Исторический экскурс «От лучины до электрической лампочки»

Самый первый источник света был совсем простым: горел в пещере человека костер, играя неяркими отблесками пламени на стенах. Огонь добывался нелегким путем, поэтому он считался святым, ему поклонялись, как богу. День, когда в первой первобытной пещере был разведен костер, можно считать днем рождения искусственного освещения и — без особого преувеличения — началом эры развития светотехники как таковой.

Рис. 44. Освещение древнего жилища переносным факелом	Рис. 45. Образцы масляных ламп. Внизу слева — сосуд для хранения и заправки ламп маслом

Научившись относительно безопасному обращению с огнем, люди неизбежно задумались над тем, как сделать его более удобным для освещения. Свет стал более компактным и мобильным: появились переносные и настенные факелы (рис. 44).

В Древнем Египте использовали для освещения масло. Такой светильник был устроен следующим образом: представьте метровой высоты колонну из песчаника. В выдолбленные сверху отверстия вставляли сосуды с горящим маслом. Особой красоты в светильнике 5 тысяч лет назад еще нет. Следом за Древним Египтом такие светильники стали использовать в Древней Греции и в Древнем Риме. Здесь впервые стали заботиться о красоте светильников. По сути, это были самые настоящие лампы. Масло горело в закрытых глиняных или бронзовых сосудах с проделанными в них отверстиями для «выхода» света. Форма была разной (звериная голова с лапами, чаша и др.).

Рис. 48. Дуговая лампа с регулятором

Рис. 46. Колпачок Ауэра — источник дополнительного света

Рис. 47. В.В. Петров — впервые получил электрическую дугу

В русских деревнях издавна использовали для освещения лучину — тоненькую горящую щепочку. Лучина быстро сгорала, то и дело приходилось заменять ее на новую. А уж копоти от нее! Поэтому люди продолжали работать над созданием других источников света.

Более ста лет назад для освещения помещений использовали свечи: сальные, восковые, парафиновые и стеариновые. Свет от свечи был ярче. Она не так коптила, как лучина.

Каких только светильников не изготавливали в средние века. Канделябры на десятки свечей, люстры, лестничные фонари, каретные. Изготавливали их из золота, серебра, фарфора, драгоценных камней. Но не каждый мог позволить себе приобрести такой светильник. В домах победнее подсвечники и канделябры были железными. Последние образцы масляных ламп вполне выглядят как современные светильники (рис. 45).

Позднее появилась керосиновая лампа. Впервые ее появление замечено в г. Львове в 1853 г. Она была практичнее свечи и лучины. Сначала лампа представляла собой цилиндр — стакан из толстой жести, в верхней части которого помещалось слюдяное окошечко, прикрывавшее яркое пламя. Ее изобрел фармацевт Игнатий Лукашевич. Через некоторое время одна из ламп Лукашевича попала в руки венскому фабриканту Дитмару. Он слегка видоизменил ее, украсил и наладил массовое производство. В его конструкции лампы керосин наливался в специальную емкость, куда опускался фитиль. Фитиль поджигался и долго горел. Сверху надевалась стеклянная колба, которая служила средством безопасности от пожара и делала освещение более ярким.

С развитием больших городов актуальной стала проблема централизации систем снабжения. Появились водопроводные и канализационные системы, паровое отопление. Следующим этапом стала централизация снабжения светом. Но как это было реализовать? И здесь в качестве осветительного топлива впервые выступает газ. Его удобно подавать по трубам наподобие водопроводных, а сами лампы делать в виде выступающих из стен и находящихся на вершинах фонарных столбов окончаний этих труб с запорными кранами. Однако такое решение проблемы централизации поставило другую проблему. А именно, новый источник света сильно уступал предшественникам по количеству света (нам всем знакомо неяркое голубоватое газовое пламя). Впервые за всю историю освещения появилась новая задача: повысить эффективность существующего способа получения света. Эту задачу решил немецкий химик Ауэр. Он снабдил газовый светильник открытым стеклянным колпачком (рис. 46). Керосиновые и газовые лампы с так называемыми «колпачками Ауэра» на пламени оказались настолько удачными, что быстро завоевали всю тогдашнюю светотехнику. Для сравнения можно сказать, что газовая лампа 150-летней давности давала примерно столько же света, сколько современная лампа накаливания. Для того времени это было революционным шагом вперед.

