История освещения
История освещения неразрывно связана с историей человечества, потому что сколько существует человек столько он стремится создать себе более комфортные условия жизни. Освещение играет столь важную роль еще и потому что свет подсознательно ассоциируется с добром, безопасностью, покоем, а темнота со злом, угрозой, страхами. Всю историю освещения можно условно разделить на два больших отрезка: до появления электричества, и после.
До появления электричества
Огонь
Еще первобытный человек начал использовать огонь в качестве освещения своего жилища, а также для приготовления пищи и обогрева. А иногда это было связано с вопросом жизни и смерти, поскольку осветив пространство древний человек смог заметить ночного хищника и повысить свои шансы на выживание. Огонь играл колоссальную роль в жизни первых людей. Они буквально зависели от него. Однако его трудно было поддерживать постоянно и почти невозможно переносить на большие расстояния, пока человек не научился добывать огонь, и создавать костер в любом месте, где это ему это было необходимо. Такой своеобразный очаг считается прообразом первого напольного светильника.Лампады и факелы
Следующим светильником, который придумал человек, являлся обычный факел. Факел помогал решать проблемы освещения вплоть до Средневековья. Его фиксировали на стене с помощью специальных кованых зажимов различных конструкций. Горючие материалы, которые использовались для факелов, были разнообразными: ветки смолистых деревьев, смола, растительный и животный жир. В бедных же домах зажигали лучины – тонкие длинные щепки сухого дерева на подставке.
Свечи
Новый этап в истории светильников начался после того, как была изобретена свеча. Она во многом превосходила другие устройства, так как от свечи было меньше копоти, а ее производство было более простым и экономичным. Сначала для изготовления свечей использовался животный жир, который позже был заменен пчелиным воском, в настоящее время для этих целей используется парафин. Факелы, свечи и лампы дают очень слабый свет. Работать при таком свете практически невозможно, и многие средневековые ремесленные гильдии дальновидно запрещали работу по ночам при искусственном свете, так как качество изделий при этом резко падало. Так же вследствие того, что свеча коптила и оставляла нагар, приходилось пользоваться специальными инструментами. А это доставляло дополнительные неудобства.Газовые и керосиновые фонари
В конце XVIII века, с открытием достижений в области химии, большое распространение получило газовое освещение. Это была настоящая революция в освещении. В качестве основного вещества использовались горючие газы, открытие которых впервые было сделано в Европе. Сегодня редкий человек знает о заводах, производивших светильный газ. Газ получали при нагревании каменного угля в ретортах. Реторты – это большие металлические или глиняные полые сосуды, которые наполняли углем и нагревали в печи. Выделившийся газ очищали и собирали в сооружениях для хранения светильного газа – газгольдерах. По сравнению со свечой, горючие газы при сгорании давали большее количество света. Для увеличения тяги, защиты пламени от внешних воздействий и пожаробезопасности газовые источники света стали помещать в специальные стеклянные формы. Благодаря газовому освещению появилась возможность освещать большие площади, улицы, здания. Господствующее положение газовое освещение занимало до первой половины XIX века. В конце XIX века появились керосиновые лампы, их можно встретить и до сих пор.
Появление электричества
Электрическое освещение.
Первым электрическим источником света был, как это ни странно, «фонарик на батарейках». Правда, свет излучала не лампа накаливания, а электрическая дуга между угольными электродами, а батареи занимали целый стол. В 1809 году сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал дуговой свет в Королевской академии наук в Лондоне. Вскоре электрическое освещение вытеснило все вышеперечисленные источники света. Электричество послужило развитию неограниченных возможностей, увеличило интенсивность светового потока, дало начало использованию разнообразных материалов, проводящих ток.Несмотря на то, что самые первые приборы для освещения на электрическом токе были созданы уже в начале XIX века, электрическое освещение стало популярным лишь во второй половине девятнадцатого столетия. Это объясняется тем, что первые электрические приборы были неудобными, нуждались в доработке, да и стоимость заставляла желать лучшего.
Лампы накаливания
Еще в 1780 году была изобретена водородная лампа, в которых впервые за всю историю человечества используется электрическая искра. В 1802 году В. В. Петровым был открыт эффект тлеющего разряда. Первая из известных ламп накаливания больше напоминала ювелирное изделие или произведение искусства как по трудоемкости, так и по стоимости. В 1820 году, Уоррен Де ла Рю поместил платиновую проволочку в стеклянный сосуд, из которого был откачан воздух, и пропустил по ней ток. Лампа получилась удачной, но… платиновой! Она была настолько дорогой, что о широком ее использовании не могло быть и речи.
В 1878 году Павел Яблочков усовершенствовал конструкцию, поставив электроды вертикально и разделив их слоем изолятора. Такая конструкция получила название «свеча Яблочкова» и использовалась во всем мире: например, Парижский оперный театр освещался с помощью таких «свечей».
Большинство людей связывают изобретение ламп накаливания с именем Эдисона. Однако, несмотря на все его заслуги в этой области, изобретателем лампы был все же не он. Выкупив уже существующие патенты, он внес усовершенствования в конструкцию и создал первую в мире доступную модель с винтовым цоколем (который используется и по сей день), наладив ее массовое производство. Кроме этого, патроны для ламп, предохранители, электросчетчики — тоже целиком его заслуга. Он также построил электростанции и сети для производства и распределения электроэнергии. Презентация ста одновременно работающих ламп произвела настоящую сенсацию, она проводилась в Нью-Джерси в 1880 году. Срок эксплуатации "чудо-длампочки" был 100 часов, а потребляла она 100 Вт. В лаборатории ученого дальше занимались усовершенствованием изделия: вначале появилась привычная нам вольфрамовая нить (1913 г.), позже внутренность лампочки стали наполнять газом.
