Svetlobni viri: vrste, glavne značilnosti in aplikacije

Svetloba (iz latinskega jezika lucis) ali vidna svetloba je del spektra elektromagnetnega sevanja, ki ga zazna človeško oko. Osnovna enota svetlobe je foton. Elementarni delci imajo določeno valovno dolžino, odvisno od svetlobnega vira, ki jih je ustvaril. Foton se drži zakonov kvantne mehanike in se lahko v različnih fizičnih pogojih manifestira kot delček ali kot val.

Zgodovinski razvoj svetlobnih naprav

Prvi viri vidnega elektromagnetnega sevanja, ki ga je človeštvo uporabilo za svoje potrebe, so temeljili na gorenju gorljivega rastlinskega (lesnega) ali živalskega izvora (maščobe in maščobe).

Stari Grki in Rimljani so prvič začeli uporabljati glinene in bronaste posode, ki so jih dali vnetljive snovi. Ta plovila so postala predniki sodobnih svetilk.

Konec 18. stoletja je švicarski kemik Argant izumil stenjsko žarnico, v kateri je bil kot gorivo uporabljen kerozin. Konec 19. stoletja je Edison patentiral žarnico z žarilno nitko. Po tem izumu in zahvaljujoč hitri dinamiki industrije se začnejo pojavljati številni drugi električni viri sevanja.

Fizika svetlobnega vira

Spekter sevanja, ki vidi človeško oko, leži v valovnih dolžinah fotonov od 400 nm do 700 nm. Vir svetlobe je fizični proces, ki se pojavlja v atomu snovi. Atom kot rezultat katerega koli dejanja lahko prejme energijo od zunaj, del te energije prenese v svoj elektronski podsistem.

Energijski nivoji elektrona v atomu so diskretni, kar pomeni, da vsaka od teh ravni ustreza določeni vrednosti. Zaradi energije, ki jo dobimo od zunaj, se lahko nekateri atomi atoma prenesejo v višje energetske nivoje, v tem primeru lahko govorimo o stanju vzbujenega elektrona. V tem stanju so elektroni nestabilni in spet gredo na nivoje z nižjo energijo. Ta proces spremlja emisija fotonov, ki je svetloba, ki jo zaznavamo.

Toplotno sevanje

Proces toplotnega sevanja je fizični proces, v katerem se elektronski podsistem vzbuja zaradi prenosa kinetične energije iz atomskih jeder v njo. Če se predmet, kot je kovinska plošča, segreje na visoke temperature, se bo začel svetiti. Najprej bo vidna svetloba rdeče barve, saj je ta del vidnega spektra najmanj energičen. Z naraščajočo temperaturo kovine bo oddaja belo-rumeno luč.

Upoštevajte, da se pri segrevanju kovine najprej začne oddajati infrardeče žarke ki jih oseba ne more videti, vendar jih čuti v obliki toplote.

Svetlobno sevanje

Ta vrsta sevanja nastopi brez predhodnega segrevanja telesa in je sestavljena iz dveh zaporednih fizikalnih procesov:

1. Absorpcija energije s pomočjo elektronskega podsistema in prehod tega podsistema v vzbujeno energijsko stanje.
2. Sevanje v območju svetlobe, povezano z vrnitvijo elektronskega podsistema v stanje zemeljske energije.

Če se obe fazi pojavita v časovnem intervalu nekaj sekund, se postopek imenuje fluorescenca, na primer, emisija TV zaslona po izklopu je fluorescenčna. Če se obe fazi sevanja pojavita v nekaj urah in dlje, se to sevanje imenuje fosforescenca, na primer žareča ura v temni sobi.

Razvrstitev svetlobnih virov

Vsi viri elektromagnetnega sevanja, ki so vidni človeškemu očesu, se glede na njihov izvor lahko razdelijo v dve veliki skupini:

1. Naravni viri. Sežajo elektromagnetna valovanja zaradi naravnih fizikalnih in kemijskih procesov, na primer, zvezde, kresnice in drugi so naravni viri svetlobe. Lahko so tako živi kot tudi neživi objekti.
2. Umetni viri svetlobe. Svoje poreklo dolgujejo človeku, saj so njegov izum.

Umetne naprave za vidno elektromagnetno sevanje

Po drugi strani pa so umetni viri naslednjih vrst:

• Žarnice z žarilno nitko. Oddajajo svetlobo zaradi segrevanja kovinskega filamenta na temperaturo več tisoč stopinj. Sama žarilna nitka je v nepredušni stekleni posodi, ki je napolnjena z inertnim plinom, ki preprečuje proces oksidacije žarilne nitke.
• Halogenske žarnice. Predstavljajo novo evolucijsko stopnjo žarnic z žarilno nitko, v katere se inertnemu plinu, v katerem je kovinski filament, doda halogenski plin, npr. Jod ali brom. Ta plin vstopa kemijsko ravnovesje s kovinskimi filamenti, ki je volfram, in vam omogoča podaljšanje življenjske dobe svetilke. Namesto steklene škatle v halogenskih žarnicah uporabite kremena, ki prenesejo višje temperature kot steklo.
• Žarnice za praznjenje. Ta vrsta svetlobnega vira ustvarja vidno elektromagnetno sevanje zaradi električnih razelektritev, ki se pojavljajo v mešanici plinov in kovinskih hlapov.
• Fluorescenčne sijalke. Ti električni svetlobni viri proizvajajo sevanje zaradi fluorescenčnega premaza na notranji strani telesa svetilke, ki ga vzbuja ultravijolično sevanje električnega praznjenja.
• Viri LED (iz angleščine. Light Emitting Diode). Ta vrsta svetlobnega vira je diodni vir elektromagnetnega sevanja. Odlikuje jih preprostost naprave in dolgotrajnost. Tudi njihove prednosti pred drugimi električnimi viri svetlobe so nizka poraba energije in skoraj popolna odsotnost toplotnega sevanja.

