Освещение

Люди научились использовать огонь для освещения не меньше 500 000 лет назад. С течением веков конструкция светильников все более усложнялась, и сегодня одним щелчком рубильника можно залить светом целые улицы и дома.

Как давно человек впервые окунул фитиль в наполненную животным жиром плошку, превратив ее в светильник, сказать невозможно, по выдолбленные из мела или песчаника примитивные лампы датируются учеными примерно 80000 г. до н. е, а в Ираке были найдены керамические светильники возрастом около 10 000 лет.

Библия свидетельствует, что изготовленные из того же животного жира свечи горели в храме Соломона еще в 10 веке до и. э. С тех пор без них не обходилось ни одно богослужение, но широкое применение в быту они нашли только в эпоху средневековья.

Лампы Аргана

Век современного освещения начался с изобретения масляных ламп, которые в 1784 г. приобрели свою наиболее совершенную форму стараниями швейцарца Ами Аргана. Его лампа была снабжена трубчатым фитилем; воздух всасывался с боков сквозь середину трубки, обеспечивая яркое и почти бездымное пламя. Позднее в лампе Аргана начали использовать керосин, что еще повысило качество пламени. На керосине по сей день работают лампы тина "летучая мышь".

Успех газа

В 1798 г. шотландец по имени Уильям Мердок начал использовать каменноугольный газ для освещения пещеры неподалеку от его дома в Корнуэлле. Спустя 12 лет он устроил газовое освещение своего дома в Редруте, а затем попытался создать газовую осветительную систему на заводе под Бирмингемом. В 1807 г. лондонская Пэлл-Мэлл стала первой в мире улицей с газовым освещением. Несмотря на трудности с удалением сажи, к 1830 г. улицы большинства крупных городов Европы и Северной Америки уже освещались газовыми фонарями.

Первые газовые светильники давали довольно слабое пламя, и только после появления в 1885 году сетчатой лампы барона фон Вельсбаха газ начали широко применять для внутреннего освещения. Над форсункой, в которой угольный газ смешивался с воздухом, фон Вельсбах закрепил калильную сетку. Когда газ зажигали, сетка ярко накалялась, излучая теплый белый свет. Эта конструкция оказалась настолько удачной, что вплоть до конца 1930-х годов газ оставался серьезным конкурентом электричества.

Век электричества

Самые первые электролампы — угольные дуговые — были созданы сэром Хэмфри Дэви в 1809 году. Два угольных стержня подключались к клеммам огромной батареи. В точке сопри­косновения эти стержни раскалялись добела. Когда же их разводили на расстояние около 10см друг от друга, между ними вспыхивала ослепительно белая световая дуга. Однако практическое применение угольные-дуговые лампы нашли только в 1831 году, с появлением генераторов. В 1850-е годы дуговые лампы начали использовать для временного освещения улиц в Лондоне, Париже, Берлине и Нью-Йорке, а в 1862 году первая стационарная дуговая лампа была установлена на маяке Дан-дженесс.

Первые электролампы

Дуговые лампы дают очень яркий свет, но они слишком громоздки, неудобны, грязны и требуют постоянного ухода. Тогда ученые занялись поисками альтернативы и попытались пропустить ток через тонкую нить проводника. Нить при этом накалялась и излучала свет.

В 1878 году сэр Джозеф Суон поместил в герметичную стеклянную колбу тонкую нить обугленной целлюлозы, нагрел ее, чтобы изгнать газы из угля, а затем откачал из колбы воздух, чтобы создать вакуум.

Однако подлинным победителем в этих гонках за создание электролампы стал американец Томас Алва Эдисон. Через год после Суона он изготовил лампу с тонкой питью из карбонизированного бамбука, а в 1882 году построил в Нью-Йорке первую электростанцию, которая снабжала энергией 10000 ламп. Так началось бурное развитие века электричества.

Электролампы наших дней

В колбах современных электроламп светится вольфрамовая спираль. Электрический ток, проходя через спираль, нагревает ее примерно до 2700°С, заставляя излучать яркий белый свет. Излучаемый лампой свет измеряется в люменах. Соотношение между количеством света и потребляемого электричества называется световой эффективностью. Световая эффективность лампы с вольфрамовой спиралью равна примерно 12 люмен/ватт. Иными словами, это низкоэффективный источник света. Большая часть излучения спирали находится в невидимом инфракрасном или тепловом спектре. Другая проблема в том, что атомы вольфрама испаряются с поверхности спирали, осаждаясь на внутренней поверхности колбы. Колба постепенно чернеет и количество излучаемого света уменьшается. В конце концов, вольфрам испаряется настолько, что спираль перегорает, и лампа гаснет.

Чтобы замедлить испарение спирали, колбы ламп заполняют аргоном и азотом, но избавиться от него полностью невозможно. Чем выше температура спирали, тем быстрее испарение, но и тем ярче излучаемый свет. Производителям удалось добиться некоторого компромисса, и современные лампы выпускаются с ресурсом примерно 1 000 часов, но и в излучаемом ими спектре больше желтого цвета, чем в солнечном.

Галогены

Другим способом замедлить испарение спирали стало использование вольфрамово-галогенных ламп. В колбу лампы вводится небольшое количество галогена — йода или брома. Они образуют с вольфрамом неустойчивое химическое соединение, которое, в конечном счете, осаждается на самой спирали, а не на стенках колбы.

