Początki rozwoju elektryki

(z Monografii - "Elektryka na Pomorzu Zachodnim")

1. Ogólny rys  historyczny

Historia powstania i rozwoju elektryki to ważny fragment dzieła poznania i wykorzystania praw przyrody. Z dzisiejszej perspektywy widoczne są dwa podstawowe okresy; pierwszy datować można od czasów prehistorycznych do lat dwudziestych XIX wieku. W tym okresie zjawiska magnetyczne i elektryczne obserwowane w naturze (niekiedy tajemnicze a nawet budzące grozę) traktowane były jako wzajemnie niezależne i jakościowo różne. Podstawę ich poznawania stanowił długotrwały, wielopokoleniowy proces, w początkach którego były obserwacje, a w okresie znacznie późniejszym − pierwsze eksperymenty. Przełomową cezurą drugiego, „współczesnego” nam okresu, są wspomniane tu lata dwudzieste XIX wieku. To właśnie wtedy dzięki pracom Hansa Christiana Oersteda i Andrė Marie Ampere’a, ukoronowanych odkryciem indukcji elektromagnetycznej przez Michaela Faraday’a (1831), ustalono ścisły wzajemny związek między elektrycznością i magnetyzmem. Odkrycie tej spójności stało się podstawą współczesnego wykorzystania energii elektrycznej, a także zwielokrotniło jej zastosowania - od budowy potężnych urządzeń mechaniczno - elektrycznych do miniaturowych aparatów służących do przenoszenia informacji przy pomocy fal elektromagnetycznych.

Rozwój elektryki od jej początku do stanu obecnego to praca pokoleń ludzi o różnych zainteresowaniach, wykształceniu i sposobie życia. Są tu, u początku drogi, filozofowie i przyrodnicy, żeglarze i kupcy, są profesorowie łaciny, greki, medycyny, wybitni matematycy i - oczywiście - fizycy. Są wśród nich luminarze o wyjątkowych epokowych osiągnięciach oraz ludzie bez wykształcenia: laborant, introligator, stolarz. Są też przedstawiciele stanu duchownego i ludzie biznesu. Dopiero po roku 1884, po powstaniu pierwszych wydziałów elektrycznych na wyższych uczelniach, można pisać o fachowych elektrykach „prądu silnego” lub „słabego”, czyli specjalistach od telekomunikacji.

2. Obserwacje, doświadczenia i odkrycia (do 1820 roku)

„Już starożytni uczeni (i nie tylko Grecy) znali zjawisko elektryzacji występujące przy pocieraniu bursztynu. To od nich zapożyczano słowo bursztyn, czyli „elektron”, służące nam współczesnym do tworzenia coraz to nowych pojęć i skojarzeń.

W czasach nowożytnych wiele lat życia i wysiłku w poznanie zjawisk elektrycznych i magnetycznych, włożył Wiliam Gilbert - nadworny lekarz królowej angielskiej Elżbiety I. Szczególnie wielka była jego rola w doświadczalnym poznaniu zjawisk magnetycznych. W początku XVII wieku w pracach naukowych (pisanych po łacinie) zastosowano termin „electricum”.

Benjamin Franklin pierwszy zakwestionował powszechny wówczas pogląd o istnieniu dwóch rodzajów elektryczności, wprowadzając model elektryczności jednoimiennej; uznając, iż obiekty naładowane dodatnio zawierają jej zbyt wiele, a ciała naładowane ujemnie − zbyt mało. Również B. Franklin w swych doświadczeniach z elektrycznością atmosferyczną (marzec 1752), z chmur burzowych wykazał, że jest to ta sama elektryczność co otrzymywana w niewielkich ilościach przy pocieraniu bursztynu, żywicy lub szkła. Doświadczenia tego rodzaju, polegające na „ściągnięciu” elektryczności z chmur do wcześniej wynalezionych zasobników w postaci butelek lejdejskich, były efektowne i wielokrotnie powtarzane w innych krajach. Wniosek miał charakter praktyczny, prowadził do możliwości ochrony człowieka i jego mienia przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Za wynalazcę piorunochronu uważa się powszechnie B. Franklina, który eksperymentalnie zastosował „konduktor” - połączony z ziemią pręt metalowy - na dachu jednego domu w Filadelfii. W Polsce piorunochron, zainstalowany na wieży ratusza miasta Rawicz w 1783 roku, opisał Herman Józef Osinski.  Rok później zainstalowano „konduktor” na wieży zamku Królewskiego w Warszawie.

