Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции, преобразовывающие энергию в световое излучение. В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Источники света, наиболее часто применяемые для искусственного освещения, делят на три группы - газоразрядные лампы, лампы накаливания и светодиоды. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.

В системах производственного освещения предпочтение отдается газоразрядным лампам. Использование ламп накаливания допускается в случае невозможности или экономической нецелесообразности применения газоразрядных.

Основные характеристики источников света:

· номинальное напряжение питающей сети U, B;

· электрическая мощность W, Вт;

· световой поток Ф, лм;

· световая отдача (отношение светового потока лампы к ее мощности) лм/Вт;

· срок службы t, ч;

· Цветовая температура Tc, К.

Лампа накаливания - источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника (вольфрамовой нити). Эти приборы предназначаются для бытового, местного и специального освещения. Последние, как правило, отличаются внешним видом - цветом и формой колбы. Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания составляет около 5-10%, такая доля потребляемой электроэнергии преобразуется в видимый свет, а основная ее часть превращается в тепло. Любые лампы накаливания состоят из одинаковых основных элементов. Но их размеры, форма и размещение могут сильно отличаться, поэтому различные конструкции не похожи друг на друга и имеют разные характеристики.

Существуют лампы, колбы которых наполнены криптоном или аргоном. Криптоновые обычно имеют форму "грибка". Они меньше по размеру, но обеспечивают больший (примерно на 10%) световой поток по сравнению с аргоновыми. Лампы с шаровой колбой предназначены для светильников, служащих декоративными элементами; с колбой в форме трубки - для подсветки зеркал в стенных шкафах, ванных комнатах и т. д. Лампы накаливания имеют световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт и срок службы около 1000 часов. Они относятся к источникам света с теплой тональностью, поэтому создают погрешности при передаче сине-голубых, желтых и красных тонов. В интерьере, где требования к цветопередаче достаточно высоки, лучше использовать другие типы ламп. Также не рекомендуется применять лампы накаливания для освещения больших площадей и для создания освещенности, превышающей уровень 1000 Лк, так как при этом выделяется много тепла и помещение "перегревается".

Несмотря на эти ограничения, такие приборы все еще остаются классическим и излюбленным источникам света.

Лампы накаливания со временем теряют яркость, и происходит это по простой причине: испаряющийся с нити накаливания вольфрам осаждается в виде темного налета на внутренних стенках колбы. Современные галогенные лампы не имеют этого недостатка благодаря добавлению в газ-наполнитель галогенных элементов (йода или брома).

Лампы бывают двух форм: трубчатые - c длинной спиралью, расположенной по оси кварцевой трубки, и капсульные - с компактным телом накала.

Цоколи малогабаритных бытовых галогенных ламп могут быть резьбовыми (тип Е), которые подходят к обычным патронам, и штифтовые (тип G), которые требуют патронов другого типа.

Световая отдача галогенных ламп составляет 14-30 лм/Вт. Они относятся к источникам с теплой тональностью, но спектр их излучения ближе к спектру белого света, чем у ламп накаливания. Благодаря этому прекрасно "передаются" цвета мебели и интерьера в теплой и нейтральной гамме, а также цвет лица человека.

Применяются повсюду. Лампы, имеющие цилиндрическую или свечеобразную колбу и рассчитанные на сетевое напряжение 220В, можно использовать вместо обычных ламп накаливания. Зеркальные лампы, рассчитанные на низкое напряжение, практически незаменимы при акцентированном освещении картин, а также жилых помещений.

— разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Эти лампы значительно меньше расходуют электроэнергию, чем лампы накаливания или даже галогенные лампы, а служат намного дольше (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности эти лампы стали самыми распространенными источниками света. В странах с мягким климатом люминесцентные лампы широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах. Принцип их действия основан на свечении люминофора, нанесенного на стенки колбы. Электрическое поле между электродами лампы заставляет пары ртути выделять невидимое ультрафиолетовое излучение, а люминофор преобразует это излучение в видимый свет. Подбирая сорт люминофора, можно изменять цветовую окраску испускаемого света.

Принцип действия разрядных ламп высокого давления — свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов.

Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах — ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный — в голубой области спектра, натрий — в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40-60) и особенно натриевых ламп (Ra=20-40) оставляет желать лучшего. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света — , отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 Лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80-98, широкий диапазон цветовых температур от 3000 К до 20000К, средний срок службы около 15 000 часов. МГЛ успешно применяются в архитектурном, ландшафтном, техническом и спортивном освещении. Еще более широко применяются . На сегодняшний день это один самых экономичных источников света благодаря высокой светоотдаче (до 150 Лм/Вт), большому сроку службы и демократичной цене. Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. В Москве натриевые лампы часто из экономии используются для освещения пешеходных пространств, что не всегда уместно из-за проблем с цветопередачей.

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Специально выращенные кристаллы дают минимальное потребление электроэнергии. Великолепные характеристики светодиодов (световая отдача до 120 Лм/Вт, цветопередача Ra=80-85, срок службы до 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике.

Светодиоды применяются в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах и в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и прожекторах. Так же они применяются в качестве подсветки жидкокристаллических экранов. Последние поколения этих источников света можно встретить в архитектурном и интерьерном освещении, а так же в бытовом и коммерческом.

Преимущества:

· Высокий КПД.

· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

· Длительный срок службы.

· Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

· Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.

· Безопасность — не требуются высокие напряжения.

· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

· Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

· Недостаток - высокая цена.

· Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания.

Описание:

Сегодня на рынок активно продвигаются энергоэффективные полупроводниковые источники света - светодиоды. Однако в большом количестве осветительных приборов до сих пор широко используются лампы накаливания. Разберемся, какие вообще на сегодняшний день существуют искусственные источники света и какова их энергоэффективность, а значит, и перспектива дальнейшего использования.

Современные искусственные источники света

Д. Д. Юшков , канд. техн. наук, ученый секретарь Всероссийского светотехнического института им. С. И. Вавилова (ВНИСИ)

Сегодня на рынок активно продвигаются энергоэффективные полупроводниковые источники света – светодиоды. Однако в большом количестве осветительных приборов до сих пор широко используются лампы накаливания. Разберемся, какие вообще на сегодняшний день существуют искусственные источники света и какова их энергоэффективность, а значит, и перспектива дальнейшего использования.

Лампы накаливания

Лампы накаливания – это тепловые источники света. На сегодняшний день эффективные лампы накаливания – это галогенные лампы, в которых используется буферный газ в виде паров галогенов. Пары галогена в колбе лампы позволяют увеличить ее ресурс до 2 тыс. ч и более и повысить световую отдачу до 20–24 лм/Вт 1 .

Предпринимались неоднократные попытки повысить эффективность ламп накаливания, например создать лампу накаливания, в которой часть длинноволнового ИК-излучения преобразовывалась бы в более коротковолновое видимое излучение с помощью так называемых антистоксовых люминофоров 2 .

Кроме того, предлагались интерференционные покрытия на колбу лампы, которые возвращают тепловую энергию на нить накаливания, подогревая ее. Таким образом, для нагрева нити требуется меньше электрической энергии.

Сейчас пытаются использовать в лампах накаливания новые технологии, в том числе нанотехнологии, которые позволяют эффективно выделить из теплового излучения лампы видимый диапазон, который воспринимается человеческим глазом. Применение таких технологий позволяет уменьшить тепловые потери и, соответственно, повысить эффективность лампы накаливания. Специалисты говорят о трехкратном повышении световой отдачи.

Если удастся создать лампу со световой отдачей более 60 лм/Вт при тех же достоинствах, которыми отличаются современные лампы накаливания: спектр излучения, привычный для человека, отсутствие пульсаций и приемлемая стоимость,– это будет хороший и эффективный источник света. «Хоронить» лампу накаливания неэтично, неправильно.

Разрядные источники света

Лампы с электродами

Разрядные источники света делятся на две большие группы. Это лампы высокого давления и лампы низкого давления. Обычно они имеют два электрода для введения энергии в разряд, а для включения их в сеть требуется пускорегулирующий аппарат.

Лампы низкого давления наиболее широко представлены трубчатыми люминесцентными лампами различной объемной конфигурации. Это могут быть линейные лампы или сложно изогнутые конструкции. Принцип их действия таков: электрический разряд в насыщенных парах ртути с инертным газом создает ультрафиолетовое излучение, которое трансформируется люминофором в свет видимого диапазона. Световая отдача люминесцентных ламп от 60 до 115 лм/Вт.

