Глава 13. Оптимизация параметров световой среды

 

13.1. Влияние параметров световой среды на здоровье
и работоспособность

Наиболее важной для человека областью оптического спектра электромагнитных излучений (с длиной волны от 10 до 340000 нм) является видимое излучение, которое попадая на сетчатку глаза, вызывает зрительное ощущение и лежит в диапазоне волн от 380 нм до 760 нм
(1 нм=10^-9 м=10^-3 мкм=10 Å), остальная область представлена невидимыми излучениями: ультрафиолетовыми (от 100 нм до 380 нм) и инфракрасными (от 780 нм до коротковолнового радиоизлучением (1-2 мм) (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Длины волн оптического спектра ЭМИ

 

Свет – это возбудитель зрительной сенсорной системы, обеспечивающей человека информацией об окружающей среде. Параметры видимого света влияют на способность получать ощущения и воспринимать окружающую среду. Без света у окружающих нас предметов отсутствовали бы цвет, форма, перспектива. Однако слишком большая освещенность может оказаться столь же вредной, как и ее недостаток. Кроме того, заслуживает внимания как спектральный состав излучения, так и цветовая окраска окружающих предметов. Установлено, что свет, помимо обеспечения зрительного восприятия, воздействует на нервную оптико-вегетативную систему, систему формирования иммунной защиты, рост и развитие организма и влияет на многие основные процессы жизнедеятельности, регулируя обмен веществ и устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды.

Сравнительная оценка естественного и искусственного освещения по его влиянию на работоспособность показывает преимущество естественного света.

Освещение выполняет полезную общефизиологическую функцию, способствующую появлению благоприятного психического состояния людей. С улучшением освещения повышается работоспособность, качество работы, снижается утомляемость, вероятность ошибочных действий, травматизма, аварийности. Недостаточное освещение ведет к перенапряжению глаз, к общему утомлению человека. В результате снижается внимание, ухудшается координация движений, что может привести при физической работе к несчастному случаю. Из-за недостаточного освещения возникает до 5% травм, а в 20% случаев плохое освещение способствует этому. Плохое освещение является вредным и опасным фактором. Кроме того, работа при низкой освещенности способствует развитию близорукости и других заболеваний, а также расстройству нервной системы. Повышенная освещенность тоже неблагоприятно влияет на общее самочувствие и зрение, вызывая, прежде всего, слепящий эффект.

Основными целями эргономики зрительного восприятия является [1]:

- максимальное улучшение восприятия зрительной информации при выполнении работы;

- обеспечение соответствующего уровня выполнения производственных задач;

- максимальное обеспечение безопасности работы;

- обеспечение достаточного уровня зрительного комфорта.

Особенно значение имеет освещение в помещениях и пространствах, в которых отсутствует естественное освещение. В минерально-сырьевом комплексе России освещение является безусловным фактором ведения производственного процесса. В условиях подземной добычи полезных ископаемых, освещение уже многие тысячелетия обуславливает безопасность и производительность, и к сожалению, профессиональную заболеваемость, к примеру, глазного нистагма (судорожное дрожание глазного яблока, дрожание головы и ослабление зрения), что является причиной частого чередования светлых и темных пятен.

 

13.2. Светотехнические понятия и определения

13.2.1. Основные светотехнические единицы

Глаз человека неодинаково чувствителен к излучению в видимом диапазоне. Максимальная спектральная световая эффективность соответствует длине волны 555 нм (желто-зеленый цвет).

При измерениях лучистого потока оценивают абсолютную величину светового потока, распределение его в пространстве, плотность в угле излучения, а также плотность по поверхности, на которую он падает [4, 5].

Для характеристики светотехнических устройств и условий освещенности в системе единиц СИ применяют ряд параметров (рис. 13.2).

