1.3.1 Surse de radiație termică
Sursele de lumină termică folosesc proprietățile corpurilor pentru a radia energia radiantă atunci când sunt încălzite. La o temperatură suficient de ridicată, această radiație trece în regiunea vizibilă - corpul începe să strălucească. Radiația luminoasă crește odată cu creșterea temperaturii corpului.
Orice organism care are o temperatură de culoare mai mare decât zero absolută emite energie. Dacă starea excitată a atomilor și a moleculelor acestui corp este cauzată de încălzire, atunci radiația trimisă de acest corp în spațiu este termică.
Radiația termică apare ca urmare a modificărilor în starea energiei electronilor și a ionilor care alcătuiesc corpul radiant, indiferent de starea sa agregată. Cu toate acestea, pentru iluminarea în stare solidă, solidele prezintă un interes deosebit. Radiația acestor surse constă într-un număr infinit de mari de radiații monocromatice a căror putere variază în mod continuu cu lungimea de undă (figura 5).
Figura 5. Distribuția spectrală a energiei surselor termice: 1 - lămpi cu incandescență; 2 - Soarele
Un exemplu de sursă termică este o lampă obișnuită obișnuită, care de obicei are un element radiant sub forma unui fir sau a unei spirale de tungsten. În plus față de principalele electrice (tensiunea nominală, de putere), iluminat (flux luminos, intensitate luminoasă) și performanța (durata de viață) Opțiuni pentru becuri cu incandescență au o caracteristică importantă - ieșire de lumină. Această valoare, exprimată în lm / W, arată cât de multă lumină (lm) emite lampa pentru fiecare watt de energie electrică furnizată lămpii. Cu cât este mai mare luminozitatea, cu atât este mai bine convertirea energiei electrice în lumină. Producția de lămpi a lămpilor incandescente este redusă și este de 7-22 lm / W.
Radiatoarele termice utilizate în practică ca surse de iluminare diferă în mare măsură de compoziția spectrală și puterea radiației. Pentru caracterizarea surselor termice în scopul aplicării lor practice și a posibilității de comparare a acestora, se utilizează un model artificial al unui radiator termic - un corp absolut negru.
A
Temperatura de culoare - la care compoziția spectrală relativă a radiației sale este identică cu compoziția radiației unui corp real. Conceptul de temperatură a culorii este aplicabil numai surselor termice cu un spectru continuu de radiații. Numai cu un grad suficient de aproximare poate fi caracterizată temperatura de culoare a surselor mixte de radiație.
1.3.2 Surse de descărcare de gaze
Surse de descărcare gazului lumină, dispozitive în care energia electrică este convertită la radiații optice în timpul trecerii curentului electric prin gaze și altele. Materia (de exemplu, mercur), care sunt în stare de vapori.
În surse de acest tip, se utilizează gazele emise de curentul care trece prin ele. Un număr mare de gaze și vapori metalici, care se poate obține o descărcare suficient de puternic, a permis crearea unui număr mare de soiuri. Lămpi cu descărcare de gaz. sursă luminoasă cu descărcare este o formă care conține gaz de sticlă, ceramică sau metal (cu fereastra de ieșire transparentă) a mantalei cilindrice, sferice sau alta, uneori, o anumită cantitate de metal sau altele asemenea. Materia (sare halogen) cu o presiune suficient de mare de vapori. În cochilie, electrozii sunt sigilați (lipiți) între care apare descărcarea. Există surse de lumină cu descărcare în electrozi care funcționează într-o atmosferă deschisă, sau conductă de gaz, de exemplu carbon arc.
