История и фонари. Часть 3. Электрические дуговые.
"Несмотря на высокую стоимость, электрическое освещение нашло огромное применение, которое с каждым днем растет. Это следует приписать необыкновенным удобствам этого освещения, относительно которых ни один способ освещения с электрическим сравниться пока не может."
Энциклопедический словарь Брокгауза-Эфрона.
Электрическое освещение развивалось по двум направлениям: дуговые лампы и лампы накаливания.
Электрические дуговые фонари
Дуговые лампы появились раньше, их работа основана на таком явлении, как вольтова дуга - яркий разряд, который возникает между сведенными на определенное расстояние угольными стержнями-электродами при подаче напряжения.
Вольтову дугу первым открыл и исследовал в 1803 году российский ученый В. Петров, Он же предложил использовать дугу для освещения - «тёмный покой довольно ясно освещён быть может». Спустя несколько лет английский ученый Х.Дэви сделал такое же открытие.
Как светится электрическая дуга всем известно, каждый когда-нибудь да видел дуговую сварку или яркую вспышку, когда при включении перегорает лампочка накаливания.
Эксперименты с питанием от батарей не привели к созданию практических осветительных приборов. Потребовалось несколько десятилетий, чтобы превратить эффект в жизнеспособную технологию. Появление хороших электрогенераторов в 1860-х и 1870-х годах способствовало изобретению и применению самых разных дуговых ламп.
Эксплуатация дуговой лампы была трудоемкой, поскольку угольные стержни изнашивались по мере сгорания лампы, и их приходилось часто заменять. Однако свет был настолько ярким и мощным, что дуговые лампы продолжали использоваться и в 20 веке.
При разработке конструкции дуговых ламп самой сложной проблемой было регулирование (поддержание) расстояния между электродами, т.к. при свечении дуги электроды постепенно выгорали, расстояние между ними увеличивалось, дуга становилась нестабильной и гасла.
Вся история дуговых ламп представляет собой по существу развитие конструкции различного рода регуляторов - механических, гравитационных, электромагнитных. Регулятор был самой сложной и дорогостоящей частью дуговой лампы.
Дуговые лампы с различными видами автоматических регуляторов.
Дуговая лампа с механизмом регулирования углеродного расстояния была впервые запатентована в Великобритании в 1845 г. Томасом Райтом.
В следующем году другой британец, Уильям Стэйт, изготовил лампу с автоматическим регулированием, приводимую в действие электромагнитом, питаемым током дуги.
Более совершенная модель была разработана В.Серрин во Франции в 1858 году.
Дуговая лампа Серрина с гравитационным + электромагнитным управлением
Значительное распространение получили лампы с регуляторами комбинированного электромагнитного и механического действия. Такой регулятор, в частности, имели дуговые лампы русского изобретателя А.И.Шпаковского, успешно использованные для освещения большой площади перед Лефортовском дворцом во время коронационных торжеств в Москве 1856 года.
В то время как все придумывали лишь разные тонкости в регуляторах, русскому инженеру Павлу Николаевичу Яблочкову (1847 г.р., в 1876 году ему нет и тридцати), пришла в голову гениальная мысль, настолько простая, что просто удивительно, что никто не додумался до нее раньше.
Свои работы Яблочков начал еще в России, однако из-за финансового краха предприятия Яблочков уехал в Париж, где продолжил свои работы в известной фирме часовых и физических приборов Бреге (Breguet).
Яблочков изобрёл простую и надежную конструкцию дуговой лампы.
Он расположил угольные стержни-электроды не на одной оси, а параллельно; вольтова дуга получалась между концами угольных стержней, Электроды были разделены изоляционной прокладкой из каолина. Поджигала дугу тонкая угольная перемычка между верхними концами электродов, сгоравшая в момент включения. Пламя дуги ярко светило, равномерно сжигая электроды и испаряя изоляционный материал подобно свече. Расстояние между концами электродов в процессе работы лампы не менялось - не нужно было никаких регуляторов, никаких приспособлений!
При этом Яблочков предложил использовать свои «свечи» на переменном токе, что исключало и неравномерное сгорание плюсового и минусового электрода. Генератор переменного тока для Яблочкова специально изготовил сам Грамм.