[Badania elektryczności atmosferycznej prowadził przez wiele lat Johann Heinrich Winkler, profesor uniwersytetu  Lipsku, publikując w 1746 roku traktat; "Die Starke der elektrischen Kraft des Wassers in gläsernen Gefäsen, welche durch den Musschenbroekschen Versuch bekannt gaworden". Na wyróżnienie zasługują opisy doświadczeń wykonanych w Anglii przez Guilleaume  le Monniera, botanika ogrodów królewskich, póżniej lekarza nadwornego Ludwika XV. Opisy tych doświadczeń opublikowano po raz pierwszy w 1752 roku. We Francji ryzykowne doświadczenia nad elektrycznością atmosferyczną prowadził Thomas Francois Dalibard. 10 maja 1752 roku przy pomocy cieśli Coiffiera i wiejskiego proboszcza wielebnego Roiffiera odprowadzał z żelaznego pionowego pręta do butelki lejdejskiej 2,5-calowej długości elektryczne iskry. Również zakonnik Jean Antoine Nollet oraz fizyk de Romas prowadzili we Francji podobne doświadczenia, publikując szczegółowo wyniki badań. Odnotować też należy wyniki badań realizowanych w Italii, które otrzymał pracujący w Torino Giacomo Battisto Beccaria, a w Hanowerze realizację specjalnej budowli zaprojektowanej przez Johanna Frirdricha Hartmanna. Rosyjski poseł w Hadze, książe Dymitr Aleksiejewicz Golicyn, do doświdczen z latawcem zaprojektował bezpieczny wariant realizacji ryzykownego pomysłu. Użycie strzał do ściągnięcia ładunku elektrycznego z chmur jest pomysłem Johanna Konrada Gûtlego (1804). W pewnym sensie kuriozalny był projekt badań działania elektryczności atmosferycznej na zwierzeta (owce i konie). Wspomniany wcześniej G.B. Baccaria proponował użycie specjalnych balonów wystrzeliwanych z moździerza artyleryjskiego do "ściągnięcia" na ziemię z chmur ładunku elektrycznego. Z tego okresu pochodzi również pomysł użycia rakiet do tego typu badań. Pomysł z rakietami zrealizowano doświadczalnie po raz pierwszy w 1753 roku do inicjacji wyładowania piorunowego. Doświadczenie z rakietą powtórzono w innej już współczesnej skali w roku 1958, arównież w roku 1986 z pokładu statku badawczego "Thunderbolt". Badaniami nad elektrycznością zajmował się mieszkający w Neapolu Tiberio Cavallo, budujący udane przyrządy pomiarowe, elektroskopy !780), a również - lodyński mechanik George Adams (1777). W tej dziedzinie badań wyróżnić należy elektroskopy realizowane według pomysłu Jeana Baptiste de Roya. Do historii badań nad elektrycznością atmosferyczną istotne były spostrzeżenia, które poczynił Horace Benedicte de Saussere, profesor filozofii uniwersytetu w Genewie. Zamieszczono je w pracy Reisen durch Alpen (1787). W tej dziedzinie badan literatura odnotowuje opisy przemysleń i doświadczeń Ludwiga Christiana Lichtenberga z Gotha. Niewąpliwy też jest wkład do nauki o elektryczności wynikający z pracy Josepha Krausa z Selingenthal (1814) opublikowanej pod tytułem Gewitterkatechismus oder Unterricht ûber Bilitz und Donner und die Art. und Weise, wie man das Leben dagegen schutzen und retten kann. Przedstawiony tu przegląd nie wyczerpuje obszernego i do dziś aktualnego tematu. Wypada jeszcze dodac, iż tragiczny wypadek profesora uniwersytetu w Sankt Petersburgu, George'a Wilhelma Richmanna, do którego doszło 6 sierpnia 1793 roku, nie zahamował badań nad elektrycznością, ale przeciwnie: rozszerzył krąg ludzi nauki zajmujących się zjawiskami elektrycznymi.]

Badania nad elektrycznością (w okresie do odkrycia ogniw galwanicznych) spowodowały rozwój konstrukcji „źródeł” elektryczności. Z prymitywnego przez wieki pocierania bursztynu zrodziły się pierwsze machiny, w których wykorzystuje się ruch obrotowy. Jedną z wcześniejszych konstrukcji, powstałą w Magdeburgu, zrealizował (w 1663 r.) Otto von Guericke − burmistrz i genialny eksperymentator. Przez dziesięciolecia „iskra elektryczna” była przedmiotem zainteresowania wielu fizyków. Trzeba tu wymienić Francisa Hauksbee, kontynuatora doświadczeń Otto Guericke (był on tylko fizycznym pracownikiem Royal Socjety). Na pamięć zasługują również: Jean Antoine Nollet ze stanu zakonnego, Charls Francois Du Fay de Cisternay - członek Akademii Francuskiej, profesor Pieter van Musschenbroeck z Leyden oraz Georg Louis Le Sage'a (1724 - 1803) uważany w Szwajcarii za wynalazcę telegrafu. 

Początki nowoczesnej, naukowej elektryki można datować na wiek XVIII, a udział w tworzeniu tej nowej gałęzi nauki miało też Pomorze dzięki działalności von Kleista., który po wielu doświadczeniach nad otrzymaniem i zachowaniem ładunku elektrycznego uzyskał interesujące wyniki w postaci tak zwanej butelki lejdejskiej.

[W literaturze polskiej pierwsza wzmianka o "butelce lejdejskiej" pochodzi z książki "O elektryczności uważanej w ciałach ziemnych i atmosferze" wydanej w 1786 roku, której autorem był Franciszek Scheidt, wiceprofesor w Kolegium Fizycznym Szkoły Głównej Koronnej w Krakowie. Rozdział trzeci jest zatytułowany "O szkłach powiększających moc elektryczności, czyli o butelkach lejdeyskich". W tym podręczniku są również rzeczowe wskazówki dotyczące ochrony przed uderzeniem pioruna, a również opisy  faktów leczenia elektrycznością ",...elektryczność pomagać może w chorobach..."].

