ГООУ «Таловская школа-интернат для детей - сирот и

детей, оставшихся без попечения родителей»

ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

«ЭВОЛЮЦИЯ ОГНЯ КАК ИСТОЧНИКА СВЕТА»

Чесноков Николай.

Руководитель:

учитель технологии

2. Древнее время. От лучины до свечи

3. Появление электрических источников света

4. Типы источников света

5. Обоснование выбора темы проекта

6. Технология изготовления

7. Применение изделия

8. Экономический расчет

9. Технологическая карта

10. Приложения

1. История развития источника света. 1 сентября" href="/text/category/1_sentyabrya/" rel="bookmark">1 сентября 5509 г. до н. э., когда Бог произнес: «Да будет свет!...». Правда, является ли этот источник света искусственным – вопрос спорный.

Дата появления первых источников света теряется во мраке веков, однако они явно появились не ранее, чем древние люди стали применять огонь, то есть около 500000 г. до Р. Х. (См. Табл. 1). Несомненно, что первоначально огонь использовался для приготовления пищи, пока какому-то древнему изобретателю не понадобилось заглянуть в темную пещеру.

Таблица 1. История развития источников света.

Первые в истории свечи - это чаши, наполненные жиром, с фитилём или щепочкой. Первые восковые свечи появились в Средневековье. Свечи долгое время были очень дороги. Чтобы осветить большое помещение, требовались сотни свечей, они чадили, черня потолки и стены.

Масляная лампа - светильник, работающий на основе сгорания масла. Принцип действия схож с принципом действия керосиновой лампы: в некую ёмкость заливается масло, туда опускается фитиль - верёвка, состоящая из растительных или искусственных волокон, по которым, согласно свойству капиллярного эффекта масло поднимается наверх. Второй конец фитиля, закреплённый над маслом, поджигается, и масло, поднимаясь по фитилю, горит. Масляная лампа применялась издревле. В древние времена масляные лампы вылепляли из глины, или изготовляли из меди. В арабской сказке «Аладдин» из сборника «Тысяча и одна ночь» в медной лампе живёт Джинн.

Керосиновая лампа - светильник на основе сгорания керосина - продукта перегонки нефти. Принцип действия лампы примерно такой же, что и у масляной лампы: в ёмкость заливается керосин, опускается фитиль. Другой конец фитиля зажат поднимающим механизмом в горелке, сконструированной таким образом, чтобы воздух подтекал снизу. В отличие от масляной лампы, у керосиновой фитиль плетёный. Сверху горелки устанавливается ламповое стекло - для обеспечения тяги, а так же для защиты пламени от ветра. Первая керосиновая лампа была описана Ар-Рази в Багдаде IX века. Современная керосиновая лампа была изобретена аптекарями Игнатием Лукасевичем и Яном Зехом в 1853 году во Львове.

Лампа накаливания общего назначения (230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, габаритная высота ок. 110 мм Лампа накаливания (ЛН) - электрический источник света, светящимся телом которого служит так называемое тело накала (ТН, проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры). В качестве материала для изготовления ТН в настоящее время применяется практически исключительно вольфрам и сплавы на его основе. В конце XIX - первой половине XX в. ТН изготавливалось из более доступного и простого в обработке материала - углеродного волокна.

Токарные станки" href="/text/category/tokarnie_stanki/" rel="bookmark">токарном станке . В дополнение к токарным изделиям я решил продублировать каждый источник света сюжетами быта, выполненными в технике выжигания по дереву. Все изделия были объединены на одной подставке, позволяющей каждый экспонат рассматривать в отдельности.

Использование изделия.

Мое изделие можно использовать в качестве наглядного пособия на урока истории, физики, природоведения , а также на внеклассных мероприятиях и различных выставках.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТАРИАЛЫ.

Подставка для макета изготовлена из ламинированного ДСП, применяющегося при производстве мебели, с последующей оклейкой торцов ламинированной кромкой.

Точение макетов источников света выполнено на токарном станке по дереву СТД-120 из березовых заготовок, стандартным набором резцов.

Выжигание бытовых сюжетов я сделал на фанере толщиной 3 мм, при помощи электровыжигателя.

Для электрического светильника использованы готовые электрические детали: патрон, плафон, кабель, штепсельная вилка, электрокабель.

Сборка всех деталей макета выполнена при помощи клея, гвоздей, саморезов.

Отделка деталей произведена мебельным лаком в два слоя, с промежуточной шлифовкой.

Перед работой мною была разработана инструкционная карта, определяющая порядок работы над изделием.

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

На изготовление макета источников света было израсходовано:

Материалы:

Брус березовый-0.019 м3 по цене 4270 рублей за м3;

Ламинированного ДСП-1 м2 по цене 270 рублей м2:

Фанеры-0.86 м2 по цене 248 рублей м2 на общую сумму 565 рублей.

Отделочные материалы:

Лак 120грамм на сумму 96 рублей;

Кромка ламинированная на 65 рублей/метр;

Шлифовальная бумага на сумму 113 руб.. Итого: 274 рубля.

Электродетали мы в расчет не включаем, так как они были взяты от старого светильника.

Общее количество электроэнергии , затраченной при изготовлении макета, составило 47.6 Квт/час на сумму 176 рублей. Из них на точение 3.9 Квт/ч, выжигание 0,5 Квт/ч, освещение 43,2 Квт/ч.

Общая стоимость изделия составила 1015 рублей.