В лампах высокого давления используются разные виды заполнения колбы. Например, в металлогалогенных лампах (МГЛ) это смесь паров ртути, инертных газов и галогенидов металлов, состав которых и определяет спектр лампы. Наиболее высокими параметрами обладают лампы с керамическими горелками, их световая отдача превышает 100 лм/Вт при хорошей цветопередаче. В натриевых лампах, главными областями применения которых являются освещение дорог и растениеводство, используется амальгама натрия. Световая отдача превышает 130 лм/Вт, и на сегодня это самое высокое значение среди разрядных ламп.

Безэлектродные лампы

Наряду с упомянутыми выше разрядными лампами, в последнее время расширяется класс безэлектродных ламп. Необходимо сразу пояснить: безэлектродность – это просто другой способ ввода электрической энергии в объем разрядной колбы ламп. Соответственно, существуют безэлектродные лампы как низкого, так и высокого давления. Главным преимуществом этих ламп является отсутствие вакуумноплотных вводов в колбу, распыления электродов при работе, и особенно при зажигании, и, как следствие, больший срок службы по сравнению с аналогичными электродными лампами.

Для передачи мощности в объем разрядной колбы в лампах высокого давления используются более высокие частоты, низкого давления – переменное напряжение более низких частот. Это связано как со свойствами электромагнитного поля, так и с условиями, которые нужно создать в разрядной колбе. Низкая частота в данном случае – это десятки и сотни килогерц, вплоть до 10 МГц. Для ламп высокого давления эта цифра достигает порядка 1000 МГц. Это частоты сантиметрового СВЧ-диапазона, то есть длина волны соизмерима с размером разрядной колбы.

Люминесцентные безэлектродные лампы состоят из колбы тороидальной или подобной ей замкнутой формы, разряд в которой представляет собой вторичный виток высокочастотного трансформатора – индуктора (иногда их называют индукционными лампами). Существуют лампы, имеющие шарообразную колбу 3 , принцип их действия такой же. На колбу лампы нанесен люминофор, наполнение вполне традиционное – ртуть или ее амальгама с инертным газом. Частота питания «низкая», световая отдача более 80 лм/Вт при сроке службы выше 35 тыс. часов.

Плазменные лампы имеются двух типов. Один из них – «высокочастотная» безэлектродная МГЛ с кварцевой колбой, ее мощность до 250 Вт. Это компактная полупроводниковая СВЧ-техника, ее световая отдача до 130 лм/Вт. Срок службы таких ламп может составлять свыше 20 тыс.ч.

Ко второму типу относятся плазменные лампы, имеющие спектр излучения, близкий к солнечному. Мощность ламп от 500 Вт до нескольких киловатт. Применяются они, как правило, для освещения больших пространств. СВЧ-излучение большой мощности генерируют магнетроны. Ресурс магнетронного генератора определяет срок службы этой системы; один из производителей указывает значение 10 тыс. ч 4 .

Потенциал срока службы безэлектродных ламп во многом определяется ресурсом радиоэлектронных компонентов.

Светодиоды

Один из самых перспективных и динамично развивающихся сейчас источников искусственного света – это светодиоды, полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающие оптическое излучение при пропускании через них тока в прямом направлении. Быстрое развитие и применение светодиодов для освещения началось с конца 1990-х годов, после разработки относительно дешевых синих светодиодов. Сочетание таких светодиодов с люминофором позволило создать компактный белый источник света. Главные их достоинства – высокая эффективность и механическая прочность, длительный срок службы. Световая отдача коммерческих изделий достигает 130 лм/Вт при сроке службы более 30 тыс.ч. С применением светодиодов созданы конструкции ламп-ретрофитов, повторяющих по внешнему виду лампы накаливания и предназначенных для их прямой замены в диапазоне мощности 5 до 75 Вт.

Основные области применение светодиодной техники – это наружное и архитектурное освещение, административные здания и крупные предприятия. Сегодня главным ограничивающим фактором более широкого применения полупроводниковых источников света является их высокая стоимость.

1 Каталог. Источники света 2013-2014. Osram.

