Дабудет свет!: история искусственных источников света
Так началась эра массового электрического освещения
Очевидно, и до изобретения электрического освещения люди осознавали необходимость неестественного света и пробовали «разгонять тьму». «В случае если у тебя спрошено будет: что нужнее, солнце либо месяц? — ответствуй: месяц. Потому что солнце светит днем, в то время, когда и без того светло; а месяц — ночью», — сказал Козьма Прутков. Яркость солнечного света так громадна, что мало неестественных источников света смогут с ним соперничать.
А вот ночью приходится ограничиваться жалким отражением солнечного света от лунной поверхности (да и то не всегда). Вот и приходится человечеству изобретать заменители.
Дар Прометея
Первым неестественным источником света был пламя, что, как мы знаем, был подарен человечеству Прометеем. В качестве стационарного источника света служил костер, в качестве переносных — факелы, конструкция которых со временем изменялась: от несложной головешки, вынутой из костра, до рукоятки, обмотанной паклей и пропитанной нефтью, жиром либо маслом. Не обращая внимания на то, что факел — весьма старое изобретение (считается, что ему около миллиона лет!), он используется и поныне: его далекие потомки, трудящиеся на газе, зажигают олимпийский пламя, а ракеты и фальшфейеры используют для сигнализации и ночной маркировки армейские, туристы и охотники.
Кроме факела в каменном веке человечество изобрело лампу — кувшин, наполненный жиром либо маслом, с загружённым в него фитилем (веревочным либо тканевым). В третьем тысячелетии до нэ показались первые свечи — бруски из перетопленного жёсткого животного жира (сала) с фитилем в. В средние века в качестве материала для свечей использовали пчелиный воск и китовый жир, на данный момент для этих целей употребляется парафин.
Факелы, свечи и лампы дают весьма не сильный свет. Спектр открытого огня резко отличается от солнечного, под что природа «заточила» человеческий глаз. Значительная часть излучения приходится на тепловой (ИК) диапазон. Видимый свет излучают по большей части частицы углерода, нагреваемые пламенем до большой температуры (именно эти несгоревшие частицы и образуют копоть). Спектр огня в видимом диапазоне захватывает только часть желтой и красной области.
действующий при таком свете фактически нереально, и многие средневековые ремесленные гильдии предусмотрительно запрещали работу по ночам при неестественном свете, поскольку уровень качества изделий наряду с этим быстро падало.
Поддайте газу!
В десятнадцатом веке широкое распространение взяло газовое освещение. В 1807 году первые газовые фонари зажигаются на одной из главных улиц Лондона — Пэлл-Мэлл.
А уже к 1823 году улицы Лондона, неспециализированной протяженностью 215 миль, освещали сорок тысяч газовых фонарей (каковые было принято именовать рожками). Зажигались они любой вечер вручную особыми людьми — фонарщиками. Кстати, эта должность была в некоторых государствах выборной и очень почетной.
Но газовое освещение было не через чур действенным. Основная неприятность заключалась в том, что газовое пламя, горящее при недостаточном притоке кислорода, дает броский свет, но наряду с этим очень сильно коптит, а чистое некоптящее пламя (при избытке кислорода) фактически невидимо. Но в 1885 году Уэлсбах внес предложение применять калильную сетку, воображающую собой мешочек из ткани, пропитанный раствором неорганических веществ (разных солей).
При прокаливании ткань сгорала, оставляя узкий «скелет», ярко светящийся при нагревании под действием пламени.
В конце XIX столетия показались керосиновые лампы, их возможно встретить и до сих пор. Многие из них оснащены калильными сетками (сейчас уже железными либо асбестовыми).
Первые шаги электричества
Первым электрическим источником света был, как это ни необычно, «фонарик на батарейках». Действительно, свет излучала не лампа накаливания, а электрическая дуга между угольными электродами, а батареи занимали целый стол. В 1809 году господин Хэмфри Дэви показал дуговой свет в Королевской академии наук в Лондоне.
Генераторов в то время не было (Фарадей открыл явление электромагнитной индукции только в первой половине 30-ых годов девятнадцатого века), и батареи были единственным источником электропитания.
Во второй половине 70-ых годов XIX века отечественный соотечественник Павел Яблочков усовершенствовал конструкцию, поставив электроды вертикально и поделив их слоем изолятора. Такая конструкция стала называться «свеча Яблочкова» и употреблялась во всем мире: к примеру, Парижский театр оперы и балета освещался посредством таких «свечей».