Световой поток (F) - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению или по ее действию на селективный приемник света (пример: глаз человека). В СИ измеряется в люменах (лм). 1 лм - это световой поток, излучаемый в единичном телесном угле (стерадиан) равномерным точечным источником с силой света в 1 канделу (кд). Световой поток в 1 лм излучает нагретый платиновый излучатель площадью 0,5305 мм² в момент затвердения платины (2042° К).

(13.1)

где I - сила света, кандела (кд); ω - телесный угол, стерадиан (ср).

 

 

Рис. 13.2 Схема, иллюстрирующая основные светотехнические понятия

 

К примеру, значение светового потока у лампы накаливания мощностью 40 Вт при напряжении 220 В составляет 400 лм.

Телесный угол (ω) – пространственный угол, образованный в центре сферы вершиной конуса, основание которого находится на поверхности сферы. Телесные углы измеряются в стерадианах и определяются как отношение поверхности, занимаемой основанием конуса, к квадрату радиуса сферы. Телесный угол с вершиной в центре сферы определяется отношением площади участка поверхности сферы, на которую опирается этот угол, к квадрату радиуса сферы.

Сила света (I) – это световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадиану. В системе СИ измеряется в канделах (кд). 1 кд – сила света, испускаемая с поверхности площадью 1/600000 м² полного излучателя (государственный световой эталон) в перпендикулярном направлении при температуре затвердевания платины (2046,65 К) и давлении 101325 Па. Средняя сила света лампы накаливания мощностью 100 Вт составляет около 100 кд.

Освещенность (Е) - отношение светового потока к величине освещаемой площади:

(13.2)

где S - площадь освещаемой поверхности, м².

За единицу освещенности в системе СИ принят люкс (лк). Световой поток в 1 лм, падающий на площадь в 1 м², создает освещенность, равную 1 лк (1 лк=1 лм/м²). Освещенность отдельной рабочей поверхности в зависимости от силы света I и расстояния ее от источника света r:

E = I cosά/r², (13.3)

где ά - угол между падающим лучом света и нормалью, опущенной из точечного источника света на освещаемую поверхность.

Например: освещенность в летний полдень составляет 100 000 лк, в полнолуние 0,2 лк, в безлунную ночь 0,0003 лк. Освещенность в учебной аудитории составляет 200 лк.

Яркость (B) – мера светового излучения самосветящейся поверхности (или поверхности, светящейся отраженным светом). За единицу яркости принят стильб (сб) – яркость светящейся поверхности, с 1 м² которой излучается свет с силой в 1 кд (рис. 13.3).

Имеем

. (13.4)

Если отражение (излучение) света происходит под углом, то

В = I/S cosά

 

Рис. 13.3 Яркость

 

Скорость и точность зрительного восприятия зависят от контраста яркости объекта различения В_о и фона В_ф поверхности, на которой рассматривается объект. Количественно контраст характеризуется показателем:

(13.5)

Если k > 0,5, то контраст большой; если k = 0,2 - 0,5 – контраст средний; при k < 0,2 - контраст малый.

Блескость – причина утомления глаза и снижения общей работоспособности. Слепящее действие зависит также от контраста детали и фона (различие яркостей между ними), и чем они меньше, тем слепимость больше.

Яркость поверхности зависит и от способности самой поверхности отражать световой поток, которая определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока F_отр к падающему на нее F_пад:

 

где r – коэффициент отражения, %.

Примерные значения яркости некоторых поверхностей: вольфрамовая нить лампы накаливания – 7 кд/м², Солнце в зените - 10 кд/м², снег в полнолуние - 0,05 кд/м².

Отражение светового потока зависит от окраски и строения поверхности, излучающей в перпендикулярном направлении с каждого квадратного метра силу света, равную одной канделе.

Для создания нормальных условий освещенности на рабочих местах и в производственных помещениях пользуются двумя видами освещения – естественным и искусственным. Комбинация этих двух видов представляет собой совмещенное (комбинированное) освещение.

