, ток падает, и точки снова закрываются.

Свеча Яблочкова представляет собой простую дуговую лампу без регулятора, но она имеет такие недостатки, как невозможность повторного запуска дуги (однократное использование) и ограниченный срок службы всего несколькими часами.

Спектр

Спектр излучения угольно-дуговой лампы наиболее близок к солнечному свету любой лампы. Один из первых электрических фонарей, их резкая и интенсивная мощность обычно ограничивала их использование для освещения больших площадей. Хотя на момент изобретения невидимые длины волн были неизвестны, вскоре было обнаружено, что незакрытые лампы производят большое количество инфракрасного и вредного ультрафиолетового излучения, которого нет в солнечном свете. Было обнаружено, что если дугу поместить в стеклянный шар, многие из этих невидимых лучей можно заблокировать. Однако вскоре угольные дуги были заменены более безопасными, эффективными, универсальными и простыми в обслуживании лампами накаливания и газоразрядными лампами. Угольно-дуговые лампы до сих пор используются там, где необходимо близкое приближение к солнечному свету, для проверки материалов, красок и покрытий на предмет износа, выцветания или разрушения, или, например, материалов космических кораблей, которые должны подвергаться воздействию солнечного света на орбитах ближе Земли.

Дуга состоит из чистого пара углерода, нагретого до состояния плазмы. Однако дуга вносит очень небольшой вклад в светоотдачу и считается несветящейся, поскольку большая часть ее излучения происходит в спектральных линиях в фиолетовой и УФ-частях спектра. Большая часть углеродных спектров представлена ​​очень широкой линией с центром на длине волны 389 нм (УФ-А, сразу за пределами визуального спектра) и очень узкой линией на длине волны 250 нм (УФ-В), а также некоторыми другими менее мощными линиями в УФ-С.

Большая часть видимого и ИК-излучения возникает в результате 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 попадать на анод в самой горячей точке, генерируя огромное количество тепла, которое испаряет углерод и создает ямку в аноде. поверхность. Эта яма нагревается от 6000 до 6500 градусов по Фаренгейту (от 3300 до 3600 градусов по Цельсию, чуть ниже точки плавления), в результате чего она очень ярко светится накаливания. Из-за этого электроды часто располагались под прямым углом друг к другу, анодом наружу, чтобы не блокировать его световой поток. Поскольку углерод имеет самую высокую температуру плавления среди всех элементов, это единственная лампа, чье излучение черного тела способно почти соответствовать температуре Солнца в 10 000 градусов по Фаренгейту (5500 градусов по Цельсию), особенно когда используются фильтры для удаления большей части ИК- и УФ-излучения. свет.

История

Концепция освещения углеродной дугой была впервые продемонстрирована Хамфри Дэви в начале 19 века, но источники расходятся во мнениях относительно года, когда он впервые продемонстрировал ее; Упоминаются 1802, 1805, 1807 и 1809 годы. на две тысячи ячеек Дэви использовал угольные палочки и батарею , чтобы создать дугу через зазор длиной 4 дюйма (100 мм). Он установил электроды горизонтально и заметил, что из-за сильного конвекционного потока воздуха дуга приняла форму арки. Он ввел термин «арочная лампа», который, когда устройства вошли в обиход, был сокращен до «дуговая лампа».

В конце девятнадцатого века электродуговое освещение широко использовалось для общественного освещения. Склонность электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Айртон написала серию статей для The Electrician , объясняя, что эти явления были результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она была первой женщиной, прочитавшей собственную статью в Институте инженеров-электриков (IEE). Ее статья называлась «Шипение электрической дуги».

Дуговая лампа стала одним из первых коммерческих применений электричества, явление, которое раньше ограничивалось экспериментами, телеграфом и развлечениями.