Электрическая дуга давала броский и достаточно сбалансированный по спектру свет, что разрешало применять его весьма обширно. К 1884 году большие американские города освещали более 90 тыс. дуговых ламп.
Тёплые нити
Большая часть людей связывают изобретение ламп накаливания с именем Эдисона. Но не обращая внимания на все его заслуги в данной области изобретателем лампы был все же не он.
Первая лампа накаливания больше напоминала ювелирное изделие либо произведение искусства как по трудоемкости, так и по цене. Задолго до Эдисона, в первой половине 20-ых годов XIX века, Уоррен Де ла Рю поместил платиновую проволочку в стеклянный сосуд, из которого был откачан воздушное пространство, и пропустил по ней ток. Лампа оказалась успешной, но платиновой!
Она была так дорогой, что о широком ее применении не могло быть и речи.
Множество изобретателей экспериментировали с разными материалами, но только во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века Джозеф Томас и Свен Эдисон независимо друг от друга создали лампу накаливания с угольной нитью. Для собственного изобретения Эдисон устроил массовую грандиозную презентацию: в канун нового, 1880 года он применял 100 собственных ламп, дабы осветить улицы, станцию и лабораторию города Менло-Парк (Нью-Джерси).
Поезда ломились от желающих взглянуть на это чудо, и Пенсильванской железной дороге кроме того было нужно разрешить войти дополнительные составы. Лампы Эдисона трудились примерно сто часов, потребляли 100 Вт и давали световой поток в 16 кандел (для сравнения — современная 100-ваттная лампа накаливания дает свет силой порядка 100−140 кандел).
Предстоящее совершенствование ламп происходило по двум направлениям: угольная нить была заменена в 1907 году на вольфрамовую, а с 1913 года лампы стали газонаполненными (сперва их заполняли азотом, позже перешли на криптон и аргон). Оба усовершенствования были сделаны в лабораториях компании General Electric, основанной Томасом Эдисоном.
Прекрасно знакомая читателям отечественного издания современная лампа накаливания недорога, обширно употребляется в быту, но нельзя сказать, что свет ее совершенен: он смещен в сторону красной и ИК-областей спектра. Эффективность кроме этого не радует: ее КПД образовывает всего 1−4%. В этом смысле лампа накаливания — скорее отопительный, а не осветительный прибор.
Лампы с начинкой
У простых ламп накаливания, не считая низкого КПД, имеется еще один большой недочёт. Вольфрам при работе неспешно испаряется с раскаленной поверхности нити и оседает на стенках колбы. Колба получает «тонированный» вид, что ухудшает светоотдачу.
А за счет испарения вольфрама с поверхности нити жизнь лампы уменьшается.
А вот в случае если в газ, наполняющий колбу, добавить пары, к примеру, йода, картина изменяется. Атомы испаренного вольфрама соединяются с атомами йода, образуя йодид вольфрама, что не оседает на стенках колбы, а разлагается на раскаленной поверхности нити накаливания, возвращая вольфрам в нить, а пары йода — обратно в колбу. Но имеется одно условие: температура стенок колбы также должна быть высокой — около 2500С.
Как раз исходя из этого колбы галогенных ламп такие компактные и, конечно, тёплые!
Галогенные лампы, за счет большой температуры нити, дают более белый свет и имеют более долгое время судьбы если сравнивать с простыми лампами накаливания.
Холодный свет
Эти лампы — прямые потомки электрической дуги. Лишь разряд в них происходит между двумя электродами в емкости, заполненной разными газами. В зависимости от давления (низкого — < 0,001 мм рт. ст., большого — 0,2−15 атм., очень высокого — 20−100 атм.) и вида заполняющего газа свойства излучения и назначение ламп смогут быть разны.
Всем узнаваемые люминесцентные лампы «дневного света» заполнены парами ртути под низким давлением. При пропускании электрического тока через пары ртути появляется дуговой излучение и разряд света в УФ-диапазоне. Люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы лампы, под действием ультрафиолета излучает видимый свет.
В зависимости от типа люминофора, свет возможно как чисто белым, так и «холодным» (голубоватым) либо «теплым» (желтоватым). Спектр люминесцентных ламп линейчатый и имеет несколько линий в разных областях спектра. КПД таких ламп достигает десятков процентов, в быту их довольно часто именуют «лампами холодного света».