2 Согласно эмпирическому правилу Стокса - Ломмеля, длина волны фотолюминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света. Однако существуют так называемые антистоксовые люминофоры, излучающие более коротковолновое излучение, чем падающее. С помощью антистоксовых люминофоров можно преобразовывать инфракрасное излучение в видимый свет.

3 Каталог. Источники света. Philips.

4 Каталог. GE Electronics. Группа светотехники.

5 Каталоги: Источники света 2013-2014. Osram и Источники света. Philips.

В качестве источников искусственного освещения применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.

В лампах накаливания источником света является раскаленная вольфрамовая проволока. Эти лампы дают непрерывный спектр излучения с повышенной (по сравнению с естественным светом) интенсивностью в желто-красной области спектра. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные, газонаполненные, бесспиральные (галогенные).

Общим недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы (менее 2000 часов), сильное отличие спектрального состава излучения от естественного (нарушается правильная цветопередача) и малая световая отдача y (отношение создаваемого лампой светового потока к потребляемой электрической мощности) (y = 8-20 лм/Вт, при идеальных условиях 1 Вт соответствует 683 лм). В промышленности они находят применение для организации местного освещения.

Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления.

Газоразрядные лампы низкого давления, называемые люминесцентными , содержат стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, наполненную дозированным количеством паров металлов (натрия, ртути 30 - 80 мг), галогенов (йод, фтор) и смесью инертных газов под давлением около 400 Па. На противоположных концах внутри трубки размещаются электроды, между которыми, при включении лампы в сеть, возникает газовый разряд, сопровождающийся излучением преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Это излучение, в свою очередь, преобразуется люминофором в видимое световое излучение. В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью.

В последние годы появились газоразрядные лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки кГц) за счет чего обеспечивается очень высокая светоотдача.

К газоразрядным лампам высокого давления (0,03-0,08 МПа) относят дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ), по форме напоминающие вытянутые лампы накаливания. В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра.

Основными достоинствами газоразрядных ламп является их долговечность (свыше 10 000 часов: до 20 000 часов), экономичность, малая себестоимость изготовления, благоприятный спектр излучения (близкий к солнечному спектру), обеспечивающий высокое качество цветопередачи, низкая температура поверхности. Светоотдача y этих ламп колеблется в пределах от 30 до 105 лм/Вт (ДРЛ – до 65 лм/Вт, люминесцентные – до 90 лм/Вт, ксеноновые и натриевые – 110…200 лм/Вт), что в несколько раз превышает светоотдачу ламп накаливания.

К недостаткам этих ламп следует отнести наличие вредных веществ при их разгерметизации, радиопомехи, сложную и дорогостоящую пускорегулирующую арматуру, громоздкость и невозможность быстрого вторичного включения лампы при кратковременном отключении, а также длительность выхода отдельных типов ламп на номинальный режим (ДРЛ – до 3…5 мин). Существенным и наверное основным недостатком ГРЛ является пульсация светового потока.

1.4. НОРМИРОВАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Наименьшая освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях устанавливается в зависимости от характеристики зрительной работы и регламентируется строительными нормами и правилами СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».

Характеристика зрительной работы определяется минимальным размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и свойствами фона.

Объект различения - рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, который следует контролировать в процессе работы.

Фон - поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается:

светлым при коэффициенте отражения r светового потока поверхностью более 0,4; средне светлым при коэффициенте отражения от 0,2 до 0,4; темным при коэффициенте отражения менее 0,2.

Контраст объекта различения с фоном (К) определяется отношением абсолютной величины разности яркостей объекта В О и фона В Ф к наибольшей их этих двух яркостей. Контраст считается большим при значении К более 0,5; средним - при значениях К от 0,2 до 0,5; малым - при значениях К менее 0,2.

В соответствии со СНиП 23-05-95 все зрительные работы делятся на 8 разрядов в зависимости от размера объекта различения и условий зрительной работы. Допустимые значения наименьшей освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях в соответствии со СНиП 23.05-95 приведены в приложении 1. (В зарубежных нормах размер объекта различения часто указывают в угловых минутах).

