Источники света

Облако, окутанное лучами Солнца — главного источника тепла и света на Земле

Источник света — светящийся объект, излучающий энергию в световом диапазоне.

Cвойства источников светаПравить

Различают тепловые источники света - И. с., в которых свет возникает при нагревании тел до высокой температуры, и люминесцентные, в которых свет возникает в результате превращения тех или иных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, независимо от теплового состояния излучающего тела. Искусственные И. с. могут подразделяться: по роду используемой энергии на химические, электрические, радиоактивные и др., по назначению на осветительные, сигнальные и т. п. Каждый из типов, в свою очередь, может классифицироваться по различным дополнительным признакам, например по конструктивно-технологическим, эксплуатационным и др.

Первые искусственные И. с. (костёр, лучина, факел) появились в глубокой древности. До конца 19 в. применялись в основном тепловые И. с., основанные на сжигании горючих веществ (свечи, масляные и керосиновые лампы, калильные сетки). Излучение в них создаётся раскалёнными в пламени мельчайшими частицами твёрдого углерода или калильными сетками. Они дают непрерывный спектр излучения. Их световая отдача очень мала и не превышает 1 лм/вт (теоретический предел для белого света около 250 лм/вт).

В конце 19 в. появились первые практически пригодные электрические И. с., в создание которых большой вклад внесли русские учёные П. Н. Яблочков, В. Н. Чиколев, А. Н. Лодыгин и др. С начала 20 в. электрическая лампа накаливания благодаря экономичности, гигиеничности и удобству в эксплуатации начинает быстро и повсеместно вытеснять И. с., основанные на сжигании. Современная электрическая лампа накаливания — тепловой И. с., в котором излучение создаётся спиралью из вольфрамовой проволоки, накалённой до высокой температуры (около 3000 К) проходящим через неё электрическим током. Лампы накаливания — наиболее массовые И. с. Их светоотдача составляет 10—30 лм/вт.

Начиная с 30-х гг. ХХ века широкое распространение получили газоразрядные источники света. Благодаря более высокому кпд излучения, большему разнообразию по спектральному составу и другим характеристикам, чем у ламп накаливания, газоразрядные источники света находят применение для освещения, сигнализации, рекламы (см. Газосветная трубка) и для других целей. Особенно широко для освещения применяются люминесцентные лампы, в которых электрический разряд происходит в разряжённых парах ртути. Они относятся к люминесцентным источникам света (или к источникам света смешанного излучения, т. е. люминесценции и теплового). Ультрафиолетовое излучение ртутного разряда с помощью люминофоров преобразуется в видимое; светоотдача современных люминесцентных ламп белого света до 80—85 лм/вт.

Существуют также и лампы в которых электрический разряд происходит в разряжённых парах натрия. Эти лампы не требуют люминофора, так как, линия излучения натрия находится в жёлтой части спектра. В этой области спектра глаз человека обладает наибольшей чувствительностью. Такие лампы являются достаточно экономичными. Однако, так как спектр излучения таких ламп линейчатый и узкозональный (только в жёлтой области спектра) различать цвета при таком освещении практически невозможно.

В так называемых электролюминесцентных панелях, люминесценция порошкообразных люминофоров, находящихся в среде диэлектрика, возникает под действием переменного электрического поля. По эффективности такие панели близки к лампам накаливания и применяются главным образом как световые индикаторы, табло, декоративные элементы и т. д. В полупроводниковых И. с. люминесценция возникает при прохождении тока через P/N переход. P/N переходы на основе арсенида галлия, например, дают инфракрасное излучение, фосфид галлия и карбид кремния — видимое и т. д. Эти И. с. применяются для специальных целей; кпд их изначально был невелик. В катодолюминесцентных И. с. люминофор возбуждается быстрыми электронами (индикаторные радиолампы, электронно-оптические преобразователи, электроннолучевые трубки и т. д.).

В радиоизотопных И. с. люминофор возбуждается продуктами радиоактивного распада некоторых изотопов, например трития. Эти И. с. не требуют внешнего источника энергии, имеют большой срок службы, но дают небольшие световые потоки малой яркости. В принципе возможны хемилюминесцентные И. с., в которых люминесценция возникает в результате превращения энергии химических реакций в излучение (например, как при свечении, наблюдаемом в животном и растительном мире, — глубоководные рыбы, светлячки и др.). Подробнее см. ст. Люминесценция.