W XVIII wieku moda na badanie zjawisk elektrycznych była dość powszechna nie tylko wśród elit intelektualnych. Do dobrego tonu wśród arystokracji należało zainteresowanie nieznaną siłą elektryczności. Szczególnie interesujące były doświadczenia i perspektywy zastosowania elektryczności w medycynie. Wyniki eksperymentów prowadziły do lepszego poznania istoty elektryczności i możliwości jej powstawania.

W drugiej połowie XVIII wieku miały miejsce doświadczenia prowadzone przez Charlesa Augustina Coulomba, których efektem było ścisłe sformułowanie ważnego prawa o wzajemnym oddziaływaniu siłą ładunków elektrycznych.

[Prawie 200 lat później tak zwane anomalia prawa Coulomba odkrył i opisał Bolesław Konorski (profesor Politechniki łódzkiej)].

Logiczną konsekwencją prowadzonych doświadczeń było (nie bez uzasadnienia) zastosowanie elektryczności w szeroko pojętej medycynie. Ta dziedzina ludzkiej działalności - o ogromnym, nieprzemijającym znaczeniu - uzyskała nowe możliwości i perspektywy. Można dodać, iż we współczesnej epoce rozwój elektryki stworzył podstawy wnikliwej diagnostyki oraz skutecznej terapii.

[Wielu przyrodników i lekarzy stosuje "elektryczność" jako środek leczniczy. Prekursorami tego kierunku są Johann Gottlob Krüger, prof. medycyny w Halle oraz Christian Gottlieb Kratzenstein, prof. medycyny w Kopenhadze].

Niekiedy drobne, przypadkowe odkrycia (odpowiednio zinterpretowane) stają się źródłami dalszego intensywnego rozwoju całych działów nauki. Eksperymenty anatomiczne prowadzone przez profesora anatonomii Luigiego Galvaniego na zachowanie się żabich udek i znacznie już późniejsza interpretacja zjawiska skurczu mięśni − stały się podstawą odkrycia nowego (o zasadniczo odrębnej charakterystyce) źródła elektryczności. W wyniku eksperymentów Alessaqndro Giuseppe Antonio Volty powstaje pierwsza konstrukcja ogniwa złożonego z płytek metalu miedzi i cynku oraz zakwaszonej wody. Do dziś w powszechnym użyciu funkcjonują pojęcia: ogniwo galwaniczne, połączenie galwaniczne, galwanizacja.

W tym czasie potężne zespoły ogniw, czyli baterie, zbudowali Humprey Davy  w Anglii (2000 ogniw) i Bazyli Pietrow w Rosji (4200 ogniw). Dokonano też -- w pewnym sensie też przypadkowego - odkrycia potężnego źródła światła w postaci łuku elektrycznego.

Również wtedy René Just Haüy odkrył zjawisko piezoelektryczności, którego praktyczne znaczenie poznano znacznie później (w XX wieku)..

Nie mniejszą wartość ma odkrycie (1812) przez Thomasa Johanna Seebecka zjawiska termoelektryczności, to jest powstawania różnicy potencjałów (pojęcie potencjału w elektryce wprowadził Simeon Denis Poisson) w obwodzie z przewodami z różnych metali, gdy miejsca ich połączeń poddane są różnicy temperatur. Zjawisko powyższe jako stabilne źródło elektryczności wykorzystał w okresie późniejszym Georg Simon Ohm w swych doświadczeniach nad właściwościami obwodu elektrycznego. 

Pierwszy etap prac dotyczących elektryki, gdy odrębnie ujęte są wzajemnie niepowiązane działy - elektryki i magnetyzmu - kończy się w latach dwudziestych XIX wieku. Tu epokowym krokiem były wnioski z eksperymentów prowadzonych przez Hansa Christiana Oersteda, który, badając zachowanie się obwodu elektrycznego (posługiwał się ogniwem Volty), w sposób dość przypadkowy odkrył zjawisko związane z jednoczesnym powstaniem pola magnetycznego. To były trwałe podstawy poważniejszych epokowych prac A.M. Ampere’a i późniejszych o dziesięć lat odkryć dokonanych przez Michaela Faradaya.

3. Elektrodynamika

W XIX w. rozpoczęła się systematyczna praca nad wynalazkami elektrycznymi oraz dalszą ich systematyzacją. Jedną z pierwszych wyodrębnionych dziedzin była elektrodynamika.

