9
В. Фабрикант
Физика
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ
ЛАМП
И свет, и жар
Мы так привыкли к электрическому освещению, что порой не ценим его должным образом и забываем его историю.
Первой появился электрическая лампа наkalивания.
«ВЫНИМАЕТ
паршивую
запаянную склянь.
«Это,— говорит,—
электрическая лампа»…
Вижу —
склянка.
В склянке —
волос.
Но, между прочим,
не из бороды и не из усов…
Сверху
из склянки
и свет,
и жар —
солнце,
ей-богу, солнце!»
— так писал Маяковский в стихотворении «Горяший волос».
Поэт прав, указывая, что «из склянки и свет, и жар», но, как и положено позтам, он преувеличивает, сравнивая лампу наkalивания с Солнцем. Между светом лампы наkalивания и солнечный светом имеются очень важные различия. Прежде всего, свет лампы наkalивания города же солнечного света. Кроме того, в изучении лампы наkalивания «жар» города сильнее по отношению к «свету», чем в изучении Солнца. Оба отличия вызываны одной и той же причиной: температура нити («волоса») лампы наkalивания (3000°С) примерно в два раза ниже температуры поверхности Солнца (6000°С).
Перейдем от поззии к цифрам, и мы натолкнемся на интересный парадокс. Лампа наkalивания представляет почти идеальный преобразователь электрической энергии в энергию излучения (с коэффициентом полезного действия близким к единице) и вместе с тем лампа наkalивания — очень неэкономичный источник света. Как же такое возможность?
10
Рис. 1. Кривая чувствительности глаза человека.
Оказывается, все дело в том, что человекский глаз разгрирует не на любое излучение, а только на узкий участок спектра электромагнитных волн (рис. 1) с длинами волн от 0,4 мкм до 0,8 мкм (от филотовых до красных лучей). Только такое излучение является светом в точном смысле этого слова.
На рисунке 2 показан баланс энергии современной лампы накаливания. Мы видим, что, хотя лампа накаливания превращает в излучение 86% подводимой к ней электроэнергии, только 12% превращается в видимый свет. В нейдиномое телловое излучение (инфракрасные лучи), то есть в «жар» по Маяковскому, превращается 74%! Как источник лучистого «жара» лампа накаливания близка к идеалу. Это было учтено, и сейчас на произвольные широко применяют быстрый суску окрашенных изделий (например, корпус автоматический) с помощью инфракрасных лучей, испускаемых лампами накаливания.
Рис. 2. Баланс энергии в лампе накаливания: 12% — световое излучение, 74% — инфракрасное излучение, 14% — телловые потери через вводы и держатели и через газ.
Холодный свет
Недостатки лампы накаливания как источника видимого света заставили учены искать новые источники света, более экономичные в смысле преобразования электрической энергии в световой и дайошие свет, более близкий к солнечному по цветовым свойством. Таким образом, задача состояла как в увеличении светоотдачи, так и в увеличении качества света.
У С. И. Вавилова возникла идея использовать в этих целях явление холодного свечения, называемое ломинесценцией (см., например, «Физику-10», с. 210—212). Если Солнце или лампа накаливания представляют тепловые источники, в которых излучение возникнет за счет нагрева до высокой температуры, то свечение ломинофора (ломинесцирующего тела) не связано, как правило, с его нагревом.
Нас будут интересовать так называемые фотоломинофоры, свечение которых вызывается облучением их светом от внешнего источника. Фотоломинофоры преобразуют излучение с одним длинами волн в излучения с другой длинами волн. Многие организации красители (например, оранжевая краска родимин) обладают яркой ломинесценцией под действием дневного свеча.
Современное учение о传感ительной ломинесценции многим обязано С. И. Вавилову. В частности, С. И. Вавилов показал, что ломинофоры — как преобразователь энергии излучения — могут обладать очень высоким коэффициентом полезного действия. Это свойство, очень важное для практического применения ломинофоров.
