Без малого сто лет назад на смену свечам и керосиновым лампам пришло электрическое освещение. Сегодня наиболее широко используются источники света трёх типов. Один появился в конце позапрошлого века, другой — в середине прошлого, а третий был сконструирован лет тридцать назад.
ПЕРВЫЙ ИСТОЧНИК: ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
В привычной и всем знакомой лампочке свет излучает раскалённая электрическим током вольфрамовая нить толщиной 40—50 микрометров, свёрнутая в спираль. Температура плавления вольфрама 3400ºС, а рабочая температура нити накала не превышает 2900ºС, что значительно меньше температуры Солнца (5770ºС). Поэтому искусственное освещение даёт не белый, а желтоватый свет. Мы этого не замечаем, но снимки, сделанные без вспышки и без «баланса белого», получаются жёлтыми.
Стеклянная колба лампы наполнена инертным газом, нередко с примесью паров брома или йода (галогенные лампы). Атомы вольфрама, испаряющиеся с нити, вступают в реакцию с галогенами и при высокой температуре высвобождаются, оседая обратно на нить. Это позволяет поднять температуру накала до 3000ºС, которая достигается в малогабаритных сильноточных и более долговечных лампах, рассчитанных на напряжение 12 вольт.
Средний срок службы ламп накаливания — 1000 часов (галогенных — до 4000). Перегорают лампы обычно в момент включения. Удельное сопротивление холодной вольфрамовой нити мало (только в три раза больше меди), поэтому в первый момент через лампу проходит импульс тока, сила которого примерно в 10 раз больше номинальной. Он пережигает нить, имеющую дефекты.
Лампы накаливания излучают сплошной спектр, но в основном в инфракрасной (тепловой) области, и только 15% энергии, да и то лишь у самых лучших моделей, приходится на видимый свет. Они неэкономичны и небезопасны: сильно нагретая колба может поджечь бумажный или тканевый абажур и стать причиной пожара. Поэтому есть насущная необходимость постепенно заменять их на более перспективные источники света.
ВТОРОЙ ИСТОЧНИК: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
Люминесцентная лампа — это стеклянная трубка, наполненная парами ртути низкого давления. При включении лампы в сеть атомы ртути ионизуются потоком электронов, вылетающих из горячего катода, и в трубке возникает так называемый тлеющий разряд. Ионы получают энергию (возбуждаются) и немедленно «сбрасывают» её в виде излучения. Спектр излучения ртути линейчатый, он содержит несколько ярких линий в синей, фиолетовой и ультрафиолетовой областях, неприятных и даже вредных для глаз. Поэтому стенки ламп покрыты слоем люминофора, вещества, излучающего голубоватый или более тёплый свет, напоминающий естественный (их раньше называли лампами дневного света). А кварцевые лампы без люминофора используют для дезинфекции помещений и для загара.
Люминесцентная лампа имеет отрицательное сопротивление: чем больше идущий через неё ток, тем ниже сопротивление. Поэтому её необходимо включать через балласт — устройство, ограничивающее силу проходящего тока. В лампах, применяемых для освещения различных производственных помещений, балластом служит дроссель, катушка индуктивности. Автоматическое зажигание лампы обеспечивает стартёр — неоновая лампочка с одним подвижным электродом. В момент включения электроды стартёра замкнуты и подают ток на нити накала, которые разогреваются и испускают электроны. В следующий момент электроды нагреваются и размыкаются, разрывая цепь. В дросселе за счёт самоиндукции возникает мощный пик напряжения, который зажигает лампу. Данная схема имеет ряд недостатков: устройство довольно громоздко, дроссель при работе гудит, а лампа мерцает с двойной частотой сетевого напряжения (100 Гц).
Более удобен и надёжен компактный электронный балласт, который преобразует сетевое напряжение 50 герц в высокочастотное — 20—60 килогерц. Он используется в основном в люминесцентных лампах нового поколения, именуемых энергосберегающими.
В этих лампах тонкая трубка с парами ртути обычно свёрнута в спираль и подсоединена к стандартному цоколю для вворачивания в патрон. В цоколе смонтирован электронный балласт, который подогревает катод лампы и прикладывает к нему высокочастотное напряжение, запускающее разряд. Лампы работают бесшумно и без мерцания. Излучают они либо «холодный», голубоватый свет, либо «тёплый», напоминающий свет ламп накаливания. Считается, что при одинаковой светоотдаче такие лампы потребляют в пять раз меньше электроэнергии: 12-ваттная даёт столько же света, сколько 60-ваттная лампочка, а срок их службы достигает 5—6 тыс. часов, но эти данные весьма приблизительные. А высокая цена ставит под сомнение их экономическую выгоду.
Энергосберегающие лампы плохо переносят перегрев и частое включение/выключение. Поэтому их не следует ставить в закрытые светильники, в ванных комнатах и туалетах, где приходится зажигать свет по многу раз на дню.
У всех люминесцентных ламп есть общий и весьма существенный недостаток: каждая содержит до 70 миллиграммов ртути. Поскольку пары ртути ядовиты, отработанные лампы необходимо сдавать на утилизацию. Но сегодня их просто выбрасывают, заражая почву и воздух.
ТРЕТИЙ ИСТОЧНИК: СВЕТОДИОДНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ
Полупроводниковый диод представляет собой двухслойную структуру из носителей электрических зарядов разных типов. В одном основным носителем служат свободные электроны, несущие отрицательные заряды. Это полупроводник n-типа (от английского negative — отрицательный). В другом роль носителей выполняют дырки — не занятые электронами квантовые состояния в твёрдом теле. Они эквивалентны положительным зарядам в полупроводнике p-типа (positive — положительный). Между этими слоями возникает узкая зона p-n-перехода. При пропускании электрического тока через эту зону происходит рекомбинация электронов и дырок, то есть заполнение электронами пустых квантовых состояний. Рекомбинация сопровождается излучением света за счёт перехода электрона с одного энергетического уровня на другой, более низкий. Полупроводниковое устройство, работающее в этом режиме, называется светодиодом. Наличие в структуре нескольких зон p-n-переходов даёт одновременное излучение разных частот. Меняя состав полупроводников, можно создавать светодиоды, излучающие свет от ультрафиолета до инфракрасной части спектра. Светодиоды весьма экономичны: их кпд достигает 50% и выше. Срок службы — не менее 100 тыс. часов.
Сегодня светодиодные излучатели применяются всё шире — от малогабаритных настольных ламп и карманных фонариков до светофоров и мощных маячных ламп. Несколько лет назад академик Ж. И. Алфёров, лауреат Нобелевской премии в области полупроводниковых материалов, проводил пресс-конференцию в зале Президент-отеля. Указав рукой на гигантские хрустальные люстры, сиявшие сотнями мощных ламп, он призвал повнимательнее на них посмотреть, ибо их время кончается. Им на смену идут универсальные источники света — мощные, экономичные и долговечные полупроводниковые светодиоды.
