Свет искусственный как естественный яркий. Естественные и искусственные источники света. Появление электрических источников света

Необходимость продолжения трудовой деятельности с наступле­нием темноты в некоторые периоды года привела к необходимости применения искусственных источников света. Практически этот вопрос был решен лишь с появлением электрических ламп накаливания, которые до сих пор остаются наиболее распространенными источниками све­та.

Лампы накаливания являются тепловыми излу­чателями. В них превращение электрической энергии в свет происходит через тепловую энер­гию в результате нагревания ни т и накала до темпэратуры свечения. Повышение температуры излучающего тела ведет к повышению светово­го коэффициента полезного действия ламп, ко­торый, однако, в современных лампах не превы­шает 3-3,5%.

Лампы накаливания имеют вольфрамовую нить спиральной или биспиральной формы Нить лам­пы помещена в вакуумную колбу или колбу, за­полненную инертным газом (смесь аргона с азо­том или криптоном) При заполнении колбы инер­тным газом замедляется испарение вещества ни­ти лампы, что дает возможность повысить температуру накала нити и продлить срок ее службы.

Температура накала нити в мощных лампах достигает 3000° К. Световая отдача современных ламп накаливания редко превышает 20 лм/вт. Лампы накаливания дают непрерывный спектр из­лучения, более богатый желтыми и красными лу­чами по сравнению со спектром естественного дневного света. Следует отметить, что световая отдача, характеризующая экономичность ламп накаливания, растет с увеличением их мощности: 40 вт/127 - 9,5 лм/вт, 100 вт/127-12,75 лм/вт.

В то же время световая отдача ламп одина­ковой мощности выше в случае более низ­кого напряжения: 100вт/127 в -12,75 лм/вт, 100 вт/220 в - 10 лм/вт.

Повышенная световая отдача ламп большой мощности и более низкого номинального напря­жения объясняется тем, что эти лампы имеют воль­фрамовую нить большего диаметра, допускаю­щую более высокую температуру нагрева по сравнению с нитью ламп малой мощности и ламп, рассчитанных на’ более высокое номинальное на­пряжение. Для освещения промышленных пред­приятий наиболее широкое применение получили лампы вакуумные (НВ), газонаполненные смесью аргона с азотом (НГ), газонаполненные биспираль- ные. Последние как более экономичные рекомен­дуется применять в первую очередь, особенно мощностью ДО 100 ВТ.

Биспиральные лампы, наполненные криптоном, отличаются меньшими размерами и несколько большей световой отдачей. Они имеют форму гриба. Криптоновые лампы, вероятно, получат довольно широкое распространение.

Зеркальные лампы имеют колбу своеобразной формы, внутренняя поверхность которой со сто­роны цоколя покрыта зеркальным слоем, осталь­ная часть колбы матирована. Целесообразно при­менять их в высоких помещениях, ширина кото­рых не превышает высоту подвеса ламп. Такие лампы могут применяться также для усиленного освещения отдельных участков помещения и для отраженного освещения в световых карнизах и люстрах. Вне здания эти лампы можно использо­вать как прожекторы ближнего действия. Срок службы ламп накаливания 800-1000 часов. Срав­нительно небольшая световая отдача наряду с преимущественным красным излучением в спек­тре и большой яркостью накаленных нитей по­служили причиной поиска более совершенных источников света. В настоящее время наиболее благоприятными с гигиенической точки зрения и более экономичными являются газоразрядные люминесцентные лампы.

При люминесценции различные виды энергии (электрическая, химическая и т,. п.) непосредствен­но превращаются в световое излучение, минуя стадию перехода в тепловое излучение.

Люминесцентные лампы представляют собой полые стеклянные трубки различной длины и ди­аметра в зависимости от мощности ламп, внутри которых имеются пары ртути. По концам трубки впаяны электроды из биспиральной вольфрамо­вой проволоки. ЛР И включении лампы ток должен вначале пройти оба электрода и разогреть их, так как для зажигания лампы необходимо, чтобы температура на электродах достигла 800-1000° С. С этой целью применяется стартер (миниатюр­ное газоразрядное реле), который автоматически замыкает цепь, а после того как электроды ра­зогреются до нужной температуры, размыкает ее.