Конструкция, запатентованная П. Н. Яблочковым в 1876 году и дуговая лампа - «электрическая свеча» Яблочкова.
23 марта 1876 года Яблочков получил французский патент № 112024, содержащий краткое описание электрической свечи в ее первоначальных формах и изображение этих форм
Лампа была с триумфом представлена 15 апреля 1876 года в Лондоне, на выставке физических приборов. О демонстрации нового типа освещения с восторгом писали европейские газеты. Яблочков буквально в один день стал одним из самых заметных деятелей в области электротехники. Каждая свеча горела примерно 1,5 часа, после чего стержни надо было менять.
При установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем для включения очередной свечи вместо перегоревшей, можно было обеспечить бесперебойное освещение в течение более длительного времени. Эти «мелкие неудобства» не замечались на фоне мощного эффекта, которое произвели лампы яркостью в 300-600-1000 свечей на обывателей и предпринимателей- потенциальных заказчиков. По сравнению с 10 -20 свечовыми керосиновыми и газовыми фонарями это был настоящий выход из тьмы в свет.
La lumiere russe («русский свет»), как лампы Яблочкова называли французы, стремительно распространялся по городам Европы и Америки.
Первая установка освещения свечами Яблочкова была устроена в феврале 1877 года в «Salle Marengo» магазина Лувр и состояла из 6 свечей, питаемых двумя динамо-машинами «Alliance» (динамо-машина - генератор постоянного тока, который приводился в движение обычно паровыми машинами, установка громоздкая, фактически малая электростанция).
Вслед за магазином Лувр свечи Яблочкова были установлены на в мае 1877 года они осветили одну из магистралей столицы - Avenue de l’Opera и площадь перед зданием Парижской оперы. Жители французской столицы в начале сумерек толпами стекались полюбоваться гирляндами белых матовых шаров, установленных на высоких металлических столбах.
Фонари со свечами Яблочкова на Avenue de l'Opera, Париж. 1878 год
Следующим освещённым объектом стал крытый ипподром в Париже: беговую дорожку освещали 20 дуговых ламп с отражателями, а места для зрителей - 120 «свечей Яблочкова»
Парижский ипподром, освещенный дуговыми лампами
В Лондоне свечи Яблочкова установили на набережной Темзы, на мосту Ватерлоо, и в Вест-индских доках. Участок набережной королевы Виктории освещался 20 фонарями яркостью 300-400 свечей для фонарей без плафона и 150-200 свечей для фонарей с плафонами-шарами из матового стекла.
Освещение свечами Яблочкова набережной р. Темзы в Лондоне.
Обслуживание дугового фонаря. Замена угольных стержней. 1880-е годы. За «священнодействием» наблюдают любопытствующие обыватели.
Дуговые фонари в Лондоне. 1881 год.
«Русский свет" появился не только на главных улицах и площадях европейских столиц, но и в США, Мексике, Бразилии, Индии, даже в Бирме, в России электрическое освещение впервые появилось в Кронштадте.
Десятилетие 1870-1880 гг произвело революцию в жизни общества. За это время были сделаны почти все ключевые открытия. Электричество превратилось из развлечения в повседневную необходимость.
После вау-эффекта и эйфории первых установок нового света - фактически «маркетинговой» гонки, кто быстрей построит и кто громче «пропиарит» - пришло время для спокойного анализа и бухгалтерских расчетов. Этот анализ показывал, что не все так радужно, как представлялось вначале.
В 1879 г. П.Н. Яблочков вернулся в Россию. При поддержке одного из Великих князей была создана фирма, было начато производство дуговых ламп, но запустить их в широкое потребление не удалось.
В 1880 году Яблочков предложил Московской Городской Думе бесплатный проект освещения дуговыми лампами Воскресенской и Театральной площади, с заменой 75 газовых фонарей на 10 дуговых «свечей Яблочкова».
Проект был Думой горячо одобрен, но по каким-то причинам так и не реализовался - на фотографиях середины 1880-х на месте, где должно было быть царство света - по-прежнему унылая пустота и военный плац с газовыми фонарями по периметру.