Угольно-дуговое освещение в США

В Соединенных Штатах после 1850 года предпринимались попытки коммерческого производства дуговых ламп, но отсутствие постоянного электроснабжения помешало этим усилиям. Таким образом, инженеры-электрики начали концентрироваться на проблеме улучшения Фарадея динамо-машины . Концепция была улучшена рядом людей, включая Уильяма Эдвардса Стэйта и Чарльза Ф. Браша . Лишь в 1870-х годах такие лампы, как свеча Яблочкова стали чаще встречаться . В 1877 году Институт Франклина провел сравнительные испытания динамо-систем. Модель, разработанная Брашем, показала лучшие результаты, и Браш немедленно применил свою улучшенную динамо-машину для дугового освещения, первым из которых была Общественная площадь в Кливленде, штат Огайо , 29 апреля 1879 года. Несмотря на это, Вабаш, штат Индиана, утверждает, что стал первым городом, когда-либо освещенным «кисточными огнями». Четыре из этих огней загорелись там 31 марта 1880 года. Вабаш был достаточно маленьким городом, чтобы его полностью освещали четыре фонаря, тогда как инсталляция на Общественной площади Кливленда освещала только часть этого более крупного города. В 1880 году Браш основал компанию 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 щеточных электрических дуговых фонарей быстро распространилось. В 1881 году журнал Scientific American сообщил, что система использовалась в: 800 светильников на прокатных станах, сталелитейных заводах, в магазинах, 1240 светильников на шерстяных, хлопчатобумажных, льняных, шелковых и других фабриках, 425 светильников в крупных магазинах, гостиницах, церквях, 250 светильников в парках, причалах и на дачах, 275 светильников в железнодорожных депо и цехов, 130 фонарей в рудниках, плавильных заводах, 380 фонарей на фабриках и в учреждениях различного рода, 1500 фонарей на светофорах, для городского освещения, 1200 фонарей в Англии и других зарубежных странах. Всего продано более 6000 светильников.

В 1880-х годах было три крупных достижения: Франтишек Кржижик изобрел в 1880 году механизм, позволяющий автоматически регулировать электроды. Дуги были заключены в небольшую трубку, чтобы замедлить потребление углерода (увеличивая срок службы примерно до 100 часов). Были представлены пламенно-дуговые лампы , в которых к углеродным стержням добавлялись соли металлов (обычно фториды магния, стронция, бария или кальция) для увеличения светоотдачи и получения разных цветов.

В США патентная защита систем дугового освещения и усовершенствованных динамо-машин оказалась сложной, и в результате индустрия дугового освещения стала высококонкурентной. Основным соперником Браша была команда Элиху Томсона и Эдвина Дж. Хьюстона . Эти двое основали American Electric Corporation в 1880 году, но вскоре она была куплена Чарльзом А. Коффином , переехала в Линн, штат Массачусетс , и переименована в Thomson-Houston Electric Company . Тем не менее, Томсон оставался главным изобретательным гением, стоящим за патентами компании на усовершенствования системы освещения. Под руководством патентного поверенного Thomson-Houston Фредерика П. Фиша компания защитила свои новые патентные права. Руководство Коффина также повело компанию к агрессивной политике выкупов и слияний с конкурентами. Обе стратегии снизили конкуренцию в отрасли производства электроосвещения. К 1890 году компания Thomson-Houston была доминирующей компанией по производству электротехники в США. Никола Тесла получил патент США 447920 « Метод работы дуговых ламп » (10 марта 1891 г.), в котором описан генератор переменного тока с частотой 10 000 циклов в секунду для подавления неприятного звука гармоник промышленной частоты, производимых дуговыми лампами, работающими на частотах в пределах диапазона человеческого слуха.

На рубеже веков системы дугового освещения пришли в упадок, но компания Thomson-Houston контролировала ключевые патенты на системы городского освещения. Этот контроль замедлил распространение систем освещения с лампами накаливания, разрабатываемых Томаса Эдисона компанией Edison General Electric Company . И наоборот, контроль Эдисона над патентами на распределение постоянного тока и генерирующее оборудование заблокировал дальнейшее расширение Thomson-Houston. Препятствие на пути расширения было устранено, когда две компании объединились в 1892 году и образовали General Electric Company .

