Электр доғасымен жарық шығаратын шамдар

Кіріспе

Электр доғасы арқылы жарық шығаратын шам. Аркалы шам немесе аркалы жарық – электр доғасы (вольталық доға деп те аталады) арқылы жарық шығаратын шам. Көміртекті доғалы шам, көміртекті электродтар арасындағы ауадағы доғадан тұрады, оны Хэмфри Дэви 1800-жылдардың басында ойлап тапты және ол алғашқы практикалық электр жарығы болды. 1870-жылдардан бастап көшелерді және ірі ғимараттарды жарықтандыру үшін кеңінен қолданылды, бірақ 20-ғасырдың басында оның орнын қыздыру шамдары басты. Ксенонды доғалы шам, жоғары қарқынды ақ жарық береді, қазір бұрын көміртекті доғаны қолданған көптеген салаларда қолданылады, мысалы, кинопроекторлар мен іздеу шамдарында.

Операция

Арка – газ иондалған кезде туындайтын разряд. Арканы "қосу" немесе "тудыру" үшін шам арқылы жоғары кернеу импульсі жіберіледі, содан кейін разрядты төмен кернеуде сақтауға болады. "Тудыру" үшін тұтандырғыш пен балласттан тұратын электр тізбегі қажет. Балласт шаммен тізбектей жалғанады және екі функцияны атқарады. Біріншіден, қуат алғаш қосылғанда, тұтандырғыш/стартер (шаммен параллель жалғанған) балласт және стартер арқылы кішкентай ток тудырады. Бұл балласт орамдарында шағын магниттік өріс жасайды. Сәтке соң, стартер токты тоқтатады, ал балласт жоғары индуктивтілігіне байланысты ток ағынын сақтап қалуға тырысады (балласт одан өтетін ток кез келген өзгерісіне қарсы тұрады); бірақ ол оны сақтай алмайды, себебі тізбек үзілген. Нәтижесінде, шамға жалғанған балласт арқылы қысқа уақытқа жоғары кернеу пайда болады, сондықтан шам осы жоғары кернеуді алып, түтік/шам ішінде арканы "тудырады". Тізбек шам арканы ұстап тұру үшін жеткілікті иондалысқа жеткенше осы әрекетті қайталайды. Шам арканы ұстап тұрғанда, балласт екінші функциясын орындайды – шамды жұмыс істеу үшін қажетті токпен шектейді. Шам, балласт және тұтандырғыш бір-біріне сәйкес келеді; егер бұзылған компоненттің орнына басқа сипаттамалы бөлік қойылса, шам жұмыс істемейді. Шамнан шығатын жарықтың түсі оның температура мен уақытқа байланысты өзгеретін электрлік сипаттамаларына байланысты өзгереді. Көк найзағай да осы принципке негізделген, онда атмосфера жер мен дауылды бұлттар арасындағы жоғары потенциал айырмашылығы (кернеу) арқасында иондалады. Аркалы шамдағы арка температурасы бірнеше мың градусқа дейін жете алады. Сыртқы шыны қаптамасы 500 градусқа дейін қызып, сондықтан қызмет көрсету алдында шамның жеткілікті түрде суығанын қамтамасыз ету қажет. Көбінесе, егер мұндай шамдар өшірілсе немесе қуат көзінен айырылса, оларды бірнеше минут бойы қайта қосу мүмкін болмайды (мұндай шамдарды "салқын қайта қосылатын" шамдар деп атайды). Дегенмен, кейбір шамдарды (әсіресе люминесценттік шамдар/энергияны үнемдейтін шамдар) сөндіргеннен кейін бірден қайта қосуға болады (мұндай шамдарды "ыстық қайта қосылатын" шамдар деп атайды). 1975 жылы Дэвид Камм мен Рой Нодвеллдің Канаданың Ванкувер қаласындағы Британдық Колумбия университетінде ойлап тапқан Vortek су қабырғасы плазмалық аркалы шамы 1986 және 1993 жылдары Гиннес рекордтар кітабына 300 кВт-тан астам қуатқа немесе 1,2 миллион канделаға тең үздіксіз жанып тұратын ең қуатты жарық көзі ретінде енді.

