Источники света (версия Миг)

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Облако, окутанное лучами Солнца — главного источника тепла и света на Земле

Источник света — светящийся объект, излучающий энергию в световом диапазоне.

Природа и свойства источников света[править]

Природа возникновения света[править]

Излучение фотона света при переходе атома с зарядом ядра +Ze с третьего энергетического уровня во второй. ---- До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Начиная с 30-х гг. ХХ века широкое распространение получили газоразрядные источники света, в которых используется излучение электрического разряда в разреженных инертных газах или в парах различных металлов, особенно ртути. Они относятся к люминесцентным источникам света (или к источникам света смешанного излучения, т. е. люминесценции и теплового). Флуоресцениция и её частный случай, люминесценция, в зависимости от возбуждающего начала, или от физической природы подразделяются на виды:

Установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и может иметь лишь определённые значения, свой набор величин для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10−8 секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные — возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии — фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

\(E=h \nu_{nm}\),

где h — постоянная Планка, а νnm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней: \(\nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}\)

Нагретое до определённой температуры вещество начинает излучать свет. Неважно, будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или Солнце, у которого температура на поверхности составляет тысячи градусов.

С ростом температуры тела излучение дополняется всё более высокими частотами. Таким образом, излучение тела, нагретого до нескольких тысяч градусов, будет представлять сплошной спектр: от инфракрасного до ультрафиолетового.[1]

См. также: Корпускулярно-волновой дуализм, Вынужденное излучение

Интенсивность света[править]

Любой источник света характеризуется своей интенсивностью — средним по времени значением величины вектора Пойнтинга.

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов: $$ \mathbf S = \frac {c}{4 \pi} [ \mathbf E \times \mathbf H]$$(в системе СГС), $$ \mathbf S = [ \mathbf E \times \mathbf H]$$(в СИ),

где:

E — вектор напряжённости электрического поля,
H — вектор напряжённости магнитного поля.

При этом термин магнитное поле применяется к двум различным векторным полям, обозначаемым как \(\mathbf{H}\) и \(\mathbf{B}\).

Интенсивность источника света характеризуется своим средним по времени значением величины вектора Пойнтинга:

\(I=|\vec{S}|=|[\vec{E}\times \vec{H}]|\)

Откуда, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электомагнитного поля: \(I \sim E_0^2 \sim B_0^2\)

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

\(I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2}\),

где \(\varepsilon_0\) — диэлектрическая постоянная, \(c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}\) — электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме), \(\sqrt{\varepsilon \mu}\) — коэффициент преломления среды, \(\mu\) — магнитная проницаемость вещества, \(\varepsilon\) — диэлектрическая проницаемость вещества.

Математическое представление[править]

Термин магнитное поле применяется к двум различным векторным полям, обозначаемым как \(\mathbf{H}\) и \(\mathbf{B}\). Величина \(\mathbf{H}\) называется напряженностью магнитного поля. Термин «магнитное поле» исторически относится к \(\mathbf{H}\), в то время как \(\mathbf{B}\) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция \(\mathbf{B}\) является основной[2][3][4] характеристикой магнитного поля, так как, во-первых, именно она определяет действующую на заряды силу, а во-вторых, векторы \(\mathbf B\) и \(\mathbf E\) на самом деле являются компонентами единого тензора электромагнитного поля. Аналогично, в единый тензор объединяются величины \(\mathbf H\) и электрическая индукция \(\mathbf D\). В свою очередь, разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное является совершенно условным и зависящим от выбора системы отсчёта, поэтому вектора \(\mathbf B\) и \(\mathbf E\) должны рассматриваться совместно.

Моделирование источников света в виртуальных пространствах[править]

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх, выделяют три основных вида источников света:

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными моделями затенения, например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.[5]

Типы источников света[править]

По своей природе источники света подразделяются на искусственные и естественные.

Естественные источники света[править]

Искусственные источники света[править]

Стандартные источники света[править]

Пламя[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Пламя

Лампы с нитью накаливания[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Электрический свет
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Лампа накаливания
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Галогенная лампа

Электродные газовые лампы[править]

Флюоресцентные газоразрядные лампы[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Ртутная лампа

Светодиоды[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Светодиод

Лазеры[править]

Лазеры дают когерентные световые пучки высоких интенсивностей, исключительной однородности по частоте и острой направленности.

Некоторые характеристики источников света[править]