В последующем Яблочков работал то в России, то во Франции. Кроме электрической свечи, Яблочков придумал и применил трансформаторы переменного тока, получив на них патенты во Франции (1876), Германии и Англии (1877), в России (1878). Интерес заказчиков к его свечам через 2-3 года перекинулся к усовершенствованным традиционным дуговым лампам и очередной революционной новинке - лампам накаливания.
Тем не менее заслуга изобретателя несомненна и безусловно признана мировым ученым сообществом. Благодаря «свече Яблочкова» в жизни людей наступила новая эра: электрический свет перестал восприниматься как чудо. Первые проекты установки освещения свечами Яблочкова были объектами широкого изучения с разных точек зрения и положили начало тому, что мы теперь называем светотехническими расчетами.
Изобретения Яблочкова дали мощный импульс развитию теории переменного тока и созданию предприятий в разных странах для производства соответствующей элементной базы и оборудования - от конденсаторов и катушек индуктивности до мощных генераторов и трансформаторов.
Во многом благодаря изобретению Яблочкова в последующей драматической коллизии, известной в истории техники как «война токов», переменный ток вышел победителем и стал основным направлением электрификации во всех странах.
П.Н.Яблочков, наряду с М.О. Доливо-Добровольским, разработавшим и реализовавшим (в Германии) системы электрических сетей трехфазного тока,- самые известные за рубежом русские инженеры-электротехники .
************************************************************
Тем временем дуговые лампы традиционной конструкции - с встречными электродами - продолжали совершенствоваться, их производители «step-by-step» наращивали свое присутствие в распространении электрического уличного освещения, старт которому задали свечи Яблочкова.
Дуговые фонари давали яркий свет, но были дорогими и сложными в обслуживании. Устанавливались дуговые фонари на главных площадях и улицах, а также местами - там, где проходили линии трамвая.
Типичная удлиненная цилиндрическая форма дуговых фонарей определялась механизмом, который «зажигал» и впоследствии поддерживал дугу между двумя угольными электродами.
Элементы дугового освещения: наружный корпус-футляр для дуговых ламп; подвесная дуговая лампа с футляром и плафоном; дуговая лампа для монтажа на верх фонарного столба.
Дуговые лампы, даже без плафона, были громоздкими и тяжелыми.
Внутреннее устройство дуговой лампы с электромагнитным регулятором и отдельно верхняя часть лампы.
В 1874 году русский инженер В.Н. Чиколев (1845 - 1898), один из создателей первого электрического освещения в Петербурге, изобретатель электрической швейной машинки, разработал так называемый «дифференциальный регулятор» для дуговых ламп. Применив комбинацию двух электромагнитов с параллельным и последовательным включением обмоток, ему удалось одновременно решить две технические проблемы - автоматическое регулирование процесса горения электрической дуги и возможность одновременной работы нескольких ламп от одного источника тока.
К сожалению, в России Чиколев так и не смог найти заинтересованных лиц среди чиновников и предпринимателей, которые бы помогли ему реализовать задуманные планы. В специальных технических изданиях подробное описание дифференциальной дуговой лампы Чиколева было опубликовано только в 1880 году. Вскоре предприниматель из Германии З. Шуккерт подал у себя на родине заявку на конструкцию, идентичную лампе русского электротехника, и она была удовлетворена.
Крупносерийный выпуск дуговых ламп с дифференциальным регулятором начали производить в конце 1870-х годов заводы Сименса, и такая лампа стала продаваться под наименованием «дуговая лампа Сименса».
Дифференциальные дуговые лампы Siemens, 1878 г.
С 1880-х годов дифференциальные дуговые лампы стали единственным типом дуговых источников света, которые применялись для освещения улиц, площадей, портов, а также для освещения больших помещений производственного или общественного назначения, они стали обычными источниками света в прожекторной и светопроекционной технике.
После успешного испытания на Берлинской промышленной выставке 1879 года первых дифференциальных дуговых ламп с последовательным соединением, работающих только от одной динамо-машины, в 1882 году Сименс получил в 1882 году заказ на установку первого в Берлине постоянного электрического уличного освещения на Потсдамской площади и Лейпцигерштрассе. Затем последовали железнодорожные станции, административные здания, фабрики и портовые сооружения. Это было началом широкомасштабного использования в Германии дугового освещения. В 1888 году, наконец, грандиозный берлинский проспект Унтер-ден-Линден был освещен 108 лампами.
