Что может быть проще лампочки?

Сегодня вряд ли кто-то задумывается о том, какой сложный путь прошла обычная лампа накаливания за все время своего существования. Вкрутил - горит. Прошло время, перегорела - выкрутил. Вкрутил новую - горит... Этот несложный алгоритм каждый знает наизусть, при этом не представляя, какое множество изменений претерпело это устройство благодаря нескончаемым попыткам человечества сделать его вечным. Что же, давайте приоткроем завесу истории и обратим свои взоры в тридцатые годы XIX столетия: именно тогда миру был явлен первый образец, с которого и началась эпоха ламп, продолжающаяся и по сей день.

В начале был уголь

Датой рождения первой лампы накаливания можно считать 1838 год, когда бельгиец Жобар ставит опыты с лампой с угольными электродами. Это и положило начало бесконечным экспериментам по совершенствованию самой технологии, в основе которой лежит принцип нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через нее электрического тока.

Уже в 1878 году английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получает британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

В это же время не остаются в тени и наши соотечественники. 11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещенный в вакуумированный сосуд.

Тем временем, во второй половине 1870-х годов незабвенный Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. И уже в 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. Но технология далеко не совершенна... и в 1880 году он возвращается к угольному волокну и создает лампу с временем жизни 40 часов. Это было буквально прорывом в те времена. Одновременно Эдисон изобрел патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни, его лампы постепенно вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

Прогресс берет верх! Наступает эра электрического освещения.

1890 год. Снова Россия, и снова Лодыгин. Александр Николаевич изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин первым предложил применять в лампах вольфрамовые нити (в современных электрических лампочках нити накала именно из вольфрама) и закручивать нить накаливания в форме спирали. К сожалению, в родном отечестве он не находит поддержки и в 1906 году продает патент на вольфрамовую нить компании General Electric. В том же 1906 г. в США он строит и запускает завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение. Но, уже через четыре года Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей, но это уже более поздняя история.

Немногим ранее Лодыгина, в 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получают патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.

С тех пор лишь небольшие доработки и изменения коснулись лампы накаливания, той лампы, к которой мы так привыкли, что даже фактически не замечаем ее.

Вкрутил. Выкрутил. Вкрутил... Этот процесс был бы бесконечным, если бы на заре XX-го столетия инженерная мысль застыла на месте. Но, конечно, это было далеко не так.

Тусклый, желтый свет ламп накаливания не давал покоя самым светлым умам той поры. Истории известно множество, как успешных, так и не очень, опытов по заполнению ламп накаливания различными смесями газов. Но лишь в 1926 году Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать ее флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбужденной плазмой, в более однородный белый свет. Э. Джермер в настоящее время признан изобретателем лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера и под руководством Джорджа Э. Инмана к 1938 году довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования. Принцип работы этой лампы в корне отличался от предшественницы. При работе лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает низкотемпературный дуговой электрический разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий ток приводит к появлению УФ излучения невидимого для человеческого глаза. По этой причине его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом - люминофором, поглощающем УФ излучение, и излучающем видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы.

Знакомьтесь! Ее Величество - Люминесцентная Лампа!

Перечислять области применения стандартной линейной люминесцентной (трубчатой) лампы нет смысла. Скорее проще перчислить где она не используется.

Отдельной истории заслуживает, так называемая, «Энергосберегающая», а по своей сути - Компактная Люминесцентная Лампа.

Первые образцы появляются на мировом рынке в 1980 году. Патентная заявка подается в 1984 году.
Так что же это за «зверь»?

Компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) - разновидность люминесцентной лампы - ртутная газоразрядная лампа низкого давления, имеющая меньшие размеры, по сравнению линейной, и менее подверженная механическим повреждениям. Зачастую, они предназначены для установки в стандартный патрон ламп накаливания.

• Также Компактные люминесцентные лампы различаются:
• по типу разъема (цоколя) на: 2D; G23; 2G7; G24Q1; G24Q2; G24Q3; G53
• по типу цоколя: E14 («миньон»), E27 (привычный всем патрон) и E40 (для очень мощных ламп), что позволяет использовать их в обычных светильниках вместо ламп накаливания.
• Цокольные гнезда для таких ламп очень просты при монтаже в обычные светильники, с заявленным сроком службы от 6000 до 15 000 часов.

