Текст книги "Физика в быту"

По принципу работы они тоже относятся к лампам накаливания, но с некоторыми усовершенствованиями. Колба галогенной лампы наполнена не инертным газом, как во многих лампах накаливания, а химически активным газом – галогеном (это может быть фтор, хлор, бром или йод). Галогены вступают в химические реакции с испаряющимся вольфрамом нити накаливания, образуя летучие соединения. Галогениды вольфрама летают по всему объёму колбы, а вблизи нити накаливания снова разлагаются на исходные компоненты. Атомы вольфрама частично оседают обратно на нить и образуют вокруг нити вольфрамовую «атмосферу», замедляющую дальнейшее испарение. А ведь быстрое испарение нити накаливания – главное препятствие к повышению её температуры.

В галогенных лампах температура накала увеличена до 3000–3100 К. Из-за этого заметно повышаются КПД и светоотдача. Так, светоотдача 75-ваттной лампы накаливания составляет 12,5 лм/Вт, а галогенной лампы такой же мощности – 14,5 лм/Вт. У самых мощных галогенных ламп светоотдача достигает 25 лм/Вт. Спектр немного изменяется «в пользу» голубой составляющей, и свет воспринимается глазом как яркий белый, более холодного оттенка, чем у ламп накаливания, а цветопередача у галогенных ламп такая же, то есть приближается к 100.

Пульсации светового потока у них меньше, чем у традиционных ламп накаливания! Срок службы возрастает в 2–4 раза, а для низковольтных ламп ещё больше.

Можно было бы считать недостатком галогенных ламп слишком высокую температуру колбы (из-за этого в некоторых типах ламп её делают из кварцевого стекла). Но этот недостаток легко преодолевается путём помещения маленькой кварцевой колбы в привычный стеклянный баллон, так что издали вы не отличите такую лампу от обычной лампы накаливания.

Есть много разновидностей галогенных ламп по мощности, цоколю и типу исполнения. Отдельное направление – для автомобильных фар.

Галогенные лампы разнообразны и универсальны в употреблении. Есть виды, подходящие для точечного освещения, использования в натяжных потолках, лампы с отражателем для создания направленного светового потока, а есть варианты, заменяющие лампы накаливания в привычных светильниках. Их можно использовать с диммерами и выключателями, имеющими световой индикатор. Есть низковольтные лампы, питающиеся от сети напряжением в 12 в или 24 в (для их подключения требуется трансформатор).

В 2016 году среди проданных ламп больше половины составляли лампы накаливания, а в 2020 году их доля сократилась до 30 %, не считая галогенных ламп, доля которых в общем числе проданных ламп – 9,5 %.

Лампы накаливания долгое время были самыми популярными источниками света в наших домах, но последние десятилетия их начали активно вытеснять энергосберегающие типы ламп, люминесцентные и светодиодные.

Глава 4
Люминесцентные лампы

Исторически первыми на смену лампам накаливания пришли люминесцентные лампы: сначала – на производстве и общественных местах, а потом – и в быту. Переходим к разговору о них.

Чтобы понять, как работают эти лампы, нам придётся вкратце познакомиться с двумя физическими явлениями: газовыми разрядами и люминесценцией.

При прохождении тока через газы могут возникнуть те или иные световые и шумовые явления. Например, молния (искровой разряд). Но нас сейчас интересует так называемый тихий разряд – тлеющий. Для его возбуждения надо заполнить стеклянную трубку каким-то газом при низком давлении и приложить значительное постоянное или выпрямленное напряжение. Тогда газ начнёт светиться. Но спектр свечения будет не непрерывный, а линейчатый. Если разложить свет разряда в спектр с помощью призмы, то мы увидим не сплошную полосу с радужной окраской, как в спектрах Солнца и лампы накаливания, а отдельные цветные линии, разделённые тёмными промежутками. Линии какого именно цвета будут представлены в спектре, зависит от состава газа. Спектр – «визитная карточка» газа. Подчеркнём ещё раз, это важно: свечение тлеющего разряда – смесь отдельных монохроматических излучений. Ну а глаз такую смесь воспринимает как некий цвет. К примеру, трубка с неоном даёт оранжево-красное свечение, с аргоном – синевато-зелёное. Такие трубки используют в рекламе.