Odkrycie oddziaływania przepływu prądu na środowisko magnetyczne, dokonane przez Ch. Oersteda, spowodowało potężny impuls do dalszych eksperymentów, a również postęp w dziedzinie nauki, gdzie istotna rola A. Ampera nie podlega dyskusji. W tym zakresie ważnym uzupełnieniem do tworzonej elektrodynamiki, jako odrębnego działu, są doświadczenia, które przeprowadził   Dominique  Jean Arago, oraz teoretyczne zależności podane w pracach Jeana Biota i Felixa Savarta. Oczywiście było to możliwe przy dysponowaniu trwałym źródłem elektryczności, którym było ogniwo elektrochemiczne, a w szczególnych przypadkach − tak zwanym stosem termoelektrycznym, utworzonym z szeregowo połączonych ogniw termoelektrycznych. Poznanie podstawowych praw obwodu elektrycznego (w danym przypadku obwodu prądu stałego) zawdzięczamy opracowaniom Georga.Simona Ohma. Następnym etapem decydującym o praktycznej stronie zastosowań elektryki było odkrycie zjawiska samoindukcji (1831) przez genialnego, niestrudzonego eksperymentatora M. Faradaya, który zasłużył się odkryciem przekształcenia magnetyzmu w elektryczność.

Do osiągnięć w zakresie teorii przyczynił się niewątpliwie Emil Heinrich Lenz oraz szczególnie honorowany w USA elektryk amator Joseph Henry.

W pierwszej połowie XIX stulecia w sposób naturalny powstała „moda” na konstrukcję elektromagnesów. Budowali je: Wiliam Sturgeon, Joseph Henry, Johann Wilhelm Pfaff i wielu innych. Powstały dziesiątki mniej lub bardziej udanych konstrukcji i liczne patenty. Była to w pewnym sensie prosta droga do konstrukcji maszyn elektrycznych (w szczególności silników). Rozwój silników i dynamomaszyn (początkowo wyłącznie prądu stałego) odbywał się w pewnym sensie jako współzależny. Różnice występowały tylko w okresie pierwszych konstrukcji silników, gdy zbyt dosłownie przenoszono zasady stosowanej wcześniej maszyny parowej (liniowy ruch rdzenia elektromagnesu przetworzono z zastosowaniem korbowodu na ruch obrotowy) .

W historii zastosowań jedną z pierwszych jest relacja o silniku elektrycznym skonstruowanym przez Borisa Hermana Jacobiego (1834). Urządzenie to posłużyło do napędu łodzi.

Przykładem bezpośredniego skopiowania zasad tłokowej maszyny parowej był silnik Charlsa Graftona.Page'a; w urządzeniu tym wyraźnie widoczne jest wykorbienie wału, koło zamachowe i dwa elektromagnesy (zamiast cylindrów parowych). Wykorzystanie podobnych zasad widoczne jest również w późniejszym silniku Sorena Hjortha z Danii, który to uzyskał nagrodę na wielkiej wystawie w Londynie (1851).

Silniki elektryczne zasilane z baterii ogniw galwanicznych (od roku 1841 z ogniw Bunsena, Daniella i Grove’a) nie mogły być w żadnym przypadku ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do maszyn parowych. Wspólną cechą ówczesnych konstrukcji było absolutne niedocenienie istnienia obwodu magnetycznego, stąd też wynikał szereg istotnych mankamentów tworzonych konstrukcji. Zamknięcie obwodu magnetycznego (konstrukcji z żelaza), zastosowane w latach późniejszych, rozwiązało część problemów, ale prowadziło do znacznego zwiększenia ciężaru maszyn.

W dziejach budowy elektromechanicznych źródeł energii elektrycznej pierwszą udaną konstrukcję zrealizował mechanik francuski Hippolyte Pixii (1832). Innego rodzaju nieco późniejsza (1833) konstrukcja zrealizowana została przez Wiliama Ritchie’ego. Wśród konstrukcji mniej więcej udanych należy wyróżnić dynamomaszynę  budowaną przez Societe L’Alliance w seryjnych egzemplarzach (1860-1870). Przykładem zastosowania tego typu maszyn było zasilanie lamp łukowych w latarni morskiej La Hague (1864). Jednym z ważnych w rozwoju maszyn elektrycznych ulepszeń było wprowadzenie przez Wernera Siemensa wirnika o kształcie podwójnego T do uzwojenia. 

Tego typu konstrukcja stała się później elementem standardowym w maszynach elektrycznych innych konstruktorów. Kolejnym krokiem usuwającym jeden z zasadniczych mankamentów wynikających z niewielkiego natężenia pola magnetycznego naturalnych magnesów (które to natężenie z upływem czasu eksploatacji zmniejszało się z racji tak zwanego odmagnesowania) było zastosowanie elektromagnesów. W pierwszych projektach były to jeszcze maszyny dwuczłonowe; składały się z części magnetoelektrycznej (magnes stały) służącej do zasilania elektromagnesu części zasadniczej. W krótkim odstępie czasu (1866.) Werner von Siemens wykorzystał odkryte przez siebie zjawisko samowzbudzenia i zrealizował maszynę w pełni elektromagnetyczną, czyli tak zwaną dynamomaszynę. Ta koncepcja konstrukcji w połączeniu z komutatorem opracowanym przez Zėnobe'a Thėophila Gramma stworzyła nowy, wzorcowy i racjonalny typ maszyny. Oczywiście, obok rozwiązań maszyn z własnym „wzbudzeniem” produkowane były prądnice z wzbudzeniem (elektromagnesu) obcym (z dodatkowego źródła prądu stałego).