Природа возникновения светаПравить

 
Излучение фотона света при переходе атома с зарядом ядра +Ze с третьего энергетического уровня во второй. ---- До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Флуоресцениция и её частный случай, люминесценция, в зависимости от возбуждающего начала, или от физической природы подразделяются на виды:

Установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и может иметь лишь определённые значения, свой набор величин для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10−8 секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные — возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии — фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

E = h ν n m E=h \nu_{nm} ,

где h — постоянная Планка, а νnm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней: ν n m = E n E m h \nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}

Нагретое до определённой температуры вещество начинает излучать свет. Неважно, будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или Солнце, у которого температура на поверхности составляет тысячи градусов.

С ростом температуры тела излучение дополняется всё более высокими частотами. Таким образом, излучение тела, нагретого до нескольких тысяч градусов, будет представлять сплошной спектр: от инфракрасного до ультрафиолетового.[1]

См. также: Корпускулярно-волновой дуализм, Вынужденное излучение

Интенсивность светаПравить

Любой источник света характеризуется своей интенсивностью — средним по времени значением величины вектора Пойнтинга:

I == I==

Таким образом, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электомагнитного поля: I E 0 2 B 0 2 I \sim E_0^2 \sim B_0^2

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

I = ε 0 c ε μ E 0 2 2 I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2} ,

где ε 0 \varepsilon_0 диэлектрическая постоянная, c = 1 ε 0 μ 0 c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме), ε μ \sqrt{\varepsilon \mu} коэффициент преломления среды, μ \mu магнитная проницаемость вещества, ε \varepsilon диэлектрическая проницаемость вещества.

Моделирование источников света в виртуальных пространствахПравить

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх, выделяют три основных вида источников света:

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными моделями затенения, например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.[2]

Типы источников светаПравить

По своей природе источники света подразделяются на искусственные и естественные.

Естественные источники светаПравить

Естественными И. с. являются Солнце, Луна, звёзды, атмосферные электрические разряды и др.


Искусственные источники светаПравить

ПламяПравить

  Основная статья: Пламя

Лампы с нитью накаливанияПравить

  Основная статья: Электрический свет
  Основная статья: Лампа накаливания
  Основная статья: Галогенная лампа

Электродные газовые лампыПравить

Флюоресцентные газоразрядные лампыПравить

  Основная статья: Ртутная лампа

СветодиодыПравить

  Основная статья: Светодиод

ЛазерыПравить

Лазеры дают когерентные световые пучки высоких интенсивностей, исключительной однородности по частоте и острой направленности.

Некоторые характеристики источников светаПравить

Источник света
Потребляемая мощность Световой поток
Группа Тип Ватт lm/W (min) lm/W (типовое) lm/W (max)
Пламя Свеча ca. 50 (Wärmeleistung) 0,1
Керосиновая лампа 0,2
Пламя + Ауэровский колпачёк Мощные лампы bis 1000 (тепловая мощность) 5,0
Светодиод Синий 0,05 bis >1 1,0 8,5 16,0
Красный 0,05 bis >1 5,0 47,5 90,0
Белый, Entwicklungsziel der EU 0,05 bis >1 200,0
Светодиод + люминофор Белый (синий + люминофор) 0,05 bis >1 1,0 50,5 150,0[3][4]
Лампы накаливания лампа накаливания 230V 5 5,0
лампа накаливания 230V 25 9,2
лампа накаливания 230V 40 10,0 10,0 10,3
лампа накаливания 230V 60 11,5 12,0 12,5
лампа накаливания 230V 75 12,4
лампа накаливания 230V 100 13,8 14,5 15,0
галогенная лампа 230V 100 16,7
галогенная лампа 230V 500 19,8
галогенная лампа 230V 1000 24,2
галогенная Niederspannung 50 20
галогенная 12 V (KFZ, real 13,8V) 55 27,0 27,5 28,0
Газоразрядные лампы + Люминофор Компактные люминесцентные лампы 5 45,0
Компактные люминесцентные лампы 23 40 60 80
Компактные люминесцентные лампы 26 70
Компактные люминесцентные лампы 70 75
Leuchtröhre, auch als Kaltkathode oder CCFL bezeichnet 11 50 55 60
Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel) 36 60 75 90
Leuchtstofflampe inkl. konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel) 55 40 50 59
Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) 36 80 95 110
Leuchtstofflampe inkl. elektronischem Vorschaltgerät (EVG) 50 58 68 79
Induktionslampe
(Elektrodenlose Leuchtstoffröhre mit induktiver Speisung)
80
Газоразрядные Ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления в видеопроекторах 100-300 10,0 22,5 35,0
Ксеноновые газоразрядные лампы (лампы высокого давления для кинопроекторов) mehrere Kilowatt 47
Металлогалогенные лампы [5] 35 bis >1000 70 94 106
Ртутная лампа высокого давления (HID)[6] 50 55 60
Тлеющий разряд, безлюминесцентные 8
Ксеноновая дуговая лампа 30 50 150
Ртутно-ксеноновые дуговые лампы (автомобильные фары) 35 50-80 52-93 106[7]
Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками 50 36
Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками 400 60
лампы типа галоген-пары металла (HCI, HQI) 250 93 100 104
Натриевые лампы высокого давления ab 50 150
Натриевые лампы низкого давления ca. 80 150 175 200
Серная лампа 1400 95
Газоразрядные трубки Натриевые лампы высокого давления 35 - 1000 W 120 140 150
теоретический световой поток тепловое излучение, 6600 K[8] 95
белый, 410–705 nm 240
зелёный, 550 nm 683

