Джерела світла: види, основні характеристики та області застосування

Світло (з латинської мови lucis) або видиме світло являє собою частина спектра електромагнітного випромінювання, що сприймається людським оком. Елементарною одиницею є фотон світла. Елементарні частинки володіють певною довжиною хвилі, що залежить від джерела світла, який їх породив. Фотон підкоряється законам квантової механіки і різних фізичних умовах може проявляти себе або як частка, або хвиля.

Історична еволюція приладів для освітлення

Перші джерела видимого електромагнітного випромінювання, які використовувало людство для своїх потреб, були засновані на спалюванні пального палива рослинного (дерево) або тваринного походження (сало і жир). Стародавні греки і римляни вперше стали використовувати глиняні і бронзові посудини, в які поміщали горючі речовини. Ці судини стали прабатьками сучасних ламп. В кінці XVIII століття швейцарський хімік Аргант винайшов лампу з гнотом, в якій в якості палива використовувався гас. В кінці 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 джерел світла

Спектр випромінювання, який бачить око людини, лежить в межах довжин хвиль фотонів від 400 нм до 700 нм. Джерелом світла є фізичний процес, який відбувається в атомі речовини. Атом в результаті якої-небудь дії може отримати енергію ззовні, частина цієї енергії він передає своїй електронній підсистемі. Енергетичні рівні електрона в атомі є дискретними, тобто кожному з цих рівнів відповідає конкретна величина. Завдяки отриманій енергії ззовні деякі електрони атома можуть перейти на енергетичні рівні більш високого порядку, в цьому випадку можна говорити про збудженому електронному стані. 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 порушується за рахунок передачі їй кінетичної енергії від ядер атомів. Якщо який-небудь об'єкт, наприклад металеву пластину, піддати нагрівання до високих температур, то він почне світитися. Спочатку видиме світло буде мати червоний колір, оскільки ця частина видимого спектру є найменш енергетичної. 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 нагрівання тіла і складається з двох послідовних фізичних процесів:

Поглинання електронною підсистемою енергії та перехід цієї підсистеми в збуджений енергетичний стан.

Випромінювання у світловому діапазоні, пов'язане з поверненням електронної підсистеми в основне енергетичне стан.

Якщо обидва етапи відбуваються в часовому інтервалі в декілька секунд, то процес називається флуоресценцією, наприклад, випромінювання екрана телевізора, після його вимкнення є флуоресцентним. Якщо ж обидва етапи процесу випромінювання відбуваються протягом кілька годин довше, то таке випромінювання називається фосфоресценцією, наприклад, світні години в темній кімнаті.

Класифікація світлових джерел

Всі джерела видимого для людського очі електромагнітного випромінювання в залежності від його походження можна розділити на дві великі групи:

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.

Штучні джерела світла. Вони зобов'язані своїм походженням людині, так як є його винаходом.

Штучні прилади електромагнітного випромінювання видимого

У свою чергу, штучні джерела бувають наступних типів:

Лампи розжарювання. Вони випромінюють світло завдяки розігріву металевої нитки розжарювання до температури кількох тисяч градусів. Сама нитка розжарювання знаходиться в герметичному скляному посуді, який заповнений інертним газом, запобігає процес окислення нитки.

Галогенні лампи. Являють собою нову еволюційну ступінь ламп розжарювання, в яких до инертному газу, в якому знаходиться металева нитка розжарювання, додається галогеновий газ, наприклад, йод або бром. Цей газ вступає в хімічну рівновагу з металом нитки, якими є вольфрам, і дозволяє продовжити термін служби лампи. Замість скляного корпусу в галогенових лампах використовують кварц, який витримує більш високі температури, ніж скло.

Газорозрядні лампи. Цей вид джерел світла створює видиме електромагнітне випромінювання за рахунок електричних розрядів, які виникають в суміші газів і парів металу.

Флуоресцентні лампи. Ці електричні джерела світла створюють випромінювання за рахунок флуоресцентного покриття внутрішньої сторони корпусу лампи, яке порушується 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 і організми, які можуть самостійно випромінювати електромагнітні хвилі у видимому спектрі. До прямих джерел відносяться зірки, температура яких досягає 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 биолюминесценцией. Випромінювання в цьому випадку виникає як результат хімічних процесів, що відбуваються в організмі істот. До них відносяться світлячки і деякі мешканці морських глибин.

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

Приклади непрямої випромінювання

Традиційним прикладом джерел світла даного типу є супутник Землі - Місяць. Це небесне тіло відображається сонячні промені, які падають на неї. Завдяки процесу відбиття ми можемо бачити, як саму Місяць, так і навколишні нас предмети вночі в місячному світлі. З тієї ж причини видно в телескоп планети сонячної системи, а також наша планета - Земля (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 наступні:

Світловий потік. Фізична величина, яка характеризує кількість світла, випромінюваного джерелом за одну секунду в усіх напрямках. Одиницею вимірювання світлового потоку є люмен.

Інтенсивність випромінювання. У деяких випадках виникає необхідність в знанні розподілу світлового потоку навколо його джерела. Саме це розподіл і описує дана характеристика, яка вимірюється в канделах.

Освітленість. Вимірюється в люксах і являє собою відношення світлового потоку до освітлюваної їм площі. 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 цим приладом, до споживаної ним потужності. Чим більше це відношення, тим більш економічною вважається лампа.

Індекс передачі кольору. Вказує на те, наскільки точно лампа відтворює кольори. Для ламп хорошої якості цей індекс лежить в області 100.

Колірна температура. Являє собою міру "білизни" світла. Так, світло з переважаючими червоно-жовтими квітами 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

Кожен штучний джерело електромагнітного випромінювання певного типу використовується людиною в тій чи іншій сфері діяльності. Області застосування джерел світла наступні:

Лампи розжарювання продовжують залишатися основними джерелами освітлення приміщень завдяки їх низькій ціні і хорошому індексом передачі кольору. Однак ці лампи поступово витісняються галогеновими.

Галогенні лампи замислювалися як електроприлади, які повинні були підвищити ефективність ламп розжарювання, замінивши їх. В даний час вони знайшли своє застосування в автомобілях.

Флуоресцентні джерела світла застосовуються головним чином для освітлення офісів і інших службових приміщень завдяки своїй різноманітності форм і розсіяного випромінювання і рівномірного світла. Ефективність випромінювання такого типу ламп підвищується із збільшенням їх довжини і діаметра.

Важливість природного світла для здоров'я людини

Для всіх організмів, які живуть на планеті Земля, обертання нашої планети та періодичність дня і ночі є важливими процесами для нормальної життєдіяльності і протікання біологічного циклу. Більше того, щоб бути здоровими, більшість живих істот потребують прямому сонячному випромінюванні. Якщо говорити про людину, то недолік сонячного світла призводить до розвитку депресії, а також до нестачі вітаміну D, оскільки отриманий 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 частково або повністю зникали у 20% пацієнтів. Природно, що один лише сонячне світло не є ліками проти депресії, однак він є невід'ємною частиною комплексного лікування.