Rozwijająca się konstrukcja maszyn wytwarzających energię elektryczną wymuszała rozwój w dziedzinie pomiarów elektrycznych, a w szczególności w zakresie opracowania układu jednostek służących na przykład do oceny wielkości, prądu, różnicy potencjałów, oporności materiałów. Na tworzenie systemów elektrostatycznych i elektromagnetycznych decydujący wpływ mieli Eduard Wilhelm Weber oraz Carl  Friedrich Gauss.

Fakt, że silnik może pracować jako prądnica i odwrotnie, został stwierdzony dość przypadkowo przez Hippolite'a Fontaine’a w 1872 roku.

Dalszy postęp techniczny w budowie maszyn zapewniła nowa koncepcja wirnika przedstawiona w Niemczech przez Friedricha Hefnera-Altenecka (1873). Tego typu maszyny o mocy do 4 kW osiągały wysoką sprawność rzędu 75%. Kolejnym etapem rozwoju (wynikającym z komercjalizacji energii elektrycznej zastosowanej do celów oświetlenia), wymagającym budowy źródeł energii elektrycznej dużej mocy, były prądnice budowane w USA przez Thomasa Alvę Edisona (który był pionierem zastosowania oświetlenia elektrycznego). Moc prądnicy Edisona zbudowanej dla dzielnicowej elektrowni w Nowym Yorku (1881) wynosiła 85 kW. Osiągnięcie tak dużej mocy możliwe było dzięki postępowi technicznemu (szczególnie po roku 1884, kiedy to wprowadzono bieguny komutacyjne i specjalne uzwojenie kompensacyjne znacznie eliminujące iskrzenie styku na komutatorze). Ze wzrostem mocy znamionowej maszyn wyraźnie zaznaczył się problem odprowadzenia ciepła powstającego w częściach żelaznych i miedzianych maszyny (wprowadzono kanały powietrzne w wirniku, łopatki wentylatora). W tym okresie zasadniczy wpływ na konstrukcję maszyn miały opracowania teoretyczne dotyczące obwodu magnetycznego. Gisbert Kapp w latach 1882-1883 opracował system pojęć służących do racjonalnego projektowania konstrukcji maszyn.

Dzięki teorii Gisberta Kappa skorygowano zasadnicze błędy konstrukcyjne maszyn Edisona-Hopkinsa (bardzo wysokie kolumny elektromagnesów) oraz maszyn Siemensa (niesymetryczny główny obwód magnetyczny). Należy dodać, że znaczny wpływ na konstrukcję maszyn elektrycznych (prądnic) miało wprowadzenie zamiast wolnobieżnych tłokowych maszyn parowych, szybkobieżnych turbin parowych (1884) wynalezionych przez Charlesa Algernona Parsonsa

Rosnące możliwości zastosowania energii elektrycznej spowodowały wzrost zapotrzebowania na nią, a opłacalność ekonomiczną zapewniały nowe konstrukcje i wynalazki.

[W polarnej wyprawie Fridtjōfa Nansena (1893-1895) żaglowiec "Fram" był wyposażony w generator prądu stałego i baterię akumulatorów. Na statku było zainstalowanych 16 lamp żarowych i jedna lampa łukowa, o które dbał elektryk Bernhard Nordhal. Napęd generatora dostosowano do silnika spalinowego oraz do wiatraka umożliwiającego maksymalne wykorzystanie energii wiatru. Elektryczne oświetlenie  w znacznym stopniu poprawiło komfort załogi podczas długotrwałej ryzykownej wyprawy w warunkach polarnych. Elektryczność (z sześciu posiadanych ogniw Leclanchégo połączonych izolowanym przewodem) wykorzystano do zdalnego odpalania ładunku wybuchowego niszczącego zwały lodu, które uwięziły statek. Dzięki temu zlikwidowano zagrożenie jego zniszczenia].

W Niemczech, kraju ludzi szczególnie zainteresowanych rozwojem elektryki, uruchomiona została 15.08.1885 r. pierwsza „ogólnie” dostępna elektrownia. Był to zakład zbudowany w Berlinie (Markgrafenstr. 44) mający sześć maszyn parowych, każda o mocy 150 kM. Energię elektryczną (do celów oświetlenia między innymi Opery i Reichsbanku) produkowaną przez 12 dynamomaszyn (prądu stałego) rozdzielano w systemie dwuprzewodowym przy napięciu 100 V . Nieco wcześniej zbudowano też w centrum Berlina elektrownię o mocy 100 kW, (na rogu Friderichstr. i Unter den Linden). Energia elektryczna stała się konkurencyjna (w stosunku do gazu świetlnego) najpierw w dziedzinie oświetlenia. Pierwszym źródłem światła elektrycznego była lampa łukowa. Jednak znaczny koszt tych lamp oraz niebezpieczeństwo pożaru nie sprzyjały ich powszechnemu (w mieszkaniach) zastosowaniu. Znaczny postęp w tej dziedzinie miał miejsce dzięki wynalazkowi Pawła N. Jabłoczkowa tak zwanej „świecy”, w której spalanie elektrod nie wymagało żadnej regulacji. Eksploatacja urządzenia sprowadzała się do wymiany elektrod. „Świeca” elektryczna wymagała do zasilania prądu przemiennego, stąd też rosnące zainteresowanie źródłami energii elektrycznej prądu przemiennego. Idea oparta na „świecy Jabłoczkowa” nie była trwała, w dość krótkim czasie zastąpiła ją żarówka próżniowa. Rozpowszechnianie zastosowania żarówek zawdzięczamy Thomasowi A. Edisonowi, który nieznacznie zmieniając ich konstrukcje rozpoczął na wielką skalę produkcję.