При прохождении электрического тока пары ртути вызывают невидимое ультрафиолетовое из­лучение. Внутренняя поверхность трубки покрыта специальным веществом - люминофором, кото­рое преобразует невидимые ультрафиолетовые излучения в видимое свечение. При этом следу­ет отметить, что обычное стекло, из которого из­готовляются трубки люминесцентных ламп, прак­тически не пропускает ультрафиолетовые лучи и г следовательно, лучистый поток люминесцентных ламп не оказывает вредного действия на организм человека.

Интенсивность излучения люминесцентных ламп в области ультрафиолетовой части спектра не­значительна и ее влияние на организм работаю­щих практического значения не имеет. Подсчита­но, что для получения эритемы (покраснение ко­жи) от ультрафиолетовых лучей люминесцент­ных ламп потребуется от 100 до 2000 суток непрерывного облучения с расстояния одного метра.

В зависимости от вещества, покрывающего по­верхность трубок, можно создавать видимое из­лучение различного цвета. В СССР производится* массовый выпуск нескольких типов люминесцент­ных ламп. Лампы дневного света (ЛД и ЛДЦ) име­ют голубоватый цвет свечения. По характеру спектра (состав света) они приближаются к днев­ному свету,отличаясь от него преобладанием из­лучения сине-фиолетовой и желто-зеленой част спектра и меньшей интенсивностью в его красной части. Цветовая температура их равна 6500° К. Спектр других типов люминесцентных ламп суще­ственно отличается от спектра дневного света. Цвет свечения этих ламп имеет слегка желтова­тый оттенок. Лампы теплого белого света (ЛТБ) характеризуются излучением своеобразного ро­зовато-белого оттенка, применяются в декора- тизных целях. Лампы холодного белЬго света (ЛХБ) по спектру излучения занимают промежу­точное место между лампами ЛД и ЛБ.

Газоразрядные источники света имеют линей­чатый спектр. Однако люминесцентные лампы имеют большие преимущества как с гигиениче­ской, так и с технико-экономической точки зрения. Спектр ламп дневного света типа ЛД и ЛДЦ близ­ко подходит к спектру белого естественного све­та. Их свечение происходит со всей поверхности трубки, а следовательно, яркость их на единицу поверхности в сотни раз меньше, чем у ламп на­каливания, поэтому их слепящее действие во мно­го раз меньше. Их световая отдача в 2 т / 2 -3 раза больше по сравнению с лампами накаливания и составляет от 33 до 44 лм/вт, срок службы до 3000-5000 часов. Сейчас люминесцентные лампы широко применяются в различных отраслях про­мышленности как для общего, так и для локали­зованного освещения. Установлено, что люминес­центное освещение оказывает благоприятное об­щее действие на работающих, создает условия для более эффективной работы глаза, особенно при различении мелких деталей и различении цве­тов.

При люминесцентных источниках света меньше, чем при лампах накаливания, утомляется зрение и повышается производительность труда. Газораз­рядные люминесцентные лампы являются лам­пами низкого давления. При установленном ре­жиме давление паров ртути в лампе составляет

• 01 мм ртутного столба.

В последнее время широкое распространение получили ртутные газоразрядные лампы высоко­го давления - лампы ДРЛ. Они представляют со­бой кварцевую трубку с ртутью, рабочее давле­ние паров которой составляет 2-4 атмосферы. Трубка заключена в наружную стеклянную кол­бу, по форме близкую к лампе накаливания. Внутренняя поверхность наружной колбы покры­та тонким слоем люминофора, который дополня­ет спектр излучения в области красных лучей. По своей способности передавать цвета эти лам­пы значительно уступают не только люминесцент­ным лампам, но и лампам накаливания. Они мо­гут применяться только там, где различение цве­тов не имеет практического значения.

Лампы ДРЛ намного экономичнее ламп накали­вания, световая отдача их составляет 40-43 лм/вт. Основным достоинством этих ламп явля­ется сочетание высокой световой отдачи с боль­шим сроком службы. Сосредоточение в неболь­шом объеме значительной световой мощности позволяет при применении их в осветительных установках создавать высокие освещенности при относительно небольшом числе световых точек. Для включения ламп в сеть применяются пускоре­гулирующие аппараты (ПРА), состоящие из дрос­селя и зажигающего устройства.

