Текст книги "Физика в быту"

Один светодиод светит ярко, но из-за малых размеров имеет малую световую мощность. Светодиодная лампа содержит десятки кристаллов-светодиодов, размещённых на общей плате. Каждый кристалл покрыт люминофором. В некоторых моделях ламп с прозрачной колбой вы можете увидеть жёлтые квадратики – это и есть светодиоды, покрытые жёлтым люминофором. Яркий свет крохотных светодиодов слепит глаза, поэтому в большинстве ламп светодиодная плата закрыта пластиковым колпаком-рассеивателем, который равномерно распределяет свет во все стороны.

От плато со светодиодами надо отводить теплоту, ведь при протекании тока через кристалл не вся работа электрического поля превращается в излучение – часть тратится на нагревание. Для теплоотвода лампы обычно снабжают алюминиевыми теплообменниками-радиаторами ребристой формы.

Помимо ламп, популярны светодиодные ленты: один или несколько рядов светодиодов располагают на гибкой основе. Делают и светодиодные светящиеся панели различной площади.

И непременная часть типовых светодиодных ламп, которые включаются в сеть с напряжением 220 В, – встроенный в корпус лампы источник питания светодиодной платы: драйвер. Его задача – выпрямить и сгладить пульсации напряжения, чтобы питать светодиод постоянным током. От качества драйвера зависит коэффициент пульсации лампы.

В дешёвых лампах драйвер может отсутствовать, вместо него применяется простой блок питания, не обеспечивающий стабилизации напряжения и тока. В миниатюрных лампочках драйвера нет по причине нехватки места внутри корпуса.

Спектр светодиодных ламп с люминофором, которые используются для освещения, содержит синий пик – свет самих светодиодов – и непрерывный спектр излучения люминофора, захватывающий широкую область от зелёного до красного (рис. 18). Непрерывный характер спектра является большим преимуществом led-ламп перед КЛЛ. Но обратите внимание на ярко выраженный провал в области голубого света (480 нм), а это как раз та часть солнечного спектра, которая максимально представлена в спектре голубого неба и которая стимулирует выработку «гормона бодрости» серотонина. Проблема «заполнения провала» волнует разработчиков ламп, но до сих пор ещё не решена.

Главная же опасность света led-ламп – это синий пик на длине волны около 450 нм. Многие окулисты высказывают опасения, что этот избыток синего света может вызвать помутнение хрусталика и даже провоцировать повреждения сетчатки, особенно у детей, хрусталик которых особенно прозрачен для ультрафиолета. Проблема синего пика усугубляется нехваткой красного света в спектре led-ламп. Вы ведь помните: при нехватке красного требуется бóльшая интенсивность света для зрительного комфорта. Для увеличения интенсивности мы увеличиваем число ламп – и ещё больше возрастает мощность синего света.

Особенно опасно «ударное» воздействие синего света при резком переходе от темноты к свету, когда хрусталик расширен, а сетчатка не защищена чёрным пигментом. Замечали, как хочется зажмуриться при резком включении светодиодных или люминесцентных ламп в тёмном помещении? Поэтому лучше включать такие источники понемногу, постепенно увеличивая освещённость. Имейте это в виду по утрам.

Рис. 18. Примерные спектры светодиодных ламп «холодного белого» и «тёплого белого» света

Для поражения сетчатки глаз синим светом требуется в 10–100 раз меньшая энергетическая мощность, чем для аналогичного поражающего воздействия светом в более длинноволновом участке спектра.

Приглушить синий пик можно, увеличивая толщину слоя люминофора. Правда, при этом КПД лампы понижается. В лампах «тёплого белого» света (цветовая температура меньше 3500 К) используется более толстый слой дорогого многокомпонентного люминофора с интенсивным излучением в жёлто-оранжевой области, и синий пик в спектре существенно меньше выражен, чем в лампах «дневного» (3500–5300 К) и «холодного белого» (выше 5300 К) света. К сожалению, процесс изготовления ламп «тёплого света» более сложен, и они дороже. Но самое главное: за два-три года работы люминофор успевает деградировать, и цветовая температура постепенно повышается. Лампа способна работать ещё несколько лет, но качество света будет всё хуже и хуже.

