Historia oświetlenia elektrycznego od lamp gazowych do łukowych.

Lampy gazowe – „dziecko” rewolucji przemysłowej XVIII w.

Okres literackiego oświecenia umiejscowiony między barokiem i romantyzmem, pokrywał się w znacznej części z tzw. rewolucją przemysłową. Szybko rosnąca industrializacja i urbanizacja wymagała nie tylko światłych obywateli, ale również światła w dosłownym tego słowa znaczeniu.

Szybko rosnąca industrializacja i urbanizacja wymagała nie tylko światłych obywateli, ale również światła w dosłownym tego słowa znaczeniu.

Tradycyjne lampy olejowe oraz świece nie mogły już zaspokoić wzrastających w coraz większym stopniu aspiracji człowieka. Wynalezienie lampy gazowej było niewątpliwie kamieniem milowym w rozwoju techniki oświetlenia. Fabryka maszyn parowych Jamesa Watta otrzymała taki rodzaj światła już na początku dziewiętnastego wieku. Technologia otrzymywania gazu w specjalnych piecach gazowych była w początkowej fazie jego produkcji bardzo prymitywna, ale z każdym rokiem notowano coraz to większe postępy, aż do roku 1880, kiedy osiągnęła ona prawie szczyt swojego rozwoju. Był to jednak czas, w którym dla oświetlenia gazowego pojawiła się już potężna konkurencja w postaci elektrycznych lamp łukowych. Na producentów gazu zaczął padać blady strach, gdyż podczas narodzin lampy gazowej zakładano, że będzie to rozwiązanie w technice oświetlenia przynajmniej na kilka wieków. W wielu krajach istniał w owym czasie potężny przemysł gazowniczy, a zużycie gazu do celów oświetleniowych stanowiło pokaźny procent całkowitej jego produkcji.

W samych tylko Niemczech pracowało około pięciuset dużych zakładów gazowniczych [1].

Obserwując dzisiaj płomienie kuchenek gazowych można mieć wątpliwości, czy aby na pewno oświetlenie gazowe było lepsze od światła świec i lamp olejowych. Bladoniebieski płomień palników nie jest przecież oszołamiającej jasności. Jasność światła i jego barwę można było regulować za pomocą tzw. palnika Bunsena z zaworem dozującym powietrze.

Rys. 1. Różne rodzaje płomieni w palniku Bunsena w zależności od ilości przepuszczonego przez zawór powietrza. 1- zawór zamknięty, 2 – zawór otwarty w połowie, 3- zawór niemalże w pełni otwarty, 4 – zawór całkowicie otwarty (wg [2]

Wyraźnie widać, że przy zamkniętym zaworze płomień świeci nieco jaśniej, ale z pewnością nie tak jasno, aby sprostać zadowalającemu oświetleniu. Pamiętać jednak należy, że przed prawie dwoma wiekami nie produkowano gazu tak odfiltrowanego i czystego jak dzisiaj i źródłem światła były w dużej mierze spalające się w płomieniu sadze. Tworzyły się one ze związków bogatych w węgiel.

Najbardziej jasne światło powstawało przy spalaniu się naftalenu. Od roku 1890 w lampach gazowych światło emitowane było przez wprowadzony przez Carla Auera von Welsbacha specjalny żarnik. Miał on budowę szkieletową, wykonaną z toru i ceroxidu. Konstrukcja ta charakteryzowała się tak dużą sprawnością świetlną, że z powodzeniem konkurowała z wprowadzanym równolegle oświetleniem elektrycznym i przetrwała  do dnia dzisiejszego, służąc jako lampy kempingowe lub oświetlenie przenośnych punktów sprzedaży.

Rys. 2. Oświetlenie gazowe w XIX wieku dotarło do wielu instytucji publicznych, w tym również do szkół (wg [3])

Fotografia 2 przedstawia izbę szkolną z oświetleniem gazowym, absolutnym hitem sprzed półtora wieku.

Dzisiaj po wielu instalacjach gazowych oświetlających kiedyś place, ulice i budynki pozostały tylko fragmenty (fot. 3).

Rys. 3. Fragment starej lampy gazowej w Gliwicach-Łabędach (wg [4])

Główne wady oświetlenia gazowego

Absolutny rozwój technologii oświetlenia gazowego przypadł na okres dwóch „wojen”. Pierwsza z nich trwała kilka dziesięcioleci i dotyczyła walki producentów gazu oraz lobbowanego przez nich sposobu oświetlania z wytwórcami energii elektrycznej i forsowanej przez nich technologii – początkowo lamp łukowych, a następnie żarówek. Ta druga „wojna” toczyła się już tylko i wyłącznie w gronie elektryków i nazwana została potocznie po wielu latach „wojną prądów” [5]. Oświetlenie gazowe w porównaniu z oświetleniem elektrycznym miało dużo poważnych wad. Główną było to, iż w pomieszczeniach zamkniętych przy stosowaniu dużej liczby lamp, drastycznie wzrastała temperatura i zawartość dwutlenku węgla w powietrzu. Po pewnym okresie użytkowania na ścianach pomieszczeń pojawiał się czarny osad. Największą jednak wadą było niewątpliwie zagrożenie pożarowe i wybuchowe.

