Источники света и их использование. Естественные источники света: примеры

Нас всегда и везде окружает свет, так как это неотъемлемая часть жизни. Огонь, солнце, луна или настольная лампа - это все относится к данной категории. Сейчас нашей задачей будет рассмотреть естественные и искусственные источники света.

Раньше у людей не было хитроумных будильников и сотовых телефонов, которые помогают нам встать тогда, когда это необходимо. Эту функцию выполняло Солнце. Оно встало - люди начинают работу, село - ложатся отдыхать. Но, со временем, мы научились добывать искусственные источники света, мы поговорим о них в статье более подробно. Начать необходимо с самого главного понятия.

Свет

В общем смысле - это волна (электромагнитная) которая воспринимается органами зрения человека. Но все же есть рамки, которые человек видит (от 380 до 780 нм). До этого идет Хоть мы его не видим, но наша кожа его воспринимает (загар), после этих рамок идет инфракрасное излучение, некоторые живые организмы его видят, а человеком он воспринимается как тепло.

Теперь разберем такой вопрос: почему свет бывает разного цвета? Все зависит от длины волны, например, фиолетовый цвет образуется пучком волн длины 380 нм, зеленый - 500 нм, а красный - 625. Вообще, основных цветов 7, которые мы можем наблюдать во время такого явления, как радуга. Но многие, особенно искусственные источники света, излучают волны белого цвета. Даже если взять лампочку, которая висит у вас в комнате, с вероятностью 90 процентов, она освещает именно белым светом. Так вот, он получается за счет смешения всех основных цветов:

• Красного.
• Оранжевого.
• Желтого.
• Зеленого.
• Голубого.
• Синий.
• Фиолетовый.

Их очень легко запомнить, многие используют такие строки: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. А первые буквы каждого слова и обозначают цвет, кстати, в радуге они располагаются точно в таком порядке. После того как мы разобрались с самим понятием, предлагаем перейти к вопросу " и искусственные". Мы подробно разберем каждый вид.

Источники света

Не существует и в наше время ни одной отрасли хозяйства, которая в своем производстве не использовала бы искусственные источники света. Когда же человек впервые занялся производством Это было в далеком девятнадцатом веке, а причиной развития отрасли служило изобретение ламп дуговых и накаливания.

Источники света естественные и искусственные - это тела, которые способны излучать свет, а точнее, преобразовывать одну энергию в другую. Например, электрический ток в электромагнитную волну. Действующим по этому принципу искусственным источником света является электрическая лампочка, которая так распространена в повседневной жизни.

Мы говорили в прошлом разделе о том, что не весь свет воспринимается нашими органами зрения, но тем не менее источником света является и тот объект, который излучает волны, невидимые нашему глазу.

Классификация

Начнем с того, что все они делятся на два больших класса:

• Искусственные источники света (светильники, горелки, свечи и так далее).
• Естественные (свет Солнца, Луны, сияние звезд и прочее).

При этом каждый класс, в свою очередь, делится на группы и подгруппы. Начнем с первых, искусственные источники различают:

• Тепловые.
• Люминесцентные.
• Светодиодные.

Более подробную классификацию обязательно рассмотрим далее. Во второй класс входят следующие:

• Солнце.
• Межзвездный газ и сами звезды.
• Атмосферные разряды.
• Биолюминесценция.

Естественные источники света

Все объекты, излучающие свет природного происхождения являются натуральными источниками. При этом испускание света может являться как основным, так и вторичным свойством. Если сравнивать природные и искусственные источники света, примеры которых мы уже рассмотрели, то их основное отличие заключается в том, что вторые излучают видимый нашему глазу свет благодаря человеку, а точнее, производству.

В первую очередь, что приходит на ум каждому, природным источником является Солнце, являющееся источником света и тепла для всей нашей планеты. Также естественными источниками являются звезды и кометы, электрические разряды (например, молния во время грозы), свечение живых организмов, этот процесс также называют биолюминесценцией (примером являются светлячки, некоторые водные организмы, обитающие на дне и так далее). Природные источники света играют очень важную роль как для человека, так и для других живых организмов.