Коэффициент пульсации зависит главным образом от качества драйвера. Хорошие светодиодные лампы практически не пульсируют (коэффициент пульсации 1–2 %). Дешёвый же драйвер вместо постоянного тока даёт на выходе выпрямленный ток частоты 50 Гц (то есть переменный ток в течение половины периода просто не пропускается). В итоге, купив дешёвую светодиодную лампу, вы можете иметь световой поток, зависящий от времени, как показано на рисунке 19. Коэффициент пульсации таких ламп приближается к 100 %. Проблема в том, что рынки и магазины заполнены led-лампами с высоким коэффициентом пульсации. Большими пульсациями грешат и так называемые «кукурузные» лампы. Даже у одного и того же производителя могут выпускаться лампы как высокого, так и низкого качества.

Рис. 19. Пульсации светового потока при питании светодиодной платы выпрямленным напряжением

Есть ещё один неприятный момент. Производитель заявляет на упаковке очень большой срок работы лампы (к примеру, 25 лет). Но электронные компоненты, входящие в состав драйвера (прежде всего электролитические конденсаторы), выходят из строя гораздо раньше, скажем, через 2–3 года, особенно если драйвер размещён в корпусе лампы и подвергается нагреву. И излучение лампы начнёт пульсировать! Это касается даже качественных ламп надёжных производителей. Так что проверяйте свои led-лампы время от времени с помощью камеры смартфона. И меняйте их, не дожидаясь окончания заявленного производителем срока работы.

Преимущества многочисленны и существенны.

Светоотдача ещё больше, чем у люминесцентных ламп, и несравненно больше, чем у ламп накаливания. Она не менее 50 лм/Вт, а может достигать и 120 лм/Вт. Светодиоды позволяют в 6–10 раз сократить потребление электроэнергии на освещение, если сравнивать их с лампами накаливания.

В отличие от люминесцентных, это экологичные источники света, не наносящие ущерба окружающей среде и не требующие расходов на утилизацию (как и лампы накаливания).

Они очень долговечны, причём число включений-выключений не влияет на срок службы. Но всё же не забывайте, что характеристики излучения изменяются по мере эксплуатации: световой поток уменьшается (как и у других типов ламп), цветовая температура растёт (как и у люминесцентных ламп), да ещё могут появиться пульсации.

Как и лампы накаливания, led-лампы включаются сразу на полную яркость (в отличие от КЛЛ).

Они влагостойки и нечувствительны к низким температурам (в отличие от КЛЛ), хотя высокие температуры светодиодам вредны. По умолчанию, рабочий диапазон температур от – 30 до +60 °C.

Как и КЛЛ, светодиодные лампы менее пожароопасны, чем лампы накаливания, так как меньше нагреваются в процессе работы.

Есть и минусы.

Возможно неблагоприятное воздействие на хрусталик и сетчатку глаза из-за высокой интенсивности синей составляющей света, причём по мере использования лампы это воздействие усиливается вследствие деградации люминофора.

Надёжность электронных компонент драйвера может заметно уступать надёжности самих светодиодов, о чём производитель нас не предупреждает.

Главная же опасность – это наличие на рынке множества низкосортных дешёвых и не очень дешёвых ламп, несущих угрозу здоровью. Увы, реальные характеристики ламп зачастую не соответствуют тем, что указаны на упаковке: световой поток может быть существенно меньше, индекс цветопередачи ниже, а пульсации, несмотря на обещание их полного отсутствия, достигать 100 %. И это касается не только дешёвой китайской продукции, но и продукции некоторых российских производителей.

Как бы там ни было, светодиоды продолжают активно завоёвывать мир. По мере развития технологий цены на эти лампы быстро снижаются и уже вполне радуют покупателя. Безусловно, светодиодным источникам света принадлежит ближайшее будущее.

За пять лет, с 2016 по 2020, продажи led-ламп выросли в 2,2 раза и составили более половины полного количества проданных в 2020 году ламп.

Вот уже несколько десятилетий нам светят не только лампы, но и мониторы компьютеров. Мы сейчас не будем говорить о старых громоздких мониторах на основе электронно-лучевых трубок, а только о современных жидкокристаллических.