Лампы ДРЛ целесообразно применять при ос­вещении помёщений высотой 6 м и более, если выполняемая в них работа не требует правильной

цветопередачи, а также при освещении улиц и открытых пространств, когда нужно обеспечить повышение освещенности. Эти лампы следует применять, например, в высоких цехах металлур­гической промышленности и т. п.

Существенным недостатком газоразрядных ламп является значительное колебание светового потока из-за малой инерции свечения люмино­фора. В результате этого при каждом изменении направления тока в электросети световой поток от одной лампы снижается до 55%. При этом ис­кажается восприятие движущихся или вращаю­щихся с соответствующей скоростью частей стан­ков. Это явление носит название стробоскопиче­ского эффекта и может явиться причиной трав­матизма. Кроме того, пульсация светового пото­ка оказывает неблагоприятное действие на цент­ральную нервную систему человека, способствует развитию утомления. Поэтому для уменьшения этого колебания светового потока лампы нужно подключать к разным фазам электросети или предусматривать в двухламповых светильниках пускорегулирующие устройства с опережающим зажиганием одной из ламп.

Современные работы в области источников света направлены на создание источников света со спектральным составом, приближающимся к естественному свету. Такими источниками в по­следнее время являются дуговые кварцевые лам­пы - ДКсТ. Колбы лампы сделаны из кварцевого стекла и наполнены ксеононом под большим дав­лением. Излучение этих ламп представляет собой сплошной спектр, состоящий из ультрафиолето­вых, видимых и инфракрасных лучей. Выделяются лишь отдельные линии в инфракрасной области. Ксеноновые лампы обладают высокой световой отдачей и обеспечивают правильную цветопере­дачу. Мощность выпускаемых ламп составляет от 1-2 до 20 000 и даже 300 000 квт. Ксеноновые лампы могут применяться для освещения произ­водственных помещений высотой более 10 м при освещенности не выше 100 лк, так как при боль­шей освещенности интенсивность ультрафиолето­вого излучения может превысить допустимую норму облученности в помещении.

Велика роль света в жизни человека. Более того, невозможно представить себе жизнь без света. Все живые организмы и растения, окружающие нас, развиваются под животворным влиянием света и сопутствующих ему ультрафиолетовых (биологически активных) и инфракрасных (тепловых) излучений. Без света живые организмы и растения погибают.

Свет дает нам возможность видеть и изучать все окружающее нас на Земле, а также многое находящееся вне Земли в беспредельном мировом пространстве. Так, только наблюдая свет, излучаемый солнцем и звездами, мы можем судить об их температуре, скорости их движения, а также об их составе, т. е. о веществах, из которых они состоят.

Свет дает нам возможность проникать в тайны строения вещества. Благодаря свету при помощи оптических и электронных микроскопов было обнаружено клеточное строение растительных и животных организмов, были открыты бактерии и вирусы и изучены методы борьбы с ними.

Таким образом, с помощью света человек все глубже и глубже познает природу, все больше расширяет границы своего познания.

Мы ощущаем свет при помощи органа зрения — глаза. И ощущаем мы не только свет, но и цвет. Мы не только видим освещенные или светящиеся окружающие нас предметы, но и можем судить об их окраске.

Свойство глаза — не только видеть окружающие нас предметы и явления, но и ощущать их цвет — дает нам возможность наблюдать неисчерпаемые богатства красок природы и воспроизводить, цвета, нужные нам в разных областях жизни и деятельности.

С начала существования человечества люди знали лишь естественный свет Солнца, Луны и звезд. Настало время, и люди научились самостоятельно добывать огонь. Костер был первым искусственным источником света и одновременно источником тепла. Тысячелетиями исчисляется время совершенствования искусственных источников света от костра до электрических источников света, которыми мы пользуемся в настоящее время.

Впервые электрический источник света был создан выдающимся русским ученым акад. В. В. Петровым. В 1802 г. он открыл явление электрической дуги, образующейся между двумя угольными стержнями при прохождении по ним электрического тока. Электрическая дуга, впервые полученная акад. В. В. Петровым, должна по праву называться дугой Петрова. Это открытие послужило толчком к работам по созданию электрических источников света.

