Източници на светлина: видове, основни характеристики и приложения

Светлината (от латинския език lucis) или видимата светлина е част от спектъра на електромагнитното излъчване, което се възприема от човешкото око. Елементарната единица светлина е фотон. Елементарните частици имат специфична дължина на вълната, в зависимост от източника на светлина, който ги е генерирал. Фотонът се подчинява на законите на квантовата механика и в различни физически условия може да се прояви или като частица, или като вълна.

Историческата еволюция на осветителните устройства

Първите източници на видима електромагнитна радиация, които човечеството използваше за своите нужди, се основаваха на изгарянето на гориво от растителни (дървесни) или животински произход (мазнини и мазнини).

Древните гърци и римляни за първи път започват да използват глинени и бронзови съдове, в които се поставят горими вещества. Тези съдове станаха прародители на модерни лампи.

В края на 18-ти век швейцарският химик Аргант изобретява лампата, в която се използва керосин като гориво. В края на 19-ти век Едисън патентова лампа с нажежаема жичка. След това изобретение и благодарение на бързата динамика на индустрията, започват да се появяват много други електрически източници на радиация.

Физика на светлинния източник

Спектърът на излъчване, който вижда човешкото око, лежи в дължината на вълните на фотоните от 400 nm до 700 nm. Източникът на светлината е физически процес, който се среща в атома на материята. Атомът в резултат на всяко действие може да получи енергия отвън, прехвърля част от тази енергия към своята електронна подсистема.

Енергийните нива на електрона в един атом са дискретни, т.е. всяко от тези нива съответства на определена стойност. Благодарение на енергията, получена отвън, някои електрони от атома могат да се прехвърлят към по-високи енергийни нива, в този случай можем да говорим за възбудено електронно състояние. В това състояние електроните са нестабилни и отново отиват на нива с по-ниска енергия. Този процес е придружен от излъчване на фотони, което е светлината, която ние възприемаме.

Термично излъчване

Процесът на топлинно излъчване е физически процес, при който електронната подсистема се възбужда поради прехвърлянето на кинетична енергия от атомните ядра към нея. Ако предмет, като метална плоча, бъде подложен на нагряване до високи температури, той ще започне да свети. Първоначално видимата светлина ще има червен цвят, тъй като тази част от видимия спектър е най-енергична. С увеличаване на температурата на метала, тя ще излъчва бяло-жълта светлина.

Имайте предвид, че когато металът се нагрява, той първо започва да излъчва инфрачервени лъчи което човек не може да види, но ги чувства под формата на топлина.

Луминесцентно излъчване

Този вид радиация възниква без предварително загряване на тялото и се състои от два последователни физични процеса:

1. Поглъщането на енергията от електронната подсистема и прехода на тази подсистема към възбудено енергийно състояние.
2. Излъчване в светлинния обхват, свързано с връщането на електронната подсистема в земното енергийно състояние.

Ако и двата етапа се появят в интервал от време от няколко секунди, тогава процесът се нарича флуоресценция, например излъчването на телевизионния екран след изключване е флуоресцентно. Ако двата етапа на радиационния процес се появят в рамките на няколко часа и по-дълго, тогава такова излъчване се нарича фосфоресценция, например светещ часовник в тъмна стая.

Класификация на източниците на светлина

Всички източници на електромагнитно излъчване, видими за човешкото око, в зависимост от неговия произход, могат да бъдат разделени на две големи групи:

1. Природни източници. Те излъчват електромагнитни вълни поради естествените физически и химически процеси, например звезди, светулки и други са естествени източници на светлина. Те могат да бъдат както живи, така и неживи обекти.
2. Изкуствени източници на светлина. Те дължат своя произход на човека, тъй като те са негово изобретение.

Изкуствени устройства за видимо електромагнитно излъчване

На свой ред, изкуствените източници са от следните типове:

• Лампи с нажежаема жичка. Те излъчват светлина поради нагряването на метална нишка до температура от няколко хиляди градуса. Самата спирала е в херметически затворен стъклен съд, който е запълнен с инертен газ, който предотвратява процеса на окисление на спиралата.
• Халогенни лампи. Те представляват нов еволюционен етап на лампите с нажежаема жичка, в който халогенният газ, например йод или бром, се добавя към инертния газ, в който се намира металната нишка. Този газ влиза химическо равновесие с метални нишки, което е волфрам, и ви позволява да удължите живота на лампата. Вместо стъклопакет в халогенни лампи използвайте кварц, който издържа на по-високи температури от стъкло.
• Лампи за разреждане. Този вид светлинен източник създава видима електромагнитна радиация, дължаща се на електрически разряди, които възникват в смес от газове и метални пари.
• Флуоресцентни лампи. Тези електрически източници на светлина произвеждат радиация, дължаща се на флуоресцентното покритие от вътрешната страна на корпуса на лампата, което се възбужда от ултравиолетовото излъчване на електрически разряд.
• Източници LED (от английския. Light Emitting Diode). Този вид светлинен източник е диоден източник на електромагнитно излъчване. Те се отличават с простотата на устройството и с голяма продължителност. Също така, техните предимства пред другите електрически източници на светлина са ниската консумация на енергия и почти пълната липса на топлинно излъчване.

