Джерела світла: види, основні характеристики та області застосування

Світло (з латинської мови lucis) або видиме світло являє собою частину спектру електромагнітного випромінювання, яке сприймається людським оком. Елементарною одиницею світла є фотон. Елементарні частинки мають певну довгу хвилю, залежну від джерела світла, яке їх породило. Фотон підпорядковується законам квантової механіки і в різних фізичних умовах може проявляти себе або як частинка, або як хвиля.

Історична еволюція приладів для освітлення

Перші джерела видимого електромагнітного випромінювання, які використовувало людство для своїх потреб, були засновані на спалюванні пального рослинного (дерево) або тваринного походження (сало і жир).

Стародавні греки і римляни вперше стали використовувати глиняні і бронзові судини, в які поміщали горючі речовини. Ці судини стали прабатьками сучасних ламп.

Наприкінці XVIII століття швейцарський хімік Аргант винайшов лампу з фітилем, в якій як паливо використовували гас. Наприкінці XIX століття Едісон запатентував електричну лампу розжарювання. Після цього винаходу і завдяки швидкій динаміці розвитку індустрії, починає з 'являтися безліч інших електричних джерел випромінювання.

Фізика світла

Спектр випромінювання, який бачить око людини, лежить в приділах довжин хвиль фотонів від 400 нм до 700 нм. Джерелом світла є фізичний процес, який відбувається в атомі речовини. Атом в результаті будь-якої дії може отримати енергію ззовні, частина цієї енергії він передає своїй електронній підсистемі.

Енергетичні рівні електрону в атомі є дискретними, тобто кожному з цих рівнів відповідає конкретна величина. Завдяки отриманій ззовні енергії деякі електрони атома можуть перейти на енергетичні рівні більш високого порядку, в цьому випадку можна говорити про збуджений електронний стан. У цьому стані електрони виявляються нестійкими і знову переходять на рівні з меншою енергією. Цей процес супроводжується випромінюванням фотонів, яке і є світлом, яке ми сприймаємо.

Термічне випромінювання

Процес термічного випромінювання являє собою фізичний процес, при якому електронна підсистема збуджується за рахунок передачі їй кінетичної енергії від ядер атомів. Якщо будь-який об 'єкт, наприклад металеву пластину, піддати нагріву до високих температур, то він почне світитися. Спочатку видиме світло буде мати червоний колір, оскільки ця частина видимого спектра є найменш енергетичною. При збільшенні температури металу він стане випромінювати біло-жовте світло.

Зазначимо, що при нагріванні металу він спочатку починає випускати інфрачервоні промені, які людина не здатна бачити, але відчуває їх у вигляді тепла.

Люмінесцентне випромінювання

Цей тип випромінювання виникає без попереднього нагріву тіла і складається з двох послідовних фізичних процесів:

1. Поглинання електронної підсистемої енергії і перехід цієї підсистеми в збуджений енергетичний стан.
2. Випромінювання у світловому діапазоні, пов 'язане з поверненням електронної підсистеми в основний енергетичний стан.

Якщо обидва етапи відбуваються в часовому інтервалі в кілька секунд, то процес називається флуоресценцією, наприклад, випромінювання екрану телевізора після його вимикання є флуоресцентним. Якщо ж обидва етапи процесу випромінювання відбуваються протягом кілька годин і довше, то таке випромінювання називається фосфоресценцією, наприклад, години, що світяться в темній кімнаті.

Класифікація світла

Всі джерела видимого для людського ока електромагнітного випромінювання залежно від його походження можна розділити на дві великі групи:

1. Природні джерела. Вони випромінюють електромагнітні хвилі завдяки природним фізичним і хімічним процесам, наприклад природними джерелами світла є зірки, світлячки та інші. Вони можуть бути об 'єктами як живої, так і неживої природи.
2. Штучні джерела світла. Вони зобов 'язані своїм походженням людині, оскільки є її винаходом.

Штучні прилади видимого електромагнітного випромінювання

У свою чергу, штучні джерела бувають наступних типів:

• Лампи розжарювання. Вони випромінюють світло завдяки розігріву металевої нитки розжарювання до температури декількох тисяч градусів. Сама нитка розжарювання знаходиться в герметичній скляній судині, яка заповнена інертним газом, що запобігає процесу окислення нитки.
• Галогенові лампи. Являють собою новий еволюційний щабель ламп розжарювання, в яких до інертного газу, в якому знаходиться металева нитка розжарювання, додається галогеновий газ, наприклад, йод або бром. Цей газ вступає в хімічну рівновагу з металом нитки, яким є вольфрам, і дозволяє продовжити термін служби лампи. Замість скляного корпусу в галогенових лампах використовують кварц, який витримує вищі температури, ніж скло.
• Газорозрядні лампи. Цей вид джерел світла створює видиме електромагнітне випромінювання за рахунок електричних розрядів, які виникають у суміші газів і парів металу.
• Флуоресцентні лампи. Ці електричні джерела світла створюють випромінювання за рахунок флуоресцентного покриття внутрішньої сторони корпусу лампи, яке збуджується за рахунок ультрафіолетового випромінювання електричного розряду.
• Джерела LED (від англ. Light Emitting Diode). Цей вид джерел світла являє собою діодні джерела електромагнітного випромінювання. Вони відрізняються простотою пристрою і довгим терміном дії. Також їх перевагами перед іншими електричними джерелами світла є низька споживана потужність і практично повна відсутність теплового випромінювання.