Выдающаяся роль в деле создания электрических источников света принадлежит талантливым русским изобретателям П. Н. Яблочкову, А. Н. Лодыгину и В. Н. Чиколеву.

Искусственные источники света прочно вошли в жизнь человека. Они дают возможность человеку не прекращать своей производственной и культурной деятельности в вечерние часы, когда отсутствует естественный (солнечный) свет.

Еще в древние времена, на заре возникновения научной мысли, возник вопрос о том, что такое свет. Древнегреческими учеными была высказана гипотеза о так называемых глазных лучах, исходившая из предположения, что глаза испускают лучи, которые ощупывают необходимые предметы, чтобы узнать их. Наличие свечения глаз у некоторых животных эти ученые считали доказательством существования глазных лучей. Против существования глазных лучей уже в Древней Греции высказывались такие ученые, как Аристотель и Демокрит, считавшие, что свет исходит из самих тел, которые мы видим.

Гипотеза о глазных лучах господствовала в течение многих столетий. Так, в XVI столетии французский ученый Декарт писал: «Подобно тому, как в темноте мы ощупываем перед собой предметы тростью, так днем мы ощупываем их лучами, исходящими из глаз». Мы и сейчас иногда применяем выражения: «глаза сверкнули», «глаза сияют» и т. д., которые, очевидно, связаны с представлениями о природе света, существовавшими у древних народов.

В конце XVII столетия были предложены две теории, совершенно по-разному трактовавшие сущность и распространение света.

Теория Ньютона предлагала рассматривать луч света как поток материальных частиц — корпускул, которые излучаются светящимся телом и, попадая в глаз, вызывают ощущение света.

Эта теория, носившая название корпускулярной, имела большое распространение. Вторая теория, развитая Гюйгенсом, носившая название волновой теории света, исходила из того предположения, что вся Вселенная заполнена идеально упругой средой, называемой эфиром. С появлением в некоторой точке эфира источника света частицы эфира начинают совершать быстрые колебания. Эти колебания подобны тем, какие получаются при раскачивании веревки, привязанной одним своим концом к неподвижному предмету (рис. 1). Являясь центром упругой деформации, каждая колеблющаяся частица эфира приводит в колебание соседнюю частицу, а последняя — следующую и т. д. Распространение этих колебаний в эфире и представляет собой луч света. Каждая частица эфира на всем протяжении светового луча совершает колебания в плоскости, перпендикулярной распространению луча света. В каждый момент времени колеблющиеся частицы, совершающие колебания, располагаются так, что в совокупности образуют кривую линию, напоминающую собой ряд волн (рис. 2). В результате вдоль луча бегут волны, причем процесс их распространения совершается с колоссальной скоростью: 300000 км/с.

Подобный процесс распространения волн, но, конечно, не с такой большой скоростью, можно наблюдать, если на поверхность неподвижной воды бросить какой-либо предмет, например щепку. От места ее падения во все стороны будут расходиться волны.

Нам будет казаться, что волны бегут, но щепка, находящаяся на воде, будет совершать движение вверх и вниз, не сдвигаясь с места, и этим показывать направление колебания частиц воды.
В примерах с веревкой и водой мы наблюдаем колебания частиц веревки и воды, совершающиеся поперек движения волны; такие колебания называются поперечными. Согласно представлениям волновой теории света световые волны являются также поперечными.

Следует указать на то, что существуют и продольные волны, т. е. такие, в которых колеблющиеся частицы совершают колебания вдоль направления движения волны — вперед и назад. К продольным колебаниям относятся, например, звуковые колебания.

Расстояние между вершинами или гребнями двух соседних волн носит название длины волны. Длина волны выражается единицами длины — метрами, сантиметрами, миллиметрами, микрометрами. Для измерения длин волн света пользуются единицей длины, называемой нанометр (нм). Один нанометр равен миллионной доле миллиметра (1 нм = 0,001 мкм = 0,000001 мм).

Волновая теория света блестяще объяснила целый ряд необъяснимых до нее световых явлений и получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была отвергнута.

