Что такое источник света кратко

Обновлено: 30.06.2024

Разобраться в особенностях источников света несложно, так как по сути есть всего два варианта. Причем один из них хорошо знаком всем, а второй не сложно классифицировать по видам и разобрать основные характеристики.

Что такое источник света

Источник света – это объект, излучающий электромагнитную энергию в той области спектра, которая воспринимается человеческим зрением. Согласно законам физики, если отдельные объекты нагреваются до определенной температуры, то начинают светиться.

По сути, источником света можно назвать любой светящийся объект – будь то солнце, жуки-светлячки или разнообразное осветительное оборудование, производимое современными заводами.

Виды и классификации источников света

Все варианты можно разделить на два основных типа – естественные и искусственные источники. Исходить из этого при рассмотрении вопроса проще всего, так как информацию легко систематизировать.

Естественные источники света

К этой группе можно отнести все явления природы и объекты, которые могут испускать свет, видимый человеком. Причем, излучение может быть как первичным, так и вторичным свойством объекта или явления. Все варианты в этом разделе возникли без вмешательства людей и деятельности других существ. Основные естественные источники:

Солнце. Хорошо знакомый всем объект, который не только излучает свет благодаря раскаленной структуре, но и является источником жизни на Земле.
Звезды, Луна и другие объекты из космоса. Огромное количество светящихся точек появляется на небе каждый день после захода солнца. И при этом природа свечения бывает разной. Если у Луны это отраженный свет, то другие объекты могут светиться самостоятельно. Также свечение может исходить от межгалактического газа, его также видно на некоторых участках неба.
Полярное сияние – еще один естественный источник.
Атмосферные электрические разряды также относятся сюда, хоть и вспыхивают на короткий промежуток времени.
Минералы и органические продукты могут светиться при окислении, то есть при горении.
Биолюминесценция живых организмов, яркий пример – известные всем светлячки.

Все эти варианты встречаются в естественной среде и никак не зависят от человека. Он не может регулировать их яркость и влиять на нее.

Искусственные источники света

В этом случае источником выступает любой элемент, который дает излучение в результате преобразования энергии. Практически все варианты искусственного происхождения работают от электричества. То есть, первичной энергией, которая используется для получения света, является ток.

Если исходить из физических категорий, то можно разделить все искусственные варианты на три основные разновидности. У каждой из них есть свои особенности:

Рекомендуем к просмотру: Видеоуроки по физике

Все выпускаемые на данный момент лампы можно разделить на несколько категорий в зависимости от принципа работы и конструктивных особенностей. Виды источников света:

Кстати! Светодиодные лампы самые безопасные, они не нагреваются при работе, в изделиях нет стекла и паров вредных веществ.

Основные характеристики источников света

Показатели и термины используют в основном для искусственных источников света. Здесь перечислены основные характеристики, которые используются чаще всего:

Световой поток – количество света, попадающее на конкретную площадь за определенное время, он пропорционален потоку излучения, который видит человеческий глаз. Измеряется в Люменах.
Стабильность светового потока показывает, насколько меняется качество освещения лампы с течением времени.
Полный срок службы показывает, сколько должна работать лампа. Но важнее второй показатель – полезный срок службы, который отражает время работы, когда лампа выдает качественный свет.
Гарантийный срок службы показывает минимальное время работы лампы при сохранении хорошего качества света.
Номинальное напряжение показывает, при каком напряжении лампа обеспечивает заявленные характеристики. В моделях с пускорегулирующими блоками и трансформаторами этот показатель не нужен.
Вид тока, используемый для работы. Он может быть постоянным (обычно низковольтный), но чаще всего лампы работают на переменном токе.
Номинальная мощность показывает потребление электричества оборудованием при подаче номинального напряжения.

В современных светодиодных лампах используются такие показатели как тип света (теплый или холодный).

Выбирать источник света надо с учетом требований к освещению и вида светильника . Лучше отдавать предпочтение современным лампам на светодиодах, которые потребляют как минимум в 10 раз меньше электроэнергии и обеспечивают свет лучше, чем у аналогов. Исходите не только из цены, но и из срока работы, расходов за электричество и безопасности для человека.

Когда мы говорим “свет”, то подразумеваем свет видимый — небольшую часть спектра электромагнитного излучения, которое человеческий способен воспринимать. Источники света — это различные предметы или природные явления (естественные и искусственные), которые излучают электромагнитное излучение видимого диапазона. Разберемся с видами источников света и их параметрами.

Общие понятия

Свет — это результат физического процесса, происходящего в атомах вещества. Атомы, получая энергию извне (нагрев, облучение), часть ее передают электронам. Электроны сначала возбуждаются, а затем начинают терять энергию, переходя на нижние энергетические уровни. Каждый переход происходит с излучением фотонов — частиц света, которые воспринимает наш глаз. Фотоны могут проявлять себя либо как волна, либо как частица.

