МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»

на тему:

„Источники света от ламп накаливания до светодиодов“.

Выполнил: студент группы Э-21:

                                                                                                         Воронин Н.А.

Руководитель преподаватель:

Черкасова И.Е.

Балашов 2016 г

Содержание

1  Немного истории.

     Изобретение электрической лампочки является одним из величайших открытий в истории человечества, имевшее огромное значение. Это привело к перевороту в области энергетики, крупнейшим сдвигам в промышленности, всеобщей электрификации. Сегодня трудно найти уголок в мире, где бы не было электричества, оно стало неотъемлемой, обязательной частью жизни любого цивилизованного человека. Однако, на вопрос о том, кто первым изобрел электрическую лампочку нельзя дать однозначный ответ. Петров, Деви, Фуко, Яблочков, Эдисон, Лодыгин, Сван и еще много изобретателей, которые приложили свой талант, ум и труд к данному изобретению.

 Процесс изобретения лампочки был довольно сложным. В XIX веке получили распространение пара типов электрических ламп, наиболее распространенные из них: дуговые и лампы накаливания. Дуговые лампы появились раньше, их работа основана на таком явлении, как вольтовая дуга. Если к сильному источнику света подключить две проволоки, соединить, а потом раздвинуть их на несколько миллиметров, то между концами проводников возникает яркий свет. Такое же свечение, но более яркое, будет наблюдаться, если вместо металлических проводов использовать два хорошо заостренных угольных стержня.

       В 1803 году российский ученый В. Петров первым открыл явление вольтовой дуги, в 1810 году английский ученый Деви сделал такое же открытие. Оба пришли к выводу, что вольтовую дугу можно использовать для освещения.

Однако было и много неудобных моментов: стержни из древесного угля были непрактичны, из-за того, что сгорали практически за несколько минут, да и электроды нужно было постоянно продвигать навстречу друг к другу по мере их сгорания. Если не соблюдать минимально допустимое расстояние между ними, то свет тускнеет и гаснет. Необходим был механизм-регулятор, который бы поддерживал между электродами постоянное расстояние. Последовал ряд интересных предложений, однако их недостатком являлся тот факт, что нельзя было включить в одну цепь несколько ламп. В 1856 году А. И. Шпаковский изобрел осветительную установку, включающую 11 дуговых ламп с оригинальными регуляторами. Она освещала Красную площадь при коронации Александра II. Другой русский ученый В. И. Чиколев снабдил дуговую лампу дифференциальным регулятором, который был использован и используется до сих пор в мощных морских прожекторах и  прожекторных установках. В 1876 году русским электротехником П. Н. Яблочковым была изобретена надежная и простая по конструкции дуговая лампа. Свои работы он начал еще в России, однако из-за финансового краха предприятия Яблочков уехал в Париж, где продолжает свои работы в знаменитой мастерской академика Бреге. Конструкция созданной Яблочковым свечи была проста, состояла из двух угольных стержней, расположенных параллельно и разделенных изолирующим слоем каолина (глины), укрепленных на подставке, напоминающей подсвечник. Поджигала дугу тоненькая угольная перемычка, расположенная наверху между электродами, сгоравшая в момент включения. Электрод со знаком «плюс» сгорал быстрее, поэтому при использовании постоянного тока его делали толще. Гениальным решением проблемы явилось использование  генератора переменного тока, который изготовил Грамм именно для Яблочкова. В 1876 году свечи Яблочкова были представлены на выставке в Лондоне и привлекли к себе внимание общественности и огромный интерес. В 1877 году лампы Яблочкова освещали самые посещаемые места в Париже (Авеню-дель-Опера и магазин «Лувр»). Изобретение П. Н. Яблочкова сыграло основную главную роль в переходе  от экспериментов и опытов к массовому освещению электричеством, началось триумфальное шествие «Русского света» по всему миру. Завоевав за два года Старый свет, свеча Яблочкова получила распространение и на Востоке. Однако, главным недостатком свечи Яблочкова была ее недолговечность, т. к. угли в ней сгорали очень быстро. Постепенно свечу Яблочкова начинает вытеснять более дешевая, надежная и долговечная лампа накаливания.

Первая лампа накаливания изобретена русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным. В качестве нити накаливания он применил угольный стержень, который поместил в вакуумный сосуд. На свое изобретение летом 1874 года Лодыгин получил патент. Но на этом он не остановился. Александр Николаевич продолжил свои исследования, работая над тем, чтобы использовать тугоплавкие металлы в качестве нити накаливания.