Карл Зальцманн. «Первое электрическое освещение в Берлине». 1882 г.
Старый электрический дуговой фонарь в Берлине
Учитывая исключительно сильные, практически монопольные позиции компаний Сименса в России, большинство дуговых фонарей, которые можно видеть на старых фотографиях российских городов - это с большой вероятностью фонари Сименс.
В 1880-х годах компания Сименса осуществила два знаковых проекта в России - сконструировала систему освещения Невского проспекта и установила систему освещения Зимнего дворца.
Вернер фон Сименс назвал последнюю «величайшей и самой впечатляющей системой освещения в мире».
+++++++++++++++++++++++++++
В это же время за океаном тоже не сидели сложа руки, конкурентная гонка там шла с еще большим размахом.
Там очередной «мистер никто», 28-летний Чарльз Браш модифицировал конструкцию дуговой лампы, чтобы создать более дешевое и надежное электрическое освещение, а также усовершенствованную динамо-машину или электрический генератор, которые он представил, освещая общественную площадь Кливленда в апреле 1879 года.
4 июля того же года Браш использовал 16 дуговых ламп для освещения Ниагарского водопада,
Помимо оригинального электромеханического регулятора лампы Браша отличались и другими конструктивными улучшениями, включая электроды с медным покрытием, регуляторы для работы нескольких ламп, последовательно подключенных к одной динамо-машине, и двойные угольные дуговые лампы для продолжительной работы.
Весной 1880 года Браш провел еще одну мощную PR-акцию.
В небольшом городке Вабаш (Wabash) совместно с местным Советом 4 мощных дуговых «фонаря Браша» были установлены на высоком здании окружного суда.
..."Из-под высокого купола здания суда в 8 часов вечера вырвался поток огней, вошедший в мировую историю. Население Вабаша составляло 320 человек. Свидетелями этого события стали более 10 000 человек. На милю вокруг дома и дворы были отчетливо видны, а вдалеке река Вабаш светилась полосой расплавленного серебра»....
Поскольку никакого другого освещения в городе не было, 31 марта 1880 года Вабаш стал «первым в мире городом с электрическим освещением».
Один из оригинальных Brush Lights выставлен в здании суда округа Вабаш.
Современное фото праздника в Вабаше, но здание то же и выглядело все в 1880 г наверное примерно так же.
В 1880 году была основана компания Brush Electric, в Кливленде был построен завод.
Brush Electric начала продавать 16-ламповые комплекты этих впечатляющих дуговых фонарей и необходимых для них генераторов. Поскольку они были такими яркими, дуговые лампы в основном использовались на больших фабриках, в торговых центрах и на открытых общественных местах. Наиболее очевидно преимущества проявились в промышленных помещениях, где электрическое освещение увеличивало количество рабочих часов до ночи, а также повышало безопасность сотрудников.
Вскоре города по всей Америке стали размещать заказы на дуговые фонари Браша, и его имя стало широко известно.. До конца 1881 года системы дугового освещения Brush уже освещали улицы Нью-Йорка, Бостона, Филадельфии, Балтимора, Монреаля, Буффало, Сан-Франциско и других городов.
Осветительный бизнес Brush Electric процветал в течение 1880-х годов до слияния с 1889 году с конкурентом Thomson-Houston Electric Co. в 1889 году и, в свою очередь, с Edison General Electric Co. в 1892 году, в результате чего образовалась General Electric, до сих пор известная во всем мире под тем же названием.
