Історія розвитку джерел світла

Історія розвитку джерел світла

Розглянемо історію розвитку хімічних і електричних джерел світла.

Хімічні джерела світла

Першим джерелом тепла, а заодно і світла, є багаття, де в якості палива використовується деревина, або вугілля. У цьому випадку ми маємо джерело енергій хімічної природи. Робочим органом є розпечений газ, який утворюється в зоні горіння при термічному розкладанні палива в присутності кисню повітря. Трансмісією працює сам матеріал.

Потім багаття динамізувати і перетворився в свій пересувний варіант - факел, а також мінімізували до скіпи. Призначенням і багаття і факела все-таки було не тільки освітлення, але і генерація тепла. Тому першою «лампою» можна назвати саме лучину.

Довгі століття таке джерело світла цілком влаштовував людей. Але він був не тільки занадто громіздким, але і вкрай неефективним джерелом світла. Це обумовлено тим, що значну частину своєї енергії він повинен витрачати на термічний розклад матеріалу - пального. Крім того, користуватися ним було вкрай незручно. Тому з'явилися масляні лампи. У них джерело енергій служило рідке масло. Для транспортування олії з резервуару до зони горіння потрібно ввести трансмісію - гніт. Однак така зміна конструкції призвело до ускладнення відносин між людьми, так як треба було десь добувати масло і робити світильники. Надалі, для джерела світла ми будемо використовувати термін «лампа».

Наступним етапом стало винахід воскової свічки. Як не дивно, цей пристрій може бути вміщено між багаттям і масляною лампою на загальній лінії розвитку. Справа в тому, що паливо свічки знаходиться в твердому стані, але при нагріванні плавиться і далі транспортується гнітом до зони горіння.

Потім на довгий час прогрес для ламп зводився до варіацій в конструкції масляних ламп і свічок. Сам процес розвитку конструкцій теж представляє значний інтерес, оскільки в ході зміни в першу чергу зростала кількість свічок. Якщо умовно вважати вогонь свічки точковим джерелом, то він перетворився спочатку в псевдолінейний (канделябр), кругової (традиційне колесо зі свічками в якості люстри) і об'ємний (багатоярусні люстри палаців).

На початку ХIХ століття з'явилися парафінові свічок і гасові лампи. Насправді, гасові лампи з'явилися ще в Середні століття. Але нове життя в них вдихнув польський винахідник І. Лукашевич. Цікаво відзначити, що і рідинні лампи пройшли розвиток, подібне зі свічками. Так звичайний шнурок-гніт (умовно точкове джерело світло) перетворився спочатку в лінійний, а потім в кільцевої (у останніх гасових ламп).

Наступним кроком була зміна джерела енергії на газ. В кінці XVIII століття з'явилися перші водневі лампи з електричним запалюванням. Однак широкого поширення вони не отримали через складність і вибухонебезпечності. Перша справжня газова лампа була створена В. Мурдоха. У 1798 році він став використовувати лампи на вугільному газі для освітлення виробничих приміщень, а в 1802 році колишній співробітник цієї компанії С. Клегг організував фірму і почав масово впроваджувати газове освітлення. Слід зазначити, що газові лампи по суті справи є модернізацією багаття. Тільки в цьому випадку тверде пальне перетворюється в газ десь на коксовому заводі (в надсистеме), і тільки потім транспортується споживачеві.

Особливо інтенсивний розвиток газові ріжки отримали після винаходу розжарювальних сіток, різко збільшують світловий потік. У 1885 році Ауер фон Вельсбах запропонував використовувати гартівне сітку, яка була мішечок з тканини, просочений розчином неорганічних речовин (різних солей). При прожаренні тканину горіла, залишаючи тонкий «скелет», яскраво світиться при нагріванні під дією полум'я. Ці пристрої отримали назву ковпачки Ауера.