Почему газовые разряды могут сопровождаться свечением? Электроны, движущиеся в газе при пропускании тока, сталкиваются с атомами или молекулами газа и могут их возбудить или ионизовать, то есть перевести в состояние с большей энергией. Возвращаясь через короткое время в основное состояние, атомы или молекулы излучают свет.

В бытовых лампах, о которых дальше пойдёт речь, газовый разряд происходит в смеси аргона и паров ртути, излучающей преимущественно синий и зелёный свет, а также много ультрафиолета. Сам по себе такой свет не годится для освещения. Но ультрафиолетовое излучение можно превратить в видимый свет с помощью ещё одного физического явления – люминесценции.

Некоторые вещества (их называют люминофорами) поглощают свет коротких длин волн, в том числе ультрафиолет, а затем излучают его в виде более длинных волн видимого диапазона. Это и есть люминесценция (название происходит от латинского lumen – свет). Вспомним светящиеся брошки или ёлочные игрушки: подержали их под лампой, а потом в темноте в течение нескольких минут видим свечение (некоторые люминофоры могут светиться несколько часов и даже суток). Это частный случай люминесценции – фосфоресценция, при которой свечение продолжается значительное время после прекращения исходного светового воздействия. А другие люминофоры переизлучают поглощённый свет почти мгновенно. Этот вид люминесценции называется флуоресценцией (название происходит от минерала флуорит, у которого она впервые была обнаружена). Они-то и используются в люминесцентных лампах.

Свет каких именно длин волн будет излучать люминофор, поглощая ультрафиолет, зависит от его химического состава. Внутренние стенки люминесцентной лампы покрывают таким люминофором, чтобы выходящий свет казался белым. Но спектр этого белого света не является непрерывным, он состоит из нескольких более-менее узких полос излучения аргона, ртути и люминофора.

Люминесцентные «лампы дневного света» Британская компания «Дженерал электрик» начала выпускать с 1938 года. Это были линейные (трубчатые) лампы с дешёвым люминофором, дающие холодный белый свет. В СССР массовое производство и внедрение такого рода ламп началось на 10 лет позже. В 1960–1970 годах они использовались в большинстве общественных мест, в том числе школах.

Люминофор – вещь чрезвычайно важная для качества света, к тому же недешёвая. В недорогих лампах используют люминофор, который излучает в основном в жёлтой и синей частях спектра, а красного и зелёного света даёт значительно меньше. Хотя свет такой лампы и кажется белым, цветопередача у неё плохая. В более дорогих лампах применяют «трёхполосный» или даже «пятиполосный» люминофор, излучающий в трёх или пяти диапазонах длин волн. Цветопередача становится гораздо лучше. Пример графика спектра лампы с качественным люминофором изображён на рисунке 16. Путём подбора люминофоров в специальных лампах может быть достигнута идеальная цветопередача (они используются в картинных галереях, музеях, типографиях).

И всё же, как ни крути, спектр не станет непрерывным, привычным и комфортным глазу.

В спектре люминесцентных ламп присутствует небольшая доля ультрафиолета УФ-А и УФ-В, который не полностью поглощается люминофором и стеклом. По мере «старения» лампы эта доля возрастает из-за деградации люминофора. При длительном воздействии ультрафиолет совместно с коротковолновым сине-фиолетовым излучением лампы может оказать неблагоприятное действие на роговицу и сетчатку глаза. И не будем также забывать, что синий свет блокирует выработку гормона сна – мелатонина.

Рис. 16. График спектра излучения люминесцентной лампы с «пятиполосным» люминофором

Самым опасным для сетчатки при длительном воздействии является сине-фиолетовый свет с длиной волны от 415 до 455 нм, и как раз в этой области находится пик в спектрах излучения люминесцентных ламп.

Для некоторых специальных целей ультрафиолетовое излучение является необходимым, например в люминесцентных лампах для соляриев. В этих случаях при изготовлении колб используют не обычное, а кварцевое стекло, хорошо пропускающее ультрафиолет.

Люминесцентную лампу, в отличие от лампы накаливания, нельзя напрямую включить в электрическую сеть. Для её пуска и работы требуется специальное устройство – пускорегулирующий аппарат (сокращённо ПРА).