Достоинства КЛЛ:

• Высокая светоотдача (световой КПД): при равной мощности световой поток КЛЛ в 4-6 раз выше, чем у лампы накаливания, что дает экономию электроэнергии 75-85%;
• Длительный срок службы в непрерывном цикле эксплуатации (без частого включения/выключения);
• Возможность создания ламп с различными значениями цветовой температуры;
• Нагрев корпуса и колбы значительно ниже, чем у лампы накаливания.

Но у люминесцентных ламп есть свой недостаток. Это ртуть, хоть и в небольших количествах, но все же содержащаяся в лампах, что, в свою очередь, требует специальной утилизации, создавая некоторые сложности для потребителя. Юридические лица и частные предприниматели при утилизации обязаны пользоваться услугами фирм, имеющими разрешение на данный вид деятельности. Кроме того, в ряде городов существуют полигоны по утилизации токсичных отходов, принимающие отходы от частных лиц бесплатно. В Москве перегоревшие люминесцентные лампы бесплатно принимаются для дальнейшей переработки в районных ДЕЗ или РЭУ, где установлены специальные контейнеры.

Внимание!!!

Если вам не безразлично здоровье будущих поколений, не выкидывайте люминесцентные лампы просто в мусорные баки, и тем более не разбивайте их на улице. Предельно допустимые концентрации ртути в жилых районах очень и очень малы, превысить их - запросто, а это медленно, но обязательно отразится на здоровье, ибо ртуть будет попадать в воду, в воздух, в почвы.

И как не парадоксально, но, по мнению аналитиков, КЛЛ является тупиковой ветвью развития источников света. Сегодня бо′льшая часть научно исследовательских работ проводится в области развития светодиодных источников света.

Мал золотник, да ярок!

Ни один из источников освещения не может «похвастаться» такой колоритной историей, широким спектром применения и стремительным развитием технологии, как светодиоды.

Первые светодиоды появились в 1962 году, а в 1968 - первая светодиодная лампочка. Световой поток ее был слабым, всего 0,001 лм и цвет - только красный.

В дальнейшем были получены светодиоды желтых, синих и зеленых цветов спектра, со световым потоком достаточно мощным, чтобы различать их при дневном свете.

С 1985 года их световой поток увеличился до 1-100 лм, и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях.

В 1990 году светоотдача полупроводников достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать адекватной заменой лампам накаливания.

Уже к 2006 году использование светодиодных ламп в освещении уже занимает 6% рынка. Каков процент на сегодняшний день - сказать сложно. Неоспоримо лишь одно: светодиодные (LED), технологии - это технологии будущего. Развитие светодиодного освещения непосредственно связано с технологической эволюцией светодиода.

На сегодняшний день разработаны, так называемые, сверхяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения.

В сравнении с обычными лампами накаливания и люминесцентными лампами, светодиоды обладают многими преимуществами:

• Экономично используют электроэнергию по сравнению с традиционными лампами накаливания. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 132 люменов на ватт и сравнима с отдачей (150 люменов на ватт) натриевых газоразрядных ламп. Обычные лампы накаливания имеют световую отдачу 15 люменов на ватт, люминесцентные лампы - 80–100 люменов на ватт.
• Срок службы в 30 раз больше по сравнению с лампами накаливания.
• Возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров (как в случае ламп накаливания).
• Безопасность использования.
• Малые размеры.
• Отсутствие ртутных паров (в сравнении с люминесцентными лампами).
• Малое ультрафиолетовое излучение и малое инфракрасное излучение.
• Незначительное относительное тепловыделение (для маломощных устройств).
• Более высокая прочность.
• Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности и практического применения.

И немного о будущем

Уже смело можно говорить о разработках в светотехнике на основах органических светодиодов (OLED).

В недалеком будущем появится возможность использовать OLED, в качестве масштабируемых, прозрачных и гибких источники света. Прозрачный OLED-светильник позволит солнечному свету проникать в помещение днем и освещать помещение в ночное время суток.

Представили себе эту картину?

Компания «ЛайтЭлектроСнаб» постоянно увеличивает ассортимент светодиодных светильников и ламп. Одна из последних новинок - светодиодные и энергосберегающие лампы Gauss.

Лампы компании Gauss дают приятный немерцающий свет, обладают всеми техническими характеристиками европейского уровня, поражают разнообразием видов, форм, цветов, размеров и мощностей. Мы делаем возможными все ваши самые светлые мечты и желания, даже самые сложные в исполнении. Начав пользоваться продукцией gauss, вы поймете - нет такого светильника, с которым не дружат энергосберегающие и светодиодные лампы.

Всегда рады Вам предложить светодиодные аналоги всех типов ламп под любой тип цоколя, - адекватную замену обычным лампам мощностью до 100 Вт и больше.