Пряка и непряка радиация

Преките източници на светлина са инструменти, естествени тела и организми, които могат независимо да излъчват електромагнитни вълни във видимия спектър. Директните източници включват звезди, чиято температура достига десетки и стотици хиляди градуса, огън, лампа с нажежаема жичка, както и модерни устройства като плазмен телевизор или монитор с течни кристали, който произвежда радиация, предизвикана от микроелектрически разряд.

Друг пример за директни източници на естествена светлина са животни, които имат биолуминесценция. Радиацията в този случай възниква в резултат на химични процеси, протичащи в организма на съществата. Сред тях са светулките и някои жители на дълбокото море.

Косвените източници на светлина са тела, които не отделят самостоятелно светлина, но са способни да я отразяват. В този случай отражателната способност на всяко тяло зависи от неговия химичен състав и физическо състояние. Косвени източници са свещени само поради факта, че са под въздействието на директно електромагнитно излъчване. Ако непряк източник не акумулира светлинна енергия, тогава, когато спре да действа на светлината, той престава да бъде видим.

Примери за непряко облъчване

Традиционен пример за светлинни източници от този тип е Земният сателит, Луната. Това небесно тяло се отразява от слънчевите лъчи, които попадат върху него. Чрез процеса на размисъл можем да видим както Луната, така и предметите около нас през нощта в лунната светлина. По същата причина, видими в телескопа на планетата на Слънчевата система, както и на нашата планета - Земята (ако го погледнете от космоса).

Друг пример за обект на индиректна радиация, който отразява лъчите от светлинен източник, е самият човек. По принцип всеки обект е източник на непряка радиация с изключение на черна дупка. Гравитационното поле на черните дупки е толкова силно, че дори светлината не може да излезе от нея.

Основни характеристики на устройствата

Основните характеристики на светлинните източници са следните:

• Светлинен поток. Физическа величина, която характеризира количеството светлина, излъчвано от източник в секунда във всички посоки. Единицата за измерване на светлинния поток е лумен.
• Интензивност на излъчване. В някои случаи е необходимо да се знае разпределението на светлинния поток около неговия източник. Това разпределение описва тази характеристика, която се измерва в кандела.
• Осветяването. Тя се измерва в лукс и представлява отношението на светлинния поток към осветената от него зона. Тази характеристика е важна за удобното изпълнение на определени видове работа. Например, според международните стандарти, осветлението в кухнята трябва да бъде около 200 лукса, а 500 лукс вече са необходими за проучване.
• Радиационна ефективност. Това е важна характеристика на всяка електрическа лампа, тъй като тя описва съотношението на светлинния поток, създаден от това устройство, към консумираната от него енергия. Колкото по-голямо е това съотношение, толкова по-икономична е светлината.
• Индекс на цветопредаване. Показва колко точно лампата възпроизвежда цветове. За лампи с добро качество този индекс е в рамките на 100.
• Цветова температура. Това е мярка за "белотата" на светлината. Така светлината с преобладаващи червено-жълти цветове се счита за топла и има цветова температура по-малка от 3000 K, студената светлина има сини цветове и се характеризира с цветова температура над 6000 K.

Използването на изкуствени източници на видима радиация

Всеки изкуствен източник на електромагнитно излъчване на определен тип се използва от човек в определена област на дейност. Областите на приложение на светлинните източници са следните:

• Лампите с нажежаема жичка продължават да бъдат основните източници на осветление заради ниската цена и добрия индекс на цветопредаване. Въпреки това, тези лампи постепенно се заменят с халогенни лампи.
• Халогенните лампи бяха замислени като електрически уреди, които трябваше да увеличат ефективността на лампите с нажежаема жичка, като ги заменят. В момента те се използват в автомобили.
• Източниците на флуоресцентна светлина се използват главно за осветяване на офиси и други офис помещения поради разнообразието от форми и излъчването на дифузно и равномерно осветление. Радиационната ефективност на този тип лампи се увеличава с увеличаване на тяхната дължина и диаметър.

Значението на естествената светлина за човешкото здраве

За всички организми, които живеят на планетата Земя, въртенето на нашата планета и честотата на деня и нощта са важни процеси за нормалния живот и биологичния цикъл. Освен това, за да бъдат здрави, повечето живи същества се нуждаят от пряка слънчева радиация.

Ако говорим за човек, тогава липсата на слънчева светлина води до развитие на депресия, както и липса на витамин D, тъй като тенът, получен от човек, позволява на тялото да абсорбира този витамин с по-голяма лекота.

Резултатите от едно проучване показват, че човек, който е достатъчно изложен на пряка слънчева светлина, може да намали и облекчи някои от симптомите на някои заболявания. По-специално, проблеми, свързани с депресия, изцяло или частично изчезват при 20% от пациентите. Естествено, само слънчевата светлина не е лекарство за депресия, но тя е неразделна част от цялостното лечение.