1. Тепловое излучение
Все тела излучают электромагнитные волны за счет преобразования энергии хаотического, теплового движения частиц тела в энергию излучения.
Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии (за счет возбуждения атомов и молекул при хаотическом тепловом движении частиц тела) называется тепловым (температурным) излучением.
Различают тепловое равновесное излучение и неравновесное излучение. Тепловое равновесное излучение создается источником при постоянной его температуре за счет запасов внутренней энергии. Согласно квантовой теории при возбуждении атома, например вследствие столкновений при тепловом движении, электроны переходят с низшего на более высокий уровень. В возбужденном состоянии они не могут находиться долго и, испуская энергию в виде квантов электромагнитного излучения, возвращаются обратно в основное состояние. В состоянии теплового равновесия процессы поглощения и выделения энергии идут непрерывно и характеризуются динамическим равновесием, при котором за любой малый промежуток времени суммарное количество поглощенной энергии равно количеству энергии теплового излучения. Источником равновесного излучения является Солнце, у которого постоянная температура поддерживается выделением энергии при термоядерных реакциях.
Тепловое неравновесное излучение происходит, когда источник излучения нагревают. Например, в лампах накаливания в энергию электромагнитных волн преобразуется малая часть тепла, выделяющегося при пропускании электрического тока.
Существуют два основных вида электрических источников света – лампы накаливания и газоразрядные лампы, среди которых главное место занимают люминесцентные лампы. В быту традиционно наиболее распространены лампы накаливания, в которых свет испускает металлическая проволочка (нить), раскаленная добела проходящим по ней током.
· Лампа накаливания
Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из следующих частей: нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки, стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом) и цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию.
Достоинства лампы накаливания:
§ низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования;
§ компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока;
§ надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход.
К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах «перевесить» достоинства, относятся:
§ низкий световой КПД, только энергии преобразуется в свет, остальные – в тепло;
§ высокая рабочая температура;
§ заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания;
§ недолговечность.
2. Люминесценция
Помимо теплового излучения у тел при той же температуре может существовать другой вид излучения – люминесценция, которая не связана с переходом энергии теплового движения молекул в энергию электромагнитных волн.
Люминесценция (от латинского lumen, родительный падеж luminis – свет и -escent – суффикс, означающий слабое действие) – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Понятие люминесценции применимо только к совокупности атомов или молекул вещества, находящихся в состоянии, близком к равновесному. Тело может люминесцировать при любой температуре, поэтому люминесценция часто называется холодным свечением.
Причина всех люминесцентных явлений состоит в том, что атомы или молекулы люминесцентного вещества переходят в возбужденное состояние за счет энергии, доставляемой посторонним источником в результате различных процессов, вызывающих явление люминесценции.
В возбужденном состоянии частицы вещества могут находиться в течение определенного времени в зависимости от рода вещества (от до нескольких часов). При возвращении в нормальное или менее возбужденное состояние они испускают свет, который является люминесцентным излучением самого вещества. Люминесцентное излучение лежит в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Люминесценцию можно классифицировать по типу возбуждения и временным характеристикам свечения. В зависимости от способа возбуждения различают несколько видов люминесценции:
§ электролюминесценцию;
§ катодолюминесценцию;
§ фотолюминесценцию;
§ хемилюминесценцию;
§ радиолюминесценцию;
§ триболюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях: растирании, раскалывании кристаллов).
По длительности свечения различают:
§ флуоресценцию и фосфоресценцию.
· Лампа дневного света – газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача и срок службы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.
История
Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гайсслера, который в 1856 году получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон показал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал азот и углекислый газ, испускающий розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901, Питер Купер Хьюитт демонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет синего-зелёного цвета, и таким образом была непригодна в практических целях. Это было, однако, очень близко к современному дизайну, и имело намного более высокую эффективность чем лампы Гайсслера и Эллинойса. В 1926 году Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой в более однородно бело-цветной свет. Э.Джермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера, и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.
Принцип работы
При работе люминесцентной лампы между двумя электродами находящимися в противоположных концах лампы возникает электрический разряд. Лампа заполнена парами ртути и проходящий ток приводит к появлению ультрафиолетового излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом – люминофором, которое поглощает ультрафиолетовое излучение и выделяет видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок получаемого света.