Первые электрические лампочки
Второй широкой практической областью применения электричества было электрическое освещение. Открытие электрической дуги направило изобретательскую мысль на использование ее для освещения. Техническое выполнение этой идеи было связано с решением проблемы регулирования расстояния между электродами дуги по мере их сгорания. С середины 40-х годов появляются различные проекты таких автоматически действующих регуляторов, основанных на различных принципах. Но конструкции их были несовершенны и дуговые лампы получили весьма ограниченное применение для практических целей.
Начало более широкому использованию электричества для освещения положило изобретение Павлом Николаевичем Яблочковым (1847—1894) оригинальной конструкции дуговой лампы (свечи Яблочкова), на которую он взял патент в 1876 г. Вместо обычного до этого времени расположения электродов в дуговой лампе, при котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков расположил электроды параллельно, а между ними поместил изолирующую прокладку, которая сгорала вместе с ними. Конструкция оказалась удачной, и свеча Яблочкова получила распространение. «Русский свет» — так называли это изобретение — засиял на улицаx, площадях, в помещениях ряда городов Европы, Америки и даже Азии.
«... из Парижа, — писал Яблочков, — электрическое освещение распространялось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца Короля Камбоджи».
С начала 80-х годов свечу Яблочкова начинает вытеснять лампа накаливания. Еще в первой половине XIX века пытались использовать для освещения раскаленные проводники, по которым проходил электрический ток. Однако в то время не были достигнуты положительные результаты.
Впервые пригодную для практических целей электрическую лампу накаливания сконструировал русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин (1847—1923). В 1873 году он уже демонстрировал освещение лампами накаливания одной из улиц Петербурга. Лодыгин создал несколько конструкций ламп накаливания. Одна из ламп представляла собой стеклянный баллон, внутри которого в вакууме между двумя массивными медными стержнями помещался угольный стерженек.
В 1874 году Лодыгин получил за свое изобретение Ломоносовскую премию Академии наук и продолжал работать над усовершенствованием изобретения. Из-за финансовых затруднений он вскоре уехал за границу, где, однако, не бросил работать над более совершенными моделями ламп.
Американский изобретатель Томас Альва Эдисон (1847—1931), также занимавшийся проблемой электрического освещения, создал в 1879 году удачную конструкцию лампы накаливания, которая вскоре получила широкое распространение.
Развитие электроламповой промышленности сыграло большую роль в развитии электродинамики и физики вообще. Необходимость создания хорошего вакуума вызвало появление вакуумной техники, без которой невозможны были бы последующие открытия, приведшие к развитию электронной теории и теории строения вещества. Известный английский физик Дж. Дж. Томсон писал:
«Если наука помогает промышленности, то и в свою очередь промышленность помогает науке. Иллюстрацией может служить то, что потребность в высоком вакууме для электрических и электронных ламп привела к тому, что получение высокого вакуума стало делом коммерческой выгоды, а в результате физик имеет в своем распоряжении насосы настолько большой мощности, что они могут поддерживать высокий вакуум, несмотря на то, что в сосуд, где получается этот вакуум, непрерывно втекает поток тех частиц, которые мы желаем изучать. Это исключительно важно при изучении заряженных частиц и электронов».
Большим шагом вперед явилось изобретение электрических генераторов, в которых вместо постоянных магнитов использовались электромагниты, питаемые током, который вырабатывался самим генератором, — так называемые генераторы с самовозбуждением. Генераторы с самовозбуждением, сконструированные Граммом, начали выпускаться промышленностью в 70-х годах и после дальнейшего усовершенствования получили широкое применение. Вместе с тем в практике начинают широко использовать и электродвигатели постоянного тока. Электродвигатели стали применяться на заводах для приведения в движение станков, на транспорте и т. д.
В 80-х годах в связи со все более и более широким практическим применением электричества возникает новая техническая проблема — проблема распределения и передачи электроэнергии на далекие расстояния. Экономически более выгодной была система, когда электроэнергия производится на мощных электростанциях и снабжает большое количество потребителей, расположенных на значительном пространстве вокруг них. Но применение постоянного тока не позволяло перейти к такой системе электроснабжения. Для производства и потребления электроэнергии экономически был выгоден ток невысокого напряжения, но его невыгодно передавать на большие расстояния вследствие значительных потерь на джоулево тепло. Решить проблему централизованного снабжения электроэнергией можно было, применив переменный ток, напряжение которого легко менять с помощью трансформатора.