Приципп действия ломинесценной лампы
Казалось бы, можно улучшить характеристики лампы накаливания, нанесая на стенки ее колбы ломинофора и превращать с помощью传感ительной ломинесценции инфракрасное излучение раскаленной нити в видимый свет. К сожалению, такой путь нереален. Существует закон
12
Рис. 4. Баланс энергии 40-ваттной «белой» ломинесcentной лампы.
чение и как оно преобразуется в видимый свет.
Механизм генерации излучения в газовом разряде
Как уже говорилось, источником ультрафиолетового излучения в ломинесcentной лампе является электрический разряд в других парах при низком давлении*). Электроны, выравнищения с ка汰а и разогненные электрическим полем, встречаются на своем пути атомы ртути, испытывают с ним соударения.
Характер соударения, оказывается, зависит от энергии электронов**). Если энергия электрона меньше 4,9 эВ, соударение его с атомом ртути носит упругий характер — кинетическая энергия электрона практические не изменяется, а изменяется лишь направление его движения. При энергии, равной (или превышшей) 4,9 эВ, соударение электрона с атомом ртути становится неупругим — электрон отделется всего
(или почти всего) своего энергии атому ртути. Это — одно из проявлений квантовых свойств атомов.
Согласно квантовым представлениям каждой atom может обладать лишь определенными запасами энергии, или, как говоря, он может находиться лишь на вполне определенных энергетических уровнях. Следовательно, и принимает atom может лишь определенные порции энергии. Так, для атома ртути такой минимальной порцией является энергия 4,9 эВ. Менышую энергию atom ртути не принимает (проявляется его «квантовая гордость»). Что же происходит с атомом дальше?
На рисунке 5 изображена очень грубая схема энергетических уровней атома ртути. В результате неупругого стольновения с электроном atom переходит в возбужdenное состояние, соответствующое энергетическим уровню 3, «живет» на этом уровне примерно 10⁻⁷ с и возврашается обратно на уровень 1.
Заметим, что атомы аргона, хотя их число превышает число атомов ртути в сотни раз, совершенно не возбуждаются. Связан это с тем, что минимальная энергия возбуждая атомов аргона значительно выше, чем у атомов ртути.
16
Рис. 10. Спектральные кривые коэффициента отражения краситель: а) красного; б) зеленого; в) синнего.
Цветовое зрение связывано со сложной структурой сетчатки человекаского глаза. В ее состав входят палочки и колбочки — светочувствительные клетки, связанные с окончаниями разветвленного в сетчатке зрительного нерва (рис. 9). Палочки более чувствительны и работают даже в условиях слабой освещенности (ночное зрение), но при этом цвета практически не различаются («ночью все кошки серы»). Колбочки менее чувствительны и работают только при достаточно большой освещенности (дневное зрение), но это обеспечивает различение цветов. Для сравнения укажем, что усовместится только палочки, поэтому они должны шурить глаза. У кур, наоборот, — только колбочки, вот почему они ложатся спать с заходом солнца.
Считается, что в человекаском глазу имеет три типа колбочек.
Рис. 11. Распределение энергии в спектре luminiscентных ламп: а) «дневного» светета; б) «белого» светета; в) «теллюбелого» светета.
При поглощении света колбочной одного из этих типов возникает ощущение синего цвета, другого — зеленого цвета и третього — красного цвета. Восприннимаемый нами цвет предмета зависит от соответствия интенсивностей возбуждения трех указанных типов колбочек. Это соответствие в свою очередь зависит от спектрального состава света, отраженного от предмета и попадающего в глаз. Аспектральный состав отраженного света определяется зависимостью коэффициента отражения предмета от длины волны (рис. 10) и спектральным составом падающего на предмет света. Так, многие такие при дневном свете и при свете ламп накаливания имеютсовсем разные цвета. Поэтому опытные покупатели в магазина часто подносят покупку к окну, чтобы избежать неожиданностей в дальнейшем. Неприятны изменения цвет-