Первые модели люминесцентных ламп (линейные лампы) работали с помощью электромагнитных ПРА (или ЭмПРА), содержащих конденсаторы, стартёр для зажигания разряда и дроссель (проволочную катушку с железным сердечником) для ограничения силы тока. Но иногда такие лампы начинали гудеть из-за испорченного дросселя. А при неисправности стартёра лампа начинала мигать. Люди старшего поколения хорошо помнят, что раздражающее гудение и нервирующее мигание были частым явлением в школьных классах, рабочих кабинетах и административных зданиях, ведь лампы дневного света с электромагнитным ПРА до 1980-х использовались практически во всех общественных местах.

Излучение ламп с ЭмПРА пульсирует с удвоенной технической частотой, то есть 100 Гц, причём коэффициент пульсаций достигает 50, а иногда и 100 % и наносит огромный вред зрению и здоровью. Несколько поколений людей благодаря таким лампам испортили своё зрение и нервы.

И очень существенный недостаток линейных ламп старого образца – большое содержание паров ртути (десятки миллиграммов). При разбитой колбе эти пары оказывались в воздухе помещения. Серьёзного отравления от одной разбитой лампы не будет, но ртуть имеет свойство накапливаться в организме годами, а это чрезвычайно токсичное вещество! Вышедшие из строя лампы было необходимо должным образом утилизировать, что требовало материальных затрат, поэтому далеко не всегда соблюдалось на практике. Ртуть попадала в окружающую среду, загрязняя её.

Несмотря на очевидные недостатки, эти «лампы дневного света» терпели из-за гораздо более высокой светоотдачи (КПД), в несколько раз превышающей светоотдачу ламп накаливания.

Можно только радоваться, что такие лампы канули в прошлое. На смену им в 1990-х пришли компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые быстро начали вытеснять не только своих линейных собратьев из учреждений, но и лампы накаливания из наших домов.

Лампы нового поколения оснащены не электромагнитными, а электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) на полупроводниковых элементах. ЭПРА надёжны и компактны – их можно установить прямо в цоколе лампы (точнее, в корпусе между цоколем и газоразрядной трубкой). Оснащённая ЭПРА лампа не мерцает, не гудит, быстрее зажигается и входит в рабочий режим. Благодаря ЭПРА стало возможным выпускать компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

КЛЛ, как и линейная лампа, содержит газоразрядную трубку, только меньшей длины и скрученную в виде спирали, так что по габаритам такие лампы могут не сильно отличаться от ламп накаливания. Многие виды КЛЛ можно вкручивать в те же самые патроны, что и лампы накаливания. Форма колб КЛЛ может быть самая разная; некоторые лампы имеют несколько трубок (рис. 17).

Рис. 17. Примеры различного вида КЛЛ

Из-за уменьшения размеров газоразрядных трубок светоотдача КЛЛ тоже уменьшилась, и всё же она составляет от 30 до 65 лм/Вт против 12–15 лм/Вт у ламп накаливания. Линейные лампы не ушли со сцены, но их тоже стали оснащать электронными ПРА. Светоотдача современных линейных ламп достигает 80–100 лм/Вт. Правда, со временем из-за затемнения трубок люминесцентные лампы теряют до 30 % светового потока.

ЭПРА высокого качества решают и проблему пульсаций излучения. Электронная схема ЭПРА преобразует сетевое напряжение (50 Гц) в высокочастотное напряжение (20–40 кГц), которое и питает лампу. А как вы помните, мерцание с частотой выше 300 Гц уже не воспринимается глазом и мозгом. Зато и цена лампы за счет качественного ЭПРА сильно возрастает. Если же вы встречаете недорогой товар, то наверняка производители сэкономили на электронике, и свет лампы будет сильно пульсировать.

В продаже часто встречаются лампы с некачественным ЭПРА. Их коэффициенты пульсаций достигают 45–50 %.

Есть простой способ проверить, пульсирует ли свет лампы, с помощью видеокамеры смартфона. Надо поднести камеру довольно близко к лампе, так, чтобы на экране был виден большой светлый круг. Если по экрану пойдут полосы, то яркость лампы пульсирует. Но если лампа далеко (на потолке), способ не сработает.