Впервые для практических целей переменный ток начал использовать Яблочков. Питание изобретенных им свечей постоянным током было сопряжено с определенным неудобством. Положительный угольный электрод сгорал быстрее, нежели отрицательный. Чтобы избавиться от этого, Яблочков решил использовать переменный ток. Одновременно он решил проблему «дробления электричества», т. е. питания нескольких свечей или групп свечей от одного источника тока. При этом использовались индукционные катушки, играющие роль трансформаторов, которые начиная с 80-х годов в результате работы ряда изобретателей входят в практику.
Применение переменного тока в электротехнике встретило сопротивление со стороны электротехнических компаний, производивших оборудование для постоянного тока. Разгорелась борьба, которая кончилась «победой» переменного тока. Важную роль в этом сыграло изобретение Феррарисом и Тесла так называемого вращающегося магнитного поля. Это изобретение позволило использовать асинхронные электродвигатели, которые решили задачу практического применения переменного тока как двигательной силы.
Развитие электромашиностроения также оказало существенное влияние на электродинамику во второй половине XIX в. Усовершенствование генераторов и электродвигателей требовало изучения свойств магнитных материалов, а вместе с тем создания их теории. Одной из первых фундаментальных работ в этом направлении была работа профессора Московского университета Александра Григорьевича Столетова (1839—1896) «Исследование функции намагничивания мягкого железа» (1871). Столетов применил метод намагничивания замкнутого железного кольца током, ставший затем одним из основных методов изучения свойств магнитных материалов, и установил целый ряд важных закономерностей, связанных о намагничиванием мягкого железа.
Особенно быстрое развитие исследований свойств магнитных материалов началось с 80-х годов, что было, несомненно, связано с успехами в конструировании электрогенераторов, электрических двигателей и трансформаторов. В начале 80-х годов было обнаружено явление гистерезиса; английские инженеры братья Гопкинсоны разработали так называемую теорию магнитных цепей. В 1895 году Пьер Кюри исследовал зависимость магнитных свойств диамагнитных, парамагнитных и ферромагнитных материалов от температуры и установил существование точки Кюри у ферромагнетиков.
Изучение свойств магнитных материалов также оказало влияние на исследование магнитооптических явлений, которое имело значение в развитии электронной теории.
Применение электричества для связи, освещения, в качестве двигательной силы и т. д. оказало существенное влияние на развитие техники электрических измерений. Электроизмерительные приборы, появившиеся в первой половине XIX века, уже к 80-м годам достигли большой степени совершенства. Электрические компании Европы и Америки изготовляли гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивлений, эталонные конденсаторы и т. д. различных конструкций и различной чувствительности.
В 1881 году в Париже под председательством министра почт и телеграфов Франции собрался первый международный конгресс электриков, и была организована большая выставка электрооборудования. На выставке большое место было уделено электроизмерительной аппаратуре, выпускаемой различными электрическими компаниями и лабораториями. Были выставлены гальванометры, амперметры и миллиамперметры различных конструкций и различной чувствительности. Наряду с гальванометрами, способными обнаруживать ток силой 10^(-9) и даже 10^(-10) А, демонстрировались приборы, рассчитанные на измерение тока силой в десятки ампер. Здесь также имелись конструкции амперметров и вольтметров для переменного тока, эталоны и магазины сопротивлений, реостаты, мостики для измерения сопротивлений и емкостей.
Большое внимание уделил конгресс вопросу об электрических единицах. Специальной комиссии было поручено разработать единую систему единиц. В нее вошли крупнейшие ученые различных стран, такие, как У. Томсон, Гельмгольц, Клаузиус, Кирхгоф и др., из русских ученых в комиссию вошел А. Г. Столетов. Комиссия подробно изучила вопрос об электрических единицах и разработала систему электрических единиц