Тепло, ярко, экономно: какая лампочка спасет ваш кошелек и планету

Свет – это вид электромагнитного излучения, который способен воспринять глаз. Остальные волны: инфракрасные, ультрафиолетовые, радио, рентгеновские мы не видим. Любое излучение, в том числе свет, возникает в качестве побочного эффекта при разных процессах: нагреве, как в лампах накаливания; химических реакциях, как в палочках, которые нужно ломать, чтобы они светились, и изменениях состояния атомов, когда электроны меняют свой уровень и испускают энергию в виде фотонов – так работают люминесцентные фонари. Но это все про искусственное освещение. А вот свет от солнца – это излучение, которое появляется благодаря термоядерному синтезу — четыре атома водорода сливаются в атом гелия, а разница их масс превращается в энергию.  

— В вакууме свет любого цвета распространяется с одной скоростью — 300 000 километров в секунду. Однако в любой другой среде его скорость зависит от цвета. Самый быстрый — красный, самый медленный — фиолетовый. Это объясняется тем, что цвет света определяется длиной волны. У красного самая большая, у фиолетового – самая короткая. Белый – это смесь излучения всех цветов радуги, а вот светиться черным ничто не может. Однако, если принять, что свет – это только видимая часть всего электромагнитного излучения, то инфракрасный и ультрафиолетовый потоки, которые регистрируют приборами, можно считать черными, так как они недоступны нашему глазу. Интересно, что последние слова Виктора Гюго были: «Я вижу черный свет». Что это означает, можно только гадать, – рассказывает профессор кафедры «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Виктор Криштоп.

До электрического света человечество пользовалось несколькими источниками: лучины из дерева, масляные, керосиновые лампы, а позже газовые фонари. Но у этих источников множество недостатков: риск пожара, запах гари, необходимость дозаправки. Поэтому постоянно предпринимались попытки получить свет при помощи других технологий.

— Предшествовали продукту Эдисона дуговая лампа и лампа накаливания с угольной нитью, созданные в Англии в 1802 и 1841 годах соответственно. Свет от них был нестабилен, и они были малопригодны для дома. В 1854 году эмигрант из Германии Генрих Гебель путем экспериментов с угольной нитью смог увеличить время работы лампы. В целях экономии он вместо специальной стеклянной колбы использовал флаконы от одеколона. Но без создания глубокого вакуума устройство также не нашло массового применения. Эдисон позднее использовал его идеи, и даже был судебный процесс, в ходе которого лампу накаливания конструкции Гебеля признали первичной, а американский патент Эдисона признали недействительным на срок окончания охранных прав. А в 1874 канадские изобретатели Генри Вудворд и Мэтью Эванс запатентовали устройство с угольными стержнями в заполненной инертным газом колбе. Именно их патент и приобрел Эдисон в 1879 году, сумев доработать его до массового продукта. Ему удалось сделал лампы практичными, долговечными, массовыми и доступными по цене, поэтому его и считают «отцом лампы накаливания». Но скорее он был инженером-систематизатором с предпринимательской жилкой, — считает доцент кафедры «Социология и политология» ПНИПУ, кандидат социологических наук Константин Антипьев.

Лампа накаливания Эдисона настолько удобна и универсальна, что мы используем ее повсеместно до сих пор.

— Она яркая, беспроблемная, не требует регулировки, как угольная, да и электричество подоспело. Ее ресурс может быть почти бесконечным — их просто производят такими, чтобы перегорали примерно через заданный промежуток времени, – рассказывает профессор, доктор технических наук Андрей Затонский.

Со временем набор световых приборов стал шире. На сегодняшний день существуют три основных вида ламп: накаливания, светодиодная и газоразрядная. Каждая лампа отличается по способу преобразования энергии, и области применения.