Материал подготовлен
специалистами компании
«ЛайтЭлектроСнаб»

Современный мир светится яркими красками даже с космоса: космические станции и экипаж на борту могут лицезреть удивительную картину ночью: светящаяся паутина из ярких городских огней. Это – продукт жизнедеятельности человека, его тяжелой умственной изобретательской работы. Нам это сложно представить, но еще каких-нибудь 300 лет назад для освещения улиц и домов люди использовали совершенно невообразимые вещи. Вот об этом я и хочу вам рассказать, об удивительной и интересной истории освещения, начиная от самых примитивных способов и заканчивая современными люстрами, бра, подвесными светильниками и другими приборами, благодаря которым наши дома и квартиры такие уютные.

Древний мир полон загадок и увлекательных уроков, несмотря на то, что у большинства современных людей интерес к нему постепенно отпадает. Что касается освещения, то здесь тоже есть кое-что интересное, ведь первобытные люди не использовали даже обычный огонь. Сначала люди лишь умели его поддерживать: где-нибудь ударит молния, загорится дерево и там может осесть несколько людей, которые будут прилагать усилия для того, чтобы пламя не угасло. Огонь встречается в природе довольно редко, поэтому племена, которым удалось наткнуться на пожар в первобытном лесу – практически везунчики. К сожалению, не установлен точный период, когда люди научились вручную добывать огонь, но большинство ученых сходится во мнении, что это произошло около 10 млн лет назад.

С этого момента, по сути, началась эволюция мысли, так как благодаря огню у человека стало намного больше свободного времени, и жизнь стала комфортней, так как пламя огня даровало тепло у ночного кострища под сенью звезд. Так, возможно, родилась сама философия! Но не будем отклоняться от темы, вернемся к искусственному освещению.

Энергия, рожденная идеей

Как известно, во время реакции горения высвобождается тепловая энергия, и во время этой реакции также выделяются фотоны – частицы света. Экспериментальным путем (так как адекватной теоретической базы еще не было) люди постепенно находили материалы, которые могут долго гореть, высвобождая свет и тепло. Это различные масла, смолистые порода дерева, природные смолы, воск, ворвань (китовый жир) и даже нефть! К слову, греческий огонь, известный в своё время как чрезвычайно грозное оружие, по некоторым версиям представлял собой именно нефть.

Все эти горючие материалы использовались людьми для освещения своих жилищ и улиц – создавались специальные люстры (несколько сосудов, скрепленных в одну систему), бра или крепились к стенке факелы, чтобы осветить комнату. К сожалению, такой способ освещения не является безопасным, и истории известно множество случаев возникновения пожаров, когда кто-то случайно перевернет лампаду или уронит факел на стог сена. Помимо этого, люди рубили много деревьев и охотились на китов, а изобретение электричества в 19 веке всё изменило – китам жить стало немного спокойней (а вот вырубка леса даже ускорилась, но уже по другим причинам).

«Да будет свет», сказал Петров и соединил угольные стержни

В 1802 году русский ученый Петров, являвшийся также профессором физики, проводил в своей лаборатории опыты с помощью построенной им батареи гальванических элементов. Ему удалось соединить два угольных стержня с помощью разных разрядов (положительный и отрицательный). Сблизившись, угли начали разогреваться до температуры, когда начали светиться. После этого он их раздвинул и увидел уникальное явление – яркое изогнутое пламя. Это была первая в мире электрическая дуга. Далее произошел бум, и огромное количество ученых начало заниматься исследованиями в этой области. Так родилась лампа русского ученого Яблочкова, Лодыгина и, наконец, Томаса Эдисона, которого ошибочно считают первым в мире человеком, что изобрел электрическую лампочку. Электрический свет – продукт кропотливой работы множества ученых, среди которых видное место занимает также и сам Эдисон, значительно усовершенствовавший механизм работы лампы накаливания и сумевший существенно продлить её сроки службы.

Современный мир: великие достижения в области освещения

Ассортимент осветительных приборов сегодняшнего дня просто поражает. Это и лампы дневного света, и различные энергосберегающие, а также светодиодные, галогенные, металогалогенные, натриевые и другие виды лампочек. Говорить об изобретении каждой лампочки можно очень долго, но это ни к чему. Современный пользователь без труда может купить светильник с таким типом света, который именно ему будет комфортно наблюдать. Для этого не нужно знать технических деталей, достаточно лишь узнать о преимуществах тех или иных осветительных приборов. Широкое разнообразие осветительных приборов и лампочек открывает огромные возможности в плане декорирования и освещения помещений. Достаточно лишь знать, куда обращаться. вы можете купить качественные осветительные приборы и другое профильное оборудование, причем на самых выгодных условиях. Магазин «Homelight» является официальным представителем компании Philips в Украине, поэтому вы можете приобрести качественную европейскую продукцию на максимально комфортных и выгодных условиях.