Контраст (C) - характеризует относительную яркость объекта внимания по отношению к фону В_о/В_ф (обратный контраст) или наоборот (прямой контраст):

при этом: при C > 0,5 контраст считается большим, C = 0,2 - 0,5 - контраст считается средним, при C < 0,2 – малым.

Коэффициент отражения (R) - численно равен отношению количества отраженного светового потока F к падающему на освещенную поверхность:

Для поверхности белого цвета R = 0,9, желтого – R = 0,60-0,75; серого – R = 0,3 - 0,75; синего - R = 0,13 - 0,55; черного - R = 0,07. Светлая поверхность (фон) имеет R > 0,4; при R = 0,2- 0,4 – средний (фон); темный (фон) - R < 0,2.

Световая отдача (СО) – светотехническая единица определяющая степень экономичности источника света, численно равная отношению светового потока, создаваемого источником света к мощности, потребляемой этим источником, лм/Вт:

где: r - расстояние от источника до точки измерения освещенности, м;

Р - мощность, потребляемая источником, Вт.

Цветовая температура (Т_с) – характеристика, определяющая цветность ламп и цветовую тональность (теплую, нейтральную или холодную) освещаемого этими источниками пространства. Она примерно равна температуре нагретого тела одинакового по цвету с заданным источником света. Цветовая температура измеряется в градусах по шкале Кельвина (К).

Цветовую температуру ламп обычно подразделяют на три диапазона:

- теплый белый (2000-3800 K);

- нейтральный белый (3800-4500 K);

- холодный белый (от 4800 K).

Например, наиболее комфортная цветовая температура ламп, предназначенных для освещения жилых помещений, считается в диапазоне теплого и нейтрального белого излучения 2800-4500 K. В практической светотехнике принято ассоциировать цветовую температуру, воспроизводимую искусственными источниками света (лампами) различного типа, в соответствии с естественным источником освещения:

- пламя: 1600-2000 К - свеча;

- солнце: 3500 К - у горизонта за 1 час до восхода/заката, 6500 К - в зените;

- луна: 4125 К - полнолунье.

Цветопередача (R_a) - общее понятие, характеризующее влияние спектрального состава источника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессознательно сравниваемое с восприятием тех же объектов, освещенных стандартным источником света. Измеряется в %.

 

13.2.2. Естественное освещение

Наше солнце излучает прямой свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Таким образом, различают свет, падающий непосредственно от солнца и свет «неба» - солнечного света рассеянного атмосферой. Факторы, влияющие на изменчивость естественного освещения - высота Солнца над горизонтом и географическая широта. Случайные факторы определяются состоянием атмосферы - ясно, дождь, туман. Случайным дополнительным фактором является отражение света от земли и окружающих предметов.

Солнечное освещение меняется в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года. Главная особенность естественного освещения - непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения. Изменение освещенности подвержено влиянию закономерных и случайных факторов. С восходом солнца увеличивается интенсивность света и его цветовая температура.

Период эффективного освещения характеризуется малой освещенностью и большим содержанием оранжево-красных лучей в естественном свете. При восходе и закате они равноценны свету ламп накаливания. Их цветовая температура составляет 3000...3200°К. Благоприятным для глаз является период нормального освещения. В это время плавно изменяется освещенность и незначительно изменяется спектр естественного освещения. Период зенитного освещения характеризуется наибольшей разницей освещения горизонтальных и вертикальных поверхностей. Он неприятен для глаз из-за высокого контраста между освещенными участками и освещенностью в тенях. Высокий контраст при зенитном освещении наиболее остро ощущается в южных широтах.

В безоблачную погоду, при отсутствии дымки, колебания освещенности, связанные с влиянием атмосферных факторов, невелики. На характер естественного освещения значительное влияние оказывает состояние атмосферы - густота облаков, их высота и расположение по отношению к солнцу, дымка, туман, дождь, снег. При этом изменяется освещенность объектов, контрастность и спектральная характеристика света. Например, при наличии кучевой облачности освещенность незатененных объектов, освещенных солнцем, увеличивается на 25%, а освещенность в тени возрастает в два с половиной раза.

