История освещения: от костра до светодиодов и дальше - Топ-Свет
Бесплатно по России

Каталог товаров

Производители

История освещения: от костра до светодиодов и дальше

В этой статье мы вкратце расскажем о том, почему людям необходимо искусственное освещение и как оно развивалось на пути от костров на стоянках первобытных людей до современных светодиодных систем.

Кому из людей не знаком страх темноты? Конечно, многие взрослые скажут: чего там бояться, темнота она и есть темнота. Но давайте попробуем вспомнить то время, когда мы были детьми: кровать с уютными подушкой и одеялом представлялась крошечным безопасным островком в море темноты. Шкаф становился проходом в неизведанное, пространство под кроватью – убежищем для монстров. Почему темнота оказывает такое влияние на большинство людей, откуда берётся страх перед ней и почему мы чем дальше, тем отчаянней нуждаемся в свете?

Некоторые исследователи полагают, что страх перед темнотой появился у людей ещё в древности как следствие жизненного опыта. Например, многие хищники ведут ночной образ жизни, а значит, вероятность быть съеденным ночью оказывается выше. К тому же наши органы чувств плохо приспособлены к условиям слабой освещённости: всё-таки человек – существо преимущественно дневное. Добавим к этому суточные ритмы, которые (если речь не идёт о привыкшем к ночному образу жизни, хотя и тут вопросов остаётся достаточно) изменяют биохимические процессы в организме, что приводит к снижению умственной активности и физических способностей. Картина получается тревожная: человек ночью весьма уязвим. Ну а где тревога – там и страх, который в современном городе кажется чем-то иррациональным, но поспорить с опытом тысяч прошлых поколений, запечатлённым в нашей ДНК, не так-то просто.

Поэтому современные города стали похожи на новогодние ёлки – в поле зрения людей постоянно находится как минимум один источник света, а чаще – намного больше. В отдельных случаях экологи даже используют понятие «светового загрязнения» для описания засветки, возникающей над крупными городами, что ещё раз подчёркивает вред от избыточного освещения.

Костёр, а с ним и свет, и тепло

Когда-то человеческие поселения были еле-еле освещены светом костров и факелов. Первым источником света для первых людей стал огонь. И дело пошло на лад: хищники остались в окружающей костёр темноте, а поселенцы вдобавок получили источник тепла для приготовления пищи.

Костёр на фоне леса и гор
Первый источник света для человека мог бы выглядеть примерно так

А почему вообще костёр светит? Горение – в самом общем случае – это процесс превращения одних веществ в другие, проходящий со значительным выделением тепла. Нас же интересует конкретный случай: что происходит при взаимодействии с кислородом. Когда мы подносим горящую спичку к топливу (пускай это будут обыкновенные дрова), поверхность дерева нагревается выше температуры воспламенения, и молекулы веществ, из которых состоит древесина, вступают с кислородом в химическую реакцию. При этом снова выделяется тепло и реакция становится самоподдерживающейся – выделившееся при сгорании одной порции вещества тепло идёт на воспламенение другой.

Среди продуктов сгорания присутствует множество частиц с избыточной энергией, полученной в ходе реакции. Но долго пребывать в таком виде они не могут и стремятся вернуться в основное состояние. А поскольку энергия ниоткуда не берётся и никуда не пропадает, она испускается в том числе в виде фотонов, которые формируют как видимый свет, так и инфракрасное излучение, которое мы воспринимаем как тепло. Но здесь и кроется загвоздка. Поскольку на видимый свет приходится лишь небольшая часть излучения, световая отдача костра, факела, свечи и т.п. очень невелика.

Вплоть до XIX века, когда широкое распространение начало получать освещение электрическое, человечество использовало практически одно горение как источник света. На этом пути были перепробованы различные варианты топлива и исполнения светильников: в разное время и в разных ситуациях люди пользовались лучинами, керосиновыми и масляными лампами, свечами, газовыми фонарями. Встречались и экзотические решения. Например, индейцы использовали для освещения своих хижин высушенную рыбу-свечу с пропущенным через неё фитилём – обилие в ней жира прекрасно поддерживает горение. Собственно, поэтому эта небольшая рыбка и получила в народе такое название (по-научному же она это эвлахон или тихоокеанский талеихт).