Рис. 49. «Свеча» Яблочкова

В момент расцвета газового освещения практически завершилось освоение нового источника энергии — электричества. В качестве одного из его применений выступило получение электрической дуги — по сути дела, увеличенной искры или, по научной терминологии, открытого разряда, дающего яркий свет. Для получения открытого разряда необходимо на короткое время сомкнуть и затем развести на некоторое расстояние два угольных электрода, находящиеся под напряжением. Чем больше это расстояние, тем длиннее дуга, однако при превышении максимальной длины она погаснет. Впервые получил и исследовал электрическую дугу профессор физики Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров (рис. 47).

Электрическая дуга заинтересовала многих изобретателей. Она давала невиданно яркий белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!

Первая еще несовершенная дуговая лампа конструкции Б.С. Якоби появилась в 1849 г. в Петербурге, на башне Адмиралтейства. Угли этой лампы приходилось сближать вручную. Лампа Якоби излучала такой сильный свет, что ее называли электрическим солнцем.

Позднее стали использовать дуговые лампы с регуляторами, которые автоматически поддерживали необходимое расстояние между углями, однако они были сложны и стоили дорого (рис. 48).

Простой и доступной для всех задумал сделать дуговую лампу начальник телеграфа одной из русских железных дорог Павел Николаевич Яблочков. Он бросил работу на железной дороге и посвятил свою жизнь созданию дуговой лампы.

Рис. 50. Лампа накаливания Эдисона с угольной нитью	Рис. 51. Одна из первых ламп накаливания с вольфрамовой нитью — она по сути осталась такой и сегодня	Рис. 52. Повсеместно керосиновые лампы сменяются на электрические

В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель П.Н. Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную «электрическую свечу». Похожая по своей форме на обычную стеариновую, эта свеча горела ослепительно ярким светом (рис. 49). Вскоре «свечи» Яблочкова появились на улицах Парижа, помещенные в белые матовые шары. В короткое время чудесная «свеча» русского изобретателя завоевала всеобщее признание.

Электрическое освещение появилось в европейских городах в последнее десятилетие XIX века и использовалось первоначально для освещения улиц и площадей. Электрическая лампа стала одним из величайших открытий того времени. Многие ученые трудились над созданием лампочки. Свеча П.Н. Яблочкова горела всего два часа, однако привлекла к себе внимание во всем мире.

Важно было найти подходящий материал для нити накаливания. Его нашел американский изобретатель Эдисон. Его конструкция лампы сохранилась до наших дней (рис. 50). Под действие электрического тока раскалялась угольная нить внутри стеклянной колбы. Эдисон изобрел также выключатели и электрические счетчики. Всем известный резьбовой цоколь бытовых ламп был придуман также Эдисоном и поэтому назван в его честь (от полного названия в наши дни осталась только первая буква «E» в обозначении).

В 1873 г. русский ученый Лодыгин нашел материал для нити накаливания, который дает яркий белый свет — это металл вольфрам (рис. 51). Постепенно, с развитием электростанций, во всем мире переходят к электрическому освещению (рис. 52).

Рис. 53. Биспиральная нить накала современной лампочки накаливания

Для снижения испарения металла нити и повышения ее прочности металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали (би- и триспирали, рис. 53), а для уменьшения потемнения колбы — наполнять ее азотом и инертными газами.

Лампы накаливания очень чувствительны к попаданию воды (из-за резкого охлаждения части колбы произойдет ее разрушение) и потенциально пожароопасны. Если в светильнике используются горючие детали, они должны быть удалены от колбы лампы на безопасное расстояние.

Электрические машины постоянно совершенствовались. В начале – середине ХХ века электрификация стала основным фактором увеличения производительности труда и условием повышения уровня благосостояния населения. В эти годы были построены крупнейшие тепловые, атомные, гидравлические электростанции, сооружены линии передачи электрической энергии высокого и сверхвысокого напряжения, созданы мощные энергосистемы, разработаны новые способы производства, преобразования и передачи электроэнергии.