Литература

1. СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

2. «Как солнце в дом вошло»

3. Журналы «Школа и производство»

4. «Токарные работы с древесиной»

Приложения

Со времен изобретения первой угольной лампы накаливания прошло около 180 лет. Революция в мире освещения того времени уже давно осталась позади и мало кто задумывается, как все начиналось. Со временем технологии менялись: лампу с угольной спиралью сменила лампа накаливания с платиновой спиралью, затем лампа с обугленной бамбуковой нитью в вакуумированном сосуде и великое множество других модификаций ламп. Каких только материалов не было испробовано для создания более эффективной лампы накаливания, однако это не принесло существенных результатов. В современных лампах накаливания используется спираль из вольфрама, но и этот редкий материал позволяет добиться, что всего 5% энергии преобразуется в свет. Глобальный переворот пришелся лишь на эпоху энергосберегающих и светодиодных ламп. Основанные на совершенно ином принципе свечения, данные лампы позволили человечеству в разы улучшить качество освещения и сократить на него расходы.

Давайте же попробуем отследить всю историю источников света и существующие в наше время типы ламп.

В наши дни все лампы можно поделить на три основные группы: накаливания, газоразрядные и светодиодные. Люди «старой закалки» наотрез отвергают последние два вида, что напрасно. Но пойдем по порядку.

Лампы накаливания

Лампа накаливания представляет собой электрический источник света, светящимся телом которого служит проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры. Все лампы накаливания можно разделить на пять видов:

К преимуществам ламп накаливания можно отнести их низкую стоимость, небольшие размеры, мгновенность включения, отсутствие токсичных компонентов, работа при низкой температуре окружающей среды. Но их недостатки, все же, не сопоставимы с современными требованиями к источникам света. К ним относятся: низкая эффективность (КПД не более 5%), короткий срок службы, резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения, цветовая температура в пределах от 2300 до 2900 К, высокая пожароопасность.

Лампы накаливания постепенно остаются в прошлом, но отдадим должное истории, проложившей тропу от истоков к современным источникам освещения:

1838-1854 гг. — первые лампы, работающие от электрического тока. Изобретатели: бельгиец Жобар, англичанин Деларю, немец Генрих Гебель.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

В 1876 году российский изобретатель и предприниматель Павел Николаевич Яблочков разработал электрическую свечу и получил на неё французский патент. Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа Лодыгина. Изобретение Яблочкова можно отнести также к разрядным лампам.

В 1879 году американский изобретатель Томас Эдисон патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.

В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме General Electric, придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Газоразрядные лампы

Опыты по созданию свечения в заполненных газом трубках начались в 1856 году. Свечение большей частью было в невидимом диапазоне спектра. И лишь в 1926 году Эдмунд Джермер предложил увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в однородный белый свет. В результате, началась эпоха газоразрядных ламп.

В настоящее время Э.Джермер признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера, и к 1938 году довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования.

1927-1933 гг. - венгерский физик Дэнис Габор, работая в компании Siemens&Halske AG (сегодня компания Siemens), разработал ртутную лампу высокого давления, которая сегодня повсеместно используется в уличном освещении.

Серьезный вклад в совершенствование флуоресцентного порошка, позже названного люминофором, сделал в 30-х годах прошлого века советский физик Сергей Иванович Вавилов.

1961 год - создание первых натриевых ламп высокого давления. В конце 70-х годов прошлого века компания General Electric первой выпустила на рынок натриевые лампы, а немного позже и металлогалогенные.

В начале 80-х годов появились первые компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

В 1985 году компания OSRAM первой представила лампу со встроенным электронным ПРА.

Все многообразие газоразрядных ламп можно представить следующей схемой:

Самые популярные из этой группы, пожалуй, компактные люминесцентные лампы. Они позволяют экономить электроэнергию до 5 раз по сравнению с лампами накаливания, при этом срок их службы составляет около 8 лет. Корпус данной лампы нагревается в незначительной степени, что позволяет использовать их повсеместно. Кроме того, люминесцентные лампы могут иметь различные цветовые температуры и различные варианты внешнего вида.

Но, к сожалению, КЛЛ обладают несколькими недостатками, к которым относятся:

• Значительное снижение срока службы при работе в сетях с перепадами напряжения, а также при частых включениях и выключениях.
• Спектр такой лампы - линейчатый. Это приводит не только к неправильной цветопередаче, но и к повышенной усталости глаз.
• Компактные люминесцентные лампы содержат 3-5 мг ртути.
• Использование выключателей с подсветкой приводит к периодическому, раз в несколько секунд, кратковременному зажиганию ламп (в качественных лампах невидимому для глаз), что приводит к скорому выходу из строя лампы.
• Обычные компактные люминесцентные лампы несовместимы с диммерами. Стоимость диммируемых ламп примерно в 2 раза выше.

По этим причинам вопрос о новых технологиях при изготовлении источников света оставался открытым. В свет широко шагнули светодиодные лампы.

Светодиодные лампы

Светодиодные источники света основаны на эффекте свечения полупроводников (диодов) при пропускании через них электрического тока. Малые размеры, экономичность и долговечность позволяют изготавливать на основе светодиодов любые световые приборы. В наши дни светодиоды занимают значительную долю рынка источников света и используются повсеместно.

Первое сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Marconi Company. Примечательно, что эта компания впоследствии стала частью General Electric и существует по сей день.

В 1923 году Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиолаборатории показал, что свечение диода возникает вблизи p-n-перехода. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

В 1962 году Ник Холоньяк в компании General Electric разработал первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне.

В 1972 году Джордж Крафорд (студент Ника Холоньяка), изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз.

В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку). Компания Monsanto была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах.

Компании Hewlett-Packard удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

К преимуществам светодиодных ламп можно отнести:

Основные недостатки светодиодов в первую очередь связаны с их высокой стоимостью. Так, например, отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50-100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания. Помимо этого можно выделить еще два момента:

• Светодиоду необходим постоянный номинальный рабочий ток. Из-за этого появляются дополнительные электронные узлы, повышающие себестоимость системы освещения в целом.
• Относительно низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют конструкционно неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком маленькие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп прочих видов).