An arc is the discharge that occurs when a gas is ionized. A high voltage is pulsed across the lamp to "ignite" or "strike" the arc, after which the discharge can be maintained at a lower voltage. The "strike" requires an electrical circuit with an igniter and a ballast. The ballast is wired in series with the lamp and performs two functions. First, when the power is first switched on, the igniter/starter (which is wired in parallel across the lamp) sets up a small current through the ballast and starter. This creates a small magnetic field within the ballast windings. A moment later the starter interrupts the current flow from the ballast, which has a high inductance and therefore tries to maintain the current flow (the ballast opposes any change in current through it); it cannot, as there is no longer a 'circuit'. As a result, a high voltage appears across the ballast momentarily, to which the lamp is connected; therefore the lamp receives this high voltage across it which 'strikes' the arc within the tube/lamp. The circuit will repeat this action until the lamp is ionized enough to sustain the arc. When the lamp sustains the arc, the ballast performs its second function, to limit the current to that needed to operate the lamp. The lamp, ballast, and igniter are rating matched to each other; these parts must be replaced with the same rating as the failed component or the lamp will not work. The colour of the light emitted by the lamp changes as its electrical characteristics change with temperature and time. Lightning is a similar principle where the atmosphere is ionized by the high potential difference (voltage) between earth and storm clouds. The temperature of the arc in an arc lamp can reach several thousand degrees Celsius. The outer glass envelope can reach 500 degrees Celsius, therefore before servicing one must ensure the bulb has cooled sufficiently to handle. Often, if these types of lamps are turned off or lose their power supply, one cannot restrike the lamp again for several minutes (called cold restrike lamps). However, some lamps (mainly fluorescent tubes/energy saving lamps) can be restruck as soon as they are turned off (called hot restrike lamps). The Vortek water wall plasma arc lamp, invented in 1975 by David Camm and Roy Nodwell at the University of British Columbia, Vancouver, Canada, made the Guinness Book of World Records in 1986 and 1993 as the most powerful continuously burning light source at over 300 kW or 1.2 million candle power.

Көміртекті доғалы шам

Көміртекті доғалы шамның электроды – ашық ауада орналасқан көміртекті таяқшалар. Шамды жағу үшін таяқшалар бір-біріне тигізіледі, осылайша салыстырмалы түрде төмен кернеудің доғаға соғуына мүмкіндік береді. Доға плазмалық күйге дейін қыздырылған таза көміртек буынан тұрады. Алайда, доға жарық шығарудың өте аз бөлігін құрайды және жарық емес деп саналады, себебі оның көп бөлігі спектрдің күлгін және ультракөк сәуле бөліктеріндегі спектрлік сызықтарда пайда болады. Көміртек спектрінің көп бөлігі 389 нм-де (көрнеу спектрінен тыс жердегі УФ А) және 250 нм-де (УФ В) өте тар сызықта, сондай-ақ УФ С-дегі басқа да аз қуатты сызықтарда кездеседі.

Көрнеу және ИҚ сәулеленудің көп бөлігі оң электродта немесе анодта пайда болатын қыздырудан туындайды. Басқа доғалы шамдардағы вольфрам анодтарынан айырмашылығы, олар салыстырмалы түрде салқын болады, көміртек әлдеқайда жоғары кедергі тудырады және электрондар анодқа ең ыстық нүктеде кіруге мәжбүр болады, бұл көміртек буландыратын және анодтың бетінде шұңқыр құрайтын қатты жылуды тудырады. Бұл шұңқыр 3300-3600 градус Цельсийге дейін (балқу температурасынан сәл төмен) қызады, сондықтан ол қызып, өте жарқырап тұрады. Осы себепті электродтар көбінесе бір-біріне тік бұрышпен орналастырылып, анод жарық шығаруын кедергілемеу үшін сыртқа қаратылатын. Көміртегі кез келген элементтің ең жоғары балқу температурасына ие болғандықтан, ол қара дене сәулеленуі арқылы Күннің температурасына (5500 градус Цельсий) жақындауға қабілетті жалғыз шам, әсіресе ИҚ және УФ сәулелерінің көп бөлігін жою үшін сүзгілер қолданылғанда.

Тарих

Көміртекті доғалы жарықтандыру тұжырымдамасын алғаш рет Хэмфри Дэви 19 ғасырдың басында көрсетті, бірақ дереккөздер оның алғаш рет көрсеткен жылы туралы келіспейді; 1802, 1805, 1807 және 1809 жылдары айтылады. Дэви көмір таяқшаларын және екі мыңдық батареяны пайдаланып, аралықта доға жасады. Ол электродтарды көлденең орналастырды және ауаның күшті конвекциялық ағынының салдарынан доғаның арка пішініне ие екенін байқады. Ол "доғалы шам" деген терминді ойлап тапты, ол бұл құрылғылар кеңінен қолданыс тапқанда "доға шам" деп қысқартылды. 19 ғасырдың соңында электр доғалы жарықтандыру қоғамдық жарықтандыру үшін кеңінен қолданылды. Электр доғаларының жыпылықтап, шу шығаруы үлкен мәселе болды. 1895 жылы Герта Айртон "Электрик" журналына бірнеше мақала жазып, осы құбылыстардың себебі доға жасау үшін қолданылатын көміртекті таяқшалармен оттегінің жанасуы екенін түсіндірді. 1899 жылы ол Электр инженерлері институтының (IEE) алдында өзінің еңбегін оқыған алғашқы әйел болды. Оның еңбегі "Электр доғасының шуы" деп аталды. Доғалы шам электр энергиясын алғашқы коммерциялық қолданудың бірін қамтамасыз етті, бұл құбылыс бұрын тәжірибелермен, телеграфпен және ойын-сауықпен ғана шектелген.