— Лампа накаливания имеет в своем составе молибденовую или вольфрамовую нить, которая при проведении тока нагревается и испускает тепловое излучение. Подобный процесс, например, можно наблюдать у раскаленных углей в костре. Лампа накаливания больше нагревает окружающие объекты, а не светит, поэтому ее можно считать наименее эффективной. При использовании осветительных устройств мы зачастую пользуемся энергией от тепловых электростанций, на которых сжигается топливо и выделяется углекислый газ. Таким образом, при использовании неэффективной лампы, например, накаливания, мы косвенно вносим вклад в создание парниковых газов и, как результат, в глобальное потепление, – объясняет старший преподаватель кафедры «Общая физика» ПНИПУ, кандидат технических наук Константин Латкин.

— Лампа накаливания с точки зрения преобразования тока в свет является наименее экономичной из всех. Кроме того, ее стеклянная колба может разбиться в результате удара или неравномерного нагрева. Кстати, раскалиться сама лампа может до 250-300 °C, а вольфрамовая нить внутри – до 2000 °C, так что она может стать причиной ожогов при касании. Однако один плюс у нее все-таки есть – она не «мигает», то есть дает постоянный поток света, за счет чего является безопасной для глаз, — дополняет Андрей Затонский.

Таким образом, с точки зрения экологии, экономии и безопасности, лампы накаливания имеют множество несовершенств. От них отказываются в пользу диодных. Единственное их важное преимущество перед остальными – приятный, не раздражающий глаз свет.

Однако, несмотря на недостатки, они все еще используются духовках, холодильниках и микроволновках, так как устойчивы к перепадам температур, в зонах с нестабильным напряжением, например, в Африке и некоторых частях Азии, а также в ретро-ресторанах и отелях для создания особой атмосферы.

Первый светодиодный эффект создал советский физик и изобретатель Олег Лосев в 1923 году. Это явление назвали «свечением Лосева», а впоследствии –электролюминесценцией. В 2000-е начали появляться первые бытовые светодиодные (LED) лампы, но в то время они были премиальным продуктом. В среднем они стоили 3000-5000 рублей, тогда как сейчас всего 100-300 рублей.   

— LED-лампа представляет собой комплекс из светодиодов. Принцип работы таких источников излучения основан на переходе электронов из полупроводника одного состава в полупроводник с другим составом, при котором происходит изменение энергии электронов. При правильном подборе структуры этих материалов можно добиться необходимой цветовой палитры. Также в светодиодных устройствах не содержится перегорающей нити накаливания, — комментирует Константин Латкин.

— Наиболее экологичными и экономичными из всех являются LED-лампы. Развитие полупроводниковых технологий и высокая конкуренция на рынке привели к продаже светодиодных устройств по доступным ценам при своей высокой энергетической эффективности. Они безопасны с той точки зрения, что, хоть они и нагреваются, от них невозможно получить ожог. Кроме того, такие лампы не бьются, благодаря использованию полимерных колб, а не стеклянных, — делится Виктор Криштоп.

На сегодня светодиодные устройства выигрывают по соотношению цены, долгого срока эксплуатации и, следовательно, экологичности. Средняя продолжительность работы LED-лампы – восемь лет, в то время как накаливания – четыре месяца.

— Светодиодные лампы сейчас применяются повсеместно: в домах, офисах, супермаркетах, светофорах, фарах автомобилей, самолетах, хирургических кабинетах, теплицах, аварийных системах. Единственное, для уличных фонарей, например, их не используют в связи с тем, что подходящие для этого мощные стоваттные LED-устройства, во-первых, дорогие, а, во-вторых, выделяют тепло, и для их охлаждения нужны вентиляторы. Это удорожает и усложняет светильник, который находится высоко на столбе, куда не хочется подниматься без лишней надобности. Поэтому там — газоразрядная лампа, — рассказывает Андрей Затонский.

В 1705 году английский физик-экспериментатор Фрэнсис Хоксби создал первую демонстрацию свечения разреженного воздуха в стеклянной сфере при электрическом разряде, а в 1891 году Никола Тесла запатентовал систему освещения на основе герметичных колб, заполненных разреженным газом или парами металла, через которые проходит высокочастотный ток. Во время электрического разряда в таких лампах, помимо прочих электромагнитных волн, генерируется ультрафиолетовое излучение.