[Powszechność systemu oświetlenia elektrycznego uzasadnia konieczność rozszerzenia relacji historycznej. Historia nie zaczyna się od wynalazku żarówki elektrycznej przez T.A. Edisona, jak się powszechnie uważa. Były dwa odrębne sposoby zastosowania elektryczności do oświetlenia: lampy żarowe i lampy wykorzystujące palący się łuk elektryczny. Odkrycia łuku elektrycznego dokonał Humphry Davy podczas eksperymentów z baterią galwaniczną Williama H. Pepysa w roku 1808. W Rosji analogiczne doświadczenia prowadził profesor Bazyli Pietrow. Łuk elektryczny do oświetlenia zastosował Jean Bernard L. Foucault (1849), z kolei do znaczącego udoskonalenia automatyzacji przyczynił się Friedrich Hefner von Alteneck. W drugiej połowie XIX wieku opatentowano wiele rozwiązań technicznych lamp łukowych (na przykład Kriżik), dość kłopotliwych w eksploatacji. Znaczący postęp wprowadził Paweł N. Jabłoczkow (konstrukcja świecy elektrycznej). Obserwacje drutu rozżarzonego prądem z baterii (1801) prowadził Louis Jacques Thenard, a pierwsze doświadczenie z żarzeniem drutu platynowego w bance uszczelnionej wodą - William R. Grove. Dalsze próby to udoskonalenie formy żarówki, zastosowanie spirali przez Fredricka de Noleyna, doświadczenie Heinricha Göbela (prymitywne lampy żarowe, w firmie w New Yorku w 1854 roku). Włókno węglowe zastosowali William E. Sawyer i Alban Man (8 października 1878) w firmie Elektro Dynamic Light Company. Tydzień później (17 października 1878 roku) Thomas A. Edison utworzył firmę Edison Electric Light Company. W Newcastle podobna firmę założył Joseph W. Swan. W Rosji sukces w konstrukcji lamp osiągnął Aleksander Nikołajewicz Łodygin. Wielki sukces Edisona to 45 godzin żarzenia lampy (21 październik 1879). Zasadnicze udoskonalenie lamy wprowadził w 1881 roku Hiram Stevens Maxim. Sukces W. Swana to oświetlenie Sawoy Theatre w Londynie (10 października 1881). Zastosowano łącznie 1158 żarówek (824 na scenie). 14 września 1882 roku otwarto w Nowym Jorku na Perl Street elektrownię Edisona zbudowana dla celów oświetlenia z możliwością zasilania 32 000 żarówek. Żarnik z metalu osmium wprowadził Carl Auer von Welsbach (1902), co zwiększyło trwałość żarówek do 6000 godzin. Włókno żarnika z wolframu (1904) to dzieło wyżej wymienionego powstałe we współpracy z Wernerem von Boltonem. Lampy rtęciowe to efekt pracy R. Kocha i T. Retschinsky'ego. Lampy halogenowe były dostępne w handlu od 1961 roku].

4. Rozwój elektroenergetyki 

Dziesięć lat (1880–1890) to okres szczególnie szybkiego rozwoju elektroenergetyki. Zasadniczym problemem było wtedy przeniesienie wytwarzanej mocy elektrycznej do odbiorników położonych w większej odległości od lokalnej elektrowni. Ograniczało to w sposób naturalny moc elektrowni, a również nie przyspieszało rozwoju przemysłu. Tanią energię z naturalnych źródeł trzeba było przenieść do odległych zwykle ośrodków miejskich i przemysłowych. Wysiłki, aby powiększyć obszar zasilania odbiorów z jednej elektrowni, w sposób naturalny napotkały barierę ekonomiczną i techniczną. Nie można było zmienić napięcia zasilania odbiorników, np. 110 V, a więc przy coraz dłuższej linii zasilającej należało stosować coraz to większe przekroje kabli, co stawało się nieuzasadnione ekonomicznie. Kolejne rozwiązania wprowadzenia systemu trój - i później pięcioprzewodowego oraz zapomnianej dzisiaj całkowicie koncepcji szeregowo włączonych (w magistrali) maszyn regulacyjnych (Fernleitungsdynamo według Guilleaume'a Lahmeyera ) rozszerzały tylko granice obszaru zasilania odbiorów w systemie prądu stałego.

Dlatego też wielkim, „epokowym wydarzeniem” było doświadczenie Marcela Dépreza przedstawione podczas krajowej wystawy elektrotechnicznej (1882). Zademonstrowano przesył energii elektrycznej na dużą odległość, w danym przypadku z małej elektrowni w kopalni węgla w Miesbach na teren wystawy w odległym o 57 km Monachium. Niestety, eksperyment nie był udany - uzyskano sprawność rzędu 22%, przesyłając do odbiorcy moc około 400 W.