Качество картинки на ЖК-мониторе компьютера или ноутбука во многом зависит от тыловой подсветки монитора. А для подсветки используют либо люминесцентные лампы, либо белые светодиоды. В обоих случаях повышена интенсивность коротковолновой синей части спектра свечения, а в случае люминесцентной подсветки ещё и ультрафиолет присутствует. Дело усугубляется тем, что мы часами смотрим прямо в монитор, ничем не защищая глаза. А потом чувствуем их усталость, сухость и ощущение «песка в глазах», потерю чёткости изображения. Хуже того, воздействие синего света может привести к образованию катаракты или макулярной дегенерации сетчатки. Неслучайно число этих заболеваний последние годы возросло.

Для тех, кто много работает за компьютером, разработаны очки со специальным покрытием, отражающим сине-фиолетовую часть излучения экрана и немного снижающим его яркость.

Пульсации излучения подсветки тоже вносят свой негативный вклад. Коэффициент пульсации особенно возрастает при понижении яркости экрана. При этом лампа подсветки начинает светить с перерывами, то есть мерцать – так технологически проще и дешевле (это называется ШИМ – широтно-импульсная модуляция). К счастью, есть и мониторы без ШИМ: в них уменьшение яркости подсветки достигается уменьшением яркости свечения самой лампы. У таких мониторов иногда в описании есть надпись «Flicker-Free» (без мерцания).

Теперь, когда мы обсудили преимущества и недостатки доступных источников света, подумаем, как лучше организовать оптимальное освещение в своём доме. Главный принцип, на который мы должны опираться при этом, – не навреди. А самое опасное для зрения, особенно детского, – это когда много синего света и ультрафиолета.

Значит, первым делом проверяем, не остались ли в квартире старые люминесцентные лампы. Может, в ванной комнате, где мы обычно проводим полчаса перед сном? Нам ни к чему лишать себя гормона сна мелатонина из-за присутствующих в свете старых ламп синей и ультрафиолетовой составляющих. К тому же они наверняка сильно пульсируют из-за преклонного возраста.

Безусловно, самое безопасное для глаз решение – использовать в жилых комнатах старые добрые лампы накаливания (лучше максимально доступной мощности, а также галогенные). О цветопередаче тогда можно не беспокоиться, она практически идеальна, да и пульсации не опасны. Если это решение неприемлемо (например, из-за соображений экономии, а для жителей Европы и Америки оно просто недоступно), то покупаем лучшие светодиодные лампы тёплого света (с цветовой температурой не выше 3000 К) и каждую проверяем на пульсации с помощью камеры смартфона ещё в магазине. Надписям на упаковках доверять не стоит. И регулярно совершаем ревизию горящих в квартире ламп со смартфоном в руках. Свет пульсирует – зрение перенапрягается, глаза быстро устают, и нервная система расшатывается. Поскорее избавляемся от пульсирующих ламп, не экономим. И помним, что диммеры усиливают пульсации. Для ослабления света лучше выключим часть ламп. И не забываем, что утро надо начинать с минимальной освещённости.

Обратим также внимание на конструкцию светильников: они не должны слепить глаза. Лучше, если свет направляется на белый потолок, рассеиваясь, и равномерно освещает комнату. Неприемлемый вариант – яркие точечные светильники. Смотреть на яркий источник света – это прямой путь к разрушению зрения, особенно детского. А сколько раз приходилось наблюдать картину в магазине: малыш лежит в коляске и таращит глаза на точечные светодиодные светильники на потолке. Родители, будьте бдительны!

Отдельная забота – организация освещения рабочего стола. Светодиодные лампы, как уже говорилось, должны быть удалены от головы минимум на 30 см. Опять-таки самый безопасный вариант – лампа накаливания.

Итак, после всего сказанного в данной части книги мы убедились, что свет Солнца – видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный – активно воздействует на нас и совершенно необходим не только для зрения, но и для регуляции биологических ритмов. И пока что никакие искусственные источники света не могут полностью его заменить. Но наука продолжает развиваться, учёные пытаются не только совершенствовать светодиодное освещение, но и создать иные типы ламп, работающие на других физических принципах. Будем ждать и надеяться.

Часть 3
Электромагнитные поля и человек

Человек, как и всё живое, эволюционировал в тесной взаимосвязи с условиями окружающей среды. Мы уже обсудили, насколько тонко наше зрение и гормональная система настроены на состав солнечного света у поверхности Земли. Не менее удивительна наша связь с естественными электромагнитными полями. Но в современном мире эти поля почти полностью заглушены гораздо более сильными техногенными полями. Как это может отразиться на нашем здоровье? Об этом пойдёт разговор в третьей части книги.

