Штучні джерела світла

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Штучні джерела світла - технічні пристрої різної конструкції та з різними способами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого , так і з різною довжиною хвилі , наприклад, інфрачервоного ). У джерелах світла використовується в основному електроенергія , але також іноді застосовується хімічна енергія та інші способи генерації світла (наприклад, триболюмінесценція , радіолюмінесценція та ін.). На відміну від штучних джерел світла, природні джерела світла є природні матеріальні об'єкти: Сонце , Полярні сяйва , світлячки , блискавки та ін.

Історія розвитку штучних джерел світла

Свічка

Стародавній час — свічки, скіпки та лампади

Найпершим із використовуваних людьми у своїй діяльності джерелом світла був вогонь (полум'я) багаття. З часом і зростанням досвіду спалювання різних горючих матеріалів люди виявили, що більша кількість світла може бути отримана при спалюванні будь-яких смолистих порід дерева, природних смол, масел та воску . З точки зору хімічних властивостей подібні матеріали містять більший відсоток вуглецю по масі і при згорянні сажі часточки вуглецю сильно розжарюються в полум'ї і випромінюють світло. Надалі при розвитку технологій обробки металів, розвитку способів швидкого запалення за допомогою огнів дозволили створити і значною мірою вдосконалити перші незалежні джерела світла, які можна було встановлювати в будь-якому просторовому положенні, переносити та перезаряджати пальним. А також певний прогрес у переробці нафти , восків, жирів і масел та деяких природних смол дозволив виділяти необхідні паливні фракції: очищений віск, парафін , стеарин , пальмітин , гас тощо. Такими джерелами стали насамперед свічки , смолоскипи, масляні, а пізніше нафтові лампи та ліхтарі. З точки зору автономності та зручності, джерела світла, що використовують енергію горіння палив, дуже зручні, але з погляду пожежної безпеки ( відкрите полум'я ), виділень продуктів неповного згоряння (сажа, пари палива, чадний газ ) становлять відому небезпеку як джерело загоряння. Історія знає безліч прикладів виникнення великих пожеж , причиною яких були масляні лампи і ліхтарі, свічки та ін.

Газові ліхтарі

Газовий ліхтар у Вроцлаві ( Польща )

Подальший прогрес та розвиток знань у галузі хімії, фізики та матеріалознавства дозволили людям використовувати також і різні горючі гази , що віддають при згорянні більшу кількість світла. Газове освітлення було досить широко розвинене в Англії та низці європейських країн. Особливою зручністю газового освітлення було те, що з'явилася можливість освітлення великих площ у містах, будівель та ін., за рахунок того, що гази дуже зручно і швидко можна було доставити з центрального сховища ( балонів ) за допомогою прогумованих рукавів ( шлангів ), або сталевих мідних трубопроводів , а також легко відсікати потік газу від пальника простим поворотом запірного крана . Найважливішим газом для організації міського газового освітлення став так званий « світильний газ », що виробляється за допомогою піролізу жиру морських тварин ( китів , дельфінів , тюленів та ін), а пізніше виробляється у великих кількостях з кам'яного вугілля при коксуванні останнього на газосвітильних заводах.

Одним із найважливіших компонентів світильного газу, який давав найбільшу кількість світла, був бензол , відкритий у світильному газі М. Фарадеєм . Іншим газом, який знайшов значне застосування в газосвітильній промисловості, був ацетилен , але зважаючи на його значну схильність до загоряння за відносно низьких температур і великі концентраційні межі займання, він не знайшов широкого застосування у вуличному освітленні і застосовувався в шахтарських і велосипедних «карбідних» ліхтарях. Іншою причиною, що утруднила застосування ацетилену в галузі газового освітлення, була його виняткова дорожнеча порівняно зі світильним газом.

Паралельно з розвитком застосування найрізноманітніших палив у хімічних джерелах світла, удосконалювалася їх конструкція та найбільш вигідний спосіб спалювання (регулювання припливу повітря), а також конструкція та матеріали для посилення віддачі світла та живлення (ґноти, газокалільні ковпачки та ін.). Щоб замінити недовговічні гніти з рослинної сировини ( коноплі ), вони почали використовувати просочення рослинних гнітів волокнами борної кислоти та азбесту , а з відкриттям мінералу монациту виявили його чудову властивість при нагріванні дуже світитися. яскраво і сприяють повноті згоряння лампового газу. З метою підвищення безпеки використання робоче полум'я стали захищати металевими сітками та скляними ковпаками різної форми.

