Искусственные источники света

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Запрос «Электрическое освещение»[d] перенаправляется сюда. На эту тему нужно создать отдельную статью.

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и с различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но также иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция и др.). В отличие от искусственных источников света, естественные источники света представляют собой природные материальные объекты: Солнце, Полярные сияния, светлячки, молнии и проч.

Несоответствие спектра искусственного источника света спектру естественного может негативно влиять на здоровье людей[1]

История развития искусственных источников света

Свеча

Древнее время — свечи, лучины и лампады

Самым первым из используемых людьми в своей деятельности источником света был огонь (пламя) костра. С течением времени и ростом опыта сжигания различных горючих материалов люди обнаружили, что большее количество света может быть получено при сжигании каких-либо смолистых пород дерева, природных смол, масел и воска. С точки зрения химических свойств подобные материалы содержат больший процент углерода по массе и при сгорании сажистые частицы углерода сильно раскаляются в пламени и излучают свет. В дальнейшем при развитии технологий обработки металлов развитие способов быстрого зажигания с помощью огнива позволило создать и в значительной степени усовершенствовать первые независимые источники света, которые можно было устанавливать в любом пространственном положении, переносить и перезаряжать горючим. Также определенный прогресс в переработке нефти, восков, жиров и масел и некоторых природных смол позволил выделять необходимые топливные фракции: очищенный воск, парафин, стеарин, пальмитин, керосин и т. п. Такими источниками стали прежде всего свечи, факелы, масляные, а позже нефтяные лампы и фонари. С точки зрения автономности и удобства, источники света, использующие энергию сгорания топлива, очень удобны, но с точки зрения пожаробезопасности (открытое пламя), выделений продуктов неполного сгорания (сажа, пары топлива, угарный газ) представляют известную опасность как источник возгорания. История знает великое множество примеров возникновения больших пожаров, причиной которых были масляные лампы и фонари, свечи и пр.

Газовые фонари

Основные статьи: Газовая лампа и Газовое освещение
Газовый фонарь во Вроцлаве (Польша)

Дальнейший прогресс и развитие знаний в области химии, физики и материаловедения позволили людям использовать также и различные горючие газы, отдающие при сгорании большее количество света. Газовое освещение было достаточно широко развито в Англии и ряде европейских стран. Особым удобством газового освещения было то, что появилась возможность освещения больших площадей в городах, зданий и др. за счёт того, что газы очень удобно и быстро можно было доставить из центрального хранилища (баллонов) с помощью прорезиненных рукавов (шлангов) либо стальных или медных трубопроводов, а также легко отсекать поток газа от горелки простым поворотом запорного крана. Важнейшим газом для организации городского газового освещения стал так называемый «светильный газ», производившийся с помощью пиролиза жира морских животных (китов, дельфинов, тюленей и др.), а несколько позже производившийся в больших количествах из каменного угля при коксовании последнего на газосветильных заводах.

Одним из важнейших компонентов светильного газа, который давал наибольшее количество света, был бензол, открытый в светильном газе М. Фарадеем. Другим газом, который нашёл значительное применение в газосветильной промышленности, был ацетилен, но ввиду его значительной склонности к возгоранию при относительно низких температурах и большим концентрационным пределам воспламенения он не нашёл широкого применения в уличном освещении и применялся в шахтерских и велосипедных «карбидных» фонарях. Другой причиной, затруднившей применение ацетилена в области газового освещения, была его исключительная дороговизна в сравнении со светильным газом.

Параллельно с развитием применения самых разнообразных топлив в химических источниках света совершенствовалась их конструкция и наиболее выгодный способ сжигания (регулирование притока воздуха), а также конструкция и материалы для усиления отдачи света и питания (фитили, газокалильные колпачки и др.). Вместо недолговечных фитилей из растительных материалов (пенька) стали применять пропитку растительных фитилей борной кислотой и волокна асбеста, а с открытием минерала монацита обнаружили его замечательное свойство при накаливании очень ярко светиться и способствовать полноте сгорания светильного газа. В целях повышения безопасности использования рабочее пламя стали ограждать металлическими сетками и стеклянными колпаками различной формы.