Несмотря что современная лампа накаливания дешева, широко используется в быту, однако нельзя сказать, что свет ее идеален: он смещен в сторону красной и инфракрасной областей спектра. Эффективность также оставляет желать лучшего: ее КПД составляет всего 1−4%. В этом смысле лампа накаливания — скорее отопительный, а не осветительный прибор.
Начало XX века знаменуется активной деятельностью ученых и изобретателей. Постепенно лампы накаливания замещают более яркие и экономичные газоразрядные источники света: натриевые, ртутные и люминесцентные лампы.
Натриевые лампы
Натриевые дуговые лампы низкого давления хорошо знакомы всем нам: именно они стоят в уличных фонарях, дающих теплое «янтарное» свечение. Они хороши тем, что имеют отличную эффективность, большое время жизни (более 25 тыс. часов) и очень дешевы. Ртутные дуговые лампы высокого давления применяются в прожекторах при освещении стадионов и других крупных объектов, они дают очень яркий бело-голубой свет (УФ отсеивается фильтрами). Мощность ртутных ламп может составлять десятки киловатт. Электрическая дуга давала яркий и достаточно сбалансированный по спектру свет, что позволяло использовать его очень широко. К 1884 году крупные американские города освещали более 90 тыс. дуговых ламп.Люминесцентные лампы
Предшественник люминесцентных ламп — ртутная лампа низкого давления — была запатентована Питером Купером Хьюиттом в 1901 году. Лампа давала много света, но, к сожалению, мерзкого зеленовато-голубого цвета с большой долей ультрафиолетового излучения. Над этим нужно было еще поработать. Поработал Эдмунд Джермер, увеличив давление газа и покрыв стенки стеклянной трубки специальным флуоресцентным химическим веществом (так называемым люминофором), которое поглощает ультрафиолет и превращает его в видимый свет. Так получилась первая современная люминесцентная лампа. На дворе стоял 1934 год. Всем известные люминесцентные лампы «дневного света» заполнены парами ртути под низким давлением. При пропускании электрического тока через пары ртути возникает дуговой разряд и излучение света в УФ-диапазоне. Люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы лампы, под действием ультрафиолета излучает видимый свет.
Галогеновые лампы
Патент на галогенную лампу был выдан в 1959 году. Она представляла собой усовершенствованную лампу накаливания с добавкой паров галогенов внутри колбы, которые одновременно усиливали яркость нити накаливания и увеличивали ее срок службы. У обычных ламп накаливания, кроме низкого КПД, есть еще один серьезный недостаток. Вольфрам при работе постепенно испаряется с раскаленной поверхности нити и оседает на стенках колбы. Колба приобретает «тонированный» вид, что ухудшает светоотдачу. А за счет испарения вольфрама с поверхности нити жизнь лампы сокращается. А вот если в газ, наполняющий колбу, добавить пары, например, йода, картина меняется. Атомы испаренного вольфрама соединяются с атомами йода, образуя йодид вольфрама, который не оседает на стенках колбы, а разлагается на раскаленной поверхности нити накаливания, возвращая вольфрам в нить, а пары йода — обратно в колбу. Но есть одно условие: температура стенок колбы тоже должна быть достаточно высокой — около 250 °C. Именно поэтому колбы галогенных ламп такие компактные и, такие горячие!
Светодиоды
Светодиод, идея создания которого зародилась в исследованиях 1920 годов, появился в 60-х годах двадцатого столетия. Американский ученый в области атомной физики Ник Холоньяк младший решил, что должен быть более разумный способ освещения городов. Он знал, что лампа накаливания 90% отдает в тепло, и только 10% уходит непосредственно на освещение. В 1962 году появилась статья, в которой Холоньяк демонстрировал первый видимый красный полупроводниковый луч лазера, который он сгенерировал из полупроводника в форме пилюли. Этот белый диск стал первым в мире полупроводниковым светодиодом видимого света (LED). Но, увы, светил он исключительно красным светом. Потом были созданы светодиоды с желтым и зеленым цветом свечения. А в 1994 году японский изобретатель Сюдзи Накамуро, работающий на корпорацию Nichia создал первый сверхъяркий синий светодиод. А затем доказал, что синий светодиод с желтоватым фосфором может генерировать белый свет. До 1990-х выпускались только желтые, зеленые и красные светодиоды. Но чисто белый цвет оказалось можно получить комбинацией синего, красного и зеленого. Накамуро и его коллеги Исаму Акасаки и Хироши Амано получили Нобелевскую Премию в области физики в 2014 году.
Светодиоды потребляют до 75% меньше энергии и работают дольше в 25 раз чем лампы накаливания, и в три раза дольше чем энергосберегающие люминесцентные лампы. Дальнейшие усовершенствования смогут сделать возможным работу светодиодов от возобновляемых источников энергии — солнечной энергии, ветра и биотоплива.
Но на этом история освещения не заканчивается. Работы по улучшению качества и эффективности источников света ведутся до сих пор. Это полупроводниковые приборы, генерирующие (при прохождении через них электрического тока) оптическое излучение, а также проводятся исследования и в других направлениях. Возможно через каких-то 10-20 лет в историю освещения будет вписана огромная глава, которое перевернет все представление человечества о границах его возможностей и совершит очередную революцию в освещении нашей планеты Земля.