АҚШ-тағы көміртекті дуалдық жарықтандыру

АҚШ-та 1850 жылдан кейін дуалдық шамдарды коммерциялық түрде өндіруге талпыныстар жасалды, бірақ тұрақты электр қуатының болмауы бұл әрекеттерге тосқауыл қойды. Сондықтан электр инженерлері Фарадейдің динамосын жақсарту мәселесіне назар аудара бастады. Бұл идея Уильям Эдвардс Стайт [de] және Чарльз Ф. Бруш сияқты бірнеше адамдар тарапынан жетілдірілді. 1870 жылдарға дейін Яблочков шамдары сияқты шамдар кеңінен қолданылмады. 1877 жылы Франклин институты динамо жүйелерін салыстырып тексерді. Бруш жасаған динамо ең жақсы нәтиже көрсетті, және Бруш өзінің жақсартылған динамосын дереу доғалы жарықтандыруға қолданды, алғашқы қолданысы 1879 жылдың 29 сәуірінде Огайо штатының Кливленд қаласындағы қоғамдық алаңда болды. Осыған қарамастан, Индиана штатының Уабаш қаласы "Бруш шамдарымен" жарықтандырылған алғашқы қала деп мәлімдейді. Осы шамдардың төртеуі 1880 жылдың 31 наурызында жұмыс істеуге кірісті. Уабаш қаласының кішкентай болуына байланысты, оны толығымен 4 шаммен жарықтандыру мүмкін болды, ал Кливлендтің қоғамдық алаңындағы орнату үлкен қаланың тек бір бөлігін ғана жарықтандырды. 1880 жылы Бруш Электр компаниясын құрды. Оның күшті және жарқын жарығы қоғамдық орындарға, мысалы Кливлендтің қоғамдық алаңына өте қолайлы болды, ол заманауи қыздырғыш шамдардан шамамен 200 есе қуаттырақ еді. Бруштің электрлік доғалы шамдарын қолдану жылдам тарады. 1881 жылы "Scientific American" журналы бұл жүйенің мынадай жерлерде қолданылып жатқанын хабарлады: 800 шам – металлургиялық және машина жасау зауыттарында, шеберханаларда, 1240 шам – жүн, мақта, зығыр, жібек және басқа да фабрикаларда, 425 шам – ірі дүкендерде, қонақүйлерде, шіркеулерде, 250 шам – саябақтарда, доктарда және жазғы демалыс орындарында, 275 шам – теміржол деполарында және шеберханаларда, 130 шам – шахталарда, қорыту заводтарында, 380 шам – әртүрлі зауыттар мен мекемелерде, 1500 шам – қала жарықтандыру станцияларында, 1200 шам – Англияда және басқа да шетелдерде. Барлығы 6000-нан астам шам сатылды. 1880 жылдары үш маңызды жетістік болды: Франтишек Крижижик 1880 жылы электродтарды автоматты түрде реттеуге мүмкіндік беретін механизмды ойлап тапты. Доғалар көміртегінің тозуын баяулату үшін кішкентай түтікшеге орналастырылды (өмір сүру мерзімін шамамен 100 сағатқа дейін ұзартуға болады). Жалынды доғалы шамдар енгізілді, онда көміртек таяқшаларға металл тұздары (әдетте магний, стронций, барий немесе кальций фторидтері) қосылып, жарық шығаруды арттырып, әртүрлі түстерді жасады. АҚШ-та доғалы жарықтандыру жүйелерін және жақсартылған динамоларды патенттеу қиын болды, нәтижесінде доғалы жарықтандыру индустриясы өте бәсекеге толы болды. Бруштің басты бәсекелесі Елиу Томсон мен Эдвин Хьюстон болды. Бұл екеуі 1880 жылы Америка Электр корпорациясын құрды, бірақ оны көп ұзамай Чарльз А. Коффин сатып алып, Линнге (Массачусетс штаты) көшіріп, Томсон Хьюстон Электр компаниясы деп атады. Алайда Томсон компанияның жарық беру жүйесін жақсарту бойынша патенттерді алған негізгі өнертапқышы болып қалды. Томсон Хьюстонның патенттік адвокаты Фредерик П. Фиштің басшылығымен компания өзінің жаңа патенттік құқықтарын қорғады. Коффиннің басқаруы компанияны бәсекелестерді сатып алу және бірігудің агрессивті саясатына бастады. Екі стратегия да электр жарығын өндіру саласындағы бәсекелестікті азайтты. 