Одной из главных характеристик электромагнитного излучения является длина волны. К видимому свету относятся излучения с длиной волны от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, то есть от красного до фиолетового света.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с или 3*10 8 см/с. Это самая большая скорость в природе для любых частиц и взаимодействий.

Первые источники видимого света, которые человек изобрел для собственных нужд, использовали разные виды горючего топлива: дерево, жир, сало. В конце XIII швейцарец Аргант изобрел лампу с фитилем, в которую в качестве топлива заливался керосин. Американец Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания в конце XIX века. И если лампа с фитилем давно превратилась в настоящий антиквариат, то лампочка накаливания до сих пор верой и правдой служит человеку.

Естественные источники света

К естественным относятся источники света, дарованные нам природой:

Солнце;
Луна. Правда, сама она не излучает, а только отражает солнечный свет, но это не мешает считать ее прекрасным, естественным источником света в ночное время. Кстати, из космоса наша Земля смотрится также, отражая солнечный свет;
Звезды на ночном небосклоне;
Метеориты, кометы, болиды;
Полярное сияние;
Разряды атмосферного электричества (гроза, молния);
Объекты животного (глубоководные медузы, моллюски, планктон, лесные светлячки) и растительного миров (некоторые грибы), способные излучать свет.

Рис. 1. Примеры естественных источников света.

Искусственные источники света

Этот вид источников является результатом интеллектуальной деятельности многих поколений учений и изобретателей:

Лампы накаливания. Они излучают свет вследствие разогрева нити накаливания из тугоплавких металлов (например, вольфрам) до температуры в несколько тысяч градусов. Нить накаливания помещена в стеклянную колбу, из которой предварительно откачивают воздух и наполняют инертным газом (гелий, неон), предотвращающим перегорание нити;
Галогеновые лампы. Это усовершенствованный вариант ламп накаливания. В них вместе с инертным газом добавляют галогеновый газ (бром или йод). Этот прием позволяет продлить срок эксплуатации лампы. Еще вместо обычного стекла для корпуса используют толстое кварцевое, которое выдерживает более высокие температуры, чем обычное стекло;
Газоразрядные лампы. Этот вид источников создает видимое излучение за счет электрического разряда в смеси газов с добавлением паров некоторых металлов. Эти лампы чаще всего используются для уличного освещения и освещения производственных помещений. Неоновую световую рекламу изготавливают по этой технологии;
Люминесцентные лампы. Внутренняя поверхность таких ламп покрыта специальным химическим составом, который называется люминофором. Сначала происходит электрический разряд в газе, как в обычных газоразрядных лампах. В разряде есть высокоэнергетичные фотоны ультрафиолетового диапазона, невидимые глазу. Эти фотоны возбуждают атомы и молекулы люминофора, которые излучают видимый на выходе свет. Эти лампы массово используются для освещения офисов, магазинов, производственных помещений.
Светодиоды или LED-источники. Это самый современный, массовый полупроводниковый источник света. Излучение возникает в результате протекания электрического тока через p–n переход полупроводникового диода. Выпускаются лампочки дающие основные цвета: белый (дневной), зеленый, красный, синий, голубой. Использование этих ламп дает существенную экономию электроэнергии при эксплуатации осветительных приборов. Светодиоды имеют огромный срок службы (свыше 50000 часов) по сравнению с прочими источниками;
Лазеры. Этот источник света для видимого диапазона в последние годы становится массовым в связи с использованием малогабаритных полупроводниковых лазеров, которые позволили создать полезные, безопасные в обращении устройства.

Примером использования современного источника света может служить лазерный нивелир, который позволяет быстро производить измерение расстояний, углов, выставлять уровни (горизонтальные, вертикальные).

Рис. 3. Лазерный нивелир.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что источники света бывают искусственные и естественные. Естественные источники существуют независимо от деятельности человека. Искусственные источники появились благодаря умственной деятельности человека, разработке новых технологий и материалов. Большой прогресс в последние годы произошел в области производства светодиодов.

Источник света – это тело, которое излучает энергию в световом диапазоне.

Различные типы источников света

Классификация источников света проводится в зависимости от разных характеристик. Таким образом, в физике определяющим является разделение источников света на 2 вида:

Точечные;
Непрерывные (модели источников света).

Встречается подразделение на и на такие виды источников света как:

Естественные (солнце, звёзды, атмосферные электрические разряды и т.п.);
Искусственные (пламя, разнообразные лампы, светодиоды, лазерные приспособления).

Искусственные источники света подразделяют в зависимости от вида энергии, переходящей в излучение, на:

Тепловые источники (свет в них возникает в результате нагревания до высоких температур);
Люминесцентные источники (световое излучение в них появляется благодаря превращению разных видов энергии, но не тепловой).