Пробуем электричество

С приходом эпохи электричества ситуация начала меняться. Первыми электрическими лампами, вопреки расхожему мнению, стали вовсе не лампы накаливания, а угольные дуговые источники света. В таком приборе источником света выступала электрическая дуга, образовывавшаяся между двумя угольными электродами. В конце XIX века такие лампы получили широкое распространение в качестве источников уличного освещения.

Свечи Яблочкова на Набережной Виктории в Лондоне, декабрь 1878 года
Свечи Яблочкова на Набережной Виктории в Лондоне, декабрь 1878 года

Электрическая дуга появляется, когда вещество между двумя электродами под воздействием мощного электрического поля ионизируется и переходит в состояние плазмы. Но, как и в случае с горением, отдельные ионы стремятся вернуться в устойчивое энергетическое состояние, вследствие чего происходит их рекомбинация со свободными электронами, а излишек энергии испускается в виде фотонов. В зависимости от того, чем заполнено пространство между электродами – воздухом, благородными газами, парами металлов или их солей – изменяется спектр получаемого излучения.

Кстати, одним из изобретателей, отличившихся на поприще электрического света, стал наш соотечественник Павел Николаевич Яблочков, разработавший простую и эффективную конструкцию угольной дуговой лампы, в дальнейшем и названной его именем – свечой Яблочкова. Однако, Павлу Николаевичу тоже не удалось преодолеть один из самых больших недостатков таких источников света – их маленький срок службы. Большинство образцов угольных дуговых ламп горели не больше 100 часов.

Поэтому в начале XX века повсеместно стали использоваться более долговечные лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, которые до сих пор, по прошествии уже более чем ста лет, всё ещё остаются весьма популярными в силу своей дешевизны и неприхотливости. Хотя первые образцы, разработанные Томасом Эдисоном ещё в 70–80-х годах XIX века использовали угольное волокно и также имели ограниченный срок службы – около 40 часов, это не помешало им получить широкое распространение и иметь коммерческий успех. Ключевым фактором для них стало удобство использования и низкая цена – в течение первых пяти лет существования фабрики Эдисона по производству ламп их цена снизилась с 1 доллара 25 центов до 22 центов за штуку.

Лампа накаливания
Современная лампа накаливания - со времён Эдисона внешне изменилось не так уж много

Приветствуем газорязрядные лампы!

Но о дуговых, или разрядных, источниках света никто не забыл. Ещё в 90-х годах XIX века Никола Тесла запатентовал систему освещения газоразрядными лампами, наполненными аргоном. Такая лампа требовала для своей работы источника тока высокого напряжения и высокой частоты. Кстати, далёкие потомки тех первых ламп используются и по сей день, наряду с криптоновыми, ксеноновыми, неоновыми и некоторыми другими.

В дальнейшем идея развивалась, появлялись металлогалогенные, натриевые лампы, большое распространение получили лампы ртутные – которые мы используем и сейчас. Хотя первые эксперименты с парами ртути в качестве внутренней среды газоразрядных ламп показали, что свет, отдаваемый таким источником, имеет довольно низкое качество – в видимой части его спектра преобладают синие и зелёные цвета. Более того, в нём велико количество ультрафиолета, для глаза невидимого, а в больших количествах вредного для живых организмов. На этом свойстве паров ртути, кстати, основаны бактерицидные и кварцевые лампы – в них используются специальные типы стёкол, которые в большей степени пропускают ультрафиолетовое излучение, чем привычное нам силикатное стекло.