Но сначала вкратце остановимся на некоторых физических законах, которым подчиняются все электромагнитные явления.

Глава 1
Законы электромагнетизма

Для начала хочется, чтобы вы прониклись уважением к электромагнитному взаимодействию, к этой фундаментальной силе природы.

Вся известная нам материя Вселенной построена из частиц, имеющих электрический заряд: протоны и нейтроны ядер сделаны из заряженных кварков; заряженные ядра, удерживающие вокруг себя заряженные электроны, образуют атомы. И хотя атомы сами по себе электронейтральны, их объединение в молекулы тоже связано с взаимодействием входящих в их состав зарядов. Благодаря электрическому притяжению молекул образуются жидкие и твёрдые вещества, то есть и мы с вами. Благодаря электрическому отталкиванию молекул вы не проваливаетесь сквозь землю или сквозь стул. Можно смело сказать: всё вещество видимого мира существует в привычных формах благодаря электрическим зарядам. Электрическое взаимодействие (правильнее сказать, электромагнитное, как мы поймём в дальнейшем) – это то фундаментальное взаимодействие, которое создаёт весь окружающий мир. Второе «слагаемое», формирующее мир, – это гравитация, соединяющая огромные массы вещества в космические тела. Но наши тела какое-то время могут существовать и без гравитации, а вот без электромагнитного взаимодействия – ни одного мгновения!

Что же такое электрический заряд? Мы до конца не понимаем этого. Можно только сказать, что это фундаментальное свойство, изначально присущее фундаментальным частицам материи, как им присуща масса. Благодаря этому свойству – заряду – частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии, законы которого физикам хорошо известны. Благодаря массе частицы участвуют в гравитационном взаимодействии.

Несколько слов о фундаментальных частицах материи. Согласно современной теории микромира – так называемой Стандартной модели – к фундаментальным (то есть не составным частицам), помимо кварков и электронов, относятся не имеющие заряда нейтрино, а также два более массивных «двойника» электрона – мюон и таон. К тому же у каждой фундаментальной частицы есть своя античастица. Но для построения атомов хватает протонов с нейтронами (состоящими из самых лёгких кварков) и электронов. Остальные частицы рождаются в ядерных реакциях внутри атомов и внутри звёзд, а затем распадаются. Только легчайшие нейтрино живут сколь угодно долго и пронизывают всю Вселенную.

Начнём с того, что есть заряд и антизаряд, но мы больше привыкли называть их положительным и отрицательным зарядами. При соединении равного количества заряда и антизаряда происходит их нейтрализация. Исторически сложилось так, что заряд электрона назвали отрицательным, а протона – положительным.

Одноименные заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются, причём сила взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Это закон Кулона. Математически он очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона. Но надо отметить, что электрическое взаимодействие гораздо мощнее гравитационного. К примеру, сила электрического отталкивания двух электронов больше силы их гравитационного притяжения на таком же расстоянии в 10⁴³ раз! У такого числа и названия-то нет. Поэтому электрическое взаимодействие доминирует «в масштабах человека», а гравитационное взаимодействие становится заметным только при огромной массе хотя бы одного из тел.

Самое древнее, известное ещё древним грекам электрическое явление – электризация трением. При этом мизерная доля лёгких электронов переходит с одного тела на другое; тела заряжаются разноимённо и притягиваются друг к другу. Это явление называют также статическим электричеством. Кстати, не обязательно что-то специально натирать, статический заряд часто появляется без нашего желания: шагаешь по синтетическим коврам, съезжаешь с пластиковой горки, снимаешь синтетическую рубашку или шерстяной свитер, выходишь из автомобиля, наливаешь бензин из канистры – рождается статический заряд. А поднесёшь потом руку к батарее или к другому человеку, и вот вам микромолния, то есть электрический разряд – кратковременный ток через воздушный промежуток между телами. Разряд статического электричества для человека в принципе не представляет особой опасности. Но он неприятен. А иногда и пожароопасен. Так, при заправке автомобиля бензином из пластмассовой канистры могут воспламениться пары бензина.

Из-за статического электричества предметы притягивают к себе пыль. Протрешь мебель сухой тряпкой – пыль тут же вернётся. Надо проводить влажную уборку, она снимает статический заряд с поверхности, и предмет становится ненаэлектризован на некоторое время.