Понятие о световом режиме

Извлечение из СанПиН 14-46-96 «Санитарные правила и нормы устройства, содержания и организации учебно-воспитательного процесса общеобразовательных учреждений» с изменениями и дополнениями от 20 декабря 2002 г.

Световой режим (глава 4)

Основные помещения зданий общеобразовательных учреждений должны иметь естественное и искусственное освещение. Допускается верхнее (или верхнее и боковое) естественное освещение рекреаций, холлов, залов спортивных, ритмики, бассейнов. Допускается освещение вторым светом проходных коридоров, не являющихся рекреационными, раздевальных при спортивных залах и бассейнах, залах ритмики.

Направление основного светового потока естественного освещения в учебных помещениях должно быть левостороннее.

Рабочие поверхности парт и столов должны иметь матовое или с незначительным блеском покрытие светлых тонов: светло-зеленого, зеленовато-голубого, голубовато-зеленого, зеленовато-желтого или с сохранением текстуры древесины. Классная доска должна быть зеленого, темно-коричневого, темно-голубого цвета.

При отделке помещений должны использоваться отделочные материалы, разрешенные Министерством здравоохранения Республики Беларусь.

Во избежание уменьшения светоотражения ограждающих поверхностей плакаты, стенгазеты и т.п. следует развешивать на противоположной классной доске стене так, чтобы верхний край этих предметов не располагался выше 1,75м от пола. Шкафы и другое оборудование предпочтительнее устанавливать у задней стены помещения. Цветы рекомендуется помещать в переносные цветочницы высотой 65–70 см от пола; высота цветов, расставленных на подоконниках, не должна превышать 15 см.

Шторы, используемые для затемнения учебных кабинетов и других помещений, в нерабочем положении не должны закрывать световые оконные проемы.

Источники искусственного освещения (оптимальными являются люминесцентные лампы) должны обеспечивать достаточное освещение всех помещений.

Рис. 54. Устройство люминесцентной лампы низкого давления

Существуют нормативы искусственной освещенности в помещениях общеобразовательного помещения.

В учебных и производственных мастерских кроме общего освещения должно быть оборудовано местное электроосвещение у станков.

В помещениях для трудового обучения устанавливаются пылевлагозащищенные светильники. Не допускается применение открытых (незащищенных) электроламп.

Светильники с люминесцентными лампами укомплектовываются пускорегулирующими аппаратами с пониженным уровнем шума.

Расстояние между рядами светильников и внутренней (наружной) стеной должно быть 1,5 м; между двумя рядами светильников — 2 м.

Электросветильники в спортивных залах, где проводятся спортивные и подвижные игры или гимнастические упражнения с мячом, должны оборудоваться защитной арматурой.

Электросветильники должны очищаться по мере загрязнения, но не реже 1 раза в 3 месяца.

Экономичные источники света

Весь ХХ век люди стремились повысить эффективность источников света. Так были изобретены различные газоразрядные лампы: люминесцентные, ртутные лампы, натриевые и металлогалогенные лампы.

Газоразрядные лампы — это лампы, в которых используется свечение разреженного газа под действием электрического тока. Такие лампы мы можем видеть в рекламных светящихся надписях названий магазинов, парикмахерских и т.п. Для светящихся ламп в виде трубок стали применять неон, аргон и другие газы. Параллельно создавались лампы и светящиеся трубки с парами металлов.

В 1931 г. академик С.И. Вавилов предсказал возможность применения в газоразрядных лампах люминофоров (веществ, которые при определенных условиях могут светиться). Эта идея была реализована в люминесцентных лампах низкого давления (рис. 54).

Рис. 55. Некоторые виды люминесцентных ламп: прямые, кольцевые, U-образные, W-образные

Они стали первыми газоразрядными источниками света, которые наряду с лампами накаливания нашли массовое применение для освещения. Этому способствовали высокая эффективность люминесцентных ламп (в настоящее время световая отдача в 2–5 и срок службы в 5–15 раз выше, чем у ламп накаливания). На рис. 55 показаны некоторые виды люминесцентных ламп (прямые, кольцевые, U-образные, W-образные).