На сегодняшний день специалисты сходятся во мнении, что за светодиодами ближайшее будущее в освещении. Более эффективной и практичной технологии в настоящее время не существует.

Учитывая возрастающую потребность человечества в искусственном освещении можно предположить, что появятся и новые, более эффективные технологии. Но придут они уже на замену светодиодов, которые в ближайшие годы станут такой же обыденностью как когда лампы-то накаливания.

Зачастую, мы так привыкаем к удобствам нашего века, что даже не задумываемся, откуда берутся самые привычные для нас вещи. Взять к примеру электрический «свет» — главный источник работоспособности всей мировой индустрии. Каждый день мы нажимаем на выключатель, чтобы сделать свое жилище светлее, включаем компьютеры, телевизоры, электрические чайники, и много других электроприборов, не говоря уже о деятельности мировых электрических сетей в целом. Как же это все развивалось? Автор сайт Анна Баклага, предлагает вспомнить этот путь — от огня до электричества.

Первые свечи появились в третьем тысячелетии до нашей эры

Искусственный свет был в обиходе человечества на протяжении многих веков. Вначале — факелы, лучины и масляные лампады, потом — восковые и сальные свечи, а затем — керосиновые лампы и электрические светильники. В качестве стационарного источника света служил костер, в качестве переносных — факелы, конструкция которых со временем менялась: от простой головешки, вынутой из костра, до рукоятки, обмотанной паклей и пропитанной нефтью, жиром или маслом.

Позже человечество изобрело лампу — кувшин, наполненный маслом, с погруженным в него фитилем (веревочным или тканевым). В третьем тысячелетии до нашей эры появились первые свечи — бруски, из перетопленного твердого животного жира, с фитилем внутри. Они породили серьезный прорыв в области светильников. Отличаясь большим удобством и будучи несложной и экономичной в производстве, свеча способствовала созданию целого семейства самых различных светильников. В средние века в качестве материала для свечей применяли пчелиный воск. В настоящее время для этих целей используется парафин.

Во второй половине XIX века в обиход вошли керосиновые лампы

В конце XVII века была сформирована люстра из свечей. Это был массивный металлический каркас, на который крепилось множество подвесок из стекла или из природного камня. Вес такой люстры мог достигать порядка тонны. Чтобы зажечь в этой конструкции свечи, необходимо было прежде опустить люстру, а затем, уже с зажженными свечами — поднять. Гасились свечи специальными металлическими колпачками, которые крепились на длинную рукоять.

Уже во второй половине XIX века в обиход вошли керосиновые лампы, а немного позже их стремительно вытеснили газовые фонари, которые стали поистине революционным решением вопросов уличного освещения. Между тем, несмотря на то, что газовые фонари исправно несли свою службу по освещению улиц, они безудержно коптили. Решением проблемы стало использование калильной сетки, представляющей собой мешочек из ткани, пропитанный раствором различных солей. При прокаливании ткань сгорала, оставляя тонкий след, ярко светящийся при нагревании под действием пламени.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первую батарею

Между тем, человечество стало ощущать недостатки в предыдущих видах освещения. И в 1800 году Алессандро Вольта изобрел батарею, которая стала первым электрическим источником света. Это изобретение дало людям первый постоянный и надежный источник энергии и повлекло за собой все важные открытия в этой области. Вслед за этим, первая электрическая лампочка, или лампа накаливания, была изобретена в 1809 году англичанином Деларю. Появился фонарик на батарейках. Правда, свет излучала не лампа накаливания, а электрическая дуга между угольными электродами, а батареи занимали целый стол. В 1809 году Хэмфри Дэви продемонстрировал дуговой свет в Королевской академии наук в Лондоне. Генераторов в то время не было, и батареи были единственным источником электропитания.

В 1854 году Генрих Гёбель создал лампу, на основе обугленной бамбуковой нити, помещенной в вакуум. В 1872 году русский инженер Александр Лодыгин подал заявку на изобретение лампы накаливания и в 1874 году получил российский патент. В дальнейшем, он запатентовал свое изобретение во многих странах.

В 1878 году, Павел Яблочков усовершенствовал конструкцию, поставив электроды вертикально и разделив их слоем изолятора. Такая конструкция получила название «свеча Яблочкова» и использовалась во всем мире. Например, Парижский оперный театр освещался с помощью таких «свечей». Электрическая дуга давала яркий и достаточно сбалансированный по спектру свет, что позволяло использовать его очень широко.

Современные лампочки начали производиться с 1909 года

В 1879 году Томас Эдисон закончил работу над лампочкой накаливания с угольной нитью, ставшей одним из крупнейших изобретений XIX века. Его заслуга была не в разработке идеи лампы накаливания, а в создании практически осуществимой, широко распространившейся системы электрического освещения с прочной нитью накала, с высоким и устойчивым вакуумом и с возможностью одновременного использования множества ламп. К 1884 году крупные американские города освещали более 90 тыс. дуговых ламп.

Современные же лампочки с вольфрамовой спиралью и заполненные инертным газом начали производиться через сто лет, с 1909 года. Разработаны они были Ирвингом Ленгмюром. В СССР же, существовало понятие «лампочка Ильича», которое было связано с началом масштабной электрификации страны, начиная с 1920 года.

Размещено на сайте 08.11.2007.

ПРЕДИСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ

Добрый день уважаемые читатели!

Программа «патентного пейнтбола», с которой вы познакомились в предшествующих трёх выпусках, будет, разумеется, продолжена. Ещё несколько человек изъявили желание вступить «в войну» и готовят свои материалы. Любой создатель новой теории в ТРИЗ может принять участие в этом эксперименте на «верификацию».