Контрастность освещения снижается приблизительно в два раза в сравнении с освещением в безоблачную погоду. При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения. С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Взвешенные в воздухе частицы меньше рассеивают лучи коротковолновой части спектра - фиолетовых, синих и голубых. Увеличение доли синих лучей приводит к расширению коротковолновой части спектра и, следовательно, к увеличению цветовой температуры дневного освещения.

Естественное освещение помещений подразделяется на боковое (через световые проемы в наружных стенках), верхнее (через фонари, световые проемы в покрытии, а также через проемы в стенах перепада высот здания), комбинированное - сочетание верхнего и бокового освещения.

В зависимости от географической широты, времени года, часа дня и состояния погоды уровень естественного освещения может резко изменяться за очень короткий промежуток времени и в довольно широких пределах. Поэтому основной величиной для расчета и нормирования естественного освещения внутри помещений принят коэффициент естественной освещенности (КЕО) - отношение (в процентах) освещенности в данной точке помещения Е_вн к наблюдаемой одновременно освещенности под открытым небом Е_нар:

(13.6)

Замена естественного света искусственным допускается в помещениях, где:

- необходима «вакуумная гигиена»;

- солнечный свет отрицательно влияет на технологический процесс;

- не требуется присутствия рабочих;

- размещение помещений и производств ниже горизонта земли (склады, горные выработки).

При недостаточности естественного света или его отсутствии в помещениях используют искусственное освещение, но оно связано с затратами энергии, имеет худшую спектральную характеристику, требует обеспечения электробезопасности и т.п.

13.2.3 Искусственное освещение

Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых недостаточно естественного света, или для освещения помещения в часы суток, когда естественная освещенность отсутствует.

Искусственное освещение может быть:

- общим, когда светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно (общее равномерное освещение) или применительно к расположению оборудования (общее локализованное оборудование);

- местным (дополнительным к общему), создаваемым светильниками непосредственно на рабочих местах;

- комбинированным, при котором к общему освещению добавляют местное.

Использование только местного освещения недопустимо, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными участками утомляет глаза, замедляет процесс работы и может послужить причиной несчастных случаев и аварий.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на следующие виды:

- рабочее;

- аварийное;

- охранное;

- дежурное.

Рабочее освещение – освещение, обеспечивающее нормируемые осветительные условия (освещенность, качество освещения) в помещениях и в местах производства работ вне зданий.

Аварийное освещение подразделяется на освещение: безопасности и эвакуационное.

Освещение безопасности – освещение для продолжения работы при аварийном отключении рабочего освещения. Освещение безопасности предусматривается в случаях, если отключение рабочего освещения и связанное с этим нарушение обслуживания оборудования и механизмов может вызвать:

- взрыв, пожар, отравление людей;

- длительное нарушение технологического процесса;

- нарушение работы объектов жизнеобеспечения (электрические станции, насосные установки водоснабжения, теплофикации и т.п.), в которых недопустимо прекращение работ.

Наименьшая освещенность, создаваемая освещением безопасности, должна составлять не менее 5% освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк для территорий предприятий.

Эвакуационное освещение – освещение для эвакуации людей из помещения при аварийном отключении рабочего освещения. Эвакуационное освещение предусматривается:

- в местах, опасных для прохода людей;

- в проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей, при числе эвакуирующихся более 50 человек;

- по основным проходам производственных помещений, в которых работает более 50 человек;

- в производственных помещениях с постоянно работающими в них людьми, где выход людей из помещения при аварийном отключении рабочего освещения связан с опасностью травматизма из-за продолжения работы производственного оборудования;

- в помещениях общественных и вспомогательных зданий промышленных предприятий, если в помещении могут одновременно находиться более 100 человек;

- в производственных помещениях без естественного света.

