Свет в жизни человека
Предлагаемая статья касается только ряда исторических фрагментов развития светотехники и источников света.
Если сотворение мира начиналось, по Библии, с сотворения естественного света, то совершенно очевидно, что должен был появиться и искусственный свет, без которого невозможно представить себе развитие человека.
Первыми вопросами, которые касались света, были: как распространяется свет, каким образом формируется в глазах зрительное ощущение?
Эмпедокл из Агригента (492–432 гг. до н. э.) утверждал, что изображение предмета в глазах возникает при пересечении тончайших истечений из глаза и от предмета.
Демокрит Абдерский (460–370 гг. до н. э.) восстает против учения о лучах из глаза и говорит, что зрение обуславливается падением на поверхность глаза мелких атомов, исходящих от предмета.
Аристотель (384–322 гг. до н. э.) поддерживает Демокрита: "Если бы видение зависело от света, исходящего из глаза, как из фонаря, то почему бы нам ни видеть в темноте? Предполагать, что свет гаснет, когда по выходе из глаза попадает в темноту, – бессмыслица". Цвет, по мнению Аристотеля, получается от смешения света и тьмы.
Евклид (300 г. до н. э.) оставил сочинения "Оптика" и "Каноптрика". В этих книгах, несмотря на то, что он разделял ложное учение Платона о лучах, исходящих из глаза, содержатся полезные утверждения о зависимости кажущейся величины предмета от угла зрения, о прямолинейности хода лучей, выходящих из глаза, о равенстве углов падения и отражения от зеркал. Два последних утверждения легли в основу оптики, позволив проблемы отражения лучей сделать чисто математическими.
Клеомед (50 г. н. э.) в сочинении "Циклическая теория метеоров" пишет, что световой луч при переходе из менее плотной среды в более плотную и наоборот преломляется и при вхождении в более плотную среду приближается к перпендикуляру к поверхности, а при переходе в менее плотную среду отдаляется от перпендикуляра к поверхности.
Клавдий Птолемей (70–147 гг. н. э.) вопреки Аристотелю считает, подобно Евклиду, что лучи света исходят из глаза. Он заметил, что место звезд меняется вследствие преломления лучей света в воздухе. Птолемей объяснял причину сплющенных траекторий звезд вокруг полюса земли преломлением лучей.
Арабский оптик Альгазен (1038 г. н. э.) различает в глазу 4 перепонки и 3 жидкости. Изображение возникает в хрусталике, а не на сетчатке глаза. Единое видение двумя глазами обеспечивается общим зрительным нервом. Теория зрительных лучей им полностью отвергается. В отличие от Птолемея, он показывает, что углы падения и преломления неодинаковы. Ему была известна увеличительная способность стеклянной чечевицы полусферической формы.
Роджер Бекон (1214–1294 гг.), исследуя преломление лучей при прохождении через сферические поверхности, открыл, что зрительный угол предметов, а, следовательно, и его кажущиеся размеры могут быть увеличены. Он советует людям со слабым зрением накладывать шаровой отрезок стекла меньше полушара на предмет, который они хотят рассмотреть. Судьба Роджера Бекона, несмотря на его выдающиеся дарования – а может быть, вследствие выдающихся дарований, – была очень непростой. Закончив университет в Оксфорде и Париже, он вступил в францисканский орден, надеясь спокойно заниматься математикой, оптикой, астрономией, химией. Однако слава, приобретенная им за ученые занятия, задевала самолюбие братьев по ордену, его обвинили в ереси и колдовстве, лишили кафедры в Оксфорде и посадили в темницу. Расположенный к Бекону, папа Климент IV освободил его. Однако после смерти Климента IV Бекона вновь заточили в темницу на 10 лет. Освободили ученого, когда ему было 74 года и он не мог уже заниматься опасными для церкви работами.
В 1285 году Сальвино Армати изобрел очки.
Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.) разработал модель формирования изображения в глазу. По его модели, конусы лучей, исходящие от точек предмета и имеющие общим основанием зрачок, преломляются хрусталиком так, что позади него снова образуются конусы, вершины которых лежат на сетчатой оболочке глаза и здесь дают изображение предмета. Аккомодацию глаза к близким и далеким предметам Кепплер объяснял сжатием и расширением хрусталика. Близорукость и дальнозоркость – неправильная кривизна хрусталика.
Большой вклад в теорию света внесли Исаак Ньютон (1643–1727 гг.), М.В. Ломоносов (1711–1765 гг.), Томас Юнг (1773–1829 гг.), Френель (1788–1827 гг.) и другие известные ученые XVIII–XX столетий.
Источники света всегда будут совершенствоваться во времени, пока человечество живо.
В нижеследующей таблице представлено развитие источников света во времени.
Эти материалы были предоставлены известным специалистом в области светотехники господином Боденхаузеном (Германия), за что мы ему очень благодарны. История развития электрического освещения переживала времена застоя и подъема. Самым долгим был путь от лучины к свече и затем к масляной лампе. Значительный интерес представляет история развития ламп накаливания, совершивших революцию в технике освещения. Несмотря на то что многие изобретения не нашли практического применения, с точки зрения развития технических идей они, несомненно, заслуживают внимания.
В 1873 году А.Н. Лодыгин устроил первое в мире наружное освещение лампами накаливания Одесской улицы в Петербурге. В 1880 году он получил патент на лампу накаливания с металлической нитью.
Совершенно естественно, что развитие и совершенствование источников света определялось:
- повышением энергетической эффективности,
- увеличением срока службы,
- улучшением цветовых характеристик излучения (цветовой температуры, индекса цветопередачи и т.д.).
В следующей таблице приведены некоторые характеристики источников излучения. Причем охвачена лишь небольшая группа (общее число типов источников излучения превышает 2 000).
Разработка и производство люминесцентных ламп связано с именем С.И. Вавилова, под руководством которого был разработан люминофор, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимое. В 1951 году за разработку люминесцентных ламп С.И. Вавилов, В.Л. Левшин, В.А. Фабрикант, М.А. Константинов-Шлезингер, Ф.А. Бутаев, В.И. Долгополов были награждены Государственной премией. Кстати, Сергей Иванович Вавилов был также одним из первых, кто положил начало светотехнике в СССР. Он первым в МВТУ прочитал лекции по светотехнике, написал ряд книг по истории света и его физиологическом воздействии на человека.
Необходимо отметить вклад Н.А. Карякина в развитие дуг высокой интенсивности с угольными электродами. Прожекторы с такими источниками света применялись во время Великой Отечественной войны, а также в киносъемках и для кинопроекций. Позже они стали вытесняться ксеноновыми лампами, но их значение в военные годы для СССР трудно переоценить. За работы по угольным дугам высокой интенсивности Н.А. Карякин с сотрудниками были удостоены Государственной премии.
С целью увеличения срока службы разрядных ламп (причина выхода из строя, как правило, была связана с электродами) разработаны безэлектродные люминесцентные лампы. Сюда можно отнести высокочастотные компактные безэлектродные люминесцентные лампы, безэлектродные лампы в форме витка, микроволновые безэлектродные серные лампы.
Одним из новых источников света, которые начали внедряться в практическое освещение (сигнальное, рекламное), являются светодиоды. С 1968 года (первое серийное изготовление) до настоящего времени световая отдача увеличена от 0,2 лмВт до 40 лм/Вт.
Сегодня уже выпускаются серийно не только светодиоды монохроматического излучения, но и белого цвета. По прогнозам, в 2005 году световая отдача ряда светодиодов будет заметно превышать 100 лмВт. Основные преимущества светодиодов – большая сила света (для некоторых типов несколько тысяч канделл), малые размеры, большой срок службы (десятки тысяч часов), маленькое напряжение питания (единицы вольт).