Появление электрических источников света

Дальнейший прогресс в области изобретения и конструирования источников света в значительной степени был связан с открытием электричества и изобретением источников тока. На этом этапе научно-технического прогресса стало совершенно очевидно, что необходимо для увеличения яркости источников света увеличить температуру области, излучающей свет. Если в случае применения реакций горения разнообразных топлив на воздухе температура продуктов сгорания достигает 1500—2300 °C, то при использовании электричества температура может быть ещё значительно увеличена. При нагревании электрическим током различных токопроводящих материалов с высокой температурой плавления они излучают видимый свет и могут служить в качестве источников света той или иной интенсивности. В качестве таких материалов были предложены: графит (угольная нить), платина, вольфрам, молибден, рений и их сплавы. Для увеличения долговечности электрических источников света их рабочие тела (спирали и нити) стали размещать в специальных стеклянных баллонах (лампах), вакуумированных или заполненных инертными либо неактивными газами (водород, азот, аргон и др.). При выборе рабочего материала конструкторы ламп руководствовались максимальной рабочей температурой нагреваемой спирали, и основное предпочтение было отдано углероду (лампа Лодыгина, 1873 год) и в дальнейшем — вольфраму. Вольфрам и его сплавы с рением и по настоящее время являются наиболее широко применяемыми материалами для изготовления электрических ламп накаливания, так как в наилучших условиях они способны быть нагреты до температур в 2800—3200 °C. Параллельно с работой над лампами накаливания в эпоху открытия и использования электричества также были начаты и значительно развиты работы по электродуговым источником света (свеча Яблочкова) и по источникам света на основе тлеющего разряда. Электродуговые источники света позволили реализовать возможность получения колоссальных по мощности потоков света (сотни тысяч и миллионы кандел), а источники света на основе тлеющего разряда — необычайно высокую экономичность. В настоящее время наиболее совершенные источники света на основе электрической дуги — криптоновые, ксеноновые и ртутные лампы, а на основе тлеющего разряда — в инертных газах (гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) с парами ртути и другие. Наиболее мощными и яркими источниками света в настоящее время являются лазеры. Очень мощными источниками света также являются разнообразные пиротехнические осветительные составы, применяемые для фотосъемки, освещения больших площадей в военном деле (фотоавиабомбы, осветительные ракеты и осветительные бомбы).

Типы источников света

Электролюминесцентные типы источников света (в полупроводниках)

Для получения света могут быть использованы различные формы энергии, и в связи с этим можно указать на основные виды (по утилизации энергии) источников света.

  • Электрические: Электрический нагрев тел каления или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.
  • Ядерные: распад изотопов или деление ядер.
  • Химические: горение (окисление) топлив и нагрев продуктов сгорания или тел каления.
  • Электролюминесцентные: непосредственное преобразование электрической энергии в световую (минуя преобразование энергии в тепловую) в полупроводниках (светодиоды, лазерные светодиоды) или люминофорах, преобразующих в свет энергию переменного электрического поля (с частотой обычно от нескольких сотен Герц до нескольких Килогерц) либо преобразующих в свет энергию потока электронов (катодно-люминесцентные)
  • Биолюминесцентные: бактериальные источники света в живой природе.

Применение источников света

Источники света востребованы во всех областях человеческой деятельности — в быту, на производстве, в научных исследованиях и т. п. В зависимости от той или иной области применения к источникам света предъявляются самые разные технические, эстетические и экономические требования, и подчас отдается предпочтение тому или иному параметру источника света или сумме этих параметров.

Опасные факторы источников света

Источники света той или иной конституции очень часто сопровождаются наличием опасных факторов, главными из которых являются:

  • Открытое пламя.
  • Яркое световое излучение, опасное для органов зрения и открытых участков кожи.
  • Тепловое излучение и наличие раскаленных рабочих поверхностей, способных привести к ожогу.
  • Высокоинтенсивное световое излучение, которое может привести к возгоранию, ожогу и ранению — излучение лазеров, дуговых ламп и др.
  • Горючие газы или жидкости.
  • Высокое напряжение питания.
  • Радиоактивность.

Типовые параметры некоторых источников света

Сила света типовых источников:

ИсточникМощность, ВтПримерная сила света, кдЦветовая температура, ККПД, %Наработка на отказ, ч
Свеча1
Современная (2006 г.) лампа накаливания1001002700 2,5 1000
Обычный светодиод0.0150,0014000 91 100 000
Сверхъяркий светодиод2,4124000 91 100 000
Современная (2006 г.) флюоресцентная (люминесцентная) лампа201006500 15 000
Электродуговая ксеноновая лампадо 100 кВт
Лампа-вспышкадо 10 кВт
Электродуговая ртутная лампадо 300 кВт6500 12 000
Ядерный взрыв (20 Кт)2,1⋅1021
Термоядерный взрыв (50 Мт)5,3⋅1024
Первый рубиновый лазер0,1
Категория
 		тип
 		Световая отдача(Люмен/Ватт)КПД%
На основе горения Свеча0.3[2]0.04 %
газовая горелка2[3]0.3 %
Лампа накаливания5 Вт лампа накаливания (120 В) 5 0.7 %
40 Вт лампа накаливания (120 В) 12.6[4]1.9 %
100 Вт лампа накаливания (120 В) 16.8[5]2.5 %
100 Вт лампа накаливания (220 В) 13.8[6]2.0 %
100 Вт галогенная лампа (220 В) 16.7[7]2.4 %
2.6 Вт галогенная лампа (5.2 В) 19.2[8]2.8 %
Кварцевая галогенная лампа (12-24 В) 24 3.5 %
Высокотемпературная лампа 35[9]5.1 %
Люминесцентная лампа5-24 Вт компактная флюоресцентная 45-60[10]6.6-8.8 %
T12 линейная, с магнитным балластом 60[11]9 %
T8 линейная, с электронным балластом 80-100[11]12-15 %
T5 линейная 70-100[12]10-15 %
Светодиодбелый светодиод 10 — 97[13][14][15]1.5-13 %
белый OLED 102 []15 %
Прототип светодиода до 254[16]до 35 %
Дуговая лампаКсеноновая дуговая лампа30-50[17][18]4.4-7.3 %
Дуговые ртутные металлогалогенные лампы50-90[17] (зависит от индекса цветопередачи)[19]7.3-8.0 %
Газоразрядная лампаНатриевая лампа высокого давления150[20]22 %
Натриевая лампа низкого давления183[20] — 200[21]27-29 %
Металлогалогенная лампа65-115[22]9.5-17 %
1400 Вт Серная лампа100 15 %
Теоретический предел 683.002 100 %

См. также

Примечания

  1. ↑ Капцов В.А., Дейнего В.Н. Эволюция искусственного освещения: взгляд гигиениста / Под ред. Вильк М.Ф., Капцова В.А. — Москва: Российская Академия Наук, 2021. — 632 с. — 300 экз. — ISBN 978-5-907336-44-2. Архивировано 14 декабря 2021 года.
  2. ↑ 1 candela*4π steradians/40 W
  3. ↑ Waymouth, John F., "Optical light source device", US patent # 5079473, published September 8, 1989, issued January 7, 1992. col. 2, line 34.
  4. ↑ Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Дата обращения: 5 ноября 2007. Архивировано 1 июня 2012 года.
  5. ↑ How Much Light Per Watt?
  6. ↑ Bulbs: Gluehbirne.ch: Philips Standard Lamps (German). Дата обращения: 6 сентября 2009. Архивировано 15 мая 2012 года.
  7. ↑ Osram halogen (нем.) (PDF). www.osram.de. Дата обращения: 28 января 2008. Архивировано 7 ноября 2007 года.
  8. ↑ Osram Miniwatt-Halogen. www.ts-audio.biz. Дата обращения: 28 января 2008. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  9. ↑ Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Дата обращения: 16 апреля 2006. Архивировано 1 июня 2012 года.
  10. ↑ China energy saving lamp. Дата обращения: 16 апреля 2006. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  11. ↑ 1 2 Federal Energy Management Program. How to buy an energy-efficient fluorescent tube lamp (англ.) : journal. — U.S. Department of Energy, 2000. — December. Архивировано 2 июля 2007 года. Архивированная копия. Дата обращения: 6 сентября 2009. Архивировано 2 июля 2007 года.
  12. ↑ Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, Australia. Energy Labelling—Lamps. Дата обращения: 14 августа 2008. Архивировано 30 августа 2007 года.
  13. ↑ Klipstein, Donald L. The Brightest and Most Efficient LEDs and where to get them. Don Klipstein's Web Site. Дата обращения: 15 января 2008. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  14. ↑ Cree launches the new XLamp 7090 XR-E Series Power LED, the first 160-lumen LED! Архивировано 17 февраля 2012 года.
  15. ↑ Cree XM-L;. Архивировано 3 июня 2012 года.
  16. ↑ Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED (англ.). Cree, Inc. Press Release (12 апреля 2012). Архивировано 27 июня 2012 года.
  17. ↑ 1 2 Technical Information on Lamps (pdf). Optical Building Blocks. Дата обращения: 14 октября 2007. Архивировано 27 октября 2007 года. Note that the figure of 150 lm/W given for xenon lamps appears to be a typo. The page contains other useful information.
  18. ↑ OSRAM Sylvania Lamp and Ballast Catalog (неопр.). — 2007.
  19. ↑ строительные нормы СН 2.04.03-2020 «Естественное и искусственное освещение» 11.
  20. ↑ 1 2 LED or Neon? A scientific comparison. Архивировано 9 апреля 2008 года.
  21. ↑ Why is lightning coloured? (gas excitations). Архивировано 17 февраля 2012 года.
  22. ↑ The Metal Halide Advantage. Venture Lighting (2007). Дата обращения: 10 августа 2008. Архивировано 17 февраля 2012 года.