Первое время они использовались в фотостудиях, театрах и для стерилизации медицинских приборов. Позднее газоразрядную лампу усовершенствовали, добавив люминофорное покрытие, поглощающее ультрафиолетовое излучение, и запустили массовое производство для коммерческого освещения.

— Газоразрядные лампы являются более интересными с точки зрения физики и их технического исполнения. Внутри колб таких устройств присутствуют пары какого-либо металла или газ, например, инертный неон. При пропускании через нее электрического тока внутри возникает разряд, который и вызывает свечение. Такие лампы могут дать большой выбор цветов и значительную яркость при высокой эффективности, но при этом они более требовательны к электропитанию, что немного ограничивает спектр их применения. В быту вы могли встречаться с неоновыми вывесками – газоразрядными лампами, выполняющими эстетическую функцию, — объясняет Константин Латкин.

Также газоразрядные лампы могут быть в уличных фонарях, проекторах, соляриях. Устройства, применяемые в соляриях, специально разработаны для максимального выделения ультрафиолетовых лучей типов A (UVA) и B (UVB):

UVB — короткие волны, способствуют образованию витамина D и первоначальному формированию загара;

UVA — длинные волны, проникают глубже в кожу, делают ее смуглой и придают ровный оттенок.

Помимо этого, они широко применяются в науке для проведения физических экспериментов, в промышленности – для производства микросхем, отжига некоторых материалов, в медицине – для лечения кожных заболеваний и стерилизации помещений, а также в маяках и космических аппаратах.

Газоразрядные лампы содержат ртуть, а еще на их производство затрачивается в три раза больше энергии, чем на светодиодные лампы, но они компенсируют эти недостатки длительным сроком службы – он может достигать 24000 часов. Они очень сильно нагреваются и могут даже загореться. Лампы без люминофорного покрытия выделяют наиболее опасный тип излучения — C-волны (ультрафиолетовые лучи типа UVC), которые повреждают сетчатку глаз и вызывают рак.

Таким образом, по уровню экологичности на первом месте находится светодиодная лампа, на втором – лампа накаливания, на последнем – газоразрядная. По экономичности и сроку службы также выигрывает LED-лампа, за ней – газоразрядная, и закрывает тройку лампа накаливания. Светодиодную лампу можно считать и самой безопасной в эксплуатации и для здоровья глаз. 

Даже в разных помещениях одной квартиры для обеспечения комфорта и определенной атмосферы могут использоваться лампочки разных цветов. Холодным или теплым будет свет можно определить по количеству Кельвинов (прописная буква «К» на упаковке). Чем больше это значение, тем белее будет цвет лампы, и, наоборот, чем меньше – тем желтее.

— Для глаз наиболее комфортным и безопасным считается нейтральный или теплый свет с цветовой температурой 2700-4000 К. Теплое излучение (около 2700-3000 К) создает расслабляющую атмосферу и подходит для спален, гостиных и зон отдыха. Нейтральный свет (3000-4000 К) оптимален для рабочих зон, таких как кухни, ванные комнаты, кабинеты и места для чтения, так как не искажает цвета и не утомляет глаза при длительной работе. Холодный поток (4000-6500 К) может быть полезен для повышения концентрации внимания и продуктивности в рабочих зонах, но его избыток может вызывать усталость, — делится Виктор Криштоп.

Когда нам недостает естественного солнечного освещения, мы включаем искусственное. Оно помогает нам продлить день, создать нужную атмосферу и сохранить здоровье глаз. Зная о существующих видах устройств, о их принципах работы, цветовой температуре, энергоэффективности, мы можем подобрать идеальный вариант для каждой из своих задач. Самой универсальной является светодиодная лампа, ее цвет может варьироваться в зависимости от целей: для концентрации – холодные белые оттенки, для отдыха – теплые желтые. Лампы накаливания остаются в заведениях для декоративной функции и в тех местах, где их пока что нечем заменить. И, наконец, газоразрядные лампы в основном используются для специфических нужд там, где требуется мощное, яркое, в том числе ультрафиолетовое излучение. Источник материала и фото: "Naked Science"