Спустя год, Василию Федоровичу Дидрихсону удалось усовершенствовать лампу Лодыгина, тем самым продлив срок ее службы. Он предложил откачивать воздух из сосуда, а также использовать не одну, а несколько нитей накаливания.

Параллельно с Лодыгиным работу в этом же направлении вел и известный американский изобретатель Томас Эдисон

           В 1879 году американский изобретатель Эдисон занялся усовершенствованием электрической лампочки.

Чтобы лампа имела ровный, яркий, немигающий свет и служила долго, Эдисон путем многочисленных экспериментов стремился найти подходящий материал для нити, а также научиться создавать сильно разреженное пространство внутри баллона. После многочисленных опытов он нашел наиболее подходящий материал — из обугленных бамбуковых волокон и в этом же году Эдисон в присутствии трех тысяч человек продемонстрировал первую электрическую лампочку с большим сроком службы. Так как изготовление бамбуковых нитей достаточно дорого, то Эдисон предложил изготавливать нити из специально обработанных волокон хлопка. Из лампочки с помощью ртутного насоса выкачивали воздух, запаивали, а затем для вкручивания в патрон насаживали на цоколь с контактами. Это была первая лампочка, ставшая пригодной для массового производства, срок службы которой составил 800-1000 часов. Такие лампочки изготавливались почти тридцать лет, однако будущее было за лампочками с металлической нитью, которые станут выпускать лишь в XX веке. Именно Эдисон придумал цоколь и патрон, а спустя некоторое время наладил производство лампочек по цене два с половиной доллара за штуку.

       Лодыгин, продолжая работать с тугоплавкими металлами, создает лампочку с вольфрамовой нитью накаливания. В 1906 году компания «General Electric» покупает у него патент на это изобретение. Спустя три года сотрудник компании Ирвинг Ленгмюр добился увеличения времени работы вольфрамовой нити путем наполнения лампы аргоном. Чуть позже американский физик Уильям Дэвид Кулидж смог усовершенствовать метод изготовления вольфрамовой нити. Все эти изобретения в комплексе позволили лампе с вольфрамовой нитью накаливания постепенно завоевать весь рынок и вытеснить конкурентов.

2  Эпоха ламп накаливания и не только.

Лампы накаливания.

Современная лампа накаливания, несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле воплощает в себе множество изобретений и открытий. Для изготовления спирали накаливания в настоящее время кроме дорогостоящего вольфрама используют осмий или их соединение. Колба перестала быть просто вакуумной – очень часто ее стали заполнять инертным газом (аргон, криптон, ксенон и).

Подобное решение позволило устранить давление атмосферы на вакуумированную колбу, а также увеличить суммарную продолжительность работы лампы. Дело в том, что электрический ток, проходящий по вольфрамовой спирали, вызывает ее нагрев и свечение. При нагреве до столь высоких температур (до 2900°С) в безвоздушной колбе вольфрам начинает интенсивно испаряться и оседать на стекле. Стекло постепенно теряет прозрачность, и интенсивность светоотдачи уменьшается, а продолжительность работы нити падает. 
Все мы знаем, как неприятно смотреть на яркий свет прозрачной лампы накаливания, поэтому промышленностью выпускаются не только прозрачные колбы, но и матовые. Благодаря этому, свет получается немного рассеянным и более мягким, хотя при этом незначительно теряет в интенсивности. Выбор качественной лампы накаливания – не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. У многих в домах до сих пор горят лампочки с пятилетним и более стажем работы, а бывает, что совсем недавно купленная лампа перегорает. Устройство обыкновенной лампы накаливания показано на рисунке:

где: 1 — стеклянная колба; 2 — наполненная инертным газом полость колбы; 3 — спираль накаливания; 4, 5 — электроды; 6 — дополнительные опоры спирали; 7 — стеклянная ножка; 8 — внешний токопровод; 9 — цоколь; 10 — изолятор цоколя; 11 — нижний контакт цоколя.

Галогенные лампы накаливания.

      Добавление галогенов в колбу лампы накаливания и использование кварцевого стекла позволили сделать серьезный шаг вперёд, получив новый класс источников света — галогенные лампы накаливания. Световая отдача современных ГЛН составляет 30 лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры 3000К и индекс цветопередачи 100. «Точечная» форма источника света с помощью отражателей даёт управлять пучком света.