Линейная люминесцентная лампа в светильнике типа ЛПО
Линейная люминесцентная лампа в светильнике типа ЛПО

В 1926 году группа немецких инженеров во главе с Эдмундом Гермером предложила покрывать внутреннюю поверхность ртутных ламп люминофором – веществом, которое способно поглощать ультрафиолет и переизлучать свет в видимом диапазоне. Так родилась люминесцентная лампа – она же лампа дневного света. Важным преимуществом газоразрядных ламп стала, была и остаётся более высокая эффективность по сравнению с лампами накаливания – их светоотдача может на порядок отличаться. А значит, меньше энергии становится теплом и больше – светом.

Появление светодиодов

Первые промышленно значимые светодиоды появились в 60-х годах XX века. На первых порах это были источники красного (реже – жёлто-зелёного) света, которые использовались в различных индикаторах. Эффективность их оставляла желать лучшего – всего 1-2 люмена на ватт, что было чуть ли не на порядок ниже традиционных ламп накаливания. 30 лет спустя, в середине 90-х годов, этот показатель составлял уже 30, а к концу тысячелетия – уже до 60 люменов на ватт.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Источником же света служит процесс рекомбинации, также как у рассмотренных ранее дуговых ламп, но в данном случае он идёт не между положительно заряженными ионами и электронами, а между электронами и дырками – обычными «обитателями» полупроводников. Причём излучать светодиод может только в очень узком диапазоне спектра, определяемом составом полупроводника. Поэтому для создания белых светодиодов в любом случае используются люминофоры.

Серьёзным препятствием для массового внедрения светодиодного освещения оставалась высокая стоимость, но по мере открытия новых полупроводниковых материалов и увеличения объёмов производства их цена снижалась. Хотя до сих пор светодиодные лампы обходятся дороже, чем сопоставимые им по световому потоку лампы накаливания, это с лихвой компенсируется существенно более низким энергопотреблением и на порядок большим сроком службы.

УСС 36/48 НВ
Современные промышленные LED-светильники выглядят в большинстве своём аналогично

Распространённым является мнение, что газоразрядные лампы в настоящее время сменяются на светодиодные источники в силу большей энергоэффективности последних. Это тоже не совсем правда. До недавнего времени световая отдача большинства светодиодных светильников была ничуть не выше их аналогов, например, с натриевыми лампами высокого давления. Основными критериями здесь стали срок службы – чем дольше не нужно менять лампочку, тем меньше средств тратится на сам процесс замены, безопасность с экологической точки зрения – поскольку паров ртути в них нет, утилизировать светодиодный источник света можно, как любой другой электронный прибор. Но с развитием технологии световая отдача у светодиодов будет только расти, а классические газоразрядные лампы уже достигли практического предела и дальнейшие фундаментальные исследования в этой области кажутся нецелесообразными. В настоящее время перспективные образцы светодиодов, находящиеся на стадии исследовательской работы, показывают светоотдачу на уровне 250 лм/вт.

Смотрим в будущее

Что же нас ждёт в будущем? В настоящее время ведутся разработки в области органических светодиодов (OLED), но пока срок службы и характеристики не позволяют использовать их в качестве источника света. В любом случае потенциал светодиодного освещения ещё далеко не исчерпан, а значит, в ближайшие годы нас ждёт постепенное развитие этого направления с увеличением энергоэффективности и уменьшением цены.

Одним из перспективных направлений в развитии светодиодных приборов выглядит использование люминофоров на основе квантовых точек. Квантовая точка – это полупроводник, расстояние между энергетическими уровнями электронов в котором зависит от его геометрии. При переходе от одного уровня к другому испускается фотон, а значит, меняя размер квантовой точки и, соответственно, расстояние между энергетическими уровнями, мы можем менять энергию фотона, а следовательно – и частоту излучения или цвет света. Эти и некоторые другие свойства позволяют говорить о превосходстве квантовых точек над традиционными люминофорами. В настоящее время производство квантовых точек возможно в промышленных масштабах. Некоторые компании уже представили конечные продукты, в том числе и лампы, на их основе.