1890 жылы Томсон Хьюстон компаниясы АҚШ-тағы басым электр өндіріс компаниясы болды. Никола Тесла АҚШ-тың 447920 патентін алды, "Доғалы шамдарды пайдалану әдісі" (1891 жылдың 10 наурызында), ол доғалы шамдардың жұмыс істеу жиілігінде туындайтын қуат жиіліктерінің жағымсыз дыбысын жою үшін секундына 10,000 циклді альтернаторды сипаттайды. ХХ ғасырдың басында доғалы жарықтандыру жүйелерінің маңызы төмендеді, бірақ Томсон Хьюстон қалалық жарықтандыру жүйелерінің негізгі патенттерін бақылады. Бұл бақылау Томас Эдисонның Эдисон General Electric компаниясы әзірлеген қыздырғыш шамдардың кеңеюін баяулатты. Эдисонның бірқалыпты ток тарату және генерациялау машиналарын бақылауы Томсон Хьюстонның одан әрі кеңеюіне кедергі келтірді. Екі компания 1892 жылы бірігіп, General Electric Company құрғаннан кейін бұл кедергілер жойылды. 1915 жылы Элмер Амброз Сперри өзінің жоғары қарқынды көміртекті доғалы іздеу шамдарын өндіруді бастады. Бұл шамдар 20-ғасырдағы барлық әскери-теңіз кемелерінде сигнал беру және жауларды жарықтандыру үшін қолданылды. 1920 жылдары көміртекті доғалы шамдар табиғи күн сәулесінің орнына отбасылық денсаулық сақтау өнімдері ретінде сатылды. Доғалы шамдар көбінесе қыздырғыш шамдармен алмастырылды, бірақ кинопрожекторлар, прожекторлар және іздеу шамдары сияқты белгілі бір салаларда қолданыла берді. 1950 және 1960 жылдары ашық ауадағы кинотеатрлардың проекторлары үшін жоғары қуатты тұрақты ток көміртекті доғалы шамдарға электр қуатын мотор-генератор комбинаты (айнымалы токпен жұмыс істейтін тұрақты ток генераторы) арқылы берілді. Осы қолданыстарда да дәстүрлі көміртекті доғалы шамдар ксенон доғалы шамдармен ығыстырылды, бірақ кемінде 1982 жылға дейін прожекторлар ретінде өндіріле берді және қазір де "үдетілген қартаю" машиналарында күн сәулесін имитациялау үшін қолданылады, олар материалдың қоршаған ортаның әсерінен қаншалықта тез тозуын бағалауға арналған. Доғалы жарықтандыру кинофильмдерді көрсету тәжірибесіне де әсер етті. 2000 футтық катушкаларда фильмдерді тасымалдау және екі проектордың арасында "ауыстыру" жүргізу, проектор шамдарында қолданылатын көміртек таяқшаларының шамамен 22 минуттық қызмет ету мерзіміне байланысты болды (бұл 24 кадр/секундтық жылдамдықпен көрсетілгендегі катушкадағы фильмнің мөлшеріне сәйкес келеді). Прожектилеуші таяқшаның өртеніп бітуін көзбен қадағалап (және дәнекерлеушінің көзіне ұқсас тесік арқылы) фильмді ауыстырғанда көміртек таяқшасын ауыстыратын. Екі проекторлық ауыстыру жүйесі 1970 жылдары ксенон проекторлық шамдардың пайда болуымен бірге жойылды, оның орнына бір проекторлық платформалық жүйелер келді, бірақ фильмдер әлі де кинотеатрларға 2000 футтық катушкаларда жеткізіле берді.