Получающийся при этом искристый свет определил приоритет таких ламп в интерьерном дизайне, где они заняли лидерство. Ещё одно преимущество в том, что количество и качество света лампы постоянно на протяжении срока службы. Популярны низковольтные «галогенки» мощностью 10–75 Вт с отражателем, который фокусирует луч в угле 10–40°.

      Недостатки ГЛН очевидны: малая световая отдача, короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов), необходимость использования (для низковольтных) понижающих трансформаторов. Там, где эстетический компонент важнее экономического, с ними приходится мириться.

Люминесцентные лампы.

       Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, которая наполнена инертным газом и малым количеством ртути. При включении в трубке возникает дуговой разряд, и атомы ртути начинают излучать видимый свет и ультрафиолет. Нанесённый на стенки трубки люминофор под действием ультрафиолетовых лучей излучает видимый свет.

Основа светового потока лампы — излучение люминофора, видимые линии ртути составляют лишь малую часть. Многообразие люминофоров (смесей люминофоров) позволяет получить источники света с различным спектральным составом, который определяет цветовую температуру и индекс цветопередачи.

       Люминесцентные лампы дают мягкий, равномерный свет, но его распределением в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура. Лампы долговечны — срок службы до 20 000 часов.

        Световая отдача и срок службы сделали их самыми распространёнными источниками света в офисном освещении.

Компактные люминесцентные лампы

Развитие люминесцентных ламп привели к созданию компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Это источник света похожий на миниатюрную люминесцентную, иногда с встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и резьбовым цоколем Е27 (для непосредственной замены ламп накаливания), Е14 и др.

Различие заключается в уменьшенном диаметре трубки и использовании другого типа люминофора. Компактная люминесцентная лампа может с успехом заменить лампы накаливания.

Разрядные лампы высокого давления.

Последние разработки позволяют использовать для освещения разрядные лампы высокого давления. По ряду показателей подходят металлогалогенные (МГЛ). У этих ламп во внешней колбе размещается горелка с излучающие добавки. В горелке присутствует некоторое количество ртути, галоген (чаще йод) и атомы химических элементов (Tl, In, Th, Na, Li и др.).

Сочетание излучающих добавок достигает интересных параметров: высокая световая отдача (до 100 лм/Вт), отличная цветопередача Rа=80–98, диапазон Тцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы до 15 000 часов. Для работы этих ламп требуется пускорегулирующие аппараты и специальные светильники. Рекомендуется использовать эти источники для освещения помещений с большой площадью, с высокими потолками, просторных залов.

Светодиодные лампы.

Светодиоды — полупроводниковые светоизлучающие приборы, называют источниками света будущего. Если говорить о современном состоянии «твердотельной светотехники», можно утверждать, что она вышла из периода младенчества. Достигнутые характеристики светодиодов (световая отдача до 140 лм/Вт, Rа=80–95, срок службы 70 000 часов) уже обеспечили лидерство во многих областях.

Диапазон мощностей светодиодных источников, реализация в лампах разных типов цоколей, управление лампами позволили в короткий срок удовлетворить растущие требования к источникам света. Главными преимуществами светодиодов остаются компактные размеры и управления цветовыми параметрами (цветодинамика).

4  За и против светодиодных ламп.

Достоинства.

Основное преимущество светодиодных ламп – их экологичность, ведь конструкция светодиодных ламп не предполагает наличия в них каких-либо вредных или опасных для здоровья человека веществ. Другим не менее важным плюсом нового типа ламп является отсутствие мерцания с заметной для человеческого глаза частотой, которое присуще люминесцентным лампам. Это преимущество позволяет использовать светодиодные лампы для освещения вращательных механизмов и других мест, где применение в качестве освещения люминесцентных ламп небезопасно или вызывает быстрое уставание глаз.

Светодиодные лампы питаются постоянным током, поэтому мерцание у них отсутствует. Для максимально естественного и природного восприятия глазом человека окружающего пространства необходимо, чтобы источник света обеспечивал качественную цветопередачу. В этом компоненте люминесцентные лампы уступают светодиодным, ведь спектр излучения последних максимально приближен к натуральному, в то время, как свет от люминесцентной лампы кажется «мертвым», ненатуральным и заставляет глаза неправильно воспринимать некоторые цвета и оттенки.

