| Меню сайта |
|
 |
| Форма входа |
|
|
| Категории раздела |
|
|
| Поиск |
|
|
|
 | |  |
|
Всё о свете
РАЗВИТИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
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 / i / и книгу Э.А. Соснина / ii / 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.
Тип источника излучения Год
Начало использования огня 500000 г. до н.э.
Масляные лампы и факелы. 10000 г. до н.э.
Горящие камни в Малой Азии. 4000 г. до н.э.
Серийное производство глиняных ламп с маслом. 2500 г. до н.э.
Первые свечи в Греции и Риме. 500 г. до н.э.
Водородные лампы с электрическим зажиганием. 1780 г.
Лампа с сурепным маслом и плоским фитилем. 1783 г.
Лампы на угольном газе В. Мурдоха 1798 г.
Итальянский физик Алессандро Вольта создал первый химический источник тока 1799 г.
Дуга Х. Дэви 1802 г.
Свечение накаленной проволоки из платины или золота. 1802 г.
Дуга В.В. Петрова между угольными стержнями. 1802 г.
Свечение тлеющего разряда в опытах В.В. Петрова. 1802 г.
Первые газовые лампы. 1811 г.
Первые парафиновые свечи. 1830 г.
Дуговая лампа Фуко с ручным регулированием длины дуги 1844 г.
Керосиновая лампа Лукашевича 1853 г.
Немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. 1854 г.
Дуговые лампы с автоматическим регулированием расстояний между углями Александра Шпаковского 1856 г.
Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд. 1874 г.
"свеча” Яблочкова 1876 г.
Джозеф Сван получил в патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился в разреженной кислородной атмосфере. 1878 г.
Эдисон получает патент на лампу с угольной нитью. 1880 г.
Накаливающийся колпачок Ауэра 1885 г.
Газовые лампы "Газовый Рожок” 1886 г
Ацетиленовая лампа 1890 г.
Лампа с целлюлозной нитью 1895 г.
Ауэр предлагает лампу с осмиевой спиралью. 1905 г.
Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric 1906 г.
Купер-Хьюит изобретает ртутную лампу низкого давления. 1901 г.
Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам 1909 г.
Лэнгмюр предложил наполнять лампы инертным газом 1909 г.
Газонаполненная лампа Лангье с вольфрамовой спиралью. 1913 г.
Пирани изобретает натриевую лампу низкого давления. 1931 г.
Кух изобретает ртутную дуговую лампу высокого давления. 1935 г.
Ртутная лампа высокого давления с люминофором. 1946 г.
Шульц предлагает ксеноновую лампу. 1946 г.
Первые галогенные лампы накаливания. 1958 г.
Первые ртутные лампы высокого давления с йодистыми добавками. 1960 г.
Натриевые лампы высокого давления. 1961 г.
Безэлектродные серные лампы 1992 г.
Светодиоды белого свечения Nichia 2005 г.
Светодиод Luxeon K2 2007 г.
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 / iii / 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 / iv /.
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 / v /. 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 / vi /.
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 / vii /. 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!) / viii /.
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 / ix /.
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 / x /.
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/м2(10-3 мм рт. ст.)], например натриевая лампа низкого давления, высоким (от 0,2 до 15 ат,1 ат= 98066,5 н/м2) и сверхвысоким (от 20 до 100 ат и более, например ксеноновые газоразрядные лампы) давлением / xi /.
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 / xii /.
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 (Тпл = 2700oС), пытались использовать тантал с температурой плавления 2996oС 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.
Пример использования принципа посредника.
Галогенные лампы накаливания, как и обычные лампы накаливания, излучают тепло, однако их рабочая температура составляет около 2800oС. 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 / xiii /.
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 / xiv /.
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 / xv /.
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.
Срок службы у большинства ламп составляет 10000 ч, т.е. в 10 раз выше, чем у ламп накаливания. Энерго-экономичность - одно из главных преимуществ КЛЛ по сравнению с лампами накаливания. КЛЛ соединили в себе лучшие свойства, присущие лампам накаливания и обычным люминесцентным лампам, и начинают постепенно вытеснять эти источники из традиционных областей их применения в жилых домах и общественных зданиях. / xvi /
Однако у люминисцентных ламп есть очень существенный и непреодолимый недостаток: они используют пары ртути (в очень малых количествах, от 40 до 70 мг). Эта доза не нанесет много вреда, даже если лампа разбилась. Но если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью / xvii /. Поэтому, в последнее время, появилась тенденция к ограничению применения люминисцентных ламп.
Безэлектродные лампы
|
| Категория: Мои статьи | Добавил: Akropol (28.05.2010)
|
| Просмотров: 1610 | Комментарии: 2
| Рейтинг: 0.0/0 |
| |
 | |  |
|
| Статистика |
|
|
|