Заряды чувствуют друг друга на расстоянии благодаря электрическому полю – особой материальной среде, возникающей вокруг каждого заряда. Первым об этом заговорил Майкл Фарадей в 1830 году, а ещё на сто лет раньше – российский физик Рихман, тот самый, который был убит молнией во время изучения грозы.

Электрические поля пронизывают буквально всё вокруг: они внутри атомов, между молекулами. Они окружают заряженные тела. Электрическое поле создаётся и самим земным шаром (об этом подробнее в следующей главе).

А что такое магнитное поле? Оказывается, когда заряды движутся, между ними возникает дополнительное, гораздо более слабое, взаимодействие. Если одноимённые заряды движутся в одну сторону, то будет дополнительное притяжение, в противоположные стороны – отталкивание. Это дополнительное взаимодействие движущихся зарядов называют магнитным взаимодействием. А так как оно очень слабое по сравнению с электрическим, то заметить его можно, либо когда заряды движутся очень быстро (почти со скоростью света), либо когда их очень много, причём положительных и отрицательных примерно поровну. Так, упорядоченным движением электронов среди положительных ионов кристаллической решётки обусловлено магнитное взаимодействие проводов с током.

Движущийся заряд создаёт вокруг себя не только электрическое поле, но ещё и «довесок» к нему – магнитное поле. Это просто установившийся способ описывать единое явление: поле вокруг заряда – электромагнитное поле. Электрическое поле действует на любой заряд, магнитное – только на движущий заряд. Разделение единого поля на электрическую и магнитную составляющие – дань исторической традиции.

В дальнейшем нам понадобятся количественные характеристики полей. Величину электрического поля характеризует его напряжённость (Е), единицей её измерения является вольт на метр (В/м). У магнитного поля есть разные характеристики и разные единицы их измерения, но чтобы не запутаться, мы будем использовать для его описания в этой книге магнитную индукцию (В), единицей измерения которой является тесла (Тл).

Электрическая напряжённость Е = 1 В/м – это небольшая величина. Когда возникает пробой воздуха при статическом разряде, напряженность в месте искры достигает трёх миллионов вольт на метр.

А вот магнитная индукция В = 1 Тл – это очень сильное магнитное поле. Такая индукция характерна для сильных постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях и генераторах. Магнитные поля от 1 до 3 Тл используются в медицине при МРТ (магнито-резонансной томографии).

Для понимания дальнейшего подчеркнём ещё раз: магнитное поле всегда возникает вокруг проводов с током. Все электрические приборы питаются током. Чем больше ток (то есть чем больше мощность, потребляемая электрическим прибором), тем более сильное магнитное поле он создаёт вокруг себя. Естественно, это поле с расстоянием убывает.

А откуда же берётся поле постоянных магнитов, ведь мы не пропускаем через них токи? Ещё Ампер в 1820 году догадался, что оно возникает от упорядоченных атомных микротоков, похожих на крохотные круговые виточки. Чтобы все микротоки были одинаково ориентированы, магнит надо намагнитить, поместив во внешнее магнитное поле. Способностью сильно намагничиваться обладают ферромагнетики: железо, кобальт, никель и редкоземельные металлы. При нагревании выше определённой температуры эти вещества теряют свои магнитные свойства.

Магнитное поле Земли, как предполагают, порождается круговым током, циркулирующим во внешнем жидком ядре из-за вращения Земли.

В наших телах тоже имеются свободные (способные куда угодно двигаться) заряды и токи. Носителями заряда являются нейроны, а в разных клетках организма и в крови присутствуют ионы металлов, в том числе железа. Все эти компоненты создают собственные электрические и магнитные поля, характерные для разных органов, и реагируют на внешние поля. Мы получаем информацию об электрической активности сердца с помощью электрокардиограмм, мозга – электроэнцефалограмм. Много информации о сердце и мозге могут дать магнитограммы.

Более ста лет физики не знали, что же представляет собой эта таинственная субстанция – электромагнитное поле, – хотя прекрасно изучили законы, которым оно подчиняется. В середине XX века квантовая электродинамика раскрыла тайну электромагнитного поля: оно состоит из «супа» виртуальных фотонов и виртуальных электронно-позитронных пар, непрерывно рождающихся и исчезающих в пространстве вокруг заряженной частицы.