Кроме цветности источников света и цветовой отделки интерьера, влияющих на субъективную оценку освещения, важным параметром, характеризующим качество освещения, является коэффициент пульсации Кп:

К п = [(Е max - E min)/2Eср]*100% , (4)

где: E max - максимальное значение пульсирующей освещенности на рабочей поверхности; Е min - минимальное значение пульсирующей освещенности; Е ср - среднее значение освещенности за период колебаний.

Для газоразрядных ламп К п » 25...65 %, для обычных ламп накаливания К п » 7 %, для галогенных ламп накаливания К п » 1 %.

Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появления стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект - кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками), то сектор будет казаться: неподвижным при частоте f всп = f вращ, медленно вращающимся в обратную сторону при f всп > f вращ медленно вращающимся в ту же сторону при f всп < f вращ, где f всп и f вращ соответственно частоты вспышек и вращения диска. Пульсации освещенности на вращающихся объектах могут вызывать видимость их неподвижности, что в свою очередь, может явиться причиной травматизма.

Значение К п меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для люминесцентных ламп). Малое значение К п для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока F лн ламп в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через 0 (Рис.1). В то же время газоразрядные лампы обладают малой инерцией и меняют свой сетевой поток F лл почти пропорционально амплитуде сетевого напряжения (рис.1).

Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности К п люминесцентные лампы включаются в разные фазы трехфазной электрической сети. Это хорошо поясняет нижняя кривая на рис.1а, где показан характер изменения во времени светового потока (и связанной с ним освещенности), создаваемого тремя люминесцентными лампами 3F лл включенными в три различные фазы сети. В последнем случае за счет сдвига фаз на 1/3 периода провалы в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, так что пульсации суммарного светового потока существенно уменьшаются. При этом среднее значение освещенности, создаваемой лампой, остается неизменным и не зависит от способа их включения.

В соответствии со СНиП 23-05-95 коэффициент пульсации освещенности К п нормируется в зависимости от разряда зрительных работ с сочетании с показателем ослепленности Р:

P = (s - 1)*10 3 , (5)

где s - коэффициент ослепленности, определяемый как:

s = (DBпор) s / DВпор, (6)

где DВпор - пороговая разность яркости объекта и фона при обнаружении объекта на фоне равномерной яркости, (DBпор) s - то же при наличии в поле зрения блёского (яркого) источника света.

На освещенность рабочих поверхностей в производственном помещении влияют отражение и поглощение света стенами, потолком и другими поверхностями, расстояние от светильника до рабочей поверхности, состояние излучающей поверхности светильника, наличие рассеивателя света и т.д. Вследствие этого полезно используется лишь часть светового потока, излучаемого источником света.

Свет (с латинского языка lucis) или видимый свет представляет собой часть спектра электромагнитного излучения, которое воспринимается человеческим глазом. Элементарной единицей света является фотон. Элементарные частицы обладают определенной длинной волны, зависящей от источника света, который их породил. Фотон подчиняется законам квантовой механики и в разных физических условиях может проявлять себя либо как частица, либо как волна.

Историческая эволюция приборов для освещения

Первые источники видимого электромагнитного излучения, которые использовало человечество для своих нужд, были основаны на сжигании горючего топлива растительного (дерево) или животного происхождения (сало и жир).

Древние греки и римляне впервые стали использовать глиняные и бронзовые сосуды, в которые помещали горючие вещества. Эти сосуды стали прародителями современных ламп.

В конце XVIII века швейцарский химик Аргант изобрел лампу с фитилем, в которой в качестве топлива использовался керосин. В конце XIX века Эдисон запатентовал электрическую лампу накаливания. После этого изобретения и благодаря быстрой динамике развития индустрии, начинает появляться множество других электрических источников излучения.

Физика источников света

Спектр излучения, который видит глаз человека, лежит в приделах длин волн фотонов от 400 нм до 700 нм. Источником света является физический процесс, который происходит в атоме вещества. Атом в результате какого-либо действия может получить энергию извне, часть этой энергии он передает своей электронной подсистеме.

Энергетические уровни электрона в атоме являются дискретными, то есть каждому из этих уровней соответствует конкретная величина. Благодаря полученной извне энергии некоторые электроны атома могут перейти на энергетические уровни более высокого порядка, в этом случае можно говорить о возбужденном электронном состоянии. В этом состоянии электроны оказываются неустойчивыми и снова переходят на уровни с меньшей энергией. Этот процесс сопровождается излучением фотонов, которое и является светом, который мы воспринимаем.