Однако, КП не «журнал про пылесосы», поэтому мы решили поставить сегодня работу «про лампочки». Тема пылесосов, как впрочем, и любых других машин, которые отвечают за ЗДОРОВЬЕ человека - неисчерпаема, хотя бы потому, что в мире Науки постоянно появляются какие-то новые результаты.

Можно с уверенностью сказать, что каждые полгода вполне реально формировать новое прогнозное решение именно на материале научных новинок, рассматривая их с позиции возможности конкретного использования.

Информационную среду постоянно «тралят» как «специалисты по пылесосам», так и профессиональные «поисковики», к числу которых принадлежит и представляемый сегодня автор.. Поэтому будет правильно настроить свои ожидания на то, что «пылесосная тема» будет «всплывать» постоянно, но, конечно, не будет доминирующей.

С удовольствием представляю работу моего коллеги и друга д.т.н., профессора, Мастера ТРИЗ Александра Кынина, который сейчас работает ТРИЗ экспертом в южнокорейской компании Самсунг Электромекеникс. Пять лет оторванности от Родины не сделали этого человека «усталым» или пассивным в совершенствовании исследовательских навыков, что не может не вызывать восхищения.

Можно смело назвать эту статью «краткой энциклопедией истории светильников». Кроме того, это «тренинг распознавания закономерностей», без которых невозможен профессиональный рост прогнозиста. Причём, тренинг очень высокого уровня.

Объём информации в работе велик, поэтому материал будет предъявлен в двух выпусках.

При обсуждении рукописи и подготовке её к публикации возник ряд полемических вопросов и уточнений, которые мы решили вынести в

ПОСЛЕСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ.

Эти вопросы требуют некоторого осмысления. Кроме того, на них может дать ответ не только автор, но и любой читатель, для которого тема прогнозирования развития технологий важна. Эти вопросы – «заделы» для будущих исследований по теме прогнозирование развития техники.

Приятного чтения,

С уважением, Ведущий рубрики КП,

РАЗВИТИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

А. Кынин

1. ИСТОРИЯ

Светить всегда, светить везде...
В. Маяковский

Человек всегда стремился предугадать будущее. Одной из целей таких попыток является прогнозирование процесса развития Технических Систем (ТС). До сих пор в Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) при описании процессов развития систем преобладают не количественные, а качественные оценки, что затрудняет позиционирование ТРИЗ как научного направления. Целью представленной работы является показать пример реализации Законов Развития Технических Систем (ЗРТС), сформулированных в рамках ТРИЗ для описания развития ТС на примере реальных систем - искусственных Источников Света (ИС). Кроме того, показана возможность их описания кривыми развития и прогнозирования изменения параметров на основе математических моделей.

Классификация источников света

К сожалению, эти ТС, сыгравшие такую важную роль в развитии цивилизации, до сих пор практически не попадали в сферу интересов ТРИЗ - специалистов. Можно привести в пример только раздел в книге Ю.П. Саломатова и книгу Э.А. Соснина в которой рассмотрены только эксилампы.

В данной работе будут подробно рассмотрены только источники, применяемые для освещения помещений, то есть такие источники, которые дают белый свет, либо свет максимально к нему приближенный по спектру.

Как ни странно, но дата появления первого источника света зафиксирована довольно точно. Это, по Византийскому варианту 1 сентября 5509 г. до н. э., когда Бог произнес: «Да будет свет!...». Правда, является ли этот источник света искусственным – вопрос спорный.

Дата появления первых ИС теряется во мраке веков, однако они явно появились не ранее, чем древние люди стали применять огонь, то есть около 500000 г. до Р.Х. (См. Табл. 1). Несомненно, что первоначально огонь использовался для приготовления пищи, пока какому-то древнему изобретателю не понадобилось заглянуть в темную пещеру.

Таблица 1. История развития источников света.

ИС, как техническая система, имеет ряд отличий от обычных ТС, которые обычно воспринимаются, как аналоги машин. Чтобы правильно найти все части системы сначала определим ее предназначение. Несомненно, предназначением ее является «создавать видимое излучение для освещения объекта». В этом случае продуктом такой системы будет являться свет - т.е. электромагнитное излучение. Излучает свет Рабочий Орган (РО). Снабжается РО от внешнего Источника Энергии (ИЭ) через Трансмиссию (Тр). Если считать функцией двигателя преобразование энергии из одного типа в другой, то в случае лампы накаливания им можно считать спираль (электрическая – тепловая энергия), а в случае люминисцентной лампы – люминофор, преобразующий УФ излучение в видимый свет. Управление человеком обычно ограничивается включением и выключением ТС.

В первую очередь, проанализируем все возможные варианты прямого получения света. Для этого используем таблицу Воздействие - Отклик из для случая электромагнитный отклик в форме электромагнитного излучения (см. Табл.2).

Как видно из приведенной таблицы только магнитное воздействие не приводит непосредственно к генерации света. Естественно, что рассматривать применение очень слабой по интенсивности триболюминесценции, а также гнилушек и светлячков (биолюминисценция) для освещения в данной работе не имеет смысла.

Таблица 2. Генерирование света при внешних воздействиях.

Теперь на основе полученных данных составим таблицу (см. Табл.3), в которой отразим природу и состояние элементов системы.

Таблица 3. Структура источников света.

Таким образом, по ИЭ лампы могут быть условно разделены на: Химические, Электрические и Электромагнитные.