W następnych latach M. Deprez kontynuował doświadczenia przesyłu energii elektrycznej prądem stałym na znaczną odległość. Wyniki realizowanych doświadczeń były bez porównania znacznie korzystniejsze. I tak w połączeniu na odległość 14 km (Grenoble − Vizelle, rok 1883) uzyskał sprawność maszyn 62%, a samej linii 84% przy przesyłaniu mocy 5 kW i zastosowanym napięciu 3 kV. Ważnym osiągnięciem była instalacja linii Creil – Paryż (56 km) zrealizowana w 1885 r. Przesyłano moc rzędu 38 kW przy napięciu 6 kV i sprawności linii 84%.

Ograniczenia związane z produkcją i przenoszeniem energii elektrycznej w systemie prądu stałego, konieczność dopasowania napięcia maszyn do napięcia odbiorników − nie pozostawały bez wpływu na zainteresowanie wykorzystaniem prądu przemiennego.  Bezpośrednio z zastosowaniem prądu przemiennego powiązana jest konstrukcja urządzenia (nazwanego później transformatorem), które to zadecydowało w znacznym stopniu o zahamowaniu rozwijającej się elektroenergetyki prądu stałego. Za pierwowzór transformatora uważa się konstrukcje Heinricha Daniela Rühmkorfa, które to posiadały obwód magnetyczny otwarty. Pierwszy (o współczesnych cechach) transformator przedstawili w 1883 roku Lucien Gaulard i John Dixon Gibbs jako „generator wtórny” podczas elektrotechnicznej wystawy w Londynie. „Generator wtórny”, zasilany na jednym uzwojeniu, miał drugie uzwojenie dopasowane do napięcia zasilania odbiorników – żarówek. Tego rodzaju zasilanie (prądem przemiennym) zrealizowano na czterech stacjach londyńskiego metra; sprawność urządzeń była bardzo wysoka; przy maksymalnym obciążeniu wynosiła 89%.

Transformator o współczesnych parametrach (uzwojenia włączone równolegle w stosunku do źródła i do odbiorników) wprowadzili Max Deri, Otto Tytus Blathy i Carl Zipernowsky, konstruktorzy firmy Ganz w Budapeszcie w roku 1884. Wprowadzenie transformatora stało się elementem przełomowym w rozwoju elektroenergetyki. Transformator, w zależności od konstrukcji, mógł podwyższać wielokrotnie napięcie w celach przesłania mocy elektrycznej przy niewielkim prądzie, a więc i małych stratach, a na krańcach odbiorczych obniżał napięcie do poziomu wymaganego przez odbiorców, na przykład 110 V. Przełamano zasadniczą barierę związaną z ekonomicznym (przy małych stratach) zasilaniem energią elektryczną odległych odbiorców. Realna stała się budowa elektrowni o dużej mocy, o większej sprawności i mniejszych kosztach energii dostarczanej do odbiorców.

Prąd przemienny, początkowo nie wszędzie aprobowany, zdobywał coraz większe uznanie; szczególnie po teoretycznym poznaniu właściwości wirującego pola magnetycznego, do czego przyczynił się szczególnie Gallileo Ferraris. W budowanych konstrukcjach maszyn prądu przemiennego znaczne osiągnięcia miał utalentowany wynalazca Nikola Tesla (w pewnym sensie twórca systemu prądu 2-fazowego, szczególnie propagowanego w USA). Naukowe rozważania teoretyków (nie zawsze trafne) i jednakowe rozwiązania konstruktorów do powstania na przełomie lat 90 XIX w. nowego etapu w rozwoju elektroenergetyki. Było to przejście na system prądu przemiennego trójfazowego, co ostatecznie zadecydowało o zmierzchu energetyki opartej na prądzie stałym. W ramach tego procesu trzeba wymienić rozwiązania konstrukcyjne maszyn elektrycznych, których działanie oparto na wykorzystaniu właściwości wirującego pola magnetycznego. Na początku były to konstrukcje G. Ferrarisa (do badań nad wirującym polem magnetycznym), później generatory, czyli maszyny do wytwarzania prądu przemiennego według pomysłów Z. Gramma, F. Hefnera-Altenecka (bez rdzenia żelaznego w części wirującej), a również (już opatentowana w USA) maszyna Jamesa Bradleya. W Niemczech wybitne osiągnięcia w tej dziedzinie należą do Friedricha Augusta Haselwandera (1887 r.). W Szwecji prace nad systemem trójfazowym i konstrukcją maszyn prowadził Jonas Wenström, patentując własne konstrukcje (1890). Później silniki trójfazowe produkowała firma ASEA.

Postacią pierwszoplanową w tym decydującym okresie rozwoju elektroenergetyki bezspornie pozostaje Michał Dolivo-Dobrowolski. Osiągnięcia i autorytet M. Doliwo - Dobrowolskiego w zakresie konstrukcji silników i urządzeń elektrycznych, stanowisko służbowe w AEG, dające możliwość zaangażowania znacznych środków finansowych, wreszcie możliwości firmy Oerlikon (kierowanej przez wybitnego inżyniera Charlsa E. Browna) - dawały szansę sukcesu idei systemu prądu trójfazowego. To wszystko, w połączeniu z doskonałym zrozumieniem sprawy, entuzjazmem i zdolnościami organizacyjnymi Oskara von Millera, organizatora wystawy elektroenergetycznej we Frankfurcie nad Menem (1891), przyniosło zamierzony efekt; pokazano bezsporną techniczną i ekonomiczną wyższość systemu trójfazowego nad systemem dwufazowym i systemem prądu stałego.