Источник света
Потребляемая мощность Световой поток
Группа Тип Ватт lm/W (min) lm/W (типовое) lm/W (max)
Пламя Свеча ca. 50 (Wärmeleistung) 0,1
Керосиновая лампа 0,2
Пламя + Ауэровский колпачёк Мощные лампы bis 1000 (тепловая мощность) 5,0
Светодиод Синий 0,05 bis >1 1,0 8,5 16,0
Красный 0,05 bis >1 5,0 47,5 90,0
Белый, Entwicklungsziel der EU 0,05 bis >1 200,0
Светодиод + люминофор Белый (синий + люминофор) 0,05 bis >1 1,0 50,5 150,0[6][7]
Лампы накаливания лампа накаливания 230V 5 5,0
лампа накаливания 230V 25 9,2
лампа накаливания 230V 40 10,0 10,0 10,3
лампа накаливания 230V 60 11,5 12,0 12,5
лампа накаливания 230V 75 12,4
лампа накаливания 230V 100 13,8 14,5 15,0
галогенная лампа 230V 100 16,7
галогенная лампа 230V 500 19,8
галогенная лампа 230V 1000 24,2
галогенная Niederspannung 50 20
галогенная 12 V (KFZ, real 13,8V) 55 27,0 27,5 28,0
Газоразрядные лампы + Люминофор Компактные люминесцентные лампы 5 45,0
Компактные люминесцентные лампы 23 40 60 80
Компактные люминесцентные лампы 26 70
Компактные люминесцентные лампы 70 75
Leuchtröhre, auch als Kaltkathode oder CCFL bezeichnet 11 50 55 60
Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel) 36 60 75 90
Leuchtstofflampe inkl. konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel) 55 40 50 59
Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) 36 80 95 110
Leuchtstofflampe inkl. elektronischem Vorschaltgerät (EVG) 50 58 68 79
Induktionslampe
(Elektrodenlose Leuchtstoffröhre mit induktiver Speisung)
80
Газоразрядные Ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления в видеопроекторах 100-300 10,0 22,5 35,0
Ксеноновые газоразрядные лампы (лампы высокого давления для кинопроекторов) mehrere Kilowatt 47
Металлогалогенные лампы [8] 35 bis >1000 70 94 106
Ртутная лампа высокого давления (HID)[9] 50 55 60
Тлеющий разряд, безлюминесцентные 8
Ксеноновая дуговая лампа 30 50 150
Ртутно-ксеноновые дуговые лампы (автомобильные фары) 35 50-80 52-93 106[10]
Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками 50 36
Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками 400 60
лампы типа галоген-пары металла (HCI, HQI) 250 93 100 104
Натриевые лампы высокого давления ab 50 150
Натриевые лампы низкого давления ca. 80 150 175 200
Серная лампа 1400 95
Газоразрядные трубки Натриевые лампы высокого давления 35 - 1000 W 120 140 150
теоретический световой поток тепловое излучение, 6600 K[11] 95
белый, 410–705 nm 240
зелёный, 550 nm 683

См. также[править]

Примечания[править]

  1. Г.С. Ландсберг Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 12-е изд.. — М.: Физматлит, 2001. — 656 с. — ISBN 5-9221-0138-2>
  2. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Sivuhin не указан текст
  3. При рассмотрении задач не на микроскопическом масштабе, а на т. н. физически бесконечно малом масштабе (ФЭ,Л-М.у.)
  4. [1]
  5. Д. Роджерс Алгоритмические основы машинной графики = Procedural elements for computer graphics ‭. — пер. с англ.. — М.: Мир, 1989. — ISBN 5-03-000476-9,0-07-053534-5 (англ.)>
  6. белый светодиод 150 lm/W. Шаблон:Internetquelle
  7. weiße Leuchtdiode mit 136 lm/W: OSRAM Opto Semicondcutors: [2] 21. Juli 2008
  8. laut Osram
  9. nach Osram
  10. angeblich bei 50 W erreicht, Quelle
  11. The Great Internet Light Bulb Book, Part I

Литература[править]

  • Иванов А. П., Электрические источники света, ч. 1—2, М.—Л., 1938—48
  • Шателен М. А., Русские электротехники второй половины XIX века, М.—Л., 1950

Внешние ссылки[править]

Источники света (искусственного и естественного)
Источники искусственного света Источники естественного света
Вид излучения Название источника Вид излучения Название источника
Накаливания Лампа накаливанияГалогенная лампа Солнечное Солнце ([Видимый [свет]] • ИКУФ)
Флуоресцентные Люминесцентная лампаИндукционная лампаРтутная лампаЛампа чёрного света Лунное и других небесных тел свет планет, свет комет Луна (отражённые лучи солнца), планета, комета
Газоразрядные Лампы высокой интенсивностиНеоновая лампанатриевая газоразрядная лампаКсеноновая лампа-вспышкаГазосветные лампы Вулканическое Лава (Излучение расплавленных подземных пород при извержении вулкана)
Электродуговые Дуговая лампаКсеноновая дуговая лампаСвеча ЯблочковаМеталгалогенидная лампа Свечение Атмосферное Полярное сияние(свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра)
На сгорании Ацетиленовые лампыСвечиГазовая лампаКеросиновая лампаДруммондов светМасляные лампыЛучинаФакел Атмосферные электрические разряды Молния
Прочие Серная лампаСветодиоды (светодиодная лампаОрганический светодиод) Свет пожаров Лесной пожар,
Люминесценции ХемилюминесценцияРадиолюминесценцияСонолюминесценция Свет люминесценций в природе БиолюминесцентияХемилюминесценция
Осветительное оформление ПрожекторЛюстраТоршерБраЛампочка ИльичаMR16Фонарь (УличныйКарманный) • Взрывобезопасная лампаПлазменная лампаЭлектролюминесцентный проводЛавовая лампаОптическое волокно Свечение окисляющихся органических объектов и минералов Светящиеся браслетыАлмазХрустальКварц и др.