Химические источники света

Первым источником тепла, а заодно и света, является костер, где в качестве топлива используется древесина, или уголь. В этом случае мы имеем ИЭ химической природы. Рабочим органом является раскаленный газ, который образуется в зоне горения при термическом разложении топлива в присутствии кислорода воздуха. Трансмиссией работает сам материал. Потом костер динамизировался и превратился в свой передвижной вариант - факел, а также минимизировался до лучины. Предназначением и костра и факела все-таки было не только освещение, но и генерация тепла. Поэтому первой «лампой» можно назвать именно лучину.

Долгие века такой источник света вполне устраивал людей. Но он был не только слишком громоздким, но и крайне неэффективным источником света. Это обусловлено тем, что значительную часть своей энергии он должен затрачивать на термическое разложение материала - горючего. Кроме того, пользоваться им было крайне неудобно.

Поэтому появились масляные лампы. В них ИЭ служило жидкое масло. Для транспортировки масла из резервуара к зоне горения потребовалось ввести трансмиссию - фитиль. Однако такое изменение конструкции привело к усложнению отношений между людьми, так как потребовалось где-то добывать масло и делать светильники. В дальнейшем, для ИС мы будем использовать термин «лампа».

Следующим этапом явилось изобретение восковой свечи. Как не странно, это устройство может быть помещено между костром и масляной лампой на общей линии развития. Дело в том, что топливо свечи находится в твердом состоянии, но при нагреве плавится и далее транспортируется фитилем к зоне горения.

Затем на долгое время прогресс для ламп сводился к вариациям в конструкции масляных ламп и свечей. Сам процесс развития конструкций тоже представляет значительный интерес, поскольку в ходе изменения в первую очередь росло количество свечей. Если условно считать огонь свечи точечным источником, то он превратился сначала в псевдолинейный (канделябр), круговой (традиционное колесо со свечами в качестве люстры) и объемный (многоярусные люстры дворцов).

Пример объемной геометрической эволюции: точка - линия - поверхность - объем.

В начале ХIХ века появились парафиновые свечей и керосиновые лампы. В действительности, керосиновые лампы появились еще в Средние века. Но новую жизнь в них вдохнул польский изобретатель И. Лукашевич .

Любопытно отметить, что и жидкостные лампы прошли развитие, сходное со свечами. Так обычный шнурок-фитиль (условно точечный ИС) превратился сначала в линейный, а потом в кольцевой (у последних керосиновых ламп).

Пример линейной геометрической эволюции: точка - линия - поверхностная кривая - объемная кривая.

Следующим шагом было изменение источника энергии на газ. В конце XVIII века появились первые водородные лампы с электрическим зажиганием. Однако широкого распространения они не получили по причине сложности и взрывоопасности.

Первая настоящая газовая лампа была создана В. Мурдохом (William Murdoch «Murdock»)). В 1798 году он стал использовать лампы на угольном газе для освещения производственных помещений, а в 1802 году бывший сотрудник этой компании С. Клегг организовал фирму и стал массово внедрять газовое освещение . Следует отметить, что газовые лампы по сути дела являются модернизацией костра. Только в этом случае твердое горючее превращается в газ где-то на коксовом заводе (в надсистеме), и только затем транспортируется потребителю.

Пример перехода в надсистему: уголь в костре – угольный газ на заводе.

Особенно интенсивное развитие газовые рожки получили после изобретения калильных сеток, резко увеличивающих световой поток. В 1885 году Ауэр фон Вельсбах предложил использовать калильную сетку, представляющую собой мешочек из ткани, пропитанный раствором неорганических веществ (различных солей). При прокаливании ткань сгорала, оставляя тонкий «скелет», ярко светящийся при нагревании под действием пламени. Эти устройства получили название колпачки Ауэра .

В принципе, на этом история развития ламп, использующих химическую энергию в качестве ИЭ практически прекратилась, хотя газовое освещение еще долго составляло конкуренцию электрическому (См. Фильм «Газовый свет»). Появление ацетиленовой (карбидной) лампы не повлияло на этот процесс, тем более что она, будучи мобильной системой, использовалась для других целей (в шахтах, в фарах и т.д.). Однако сам переход в такой лампе Твердое - Газ дополняет общую картину.

Пример сегментации: полено (монолит) - разделенный монолит (лучина) - жидкость (масло, керосин) - газ (коксовый газ, ацетилен, пропан).

Необходимо отметить, что вопреки некритичному пониманию ТРИЗ, газовые лампы вовсе не исчезли. Они вернулись к нам сегодня в виде источников света для туристов, причем их характеристики немного выросли.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Практически параллельно с развитием химических источников света развивались электрические, причем они появились даже немного раньше газовых рожков.

В 1799 году итальянский физик Алессандро Вольта создал первый химический источник тока, который получил название "вольтов столб".

Итак, следующим классом ИС являются электрические, то есть такие устройства, которые используют в качестве ИЭ электричество, причем ИЭ не входит в ТС. Однако из Табл. 3 видно, что они отличаются между собой по виду РО. Основными классами будут являться:

Дуговые лампы, где под действием электрического разряда светится газ между электродами;

Лампы накаливания, у которых свет излучает нагретая нить;

Газосветные лампы, где используется тлеющий разряд, который формируется при низком давлении газа и малом токе;

Безэлектродные лампы (СВЧ);

Светодиоды.

Пример замены принципа действия ИЭ: Химический - Электрический - Электромагнитный.

Дуговые лампы

Сначала начали развиваться системы, которые использовали электрическую дугу. Наблюдали это явление одновременно Х. Дэви в Англии и В. Петров в России, что в очередной раз подтверждает неизбежность изобретений . Интересно отметить, что и горение электрической дуги и свечение раскаленной проволоки под действием тока наблюдались в один и тот же год.

Рис. 1. Ртутные лампы высокого давления с люминофором.