Эвакуационное освещение должно обеспечивать наименьшую освещенность на полу основных проходов и на ступенях лестниц: в помещениях – 0,5 лк, на открытых территориях - 0,2 лк.

Неравномерность эвакуационного освещения по оси эвакуационных проходов должна быть не более 40:1.

Дежурное освещение - освещение в нерабочее время.

Охранное освещение предусматривается вдоль границ территорий, охраняемых в ночное время. Охранное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 0,5 лк на уровне земли.

 

Светотехнические устройства

13.3.1. Источники света

Химические источники света. Первым источником тепла, а заодно и света, является костер, где в качестве топлива используется древесина, или уголь. В этом случае мы имеем источник энергии химической природы. Рабочим органом является раскаленный газ, который образуется в зоне горения при термическом разложении топлива в присутствии кислорода. Передвижным источником света является - факел, а также его уменьшенная копия - лучина. Предназначением и костра и факела не только освещение, но и генерация тепла. Поэтому первой «лампой» можно назвать именно лучину.

Долгие века такой источник света вполне устраивал людей. Но он был не только слишком громоздким, но и крайне неэффективным источником света. Это обусловлено тем, что значительную часть своей энергии он должен затрачивать на термическое разложение материала - горючего. Кроме того, пользоваться им было крайне неудобно. Поэтому появились масляные лампы. В них источником энергии служило жидкое масло. Для транспортировки масла из резервуара к зоне горения потребовалось ввести трансмиссию - фитиль.

Следующим этапом стало изобретение восковой свечи. Как не странно, это устройство может быть помещено между костром и масляной лампой на общей линии развития. Дело в том, что топливо свечи находится в твердом состоянии, но при нагреве плавится и далее транспортируется фитилем к зоне горения.

Затем на долгое время прогресс для ламп сводился к вариациям в конструкции масляных ламп и свечей. Сам процесс развития конструкций тоже представляет значительный интерес, поскольку в ходе изменения в первую очередь росло количество свечей. Если условно считать огонь свечи точечным источником, то он превратился сначала в псевдолинейный (канделябр), круговой (традиционное колесо со свечами в качестве люстры) и объемный (многоярусные люстры дворцов).

В начале ХIХ века появились парафиновые свечи и керосиновые лампы. В действительности, керосиновые лампы появились еще в Средние века. Но новую жизнь в них вдохнул польский изобретатель И. Лукашевич. Любопытно отметить, что и жидкостные лампы прошли развитие, сходное со свечами. Так обычный шнурок-фитиль (условно точечный источник свет) превратился сначала в линейный, а потом в кольцевой (у последних керосиновых ламп).

Следующим шагом было изменение источника энергии на газ. В конце XVIII века появились первые водородные лампы с электрическим зажиганием. Однако широкого распространения они не получили по причине сложности и взрывоопасности. Первая настоящая газовая лампа была создана В. Мурдохом. В 1798 году он стал использовать лампы на угольном газе для освещения производственных помещений, а в 1802 году бывший сотрудник этой компании С. Клегг организовал фирму и стал массово внедрять газовое освещение. Следует отметить, что газовые лампы по сути дела являются модернизацией костра. Только в этом случае твердое горючее превращается в газ где-то на коксовом заводе (в надсистеме), и только затем транспортируется потребителю.

Особенно интенсивное развитие газовые рожки получили после изобретения калильных сеток, резко увеличивающих световой поток. В 1885 году Ауэр фон Вельсбах предложил использовать калильную сетку, представляющую собой мешочек из ткани, пропитанный раствором неорганических веществ (различных солей). При прокаливании ткань сгорала, оставляя тонкий «скелет», ярко светящийся при нагревании под действием пламени. Эти устройства получили название колпачки Ауэра.