1880-е годы в электротехнической отрасли - годы дикого драйва, когда cформировалась «большая тройка» американских компаний (Edison, Westinghouse, Thomson-Houston), стремительно развивавшихся и занявших львиную долю рынка электрооборудования. Во главе - ровесники. Томас Эдисон - 1847 г.р., Джордж Вестингауз - 1846 г.р.., Элиу Томсон - 1853 г.р. Всем в момент основания - меньше тридцати, все - хрестоматийные американские «self-made» men. Эдисон и Томсон делают ставку на постоянный ток, Вестингауз - на переменный. Эдисон и Вестингауз двигают лампы накаливания, Томсон - дуговые. Все разрабатывают генераторы и другую оснастку. Конкуренция такая, что летят искры. Непрерывные патентные войны. В разгаре война токов. И в то же время - взаимное лицензирование, обмен патентами. Бизнес…
Чтобы привлечь сторонников, электрические компании часто обещали городам в течение года электрическое освещение по той же цене, что и их предыдущая плата за газ, поэтому многие города устанавливали дуговые лампы высоко над своими улицами, на так называемых Moonlight towers - «башнях лунного света».
Осветительные башни-мачты c дуговыми фонарями в Нью-Йорке, Лос-Анжелесе, Нью-Орлеане.
Осветительная мачта с дуговыми фонарями у здания городского совета в Детройте. 1905 г.
Единственная сохранившаяся до наших дней оригинальная Moonlight Tower. Остин, штат Техас.
После пробного периода обычно оказывалось, что электричество дороже газа, но жители были готовы платить за улучшенное освещение и предполагаемые преимущества в плане безопасности. Понятно, что отказаться от электрического света и вернуться к тусклым газовым и керосиновым фонарям было уже никак невозможно, это значило потерять большинство своих избирателей.
В 1900-1920 гг. за счет усовершенствования конструкции и других инноваций удалось увеличить срок службы дуговых ламп сначала до 125, а потом и до 600 часов. Тем не менее дуговым фонарям по-прежнему требовалось регулярное обслуживание.
Обслуживание дугового фонаря. 1920-е годы
++++++++++++++++++++++++++++++
Несмотря на то, что инвестиции в три раза превышали затраты на улучшение существующего газового освещения, многие муниципалитеты выбрали электрическое освещение. Однако конкуренция между газом и электричеством продолжалось еще несколько десятков лет, пока окончательно не победило электрическое уличное освещение.
В стремлении сделать более совершенные дуговые лампы, которые работали бы дольше и требовали реже обслуживания - «тримминга» (так называли замену углеродных стержней), инженеры экспериментировали с добавлением соединений к углеродным стержням.
Уильям Уоллес, родом из медных городков Коннектикута, придумал электроды с медным покрытием, что увеличило срок их службы.
К 1891 году драматическая "война токов" завершилась убедительной победой переменного тока. На Международной электротехнической выставке во Франкфурте, Германия, в 1891 году где была представлена действующая система передачи переменного тока на дальнее расстояние с помощью трансформаторов по высоковольтной линии электропередачи. В течение следующих 10 лет системы переменного тока были построены по всему миру от Аргентины до Швеции.
В связи с этим дуговые лампы были адаптированы для работы от систем на 110 и 220 вольт.
До 1890-х годов большая часть света, излучаемого лампой, исходила от раскаленных концов угольных электродов. В новых конструкциях с «закрытой лампой» основной свет давала уже сама дуга. В пламенно-дуговой лампе время выгорания электродов увеличилось до 125 часов, теперь лампа могла работать без ослуживания несколько дней.
Дуговые лампы Brush Electric.
Слева - лампа открытой конструкции (с "воздушной" дугой) в рабочем состоянии (А) и в подготовленная для обслуживания - замены электродов (В). Справа - лампы закрытой конструкции (дуга в герметичной колбе) - для постоянного тока (А) и для переменного тока (В).
В 1904 году Чарльз П. Стейнмец улучшил лампу, заменив угольный электрод магнетитом, разновидностью железной руды. Срок службы лампы достиг 600 часов или 30 часов на дюйм электрода. В то же время максимальный срок службы угольных стержней составлял всего 125 часов (для средней длины сменного угольного стержня) .
В 1915 году Э.Сперри разработал мощный прожектор с углеродной дугой, который стал широко применяться в морском флоте.
Дуговая лампа General Electric Тип K19 закрытого типа, для переменного тока. Из каталога 1911 года.