Виды искусственных источников света

Зачем же нам они нужны? Представьте, как изменится наша жизнь без всем привычных ламп, ночников и тому подобных приборов. В чем заключается назначение искусственного света? В создании благоприятной обстановки и условий видимости для человека, тем самым поддержание здоровья и хорошего самочувствия, уменьшение утомляемости органов зрения.

Искусственные источники света можно разделить на две, довольно обширные, группы:

• Общие.
• Комбинированные.

К примеру, о первой группе, все производственные участки всегда освещаются однотипными лампами, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и мощность ламп одинакова. Если говорить о второй группе, то тогда к вышеперечисленным добавляются еще несколько светильников, которые сильнее выделяют какую-либо рабочую поверхность, например, стол или станок. Эти дополнительные источники называются местным освещением. При этом, если использовать только местное освещение, то это будет сильно влиять на утомляемость, а следствием будет снижение работоспособности, кроме этого, возможны аварии и несчастные случаи на производстве.

Рабочее, дежурное и аварийное освещение

Если рассматривать классификацию искусственных источников с точки зрения функционального назначения, то можно выделить следующие группы:

• Рабочее;
• Дежурное;
• Аварийное.

Теперь немного подробнее о каждом виде. Рабочее освещение есть везде, где это необходимо для поддержания работоспособности людей или для освещения пути для идущего транспорта. Второй класс освещения начинает функционировать после рабочего времени. Последняя группа нужна для поддержания работы производства в случае отключения основного (рабочего) источника света, оно минимально, но способно временно заменить рабочее освещение.

Лампа накаливания

В наше время для освещения производственных участков используют лампы накаливания следующих видов:

• Галогенные.
• Газоразрядные.

И что же все-таки такое лампа накаливания? Первое, на что стоит обратить свое внимание, - то, что она является электрическим источником, а свет мы видим благодаря раскаленному телу, называемому телом накала. Ранее (в девятнадцатом веке) тело накала изготавливалось из такого вещества, как вольфрам, или из сплава на его основе. Сейчас же его изготавливают из более доступного углеродного волокна.

Типы, преимущества и недостатки

Сейчас промышленные предприятия выпускают большое число разнообразных ламп накаливания, среди которых наиболее популярны:

• Вакуумные.
• Лампы с криптоновым наполнением.
• Биспиральные.
• Наполненные смесью газов аргона и азота.

Теперь разберем последний вопрос, который касается а именно преимущества и недостатки. Плюсы: они недорогие в производстве, имеют небольшой размер, если их включить, то не нужно ждать пока разгорится, в производстве ламп накаливания не используется токсичные компоненты, они работают как на постоянном, так и на переменном токе, возможно использование регулятора яркости, хорошая бесперебойная работа даже при очень низких температурах. Несмотря на такое большое количество преимуществ, есть все-таки и минусы: они не сильно ярко светят, свет имеет желтоватый отлив, сильно нагреваются во время работы, что ведет иногда к пожарам при соприкосновении с текстильным материалом.

Газоразрядная лампа

Все они делятся на лампы высокого и низкого давления, большинство из них работает на парах ртути. Именно они вытеснили лампы накаливания, к которым мы так сильно привыкли, но имеют просто массы минусов, один из которых уже нами сказан, а именно возможность отравится ртутью, также сюда можем отнести шумы, мерцание, что ведет к более быстрой утомляемости, линейный спектр излучения и так далее.

Такие лампы могут нам служить до двадцати тысяч часов, конечно, если колба цела, а свет, излучаемый ей, имеет либо теплый, либо нейтрально белый цвет.

Использование искусственных источников света довольно распространено, например, газоразрядные лампы очень часто и по сей день используются в магазинах или офисах, в декоративном или художественном освещении, кстати сказать, профессиональное световое оборудование, также не обошлось без газоразрядной лампы.