Термическое излучение

Процесс термического излучения представляет собой физический процесс, при котором электронная подсистема возбуждается за счет передачи ей кинетической энергии от ядер атомов. Если какой-либо объект, например металлическую пластину, подвергнуть нагреву до высоких температур, то он начнет светиться. Сначала видимый свет будет иметь красный цвет, поскольку эта часть видимого спектра является наименее энергетической. При увеличении температуры металла он станет излучать бело-желтый свет.

Отметим, что при нагреве металла он сначала начинает испускать инфракрасные лучи, которые человек не способен видеть, но ощущает их в виде тепла.

Люминесцентное излучение

Этот тип излучения возникает без предварительного нагрева тела и состоит из двух последовательных физических процессов:

1. Поглощение электронной подсистемой энергии и переход этой подсистемы в возбужденное энергетическое состояние.
2. Излучение в световом диапазоне, связанное с возвращением электронной подсистемы в основное энергетическое состояние.

Если оба этапа происходят во временном интервале в несколько секунд, то процесс называется флуоресценцией, например, излучение экрана телевизора после его выключения является флуоресцентным. Если же оба этапа процесса излучения происходят в течение несколько часов и дольше, то такое излучение называется фосфоресценцией, например, светящиеся часы в темной комнате.

Классификация световых источников

Все источники видимого для человеческого глаза электромагнитного излучения в зависимости от его происхождения можно разделить на две большие группы:

1. Естественные источники. Они излучают электромагнитные волны благодаря естественным физическим и химическим процессам, например естественными источниками света являются звезды, светлячки и другие. Они могут быть объектами как живой, так и неживой природы.
2. Искусственные источники света. Они обязаны своим происхождением человеку, так как являются его изобретением.

Искусственные приборы видимого электромагнитного излучения

В свою очередь, искусственные источники бывают следующих типов:

• Лампы накаливания. Они излучают свет благодаря разогреву металлической нити накаливания до температуры нескольких тысяч градусов. Сама нить накаливания находится в герметичном стеклянном сосуде, который заполнен инертным газом, предотвращающим процесс окисления нити.
• Галогеновые лампы. Представляют собой новую эволюционную ступень ламп накаливания, в которых к инертному газу, в котором находится металлическая нить накаливания, добавляется галогеновый газ, например, йод или бром. Этот газ вступает в химическое равновесие с металлом нити, которым является вольфрам, и позволяет продлить срок службы лампы. Вместо стеклянного корпуса в галогеновых лампах используют кварц, который выдерживает более высокие температуры, чем стекло.
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников света создает видимое электромагнитное излучение за счет электрических разрядов, которые возникают в смеси газов и паров металла.
• Флуоресцентные лампы. Эти электрические источники света создают излучение за счет флуоресцентного покрытия внутренней стороны корпуса лампы, которое возбуждается за счет ультрафиолетового излучения электрического разряда.
• Источники LED (от англ. Light Emitting Diode). Этот вид источников света представляет собой диодные источники электромагнитного излучения. Они отличаются простотой устройства и долгим сроком действия. Также их преимуществами перед другими электрическими источниками света является низкая потребляемая мощность и практически полное отсутствие теплового излучения.

Прямое и непрямое излучение

Прямыми источниками света являются приборы, природные тела и организмы, которые могут самостоятельно испускать электромагнитные волны в видимом спектре. К прямым источникам относятся звезды, температура которых достигает десятков и сотен тысяч градусов, огонь, лампа накаливания, а также современные приборы, например, плазменный телевизор или жидкокристаллический монитор компьютера, который производит излучение, индуцированное микро электрическим разрядом.

Другим примером прямых естественных источников света являются животные, которые обладают биолюминесценцией. Излучение в этом случае возникает как результат химических процессов, происходящих в организме существ. К ним относятся светлячки и некоторые жители морских глубин.

Непрямые источники света представляют собой тела, которые не излучают самостоятельно свет, но способны его отражать. При этом отражающая способность каждого тела зависит от его химического состава и физического состояния. Непрямые источники святятся только благодаря тому, что находятся под влиянием электромагнитного излучения прямых источников. Если непрямой источник не аккумулирует световую энергию, то при прекращении воздействия света на него он перестает быть видимым.