Однако йод и бром тоже оказывают химическое воздействие па стекло, поэтому колбу приходится делать из дорогостоящего кварца. Вольфрамово-галогенные лампы допускают высокие температуры накала и без ущерба для долговечности излучают более яркий белый свет, близкий к естественному спектру.

Газоразрядные лампы применяются с начала 1930-х годов. Первые лампы вместо откачанного воздуха заполнялись небольшим количеством неона. Высокое напряжение подавалось на элек­троды, размещенные в обоих концах трубки.

Между электродами возникал электрический разряд, и лампа начинала излучать красноватое свечение. Эти трубки можно было изгибать, образуя различные формы или буквы, и они быстро нашли применение в рекламе. Так началась эра неоновых огней, сверкающих почти во всех городских центрах.

Эксперименты с другими газами открыли широкий спектр разных цветов. Натриевые лампы низкого давления излучают желтый свет и используются для освещения улиц. На первых порах эффективность натриевых ламп не превышала 70 люмен/ватт, но сейчас она выросла до 200 люмен/ватт.

Зеленый свет

Нашлось применение и ртутным лампам с эффективностью около 45 люмен/ватт. Правда, в их зеленоватом, хотя и не монохромном, свете предметы и люди казались немного призрачно-плоскими.

К концу 1930-х годов лампы стали покрывать фосфорным люминофором, который дополнил ртутный спектр недостающим красным оттенком. Это были первые шаги люминесцентного освещения. Большинство офисных помещений освещаются ртутными газоразрядными лампами с небольшой примесью аргона. Давление паров сохраняется низким, чтобы излучалось больше ультрафиолетового, нежели видимого света. Внутренняя поверхность трубки покрыта фосфором. Ультрафиолетовое излучение "возбуждает" люминофор, и тот начинает флуоресцировать, т.е. поглощать ультрафиолетовые лучи, издавая вместо них видимый свет. С помощью различных фосфорных смесей можно добиться почти любого цвета свечения.

Немного красного

В середине 19бО-х годов в покрытие ртутных ламп высокого давления стали добавлять редкоземельное соединение ванадат иттрия. Издаваемое им красное свечение позволило восполнить недостаток красного цвета в спектре ртутных ламп. Они были гораздо компактнее люминесцентных ламп и при соответствующей компоновке легко подключались к обычной электроарматуре. Они потребляют вчетверо меньше энергии, чем лампы накаливания, излучая намного меньше тепла, а примеси определенных металлов — таллия, диспрозия, индия и натрия — в ртутных парах высокого давления улучшают цветопередачу. Металлогалоидные лампы эффективностью 80-85 люмен/ватт излучают белый свет, близкий к естественному спектру. 1 000-ваттные металлогалоидные лампы в герметичных рефлекторах из прессованного стекла применяются для освещения стадионов и пришли на смену устаревшим дуговым лампам при освещении телевизионных съемок на открытом воздухе.

Одним из способов улучшения цветопередачи является повышение давления паров в натриевых лампах. Однако при высоком давлении стеклянный баллон лампы может не выдержать химической атаки ионизированного натрия, образующегося при температурах выше 700°С. Было найдено несколько вариантов решения этой проблемы. Можно применять алюминиево-керамические или кварцевые лампы, либо покрывать их внутреннюю поверхность порошковым напылением. В наши дни производится несколько различных типов натриевых ламп высокого давления.

Производители разрабатывают ксеноновые газоразрядные лампы, дающие полихромный свет, почти идентичный естественному солнечному спектру. Однако будущее, по-видимому, принадлежит электролюминесценции — явлению, заставляющему светиться поверхности стен и потолков.

Волоконная оптика

Ведутся разработки и в других направлениях светотехники. В промышленности применяются лампы с особым спектром свечения, вызывающим определенные химические реакции. Под лучами инфракрасных ламп ускоряется высыхание окрашенных поверхностей, а в медицине нашли применение и ультрафиолетовые, и инфракрасные лампы. В организм больного вводятся эндоскопы с подсветкой, сводящие к минимуму хирургическое вмешательство и позволяющие видеть операционное поле без крупных разрезов. Волоконно-оптические световоды освещают места, в которых обычной лампой пользоваться нельзя. Более того, эндоскоп с волоконным проводником, на кончике которого сверкает тончайший лазерный луч, способен врачевать внутренние органы. С помощью лазеров лечат многие недуги — останавливают кровотечение желудочных язв, удаляют поврежденные участки головного мозга, отключают болевые центры и выжигают раковые клетки на шейке матки.

Смертоносные лазеры

Конструкторы пытаются превратить лазеры в эффективное разрушительное оружие, не довольствуясь тем, что они уже используются в системах наведения и информационных сетях. Скажем, бомбы с лазерным наведением намного точнее попадают в цель, чем при визуальной наводке, да и ракеты, наводящиеся рассеянным лазерным лучом, способны поразить цель с убийственной точностью. Значение этих видов вооружений хорошо показала война в Персидском заливе. Однако для лазеров, способных непосредственно уничтожать военные цели, как было задумано американской программой "звездных войн", требуется неизмеримо больше энергии, чем может себе позволить любое государство.