Сейчас производство газоразрядных ламп очень распространено, что и влечет за собой большое количество видов, один из самых популярных мы рассмотрим прямо сейчас.

Люминесцентная лампа

Как уже говорилось это один из видов газоразрядной лампы. Стоит отметить то, что их часто используют для основного источника света, люминесцентные лампы намного мощнее ламп накаливания и при этом они потребляют одинаково энергии. Раз мы уже начали сравнение с лампами накаливания, то будет уместным и следующий факт - срок службы люминесцентных может превышать в двадцать раз срок ламп накаливания.

Что касается их разновидностей, то чаще используют напоминающую трубку, а внутри и находятся пары ртути. Это очень экономичный источник света, который распространен в общественных заведениях (школах, больницах, офисах и так далее).

Источники света естественные и искусственные, примеры которых мы рассмотрели, просто необходимы для человека и других живых существ нашей планеты. Естественные источники не дают нам потеряться во времени, а искусственные заботятся о нашем здоровье и благополучии на предприятиях, уменьшая процент аварий и несчастных случаев.

ИСТОЧНИКИ СВЕТА. СВЕТИЛЬНИКИ

Источник света – устройство, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в оптическое излучение. Различают 2 вида оптического излучения: тепловое и люминесцентное.

Тепловое оптическое излучение возникает при нагреве тел. На этом принципе основано действие ламп накаливание (ЛН) и галогенных ламп накаливания (ГЛН) .

Галогенные лампы накаливания кроме тела накала в стеклянной колбе содержат галогены, концентрирующиеся на ее стенках. Например, йод, испаряясь со стенок, покрывает нить накала и препятствует тем самым ее разрушению.

Лампы накаливания имеют элементарно простую схему включения, на их работу практически не влияют условия внешней среды. Но у них очень низок к.п.д. (всего 3%), отличная от естественного света цветность и сравнительно короткий срок службы – до 1000 часов.

Галогенные лампы в сравнении с обычными лампами накаливания имеют более стабильный во времени световой поток и повышенный срок службы. Их рекомендуется применять в случаях, когда потребная мощность лампы 1000 Вт и более, а также в помещениях с повышенными требованиями к цветопередаче при невозможности использования люминесцентных ламп.

Люминесцентное оптическое излучение создается в газоразрядных лампах в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях, при этом светится специальное вещество – люминофор, находящийся на внутренних стенках лампы.

Различают люминесцентные лампы низкого давления :

ЛЛ – люминесцентная лампа;

ЛБ – лампа белого света;

ЛД – дневного света;

ЛДЦ – дневного света с улучшенной цветопередачей;

ЛЕ – близкая по спектру к солнечному свету;

и лампы высокого давления (дуговые) :

ДРЛ – дуговая ртутная;

ДРИ – дуговая ртутная с излучающими добавками;

ДНаТ – дуговая натриевая трубчатая;

ДКсТ – дуговая ксеноновая трубчатая;

ДРИМГЛ – дуговая ртутная с излучающими добавками металлогалогенная и т.д.

Люминесцентные лампы более экономичны, у них больший срок службы (6-14 тыс. часов), они создают равномерное освещение в поле зрения, не сопровождаются тепловыми излучениями, их спектр излучения близок к спектру естественного света.

Недостатками таких ламп являются:

наличие пускорегулирующих аппаратов;

стробоскопический эффект;

высокая чувствительность к температурным условиям: лучшие условия соответствуют 15-40 0 С; при понижении температуры до 0 0 С количество испускаемого света уменьшается в 2 раза и резко ухудшаются условия зажигания ламп низкого давления. Поэтому на строительных площадках люминесцентные лампы низкого давления не применяют.