W Europie pierwsze analizy porównawcze oświetlenia gazowego z elektrycznym zaczęto wykonywać w 1882 r. W salonie zegarmistrzowskim Palais Royal w Paryżu, oświetlanym wieczorami dwudziestoma czterema żarówkami Swana, temperatura utrzymywała się na poziomie osiemnastu stopni Celsjusza, gdy przy wcześniejszym stosowaniu lamp gazowych wynosiła ona 28 stopni. W Théâtre des Variétés doświadczenia były podobne. Front sceny oświetlany był tam osiemdziesięcioma trzema żarówkami.

Rys. 4. Residenztheater w Monachium już z oświetleniem elektrycznym, bez uciążliwego wzrostu temperatury i zawartości CO2 w powietrzu (wg [6])

Dwa lata później Instytut Higieny Maxa von Pettenkofera przeprowadził badania w Teatrze Rezydencyjnym (Residenztheater zwany także Cuvillestheater fot. 4) w Monachium, badając obydwa typy oświetlenia. Okazało się, że przy pustej widowni światło elektryczne podnosiło temperaturę zaledwie o 0,9°C, a oświetlenie gazowe o 9,2°C. Podczas przedstawień temperatura po godzinie spektaklu osiągała na najwyższych balkonach 29°C z początkowych dwudziestu jeden.

Instytut Higieny Maxa von Pettenkofera przeprowadził badania w teatrze w Monachium, badając obydwa typy oświetlenia. Okazało się, że przy pustej widowni światło elektryczne podnosiło temperaturę zaledwie o 0,9°C, a oświetlenie gazowe o 9,2°C.

Podobne badania prowadzono na zawartość dwutlenku węgla. Okazało się, że przy stosowaniu lamp gazowych zawartość tego gazu na początku przedstawienia wynosiła 0,4‰, aby po upływie godziny osiągnąć 2‰. Przy stosowaniu oświetlenia elektrycznego było to tylko 0,6‰. Już to zaledwie fragmentaryczne porównanie wskazuje na niekwestionowaną przewagę oświetlenia elektrycznego. Jeżeli dodać do tego nieszczęścia powodowane pożarami i wybuchami gazu szczególnie w miejscach, gdzie zgromadzonych było wiele osób (przytoczyć tu można jedną z wielu tragedii, która pochłonęła około czterysta ofiar w tzw. Ringtheater w Wiedniu w roku 1881), to zrozumieć można od razu, jak sprzyjający był klimat dla rozwoju źródeł światła nieniosącego ze sobą wymienionych powyżej wad.

Interesujące jest to, że już od początku przemysłowej produkcji energii elektrycznej, używana była ona do obsługi lamp i żyrandoli gazowych. Po pierwsze stosowano zawory elektromagnetyczne otwierające i regulujące dopływ gazu, a po drugie zapłon odbywał się przy użyciu tzw. cewki Ruhmkorffa. Przykładem może być olbrzymi żyrandol gazowy zainstalowany w 1884 r. w Operze Budapeszteńskiej, do którego nie było dostępu z parkietu.

Odkrycie łuku elektrycznego

Odkrywcą łuku elektrycznego był angielski uczony Humphry Davy, członek między innymi Towarzystwa Warszawskiego Przyjaciół Nauk. Dokonał tego w 1802 r., a zjawisko zaprezentował dziesięć lat później członkom Towarzystwa Królewskiego w Londynie (The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge). Pokaz nie wypadł zbyt okazale, gdyż zarówno bateria galwaniczna jak i użyte do otrzymania łuku miedziane przewody nie nadawały się do dłuższej pracy, ulegając szybkiemu stopieniu.

Dlatego też w następnych doświadczeniach Davy użył prętów z węgla drzewnego, a jeszcze później masywnych elektrod z twardego węgla retortowego. Łuk elektryczny palił się już kilka minut, ale bateria wyczerpywała się nadal bardzo szybko. Doświadczenia prowadzone przez Davyego pokazały jednak, że możliwe jest uzyskanie światła, wykorzystując do tego celu energię elektryczną. Innym spostrzeżeniem było to, że intensywność światła otrzymywanego z łuku przewyższała wielokrotnie jasność światła gazowego.

Na początku piątej dekady dziewiętnastego wieku do dyspozycji były już sprawniejsze akumulatory, a ich pojemność również znacznie wzrosła. Elementy galwaniczne produkowane przez Roberta Wilhelma Bunsena i Williama Roberta Grove miały napięcia w zakresie od 1,5-2 V i mogły być obciążane prądem od 6 do 8 amperów. Bateria składająca się z trzydziestu ogniw dostarczała więc mocy przekraczającej 300 W. Wystarczała ona do zasilania lampy łukowej średniej wielkości. Inicjacja łuku i obsługa lampy podczas jej pracy nie była prosta. Aby łuk zaczął świecić należało pręty najpierw zbliżyć do siebie, a następnie rozsunąć je na odpowiednią odległość. Podtrzymanie przepływu prądu wymagało stałej regulacji odstępu między elektrodami. Początkowo odbywało się to ręcznie, mimo że obsługujący lampę porażany był jej jaskrawym światłem.