Примеры непрямого излучения

Традиционным примером источников света данного типа является спутник Земли - Луна. Это небесное тело отражается солнечные лучи, которые падают на нее. Благодаря процессу отражения мы можем видеть, как саму Луну, так и окружающие нас предметы ночью в лунном свете. По той же причине видны в телескоп планеты солнечной системы, а также наша планета - Земля (если смотреть на нее из космоса).

Еще одним примером объекта непрямого излучения, который отражает лучи от источника света, является сам человек. В общем, любой предмет является источником непрямого излучения за исключением черной дыры. Гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выбраться из него.

Основные характеристики приборов

Основными характеристиками источников света являются следующие:

• Световой поток. Физическая величина, которая характеризует количество света, испускаемого источником за одну секунду во всех направлениях. Единицей измерения светового потока является люмен.
• Интенсивность излучения. В некоторых случаях возникает необходимость в знании распределения светового потока вокруг его источника. Именно это распределение и описывает данная характеристика, которая измеряется в канделах.
• Освещенность. Измеряется в люксах и представляет собой отношение светового потока к освещаемой им площади. Эта характеристика важна для комфортного выполнения определенных видов работ. Например, по международным нормам освещенность на кухне должна быть около 200 люкс, а для учебы уже необходимы 500 люкс.
• Эффективность излучения. Является важной характеристикой любой электрической лампы, поскольку она описывает отношение светового потока, создаваемого данным прибором, к потребляемой им мощности. Чем больше это отношение, тем более экономичной считается лампа.
• Индекс цветопередачи. Указывает на то, насколько точно лампа воспроизводит цвета. Для ламп хорошего качества этот индекс лежит в области 100.
• Цветовая температура. Представляет собой меру "белизны" света. Так, свет с преобладающими красно-желтыми цветами считается теплым и имеет цветовую температуру меньше 3000 К, холодный свет имеет синие цвета и характеризуется цветовой температурой выше 6000 К.

Применение искусственных источников видимого излучения

Каждый искусственный источник электромагнитного излучения определенного типа используется человеком в той или иной сфере деятельности. Области применения источников света следующие:

• Лампы накаливания продолжают оставаться основными источниками освещения помещений благодаря их низкой цене и хорошему индексу цветопередачи. Однако эти лампы постепенно вытесняются галогеновыми.
• Галогеновые лампы задумывались как электроприборы, которые должны были повысить эффективность ламп накаливания, заменив их. В настоящее время они нашли свое применение в автомобилях.
• Флуоресцентные источники света применяются главным образом для освещения офисов и других служебных помещений благодаря своему разнообразию форм и излучению рассеянного и равномерного света. Эффективность излучения такого типа ламп повышается с увеличением их длины и диаметра.

Важность естественного света для здоровья человека

Для всех организмов, которые обитают на планете Земля, вращение нашей планеты и периодичность дня и ночи являются важными процессами для нормальной жизнедеятельности и протекания биологического цикла. Более того, чтобы быть здоровыми, большинство живых существ нуждаются в прямом солнечном излучении.

Если говорить о человеке, то недостаток солнечного света приводит к развитию депрессии, а также к недостатку витамина D, поскольку полученный человеком загар позволяет организму усваивать этот витамин с большей легкостью.

Результаты одного исследования продемонстрировали, что достаточное нахождение человека под прямыми солнечными лучами позволяет снизить и облегчить некоторые симптомы определенных заболеваний. В частности, связанные с депрессией проблемы полностью или частично исчезали у 20% пациентов. Естественно, что один лишь солнечный свет не является лекарством против депрессии, однако он является неотъемлемой частью комплексного лечения.

Когда мы говорим “свет”, то подразумеваем свет видимый — небольшую часть спектра электромагнитного излучения, которое человеческий способен воспринимать. Источники света — это различные предметы или природные явления (естественные и искусственные), которые излучают электромагнитное излучение видимого диапазона. Разберемся с видами источников света и их параметрами.

Общие понятия

Свет — это результат физического процесса, происходящего в атомах вещества. Атомы, получая энергию извне (нагрев, облучение), часть ее передают электронам. Электроны сначала возбуждаются, а затем начинают терять энергию, переходя на нижние энергетические уровни. Каждый переход происходит с излучением фотонов — частиц света, которые воспринимает наш глаз. Фотоны могут проявлять себя либо как волна, либо как частица.

