Źródła światła: rodzaje, główne cechy i zastosowania

11.03.2020

Światło (z języka łacińskiego) lub światło widzialne jest częścią spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które jest postrzegane przez ludzkie oko. Elementarną jednostką światła jest foton. Cząstki elementarne mają określoną długość fali, w zależności od źródła światła, które je wytworzyło. Foton przestrzega praw mechaniki kwantowej iw różnych warunkach fizycznych może objawiać się albo jako cząstka, albo jako fala.

Historyczna ewolucja urządzeń oświetleniowych

Lampa żarowa

Pierwsze źródła widocznego promieniowania elektromagnetycznego, które ludzkość wykorzystała do swoich potrzeb, opierały się na spalaniu palnego paliwa pochodzenia roślinnego (drewno) lub pochodzenia zwierzęcego (tłuszczu i tłuszczu).

Starożytni Grecy i Rzymianie po raz pierwszy zaczęli używać naczyń glinianych i brązowych, w których umieszczano substancje palne. Statki te stały się prekursorami nowoczesnych lamp.

Pod koniec XVIII wieku szwajcarski chemik Argant wynalazł lampę knotową, w której nafta służyła jako paliwo. Pod koniec XIX wieku Edison opatentował żarówkę. Po tym wynalazku i dzięki szybkiej dynamice przemysłu, zaczyna pojawiać się wiele innych elektrycznych źródeł promieniowania.

Fizyka źródła światła

Widmo promieniowania, które widzi ludzkie oko, mieści się w zakresie długości fali fotonów od 400 nm do 700 nm. Źródłem światła jest fizyczny proces, który zachodzi w atomie materii. Atom w wyniku dowolnego działania może otrzymywać energię z zewnątrz, przekazuje część tej energii do swojego elektronicznego podsystemu.

Poziomy energii elektronu w atomie są dyskretne, tj. Każdy z tych poziomów odpowiada określonej wartości. Ze względu na energię odbieraną z zewnątrz, niektóre elektrony atomu mogą przenosić się do wyższych poziomów energii, w tym przypadku możemy mówić o wzbudzonym stanie elektronu. W tym stanie elektrony są niestabilne i ponownie przechodzą do poziomów o niższej energii. Procesowi temu towarzyszy emisja fotonów, które postrzegamy jako światło.

Promieniowanie cieplne

Proces promieniowania cieplnego jest procesem fizycznym, w którym podekscytowany jest podsystem elektroniczny z powodu przeniesienia do niego energii kinetycznej z jąder atomowych. Jeśli obiekt, taki jak metalowa płyta, zostanie poddany działaniu wysokich temperatur, zacznie świecić. Na początku światło widzialne będzie miało czerwony kolor, ponieważ ta część widma widzialnego jest najmniej energetyczna. Wraz ze wzrostem temperatury metalu emituje biało-żółte światło.

Zauważ, że kiedy metal jest podgrzewany, najpierw zaczyna emitować promienie podczerwone którego człowiek nie jest w stanie zobaczyć, ale odczuwa je w postaci ciepła.

Promieniowanie luminescencyjne

Luminescencyjne źródło światła

Ten typ promieniowania występuje bez wstępnego podgrzewania ciała i składa się z dwóch następujących po sobie procesów fizycznych:

  1. Absorpcja energii przez podsystem elektroniczny i przejście tego podsystemu do wzbudzonego stanu energetycznego.
  2. Promieniowanie w zakresie światła związane z powrotem elektronicznego podsystemu do stanu energii gruntu.

Jeśli oba etapy występują w przedziale czasowym kilku sekund, proces ten nazywa się fluorescencją, na przykład emisja ekranu telewizora po jego wyłączeniu jest fluorescencyjna. Jeśli oba etapy procesu promieniowania wystąpią w ciągu kilku godzin i dłużej, wówczas takie promieniowanie nazywa się fosforescencją, na przykład świecącym zegarem w ciemnym pokoju.

Klasyfikacja źródła światła

Nocny świetlik

Wszystkie źródła promieniowania elektromagnetycznego widoczne dla ludzkiego oka, w zależności od jego pochodzenia, można podzielić na dwie duże grupy:

  1. Naturalne źródła. Promieniują fale elektromagnetyczne ze względu na naturalne procesy fizyczne i chemiczne, na przykład, gwiazdy, świetliki i inne są naturalnymi źródłami światła. Mogą być zarówno obiektami żywymi, jak i nieożywionymi.
  2. Sztuczne źródła światła. Zawdzięczają swoje pochodzenie człowiekowi, ponieważ są jego wynalazkiem.

Sztuczne urządzenia do widocznego promieniowania elektromagnetycznego

Lampa halogenowa

Z kolei sztuczne źródła są następujących typów:

  • Żarówki żarowe. Emitują światło dzięki nagrzaniu metalicznego włókna do temperatury kilku tysięcy stopni. Samo włókno jest w hermetycznym naczyniu szklanym wypełnionym obojętnym gazem, który zapobiega procesowi utleniania włókna.
  • Lampy halogenowe. Stanowią one nowy etap ewolucji żarówek, w których do gazu obojętnego, w którym znajduje się włókno metaliczne, dodaje się gazowy halogen, na przykład jod lub brom. Ten gaz wchodzi równowaga chemiczna z metalowymi włóknami, które są wolframem, i pozwala wydłużyć żywotność lampy. Zamiast szklanej kasety w lampach halogenowych stosuj kwarc, który wytrzymuje wyższe temperatury niż szkło.
  • Lampy wyładowcze. Ten rodzaj źródła światła wytwarza widoczne promieniowanie elektromagnetyczne z powodu wyładowań elektrycznych występujących w mieszaninie gazów i par metali.
  • Lampy fluorescencyjne. Te elektryczne źródła światła wytwarzają promieniowanie ze względu na powłokę fluorescencyjną wewnątrz korpusu lampy, która jest wzbudzana przez promieniowanie ultrafioletowe wyładowania elektrycznego.
  • Źródła LED (z ang. Light Emitting Diode). Ten rodzaj źródła światła jest diodowym źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżniają się prostotą urządzenia i długim czasem działania. Ponadto ich zalety w porównaniu z innymi źródłami światła elektrycznego to niski pobór mocy i prawie całkowity brak promieniowania cieplnego.

Promieniowanie bezpośrednie i pośrednie

Bezpośrednimi źródłami światła są instrumenty, ciała naturalne i organizmy, które mogą niezależnie emitować fale elektromagnetyczne w widmie widzialnym. Bezpośrednimi źródłami są gwiazdy, których temperatura osiąga dziesiątki i setki tysięcy stopni, ogień, żarówka, a także nowoczesne urządzenia, takie jak telewizor plazmowy lub ciekłokrystaliczny monitor komputerowy, który wytwarza promieniowanie wywołane przez mikrouruchamianie.

Innym przykładem bezpośrednich źródeł światła naturalnego są zwierzęta wykazujące bioluminescencję. Promieniowanie w tym przypadku występuje w wyniku procesów chemicznych zachodzących w organizmie istot. Należą do nich świetliki i niektórzy mieszkańcy głębokiego morza.

Pośrednie źródła światła to ciała, które nie emitują niezależnie światła, ale są w stanie je odbić. W tym przypadku współczynnik odbicia każdego ciała zależy od jego składu chemicznego i kondycji fizycznej. Pośrednie źródła są święte tylko dlatego, że są pod wpływem bezpośredniego promieniowania elektromagnetycznego. Jeśli źródło pośrednie nie gromadzi energii świetlnej, wówczas gdy przestaje działać na światło, przestaje być widoczne.

Przykłady promieniowania pośredniego

Tradycyjnym przykładem tego typu źródeł światła jest satelita Ziemi, Księżyc. To ciało niebieskie odbija się od promieni słonecznych, które nań padają. Poprzez proces refleksji możemy zobaczyć zarówno sam Księżyc, jak i obiekty wokół nas w nocy w świetle księżyca. Z tego samego powodu, widocznego w teleskopie planety Układu Słonecznego, a także naszej planety - Ziemi (jeśli patrzysz na nią z kosmosu).