На этом история развития ламп, использующих химическую энергию в качестве источник энергий практически прекратилась, хотя газовое освещение еще долго составляло конкуренцию электрическому. Появление ацетиленовой (карбидной) лампы не повлияло на этот процесс, тем более что она, будучи мобильной системой, использовалась для других целей (в шахтах, в фарах и т.д.).

Электрические источники света. Практически параллельно с развитием химических источников света развивались электрические, причем они появились даже немного раньше газовых рожков.

В 1799 году итальянский физик Алессандро Вольта создал первый химический источник тока, который получил название "вольтов столб".

Итак, следующим классом источников света являются электрические, то есть такие устройства, которые используют в качестве источника энергий электричество, причем источник энергий не входит в технические системы. Основными классами будут являться:

- дуговые лампы, где под действием электрического разряда светится газ между электродами;

- лампы накаливания, у которых свет излучает нагретая нить;

- газосветные лампы, где используется тлеющий разряд, который формируется при низком давлении газа и малом токе;

- безэлектродные лампы (СВЧ);

- светодиоды;

- органические светодиоды.

Дуговые лампы. С начала начали развиваться системы, которые использовали электрическую дугу. Наблюдали это явление одновременно Х. Дэви в Англии и В. Петров в России, что в очередной раз подтверждает неизбежность изобретений. Интересно отметить, что и горение электрической дуги и свечение раскаленной проволоки под действием тока наблюдались в один и тот же год.

Однако только через 42 года французский физик Фуко создал первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги, которая нашла достаточно широкое применение. Однако ручное регулирование было крайне неудобным и в дни коронационных торжеств в Москве на башнях Кремля зажглись дуговые лампы с автоматическим регулированием расстояний между углями - детище изобретателя Александра Шпаковского.

Вскоре Павел Яблочков усовершенствовал конструкцию, поставив электроды вертикально и разделив их слоем изолятора. Такая конструкция получила название «свеча Яблочкова» и использовалась во всем мире: например, с помощью таких «свечей» освещался Парижский оперный театр.

Дуговые лампы были, хотя и яркими, но не очень экономичными, поэтому вскоре свое триумфальное шествие начали лампы накаливания. Однако, дуговые лампы вовсе не исчезли, а заняли свою, вполне определенную нишу.

Основной проблемой оставалось быстрое сгорание электродов. Не раз у изобретателей являлась мысль заключить вольтову дугу в лишенную кислорода атмосферу. Ведь благодаря этому лампа могла бы гореть значительно дольше. Американец Джандус первый придумал помещать под купол не всю лампу, а только ее электроды. При возникновении вольтовой дуги кислород, заключенный в сосуде, быстро вступал в реакцию с раскаленным углеродом, так что вскоре внутри сосуда образовывалась нейтральная атмосфера. Хотя кислород и продолжал поступать через зазоры, влияние его сильно ослаблялось, и такая лампа могла непрерывно гореть около 200 часов.

От использования вакуума вскоре перешли к использованию инертных газов. Сейчас в качестве источников особо яркого света используются ртутные и ксеноновые дуговые газоразрядные лампы.

В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда, в импульсных лампах искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким (10-3 мм рт. ст.), например натриевая лампа низкого давления, высоким (от 0,2 до 15 атм.) и сверхвысоким (от 20 до 100 атм. и более, например ксеноновые газоразрядные лампы) давлением.

Цвет получаемого света зависит от вещества, пары которого находятся в лампе. Сравнительные характеристики газоразрядных ламп представлены в табл.13.1.

Таблица 13.1

Сравнительные характеристики дуговых ламп

Тип лампы	Свет
Ртутная высокого давления	Белый
Натриевая низкого давления	Жёлтый
Натриевая высокого давления	Оранжевый
Ксеноновая	Белый

 

Натриевая лампа низкого давления характеризуется максимальной эффективностью среди всех источников света - около 200 лм/Вт.