Без светотени классическая живопись немыслима. С её помощью художники, начиная с эпохи Возрождения, превращали свои картины не просто в красивые изображения - они создавали настоящие тексты, философские трактаты.

Мастерство развивалось годами. Живопись обрела голос, заговорила со зрителями. И как наигранно стали смотреться все картины величайших мастеров на тему кающейся Магдалины, когда своё полотно на этот сюжет создал .

Проживший немало лет в трущобах, художник отлично знал, как выглядит страдающая проститутка, решившая обратится к вере. Его Магдалина действительно такова.

Её глаза опущены, на лице задумчивая скорбь, ведь, решив поменять свою жизнь, человек обращается не к небу, он задает вопрос самому себе. Это уже финал преображения, последствие бури эмоций, о которой свидетельствуют разбросанные по полу дорогие украшения. В этой блуднице нет и тени кокетства. Она полностью одета, в её платье нет ничего вызывающего.

Нет здесь и ни единого классического упоминания о святости. Нет толпы голых младенцев-херувимов, нет креста, нет неба. Перед нами мрачная комната. В мучительном исступлении, похожем на горячку, провела Магдалина всю ночь. И настало утро. Солнечный свет пока еще совсем слаб, его мягкие лучи видны только в правом верхнем углу полотна. Героиня еще не видит их. Это тот переломный момент ее жизни, когда возврат к старому невозможен, а будущее еще совсем не ясно. То самое предчувствие катарсиса, который вот-вот должен случится, когда на блудницу упадет солнечный свет. Она застыла между двумя реальностями. Её прошлое изорванными украшениями валяется на полу, а будущее только приходит к ней. А руки Магдалины? Так мать держит своего ребенка. Перед нами рождение, только не ребенка, а рождение веры.

Но настоящим мастером игры стал Рембрандт ван Рейн. Именно с его картины «Снятие с креста» мы и решили начать свой сериал.

В сериале будет 10 серий. Три из них мы посвятили .

Свет в живописи - это удивительное явление. Оно меняется, развивается, живёт своей жизнью. Свет - это то единственное, что остаётся от художника после его смерти. Свет бессмертен. Ведь тьма - это всего лишь отсутствие света. И даже, если в один момент его нет, он всегда готов пробиться в самые тёмные пространства. Вырвать из мрака то единственное, ради чего стоит жить.

В будущих выпусках мы поговорим об Иване Крамском, Михаиле Врубеле, Николае Ге, Пабло Пикассо, Винсенте ван Гоге. Это только начало пути.

Хотим сказать огромное спасибо сотрудникам Государственного Эрмитажа, без которых этот проект не увидел бы свет. Отдельное спасибо работнику пресс-службы музея Ольге Эбертс, не пожалевшей для нашего фильма ни времени, ни сил.

Размещено на сайте 08.11.2007.

ПРЕДИСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ

Добрый день уважаемые читатели!

Программа «патентного пейнтбола», с которой вы познакомились в предшествующих трёх выпусках, будет, разумеется, продолжена. Ещё несколько человек изъявили желание вступить «в войну» и готовят свои материалы. Любой создатель новой теории в ТРИЗ может принять участие в этом эксперименте на «верификацию».

Однако, КП не «журнал про пылесосы», поэтому мы решили поставить сегодня работу «про лампочки». Тема пылесосов, как впрочем, и любых других машин, которые отвечают за ЗДОРОВЬЕ человека - неисчерпаема, хотя бы потому, что в мире Науки постоянно появляются какие-то новые результаты.

Можно с уверенностью сказать, что каждые полгода вполне реально формировать новое прогнозное решение именно на материале научных новинок, рассматривая их с позиции возможности конкретного использования.

Информационную среду постоянно «тралят» как «специалисты по пылесосам», так и профессиональные «поисковики», к числу которых принадлежит и представляемый сегодня автор.. Поэтому будет правильно настроить свои ожидания на то, что «пылесосная тема» будет «всплывать» постоянно, но, конечно, не будет доминирующей.

С удовольствием представляю работу моего коллеги и друга д.т.н., профессора, Мастера ТРИЗ Александра Кынина, который сейчас работает ТРИЗ экспертом в южнокорейской компании Самсунг Электромекеникс. Пять лет оторванности от Родины не сделали этого человека «усталым» или пассивным в совершенствовании исследовательских навыков, что не может не вызывать восхищения.