В середине XIX

Энергия излучения солнца, звезд, искусственных источников света воздействует на светочувствительные элементы глаза и вызывает световые и цветовые ощущения. Энергия излучения передающих радиостанций, рентгеновских трубок, ультрафиолетовых и инфракрасных излучений не вызывает у нас зрительных ощущений, но некоторые из них производят на организм человека иное действие. Ультрафиолетовые излучения вызывают покраснение кожи (эритему), инфракрасные излучения — нагревание. В первом случае мы имеем дело с видимыми излучениями (светом), а во втором — с невидимыми излучениями.

Различные виды энергии излучения образуют спектр электромагнитных колебаний (рис. 3), из которого видно, что длина волны электромагнитных колебаний может составлять от миллионных долей нанометра (космические лучи) до нескольких километров (длинноволновые излучения радиостанций).

Излучения, имеющие длины волн в пределах 380—770 нм, действуя на глаз, вызывают у нас световые ощущения — это видимые излучения (свет). Каждой длине волны видимого излучения соответствует свой цвет. Таким образом, видимые излучения занимают ничтожную часть в спектре электромагнитных излучений. На рис. 4 графически представлены волны, соответствующие различным цветам, при увеличении их размера приблизительно в 25 000 раз.

Фиолетовые лучи имеют наименьшую длину волны, а красные — наибольшую.
Электромагнитная теория света не только разрешила ряд вопросов, которые не были решены волновой теорией света, но также предсказала ряд новых явлений, связанных с электромагнитными колебаниями. В 1900 г. знаменитым русским физиком П. Н. Лебедевым было обнаружено и измерено световое давление (давление света), предсказанное электромагнитной теорией света. Развитие электромагнитной теории привело к открытию радио в 1895 г. гениальным русским ученым-изобретателем А. С. Поповым.

Дальнейшее развитие физики позволило открыть ряд новых явлений, связанных со светом, которым электромагнитная теория света не смогла найти объяснения.

В XX столетии на основании ряда экспериментальных исследований выдающийся немецкий физик М. Планк пришел к мысли, что излучение и поглощение света происходят не непрерывно, как это полагали согласно волновой и электромагнитной теориям света, а отдельным порциями. Эти порции света получили наименование квантов света, или фотонов, а вся теория была названа квантовой теорией света. Согласно этой теории свет представляет собой совокупность мельчайших материальных частиц — фотонов, движущихся с колоссальной скоростью (300 ООО км/с) и несущих конечное количество энергии.

«Свет, — говорил выдающийся советский ученый акад. С. И. Вавилов, — одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого. Наши привычные понятия не в состоянии полностью охватить реальность, у нас для этого еще не хватает сейчас ни слов, ни образов».

Для понимания дальнейших глав достаточно иметь представление о длине волны света, которая определяет его цвет.

Как естественные, так и искусственные источники света имеют определенную световую мощность, т. е. количество света, излучаемого ими в единицу времени. Световая мощность носит название светового потока (световым потоком называют величину, пропорциональную потоку излучения, оцененному с учетом относительной спектральной чувствительности глаза). Единицей светового потока является люмен (лм). Лампочка от карманного фонаря обладает световым потоком около 4 лм, осветительная лампа накаливания мощностью 100 Вт, 220 В — 1250 лм, а люминесцентная лампа мощностью 80 Вт белого света типа ЛБ80 — 5220 лм. Чем больший световой поток излучает источник света на единицу мощности, тем более экономичным он является. Отношение светового потока источника света к его мощности носит название световой отдачи, которая выражается в люменах на ватт (лм/Вт). Приведенная выше лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световую отдачу 13,5 лм/Вт, а люминесцентная лампа мощностью 80 Вт — 65 лм/Вт.

Поверхности или тела оказываются освещенными в результате того, что на них падает световой поток источников света. Степень освещения поверхности характеризуется освещенностью, которая определяется отношением светового потока к площади поверхности, на которую он падает. Единицей освещенности является люкс (лк). Это освещенность поверхности площадью в 1 м2 световым потоком в 1 лм при равномерном ее освещении. Чем больше световой поток, приходящийся на единицу освещаемой поверхности, тем больше ее освещенность. Освещенность на уровне Земли в летний солнечный полдень составляет 100 000 лк, при полной луне в безоблачную ночь 0,2 лк, а в безлунную звездную ночь О,002 лк.