Neposredno in posredno sevanje

Neposredni viri svetlobe so instrumenti, naravna telesa in organizmi, ki lahko neodvisno oddajajo elektromagnetna valovanja v vidnem spektru. Neposredni viri vključujejo zvezde, katerih temperatura doseže desetine in stotine tisoč stopinj, ogenj, žarnice z žarilno nitko, kot tudi sodobne naprave, kot so plazma TV ali računalniški monitor s tekočimi kristali, ki proizvaja sevanje, ki ga povzroča mikroelektrični izcedek.

Drug primer neposrednih naravnih virov svetlobe so živali, ki imajo bioluminiscenco. Sevanje v tem primeru nastane kot posledica kemijskih procesov, ki se pojavljajo v organizmu bitja. Med njimi so kresnice in nekateri prebivalci morja.

Posredni viri svetlobe so telesa, ki ne oddajajo neodvisno svetlobe, temveč jo lahko odsevajo. V tem primeru je odbojnost vsakega telesa odvisna od njegove kemične sestave in fizičnega stanja. Posredni viri so sveti samo zaradi dejstva, da so pod vplivom neposrednega elektromagnetnega sevanja. Če posredni vir ne nabira svetlobne energije, potem ko preneha delovati na svetlobo, preneha biti viden.

Primeri posrednega sevanja

Tradicionalni primer tovrstnih svetlobnih virov je Zemljin satelit, Luna. To nebeško telo se odbija od sončnih žarkov, ki padejo na njega. Skozi proces refleksije lahko vidimo tako lunino kot tudi predmete okoli nas ponoči na mesečini. Iz istega razloga, vidni v teleskopu planeta sončnega sistema, kot tudi naš planet - Zemlja (če ga pogledate iz vesolja).

Drug primer objekta posrednega sevanja, ki odseva žarke svetlobnega vira, je oseba sama. Na splošno je vsak predmet vir posrednega sevanja, razen črne luknje. Gravitacijsko polje črnih lukenj je tako močno, da se niti svetloba ne more iz njega izvleči.

Glavne značilnosti naprav

Glavne značilnosti svetlobnih virov so:

• Svetlobni tok. Fizična količina, ki označuje količino svetlobe, ki jo oddaja vir na sekundo v vseh smereh. Enota za merjenje svetlobnega toka je lumen.
• Intenzivnost sevanja. V nekaterih primerih je treba poznati porazdelitev svetlobnega toka okoli njenega vira. Prav ta porazdelitev opisuje to značilnost, ki jo merimo v kandeli.
• Osvetlitev. Meri se v luksih in predstavlja razmerje svetlobnega toka na osvetljenem območju. Ta značilnost je pomembna za udobno izvajanje določenih vrst dela. Na primer, po mednarodnih standardih mora biti osvetlitev v kuhinji okoli 200 luksov, za študij pa je že potrebnih 500 luksov.
• Učinkovitost sevanja. To je pomembna značilnost katere koli električne žarnice, saj opisuje razmerje svetlobnega toka, ki ga ustvari ta naprava, s porabo energije. Večje kot je to razmerje, bolj je ekonomična žarnica.
• Indeks barvnega upodabljanja. Označuje, kako natančno svetilka reproducira barve. Za kakovostne svetilke je ta indeks v območju 100.
• Barvna temperatura. Je merilo "beline" svetlobe. Tako se svetloba s prevladujočo rdečo-rumeno barvo šteje za toplo in ima barvno temperaturo manj kot 3000 K, hladna svetloba ima modre barve in je označena z barvno temperaturo nad 6000 K.

Uporaba umetnih virov vidnega sevanja

Vsak umetni vir elektromagnetnega sevanja določene vrste uporablja oseba na določenem področju dejavnosti. Obseg svetlobnih virov je naslednji:

• Žarnice z žarilno nitko so še naprej glavni vir prostorske razsvetljave zaradi nizke cene in dobrega indeksa barvnega upodabljanja. Vendar pa te svetilke postopoma nadomestijo halogenske žarnice.
• Halogenske žarnice so bile zasnovane kot električne naprave, ki naj bi z zamenjavo povečale učinkovitost žarnic. Trenutno se uporabljajo v avtomobilih.
• Fluorescentni svetlobni viri se uporabljajo predvsem za osvetljevanje pisarn in drugih pisarniških prostorov zaradi njihove raznolikosti oblik in emisije difuzne in enotne svetlobe. Učinkovitost sevanja te vrste žarnic se povečuje z naraščanjem njihove dolžine in premera.

Pomen naravne svetlobe za zdravje ljudi

Za vse organizme, ki živijo na Zemlji, so rotacija našega planeta in pogostost dneva in noči pomembni procesi za normalno življenje in biološki cikel. Da bi bili zdravi, večina živih bitij potrebuje neposredno sončno sevanje.

Če govorimo o osebi, potem pomanjkanje sončne svetlobe vodi v razvoj depresije, kot tudi pomanjkanje vitamina D, saj tan, ki ga dobi človek, omogoča telesu, da absorbira ta vitamin z večjo lahkoto.

Rezultati ene študije so pokazali, da lahko oseba, ki je dovolj izpostavljena neposredni sončni svetlobi, zmanjša in ublaži nekatere simptome nekaterih bolezni. Še posebej so težave, povezane z depresijo, popolnoma ali delno izginile pri 20% bolnikov. Seveda samo sončna svetloba ni zdravilo za depresijo, je pa sestavni del celovite obravnave.