У линейных ламп старого образца цветопередача была довольно плохой. У современных ламп, в зависимости от качества люминофора, индекс цветопередачи колеблется от 60 у не слишком дорогих ламп до 98 у специальных; чаще всего он будет в районе 80, причём чем лучше светоотдача, тем хуже цветопередача.

Главное – это, конечно, значительная экономия электроэнергии в масштабах страны и всего мира. На пару десятилетий, пока на смену не пришли светодиодные лампы, за КЛЛ закрепилось название «энергосберегающие лампы».

Что касается экономии ваших личных средств на оплату электроэнергии, то экономия здесь не столь очевидна: вы платите меньше за освещение при той же яркости света, но больше за покупку самих ламп (будем считать, что вы покупаете качественные лампы). Оценки показывают, что экономия будет достигнута при ежедневном использовании лампы не менее трёх часов. Помещения, в которых свет включается редко и ненадолго, не стоит освещать с помощью КЛЛ.

Ещё одно достоинство КЛЛ – увеличение срока службы в несколько раз по сравнению с лампами накаливания. На упаковках КЛЛ декларируется срок службы до 12–15 тысяч часов, хотя на практике он может оказаться гораздо меньше, если лампу часто включают-выключают или используют в помещениях с высокой влажностью.

Широкий выбор цветовых температур от 2700 К (мягкий белый) до 6400 К (холодный белый) тоже можно отнести к достоинствам.

Отметим ещё пониженную пожароопасность, ведь люминесцентные лампы гораздо меньше нагреваются, чем лампы накаливания.

Перевешивают ли эти достоинства недостатки? Давайте посмотрим.

Начнём с не самых главных.

Существенное неудобство для потребителя состоит в том, что после включения лампа не сразу набирает полную яркость свечения, а в течение пары минут, пока идёт разогрев газа.

Люминесцентные лампы нельзя использовать с обычными диммерами (регуляторами яркости), так как они перестают работать при понижении напряжения более чем на 10 %.

В помещениях с высокой влажностью возможен пробой ЭПРА при включении. Не рекомендуется использовать обычные люминесцентные лампы и при отрицательных температурах (для этих условий нужны специальные морозоустойчивые варианты). Обычные КЛЛ максимальную светоотдачу имеют при комнатной температуре.

Имеется также проблема с покупкой качественных КЛЛ, ведь на упаковках зачатую сообщается неполная или даже недостоверная информация, а на глаз вы не отличите лампу с высококачественным ЭПРА от варианта низкого качества.

Кроме того, через год-полтора становится заметна деградация люминофора: световой поток уменьшается, свет изменяет оттенок, в нём усиливается ультрафиолетовая составляющая. Указанный на упаковке большой срок службы это явление не учитывает.

Главных же недостатков – два.

Во-первых, это спектр, состоящий из довольно узких полос, в отличие от спектра солнца и ламп накаливания. Такой спектр вызывает повышенное зрительное утомление при чтении и тонкой работе. Окулисты отмечают, что острота зрения, измеренная в свете люминесцентных ламп, уступает остроте зрения при солнечном свете или свете ламп накаливания.

Почему при свете КЛЛ хуже выполнять тонкую работу? Дело в том, что фокусные расстояния линзы-хрусталика для синего и жёлтого света отличаются (так как коэффициент преломления синего света больше, чем жёлтого, – это называется хроматической аберрацией). Из-за этого изображения предмета на сетчатке в синих и жёлтых лучах не совпадают. Глаз фокусируется по жёлто-зелёной составляющей света, так что «жёлтое» изображение получается на сетчатке чётким, а «синее» чуточку размытым. В солнечном свете жёлтый свет преобладает, так что «синее» размытие по краям изображения не особо мешает его восприятию. При свете некоторых КЛЛ, наоборот, жёлтого меньше, чем синего, и это делает изображение на сетчатке менее чётким.

Наличие ультрафиолета и избыток синего света в спектре – палка о двух концах: с одной стороны, это может уменьшить «световое голодание» тёмной зимой, с другой – может представлять опасность для глаз. Дело в том, что для сокращения хрусталика нужна большая яркость именно жёлто-зелёного света, а на синий свет хрусталик так не реагирует. Когда сине-фиолетового света много, а жёлтого – мало, то хрусталик не чувствует опасности, не сокращается в достаточной мере и не защищает сетчатку от проникновения опасных для неё лучей. Кроме того, электронный пускорегулирующий аппарат создаёт высокочастотное магнитное поле вблизи от неё (об опасности таких полей будет идти речь в следующей части книги). Особенно надо быть осторожными с КЛЛ в настольных светильниках, которые могут оказаться близко к голове. Рекомендуется располагать такие лампы не ближе 30 см от глаз.