Начиная с 1951 г. начинают быстро распространяться дуговые ртутно-кварцевые лампы высокого давления с нанесенным на внутреннюю стенку внешней колбы люминофором — лампы ДРЛ. Это мощные лампы, у них высокая световая отдача, а срок службы 12–15 тыс. часов. Применяют их при уличном освещении, освещении строительных площадок, производственных помещений.

Важным достижением последнего времени является разработка и освоение производства натриевых ламп высокого давления. Натриевые лампы, в отличие от ламп ДРЛ, безопасны в экологическом отношении — они не содержат ядовитой ртути.

Рис. 56. Сравнение срока службы обычных ламп накаливания и энергосберегающих люминесцентных ламп

Наиболее экономически эффективными при освещении жилых и общественных зданий является использование компактных люминесцентных ламп.

Современные компактные люминесцентные лампы производятся с индивидуальным встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и цоколем, как у обычных ламп накаливания, что весьма удобно для прямой замены ламп накаливания на люминесцентные. Некоторые производители таких ламп гарантируют их работу в течение 6–8 лет, т.е. одна такая лампочка служит столько же времени и более, как шесть или даже восемь обычных ламп накаливания (рис. 56).

В табл. 2 приводятся данные о соответствии энергосберегающих ламп и обычных ламп накаливания. Таблица поможет выбрать новые энергосберегающие лампы, ориентируясь на давно привычные нам лампы накаливания. Например, в ночном светильнике была установлена лампа в 25 Вт, мы ее в соответствии с таблицей можем заменить без потери освещенности энергосберегающей лампой всего в 5 Вт.

Таблица 2. Соответствие мощности энергосберегающих ламп и ламп накаливания

Энергосберегающая лампа, Вт	Обычная лампа накаливания, Вт	Энергосберегающая лампа, Вт	Обычная лампа накаливания, Вт

Примечание. Если вы наблюдательны, то заметите, что при выборе энергосберегающей лампы привычные нам необходимые ватты нужно делить на 5.

Таким образом, развитие источников света, совершенствование конструкций происходили на основе использования достижений фундаментальных наук, в тесной связи с развитием других отраслей науки и техники. Важнейшими научными предпосылками явилось открытие теплового действия электрического тока, открытие электрической дуги и возможности получения от нее света, развитие теории светящегося электрического разряда в газе, развитие исследований в области техники освещения и облучения. К главным техническим предпосылкам развития источников света можно отнести изобретение гальванического элемента, электрификацию, создание вакуумной техники, получение вольфрамовой проволоки, развитие техники обработки стекла, получение кварцевого стекла, организацию промышленного получения инертных газов и снижение их стоимости и др.

Отметим основные пути и направления дальнейшего развития электрических источников света. Главная проблема — повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую, увеличение световой отдачи источников света.

Помимо экономии энергии особое значение всегда уделялось качеству освещения. Так появились получившие сейчас большое распространение зеркальные лампы направленного света, различные галогенные лампы, а также широкий спектр специальных и театрально-студийных ламп.

Качественный свет в нужном месте обеспечат правильно подобранные светильники.

С развитием источников света параллельно совершенствовались светильники. Современные требования к освещению таковы, что мало правильно подобрать мощность и типы ламп, огромное значение при освещении приобретают светильники, в которых эти лампы установлены. Самые важные части светильника — отражатель и рассеиватель. Они выбираются исходя из геометрии помещения, а также материалов стен, пола и потолка.

В учебных заведениях около 90 % информации, получаемой обучающимися, принимается с помощью зрения. Поэтому хорошее освещение рабочих мест — одно из важнейших требований охраны труда. При недостаточном освещении зрительное восприятие снижается, развивается близорукость и другие заболевания глаз.

Освещенность рабочих мест должна быть достаточной и равномерной, не оказывать слепящего действия. Немаловажное значение при этом имеет правильный выбор окраски стен помещений. При применении люминесцентных ламп наблюдается наиболее правильная цветопередача.

Не экспериментируйте с освещением — думайте о своем здоровье! Здесь важен точный расчет количества и типов используемых светильников.