Поскольку излучение натриевых ламп низкого давления практически монохроматично, качество цветопередачи низкое. Средний срок службы натриевой лампы 4 000 ч.

Натриевые лампы низкого давления применяют в основном для освещения автострад, туннелей, складов, товарных станций, а также высоких помещений, где не предъявляются требования к цветопередаче.

Лампы накаливания. Обычно историю ламп накаливания связывается с именем Эдисона. Однако, первым, кто разработал первую лампочку, использовав обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде был немецкий изобретатель Генрих Гебель. Его соотечественник химик Герман Спренгел повторил это в 1865 году. А потом последовал целый водопад исследований. В Великобритании это были, Cruto, Gobel, Farmer, Maxim, Lane-Fox, Sawyer и Mann. Первый канадский патент был представлен Генри Вудварду и Мэтью 24 июля 1874. Наиболее известными оказались лампочки Лодыгина и Свана.

Хотя Эдисон не изобрел электрическую лампу накаливания, он, тем не менее, перенес теорию в практику и был первым, кто успешно освоил рынок освещения лампами накаливания. Самая главная заслуга Эдисона заключается в том, что он создал всю инфраструктуру для их использования, что и принесло, в конечном итоге, коммерческий успех.

Серьезным недостатком ламп накаливания был слишком короткий срок их работы. Это было вызвано быстрым разрушением нити в атмосфере кислорода. Поэтому, развитие ламп накаливания шло по двум направлениям:

- улучшение характеристик нити;

- изменение атмосферы в лампе.

Улучшение характеристик нити шло по направлению повышения термостойкости материала. Первоначально использовались различные угли на основе бамбука, хлопка и т.д. К концу XIX века светоотдача таких лампочек составляла 3 люмен/Ватт. Затем стали использовать различные тугоплавкие материалы. Так Ауэр предлагает лампу с осмиевой спиралью (Тпл = 2700^oС), пытались использовать тантал с температурой плавления 2996^oС эффективность которого в лампах составляла 7 люмен/Ватт, а ряд изобретателей, в том числе Лодыгин, пытались применять для этих целей вольфрам. Однако только после того, как Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам лампочки накаливания уверенно обошли газовые рожки и дуговые лампы.

И до сих пор, несмотря ни на что, лампы накаливания пока еще составляют большую часть используемых в мире источников света.

Галогенные лампы накаливания. Серьезным шагом в развитии ламп накаливания явилось открытие галогенного цикла. Еще в 1949 году фирма OSRAM подала заявку на выдачу патента на галогенные лампы накаливания. Однако настоящий технический прорыв произошел только в 1959 году на фирме General Electric. Название этих ламп объясняется использованием в них галогенов (солей), йода или брома в качестве газов-наполнителей. Галогенный цикл в лампе предотвращает осаждение испарившегося со спирали накаливания вольфрама на внутренние стенки колбы, что обычно происходит у обычной лампы накаливания в течение ее срока службы. Во время работы лампы вольфрам и галоген соединяются, и испарившийся вольфрам осаждается на спираль. Галоген внутри лампы действует как чистильщик окон, поэтому колба лампы остается прозрачной.

Галогенные лампы накаливания, как и обычные лампы накаливания, излучают тепло, однако их рабочая температура составляет около 2800^oС. В результате этого они излучают более белый свет, имеют более высокую световую отдачу - до 25 люменов/Ватт и более длительный срок службы, составляющий от 2000 до 4000 часов.

Газоразрядные лампы. Газоразрядные лампы являются родственниками дуговых. Это большое семейство ламп, в которых разряд происходит между электродами в атмосфере какого-либо газа, или пара. Разряд вызывает ионизацию газа, то есть возникает плазма, которая и является рабочим органом системы. Однако, в отличии от дуговых, в газоразрядной лампе используется «тлеющий» разряд. В результате, температура и энергопотребление таких ламп существенно ниже.

Газовый разряд в газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа.