В ГОСТ 12.1.046-85 (Нормы освещения строительных площадок) даны следующие рекомендации по использованию источников света:

а) для выполнения наружных строительных и монтажных работ должны применяться лампы:

ЛН при ширине площадки до 20 м;

ДРЛ, ДНаТ – 20-150 м;

ДРИ – 150-300 м;

ДКсТ, ДКсШ при ширине площадки свыше 300 м;

б) для выполнения строительных и монтажных работ внутри помещения должны применяться лампы ЛН.

В административных помещениях необходимо применять только лампы ЛЛ.

Лидером в мировом производстве источников света является канадская фирма Vertek . Одна лампа Vertek в состоянии осветить площадь до 20 га.

Светильники – это световые приборы, перераспределяющие свет источника внутри больших (до 4¶) телесных углов.

В светильниках могут устанавливаться один или несколько источников света.

Правильный выбор светотехнических характеристик светильника гарантирует качество освещения при минимальной потребной мощности осветительной установки.

Важнейшей светотехнической характеристикой светильника является его светораспределение , которое определяется:

а) кривой силы света;

б) коэффициентом светораспределения;

в) коэффициентом формы.

Кривые силы света представляют собой линии равной силы света, изображенные в полярных координатах в меридиональной плоскости. Обычно эти кривые строят для условного источника света со световым потоком в 1000 лм. Типы кривых силы света: концентрированная, широкая, косинусная, синусная и т.д.

Коэффициент светораспределения (К с ) равен отношению светового потока, направляемого в нижнюю полусферу (Ф л. н.), к полному световому потоку лампы (Ф л.):

К с = Ф л.н. /Ф л. .

По коэффициенту светораспределения все светильники делятся на 5 классов:

П (прямого света): К с более 80%;

Н (преимущественно прямого света): К с = 60-80%;

Р (рассеянного света): К с = 40-60%;

В (преимущественно отраженного света): К с = 20-40%

О (отраженного света): К с менее 20%.

Светильник класса П используются в основном для освещения производственных помещений и строительных площадок, класса Н – для освещения административных и лабораторных помещений. Светильники классов Р, В, О применяются при наличии специальных требований к качеству освещения. Светильники отраженного света применяют в производственных и общественных помещениях со светлыми полированными поверхностями стен и потолков, где коэффициент отражения ρ > 0,3.

Коэффициент формы (К ф ) равен отношению максимальной силы света в меридиональной плоскости к условному среднеарифметическому значению силы света:

К ф = I max /I ср.

Установка светильников должна обеспечивать безопасный и удобный доступ к ним для обслуживания.

По степени защи ты от пыли, влаги и взрыва светильники классифицируются следующим образом:

КЛАССИФИКАЦИЯ СВЕТИЛЬНИКОВ

ПО ЗАЩИТЕ ПО ЗАЩИТЕ ПО ЗАЩИТЕ

ОТ ПЫЛИ ОТ ВЗРЫВА ОТ ВЛАГИ

Незащищенные Повышенной Взрывоне- Незащищенные

надежности проницае-

Откры- Перекры- мые Брызгозащищенные

Струезащищенные

Пылезащищенные

Водонепроницае-

Полностью Частично мые

Пыленепроницаемые Герметичные

Полностью Частично

Открытые светильники не имеют какой-либо защиты от запыления.

В перекрытых светильниках попадание пыли внутрь светильника ограничивается неуплотненной светопропускающей оболочкой.

В пылезащищенных светильниках проникновение пыли внутрь затруднено, но не исключено в количествах, не нарушающих удовлетворительную их работу.

В полностью пылезащищенных светильниках предусмотрена защита от пыли как токоведущих частей, так и колбы лампы, а в частично пылезащищенных – лишь токоведущих частей.

В брызгозащищенных светильниках исключается попадание на токоведущие части и колбу лампы капель и брызг, падающих под углом с вертикалью не более 45 0 .

Струезащищенная конструкция обеспечивает защиту при обливании светильника струей воды любого направления.

Водонепроницаемое исполнение должно обеспечивать защиту токоведущих частей и колбы лампы от попадания воды при погружении светильника в воду на ограниченное время, а герметичное – при погружении на неограниченно долгое время.

Взрывонепроницаемое исполнение должно исключать возникновение взрыва при воздействии окружающей среды на корпус светильника. Это достигается ограничением предельно допустимой температуры его поверхности. Одновременно конструкция светильника

препятствует распространению взрыва, возникшего внутри, во внешнюю среду.

Использование светильников повышенной надежности против взрыва не исключает возможности передачи взрыва, возникшего внутри светильника, во внешнюю среду, но сводит такую вероятность до минимума применением специального взрывонепроницаемого патрона.

Выбранный светильник должен удовлетворять следующим требованиям :

соответствовать условиям окружающей среды;

обеспечивать необходимое светораспределение и исключать слепящее действие;

быть экономичным.

Условия окружающей среды определяют конструктивное исполнение светильника.

Специальным видом светильников являются щелевые световоды, применяемые для освещения взрывопожароопасных производств. Светильники состоят из оптической системы, группы источников света большой мощности (20-40 кВт), располагаемых вне помещения, и канала световода длиной до 100 м при диаметре до 1,5 м.

Широко распространены на строительных площадках прожекторы – световые приборы, перераспределяющие свет внутри малых телесных углов и обеспечивающие угловую концентрацию светового потока.

Для освещения применяются, например, галогенные прожекторы типа ИО-02, ИСУ-01 и прожекторы для ламп накаливания – ПЗМ, НО.

Преимущества прожекторов:

экономичность,

благоприятное для объемного видения соотношение вертикальной и горизонтальной освещенности,

меньшая загруженность территории столбами и воздушной проводкой,

удобство обслуживания.

Недостатки: необходимость мер по снижению слепящего действия и исключению теней.

РАСЧЕТ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Проектирование искусственного освещения начинают при разработке проектов организации строительства и проекта производства работ .

Ориентировочно выявляют разряды зрительных работ на различных участках территории строительства и составляют карту дислокации строительных участков по нормам освещенности (зонирование).

Предварительно устанавливаются исходные данные :

определяется система освещения;

выбирается тип источника света (лампы);

выбирается тип светильников с учетом загрязненности воздушной среды и в соответствии с требованиями взрыво- и пожаробезопасности;

производится распределение светильников и определяется их количество; светильники могут располагаться рядами, в шахматном порядке, ромбовидно;

определяются нормы освещенности на рабочем месте.

Расчет освещения проводится следующими методами.

1 метод. Для расчета общего равномерного освещения при горизонтальной рабочей поверхности с учетом светового потока, отраженного от потолка и стен, используется «метод светового потока» .

Световой поток лампы Ф л (лм) при лампах накаливания или световой поток группы ламп светильника при люминесцентных лампах рассчитывают по формуле:

где Е н – нормированная минимальная освещенность, лк;

S – площадь освещаемого помещения, м 2 ;

Z = Е ср /Е min = 1,1…1,5 – коэффициент минимальной освещенности;

К – коэффициент запаса, равный 1,4…1,8;

N – количество светильников (ламп накаливания) в помещении;

Η – коэффициент использования светового потока ламп, зависящий от индекса (показателя) помещения I и коэффициентов отражения потолка ρ п, стен ρ ст и пола ρ р.

Показатель помещения определяется по формуле:

где А и В соответственно длина и ширина помещения, м;

Н р – высота светильников над расчетной поверхностью, м.

По значению светового потока выбирают ближайшую стандартную лампу ЛН или люминесцентные лампы светильника (и их необходимое количество) и определяют электрическую мощность всей осветительной системы.

2 метод. Для расчета общего локализованного и местного освещения, освещения наклонных плоскостей, а также для проверки расчета равномерного общего освещения, когда отраженным световым потоком можно пренебречь, применяют «точечный метод» .