Поява електричних джерел світла

Подальший прогрес у галузі винаходу та конструювання джерел світла значною мірою був пов'язаний з відкриттям електрики та винаходом джерел струму . На цьому етапі науково-технічного прогресу стало цілком очевидним, що необхідно для збільшення яскравості джерел світла збільшити температуру області, що випромінює світло. Якщо у разі застосування реакцій горіння різноманітних палив на повітрі температура продуктів згоряння досягає 1500-2300 ° C, то при використанні електрики температура може бути значно збільшена. При нагріванні електричним струмом різних струмопровідних матеріалів з високою температурою плавлення вони випромінюють видиме світло і можуть бути джерелом світла тієї чи іншої інтенсивності. Такими матеріалами були запропоновані: графіт (вугільна нитка), платина , вольфрам , молібден , реній та їх сплави. Для збільшення довговічності електричних джерел світла їх робочі тіла (спіралі та нитки) стали розміщувати у спеціальних скляних балонах (лампах), вакуумованих або заповнених інертними або неактивними газами ( водень , азот , аргон та ін.). При виборі робочого матеріалу конструктори ламп керувалися максимальною робочою температурою спіралі, що нагрівається, і основна перевага була віддана вуглецю (лампа Лодигіна, 1873 рік) і надалі вольфраму. Вольфрам і його сплави з ренією і по сьогодні є найбільш широко застосовуваними матеріалами виготовлення електричних ламп розжарювання, оскільки у найкращих умовах вони можуть бути нагріті до температури 2800-3200 °C. Паралельно з роботою над лампами розжарювання, в епоху відкриття та використання електрики також було розпочато та значно розвинено роботи з електродуговим джерелом світла (свічка Яблочкова) та за джерелами світла на основі тліючого розряду. Електродугові джерела світла дозволили реалізувати можливість отримання колосальних за потужністю потоків світла (сотні тисяч і мільйони кандел ), а джерела світла на основі розряду, що тліє, — надзвичайно високу економічність. В даний час найбільш досконалі джерела світла на основі електричної дуги - криптонові, ксенонові і ртутні лампи , а на основі розряду, що тліє, в інертних газах ( гелій , неон , аргон, криптон і ксенон ) з парами ртуті та інші. Найбільш потужними та яскравими джерелами світла нині є лазери. Дуже потужними джерелами світла також є різноманітні піротехнічні освітлювальні склади, що використовуються для фотозйомки , освітлення великих площ у військовій справі (фотоавіабомби, освітлювальні ракети та освітлювальні бомби).

Типи джерел світла

Електролюмінесцентні типи джерел світла (у напівпровідниках)

Для отримання світла можуть бути використані різні форми енергії, і у зв'язку з цим можна вказати на основні види (з утилізації енергії) джерел світла.

  • Електричні: Електричний нагрівання тіл розжарювання або плазми. Джоулеве тепло, вихрові струми , потоки електронів або іонів.
  • Ядерні: розпад ізотопів чи розподіл ядер.
  • Хімічні: горіння (окислення) палив та нагрівання продуктів згоряння або тіл розжарювання.
  • Електролюмінесцентні: безпосереднє перетворення електричної енергії на світлову (минаючи перетворення енергії на теплову) у напівпровідниках (світлодіоди, лазерні світлодіоди) або люмінофорах, що перетворюють на світло енергію змінного електричного поля (з частотою зазвичай від декількох сотень Герц до кількох Кілогерц), або перетворюючих на світло енергію потоку електронів (катодно-люмінесцентні)
  • Біолюмінесцентні: бактеріальні джерела світла живої природи.

Застосування джерел світла

Джерела світла затребувані у всіх галузях людської діяльності — у побуті, на виробництві, у наукових дослідженнях тощо. Залежно від тієї чи іншої області застосування до джерел світла пред'являються різні технічні, естетичні та економічні вимоги, і часом віддається перевага тому чи іншому параметру джерела світла чи сумі цих параметрів.

Небезпечні фактори джерел світла

Джерела світла тієї чи іншої конституції часто супроводжуються наявністю небезпечних факторів, головними з яких є:

  • Відкрите полум'я.
  • Яскраве світлове випромінювання, небезпечне для органів зору та відкритих ділянок шкіри.
  • Теплове випромінювання та наявність розпечених робочих поверхонь, здатних призвести до опіку.
  • Високоінтенсивне світлове випромінювання, яке може призвести до спалаху, опіку та поранення - випромінювання лазерів, дугових ламп та ін.
  • Горючі гази чи рідини.
  • Висока напруга живлення.
  • Радіоактивність.

Типові параметри деяких джерел світла

Сила світла типових джерел:

Джерело Потужність, Вт Зразкова сила світла, кд Колірна температура, К ККД, % Напрацювання на відмову, год
Свічка 1
Сучасна (2006 р.) лампа розжарювання 100 100 2700 2,5 1000
Звичайнийсвітлодіод 0.015 0,001 4000 91 100 000
Надяскравийсвітлодіод 2,4 12 4000 91 100 000
Сучасна (2006 р.) флюоресцентна (люмінесцентна) лампа 20 100 6500 15 000
Електродугова ксенонова лампа до 100 кВт
Лампа-спалах до 10 кВт
Електродугова ртутна лампа до 300 кВт 6500 12 000
Ядерний вибух (20 Кт) 2,1⋅10 21
Термоядерний вибух (50 Мт) 5,3⋅10 24
Перший рубіновий лазер 0,1
Категорія
тип
Світлова віддача ( Люмен / Ват ) ККД %
На основі горіння Свічка 0.3 [1] 0.04%
газовий пальник 2 [2] 0.3%
Лампа розжарювання 5 Вт лампа розжарювання (120 В) 5 0.7%
40 Вт лампа розжарювання (120 В) 12.6 [3] 1.9%
100 Вт лампа розжарювання (120 В) 16.8 [4] 2.5%
100 Вт лампа розжарювання (220 В) 13.8 [5] 2.0%
100 Вт галогенна лампа (220 В) 16.7 [6] 2.4%
2.6 Вт галогенна лампа (5.2 В) 19.2 [7] 2.8%
Кварцова галогенна лампа (12-24 В) 24 3.5%
Високотемпературна лампа 35 [8] 5.1%
Люмінесцентна лампа 5-24 Вт компактна флюоресцентна 45-60 [9] 6.6-8.8%
T12 лінійна, з магнітним баластом 60 [10] 9%
T8 лінійна, з електронним баластом 80-100 [10] 12-15%
T5 лінійна 70-100 [11] 10-15%
Світлодіод білий світлодіод 10 - 97 [12] [13] [14] 1.5-13%
білий OLED 102 [ джерело не вказано 3223 дні ] 15%
Прототип світлодіода до 254 [15] до 35%
Дугова лампа Ксенонова дугова лампа 30-50 [16] [17] 4.4-7.3%
Дугові ртутні металогалогенні лампи 50-55 [16] 7.3-8.0%
Газорозрядна лампа Натрієва лампа високого тиску 150 [18] 22%
Натрієва лампа низького тиску 183 [18] - 200 [19] 27-29%
Металологогенна лампа 65-115 [20] 9.5-17%
1400 Вт Сірчана лампа 100 15%
Теоретична межа 683.002 100%

Див. також

Примітки

  1. 1 candela *4π steradians /40 W
  2. Waymouth, John F., "Optical light source device", US patent # 5079473 , published September 8, 1989, issued January 7, 1992 . col. 2, line 34.
  3. Keefe, TJ The Nature of Light (2007). Дата звернення: 5 листопада 2007 року. Архівовано 1 червня 2012 року.
  4. How Much Light Per Watt?
  5. Bulbs: Gluehbirne.ch: Philips Standard Lamps (German)
  6. Osram halogen (нім.) (PDF) (недоступне посилання) . www.osram.de . Дата звернення: 28 січня 2008 року. Архівовано 7 листопада 2007 року.
  7. Osram Miniwatt-Halogen (недоступне посилання) . www.ts-audio.biz . Дата звернення: 28 січня 2008 року. Архівовано 17 лютого 2012 року.
  8. Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Дата звернення: 16 квітня 2006 року. Архівовано 1 червня 2012 року.
  9. China energy saving lamp . Дата звернення: 16 квітня 2006 року. Архівовано 17 лютого 2012 року.
  10. 1 2 Federal Energy Management Program. How to buy an energy-efficient fluorescent tube lamp (англ.) : journal. - US Department of Energy, 2000. - December. Архівовано 2 липня 2007 року. Архівована копія (недоступне посилання) . Дата звернення: 6 вересня 2009 року. Архівовано 2 липня 2007 року.
  11. Департамент освіти, територій, охорони та мистецтв, Australia. Energy Labelling-Lamps (недоступне посилання) . Дата звернення: 14 серпня 2008 року. Архівовано 30 серпня 2007 року.
  12. Klipstein, Donald L. Brightest and Most Efficient LEDs and where to get them . Don Klipstein's Web Site . Дата звернення: 15 січня 2008 року. Архівовано 17 лютого 2012 року.
  13. Cree launches the new XLamp 7090 XR-E Series Power LED, the first 160-lumen LED! . Архівовано 17 лютого 2012 року.
  14. Cree XM-L; . Архівовано 3 червня 2012 року.
  15. Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED (англ.) . Cree, Inc. Press Release (12 April 2012). Архівовано 27 червня 2012 року.
  16. 1 2 Technical Information on Lamps (pdf) (недоступне посилання) . Optical Building Blocks . Дата звернення: 14 жовтня 2007 року. Архівовано 27 жовтня 2007 року. Зверніть увагу, що фігура 150 lm/W має for xenon lamps appears to be a typo. На сторінці містяться інші корисні відомості.
  17. OSRAM Sylvania Lamp and Ballast Catalog (неопр.) . - 2007.
  18. 1 2 LED або Neon? A scientific comparison . Архівовано 9 квітня 2008 року.
  19. Why is lightning coloured? (Gas excitations) . Архівовано 17 лютого 2012 року.
  20. The Metal Halide Advantage . Venture Lighting (2007). Дата звернення: 10 серпня 2008 року. Архівовано 17 лютого 2012 року.