Освещение

Люди научились использовать огонь для освещения около 500 000 лет назад. Стечением веков конструкция светильников все более усложнялась, и сегодня одним щелчком рубильника можно залить светом целые улицы и дома.

Выдолбленные из мела и песчаника примитивные лампы датируются учеными примерно 80 000 г. до н. э., а в Ираке были найдены керамические светильники возрастом около 10 000 лет. Библия свидетельствует, что изготовленные из того же животного жира свечи горели в храме Соломона еще в X веке до н. э. С тех пор без них не обходилось ни одно богослужение, но широкое применение в быту они нашли только в эпоху средневековья.

Лампы Аргана

Век современного освещения начался с изобретения масляных ламп, которые в 1784 г. приобрели свою наиболее совершенную форму стараниями швейцарца Ами Аргана. Его лампа была снабжена трубчатым фитилем; воздух всасывался с боков сквозь середину трубки, обеспечивая яркое и почти бездымное пламя. Позднее в лампе Аргана начали использовать керосин, что еще более повысило качество пламени. На керосине по сей день работают лампы типа "летучая мышь".

Успех газа

В 1798 г. шотландец Уильям Мердок начал использовать каменноугольный газ для освещения пещеры неподалеку от его дома в Корнуэлле. Спустя 12 лет он устроил газовое освещение своего дома в Редруте, а затем попытался создать газовую осветительную систему на заводе под Бирмингемом. В 1807 г. лондонская Пэлл-Мэлл стала первой в мире улицей с газовым освещением. Несмотря на трудности с удалением сажи, к 1830 г. улицы крупных городов Европы и Северной Америки уже освещались газовыми фонарями.

Первые газовые светильники давали довольно слабое пламя, и только после появления в 1885 году сетчатой лампы Вельсбаха газ начали широко применять для внутреннего освещения. Над форсункой, в которой угольный газ смешивался с воздухом, Вельсбах закрепил калильную сетку. Когда газ зажигали, сетка ярко накалялась, излучая теплый белый свет. Конструкция оказалась настолько удачной, что до конца 1930-х годов газ оставался серьезным конкурентом электричества.

Век электричества

Самые первые электролампы - угольные дуговые - были созданы Хэмфри Дэви в 1809 году. Два угольных стержня подключались к клеммам огромной батареи. В точке соприкосновения эти стержни раскалялись добела. Когда их разводили на расстояние около 10 см, между ними вспыхивала ослепительно белая световая дуга.

Однако практическое применение эти лампы нашли только в 1831 году, с появлением генераторов. В 1850-е годы дуговые лампы начали использовать для временного освещения улиц в Лондоне, Париже, Берлине и Нью-Йорке, а в 1862 году первая стационарная дуговая лампа была установлена на маяке Дандженесс.

Первые электролампы

В 1878 году Джозеф Суон поместил в герметичную стеклянную колбу тонкую нить обугленной целлюлозы, нагрел ее, чтобы удалить газы из угля, а затем откачал из колбы воздух для создания вакуума.

Через год после Суона американец Томас Атва Эдисон изготовил лампу с тонкой нитью из карбонизированного бамбука, а в 1882 году построил в Нью-Йорке первую электростанцию, которая снабжала энергией 10 000 ламп. Так началось бурное развитие века электричества.

Электролампы наших дней

В колбах современных электроламп светится вольфрамовая спираль. Электрический ток, проходя через спираль, нагревает ее примерно до 2700°С, заставляя излучать яркий белый свет.

Излучаемый лампой свет измеряется в люменах. Соотношение между количеством света и потребляемого электричества называется световой эффективностью. Световая эффективность лампы с вольфрамовой спиралью равна примерно 12 люмен/ватт. Иными словами, это низкоэффективный источник света. Большая часть излучения спирали находится в невидимом инфракрасном, или тепловом, спектре. Другая проблема состоит в том, что атомы вольфрама испаряются с поверхности спирали, осаждаясь на внутренней поверхности колбы. Колба постепенно чернеет, и количество излучаемого света уменьшается. В конце концов, вольфрам испаряется настолько, что спираль перегорает, и лампа гаснет.

Чтобы замедлить испарение спирали, колбы ламп заполняют аргоном и азотом, но предотвратить этот процесс полностью невозможно. Чем выше температура спирали, тем быстрее испарение, но и тем ярче излучаемый свет. Производителям удалось добиться некоторого компромисса, и современные лампы выпускаются с ресурсом примерно 1000 часов, но и в излучаемом ими спектре больше желтого цвета, чем в солнечном.

Галогены

Другим способом замедлить испарение спирали стало использование вольфрамово-галогенных ламп. В колбу лампы вводится галоген - йод или бром. Они образуют с вольфрамом неустойчивое химическое соединение, которое осаждается на спирали, а не на стенках колбы.