Innym przykładem obiektu promieniowania pośredniego, które odbija promienie od źródła światła, jest osoba sama. Zasadniczo każdy obiekt jest źródłem pośredniego promieniowania, z wyjątkiem czarnej dziury. Pole grawitacyjne czarnych dziur jest tak silne, że nawet światło nie może z niego wydostać się.

Główne cechy urządzeń

Główne cechy źródeł światła są następujące:

  • Strumień świetlny. Ilość fizyczna, która charakteryzuje ilość światła emitowanego przez źródło na sekundę we wszystkich kierunkach. Jednostką miary strumienia świetlnego jest światło.
  • Natężenie promieniowania. W niektórych przypadkach konieczne jest poznanie rozkładu strumienia świetlnego wokół jego źródła. To właśnie ten rozkład opisuje tę cechę, którą mierzy się w kandelach.
  • Oświetlenie. Mierzony jest w luksach i reprezentuje stosunek strumienia świetlnego do oświetlanego przez niego obszaru. Ta cecha jest ważna dla komfortowego wykonywania niektórych rodzajów pracy. Na przykład, zgodnie z międzynarodowymi standardami, oświetlenie w kuchni powinno wynosić około 200 luksów, a 500 luksów jest już potrzebnych do nauki.
  • Skuteczność promieniowania. Jest to ważna cecha każdej lampy elektrycznej, ponieważ opisuje stosunek strumienia świetlnego wytworzonego przez to urządzenie do mocy, którą zużywa. Im większy jest ten współczynnik, tym bardziej ekonomiczna jest lampa.
  • Wskaźnik oddawania barw. Wskazuje, jak dokładnie lampa odtwarza kolory. W przypadku lamp wysokiej jakości indeks ten wynosi 100.
  • Temperatura barwowa. Jest miarą "bieli" światła. Tak więc światło o przeważających czerwono-żółtych barwach uważa się za ciepłe i ma temperaturę barwową poniżej 3000 K, światło zimne ma kolory niebieskie i charakteryzuje się temperaturą barwową powyżej 6000 K.

Wykorzystanie sztucznych źródeł promieniowania widzialnego

Lampy w kuchni

Każde sztuczne źródło promieniowania elektromagnetycznego określonego typu jest używane przez osobę w określonym polu aktywności. Obszary zastosowania dla źródeł światła są następujące:

  • Żarowe żarówki nadal są głównymi źródłami oświetlenia pomieszczeń ze względu na ich niską cenę i dobry wskaźnik oddawania barw. Lampy te są jednak stopniowo zastępowane lampami halogenowymi.
  • Lampy halogenowe były pomyślane jako urządzenia elektryczne, które miały zwiększyć efektywność żarówek poprzez ich wymianę. Obecnie są używane w samochodach.
  • Źródła światła fluorescencyjnego są wykorzystywane głównie do oświetlania biur i innych przestrzeni biurowych ze względu na ich różnorodność kształtów i emisję rozproszonego i jednolitego światła. Wydajność promieniowania tego typu lamp wzrasta wraz ze wzrostem ich długości i średnicy.
Reflektor samochodowy

Znaczenie naturalnego światła dla ludzkiego zdrowia

Dla wszystkich organizmów, które żyją na planecie Ziemi, rotacja naszej planety oraz częstotliwość dnia i nocy są ważnymi procesami dla normalnego życia i cyklu biologicznego. Co więcej, aby być zdrowym, większość żywych istot potrzebuje bezpośredniego promieniowania słonecznego.

Naturalne źródło światła

Jeśli mówimy o osobie, to brak światła słonecznego prowadzi do rozwoju depresji, a także braku witaminy D, ponieważ opalenizna uzyskana przez osobę pozwala organizmowi na wchłanianie tej witaminy z większą łatwością.

Wyniki jednego z badań wykazały, że osoba wystarczająco wystawiona na bezpośrednie działanie promieni słonecznych może zmniejszyć i złagodzić niektóre objawy niektórych chorób. W szczególności problemy związane z depresją całkowicie lub częściowo zniknęły u 20% pacjentów. Naturalnie samo światło słoneczne nie jest lekarstwem na depresję, ale stanowi integralną część kompleksowego leczenia.