Однако только через 42 года французский физик Фуко создал первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги, которая нашла достаточно широкое применение. Однако ручное регулирование было крайне неудобным и в дни коронационных торжеств в Москве на башнях Кремля зажглись дуговые лампы с автоматическим регулированием расстояний между углями - детище изобретателя Александра Шпаковского (Не путать с Николаем!) .

Вскоре Павел Яблочков усовершенствовал конструкцию, поставив электроды вертикально и разделив их слоем изолятора. Такая конструкция получила название «свеча Яблочкова» и использовалась во всем мире: например, с помощью таких «свечей» освещался Парижский оперный театр .

Пример повышения управляемости: Дуга Петрова (неуправляемая) - Фонарь Фуко (ручное управление) - Дуговая лампа Шпаковского (автоматическое регулирование) – «Свеча Яблочкова» (саморегулирование).

Дуговые лампы были, хотя и яркими, но не очень экономичными, поэтому вскоре свое триумфальное шествие начали лампы накаливания. Однако, дуговые лампы вовсе не исчезли, а заняли свою, вполне определенную нишу, что еще раз заставляет усомниться в выводах о «смерти ТС».

Основной проблемой оставалось быстрое сгорание электродов. Не раз у изобретателей являлась мысль заключить вольтову дугу в лишенную кислорода атмосферу. Ведь благодаря этому лампа могла бы гореть значительно дольше. Американец Джандус первый придумал помещать под купол не всю лампу, а только ее электроды. При возникновении вольтовой дуги кислород, заключенный в сосуде, быстро вступал в реакцию с раскаленным углеродом, так что вскоре внутри сосуда образовывалась нейтральная атмосфера. Хотя кислород и продолжал поступать через зазоры, влияние его сильно ослаблялось, и такая лампа могла непрерывно гореть около 200 часов .

От использования вакуума вскоре перешли к использованию инертных газов. Сейчас в качестве источников особо яркого света используются ртутные (См. Рис.1) и ксеноновые дуговые газоразрядные лампы.

Пример использования принципа инертной среды.

В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда, в импульсных лампах искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким [от 0,133 н/м 2 (10-3 мм рт. ст.)], например натриевая лампа низкого давления, высоким (от 0,2 до 15 ат,1 ат= 98066,5 н/м 2) и сверхвысоким (от 20 до 100 ат и более, например ксеноновые газоразрядные лампы) давлением .

Цвет получаемого света зависит от вещества, пары которого находятся в лампе. Сравнительные характеристики газоразрядных ламп представлены в Табл. 4.

Таблица 4. Сравнительные характеристики дуговых ламп.

Натриевая лампа низкого давления характеризуется максимальной эффективностью среди всех источников света - около 200 лм/Вт.

Лампы накаливания (См. Рис. 2)

Рис. 2. Лампы накаливания.

Обычно историю лампочек накаливания связывается с именем Эдисона. Однако, первым, кто разработал первую лампочку, использовав обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде был немецкий изобретатель Генрих Гебель. Его соотечественник химик Герман Спренгел повторил это в 1865 году. А потом последовал целый водопад исследований. В Великобритании это были, Cruto, Gobel, Farmer, Maxim, Lane-Fox, Sawyer и Mann. Первый канадский патент был представлен Генри Вудварду и Мэтью 24 июля 1874. Наиболее известными оказались лампочки Лодыгина и Свана .

Хотя Эдисон не изобрел электрическую лампу накаливания, он, тем не менее, перенес теорию в практику и был первым, кто успешно освоил рынок освещения лампами накаливания. Самая главная заслуга Эдисона заключается в том, что он создал всю инфраструктуру для их использования, что и принесло, в конечном итоге, коммерческий успех.

Серьезным недостатком ламп накаливания был слишком короткий срок их работы. Это было вызвано быстрым разрушением нити в атмосфере кислорода. Поэтому, развитие ламп накаливания шло по двум направлениям:

Улучшение характеристик нити

Изменение атмосферы в лампе.

Улучшение характеристик нити шло по направлению повышения термостойкости материала. Первоначально использовались различные угли на основе бамбука, хлопка и т.д. К концу XIX века светоотдача таких лампочек составляла 3 люмен/ватт. Затем стали использовать различные тугоплавкие материалы. Так Ауэр предлагает лампу с осмиевой спиралью (Т пл = 2700 o С), пытались использовать тантал с температурой плавления 2996 o С эффективность которого в лампах составляла 7 люмен/ватт, а ряд изобретателей, в том числе Лодыгин, пытались применять для этих целей вольфрам. Однако только после того, как Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам лампочки накаливания уверенно обошли газовые рожки и дуговые лампы.

И до сих пор, несмотря ни на что, лампы накаливания пока еще составляют большую часть используемых в мире ИС.

Галогенные лампы накаливания (См. Рис.3)

Рис. 3. Линейные 2-цокольные галогенные лампы накаливания.

Серьезным шагом в развитии ламп накаливания явилось открытие галогенного цикла. Еще в 1949 году фирма OSRAM подала заявку на выдачу патента на галогенные лампы накаливания. Однако настоящий технический прорыв произошел только в 1959 году на фирме General Electric. Название этих ламп объясняется использованием в них галогенов (солей), йода или брома в качестве газов-наполнителей. Галогенный цикл в лампе предотвращает осаждение испарившегося со спирали накаливания вольфрама на внутренние стенки колбы, что обычно происходит у обычной лампы накаливания в течение ее срока службы. Во время работы лампы вольфрам и галоген соединяются, и испарившийся вольфрам осаждается на спираль. Галоген внутри лампы действует как чистильщик окон, поэтому колба лампы остается прозрачной.