Совершенно очевидно, что в скором времени светодиоды составят серьезную конкуренцию не только лампам накаливания, но и люминесцентным лампам.
Таблица 1. Развитие источников света во времени
10000 г. до н.э. Масляные лампы и факелы.
4000 г. до н.э. Горящие камни в Малой Азии.
2500 г. до н.э. Серийное производство глиняных ламп с маслом.
500 г. до н.э. Первые свечи в Греции и Риме.
1780 г. Водородные лампы с электрическим зажиганием.
1783 г. Лампа с сурепным маслом и плоским фитилем.
1802 г. Свечение накаленной проволоки из платины или золота.
1802 г. Дуга В.В. Петрова между угольными стержнями.
1802 г. Свечение тлеющего разряда в опытах В.В. Петрова.
1811 г. Первые газовые лампы.
1816 г. Первые стеариновые свечи.
1830 г. Первые парафиновые свечи.
1840 г. Немецкий физик Грове использует для подогрева нити накала электрический ток.
1844 г. Старр в Америке делает попытку создать лампу с угольной нитью.
1845 г. Кинг в Лондоне получает патент "Применение накаленных металлических и угольных проводников для освещения".
1854 г. Генрих Гобель создает в Америке первую лампу с угольной нитью и освещает ею витрину своего магазина.
1860 г. Появление первых ртутных разрядных трубок в Англии.
1872 г. Освещение лампочками А.Н. Лодыгина в Петербурге Одесской улицы, аудиторий Технологического института и других помещений.
1874 г. П.Н. Яблочков устраивает первую в мире установку для освещения железнодорожного пути электрическим прожектором, установленным на паровозе.
1876 г. Изобретение П.Н. Яблочковым свечи из двух параллельных угольных стержней.
1877 г. Макссим в США сделал лампу без колбы из платиновой ленты.
1878 г. Сван в Англии предложил лампу с угольным стержнем.
1880 г. Эдисон получает патент на лампу с угольной нитью.
1897 г. Нернст изобретает лампу с металлической нитью накаливания.
1901 г. Купер-Хьюит изобретает ртутную лампу низкого давления.
1903 г. Первая лампа накаливания с танталовой нитью, предложенная Больтеном.
1905 г. Ауэр предлагает лампу с вольфрамовой спиралью.
1906 г. Кух изобретает ртутную дуговую лампу высокого давления.
1910 г. Открытие галогенного цикла.
1913 г. Газонаполненная лампа Лангье с вольфрамовой спиралью.
1931 г. Пирани изобретает натриевую лампу низкого давления.
1946 г. Шульц предлагает ксеноновую лампу.
1946 г. Ртутная лампа высокого давления с люминофором.
1958 г. Первые галогенные лампы накаливания.
1960 г. Первые ртутные лампы высокого давления с йодистыми добавками.
1961 г. Натриевые лампы высокого давления.
1982 г. Галогенные лампы накаливания низкого напряжения.
1983 г. Компактные люминесцентные лампы.
Таблица 2. Некоторые характеристики источников излучения
Тип источника излучения Мощность, Вт Световой поток, лм Световая отдача, лмВт Срок службы, час.
Вакуумные и газонаполненные лампы накаливания общего назначения 15-1000 85-19500 5-19,5 1000
Галогенные лампы накаливания общего назначения 1000-2000 22000-440000 22 2000-3000
Ртутные разрядные люминесцентные лампы 15-80 600-5400 40-65 1000-15000
Ртутные лампы высокого давления 80-2000 3400-120000 40-60 10000-15000
Ртутные лампы сверхвысокого давления 120-1000 4200-53000 35-53 100-800
Металлогалогенные лампы 250-3500 19000-350000 75-100 2000-10000
Натриевые лампы низкого давления 85-140 6000-11000 70-80 20000
Натриевые лампы высокого давления 50-1000 25000-47000 100-115 10000-15000
Ксеноновые лампы 50-10000 35700-2088000 18-40 100-800
| 