Лампа уже следующего поколения, закрытого типа, с двумя колбами, внутренняя колба с электрической дугой - почти герметичая. Внутри лампы размещались большой токоограничивающий дроссель и два электромагнита, которые управляли верхним электродом. Лампа полностью саморегулирующаяся, работала очень плавно и во время работы издавала довольно приятный гул ( в отличие от ранних дуговых ламп, которые по детским петербургским воспоминаниям художника М.Добужинского "шипели, гудели и иногда роняли красную искру").
Закрытая конструкция использовалась для увеличения срока службы электродов. Ранние дуговые лампы были открытыми и могли гореть всего несколько часов. Двойные углеродные дуговые лампы с двумя парами электродов могли гореть уже всю ночь. Закрытые лампы еще больше увеличили время горения. Закрытие дуги сделало эти лампы гораздо более практичными, поскольку они требовали гораздо меньшего обслуживания.
К 1930-м годам уличные фонари с дуговыми лампами практически повсеместно были заменены на фонари с лампами накаливания, поэтому экземпляры такие дуговые фонари моделей начала 20 века сохранились в единичных количествах лишь у коллекционеров-энтузиастов и в музеях освещения. Найти их в интернете оказалось делом непростым.
Старые дуговые лампы уличного освещения (без корпуса и плафона)
На старых дореволюционных фотографиях российских городов конца 19 - начала 20 века можно найти немало таких фонарей с дуговыми лампами.
1896 год. Красная площадь. 4 дуговых фонаря вокруг памятника Минину и Пожарскому и 4 фонаря в ряд дальше.
1901-1902 Вербные гуляния на Красной площади.
Можно заметить, что светильники тут уже другие - другой корпус, другой плафон.
Красная площадь. 1909-1910 гг.
И снова другие фонари. Слева видны трамвайные пути, уложенные в 1909 году. Сначала они проходили по восточной стороне площади, вдоль ГУМа, что вызвало протесты тогдашних градозащитников: «Вид на памятник Минину и Пожарскому, на собор Василия Блаженного, на Спасские ворота и Кремль прорезывается кривыми линиями проводов и загораживается столбами. … Кто разрешил такое вопиющее искажение замечательного памятника Москвы и всего русского народа, каковым является Красная площадь с прилегающими к ней древними памятниками русского зодчества и с памятником русским героям 1612 года!».
Компромисс нашли, пути перенесли на другую сторону площади, вдоль кремлевской стены.
Красная площадь. После 1909 г.
Как видим, фонари появились и вдоль трамвайной линии, что было логично, - все равно опоры для трамвайных проводов ставить и по ним электричество тянуть, почему бы не повесить и фонарь.
Москва. Театральная площадь. 1912 год.
Москва. 1896 год. Тверская улица, украшенная к коронационным торжествам .
Слева - электрический фонарь с плафоном-шаром, установленный на опоре струнной конструкции. Такие опоры были распространены и долго служили потом уже в советское время.
Москва. Страстная площадь. Фото С.В. Челнокова.
Электрические фонари с плафонами-шарами на струнных опорах.
Вологда. 1911 год.
По мере появления широких улиц-магистралей, электрические фонари стали подвешивать на тросах по центру проезжей части.
Петрозаводск, Святодуховской собор. 1916 год. Цветная фотография С.М.Прокудина-Горского.
Елабуга. Дуговой электрический фонарь на деревянном столбе.
То же фото, увеличенный фрагмент.
Здесь хорошо видны ролики и тросы системы подъема/спуска фонаря. Обращает на себя внимание дополнительный трос и специальная перемычка от фонаря к нему. По-видимому, сделано для того, чтобы фонарь при подъеме/спуске не раскачивался.
Саратов. Дуговой фонарь на столбе трамвайной линии.
Интересно для чего предназначены два ответвления в левой части корпуса фонаря, разрешение фотографии не позволяет разобраться.
Царицын (Волгоград). 1913-1917 гг.
К апрелю 1913 года, когда в Царицыне был пущен первый трамвай, трамваи уже были в 36 губернских городах Российской империи, однако из уездных городов именно Царицын стал первым. Все 17 трамваев были отечественными, изготовленными на Мытищинском вагоностроительном заводе.
Могилёв. Железнодорожная станция.
Могилёв. Железнодорожная станция. 1917 г.