Самым распространенным примером таких ламп является люминисцентные лампы «дневного света», где излучателем света являются пары ртути. При этом генерируется УФ излучение, которое преобразовывается люминофором в видимый свет.

Люминесцентные лампы накаливания обеспечивают световую отдачу от 30-50 лм/Вт. Они имеют довольно большой срок службы, до 20 000 часов.

Компактные люминесцентные лампы. Основная особенность устройства компактных люминесцентных ламп состоит в придании различными способами разрядной трубке таких форм, которые бы обеспечили резкое снижение длины лампы. Кроме того, большинство маломощных ламп, предназначенных для замены ламп накаливания, устроены таким образом, что могут непосредственно или через адаптер ввёртываться в резьбовой патрон.

Срок службы у большинства ламп составляет 10 000 ч, т.е. в 10 раз выше, чем у ламп накаливания. Энерго-экономичность - одно из главных преимуществ КЛЛ по сравнению с лампами накаливания. Компактные люминесцентные лампы соединили в себе лучшие свойства, присущие лампам накаливания и обычным люминесцентным лампам, и начинают постепенно вытеснять эти источники из традиционных областей их применения в жилых домах и общественных зданиях.

Однако у люминесцентных ламп есть очень существенный и непреодолимый недостаток: они используют пары ртути (в очень малых количествах, от 40 до 70 мг). Эта доза не нанесет много вреда, даже если лампа разбилась. Но если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью. Поэтому, в последнее время, появилась тенденция к ограничению применения люминесцентных ламп.

Безэлектродные лампы. Безэлектродная лампа работает на высокочастотном излучении устройства, называемого магнетрон и расположенного за рефлектором. СВЧ-излучение создает электромагнитное поле, приводя, таким образом, к возникновению плазмы с длиной волны, определяемой газовым наполнением.

Сейчас получили распространение лампы, заполненные парами серы. Можно выделить такие достоинства СВЧ- световых приборов на основе безэлектродных серных ламп, как:

- повышенная световая отдача (~100 лм/Вт), обеспечивающая возможность энергосбережения;

- сплошной квази-солнечный спектр области излучения с резко пониженным уровнем УФ- и ИК-излучения, максимум спектральной плотности мощности которого практически совпадает с максимумом кривой "видности" человеческого глаза, т.е. естественная (неискаженная) цветопередача;

- малые габариты, высокая яркость и симметричность формы светящего тела, облегчающая оптимизацию оптических систем и, в частности, фокусировку потока области излучения;

- большая долговечность лампы - несколько десятков тысяч часов;

- экологическая "чистота" собственно излучения и материалов горелки;

- возможность регулировки силы света путем изменения уровня мощности СВЧ-накачки.

Светодиоды. Светодиоды (LED - light-emitting diode) - полупроводниковый элемент, который при подаче напряжения в “прямом смещении” ("плюс" источника питания подаётся на анод, "минус" на катод) излучает монохроматический, некогерентный (в отличие от полупроводникового лазера) свет. Цвет свечения зависит от применяемого при производстве светодиода полупроводника (в большей степени - от используемых примесей при их производстве) и сегодня охватывает весь видимый спектр, захватывая инфракрасный, а в последних разработках - даже ультрафиолетовый.

В силу высокого КПД и низких рабочих токов и напряжений светодиоды - отличный материал для изготовления автономных источников света. В компактных фонарях они не имеют себе равных и со временем, скорее всего, полностью вытеснят из этого сектора лампы накаливания.

Начиная с 80-х годов, по всему миру исследуются возможности применения органических светодиодов (OLED). Эти светодиоды состоят из органических химических веществ, которые при подаче на них напряжения начинают светиться желтым, зеленым, красным или синим цветом. При этом используются такие естественные процессы, как флуоресценция и фосфоресценция. Таким образом, при рассмотрении истории развития источников света мы видим примеры реализации различных законов развития технических систем. Натриевая низкого давления [2].