Беседы о физике и технике
Шрифт:
Искусственно приготовленные синтетические неорганические вещества, имеющие кристаллическую структуру и способные светиться под действием внешнего источника возбуждения, называют кристаллофосфорами. Их свечение столь своеобразно, а значение для техники так велико, что его следует рассмотреть более подробно.
КОГДА ПОЯВИЛИСЬ ПЕРВЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ?
В конце XIX в. В это время в Англии для освещения жилищ пытались применять газоразрядные трубки. В трубки были впаяны металлические электроды, воздух из них откачивали, а перед запайкой в них впускали небольшое количество какого-либо газа: кислорода, оксидов азота, углекислого газа, неона,
Однако такие осветители для бытовых нужд не годились, потому что требовали высокого напряжения (до 30 тыс. В), они не безопасны для жизни, сильно мерцали, имели свет, непривычный для глаз.
Подобные газоразрядные трубки используют и до настоящего времени для рекламы или сигнализации. Если трубку заполнить неоном, то она светится красным светом, аргоном — голубым.
При смешении газов в разных пропорциях и при разных давлениях можно получать самые разнообразные цвета. Хотя газоразрядные трубки весьма экономичны по сравнению с обычными лампами накаливания, но их мерцающий свет неудобен для освещения.
Примерно 50 лет назад появились новые источники «холодного» света — ртутные лампы, в которых излучение газов заменялось излучением паров ртути. Они не требовали высокого напряжения — достаточно было напряжения городских электростанций (127 или 220 В).
Волосок в ртутной лампе в отличие от волоска обычной электролампочки покрыт тонким слоем бария, который при небольшом нагревании легко теряет электроны. Вылетевшие электроны возбуждают атомы ртути и они начинают испускать синевато-зеленый свет. Однако свет их непривычен: лица людей при этом свете кажутся зелеными, а губы — черными. Эти лампы испускают сильное ультрафиолетовое излучение, под действием которого начинают светиться окружающие тела, а также зубы, волосы, хрусталик глаза, ногти и даже кожа человека, а помещение кажется наполненным голубоватым туманом.
Несмотря на указанные недостатки ртутных ламп, не позволяющие применять их для бытового освещения, они помогли разрешить главную проблему освещения: создать источники света, дающие излучение, близкое по спектральному составу к лучам Солнца, т. е. люминесцентные лампы.
Обилие ультрафиолетового излучения, даваемого ртутными лампами, делают последние незаменимыми в медицине. Изготовленные не в стеклянном, а в кварцевом баллоне, они именуются кварцевыми лампами (сокращенно просто «кварцем») или «горным солнцем».
А ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЮТ ЛАМПЫ ДНЕВНОГО СВЕТА.
В настоящее время наша промышленность выпускает лампы «дневного», «белого» и «тепло-белого» света.
Лампы дневного света испускают свет, по составу близкий к тому, который мы наблюдаем на открытом месте в облачный день, лампы «тепло-белого» света дают более мягкий, близкий к свету в вечернее время.
Люминесцентные лампы значительно экономичнее ламп накаливания. Они дают света в 4–5 раз больше, чем лампы накаливания той же мощности, и служат в 3–6 раз дольше обычных электрических лампочек.
КАК РАБОТАЕТ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА?
Современная люминесцентная лампа представляет собой газоразрядную трубку, не содержащую воздуха, но наполненную парами ртути. Внутренние стенки трубки покрывают тонким слоем люминофора, придающего трубке матовый цвет.
При работе лампы температура ее стенок не превышает 40–50 °C. Для облегчения разряда в лампу (рис. 54) вводится небольшое количество аргона. С обеих сторон трубки 2 имеются электроды 4, представляющие собой металлические спирали, по которым при зажигании лампы через стартер 1 пропускается переменный ток, накаливающий эти спирали. Электроны, испускаемые разогретыми спиралями, ускоряются электрическим полем и возбуждают пары ртути и аргона.
Рис. 54. Простейшая
1 — пусковой стартер, 2 — стеклянная трубка, 3 — слой люминофора, 4 — электроды, 5 — дроссель, 6 — источник переменного напряжения (220 В)
Переменный ток, которым мы питаем лампу, меняет свое направление 50 раз в секунду. Поэтому электроды в трубке становятся то катодом, то анодом. Ударяясь об электроды, электроны дополнительно разогревают их. И через 1–2 с оба электрода так нагреваются, что дальнейший их разогрев электрическим током не является необходимым. В этот момент прекращается подача тока стартером на разогревание электродов, и ток теперь идет не по спирали электродов, а прямо через трубку от одного электрода к другому. Возбужденные атомы аргона и ртути при переходе в основное невозбужденное состояние испускают в основном ультрафиолетовое излучение. Оно попадает на кристаллы люминофора 3 (кристаллофосфора), находящиеся на внутренней поверхности трубки, и заставляют их испускать видимый свет, ярко освещающий пространство вокруг лампы.
В качестве покрытия применяют различные люминофоры. Это галофосфаты — соединения типа апатитов, активированных сурьмой и марганцем; фосфоры, состоящие из силикатов цинка и бериллия, активированных марганцем, и др.
От количества тех или иных химических элементов в люминофоре, от самого химического состава люминофора будет зависеть прежде всего тот или иной тип дневного света.
ГОВОРЯТ, ЧТО НА ЛАМПЫ ДНЕВНОГО СВЕТА СМОТРЕТЬ НЕЛЬЗЯ?
Всегда необходимо помнить, что непосредственное наблюдение любого источника света приводит к резкому утомлению глаз, и это, безусловно, вредно. Хотя люминесцентные лампы имеют сравнительно невысокую поверхностную яркость (~ 1•104 нит), все же недопустимо располагать их в открытом виде на уровне глаз. Их следует группами помещать в закрытые светильники; это предохранит глаза от переутомления и обеспечит равномерную цветность. Напомним, что наименьшая яркость, воспринимаемая глазом, составляет 1•10– 6 нит, а наибольшая, вызывающая болезненные ощущения, — около 105 нит (металлический волосок лампы накаливания дает яркость в (1,5–2)•106 нит, поверхность Солнца — 1,5•109 нит, а поверхность экрана в кинотеатре — около 20 нит). При люминесцентном освещении также недопустима и низкая освещенность помещений и рабочих мест, так как она соответствует освещенности в пасмурную погоду, что отрицательно влияет на нервную систему и, следовательно, уменьшает производительность труда.
ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ КРАСКИ ТОЖЕ ОТНОСЯТСЯ К НАШЕМУ РАЗГОВОРУ?
Конечно. Люминесцентные порошки, возбуждаемые ультрафиолетовыми лучами, используют для создания декораций и картин особого вида живописи — декоративной живописи. При освещении скрытыми от зрителей источниками ультрафиолетового излучения — ртутными лампами — краски начинают светиться и переливаться различными цветами.
Чтобы зрителям не был виден синевато-зеленоватый цвет подсветки, ртутные лампы-прожекторы прикрывают светофильтрами — темными стеклами, содержащими оксид никеля. Такие стекла не пропускают видимого света, но хорошо пропускают невидимое ультрафиолетовое излучение.