Можно смело назвать эту статью «краткой энциклопедией истории светильников». Кроме того, это «тренинг распознавания закономерностей», без которых невозможен профессиональный рост прогнозиста. Причём, тренинг очень высокого уровня.

Объём информации в работе велик, поэтому материал будет предъявлен в двух выпусках.

При обсуждении рукописи и подготовке её к публикации возник ряд полемических вопросов и уточнений, которые мы решили вынести в

ПОСЛЕСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ.

Эти вопросы требуют некоторого осмысления. Кроме того, на них может дать ответ не только автор, но и любой читатель, для которого тема прогнозирования развития технологий важна. Эти вопросы – «заделы» для будущих исследований по теме прогнозирование развития техники.

Приятного чтения,

С уважением, Ведущий рубрики КП,

РАЗВИТИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

А. Кынин

1. ИСТОРИЯ

Светить всегда, светить везде...
В. Маяковский

Человек всегда стремился предугадать будущее. Одной из целей таких попыток является прогнозирование процесса развития Технических Систем (ТС). До сих пор в Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) при описании процессов развития систем преобладают не количественные, а качественные оценки, что затрудняет позиционирование ТРИЗ как научного направления. Целью представленной работы является показать пример реализации Законов Развития Технических Систем (ЗРТС), сформулированных в рамках ТРИЗ для описания развития ТС на примере реальных систем - искусственных Источников Света (ИС). Кроме того, показана возможность их описания кривыми развития и прогнозирования изменения параметров на основе математических моделей.

Классификация источников света

К сожалению, эти ТС, сыгравшие такую важную роль в развитии цивилизации, до сих пор практически не попадали в сферу интересов ТРИЗ - специалистов. Можно привести в пример только раздел в книге Ю.П. Саломатова и книгу Э.А. Соснина в которой рассмотрены только эксилампы.

В данной работе будут подробно рассмотрены только источники, применяемые для освещения помещений, то есть такие источники, которые дают белый свет, либо свет максимально к нему приближенный по спектру.

Как ни странно, но дата появления первого источника света зафиксирована довольно точно. Это, по Византийскому варианту 1 сентября 5509 г. до н. э., когда Бог произнес: «Да будет свет!...». Правда, является ли этот источник света искусственным – вопрос спорный.

Дата появления первых ИС теряется во мраке веков, однако они явно появились не ранее, чем древние люди стали применять огонь, то есть около 500000 г. до Р.Х. (См. Табл. 1). Несомненно, что первоначально огонь использовался для приготовления пищи, пока какому-то древнему изобретателю не понадобилось заглянуть в темную пещеру.

Таблица 1. История развития источников света.

ИС, как техническая система, имеет ряд отличий от обычных ТС, которые обычно воспринимаются, как аналоги машин. Чтобы правильно найти все части системы сначала определим ее предназначение. Несомненно, предназначением ее является «создавать видимое излучение для освещения объекта». В этом случае продуктом такой системы будет являться свет - т.е. электромагнитное излучение. Излучает свет Рабочий Орган (РО). Снабжается РО от внешнего Источника Энергии (ИЭ) через Трансмиссию (Тр). Если считать функцией двигателя преобразование энергии из одного типа в другой, то в случае лампы накаливания им можно считать спираль (электрическая – тепловая энергия), а в случае люминисцентной лампы – люминофор, преобразующий УФ излучение в видимый свет. Управление человеком обычно ограничивается включением и выключением ТС.

В первую очередь, проанализируем все возможные варианты прямого получения света. Для этого используем таблицу Воздействие - Отклик из для случая электромагнитный отклик в форме электромагнитного излучения (см. Табл.2).

Как видно из приведенной таблицы только магнитное воздействие не приводит непосредственно к генерации света. Естественно, что рассматривать применение очень слабой по интенсивности триболюминесценции, а также гнилушек и светлячков (биолюминисценция) для освещения в данной работе не имеет смысла.

Таблица 2. Генерирование света при внешних воздействиях.

Теперь на основе полученных данных составим таблицу (см. Табл.3), в которой отразим природу и состояние элементов системы.

Таблица 3. Структура источников света.

Таким образом, по ИЭ лампы могут быть условно разделены на: Химические, Электрические и Электромагнитные.