Сущность метода заключается в определении освещенности точки световым потоком, падающим от излучателя света. При этом освещенность поверхности равна:

где I а – сила света в направлении от источника на данную точку

рабочей поверхности, кд;

α – угол, определяющий направление силы света в расчетную

точку (угол между нормалью к рабочей поверхности и на-

правлением на источник света), 0 .

При расчете освещенности, создаваемой в точке несколькими светильниками, подсчитывают освещенность от каждого из них, а затем находят арифметическую сумму освещенностей.

3 метод. Для ориентировочных расчетов используется «метод удельной мощности» . Данный метод позволяет определить мощность каждой лампы для создания в помещении нормируемой освещенности.

Во всех случаях, когда для освещения открытых пространств площадью более 5000 м 2 невозможно разместить обычные светильники над освещаемой поверхностью, применяют прожекторное освещение.

При расчете прожекторного освещения выбирается нормируемая освещенность и коэффициент запаса, учитывающий старение и запыление ламп. Затем подбирается тип прожектора, наименьшая высота его установки из условий минимальной слепимости, проектируются расстановка мачт и углы наклона оптической оси прожекторов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.046-85 для освещения строительных площадок и участков рекомендуется применять следующие типы прожекторов: ПСМ, ПЗР, ПЗС, ПКН, ИСУ, ОУКсН, СКсН.

СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение.

Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под ред. Г.М.Кнорринга. М., 1976.

Охрана труда в машиностроении. Под ред. Е.Я.Юдина и С.В.Белова. М., 1983.

Существуют природные, или естественные, источники света. Это Солнце, звезды, атмосферные электрические разряды (например, молния). Луну также причисляют к источникам света, хотя правильнее было бы отнести её к отражателям света, так как она сама свет не излучает, а лишь отражает падающие на нее солнечные лучи. Естественные источники света существуют в природе независимо от человека.

Источники света. Люминесцентная пампа: 1 - контакты; 2 - стеклянная трубка, изнутри покрытая люминофором и наполненная инертным газом. Лампа накаливания: 1 - баллон; 2 - нить накала; 3 - держатель; 4 - цоколь. Ртутная газоразрядная лампа.

Электрическая дуга тоже может быть источником света.

Но есть множество источников света, создаваемых человеком. Это тела, вещества и устройства, в которых энергия любого вида при определенных, зависящих от человека условиях преобразуется в свет. Простейшие и древнейшие из них - костер, факел, лучина. В древнем мире (Египте, Риме, Греции) в качестве светильников использовали сосуды, наполненные животным жиром. В сосуд опускали фитиль (кусок веревки или скрученную в жгут тряпицу), который пропитывался жиром и горел довольно ярко.

В дальнейшем, вплоть до конца XIX в., основными источниками света служили свечи, масляные и керосиновые лампы, газовые фонари. Многие из них (например, свечи и керосиновые лампы) дожили до наших дней. Все эти источники света основаны на сжигании горючих веществ, поэтому их еще называют тепловыми. В таких источниках свет излучают мельчайшие раскаленные твердые частицы углерода. Их световая отдача очень мала - всего около 1 лм/Вт (теоретический предел для источника белого света около 250 лм/Вт).

Величайшим изобретением в области освещения было создание в 1872 г. русским ученым А. Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания. Лампа Лодыгина представляла собой стеклянный сосуд с помещенным внутрь его угольным стержнем; воздух из сосуда откачивался. При пропускании по стержню электрического тока стержень разогревался и начинал светиться. В 1873 - 1874 гг. А. Н. Лодыгин проводил опыты по электрическому освещению кораблей, предприятий, улиц, домов. В 1879 г. американский изобретатель Т. А. Эдисон создал удобную для промышленного изготовления лампу накаливания с угольной нитью. С 1909 г. стали применять лампы накаливания с зигзагообразно расположенной вольфрамовой проволочкой (нить накаливания), а спустя 3–4 года вольфрамовую нить начали изготовлять в виде спирали. Тогда же появились первые лампы накаливания, наполненные инертным газом (аргоном, криптоном), что заметно повысило срок их службы. С начала XX в. электрические лампы накаливания благодаря экономичности и удобству в эксплуатации начинают быстро и повсеместно вытеснять другие источники света, основанные на сжигании горючих веществ. В настоящее время лампы накаливания стали наиболее массовыми источниками света.