Лучи прожекторов
Еще один вид газоразрядных ламп — HID (High Intensity Discharge — газоразрядные лампы высокой интенсивности, либо дуговые газосветные лампы). Тут люминофор не используется, а газ при протекании электрического тока и происхождении дугового разряда излучает свет в видимой области спектра. В качестве заполняющего газа в большинстве случаев используются пары ртути, натрия либо галиды металлов.
Ртутные дуговые лампы большого давления используются в прожекторах при освещении стадионов и других больших объектов, они дают весьма броский бело-светло синий свет (УФ отсеивается фильтрами). Мощность ртутных ламп может составлять десятки киловатт. Металл-галидные лампы — разновидность ртутных, они имеют скорректированную цветопередачу
и увеличенную эффективность.
Натриевые дуговые лампы низкого давления прекрасно привычны всем нам: как раз они стоят в уличных фонарях, дающих теплое «янтарное» свечение. Они хороши тем, что имеют хорошую эффективность, громадное время судьбы (более 25 тыс. часов) и весьма недороги.
Кстати говоря, прекрасно привычный автолюбителям «ксенон» (которым оснащаются современные машины представительского класса) — газоразрядные лампы очень высокого давления.
Огни реклам
Традиционно рекламные вывески, сделанные из гнутых газонаполненных труб, именуют неоновыми. Это также газоразрядные лампы, но на втором типе разряда — тлеющем. Интенсивность свечения в них не весьма громадна.
В зависимости от газа, закачанного вовнутрь, они смогут светиться различными цветами (фактически неоновые — красно-оранжевые).
Светодиоды
Говоря об независимых источниках света, нельзя не упомянуть о светодиодах (подробнее о светодиодах просматривайте в этом же номере. — Ред. «ПМ»). Это полупроводниковые устройства, генерирующие (при прохождении через них электрического тока) оптическое излучение. Излучение светодиода воспринимается людской глазом как одноцветное.
Цвет излучения определяется применяемым полупроводниковым материалом и легирующими примесями.
В силу большого КПД и низких рабочих токов и напряжений, светодиоды — хороший материал для изготовления независимых источников света. В компактных фонарях они не имеют себе равных и со временем, вероятнее, всецело вытеснят из этого сектора лампы накаливания.
Лазер
Лазер был создан независимо американским физиком Таунсом и отечественными соотечественниками Прохоровым и Басовым в первой половине 60-ых годов двадцатого века.
Лазер дает замечательный узкий пучок монохроматического (одной длины волны) излучения. Для неспециализированного освещения лазер не применяют, но для особых применений (к примеру, световые шоу) ему нет равных. В зависимости от типа применяемого принципов и рабочего тела, излучение лазера может иметь разные цвета.
В быту значительно чаще употребляются полупроводниковые лазеры — родные родственники светодиодов.
Световая экзотика
Неестественный свет возможно не только электрическим. Обширно распространены хемилюминесцентные (так именуемые химические) маркеры — пластиковые прозрачные пробирки. Для «включения» свечения в них необходимо смешать два поделённых узкой мембраной вещества.
Таковой маркер всецело независим, дает неяркий мягкий свет, но «горит» непродолжительное время и, очевидно, не восстанавливается.
И, наконец, один из самых экзотических источников — биолюминесцентный. В случае если собрать светлячков в стеклянную банку, излучаемого ими света в полной мере хватит, дабы взглянуть время на наручных часах. Не смотря на то, что данный источник — именно не неестественный, а на 100% природного происхождения.
Зажигаем электрическую дугу
Желаете ощутить себя Фарадеем, выступающим перед Королевской академией наук? «ПМ» окажет помощь вам в этом
Нам пригодятся:
— лист пластика, текстолита, фанера либо сухая доска (любой изолятор) размерами приблизительно 10 х 30 см;
— металлическая либо алюминиевая жесть средней толщины;
— две солевых батарейки типа D;
— электрические провода;
— электрическая вилка;
— электрическая розетка;
— утюг либо электрочайник;
— винты, гайки и саморезы;
— две крышечки от алюминиевых тюбиков с зубной пастой;
— инструменты — пассатижи, дрель, сверла, нож для снятия изоляции, ножницы по металлу.
Ход первый
В первую очередь возьмём самую основную часть дуговой лампы. Для этого пригодятся две несложных солевых батарейки. Не гонитесь за дорогими батарейками, «трудящимися вдесятеро продолжительнее», — напрасно израсходуете деньги.