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 ИЭ химической природы. Рабочим органом является раскаленный газ, который образуется в зоне горения при термическом разложении топлива в присутствии кислорода воздуха. Трансмиссией работает сам материал. Потом костер динамизировался и превратился в свой передвижной вариант - факел, а также минимизировался до лучины. Предназначением и костра и факела все-таки было 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 ИЭ служило жидкое масло. Для транспортировки масла из резервуара к зоне горения потребовалось ввести трансмиссию - фитиль. Однако такое изменение конструкции привело к усложнению отношений между людьми, так как потребовалось где-то добывать масло и делать светильники. В дальнейшем, для ИС мы будем использовать термин «лампа».

Следующим этапом явилось 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).

Пример объемной геометрической эволюции: точка - линия - поверхность - объем.

В начале ХIХ века появились парафиновые свечей 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 ИС) превратился сначала в линейный, а потом в кольцевой (у последних керосиновых ламп).

Пример линейной геометрической эволюции: точка - линия - поверхностная кривая - объемная кривая.

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 (William Murdoch «Murdock»)). 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.

Пример перехода в надсистему: уголь в костре – угольный газ на заводе.

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 .

В принципе, на этом история развития ламп, использующих химическую энергию в качестве ИЭ практически прекратилась, хотя газовое освещение еще долго составляло конкуренцию электрическому (См. Фильм «Газовый свет»). 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.). Однако сам переход в такой лампе Твердое - Газ дополняет общую картину.

Пример сегментации: полено (монолит) - разделенный монолит (лучина) - жидкость (масло, керосин) - газ (коксовый газ, ацетилен, пропан).

Необходимо отметить, что вопреки некритичному пониманию ТРИЗ, газовые лампы вовсе не исчезли. Они вернулись к нам сегодня в виде источников света для туристов, причем их характеристики немного выросли.

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 ИС являются электрические, то есть такие устройства, которые используют в качестве ИЭ электричество, причем ИЭ не входит в ТС. Однако из Табл. 3 видно, что они отличаются между собой по виду РО. 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.

Пример замены принципа действия ИЭ: Химический - Электрический - Электромагнитный.

Дуговые лампы

Сначала 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.

Рис. 1. Ртутные лампы высокого давления с люминофором.

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 (Не путать с Николаем!) .

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 .

Пример повышения управляемости: Дуга Петрова (неуправляемая) - Фонарь Фуко (ручное управление) - Дуговая лампа Шпаковского (автоматическое регулирование) – «Свеча Яблочкова» (саморегулирование).

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, что еще раз заставляет усомниться в выводах о «смерти ТС».

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 (См. Рис.1) и ксеноновые дуговые газоразрядные лампы.

Пример использования принципа инертной среды.

В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда, в импульсных лампах искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким [от 0,133 н/м 2 (10-3 мм рт. ст.)], например натриевая лампа низкого давления, высоким (от 0,2 до 15 ат,1 ат= 98066,5 н/м 2) и сверхвысоким (от 20 до 100 ат 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. 4.

Таблица 4. Сравнительные характеристики дуговых ламп.

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

Лампы накаливания (См. Рис. 2)

Рис. 2. Лампы накаливания.

Обычно историю лампочек 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 (Т пл = 2700 o С), пытались использовать тантал с температурой плавления 2996 o С 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 ИС.

Галогенные лампы накаливания (См. Рис.3)

Рис. 3. Линейные 2-цокольные 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 o С. 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 РО 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.

Таблица 5. Цвета тлеющих разрядов в различных газах .

Рис. 4. Линейные люминесцентные лампы.

Самым распространенным примером таких ламп является люминисцентные лампы «дневного света» (См. Рис. 4), где излучателем света являются пары ртути. При этом генерируется УФ излучение, которое преобразовывается люминофором в видимый свет.

Пример использования принципа посредника.

Люминесцентные лампы накаливания обеспечивают световую отдачу от 30-50 лм/Вт. Они имеют довольно большой срок службы, до 20000 часов .

Компактные люминесцентные лампы (См. Рис. 5)

Рис. 5. Компактные люминесцентные лампы.

Основная особенность устройства компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) 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.

Пример использования надсистемных ресурсов.

Свет (с латинского языка lucis) или видимый свет представляет собой часть спектра электромагнитного излучения, которое воспринимается человеческим глазом. Элементарной единицей света является фотон. Элементарные частицы обладают определенной длинной волны, зависящей от источника света, который их породил. Фотон подчиняется законам квантовой механики и в разных физических условиях может проявлять себя либо как частица, либо как волна.

Историческая эволюция приборов для освещения

Первые источники видимого электромагнитного излучения, которые использовало человечество для своих нужд, были основаны на сжигании горючего топлива растительного (дерево) или животного происхождения (сало и жир).