Пряме і непряме випромінювання

Прямими джерелами світла є прилади, природні тіла та організми, які можуть самостійно випускати електромагнітні хвилі у видимому спектрі. До прямих джерел належать зірки, температура яких сягає десятків і сотень тисяч градусів, вогонь, лампа розжарювання, а також сучасні прилади, наприклад, плазмовий телевізор або рідкокристалічний монітор комп 'ютера, який виробляє випромінювання, індуковане мікро електричним розрядом.

Іншим прикладом прямих природних джерел світла є тварини, які мають біолюмінесценцію. Випромінювання в цьому випадку виникає як результат хімічних процесів, що відбуваються в організмі істот. До них належать світлячки і деякі жителі морських глибин.

Непрямі джерела світла являють собою тіла, які не випромінюють самостійно світло, але здатні його відбивати. При цьому відображаюча здатність кожного тіла залежить від його хімічного складу та фізичного стану. Непрямі джерела святяться тільки завдяки тому, що знаходяться під впливом електромагнітного випромінювання прямих джерел. Якщо непряме джерело не акумулює світлову енергію, то при припиненні впливу світла на нього воно перестає бути видимим.

Приклади непрямого випромінювання

Традиційним прикладом джерел світла даного типу є супутник Землі - Місяць. Це небесне тіло відображається сонячні промені, які падають на неї. Завдяки процесу відображення ми можемо бачити, як сам Місяць, так і навколишні нас предмети вночі в місячному світлі. З тієї ж причини видно в телескоп планети сонячної системи, а також нашу планету - Землю (якщо дивитися на неї з космосу).

Ще одним прикладом об 'єкта непрямого випромінювання, який відображає промені від джерела світла, є сама людина. Загалом, будь-який предмет є джерелом непрямого випромінювання за винятком чорної діри. Гравітаційне поле чорних дір настільки сильно, що навіть світло не може вибратися з нього.

Основні характеристики приладів

Основними характеристиками джерел світла є такі:

• Світловий потік. Фізична величина, яка характеризує кількість світла, що випускається джерелом за одну секунду у всіх напрямках. Одиницею вимірювання світлового потоку є люмен.
• Інтенсивність випромінювання. У деяких випадках виникає необхідність у знанні розподілу світлового потоку навколо його джерела. Саме цей розподіл і описує дана характеристика, яка вимірюється в канделах.
• Освітленість. Вимірюється в люксах і являє собою відношення світлового потоку до площі, що освітлюється ним. Ця характеристика важлива для комфортного виконання певних видів робіт. Наприклад, за міжнародними нормами освітленість на кухні повинна бути близько 200 люкс, а для навчання вже необхідні 500 люкс.
• Ефективність випромінювання. Є важливою характеристикою будь-якої електричної лампи, оскільки вона описує відношення світлового потоку, створюваного даним приладом, до споживаної їм потужності. Чим більше це відношення, тим більш економічною вважається лампа.
• Індекс кольору. Вказує, наскільки точно лампа відтворює кольори. Для ламп хорошої якості цей індекс лежить в області 100.
• Колірна температура. Являє собою міру "" белізни "" світла. Так, світло з переважаючими червоно-жовтими кольорами вважається теплим і має колірну температуру менше 3000 К, холодне світло має сині кольори і характеризується колірною температурою вище 6000 К.

Застосування штучних джерел видимого випромінювання

Кожне штучне джерело електромагнітного випромінювання певного типу використовується людиною в тій чи іншій сфері діяльності. Області світла такі:

• Лампи розжарювання продовжують залишатися основними джерелами освітлення приміщень завдяки їх низькій ціні і хорошому індексу кольоропередачі. Однак ці лампи поступово витісняються галогеновими.
• Галогенові лампи замислювалися як електроприлади, які повинні були підвищити ефективність ламп розжарювання, замінивши їх. Зараз вони знайшли своє застосування в автомобілях.
• Флуоресцентні джерела світла застосовуються головним чином для освітлення офісів та інших службових приміщень завдяки своїй різноманітності форм і випромінюванню розсіяного і рівномірного світла. Ефективність випромінювання такого типу ламп підвищується зі збільшенням їх довжини і діаметру.

Важливість природного світла для здоров 'я людини

Для всіх організмів, які мешкають на планеті Земля, обертання нашої планети і періодичність дня і ночі є важливими процесами для нормальної життєдіяльності і протікання біологічного циклу. Більше того, щоб бути здоровими, більшість живих істот потребують прямого сонячного випромінювання.

Якщо говорити про людину, то брак сонячного світла призводить до розвитку депресії, а також до нестачі вітаміну D, оскільки отримана людиною засмага дозволяє організму засвоювати цей вітамін з більшою легкістю.

Результати одного дослідження продемонстрували, що достатнє перебування людини під прямими сонячними променями дозволяє знизити і полегшити деякі симптоми певних захворювань. Зокрема, пов 'язані з депресією проблеми повністю або частково зникали у 20% пацієнтів. Природно, що одне лише сонячне світло не є ліками проти депресії, проте воно є невід 'ємною частиною комплексного лікування.