Галогенные лампы накаливания, как и обычные лампы накаливания, излучают тепло, однако их рабочая температура составляет около 2800 o С. В результате этого они излучают более белый свет, имеют более высокую световую отдачу - до 25 люменов/Ватт и более длительный срок службы, составляющий от 2000 до 4000 часов .

Газоразрядные лампы

Газоразрядные лампы являются родственниками дуговых. Это большое семейство ламп, в которых разряд происходит между электродами в атмосфере какого-либо газа, или пара. Разряд вызывает ионизацию газа, то есть возникает плазма, которая и является РО системы. Однако, в отличии от дуговых, в газоразрядной лампе используется «тлеющий» разряд. В результате, температура и энергопотребление таких ламп существенно ниже.

Газовый разряд в газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа.

Таблица 5. Цвета тлеющих разрядов в различных газах .

Рис. 4. Линейные люминесцентные лампы.

Самым распространенным примером таких ламп является люминисцентные лампы «дневного света» (См. Рис. 4), где излучателем света являются пары ртути. При этом генерируется УФ излучение, которое преобразовывается люминофором в видимый свет.

Пример использования принципа посредника.

Люминесцентные лампы накаливания обеспечивают световую отдачу от 30-50 лм/Вт. Они имеют довольно большой срок службы, до 20000 часов .

Компактные люминесцентные лампы (См. Рис. 5)

Рис. 5. Компактные люминесцентные лампы.

Основная особенность устройства компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) состоит в придании различными способами разрядной трубке таких форм, которые бы обеспечили резкое снижение длины лампы. Кроме того, большинство маломощных ламп, предназначенных для замены ламп накаливания, устроены таким образом, что могут непосредственно или через адаптер ввёртываться в резьбовой патрон.

Пример использования надсистемных ресурсов.

Свет (с латинского языка lucis) или видимый свет представляет собой часть спектра электромагнитного излучения, которое воспринимается человеческим глазом. Элементарной единицей света является фотон. Элементарные частицы обладают определенной длинной волны, зависящей от источника света, который их породил. Фотон подчиняется законам квантовой механики и в разных физических условиях может проявлять себя либо как частица, либо как волна.

Историческая эволюция приборов для освещения

Первые источники видимого электромагнитного излучения, которые использовало человечество для своих нужд, были основаны на сжигании горючего топлива растительного (дерево) или животного происхождения (сало и жир).

Древние греки и римляне впервые стали использовать глиняные и бронзовые сосуды, в которые помещали горючие вещества. Эти сосуды стали прародителями современных ламп.

В конце XVIII века швейцарский химик Аргант изобрел лампу с фитилем, в которой в качестве топлива использовался керосин. В конце XIX века Эдисон запатентовал электрическую лампу накаливания. После этого изобретения и благодаря быстрой динамике развития индустрии, начинает появляться множество других электрических источников излучения.

Физика источников света

Спектр излучения, который видит глаз человека, лежит в приделах длин волн фотонов от 400 нм до 700 нм. Источником света является физический процесс, который происходит в атоме вещества. Атом в результате какого-либо действия может получить энергию извне, часть этой энергии он передает своей электронной подсистеме.

Энергетические уровни электрона в атоме являются дискретными, то есть каждому из этих уровней соответствует конкретная величина. Благодаря полученной извне энергии некоторые электроны атома могут перейти на энергетические уровни более высокого порядка, в этом случае можно говорить о возбужденном электронном состоянии. В этом состоянии электроны оказываются неустойчивыми и снова переходят на уровни с меньшей энергией. Этот процесс сопровождается излучением фотонов, которое и является светом, который мы воспринимаем.

Термическое излучение

Процесс термического излучения представляет собой физический процесс, при котором электронная подсистема возбуждается за счет передачи ей кинетической энергии от ядер атомов. Если какой-либо объект, например металлическую пластину, подвергнуть нагреву до высоких температур, то он начнет светиться. Сначала видимый свет будет иметь красный цвет, поскольку эта часть видимого спектра является наименее энергетической. При увеличении температуры металла он станет излучать бело-желтый свет.

Отметим, что при нагреве металла он сначала начинает испускать инфракрасные лучи, которые человек не способен видеть, но ощущает их в виде тепла.

Люминесцентное излучение

Этот тип излучения возникает без предварительного нагрева тела и состоит из двух последовательных физических процессов:

1. Поглощение электронной подсистемой энергии и переход этой подсистемы в возбужденное энергетическое состояние.
2. Излучение в световом диапазоне, связанное с возвращением электронной подсистемы в основное энергетическое состояние.

Если оба этапа происходят во временном интервале в несколько секунд, то процесс называется флуоресценцией, например, излучение экрана телевизора после его выключения является флуоресцентным. Если же оба этапа процесса излучения происходят в течение несколько часов и дольше, то такое излучение называется фосфоресценцией, например, светящиеся часы в темной комнате.

Классификация световых источников

Все источники видимого для человеческого глаза электромагнитного излучения в зависимости от его происхождения можно разделить на две большие группы:

1. Естественные источники. Они излучают электромагнитные волны благодаря естественным физическим и химическим процессам, например естественными источниками света являются звезды, светлячки и другие. Они могут быть объектами как живой, так и неживой природы.
2. Искусственные источники света. Они обязаны своим происхождением человеку, так как являются его изобретением.