Rys. 5. Regulator elektromagnetyczny lamp łukowych skonstruowany w roku 1847 przez Henriego Adolfa Archereau (wg [7])

Dopiero w roku 1847 francuski wynalazca Henri Adolf Archereau skonstruował regulator elektromagnetyczny (fot. 5), który automatycznie zbliżał do siebie wypalone pręty, a jego zadziałanie powodowane było spadkiem natężenia prądu między elektrodami. O wiele bardziej skomplikowane urządzenie regulacyjne skonstruował rok później jego rodak Leon Foucault, stosując do utrzymania właściwego odstępu elektrod dwa mechanizmy zegarowe (fot. 6).

Rys. 6. Zegarowy regulator Leona Foucaulta (wg [8])

Przy prawidłowym prądzie lampy obydwa mechanizmy zegarowe  były zablokowane. Gdy jednak tylko następowały odstępstwa – prąd malał lub wzrastał – wtedy odblokowywany był jeden z mechanizmów, który odpowiednio przysuwał do siebie lub odsuwał elektrody. Lampy łukowe Foucaulta-Duboscqa mogły pracować w sposób bezobsługowy przez około sześciu do ośmiu godzin i były pierwszymi lampami elektrycznymi w dosłownym tego słowa znaczeniu.

Rys. 7. Martines – Alliance Generator do zasilania lamp łukowych (wg [9])

Od połowy lat pięćdziesiątych dziewiętnastego wieku do zasilania zaczęto coraz powszechniej używać generatorów magnetoelektrycznych. Jednak jeszcze dwadzieścia lat później oświetlenie łukowe o szczególnym znaczeniu nadal zasilane było z tzw. „pewnych” źródeł galwanicznych. Wymienić tu można między innymi Paryską Operę czy też Teatr Narodowy w Budapeszcie.

Galwaniczne źródła napięcia miały jeszcze jedno uzasadnienie, a mianowicie takie, że sprawność produkowanych wówczas generatorów elektromaszynowych nie przekraczała 30%. Szybko okazało się też, że równomierne spalanie elektrod zapewniają maszyny prądu przemiennego. Ich cena i waga były jednak niewspółmiernie wysokie w porównaniu z dostarczaną mocą. Maszyna przedstawiona na fotografii siódmej tzw. Martine-s-Alliance-Generator miała w swej najbardziej rozbudowanej wersji 336 magnesów podkowiastych i 112 cewek indukcyjnych.

Jej masa wynosiła trzy tony, a uzyskiwana moc leżała w zakresie od 2 do 3 kW. Jej mała sprawność wynikała również z faktu, że była to konstrukcja działająca w oparciu o maszynę zaproponowaną w 1832 r. przez Hipolita Pixii. Nie wprowadzono w niej żadnych nowych rozwiązań, a celem uzyskania większej mocy powiększono tylko jej rozmiary.

Cena i waga maszyn prądu przemiennego była jednak niewspółmiernie wysoka w porównaniu z dostarczaną mocą. Martine-s-Alliance-Generator miał, np. w swej najbardziej rozbudowanej wersji 336 magnesów podkowiastych i 112 cewek indukcyjnych, a ważył trzy tony.

Sytuacja w zakresie zasilania lamp łukowych zmieniła się diametralnie dopiero po wynalezieniu przez Wernera von Siemensa dynama samowzbudnego w 1866 r. [10]. Maszyny wynalezione przez Siemensa nie potrzebowały już magnesów trwałych, a ich ceny w porównaniu z ich poprzedniczkami spadły prawie dziesięciokrotnie. Zakłady Zenobiusza Gramme’a produkowały rocznie około trzech tysięcy generatorów (fot. 8). Mogły one obsłużyć taką samą liczbę lamp, gdyż jedna lampa łukowa wymagała jednego generatora.

Rys. 8. Prądnica Gramme’a służąca do zasilania pojedynczych lamp łukowych (wg [11])

Lamp łukowych nie można było łączyć szeregowo, ze zrozumiałych dla każdego elektryka względów. Łączenie równoległe nie wchodziło również w rachubę, gdyż zapalenie każdej następnej lampy powodowało w obwodzie zasilającym poprzednią lampę duży spadek napięcia, a w konsekwencji jej wygaszenie. Inicjacja łuku to przecież krótkotrwały stan zwarcia. Prze-szkodą w rozprzestrzenianiu się oświetlenia łukowego był w dalszym ciągu regulator. Obydwa problemy należało rozwiązać w zadowalający sposób. Dokonał tego rosyjski wynalazca i inżynier Paweł Nikołajewicz Jabłoczkow – postać, która w historii oświetlenia elektrycznego zajmuje jedną z pierwszoplanowych pozycji.

Literatura

Górne zdjęcie: archiwum PO

---

* Artykuł opublikowany w Wiadomościach Uczelnianych (WU_10_227_2012) – https://wu.po.opole.pl/wp-content/uploads/2021/09/archiwumwu-2011_2012-nr-10-227.pdf