Древние греки и римляне впервые стали использовать глиняные и бронзовые сосуды, в которые помещали горючие вещества. Эти сосуды стали прародителями современных ламп.

В конце XVIII века швейцарский химик Аргант изобрел лампу с фитилем, в которой в качестве топлива использовался керосин. В конце XIX века Эдисон запатентовал электрическую лампу накаливания. После этого изобретения и благодаря быстрой динамике развития индустрии, начинает появляться множество других электрических источников излучения.

Физика источников света

Спектр излучения, который видит глаз человека, лежит в приделах длин волн фотонов от 400 нм до 700 нм. Источником света является физический процесс, который происходит в атоме вещества. Атом в результате какого-либо действия может получить энергию извне, часть этой энергии он передает своей электронной подсистеме.

Энергетические уровни электрона в атоме являются дискретными, то есть каждому из этих уровней соответствует конкретная величина. Благодаря полученной извне энергии некоторые электроны атома могут перейти на энергетические уровни более высокого порядка, в этом случае можно говорить о возбужденном электронном состоянии. В этом состоянии электроны оказываются неустойчивыми и снова переходят на уровни с меньшей энергией. Этот процесс сопровождается излучением фотонов, которое и является светом, который мы воспринимаем.

Термическое излучение

Процесс термического излучения представляет собой физический процесс, при котором электронная подсистема возбуждается за счет передачи ей кинетической энергии от ядер атомов. Если какой-либо объект, например металлическую пластину, подвергнуть нагреву до высоких температур, то он начнет светиться. Сначала видимый свет будет иметь красный цвет, поскольку эта часть видимого спектра является наименее энергетической. При увеличении температуры металла он станет излучать бело-желтый свет.

Отметим, что при нагреве металла он сначала начинает испускать инфракрасные лучи, которые человек не способен видеть, но ощущает их в виде тепла.

Люминесцентное излучение

Этот тип излучения возникает без предварительного нагрева тела и состоит из двух последовательных физических процессов:

1. Поглощение электронной подсистемой энергии и переход этой подсистемы в возбужденное энергетическое состояние.
2. Излучение в световом диапазоне, связанное с возвращением электронной подсистемы в основное энергетическое состояние.

Если оба этапа происходят во временном интервале в несколько секунд, то процесс называется флуоресценцией, например, излучение экрана телевизора после его выключения является флуоресцентным. Если же оба этапа процесса излучения происходят в течение несколько часов и дольше, то такое излучение называется фосфоресценцией, например, светящиеся часы в темной комнате.

Классификация световых источников

Все источники видимого для человеческого глаза электромагнитного излучения в зависимости от его происхождения можно разделить на две большие группы:

1. Естественные источники. Они излучают электромагнитные волны благодаря естественным физическим и химическим процессам, например естественными источниками света являются звезды, светлячки и другие. Они могут быть объектами как живой, так и неживой природы.
2. Искусственные источники света. Они обязаны своим происхождением человеку, так как являются его изобретением.

Искусственные приборы видимого электромагнитного излучения

В свою очередь, искусственные источники бывают следующих типов:

• Лампы накаливания. Они излучают свет благодаря разогреву металлической нити накаливания до температуры нескольких тысяч градусов. Сама нить накаливания находится в герметичном стеклянном сосуде, который заполнен инертным газом, предотвращающим процесс окисления нити.
• Галогеновые лампы. Представляют собой новую эволюционную ступень ламп накаливания, в которых к инертному газу, в котором находится металлическая нить накаливания, добавляется галогеновый газ, например, йод или бром. Этот газ вступает в химическое равновесие с металлом нити, которым является вольфрам, и позволяет продлить срок службы лампы. Вместо стеклянного корпуса в галогеновых лампах используют кварц, который выдерживает более высокие температуры, чем стекло.
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников света создает видимое электромагнитное излучение за счет электрических разрядов, которые возникают в смеси газов и паров металла.
• Флуоресцентные лампы. Эти электрические источники света создают излучение за счет флуоресцентного покрытия внутренней стороны корпуса лампы, которое возбуждается за счет ультрафиолетового излучения электрического разряда.
• Источники LED (от англ. Light Emitting Diode). Этот вид источников света представляет собой диодные источники электромагнитного излучения. Они отличаются простотой устройства и долгим сроком действия. Также их преимуществами перед другими электрическими источниками света является низкая потребляемая мощность и практически полное отсутствие теплового излучения.