В принципі, на цьому історія розвитку ламп, які використовують хімічну енергію в якості джерело енергій практично припинилася, хоча газове освітлення ще довго становило конкуренцію електричному (Див. Фільм «Газове світло»). Поява ацетиленового (карбідної) лампи не вплинуло на цей процес, тим більше що вона, будучи мобільною системою, використовувалася для інших цілей (в шахтах, в фарах і т.д.). Однак сам перехід в такий лампі Тверде - Газ доповнює загальну картину. Необхідно відзначити, що всупереч некритичному розуміння Теорії Рішення винахідницьких завдань, газові лампи зовсім не зникли. Вони повернулися до нас сьогодні в вигляді джерел світла для туристів, причому їх характеристики трохи виросли.

Електричні джерела світла

Практично паралельно з розвитком хімічних джерел світла розвивалися електричні, причому вони з'явилися навіть трохи раніше газових ріжків.

У 1799 році італійський фізик Алессандро Вольта створив перший хімічний джерело струму, який отримав назву "вольтів стовп".

Отже, наступним класом джерел світла є електричні, тобто такі пристрої, які використовують в якості джерела енергій електрику, причому джерело енергій не входить в технічні системи. Основними класами будуть:

- дугові лампи, де під дією електричного розряду світиться газ між електродами;

- лампи розжарювання, у яких світло випромінює нагріта нитка;

- газосветние лампи, де використовується тліючий розряд, який формується при низькому тиску газу і малому струмі;

- безелектродні лампи (СВЧ);

- світлодіоди.

дугові лампи

Спочатку почали розвиватися системи, які використовували електричну дугу. Спостерігали це явище одночасно Х. Деві в Англії і В. Петров в Росії, що в черговий раз підтверджує неминучість винаходів. Цікаво відзначити, що і горіння електричної дуги і світіння розпеченого дроту під дією струму спостерігалися в один і той же рік.

Однак тільки через 42 роки французький фізик Фуко створив першу дугову лампу з ручним регулюванням довжини дуги, яка знайшла досить широке застосування. Однак ручне регулювання було вкрай незручним і в дні коронаційних торжеств в Москві на вежах Кремля засвітилися дугові лампи з автоматичним регулюванням відстаней між вугіллям - дітище винахідника Олександра Шпаковського (Не плутати з Миколою!).

Незабаром Павло Яблочков удосконалив конструкцію, поставивши електроди вертикально і розділивши їх шаром ізолятора. Така конструкція отримала назву «свічка Яблочкова» і використовувалася у всьому світі: наприклад, за допомогою таких «свічок» висвітлювався Паризький оперний театр.

Дугові лампи були, хоча і яскравими, але не дуже економічними, тому незабаром свій тріумфальний хід почали лампи розжарювання. Однак, дугові лампи зовсім не зникли, а зайняли свою, цілком певну нішу, що ще раз змушує засумніватися в висновках про «смерті технічних систем».

Основною проблемою залишалося швидке згоряння електродів. Не раз у винахідників була думка зробити висновок вольтову дугу в позбавлену кисню атмосферу. Адже завдяки цьому лампа могла б горіти значно довше. Американець Джандус перший придумав поміщати під купол не всю лампу, а тільки її електроди. При виникненні вольтової дуги кисень, укладений в посудині, швидко вступав в реакцію з розпеченим вуглецем, так що незабаром всередині судини утворювалася нейтральна атмосфера. Хоча кисень і продовжував чинити через зазори, вплив його сильно послаблювалося, і така лампа могла безперервно горіти близько 200 годин.

Від використання вакууму незабаром перейшли до використання інертних газів. Зараз в якості джерел особливо яскравого світла використовуються ртутні і ксенонові дугові газорозрядні лампи.

У більшості газорозрядних ламп використовується випромінювання позитивного стовпа дугового розряду, в імпульсних лампах іскровий розряд, що переходить в дугового. Існують лампи дугового розряду з низьким [від 0,133 н / м2 (10-3 мм рт. Ст.)], Наприклад натрієва лампа низького тиску, високим (від 0,2 до 15 ат, 1 ат = 98066,5 н / м2) і надвисоким (від 20 до 100 ат і більш, наприклад ксенонові газорозрядні лампи) тиском.

Колір одержуваного світла залежить від речовини, пари якого знаходяться в лампі. Порівняльні характеристики газорозрядних ламп представлені в таблиці.

Порівняльні характеристики дугових ламп

Натрієва лампа низького тиску характеризується максимальною ефективністю серед усіх джерел світла - близько 200 лм / Вт.