Также искусственные источники света выделяются по конструктивным особенностям.

Основные характеристики источников света

Сила света

Точечный источник света – это такой световой источник, размеры которого можно не принимать во внимание, по сравнению с расстоянием от источника до места наблюдения. В оптически однородной и изотропной среде волны, излучаемые точечным источником, являются сферическими.

Для характеристики точечного источника используют понятие силы света ( I ) , которая определяется как:

где d Ф – это световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d Ω . При рассмотрении сферической системы координат можно сказать, что в общем-то сила света зависит от полярного ( ν ) и азимутального φ углов I = I ν , φ .

Источник света называется изотропным, если на его силу света не оказывает влияние направление. Для изотропного источника света запишем:

где Ф – это суммарный световой поток, излучаемый источником во всех направлениях. Величина силы источника, которая вычисляется как ( 2 ) , также называется средней сферической силой света источника.

Если источник света не является точечным (протяженный источник), тогда применяют понятие силы света элемента его поверхности ( d S ) . В данном случае в формуле ( 1 ) величина d Ф – это световой поток, излучаемый элементом поверхности источника ( d S ) в пределах телесного угла ( d Ω ) .

Основная единица измерения силы света в системе измерения – кандела ( к д ) (старое название – свеча ( с в ) ). 1 к д излучает световой эталон как абсолютно черное тело при температуре T = 2046 , 6 K (температура, при которой затвердевает чистая платина) и давлении 101325 П а .

Световой поток

Основной единицей измерения светового потока является люмен ( л м ) , который равняется световому потоку, испускаемому источником в 1 к д внутрь телесного угла 1 стерадиан.

Освещенность

Величина ( E ) , равная E = d Φ p a d d S ( 5 ) , называется освещенностью. В выражении ( 5 ) d Φ p a d – это величина светового потока, падающего на элемент поверхности d S . Освещенность измеряется с системе измерения в люксах ( л к ) 1 л к = 1 л м 1 м 2 ( 6 ) , при равномерном распределении потока по поверхности.

Светимость

Протяженный источник света характеризуют светимостью ( R ) его участков. Она описывает излучение (отражение) света выделенным элементом поверхности во всех направлениях.

Светимость проявляется из-за отражения поверхностью падающего на нее светового потока. Тогда под d Φ i s p понимают в выражении ( 8 ) поток, отражаемый элементарной поверхностью d S во всех направлениях.

Светимость измеряется в люксах.

Яркость

Яркость ( B ) используют для описания излучения (отражения) света в заданном направлении. Направление причем задается полярным углом ν , который откладывают от внешней нормали n → к излучающей площадке и азимутальным углом φ .

Ламбертовскими источниками света (или косинусные, подчиняющиеся закону Ламберта), называются источники, яркость которых не меняется в зависимости от направления. Для ламбертовских светильников d I элементарной площадки пропорциональна cos ν .

Единица яркости кандела на квадратный метр к д м 2 .

Необходимо найти световой поток, излучаемый элементарной поверхностью d S внутрь конуса, ось которого расположена перпендикулярно выделенному элементу. Угол конуса равен ν 0 . Будем считать, что светящаяся поверхность подчинена закону Ламберта и ее яркость равняется В .

Решение

Для решения задачи используем определение яркости и из него выделим элемент светового потока:

B = d Φ d Ω d S cos ν → d Φ = B d Ω d S cos ν ( 1 . 1 ) .

Элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 1 . 2 ) .

Подставим выражение для телесного угла в выражение ( 1 . 1 ) , получаем:

d Φ = B sin ν d ν d φ d S cos ν ( 1 . 3 ) .

Определим полный световой поток интегрированием выражения ( 1 . 3 ) :

Φ = B d S ∫ 0 v 0 sin ν cos ν d ν ∫ 0 2 π d φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Ответ: Φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Яркость однородного светящегося диска радиуса r меняется по закону B = B 0 cos ν , B 0 = c o n s t , ν – это угол с нормалью к поверхности. Необходимо найти световой поток ( Ф ) , испускаемый диском.

Решение

Выразим элемент светового потока с помощью уравнения из условий задачи для ярости как:

d Φ = B d Ω d S cos ν = B 0 cos ν 2 d Ω d S ( 2 . 1 ) ,

где элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 2 . 2 ) .

Световой поток вычислим как интеграл от выражения ( 2 . 1 ) при использовании ( 2 . 2 ) :

Φ = B 0 d S ∫ 0 π 2 sin ν cos 2 ν d ν ∫ 0 π 2 d φ = 2 π B 0 d S ∫ 0 π 2 d ( - cos ν ) cos 2 ν = 2 3 πB 0 dS = = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.). В отличие от искусственных источников света, естественные источники света представляют собой природные материальные объекты: Солнце, Полярные сияния, светлячки, молнии и проч.