Дуговые лампы использовались в некоторых первых киностудиях для освещения внутренних кадров. Одна из проблем заключалась в том, что они излучают настолько сильный ультрафиолетовый свет, что многим актерам приходилось носить солнцезащитные очки вне камеры, чтобы облегчить боль в глазах, возникающую из-за ультрафиолетового света. Проблему решили установкой перед лампой листа обычного оконного стекла, блокирующего ультрафиолет. К моменту появления «звукового кино» дуговые лампы в киностудиях были заменены другими типами освещения. В 1915 году Элмер Эмброуз Сперри с угольной дугой высокой интенсивности начал производство своего изобретения — прожектора . Они использовались на борту военных кораблей всех военно-морских сил в 20 веке для подачи сигналов и освещения врагов. В 1920-х годах угольные дуговые лампы продавались как товары для семейного здоровья, заменители естественного солнечного света.

Дуговые лампы были заменены лампами накаливания в большинстве функций, оставаясь только в определенных нишевых приложениях, таких как , кинопроекции прожекторы и прожекторы. В 1950-х и 1960-х годах мощный постоянный ток для угольно-дуговой лампы уличного проектора обычно обеспечивался с помощью комбинированного двигателя и генератора (двигатель переменного тока, питающий генератор постоянного тока). Даже в этих приложениях обычные угольно-дуговые лампы в основном устарели из-за ксеноновых дуговых ламп , но все еще производились как прожекторы, по крайней мере, до 1982 года. и до сих пор производятся, по крайней мере, с одной целью — имитация солнечного света в машинах «ускоренного старения», предназначенных для оценки того, насколько быстро материал может разлагаться под воздействием окружающей среды.

Углеродное дуговое освещение оставило свой след в других практиках кинопроекции. Практика доставки и проецирования кинофильмов на 2000-футовые катушки и использование «переключения» между двумя проекторами возникла из-за того, что угольные стержни, используемые в лампах для проекторов, имели срок службы примерно 22 минуты (что соответствует количеству пленки в указанном объеме). барабанах при проецировании со скоростью 24 кадра в секунду). Киномеханик наблюдал за сгоранием стержня на глаз (через глазок, как стекло сварщика) и заменял угольный стержень при смене катушек с пленкой. Установка с двумя проекторами практически исчезла в 1970-х годах с появлением ксеноновых ламп для проекторов, и их заменили системы пластин с одним проектором , хотя фильмы продолжали поставляться в кинотеатры на 2000-футовых катушках.

См. также

• Графит
• Газоразрядная лампа высокой интенсивности
• Широкоформатный слайд-проектор.
• Леон Фуко
• Список источников света
• Список патентов Николы Теслы
• Лунная башня
• Pavel Yablochkov and Yablochkov candle
• Фотолитография
• Празеодим
• Дуговая сварка защитным металлом
• Освещение сцены
• Хронология светотехники
• Вальтер Нернст

Библиография

• Браверман, Гарри (1974). Труд и монопольный капитал . Нью-Йорк: Ежемесячный обзор Press .
• Макларен, Малькольм (1943). Подъем электротехнической промышленности в девятнадцатом веке . Принстон: Издательство Принстонского университета .
• Ноубл, Дэвид Ф. (1977). Америка по замыслу: наука, технологии и рост корпоративного капитализма . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . стр. 6–10.
• Прассер, Гарольд К. (1953). Производители электротехники . Кембридж: Издательство Гарвардского университета .

Внешние ссылки

• «Коротководовая лампа сверхвысокого давления UNILAM»
• Башни лунного света: световое загрязнение 1800-х годов , статья в журнале Low-tech Magazine