лампи розжарювання

Зазвичай історію лампочок розжарювання зв'язується з ім'ям Едісона. Однак, першим, хто розробив першу лампочку, використавши обвуглену бамбукову нитку в вакуумованому посудині був німецький винахідник Генріх Гебель. Його співвітчизник хімік Герман Спренгел повторив це в 1865 році. А потім пішов цілий водоспад досліджень. У Великобританії це були, Cruto, Gobel, Farmer, Maxim, Lane-Fox, Sawyer і Mann. Перший канадський патент був представлений Генрі Вудвард і Метью 24 липня 1874. Найбільш відомими виявилися лампочки Лодигіна і Свана.

Хоча Едісон не винайшли електричну лампу розжарювання, він, тим не менш, переніс теорію в практику і був першим, хто успішно освоїв ринок освітлення лампами розжарювання. Найголовніша заслуга Едісона полягає в тому, що він створив всю інфраструктуру для їх використання, що і принесло, в кінцевому підсумку, комерційний успіх.

Серйозним недоліком ламп розжарювання був занадто короткий термін їх роботи. Це було викликано швидким руйнуванням нитки в атмосфері кисню. Тому, розвиток ламп розжарювання йшло за двома напрямками: - поліпшення характеристик нитки - зміна атмосфери в лампі.

Поліпшення характеристик нитки йшло у напрямку підвищення термостійкості матеріалу. Спочатку використовувалися різні вугілля на основі бамбука, бавовни і т.д. До кінця XIX століття світловіддача таких лампочок становила 3 ​​люмен / ват. Потім стали використовувати різні тугоплавкі матеріали. Так Ауер пропонує лампу з осмієвою спіраллю (Тпл = 2700oС), намагалися використовувати тантал з температурою плавлення 2996oС ефективність якого в лампах становила 7 люмен / ват, а ряд винахідників, в тому числі Лодигін, намагалися застосовувати для цих цілей вольфрам. Однак тільки після того, як Кулідж вдалося отримати ковкий вольфрам лампочки розжарювання впевнено обійшли газові ріжки та дугові лампи.

І до сих пір, незважаючи ні на що, лампи розжарювання поки ще складають більшу частину використовуваних в світі джерел світла.

Галогенні лампи розжарювання

Серйозним кроком у розвитку ламп розжарювання стало відкриття галогенного циклу. Ще в 1949 році фірма OSRAM подала заявку на видачу патенту на галогенні лампи розжарювання. Однак справжній технічний прорив стався тільки в 1959 році на фірмі General Electric. Назва цих ламп пояснюється використанням в них галогенів (солей), йоду або брому в якості газів-наповнювачів. Галогенний цикл в лампі запобігає осадження випарувався зі спіралі розжарювання вольфраму на внутрішні стінки колби, що зазвичай відбувається у звичайної лампи розжарювання протягом її терміну служби. Під час роботи лампи вольфрам і галоген з'єднуються, і випарувався вольфрам осідає на спіраль. Галоген всередині лампи діє як чистильник вікон, тому колба лампи залишається прозорою.

Галогенні лампи розжарювання, як і звичайні лампи розжарювання, випромінюють тепло, однак їхня робоча температура становить близько 2800oС. В результаті цього вони випромінюють більше білий світ, мають більш високу світлову віддачу - до 25 люменів / Ватт і більш тривалий термін служби, що становить від 2000 до 4000 годин.

газорозрядні лампи

Газорозрядні лампи є родичами дугових.Це велике сімейство ламп, в яких розряд відбувається між електродами в атмосфері будь-якого газу, або пара. Розряд викликає іонізацію газу, тобто виникає плазма, яка і є робочим органом системи. Однак, на відміну від дугових, в газорозрядної лампи використовується «тліючий» розряд. В результаті, температура і енергоспоживання таких ламп істотно нижче.

Газовий розряд в газах викликають випромінювання видимого світла, спектр якого залежить від використаного газу.

Найпоширенішим прикладом таких ламп є люмінісцентні лампи «денного світла», де випромінювачем світла є пари ртуті. При цьому генерується УФ випромінювання, яке перетворюється люмінофором у видиме світло.