Но самый главный недостаток – наличие ртути в газоразрядной трубке. Правда, в КЛЛ её всего 3–5 мг; если трубка разобьётся, заметного отравления парами не будет. И всё же попадание даже такого количества ртути в организм нежелательно. Опять-таки, остаётся проблема утилизации вышедших из строя ламп, а много ли у нас сознательных потребителей, готовых искать специальные пункты утилизации? Да и производители не всегда указывают на упаковках необходимость этого.

Именно из-за наличия ртутных паров с июля 2016 года всем государственным и муниципальным предприятиям и учреждениям РФ запрещено приобретать многие типы люминесцентных ламп, в том числе КЛЛ и лампы с ЭмПРА. А с 2018 года их начали постепенно выводить из оборота. Но мы ещё имеем шанс с ними встретиться: ведь множество светильников с люминесцентными лампами будет работать, пока не выработает свой ресурс, да и на складах имеется их хороший запас, так что они всё ещё продаются в магазинах. В 2020 году из всех проданных ламп люминесцентные составляли немногим менее 5 %.

Под запрет не попадают амальгамные люминесцентные лампы. В них ртуть находится в виде твёрдого сплава – амальгамы. Во время работы лампы амальгама выделяет пары ртути в трубку, а после выключения полностью поглощает её из объёма лампы.

Глава 5
Светодиодные лампы

Отказ от использования люминесцентных ламп стал возможен после выхода на арену в начале 2000-х ламп нового типа – светодиодных, или led-ламп (от английского light-emitting diode), к разговору о которых мы и переходим.

Сначала о том, что такое светодиод. Это крохотный кристалл полупроводника, в одной половине которого создан путём добавления определённой примеси избыток свободных электронов, а в другой – наоборот, избыток «вакансий», так называемых дырок, которые с удовольствием захватывают свободные электроны. Это и есть светодиод. При пропускании через него тока нужного направления электроны прорываются через границу раздела двух областей и захватываются дырками. При каждом акте захвата выделяется квант света – фотон. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, в каком именно – зависит от химического состава светодиода.

В начале 1960-х были созданы светодиоды с красным свечением, в 1970-х годах – с зелёным и жёлтым. Но для получения белого света совершенно необходима ещё и синяя составляющая. Синие же светодиоды появились лишь 20 лет спустя, в 1993 году. С этого момента началась разработка осветительных светодиодных устройств, которые могут давать любой оттенок освещения, в том числе белый. Не удивительно, что за изобретение синих светодиодов японские учёные в 2014 году получили Нобелевскую премию.

Есть два основных способа получения белого света с помощью светодиодов.

Первый – объединить на одной матрице светодиоды трёх основных цветов: красного, зелёного и синего (технология RGB, как в цветном телевидении и фотографии). С точки зрения светоотдачи это самый выгодный вариант, но цветопередача получается не слишком хорошей, особенно для пастельных тонов. Поэтому в бытовых лампах RGB-технологию не применяют, но используют её в световых панелях или лентах.

Второй способ – покрыть кристалл синего светодиода слоем люминофора, излучающего в жёлто-оранжевой части спектра. Часть синего света проходит сквозь люминофор и смешивается с его жёлто-оранжевым свечением. Такое сочетание глаз воспринимает как белый. В отличие от КЛЛ, люминофора требуется гораздо меньше, ведь светодиод очень компактен, поэтому можно использовать более дорогие люминофоры лучшего качества и увеличивать толщину слоя люминофора, улучшая итоговый спектр. Правда, энергоэффективность при этом несколько падает. Преимущество этого способа – хорошая цветопередача.

Имеются и ультрафиолетовые светодиоды. Если желательно, чтобы излучатель имел ультрафиолетовую составляющую света, берут ультрафиолетовый светодиод и три слоя люминофоров, излучающих синий, зелёный и красный свет. Это похоже на получение белого света в люминесцентных лампах. В массовой продукции такие излучатели не используются.