Sursa de lumină cu descărcare în gaz este utilizată pentru iluminatul general, iradiere, semnalizare și alte scopuri. Performanța luminii mari, culoarea acceptabilă, simplitatea și fiabilitatea în funcționare sunt importante pentru sursele de lumină cu descărcare în gaz pentru iluminatul general. Cele mai populare surse luminoase cu descărcare de gaz pentru lampă fluorescentă generală iluminare este o sursă de descărcare de gaz formează spectrul linia determinată de gaz inert sau compoziția vaporilor de metal în care are loc o descărcare electrică. Ca urmare a acestui proces, atomii sau moleculele gazului sunt excitate de un impact de electroni și apoi, emiterea de lumină, intră în starea inițială. Un exemplu de astfel de sursă este o lampă cu mercur de înaltă presiune (figura 6). Aranjarea liniilor spectrale prezentate în figură este specifică numai mercurului.
Figura 6. Distribuția spectrală a energiei unei lămpi cu mercur de înaltă presiune.
În surse cu spectru de linie, radiația se produce într-o porțiune îngustă a spectrului. Fluxul de radiație al unei surse cu un astfel de spectru de linie constă în fluxuri monocromatice ale liniilor individuale:
unde este fluxul total de radiații al unei surse cu un spectru de linie; ,,, .... - fluxurile de radiații monocromatice ale liniilor individuale.
Culoarea radiației și natura spectrului depind de compoziția gazului sau a vaporilor care umple sursa de lumină și condițiile de descărcare. Prin selectarea condițiilor adecvate de gaze și de descărcare, radiația se obține în orice parte a spectrului.
Lămpile cu descărcare în gaz pot fi combustie continuă sau pulsată. În lămpile cu gaz de descărcare de gaze de ardere continuă se utilizează în principal descărcări de arc și de arc.
O descărcare gravă se caracterizează printr-o presiune scăzută a gazului sau a vaporilor de metal care umple golul de evacuare și o densitate scăzută a curentului la electrozii lămpii. Becurile de descărcare de gestiune sunt, de regulă, forma unor tuburi lungi. Datorită densităților scăzute de curent, intensitatea radiațiilor acestor surse este relativ mică.
Arcul de descărcare apare la densități mari de curent. Acest tip de descărcare este utilizat cel mai frecvent în lămpile cu descărcare în gaz, deoarece, cu ajutorul acestuia, este posibil să se creeze surse de lumină cu luminozitate mare la tensiuni de funcționare relativ scăzute.
Lampile cu descărcare cu gaz pulsată sunt utilizate pentru a crea atât impulsuri rare, dar puternice, cât și frecvente, dar mai puțin puternice. Durata de bliț a lămpilor cu bliț este o perioadă scurtă de timp. În acest sens, în ciuda intensității mari a luminii din puls, puterea totală a impulsurilor este suficient de mică.
1.3.3 Surse de radiație bazate pe fenomenul luminiscenței
Luminescența înseamnă capacitatea unui număr de substanțe de a emite energie acumulată în interiorul unui atom atunci când electronii se deplasează de la niveluri mai mari de energie la cele mai mici. În funcție de cantitatea de energie pe care o excită atomul, se disting fotoluminescența, chemiluminescența, catodoluminescența etc.
Incidența luminii de pe substanță este parțial reflectată și parțial absorbită. Energia luminii absorbite în majoritatea cazurilor determină numai încălzirea corpurilor. Cu toate acestea, unele organisme înșiși încep să stralucească direct sub influența radiațiilor care au loc pe ea. Aceasta este fotoluminescența. Lumina excită atomii de materie. Lumina emisă în timpul fotoluminiscenței are, de regulă, o lungime de undă mai lungă decât lumina care excită stralucirea. Cel mai adesea fotoluminiscența este utilizată în lămpile fluorescente.
Fenomenul fotoluminiscenței a găsit o aplicare largă în crearea surselor de radiații. Esența fotoluminescentei constă în photoexcitationul unei fosfor - o substanță cu defecte în rețeaua cristalină. Poate străluci atât în procesul de excitație, cât și în cel al fotonilor de radiație UV absorbită a părții optice a spectrului.
Luminescența și, în special, fotoluminiscența sunt utilizate în surse luminoase în care razele UV sunt transformate cu ajutorul unui fosfor în spectrul vizibil. Cel mai adesea fotoluminiscența este utilizată în lămpile fluorescente.