Прямое и непрямое излучение

Прямыми источниками света являются приборы, природные тела и организмы, которые могут самостоятельно испускать электромагнитные волны в видимом спектре. К прямым источникам относятся звезды, температура которых достигает десятков и сотен тысяч градусов, огонь, лампа накаливания, а также современные приборы, например, плазменный телевизор или жидкокристаллический монитор компьютера, который производит излучение, индуцированное микро электрическим разрядом.

Другим примером прямых естественных источников света являются животные, которые обладают биолюминесценцией. Излучение в этом случае возникает как результат химических процессов, происходящих в организме существ. К ним относятся светлячки и некоторые жители морских глубин.

Непрямые источники света представляют собой тела, которые не излучают самостоятельно свет, но способны его отражать. При этом отражающая способность каждого тела зависит от его химического состава и физического состояния. Непрямые источники святятся только благодаря тому, что находятся под влиянием электромагнитного излучения прямых источников. Если непрямой источник не аккумулирует световую энергию, то при прекращении воздействия света на него он перестает быть видимым.

Примеры непрямого излучения

Традиционным примером источников света данного типа является спутник Земли - Луна. Это небесное тело отражается солнечные лучи, которые падают на нее. Благодаря процессу отражения мы можем видеть, как саму Луну, так и окружающие нас предметы ночью в лунном свете. По той же причине видны в телескоп планеты солнечной системы, а также наша планета - Земля (если смотреть на нее из космоса).

Еще одним примером объекта непрямого излучения, который отражает лучи от источника света, является сам человек. В общем, любой предмет является источником непрямого излучения за исключением черной дыры. Гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выбраться из него.

Основные характеристики приборов

Основными характеристиками источников света являются следующие:

• Световой поток. Физическая величина, которая характеризует количество света, испускаемого источником за одну секунду во всех направлениях. Единицей измерения светового потока является люмен.
• Интенсивность излучения. В некоторых случаях возникает необходимость в знании распределения светового потока вокруг его источника. Именно это распределение и описывает данная характеристика, которая измеряется в канделах.
• Освещенность. Измеряется в люксах и представляет собой отношение светового потока к освещаемой им площади. Эта характеристика важна для комфортного выполнения определенных видов работ. Например, по международным нормам освещенность на кухне должна быть около 200 люкс, а для учебы уже необходимы 500 люкс.
• Эффективность излучения. Является важной характеристикой любой электрической лампы, поскольку она описывает отношение светового потока, создаваемого данным прибором, к потребляемой им мощности. Чем больше это отношение, тем более экономичной считается лампа.
• Индекс цветопередачи. Указывает на то, насколько точно лампа воспроизводит цвета. Для ламп хорошего качества этот индекс лежит в области 100.
• Цветовая температура. Представляет собой меру "белизны" света. Так, свет с преобладающими красно-желтыми цветами считается теплым и имеет цветовую температуру меньше 3000 К, холодный свет имеет синие цвета и характеризуется цветовой температурой выше 6000 К.

Применение искусственных источников видимого излучения

Каждый искусственный источник электромагнитного излучения определенного типа используется человеком в той или иной сфере деятельности. Области применения источников света следующие:

• Лампы накаливания продолжают оставаться основными источниками освещения помещений благодаря их низкой цене и хорошему индексу цветопередачи. Однако эти лампы постепенно вытесняются галогеновыми.
• Галогеновые лампы задумывались как электроприборы, которые должны были повысить эффективность ламп накаливания, заменив их. В настоящее время они нашли свое применение в автомобилях.
• Флуоресцентные источники света применяются главным образом для освещения офисов и других служебных помещений благодаря своему разнообразию форм и излучению рассеянного и равномерного света. Эффективность излучения такого типа ламп повышается с увеличением их длины и диаметра.

Важность естественного света для здоровья человека

Для всех организмов, которые обитают на планете Земля, вращение нашей планеты и периодичность дня и ночи являются важными процессами для нормальной жизнедеятельности и протекания биологического цикла. Более того, чтобы быть здоровыми, большинство живых существ нуждаются в прямом солнечном излучении.

Если говорить о человеке, то недостаток солнечного света приводит к развитию депрессии, а также к недостатку витамина D, поскольку полученный человеком загар позволяет организму усваивать этот витамин с большей легкостью.

Результаты одного исследования продемонстрировали, что достаточное нахождение человека под прямыми солнечными лучами позволяет снизить и облегчить некоторые симптомы определенных заболеваний. В частности, связанные с депрессией проблемы полностью или частично исчезали у 20% пациентов. Естественно, что один лишь солнечный свет не является лекарством против депрессии, однако он является неотъемлемой частью комплексного лечения.