In the United States, there were attempts to produce arc lamps commercially after 1850, but the lack of a constant electricity supply thwarted efforts. Thus electrical engineers began focusing on the problem of improving Faraday's dynamo. The concept was improved upon by a number of people including William Edwards Staite [de] and Charles F. Brush. It was not until the 1870s that lamps such as the Yablochkov candle were more commonly seen. In 1877, the Franklin Institute conducted a comparative test of dynamo systems. The one developed by Brush performed best, and Brush immediately applied his improved dynamo to arc lighting, an early application being Public Square in Cleveland, Ohio, on April 29, 1879. Despite this, Wabash, Indiana claims to be the first city ever to be lit with "Brush Lights". Four of these lights became active there on March 31, 1880. Wabash was a small enough city to be lit entirely by 4 lights, whereas the installation at Cleveland's Public Square only lit a portion of that larger city. In 1880, Brush established the Brush Electric Company. The harsh and brilliant light was found most suitable for public areas, such as Cleveland's Public Square, being around 200 times more powerful than contemporary filament lamps. The usage of Brush electric arc lights spread quickly. Scientific American reported in 1881 that the system was being used in:
800 lights in rolling mills, steel works, shops, 1,240 lights in woolen, cotton, linen, silk, and other factories, 425 lights in large stores, hotels, churches, 250 lights in parks, docks, and summer resorts, 275 lights in railroad depots and shops, 130 lights in mines, smelting works, 380 lights in factories and establishments of various kinds, 1,500 lights in lighting stations, for city lighting, 1,200 lights in England and other foreign countries. A total of over 6,000 lights which are actually sold. There were three major advances in the 1880s: František Křižík invented in 1880 a mechanism to allow the automatic adjustment of the electrodes. The arcs were enclosed in a small tube to slow the carbon consumption (increasing the life span to around 100 hours). Flame arc lamps were introduced where the carbon rods had metal salts (usually magnesium, strontium, barium, or calcium fluorides) added to increase light output and produce different colours. In the U. S., patent protection of arc lighting systems and improved dynamos proved difficult and as a result the arc lighting industry became highly competitive. Brush's principal competition was from the team of Elihu Thomson and Edwin J. Houston. These two had formed the American Electric Corporation in 1880, but it was soon bought up by Charles A. Coffin, moved to Lynn, Massachusetts, and renamed the Thomson Houston Electric Company. Thomson remained, though, the principal inventive genius behind the company patenting improvements to the lighting system. Under the leadership of Thomson Houston's patent attorney, Frederick P. Fish, the company protected its new patent rights. Coffin's management also led the company towards an aggressive policy of buy outs and mergers with competitors. Both strategies reduced competition in the electrical lighting manufacturing industry. By 1890, the Thomson Houston company was the dominant electrical manufacturing company in the U. S. Nikola Tesla received U. S. Patent 447920, "Method of Operating Arc Lamps" (March 10, 1891), that describes a 10,000 cycles per second alternator to suppress the disagreeable sound of power frequency harmonics produced by arc lamps operating on frequencies within the range of human hearing. Around the turn of the century arc lighting systems were in decline, but Thomson Houston controlled key patents to urban lighting systems. This control slowed the expansion of incandescent lighting systems being developed by Thomas Edison's Edison General Electric Company. Conversely, Edison's control of direct current distribution and generating machinery patents blocked further expansion of Thomson Houston. The roadblock to expansion was removed when the two companies merged in 1892 to form the General Electric Company. In 1915, Elmer Ambrose Sperry began manufacturing his invention of a high intensity carbon arc searchlight. These were used aboard warships of all navies during the 20th century for signaling and illuminating enemies. In the 1920s, carbon arc lamps were sold as family health products, a substitute for natural sunlight. Arc lamps were superseded by filament lamps in most roles, remaining in only certain niche applications such as cinema projection, spotlights, and searchlights. In the 1950's and 1960's the high power D. C. for the carbon arc lamp of an outdoor drive in projector would typically be supplied by a motor generator combo (AC motor powering a DC generator). Even in these applications conventional carbon arc lamps were mostly pushed into obsolescence by xenon arc lamps, but were still being manufactured as spotlights at least as late as 1982 and are still manufactured for at least one purpose – simulating sunlight in "accelerated aging" machines intended to estimate how fast a material is likely to be degraded by environmental exposure. Carbon arc lighting left its imprint on other film projection practices. The practice of shipping and projecting motion pictures on 2,000 foot reels, and employing "changeovers" between two projectors, was due to the carbon rods used in projector lamphouses having a lifespan of roughly 22 minutes (which corresponds to the amount of film in said reels when projected at 24 frames/second). The projectionist would watch the rod burn down by eye (though a peephole like a welder's glass) and replace the carbon rod when changing film reels. The two projector changeover setup largely disappeared in the 1970s with the advent of xenon projector lamps, being replaced with single projector platter systems, though films would continue to be shipped to cinemas on 2,000 foot reels.