Iar partea principală a fluxului radiant al unei astfel de surse este radiația substanței luminescente.
În unele reacții chimice care se datorează eliberării energiei, o parte din această energie se cheltuiește în mod direct pe emisia de lumină. Sursa de lumină rămâne rece. Acest fenomen se numește chemiluminescență. În timpul verii, în pădure, puteți vedea o focă de insecte pe timp de noapte. Pe corpul său, "arde" o verde "verde". Spectacolul strălucitor pe spate are aproape aceeași temperatură ca și aerul înconjurător. Alte organisme vii au capacitatea de a străluci: bacterii, insecte, multe pești care trăiesc în adâncimi mari. Deseori strălucind în bucățile întunecate de lemn putrezitor.
Surse luminescente (lămpi) sunt create pe baza acestui fenomen sunt un tub de sticlă cu un evacuat, în interiorul căruia există o cantitate mică de mercur și o doză mică de gaz inert.
Lămpile fluorescente reprezintă a doua sursă de lumină cea mai utilizată din lume, iar în Japonia ocupă chiar primul loc, depășind lămpile cu incandescență. Anual, în lume, este produs de mai mult de un miliard lămpi fluorescente Lampă fluorescentă - este o sursă tipică de descărcare de joasă presiune ușoară în care are loc evacuarea într-un amestec de vapori de mercur și un gaz inert, cel mai des - argon.
Figura 7. Spectrul de emisie al unei lămpi fluorescente
Durata de viață a lămpilor fluorescente convenționale este determinată de doi factori: declinul fluxului luminos din cauza „otrăvire“ atomi de fosfor și produse de mercur electrozi și electrozi de pulverizare pierdere emisivitate datorită acoperirii de activare a consumului complet. Există lămpi cu o peliculă protectoare pe bază de fosfor, reducând în mod semnificativ declinul a fluxului luminos și durata de viață a noii generații de lămpi (T5) este determinată, în principiu, acesta are doar capacitatea de electrod de emisie. Prin urmare, crearea de lămpi fără electrozi este o modalitate reală de a crește durata de viață a lămpilor fluorescente.
Pulberile fosforate sunt aplicate pe suprafața interioară a tubului sub forma unui strat subțire uniform. Încărcarea electrică formată în timpul pornirii în vapori de mercur dă un spectru de linii, cea mai mare parte fiind emisă în zona UV la o lungime de undă de 254 nm. Această emisie de mercur de scurtă durată excită luminiscența vizibilă a învelișului luminiscent din interiorul tubului. În funcție de raportul dintre fosforii din amestec, lampa fluorescentă oferă o strălucire albăstruie, gălbuie sau albă. În plus față de emisia de înveliș luminiscent, există și linii de spectru de mercur care penetrează stratul de fosfor din figura 7) în lumina unei lămpi fluorescente.
1.3.4 Generatoare cuantice optice (lasere)
Laserul este un dispozitiv care este un generator de radiație stimulată și coerentă în timp și spațiu.
Dispozitivul de lasere se bazează pe controlul stării energetice a atomilor și moleculelor substanței din care sunt fabricate. În sursele termice considerate mai devreme, emisia de lumină este, de asemenea, asociată cu trecerea atomilor de la o stare la alta. Totuși, aceste tranziții în sursele de radiație termică sunt haotice în timp și, prin urmare, undele luminoase emise de ele sunt simultan în diferite faze. În lasere, procesul de emisie pentru toate atomii are loc simultan. Prin urmare, undele luminoase din radiațiile laserului sunt absolut coerente, adică în aceeași fază.
Dacă se creează un sistem de atomi activi excitați (un mediu activ laser) și se trece prin radiație, această radiație poate fi amplificată. O astfel de amplificare a radiației optice, bazată pe utilizarea emisiei stimulate, se numește amplificare laser.
Pentru ca amplificatorul laser să fie transformat într-un generator de radiații laser, este introdus feedback pozitiv. Rezonatorii optici sunt folosiți ca o legătură de feedback pozitiv. Acestea constau în două oglinzi semi-transparente și asigură trecerea multiplă a undei radiației prin substanța activă. În general, un rezonator optic este un sistem de reflexie, refractare și alte elemente optice în spațiu, între care se pot excita undele radiațiilor optice.