Все многочисленные разновидности ламп накаливания (более 2000) состоят из одинаковых частей, различающихся размерами и формой. Устройство типичной лампы накаливания показано на рисунке. Внутри стеклянной колбы, из которой откачан воздух, на стеклянном или керамическом штенгеле при помощи держателей из молибденовой проволоки закреплена спираль из вольфрамовой проволоки (тело накала). Концы спирали прикреплены к вводам. В процессе сборки из колбы лампы через штенгель откачивают воздух, после чего её наполняют инертным газом и штенгель заваривают. Для крепления в патроне и подключения к электрической сети лампу снабжают цоколем, к которому подводят вводы.

Лампы накаливания различают по областям применения (осветительные общего назначения, для фар автомобилей, проекционные, прожекторные и т. д.); по форме тела накала (с плоской спиралью, биспиральные и др.); по размерам колбы (миниатюрные, малогабаритные, нормальные, крупногабаритные). Например, у сверхминиатюрных ламп длина колбы меньше 10 мм и диаметр меньше 6 мм, у крупногабаритных ламп длина колбы достигает 175 мм и более, а диаметр больше 80 мм. Лампы накаливания изготовляют на напряжения от долей до сотен вольт, мощностью до десятков киловатт. Срок службы ламп накаливания от 5 до 1000 ч. Световая отдача зависит от конструкции лампы, напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10–35 лм/Вт.

В 1876 г. русский инженер П. Н. Яблочков изобрел дуговую угольную лампу переменного тока. Это изобретение положило начало практическому использованию электрического заряда для целей освещения. Созданная П. Н. Яблочковым система электрического освещения на переменном токе с применением дуговых ламп - «русский свет» - демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. и пользовалась исключительным успехом; вскоре во Франции, Великобритании, США были основаны компании по её использованию.

Начиная с 30‑х гг. XX в. получают распространение газоразрядные источники света, в которых используется излучение, возникающее при электрическом разряде в инертных газах или парах различных металлов, особенно ртути и натрия. Первые образцы ртутных ламп в СССР были изготовлены в 1927 г., а натриевых ламп - в 1935 г.

Газоразрядные источники света представляют собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, а иногда и некоторое количество паров металлов или других веществ. В оболочку впаяны электроды, между которыми и возникает электрический разряд.

Наиболее широко для освещения зданий и сооружений применяются люминесцентные лампы, в которых ультрафиолетовое излучение электрического разряда в парах ртути преобразуется при помощи особого вещества - люминофора - в видимое, т. е. в световое, излучение. Световая отдача в срок службы люминесцентных ламп в несколько раз больше, чем ламп накаливания того же назначения. Среди подобных источников света наибольшее распространение получили ртутные люминесцентные лампы. Выполняется такая лампа в виде трубки из стекла (см. рис.) с нанесенным на её внутреннюю поверхность слоем люминофора. С двух концов в трубку впаяны вольфрамовые спиральные электроды для возбуждения электрического разряда. В трубку же вводят каплю ртути и немного инертного газа (аргона, неона и др.), который увеличивает срок службы и улучшает условия возникновения электрического разряда. При подключении лампы к источнику переменного тока между электродами лампы возникает электрический ток, возбуждающий ультрафиолетовое свечение паров ртути, которое в свою очередь вызывает свечение люминофорного слоя лампы. Световая отдача люминесцентных ламп достигает 75–80 лм/Вт. Мощность их колеблется в пределах от 4 до 200 Вт. Срок службы превышает 10 тыс. ч. Длина люминесцентных ламп составляет от 130 до 2440 мм. По форме трубки различают лампы прямые, V‑образные, W‑образные, кольцевые, свечеобразные. Такие лампы широко применяются для освещения помещений, в копировальных аппаратах, в световой рекламе и т. д. Для освещения автострад применяют натриевые лампы со световой отдачей до 140 лм/Вт. Улицы освещаются обычно ртутными лампами со световой отдачей 80–95 лм/Вт. Для газоразрядных источников света кроме высокой световой отдачи характерны простота и надежность в эксплуатации.