Искусственные приборы видимого электромагнитного излучения

В свою очередь, искусственные источники бывают следующих типов:

• Лампы накаливания. Они излучают свет благодаря разогреву металлической нити накаливания до температуры нескольких тысяч градусов. Сама нить накаливания находится в герметичном стеклянном сосуде, который заполнен инертным газом, предотвращающим процесс окисления нити.
• Галогеновые лампы. Представляют собой новую эволюционную ступень ламп накаливания, в которых к инертному газу, в котором находится металлическая нить накаливания, добавляется галогеновый газ, например, йод или бром. Этот газ вступает в химическое равновесие с металлом нити, которым является вольфрам, и позволяет продлить срок службы лампы. Вместо стеклянного корпуса в галогеновых лампах используют кварц, который выдерживает более высокие температуры, чем стекло.
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников света создает видимое электромагнитное излучение за счет электрических разрядов, которые возникают в смеси газов и паров металла.
• Флуоресцентные лампы. Эти электрические источники света создают излучение за счет флуоресцентного покрытия внутренней стороны корпуса лампы, которое возбуждается за счет ультрафиолетового излучения электрического разряда.
• Источники LED (от англ. Light Emitting Diode). Этот вид источников света представляет собой диодные источники электромагнитного излучения. Они отличаются простотой устройства и долгим сроком действия. Также их преимуществами перед другими электрическими источниками света является низкая потребляемая мощность и практически полное отсутствие теплового излучения.

Прямое и непрямое излучение

Прямыми источниками света являются приборы, природные тела и организмы, которые могут самостоятельно испускать электромагнитные волны в видимом спектре. К прямым источникам относятся звезды, температура которых достигает десятков и сотен тысяч градусов, огонь, лампа накаливания, а также современные приборы, например, плазменный телевизор или жидкокристаллический монитор компьютера, который производит излучение, индуцированное микро электрическим разрядом.

Другим примером прямых естественных источников света являются животные, которые обладают биолюминесценцией. Излучение в этом случае возникает как результат химических процессов, происходящих в организме существ. К ним относятся светлячки и некоторые жители морских глубин.

Непрямые источники света представляют собой тела, которые не излучают самостоятельно свет, но способны его отражать. При этом отражающая способность каждого тела зависит от его химического состава и физического состояния. Непрямые источники святятся только благодаря тому, что находятся под влиянием электромагнитного излучения прямых источников. Если непрямой источник не аккумулирует световую энергию, то при прекращении воздействия света на него он перестает быть видимым.

Примеры непрямого излучения

Традиционным примером источников света данного типа является спутник Земли - Луна. Это небесное тело отражается солнечные лучи, которые падают на нее. Благодаря процессу отражения мы можем видеть, как саму Луну, так и окружающие нас предметы ночью в лунном свете. По той же причине видны в телескоп планеты солнечной системы, а также наша планета - Земля (если смотреть на нее из космоса).

Еще одним примером объекта непрямого излучения, который отражает лучи от источника света, является сам человек. В общем, любой предмет является источником непрямого излучения за исключением черной дыры. Гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выбраться из него.

Основные характеристики приборов

Основными характеристиками источников света являются следующие:

• Световой поток. Физическая величина, которая характеризует количество света, испускаемого источником за одну секунду во всех направлениях. Единицей измерения светового потока является люмен.
• Интенсивность излучения. В некоторых случаях возникает необходимость в знании распределения светового потока вокруг его источника. Именно это распределение и описывает данная характеристика, которая измеряется в канделах.
• Освещенность. Измеряется в люксах и представляет собой отношение светового потока к освещаемой им площади. Эта характеристика важна для комфортного выполнения определенных видов работ. Например, по международным нормам освещенность на кухне должна быть около 200 люкс, а для учебы уже необходимы 500 люкс.
• Эффективность излучения. Является важной характеристикой любой электрической лампы, поскольку она описывает отношение светового потока, создаваемого данным прибором, к потребляемой им мощности. Чем больше это отношение, тем более экономичной считается лампа.
• Индекс цветопередачи. Указывает на то, насколько точно лампа воспроизводит цвета. Для ламп хорошего качества этот индекс лежит в области 100.
• Цветовая температура. Представляет собой меру "белизны" света. Так, свет с преобладающими красно-желтыми цветами считается теплым и имеет цветовую температуру меньше 3000 К, холодный свет имеет синие цвета и характеризуется цветовой температурой выше 6000 К.

Применение искусственных источников видимого излучения

Каждый искусственный источник электромагнитного излучения определенного типа используется человеком в той или иной сфере деятельности. Области применения источников света следующие:

• Лампы накаливания продолжают оставаться основными источниками освещения помещений благодаря их низкой цене и хорошему индексу цветопередачи. Однако эти лампы постепенно вытесняются галогеновыми.
• Галогеновые лампы задумывались как электроприборы, которые должны были повысить эффективность ламп накаливания, заменив их. В настоящее время они нашли свое применение в автомобилях.
• Флуоресцентные источники света применяются главным образом для освещения офисов и других служебных помещений благодаря своему разнообразию форм и излучению рассеянного и равномерного света. Эффективность излучения такого типа ламп повышается с увеличением их длины и диаметра.

Важность естественного света для здоровья человека

Для всех организмов, которые обитают на планете Земля, вращение нашей планеты и периодичность дня и ночи являются важными процессами для нормальной жизнедеятельности и протекания биологического цикла. Более того, чтобы быть здоровыми, большинство живых существ нуждаются в прямом солнечном излучении.

Если говорить о человеке, то недостаток солнечного света приводит к развитию депрессии, а также к недостатку витамина D, поскольку полученный человеком загар позволяет организму усваивать этот витамин с большей легкостью.

Результаты одного исследования продемонстрировали, что достаточное нахождение человека под прямыми солнечными лучами позволяет снизить и облегчить некоторые симптомы определенных заболеваний. В частности, связанные с депрессией проблемы полностью или частично исчезали у 20% пациентов. Естественно, что один лишь солнечный свет не является лекарством против депрессии, однако он является неотъемлемой частью комплексного лечения.