Итак, преимущества светодиодных ламп в сравнении с лампами накаливания:

-более высокая световая отдача (до 150 Лм/Вт);

-в 5-10 раз меньшее энергопотребление;

- длительный срок службы (30-100 тысяч часов);

-устойчивость к ударам и вибрации; независимость световой отдачи и срока службы от напряжения;

-не представляют пожарной опасности. а также преимущества светодиодных ламп в сравнении с люминесцентными лампами: экологичность (отсутствие ртути и других вредных веществ);

-отсутствие мерцания с заметной для человеческого глаза частотой; качественная цветопередача (спектр от теплого белого до холодного белого); - более длительный срок службы (30-100 тысяч часов);

- малая инерционность (включается сразу на полную яркость); простота конструкции (не нуждается в статоре и других вспомогательных элементах);

-независимость срока службы от количества циклов включения-выключения; безопасность (работает на низком напряжении и не нагревается выше 60 градусов Цельсия); нечувствительность к низким и очень низким температурам.

Недостатки.

Сферы применения светодиодных ламп - это помещения без длительного пребывания человека.

Светодиодные лампы относятся к группам высокого риска

Исследования по вредному воздействию светодиодных ламп на зрение человека

Французское национальное агентство санитарной безопасности питания, окружающей среды и труда (Anses) пришло к выводу, что светодиодные лампы вредны для глаз, в первую очередь, детских, сообщает агентство Франс Пресс.

Anses опубликовало первую часть результатов своей экспертизы воздействия таких лампочек, становящихся все более популярными благодаря высокой энергоемкости и возможности их длительного использования.

"Всего за несколько месяцев количество используемых населением светодиодных ламп возросло молниеносными темпами", – заявил Доминик Гомбер (Dominique Gombert), руководитель отдела оценки рисков Anses.

Для получения белого света в светодиодных лампах используются голубой диод со световыми волнами, схожими по своим свойствам с ультрафиолетовыми, и желтый диод.

"Это – наиболее простая и наименее дорогая технология, применяемая в 90% случаев", – отмечает Гомбер.

Именно голубой свет несет риск для глаз, в первую очередь, для сетчатки, очень чувствительной к ультрафиолетовому свету. Разные пигменты, присутствующие в фотоэлементах такого света, могут вызвать реакцию, лежащую в основе окислительного стресса.

Как правило, подобный фотохимический риск возникает после интенсивного повторяющегося воздействия светодиодного излучения в течение длительного времени.

"Дети особенно подвержены подобному риску, так как их кристаллики еще находятся в стадии развития и пока не способны эффективно справляться со своей ролью, заключающейся, в частности, в фильтрации света", – отмечает Anses.

Голубой свет, используемый в светодиодных лампах, может обострить протекание часто возникающей с возрастом макулодистрофии, а также ухудшить зрение людей, повышенно чувствительных к свету в связи с наличием у них кожных болезней, проходящих медикаментозное лечение или подверженных алкоголизму.

Кроме того, излучение светодиодных ламп более сильное, чем излучение ламп других типов. "Подобное излучение нового типа может привести к тому, что глаз будет подвергаться воздействию света, почти в 1000 раз превышающему классическое излучение, и возникнет риск слепоты", – полагают специалисты агентства. Anses призывает производителей светодиодных ламп снабдить свою продукцию инструкциями с правилами безопасности и направлять на рынок лампочки только малой мощности.

Почему светодиодный свет вреден для зрения?

Ученые выяснили, что вредное воздействие на органы зрения оказывает не все излучение светодиода в целом, а только синяя и фиолетовая составляющая спектра, имеющее наименьшую длину волны и соответственно большую частоту и большую энергию. Испанские ученые, проводившие такие исследования, опубликовали свои отзывы в журнале Seguridad y Medio Ambiente. Основными результатами этой исследовательской работы являются следующие утверждения:

Светодиодные источники света могут нанести непоправимый вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза.

Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет светодиода

Излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов:

1. Фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии),
2. Фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки)
3. Фотохимические (фотоны света могут вызывать химические изменения в макромолекулах)

Зеленый и белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не обнаружено.

Результаты исследования говорят о том, что смотреть на яркую светодиодную лампу противопоказано. Таким образом, вред светодиодных ламп для глаз состоит в негативном воздействии на сетчатку глаза. Однако большинство ведущих производителей снабжают лампы рассеивателями, либо хорошие люстры имеют плафоны, которые дают мягкий рассеянный свет, польза которого намного выше.

Список использованных источников.

1     www.ecostroy-ural.ru

2     www.electrik.info

3     www.electricvdome.ru

4     www.svetberry.ru

5     https://ru.wikipedia.org