W końcu XIX wieku elektroenergetyka była wyjątkowo zróżnicowana, zwłaszcza w krajach, gdzie myśl techniczna miała trwałe poparcie ze strony zainteresowanego kapitału, czyli w krajach Rzeszy Niemieckiej, Anglii, Francji i oczywiście USA. Istniały (i były budowane) nowe elektrownie prądu przemiennego dwu- i trójfazowego, o różnej częstotliwości i napięciach, a również elektrownie z maszynami prądu stałego z zespołami akumulatorów (do współpracy w godzinach maksymalnego zapotrzebowania mocy). W krajach sąsiednich, opóźnionych w rozwoju, stosowano nowe, sprawdzone konstrukcje o pewnych cechach normalizacji lub też stare maszyny, zwykle prądu stałego, wycofane z eksploatacji w krajach uprzemysłowionych. . Daleko idąca różnorodność urządzeń stawała się coraz to większym hamulcem rozwoju.

Dotyczy to w szczególności jednego z podstawowych parametrów prądu przemiennego, którym jest częstotliwość. Istniejąca różnorodność mogła być traktowana jako element konkurencyjności poszczególnych producentów maszyn elektrycznych. Nie istniały (w początkowym okresie rozwoju) przepisy regulujące i normalizujące częstotliwość prądu u wytwórców, a urządzenia odbiorcze musiały być dostosowane do tej częstotliwości, która w różnych elektrowniach i miejscowościach wynosiła od 15 do 150 Hz.

Powstająca możliwość pracy równoległej elektrowni (do czego nakłaniały również względy ekonomiczne) musiała doprowadzić do wymagań ustalenia wspólnej częstotliwości. W Europie zastosowano częstotliwość 50 Hz (początkowo firmy Oerlikon, AEG, Siemens), a w USA i krajach znajdujących się pod wpływem techniki amerykańskiej - częstotliwość 60 Hz. Wybór tego zakresu częstotliwości uzasadniał (z punktu widzenia technicznego niewątpliwie trafnie) prof. Emil Kolben (1894).

Budowa nowych, dużych elektrowni nie pozostawała bez wpływu na rozwój innych gałęzi przemysłu. Z jednej strony rozwijająca się elektroenergetyka potrzebowała nowych maszyn i urządzeń na własne potrzeby, a z drugiej strony powstający przemysł wymagał większej liczby różnych maszyn do napędu i oczywiście większej ilości energii elektrycznej. W ramach przemysłu elektrotechnicznego powstawały nowe gałęzie przemysłu: sprzętu oświetleniowego, maszyn elektrycznych, przewodów i kabli, aparatów telefonicznych i innych. Nie bez znaczenia był wpływ elektryki na rozwój transportu.

[Pewnego rodzaju fenomenem było zastosowanie energii elektrycznej w transporcie indywidualnym (samochody z napędem elektrycznym zasilane z baterii akumulatorów). Rejestrowano odrębne rekordy szybkości  jazdy samochodem elektrycznym (w roku 1899 - 105,8 km/godzinę].

Dotyczy to w szczególności transportu miejskiego. Przy końcu XIX wieku setki większych miast w Europie i USA posiadały linie tramwajowe o długości przekraczającej kilkadziesiąt kilometrów. W granicach Rzeszy Niemieckiej w roku 1981 tylko trzy miasta miały kolejki elektryczne, a sześć lat później już w 56 miastach był elektryczny tramwaj.

Niewątpliwie bardzo ważnym wydarzeniem (nie tylko dla komunikacji elektrycznej) było wynalezienie "ogniw wtórnych", czyli współczesnych akumulatorów. Z tym wynalazkiem związane są osoby Gastona Raymonda Plant'ea, a również Camille'a Faure'a (1880). Fabryczną produkcję i ważne udoskonalenia wprowadziły zakłady Tudor w Niemczech Oerlikon. W tym miejscu wypada zauważyć znaczący udział w rozwoju elektryki pracującego w Niemczech przemysłowca Karola Pollaka, późniejszego profesora politechniki we Lwowie.   

Ekonomika wytwarzania energii elektrycznej narzucała koncentrację produkcji w większych elektrowniach, technika przesyłania i rozdzielania (z zastosowaniem prądu zmiennego trójfazowego) wymagała stosowania wysokiego poziomu napięć. Stąd tendencje budowy coraz to większych elektrowni, pokrywających zapotrzebowanie na energię elektryczną odbiorców na znacznych obszarach. Również ze względów ekonomicznych korzystna okazała się współpraca pobliskich elektrowni. Tak więc z upływem lat tworzyły się z małych, lokalnych, „izolowanych” elektrowni systemy regionalne, a w okresie późniejszym - systemy energetyczne o zasięgu krajowym.