Совершенно новый тип источника света представляют собой лазеры, которые дают световые пучки с острой направленностью, исключительно яркие и однородные по цвету. А будущее осветительных приборов лежит за светодиодами.

Свет всегда окружает нас в природе. И солнечный свет, и лунный свет, и звездный свет являются наиболее важными источниками света к жизни человека. Но, также, из-за потребности в дополнительном свете, люди научились собственными силами создавать свет. Понимание фундаментального различия между естественным и искусственным светом является отправной точкой в описании естественных и искусственных источников света. Природные источники света существуют в природе и находятся вне контроля людей. Они включают в себя солнечный свет, лунный свет, свет звезд, различных растительных и животных источников, радиолюминесценцию, и, конечно, огонь.

Искусственными источниками света могут управлять люди. Примеры таких источников – пламя от сгорающих поленьев, языки пламени масляной или газовой горелки, электрические лампы, свет от фотохимических реакций, и других различных реакций, например свет от реакций со взрывчатыми веществами.
Из-за их очевидных преимуществ с точки зрения доступности, безопасности, чистоты, и возможности удаленного управления, электрические лампы вытеснили почти все другие искусственные источники освещения в жизни человека. Однако, так как энергия, необходимая для работы таких искусственных источников света обеспечивается в основном при потреблении природных ресурсов, мы приходим к мысли о том, что необходимо в максимально возможной степени использовать природные источники света.

Эксплуатации природных источников света остается одной из самых больших проблем в освещении.

Дизайнеры и архитекторы прикладывают огромные усилия в целях максимального использования источников света такого типа.

А вы знаете, какими характеристиками обладают ? О них вы сможете узнать все из нашей статьи.

А светодиодные источники ультрафиолетового излучения можно прочитать . Попробуйте разобраться, в каких областях лежит применение таких источников?

С практической точки зрения, источники света могут быть классифицированы с точки зрения качеств света, который они производят . Эти качества имеют решающее значение для результата освещения и должны быть в первую очередь учтены при выборе источника для освещения.

Наиболее естественный свет исходит от солнца, также естественен и лунный свет. Его происхождение делает его абсолютно чистым, и он не потребляет природные ресурсы. В то же самое время искусственные источники для преобразования накопленной энергии в световую энергию обычно требуют потребления природных ресурсов, таких как ископаемое топливо. Электрическое освещение с одной стороны превосходит по всем параметрам обыкновенное пламя от сгорание древесины, газа, нефти, но и является источником загрязнения. В то же самое время, электричество может быть получено из природных источников энергии, таких как ветер, гидро-, геотермальная и солнечная энергии.
Принцип работы электрической лампы накаливания определяет практически все параметры света создающегося такой лампой. В общем и целом, лампы накаливания генерируют свет по принципу накаливания, при котором металл нагревается до тех пор, пока он не начинает светиться.
В это же время большинство других типов ламп излучают свет посредством сложной системы химических реакций, при протекании которых электрическая энергия превращается в световую энергию.

При этом выделение тепловой энергии всегда является побочным эффектом.

Эти процессы протекают в таких лампах в отношении генерируемого света обычно более эффективно, чем в лампах накала — за счет сложности и других ограничений. Например, флуоресцентная лампа генерирует свет при подачи электрического напряжения в газе, который в свою очередь испускает ультрафиолетовое излучение, которое окончательно преобразуется в видимый свет особым веществом, которое и обеспечивает необходимое свечение. Этот процесс генерирует свет примерно на 400 процентов более эффективно , чем в случае с обычными лампами накаливания.

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.