O diagramă structurală simplificată a laserului poate fi reprezentată sub forma următoarelor elemente de bază (figura 8).
1. O sursă de energie care asigură crearea energiei pompei. Pomparea cu laser este procesul de excitare a unei substanțe, ceea ce duce la apariția unui mediu laser activ. În funcție de tipul de energie furnizată, ele fac distincția între pomparea optică, electrică, electronică și chimică.
Figura 8. Diagrama bloc simplificată a laserului
2. Un emițător laser care convertește energia pompei în radiație laser și conține unul sau mai multe elemente active:
a) sistem de pompare - un număr de elemente concepute pentru a transforma energia și a transfera-o de la sursa de energie la elementul activ cu laser;
b) un element activ cu laser care conține o substanță în care este creat un mediu activ în timpul procesului de pompare;
c) un rezonator optic.
Schema structurală a laserului este de obicei suplimentată cu o serie de alte elemente care asigură operabilitatea laserului sau servesc la controlul radiației laser.
În funcție de tipul de element activ utilizat, laserele sunt împărțite în semiconductor, gaz, solid și lichid. Prin natura luminiscenței, laserele sunt împărțite în luminiscență pulsată și continuă. Cele mai interesante pentru imprimare sunt gazele și laserele de stare solidă.
Gazele existente pentru gaze asigură generarea într-o gamă largă, de la spectrul ultra-violet până la spectrul infraroșu îndepărtat. Mediul activ al laserelor cu gaz este plasma de descărcare de gaz produsă atunci când se produce o încărcătură electrică. Se folosesc două tipuri de descărcări: arc - descărcare puternică la temperaturi ridicate cu un grad ridicat de ionizare a plasmei; strălucitoare - temperatură scăzută, cu un grad redus de ionizare în plasmă.
Cel mai obișnuit tip de laser cu descărcare în gaz este heliul-neon, care funcționează pe o descărcare de glow. Sub acțiunea descărcării, atomii de heliu sunt excitați, care, în coliziune, transmit energie unor atomi de neon care au exact aceleași niveluri de excitație.
Laserele de stare solidă diferă de gaz, în principiu, numai datorită naturii pompei. Ca mediu activ se utilizează un dielectric cristalin sau amorf, care are centre de luminiscență.
concluzie
De iluminat - știință și tehnologie, care fac obiectul cercetării și dezvoltării principiilor metodelor de generare, și măsurarea distribuției spațiale a caracteristicilor de emisie optice, și, de asemenea, transformarea energiei sale în alte forme de energie, și de a folosi pentru diverse scopuri. Tehnologia de iluminat include, de asemenea, proiectarea și dezvoltarea tehnologică a surselor de radiație și a sistemelor de control, dispozitivele și instalațiile de iluminat, iradiere și semnalizare luminoasă, raționalizarea, proiectarea, instalarea și funcționarea instalațiilor de iluminat.
Surse de lumină, emițătoare de energie electromagnetică în regiunile vizibile (sau optice, adică nu numai vizibile, dar și ultraviolete și în infraroșu) ale spectrului.
La sfârșitul secolului al XIX-lea. au apărut primele surse de lumină electrică practic utilizabile. la crearea căruia o mare contribuție a fost făcută de oamenii de știință ruși P.N. Yablochkov, V.N. Chikolev, A.N. Lodygin și altele. De la începutul secolului al XX-lea. lampa incandescentă electrică datorată economiei, igienei și ușurinței de utilizare începe să deplaseze rapid și universal sursele de lumină bazate pe combustie. O lampă incandescentă modernă electrică este o sursă de lumină termică în care radiația este creată de o spirală de sârmă de tungsten, încălzită la o temperatură ridicată (aproximativ 3000 K) de un curent electric care trece prin ea. Lămpile cu filament sunt cele mai frecvente.