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Г.С. Ландсберг Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 12-е изд.. — М.: Физматлит, 2001. — 656 с. — ISBN 5-9221-0138-2о книге
  2. Д. Роджерс Алгоритмические основы машинной графики = Procedural elements for computer graphics ‭. — пер. с англ.. — М.: Мир, 1989. — ISBN 5-03-000476-9,0-07-053534-5о книгеРегулярное выражение «ISBN» классифицировало значение «0070535345(англ.)» как недопустимое.
  3. белый светодиод 150 lm/W. Шаблон:Internetquelle
  4. weiße Leuchtdiode mit 136 lm/W: OSRAM Opto Semicondcutors: [1] 21. Juli 2008
  5. laut Osram
  6. nach Osram
  7. angeblich bei 50 W erreicht, Quelle
  8. The Great Internet Light Bulb Book, Part I

ЛитератураПравить

  • Иванов А. П., Электрические источники света, ч. 1—2, М.—Л., 1938—48
  • Шателен М. А., Русские электротехники второй половины XIX века, М.—Л., 1950

Внешние ссылкиПравить

Источники света (искусственного и естественного)
Источники искусственного света Источники естественного света
Вид излучения Название источника Вид излучения Название источника
Накаливания Лампа накаливанияГалогенная лампа Солнечное Солнце ([Видимый [свет]] • ИКУФ)
Флуоресцентные Люминесцентная лампаИндукционная лампаРтутная лампаЛампа чёрного света Лунное и других небесных тел свет планет, свет комет Луна (отражённые лучи солнца), планета, комета
Газоразрядные Лампы высокой интенсивностиНеоновая лампанатриевая газоразрядная лампаКсеноновая лампа-вспышкаГазосветные лампы Вулканическое Лава (Излучение расплавленных подземных пород при извержении вулкана)
Электродуговые Дуговая лампаКсеноновая дуговая лампаСвеча ЯблочковаМеталгалогенидная лампа Свечение Атмосферное Полярное сияние(свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра)
На сгорании Ацетиленовые лампыСвечиГазовая лампаКеросиновая лампаДруммондов светМасляные лампыЛучинаФакел Атмосферные электрические разряды Молния
Прочие Серная лампаСветодиоды (светодиодная лампаОрганический светодиод) Свет пожаров Лесной пожар,
Люминесценции ХемилюминесценцияРадиолюминесценцияСонолюминесценция Свет люминесценций в природе БиолюминесцентияХемилюминесценция
Осветительное оформление ПрожекторЛюстраТоршерБраЛампочка ИльичаMR16Фонарь (УличныйКарманный) • Взрывобезопасная лампаПлазменная лампаЭлектролюминесцентный проводЛавовая лампаОптическое волокно Свечение окисляющихся органических объектов и минералов Светящиеся браслетыАлмазХрустальКварц и др.