Одной из главных характеристик электромагнитного излучения является длина волны. К видимому свету относятся излучения с длиной волны от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, то есть от красного до фиолетового света.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с или 3*10 8 см/с. Это самая большая скорость в природе для любых частиц и взаимодействий.

Первые источники видимого света, которые человек изобрел для собственных нужд, использовали разные виды горючего топлива: дерево, жир, сало. В конце XIII швейцарец Аргант изобрел лампу с фитилем, в которую в качестве топлива заливался керосин. Американец Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания в конце XIX века. И если лампа с фитилем давно превратилась в настоящий антиквариат, то лампочка накаливания до сих пор верой и правдой служит человеку.

Естественные источники света

К естественным относятся источники света, дарованные нам природой:

• Солнце;
• Луна. Правда, сама она не излучает, а только отражает солнечный свет, но это не мешает считать ее прекрасным, естественным источником света в ночное время. Кстати, из космоса наша Земля смотрится также, отражая солнечный свет;
• Звезды на ночном небосклоне;
• Метеориты, кометы, болиды;
• Полярное сияние;
• Разряды атмосферного электричества (гроза, молния);
• Объекты животного (глубоководные медузы, моллюски, планктон, лесные светлячки) и растительного миров (некоторые грибы), способные излучать свет.

Рис. 1. Примеры естественных источников света.

Искусственные источники света

Этот вид источников является результатом интеллектуальной деятельности многих поколений учений и изобретателей:

• Лампы накаливания. Они излучают свет вследствие разогрева нити накаливания из тугоплавких металлов (например, вольфрам) до температуры в несколько тысяч градусов. Нить накаливания помещена в стеклянную колбу, из которой предварительно откачивают воздух и наполняют инертным газом (гелий, неон), предотвращающим перегорание нити;
• Галогеновые лампы. Это усовершенствованный вариант ламп накаливания. В них вместе с инертным газом добавляют галогеновый газ (бром или йод). Этот прием позволяет продлить срок эксплуатации лампы. Еще вместо обычного стекла для корпуса используют толстое кварцевое, которое выдерживает более высокие температуры, чем обычное стекло;
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников создает видимое излучение за счет электрического разряда в смеси газов с добавлением паров некоторых металлов. Эти лампы чаще всего используются для уличного освещения и освещения производственных помещений. Неоновую световую рекламу изготавливают по этой технологии;
• Люминесцентные лампы. Внутренняя поверхность таких ламп покрыта специальным химическим составом, который называется люминофором. Сначала происходит электрический разряд в газе, как в обычных газоразрядных лампах. В разряде есть высокоэнергетичные фотоны ультрафиолетового диапазона, невидимые глазу. Эти фотоны возбуждают атомы и молекулы люминофора, которые излучают видимый на выходе свет. Эти лампы массово используются для освещения офисов, магазинов, производственных помещений.
• Светодиоды или LED-источники. Это самый современный, массовый полупроводниковый источник света. Излучение возникает в результате протекания электрического тока через p – n переход полупроводникового диода. Выпускаются лампочки дающие основные цвета: белый (дневной), зеленый, красный, синий, голубой. Использование этих ламп дает существенную экономию электроэнергии при эксплуатации осветительных приборов. Светодиоды имеют огромный срок службы (свыше 50000 часов) по сравнению с прочими источниками;
• Лазеры. Этот источник света для видимого диапазона в последние годы становится массовым в связи с использованием малогабаритных полупроводниковых лазеров, которые позволили создать полезные, безопасные в обращении устройства.

Рис. 2. Примеры искусственных источников света.

Примером использования современного источника света может служить лазерный нивелир, который позволяет быстро производить измерение расстояний, углов, выставлять уровни (горизонтальные, вертикальные).

Рис. 3. Лазерный нивелир.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что источники света бывают искусственные и естественные. Естественные источники существуют независимо от деятельности человека. Искусственные источники появились благодаря умственной деятельности человека, разработке новых технологий и материалов. Большой прогресс в последние годы произошел в области производства светодиодов.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 91.