Однако йод и бром тоже оказывают химическое воздействие на стекло, поэтому колбу приходится делать из дорогостоящего кварца. Вольфрамово-галогенные лампы допускают высокие температуры накала и без ущерба для долговечности излучают более яркий белый свет, близкий к естественному спектру.

Газоразрядные лампы применяются с начала 1930-х годов. Первые лампы вместо откачанного воздуха заполнялись небольшим количеством неона. Высокое напряжение подавалось на электроды, размещенные в обоих концах трубки.

Между электродами возникал электрический разряд, и лампа начинала излучать красноватое свечение. Эти трубки можно было изгибать, образуя различные формы или буквы, и они вскоре стали применяться в рекламе. Так началась эра неоновых огней, сверкающих почти во всех городских центрах.

Эксперименты с другими газами открыли широкий спектр разных цветов. Натриевые лампы низкого давления излучают желтый свет и используются для освещения улиц. На первых порах их эффективность не превышала 70, но сейчас она выросла до 200 люмен/ватт.

Зеленый свет

Нашлось применение и ртутным лампам с эффективностью около 45 люмен/ватт. Правда, в их зеленоватом, хотя и не монохромном, свете предметы и люди кажутся немного призрачно-плоскими.

К концу 1930-х годов лампы стали покрывать фосфорным люминофором, который дополнил ртутный спектр недостающим красным оттенком. Это были первые шаги люминесцентного освещения. Большинство офисных помещений освещаются ртутными газоразрядными лампами с небольшой примесью аргона. Давление паров сохраняется низким, чтобы излучалось больше ультрафиолетового, нежели видимого света. Внутренняя поверхность трубки покрыта фосфором. Ультрафиолетовое излучение возбуждает люминофор, и тот начинает флуоресцировать, т. е. поглощать ультрафиолетовые лучи, издавая вместо них видимый свет. С помощью различных фосфорных смесей можно добиться почти любого цвета свечения.

Немного красного

В середине 19б0-х годов в покрытие ртутных ламп высокого давления стали добавлять редкоземельное соединение ванадат иттрия. Издаваемое им красное свечение позволило восполнить недостаток красного цвета в спектре ртутных ламп. Они были гораздо компактнее люминесцентных ламп и при соответствующей компоновке легко подключались к обычной электроарматуре. Они потребляют вчетверо меньше энергии, чем лампы накаливания, излучая намного меньше тепла, а примеси определенных металлов - таллия, диспрозия, индия и натрия - в ртутных парах высокого давления улучшают цветопередачу. Металлогалоидные лампы эффективностью 80-85 люмен/ватт излучают белый свет, близкий к естественному спектру. 1000-ваттные металлогалоидные лампы в герметичных рефлекторах из прессованного стекла применяются для освещения стадионов и пришли на смену устаревшим дуговым лампам при освещении съемок на открытом воздухе.

Одним из способов улучшения цветопередачи является повышение давления паров в натриевых лампах. Однако при высоком давлении стеклянный баллон лампы может не выдержать химической атаки ионизированного натрия, образующегося при температурах выше 700°С..Было найдено несколько вариантов решения этой проблемы. Можно применять алюминиево-керамические или кварцевые лампы, либо покрывать их внутреннюю поверхность порошковым напылением.

Производители разрабатывают ксеноновые газоразрядные лампы, дающие полихромный свет, почти идентичный естественному солнечному спектру. Однако будущее, по-видимому, принадлежит электролюминесценции - явлению, заставляющему светиться поверхности стен и потолков.

Волоконная оптика

Ведутся разработки и в других направлениях светотехники. В промышленности применяются лампы с особым спектром свечения, вызывающим определенные химические реакции. Под лучами инфракрасных ламп ускоряется высыхание окрашенных поверхностей, а в медицине нашли применение и ультрафиолетовые, и инфракрасные лампы. В организм больного вводятся эндоскопы с подсветкой, сводящие к минимуму хирургическое вмешательство и позволяющие видеть операционное поле без крупных разрезов. Волоконно-оптические световоды освещают места, в которых обычной лампой пользоваться нельзя. Более того, эндоскоп с волоконным проводником, на кончике которого сверкает тончайший лазерный луч, способен врачевать внутренние органы. С помощью лазеров лечат многие недуги - останавливают кровотечение желудочных язв, удаляют поврежденные участки головного мозга, отключают болевые центры и выжигают раковые клетки на шейке матки.

Смертоносные лазеры

Конструкторы пытаются превратить лазеры в эффективное разрушительное оружие, не довольствуясь тем, что они уже используются в системах наведения и информационных сетях. Скажем, бомбы с лазерным наведением намного точнее попадают в цель, чем при визуальной наводке, да и ракеты, наводящиеся рассеянным лазерным лучом, способны поразить цель с высочайшей точностью. Значение этих видов вооружений хорошо показала война в Персидском заливе. Однако для лазеров, способных непосредственно уничтожать военные цели, требуется неизмеримо больше энергии, чем может себе позволить любое государство.