Все, что необходимо, — два угольных стержня из них.
Бережно вскрываем пассатижами и отвёрткой жестяной внешний корпус батарейки, оголяя цинковый стаканчик, покрытый пластиковой пленкой. Жесть откладываем — она нам еще понадобится. Пассатижами крайне осторожно, стараясь не расколоть хрупкий уголь, зажимаем стержень и, вращая, понемногу добываем его из батарейки.
Ход второй
Для сборки нам пригодятся «хомуты изделия» — и скобяные уголки. Возможно приобрести готовые, а возможно сделать их самостоятельно, воспользовавшись отечественными рекомендациями.
Для изготовления уголков вырежем из металлической жести средней толщины два прямоугольничка с закругленными углами. После этого просверлим в каждом два отверстия диаметром 4,5 мм и согнем посередине под прямым углом. Хомуты для крепления стержней мы изготовили из узкой жести, из которой был сделан корпус батарейки. Снаружи корпус покрыт краской, и мы используем в качестве проводника внутреннюю часть.
Вырезаем прямоугольнички, сгибаем их пассатижами, применяя в качестве шаблона железный стержень диаметром 7 мм (к примеру, сверло). Размечаем и сверлим отверстия (4,5 мм).
Ход третий
Отрезаем соответствующей длины электрические провода, зачищаем их финиши и собираем хомуты. Зажимаем провод между половинками хомута, стягиваем хомуты винтами М4, засунув вовнутрь стержни. Будьте аккуратны — уголь пачкает руки, не смотря на то, что эта грязь легко смывается водой с мылом.
Надеваем на «внешние» финиши стержней «перевернутые» крышечки от тюбиков зубной пасты. оптимальнее подойдут колпачки от алюминиевых тюбиков русского производства — их диаметр чуть больше диаметра стержней. Для надежного крепления возможно применять какую-нибудь эластичную прокладку — к примеру, кусочек разрезанной силиконовой трубки.
Ход четвертый
На пластиковой либо древесной пластине монтируем посредством саморезов уголки и крепим к ним хомуты со стержнями. Расстояние подбираем так, дабы стержни соприкасались, образуя тупой угол.
После этого на данной же пластине монтируем электрическую часть. Хэмфри Дэви применял Вольтов столб (батареи постоянного тока) в качестве источника питания, мы же сделаем дугу на переменном токе. А дабы избежать выгорания «пробок», включим ее не напрямую, а последовательно с каким-нибудь замечательным электроприбором — электрочайником либо утюгом.
Исходя из этого собираем схему.
Ход пятый
Собрав схему и шепетильно проверив правильность сборки, включаем вилку в розетку, а утюг либо электрочайник подключаем к схеме. Держась сухими руками лишь за пластиковые крышечки, соединяем стержни. А после этого медлено чуть разводим их.
Появляется дуга, правда достаточно маленькая. Но спустя пара секунд стержни разогреются, и возможно развести их побольше.
Создатель высказывает признательность собственному отцу Владимиру Мамонтову за схему и идею конструкции
Меры безопастности
Будьте крайне осторожны. Проведение этого опыта возможно страшно, и если вы не уверены в собственных свойствах, лучше не беритесь.
1. Подключать собранную установку к сети направляться сухими руками и ни за что не касаясь железных частей либо стержней (уголь — проводник). И, само собой разумеется, не следует совать руки либо какие-либо предметы (особенно железные) в зону дугового разряда — возможно взять в один момент поражение и ожоги электротоком.
2. При горении дуги стержни раскаляются до высокой температуры, исходя из этого кроме того по окончании отключения электроэнергии касаться стержней либо железных частей не нужно — возможно обжечься. По данной же причине стержни начинают гореть, как головешки в костре. Это естественно, не следует паниковать. Дабы потушить стержни, направляться сперва отключить электричество, а лишь позже погасить пламя, легко задув его (в крайнем случае — водой либо кроме того огнетушителем).
Ну и, само собой разумеется, выполняйте неспециализированные требования пожарной безопасности.
3. Дуга дает весьма броский свет. Наденьте чёрные (либо кроме того сварочные) очки, дабы обезопасисть зрение.
4. При изготовлении батареек в качестве герметика употребляется смола, следы которой на стержнях горят и дают дым, исходя из этого по окончании опыта проветрите помещение.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№15, январь 2004).
<
h4>