Люмінесцентні лампи розжарювання забезпечують світлову віддачу від 30-50 лм / Вт. Вони мають досить великий термін служби, до 20000 годин.

Компактні люмінесцентні лампи

Основна особливість пристрою компактних люмінесцентних ламп полягає в доданні різними способами розрядної трубці таких форм, які б забезпечили різке зниження довжини лампи. Крім того, більшість малопотужних ламп, призначених для заміни ламп розжарювання, влаштовані таким чином, що можуть безпосередньо або через адаптер ввертають в різьбовій патрон.

Термін служби у більшості ламп становить 10000 год, тобто в 10 разів вище, ніж у ламп розжарювання. Енерго-економічність - одне з головних переваг КЛЛ в порівнянні з лампами розжарювання. Компактні люмінесцентні лампи з'єднали в собі кращі властивості, властиві лампам розжарювання і звичайним люмінесцентним лампам, і починають поступово витісняти ці джерела з традиційних областей їх застосування в житлових будинках і громадських будівлях.

Однак у люмінесцентних ламп є дуже суттєвий і нездоланна вада: вони використовують пари ртуті (в дуже малих кількостях, від 40 до 70 мг). Ця доза не завдасть багато шкоди, навіть якщо лампа розбилася. Але якщо постійно піддаватися згубному впливу парів ртуті, то вони будуть накопичуватися в організмі людини, завдаючи шкоди здоров'ю. Тому, останнім часом, з'явилася тенденція до обмеження застосування люмінесцентних ламп.

безелектродні лампи

Безелектродна лампа працює на високочастотному випромінюванні пристрою, званого магнетрон і розташованого за рефлектором. СВЧ-випромінювання створює електромагнітне поле, приводячи, таким чином, до виникнення плазми з довжиною хвилі, яка визначається газовим наповненням.

Зараз набули поширення лампи, заповнені парами сірки. Можна виділити такі переваги НВЧ світлових приладів на основі безелектродних сірчаних ламп, як:

- підвищена світлова віддача (~ 100 лм / Вт), що забезпечує можливість енергозбереження;

- суцільний квазі-сонячний спектр області випромінювання з різко зниженим рівнем УФ-та ІЧ-випромінювання, максимум спектральної щільності потужності якого практично збігається з максимумом кривої "видности" людського ока, тобто природна (неспотворена) передача кольору;

- малі габарити, висока яскравість і симетричність форми світиться тіла, що полегшує оптимізацію оптичних систем і, зокрема, фокусування потоку області випромінювання;

- велика довговічність лампи - кілька десятків тисяч годин;

- екологічна "чистота" власне випромінювання і матеріалів пальника;

- можливість регулювання сили світла шляхом зміни рівня потужності СВЧ-накачки.

світлодіоди

Світлодіоди (LED - light-emitting diode) - напівпровідниковий елемент, який при подачі напруги в "прямому зміщенні" ( "плюс" джерела живлення подається на анод, "мінус" - на катод) випромінює монохроматичне, некогерентний (на відміну від напівпровідникового лазера) світло. Колір світіння залежить від застосовуваного при виробництві світлодіода напівпровідника (більшою мірою - від використовуваних домішок при їх виробництві) і сьогодні охоплює весь видимий спектр, захоплюючи інфрачервоний, а в останніх розробках - навіть ультрафіолетовий.

В силу високого ККД і низьких робочих струмів і напруг світлодіоди - відмінний матеріал для виготовлення автономних джерел світла. У компактних ліхтарях вони не мають собі рівних і з часом, швидше за все, повністю витіснять з цього сектора лампи розжарювання.

Починаючи з 80-х років, по всьому світу досліджуються можливості застосування органічних світлодіодів (OLED). Ці світлодіоди складаються з органічних хімічних речовин, які при подачі на них напруги починають світитися жовтим, зеленим, червоним або синім кольором. При цьому використовуються такі природні процеси, як флуоресценція і фосфоресценція. Таким чином, при розгляді історії розвитку джерел світла ми бачимо приклади реалізації різних законів розвитку технічних систем. Натрієва низького тиску.