Содержание

История развития искусственных источников света

Древнее время — свечи, лучины и лампады

Самым первым из используемых людьми в своей деятельности источником света был огонь (пламя) костра. С течением времени и ростом опыта сжигания различных горючих материалов люди обнаружили, что большее количество света может быть получено при сжигании каких либо смолистых пород дерева, природных смол и масел и воска. С точки зрения химических свойств подобные материалы содержат больший процент углерода по массе и при сгорании сажистые частицы углерода сильно раскаляются в пламени и излучают свет. В дальнейшем при развитии технологий обработки металлов, развития способов быстрого зажигания с помощью огнива позволили создать и в значительной степени усовершенствовать первые независимые источники света, которые можно было устанавливать в любом пространственном положении, переносить и перезаряжать горючим. А также определенный прогресс в переработке нефти, восков, жиров и масел и некоторых природных смол позволил выделять необходимые топливные фракции: очищенный воск, парафин, стеарин, пальмитин, керосин и т. п. Такими источниками стали прежде всего свечи, факелы, масляные, а позже нефтяные лампы и фонари. С точки зрения автономности и удобства, источники света, использующие энергию горения топлив, очень удобны, но с точки зрения пожаробезопасности (открытое пламя), выделений продуктов неполного сгорания (сажа, пары топлива, угарный газ) представляют известную опасность как источник возгорания, и история знает великое множество примеров возникновения больших пожаров, причиной которых были масляные лампы и фонари, свечи и пр.

Газовые фонари

Появление электрических источников света

Дальнейший прогресс в области изобретения и конструирования источников света в значительной степени был связан с открытием электричества и изобретением источников тока. На этом этапе научно-технического прогресса стало совершенно очевидно, что необходимо для увеличения яркости источников света увеличить температуру области, излучающей свет. Если в случае применения реакций горения разнообразных топлив на воздухе температура продуктов сгорания достигает 1500—2300°С, то при использовании электричества температура может быть еще значительно увеличена. При нагревании электрическим током различных токопроводящих материалов с высокой температурой плавления они излучают видимый свет и могут служить в качестве источников света той или иной интенсивности. Такими материалами были предложены: графит (угольная нить), платина, вольфрам, молибден, рений и их сплавы. Для увеличения долговечности первых электрических источников света их рабочие тела (спирали и нити) стали размещать в специальных стеклянных баллонах (лампах), заполненных вакуумом или инертными либо неактивными газами (водород, азот, аргон и др.). При выборе рабочего материала конструкторы ламп руководствовались максимальной рабочей температурой нагреваемой спирали, и основное предпочтение было отдано углероду (Лампа Лодыгина, 1873 год) и в дальнейшем вольфраму. Вольфрам и его сплавы с рением и по настоящее время являются наиболее широкоприменяемыми материалами для изготовления электрических ламп накаливания, так как в наилучших условиях они способны быть нагреты до температур в 2800-3200°С. Параллельно с работой над лампами накаливания, в эпоху открытия и использования электричества также были начаты и значительно развиты работы по электродуговым источником света (свеча Яблочкова) и по источникам света на основе тлеющего разряда. Электродуговые источники света позволили реализовать возможность получения колоссальных по мощности потоков света (сотни тысяч и миллионы канделл), а источники света на основе тлеющего разряда — необычайно высокую экономичность. В настоящее время наиболее совершенные источники света на основе электрической дуги — криптоновые, ксеноновые и ртутные лампы, а на основе тлеющего разряда в инертных газах (гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) с парами ртути и другие. Наиболее мощными и яркими источниками света в настоящее время являются лазеры. Очень мощными источниками света также являются разнообразные пиротехнические осветительные составы, применяемые для фотосъемки, освещения больших площадей в военном деле (фотоавиабомбы, осветительные ракеты и осветительные бомбы).

Типы источников света

Для получения света могут быть использованы различные формы энергии, и в этой связи можно указать на основные виды(по утилизации энергии) источников света.

Электрические: Электрический нагрев тел каления или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.
Ядерные: распад изотопов или деление ядер.

Химические: горение (окисление) топлив и нагрев продуктов сгорания или тел каления.

Термолюминесцентные: преобразование тепла в свет в полупроводниках.

Триболюминесцентные: преобразования механических воздействий в свет.

Биолюминесцентные: бактериальные источники света в живой природе.

Применение источников света

Источники света востребованы во всех областях человеческой деятельности — в быту, на производстве, в научных исследованиях и т.п. В зависимости от той или иной области применения к источникам света предъявляются самые разные технические, эстетические и экономические требования, и подчас отдается предпочтение тому или иному параметру источника света или сумме этих параметров.

Производство источников света

Опасные факторы источников света

Источники света той или иной конструкции очень часто сопровождаются наличием опасных факторов, главными из которых являются:

Читайте также: