Как осуществить опыт юнга от обычной лампочки накаливания


ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ОПЫТА ЮНГА — Студопедия

                                     С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА          

 

Цель работы: ознакомление с явлениями интерференции света, монохроматичности и пространственной когерентности лазерного излучения на примере опыта Юнга; определение длины световой волны; определение расстояния между щелями по интерференционной картине; измерение угла воздушного клина в зазоре между стеклянными пластинками по интерференционной картине полос равной толщины.

Приборы и принадлежности: лазер, пластинка с двумя отверстиями, диффузионно отражающий экран, линейка, установка РМС 2.

 

Теоретические сведения

 

Естественный свет представляет собой совокупность электромагнитных волн с различными длинами. При прохождении электромагнитной волны в данной точке пространства изменяются со временем напряженности электрического и магнитного полей.

На электроны, находящиеся в веществе, действуют силы со стороны электрической составляющей световой волны. Поэтому электроны будут совершать вынужденные колебания под действием переменного электрического поля. Фотопленка, фотоэлемент, глаз регистрируют частоту и амплитуду колебаний вектора электрической напряженности световой волны. В связи с этим можно рассматривать только изменение вектора напряженности электрического поля.

Явление интерференции света состоит в том, что при наложении световых волн они усиливаются в одних точках пространства и ослабляются в других, то есть возникает интерференционная картина: максимумы и минимумы освещенности в некоторой области пространства. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность. Если источники волн имеют одинаковую частоту и разность фаз остается постоянной во времени, то такие волны называются когерентными. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны одинаковой частоты:


                                                                 (1.1)

где  – амплитуды колебаний векторов напряжённостей электрических полей; w=2pn – циклическая частота;  – волновое число; n – линейная частота; l – длина волны;  и  – начальные фазы колебаний. Разность фаз колебаний векторов  в любой точке пространства остается постоянной:

.

Уравнения (1.1) описывают бегущие вдоль оси Х волны с постоянными частотами, амплитудами и постоянными начальными фазами. Волны такого типа имеют бесконечную протяженность в пространстве и называются монохроматическими. Строго монохроматического излучения в природе не существует, так как всякое реальное излучение ограничено во времени и охватывает некоторый интервал частот Dw. Однако всякое реальное излучение может быть представлено в виде суперпозиции монохроматических волн. Излучение светящегося тела слагается из электромагнитных волн, испускаемых многими атомами. Отдельные атомы излучают цуги волн в течение t ~10-8 с протяженностью ~3м, схема дана на рис. 1.1.


Рис. 1.1

 

Фаза нового цуга никак не связана с фазой предыдущего. Расстояния между цугами волн в пространстве являются случайными величинами. Излучение, состоящее из ограниченных цугов волн, будет немонохроматическим. Следовательно, при наложении таких волн от разных источников света интерференция наблюдаться не будет. Поэтому для осуществления интерференции от обычных источников света приходится применять обычные методы.

Рис. 1.2

 

Когерентные световые волны можно получить либо делением амплитуды цуга световой волны, как это делается в интерферометре Майкельсона, либо делением волновой поверхности световой волны, осуществляемым, например, в опыте Юнга, схема которого дана на рис. 1.2.

Различают временную и пространственную когерентности волн. Если в данной точке пространства в течение некоторого промежутка времени разность фаз колебаний остаётся постоянной, то говорят о временной когерентности волн.

Для характеристики когерентных свойств волн вводится время когерентности , равное промежутку времени, в течение которого разность фаз колебаний между цугами вторичных волн (на рис. 1.2 волны от источников S1 и S2), остаётся постоянной. Время когерентности вторичных волн приблизительно равно времени излучения электромагнитной волны возбуждённым атомом:

                                                   .                                                   

Расстояние, на которое перемещается волна за время , называется длиной когерентности:

                                                      .                                              

Значит,   приблизительно равна длине цуга волны (рис. 1.1):                                     

                                                            .                                                  

Оптическая разность хода интерферирующих волн не должна превышать длину первичного цуга < . В противном случае налагаются колебания, соответствующие разным цугам, и разность фаз между ними будет меняться хаотично. Поэтому для возникновения интерференционной картины необходимо, чтобы                   

                                                          D<  .                                                

Это требование ограничивает число видимых интерференционных полос в опыте Юнга. С увеличением номера полосы оптическая разность хода волн растёт, вследствие чего чёткость полос становится хуже.

Оптическая разность хода отличается от геометрической разности хода. Рассмотрим интерференцию света на тонкой плоскопараллельной пластинке толщиной d, изготовленной из прозрачного вещества с показателем преломления n (схема представлена на рис. 1.3).

Пусть на эту пластинку из воздуха  падает параллельный пучок лучей от удалённого источника. Возьмём один из лучей, который падает под углом i к перпендикуляру. Луч, падающий на пластинку в точке А, частично отразится 1, а частично преломится под углом r и войдёт в пластинку. Дойдя до точки С, он частично преломится и выйдет в воздух, а частично отразится и пойдёт к точке В. Здесь он опять частично отразится и преломится, и часть луча 2 пойдёт параллельно лучу 1. Таким образом, при определённой толщине пластинки d на экране могут сойтись две части одного и того же цуга волн, которые и создадут интерференционную картину.

Рис. 1.3

 

В точке А оба луча имели одинаковую фазу, но в дальнейшем прошли различные пути в разных средах. Для первого луча оптический путь определяется так: . К геометрическому пути АЕ добавляется , так как при отражении от оптически более плотной среды – пластинки (n > 1) фаза отраженной волны меняется на π, что соответствует изменению разности хода луча на полволны.

Для второго луча оптический путь определяется так: n. Геометрический путь  умножается на n, так как при прохождении второго луча в среде с показателем преломления n происходит изменение длины волны.

После фронта волны  фазы волн 1 и 2 не претерпевают изменений, поэтому оптическая разность хода определяется так:

                                        .                            (1.2)

После преобразований формула (1.2) имеет вид:

                                          .                                         

При освещении пластинки монохроматическим светом в отраженном свете на экране наблюдаются светлые полосы в тех точках, для которых оптическая разность хода равна четному числу полуволн, то есть Δ , где k = 0, 1, 2, 3, ….

Если в оптической разности хода уложится нечетное число полуволн, то есть , то на экране наблюдаются тёмные полосы, где k принимает значения: k=0, 1, 2, 3,…

При освещении плоскопараллельной пластинки белым светом условие максимума для определённой длины волны следующее:

,

и условие минимума:  

.

В 1802 году Юнг получил интерференцию от двух щелей, увеличив пространственную когерентность падающего на щели света (рис. 1.4). Такое увеличение Юнг осуществил, пропустив предварительно свет через небольшое отверстие S в непрозрачной пластинке 1. Прошедшим через это отверстие светом освещались щели  во второй непрозрачной пластинке 2. Щели  являются источниками вторичных когерентных волн. В области перекрытия световых пучков наблюдаются интерференционные явления. На диффузионно отражающем экране появляется система светлых и тёмных полос. Таким образом Юнг впервые наблюдал интерференцию световых волн и определил длины этих волн.

Рис. 1.4

 

Источниками излучения очень близкого к монохроматическому являются квантовые генераторы световых волн – лазеры. Излучение лазера обладает огромной временной и пространственной когерентностью. У выходного отверстия лазера пространственная когерентность наблюдается во всём поперечном сечении светового пучка. Это позволяет осуществить опыт Юнга при непосредственном освещении обеих щелей полным сечением лазерного светового пучка (схема на рис. 1.4).

В этой области экрана, где выходящие из отверстия пучки света накладываются, возникает интерференционная картина в виде чередующихся темных и светлых полос вдоль горизонтальной оси X.

Вычислим расстояние r между центрами светлых полос – максимумами освещённости. Положение точки на экране будет характеризовать координата X вдоль горизонтальной оси. Начало отсчета выберем в точке 0, относительно которой отверстия  расположены симметрично на расстояниях  от вертикальной оси Y. Из геометрии рис. 1.4 Видно, что оптические пути лучей от источников  до точки М равны:  

,

.

следовательно,    

.

Поскольку

d<< L и Х<< L,

то

.

,

.

Умножив оптическую разность хода двух лучей  на абсолютный показатель преломления среды n, получим оптическую разность хода лучей:

.

Для воздуха n=1, тогда

.

В точке М экрана будет наблюдаться максимум освещенности тогда, когда в оптической разности хода уложится четное число полуволн или целое число длин волн, то есть , где длина электромагнитной волны лазерного излучения,

Значит,

.

Координата максимума определяется выражением                                

                                       , где

Отсюда найдём расстояние r между центрами максимумов:

.

Если измерить расстояние между центрами максимумов r, расстояние между пластинкой и экраном L и расстояние между центрами отверстий d, то можно определить длину волны лазерного излучения:

                                                .                                                      (1.3)

 

ЗАДАНИЕ 1. Определение длины волны излучения в опыте Юнга.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установить перед выходным отверстием лазера пластинку с отверстиями (щелями), укрепленную на держателе.

2. Включить лазер. Перемещая пластинку в горизонтальном и вертикальном направлении с помощью винтов, добиться, чтобы луч лазера попадал в перекрестье и перекрывал оба отверстия. На экране появится интерференционная картина.

3. Положив лист бумаги на экран, отметить точками середины светлых полос вдоль горизонтальной оси.

4. Сняв лист бумаги, измерить расстояния  между максимумами до порядка , т. е. получить четыре значения r.

5. Измерить расстояние L от пластинки до экрана.

6. Меняя расстояние от пластинки до экрана, получить интерференционные картины для 3-х (по указанию преподавателя) значений L.

7. Вычислить средние значения r для каждого опыта по формуле:

.

8. Вычислить средние значения длин волн излучения  для каждого опыта по формуле:

.

9. Определить доверительные границы случайной погрешности измерений r и L по формуле:

, где .

10. Вычислить относительную погрешность измерений  для каждого опыта по формуле:

                                      .

11. Определить значение общей погрешности для найденной длины волны:

.

12. Записать результат измерений в виде верхней и нижней границ доверительного интервала для каждого опыта:

, где .

 

 

ЗАДАНИЕ 2. Определение расстояния между щелями в опыте Юнга.

 

Описание лабораторной установки

 

Рис. 1.5 Внешний вид установки РМС 2 представлен на рис. 1.5. Для наблюдения опыта Юнга на оптической скамье размещены полупроводниковый лазер (GaAs), вертикальный юстировочный модуль, в который устанавливается фотолитографический тест-объект МОЛ-1, и экран. Направление луча лазера регулируется с помощью юстировочных винтов. Объект МОЛ-1

представляет собой тонкий стеклянный диск с непрозрачным покрытием и прозрачными структурами (одиночные и двойные штрихи, отверстия). Прозрачные структуры нанесены по кругу параллельно радиусу в три ряда: ряд А – двойные штрихи, ближе к центру ряд В – круглые отверстия, ряд С – одиночные штрихи. Количество двойных штрихов в ряде А – 36. Излучение от лазера направляется на нужную структуру на поверхности объекта МОЛ-1. Свет, интерферируя на паре щелей, падает на экран, на котором проводятся измерения ширины интерференционной полосы Δх.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Включить лазер. Регулировкой юстировочных винтов добиться нужного направления излучения для получения четкого изображения интерференционных полос.

2. Согласно табл. 1 выбрать исследуемые двойные щели на объекте МОЛ-1 в ряде А (не менее трех).

Таблица 1

Номера элементов на объекте

Расстояние до экрана L, мм
1 А2, А3, А4, А5, А6, А7, А8 500
2 А3, А4, А7, А8 200 – 400
3 А11, А12, А15, А16 600 – 800

 

3. Установит объект МОЛ-1 на расстояние L до экрана.

4. Закрепить на экране чистый лист бумаги. Отметить середины наблюдаемых светлых полос вдоль горизонтальной оси. Для каждой двойной щели провести пять измерений.

5. Сняв лист бумаги, измерить линейкой расстояние между центрами светлых полос – ширину интерференционной полосы Δх.

6. Измерить расстояние L от щелей до экрана.

7. Рассчитать средние значения ширины интерференционной полосы  для каждой из пар щелей по формуле:

где n – количество интерференционных полос для одной картины.

8. Зная величину L и длину волны излучения лазера (λ=650 нм), рассчитать расстояние между щелями для каждой из пар по формуле:

.

9. Полученные результаты занести в табл. 2.

Таблица 2

Номер пары щелей      
Расстояние между щелями d, мкм      

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое интерференция света? Какие волны называются когерентными и монохроматическими?

2. Какими методами можно получить интерференцию света?

3. Что такое пространственная и временная когерентность волн? Дайте определение времени, длины и радиуса когерентности.

4. Какими свойствами обладает излучение лазера?

5. Как осуществить опыт Юнга с помощью обычной лампочки накаливания и с помощью лазера?

6. Получите формулу (1.3) для определения длины волны лазерного излучения.

7. Выведите формулу для оптической разности хода интерферирующих лучей при отражении от поверхностей тонких прозрачных плёнок.

8. Что такое оптическая разность хода?

9. Расскажите о практическом применении интерференции.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

лампочка Эдисона | Институт Франклина

К январю 1879 года в своей лаборатории в Менло-Парке, штат Нью-Джерси, Эдисон построил свою первую электрическую лампу накаливания с высоким сопротивлением. Он работал, пропуская электричество через тонкую платиновую нить накала в стеклянной вакуумной лампе, которая задерживала плавление нити. И все же лампа горела всего несколько коротких часов. Чтобы улучшить лампочку, Эдисону потребовалась вся настойчивость, которой он научился много лет назад в своей подвальной лаборатории.Он испытал тысячи и тысячи других материалов для изготовления нити. Он даже думал об использовании вольфрама, металла, используемого сейчас для нити накаливания лампочек, но он не мог работать с ним, учитывая инструменты, доступные в то время.

Однажды Эдисон сидел в своей лаборатории, рассеянно катая между пальцами кусок сжатого угля. Он начал карбонизацию материалов, которые будут использоваться для нити накала. Он проверил обугленные волокна всех мыслимых растений, в том числе лаврового дерева, самшита, гикори, кедра, льна и бамбука.Он даже связался с биологами, которые отправили ему растительные волокна из тропиков. Эдисон признал, что работа была утомительной и очень требовательной, особенно в отношении его рабочих, помогающих с экспериментами. Он всегда признавал важность тяжелой работы и определения.

«Прежде, чем я закончил, - вспоминал он, - я проверил не менее 6000 наростов овощей и обыскал весь мир в поисках наиболее подходящего материала волокна».

«Электрический свет вызвал у меня наибольшее количество исследований и потребовал самых сложных экспериментов», - писал он.«Я никогда не был разочарован и не был склонен к безнадежному успеху. Я не могу сказать то же самое обо всех своих сотрудниках».

«Гений - это один процент вдохновения и девяносто девять процентов пота».

Эдисон решил попробовать карбонизированную хлопковую нить. Когда на готовую лампочку было подано напряжение, она начала излучать мягкое оранжевое свечение. Примерно через пятнадцать часов нить наконец сгорела. Дальнейшие эксперименты позволили получить волокна, которые могли гореть все дольше и дольше с каждым испытанием.На электрическую лампу Эдисона был выдан патент № 223 898.

Лампа Эдисона с нашего чердака датирована 27 января 1880 года. Это продукт постоянных усовершенствований, которые Эдисон внес в лампочку 1879 года. Несмотря на то, что ей больше ста лет, эта лампочка очень похожа на лампочки, освещающие ваш дом прямо сейчас. Цоколь или цоколь этой лампы 19 века аналогичен тем, которые используются до сих пор. Это была одна из самых важных особенностей лампы и электрической системы Эдисона. Этикетка на этой лампе гласит: «Лампа Эдисона нового типа ».Запатентован 27 января 1880 г. ДРУГИЕ ПАТЕНТЫ EDISON. "

В начале 1880-х годов Эдисон планировал и контролировал строительство первой коммерческой центральной электростанции в Нью-Йорке. В 1884 году Эдисон начал строительство новой лаборатории в Вест-Ориндж, штат Нью-Джерси, где он жил и работал до конца своей жизни. Объект Вест-Ориндж теперь является частью Национального исторического центра Эдисона, находящегося в ведении Службы национальных парков.

Перед своей смертью в 1931 году Эдисон запатентовал 1093 его изобретений.Чудеса его разума включают микрофон, телефонную трубку, универсальный биржевой тикер, фонограф, кинетоскоп (используемый для просмотра движущихся изображений), аккумуляторную батарею, электрическую ручку и мимеограф. Эдисон также улучшил многие другие существующие устройства. На основании открытия, сделанного одним из его сотрудников, он запатентовал эффект Эдисона (теперь называемый термоэлектронным диодом), который является основой всех электронных ламп. Эдисона навсегда запомнят за его вклад в создание лампы накаливания. Несмотря на то, что он не придумал первую в истории лампочку, а технологии продолжают меняться каждый день, работа Эдисона с лампочками стала блестящей искрой на графике изобретений.В самом начале своих экспериментов с лампой накаливания в 1879 году он сказал:

«Мы поражаем ее большим электрическим светом, лучше, чем мое живое воображение вначале могло представить. Где эта вещь остановится, Господь знает только. "

Примечание. Изображенный выше объект является частью защищенной коллекции объектов Института Франклина. Изображения принадлежат © Институт Франклина. Все права защищены.

.

История лампочки

Более 150 лет назад изобретатели начали работу над яркой идеей, которая оказала огромное влияние на то, как мы используем энергию в наших домах и офисах. Это изобретение изменило способ проектирования зданий, увеличило продолжительность среднего рабочего дня и дало толчок развитию новых предприятий. Это также привело к новым прорывам в области энергетики - от электростанций и линий электропередач до бытовой техники и электродвигателей.

Как и все великие изобретения, лампочку нельзя приписать одному изобретателю.Это была серия небольших улучшений идей предыдущих изобретателей, которые привели к созданию лампочек, которые мы используем сегодня в наших домах.

Лампы накаливания освещают путь

Задолго до того, как Томас Эдисон запатентовал - сначала в 1879 году, а затем годом позже, в 1880 году - и начал коммерциализировать свою лампу накаливания, британские изобретатели продемонстрировали, что электрический свет возможен с дуговыми лампами. В 1835 году был продемонстрирован первый постоянный электрический свет, и в течение следующих 40 лет ученые всего мира работали над лампой накаливания, возясь с нитью накала (та часть лампы, которая излучает свет при нагревании электрическим током) и лампой накаливания. атмосферу колбы (независимо от того, откачивается ли воздух из колбы или она заполнена инертным газом, чтобы предотвратить окисление и выгорание нити).Эти ранние лампы имели чрезвычайно короткий срок службы, были слишком дороги в производстве или потребляли слишком много энергии.

Когда Эдисон и его исследователи из Menlo Park вышли на сцену освещения, они сосредоточились на улучшении нити накала - сначала тестировали углерод, затем платину, прежде чем наконец вернуться к углеродной нити. К октябрю 1879 года группа Эдисона изготовила лампочку с обугленной нитью из хлопковой нити без покрытия, которая могла работать 14,5 часов. Они продолжали экспериментировать с нитью накала, пока не остановились на ней, сделанной из бамбука, что дало лампам Эдисона срок службы до 1200 часов - эта нить накала стала стандартом для ламп Эдисона на следующие 10 лет.Эдисон также внес другие улучшения в лампочку, в том числе создал лучший вакуумный насос для полного удаления воздуха из лампы и разработал винт Эдисона (то, что сейчас является стандартным патроном для лампочек).

(Историческая сноска: нельзя говорить об истории лампочки, не упомянув Уильяма Сойера и Албона Мэна, получивших патент США на лампу накаливания, и Джозефа Свана, который запатентовал свою лампочку в Англии. дебаты о том, нарушали ли патенты Эдисона на лампочки патенты этих других изобретателей.В конце концов, американская осветительная компания Эдисона объединилась с Thomson-Houston Electric Company - компанией, производящей лампы накаливания по патенту Сойера-Мэна - и образовала General Electric, а английская осветительная компания Эдисона объединилась с компанией Джозефа Свана, чтобы сформировать Ediswan в Англии.)

Что делает вклад Эдисона в электрическое освещение настолько выдающимся, так это то, что он не остановился на улучшении лампочки - он разработал целый ряд изобретений, которые сделали использование лампочек практичным.Эдисон смоделировал свою технологию освещения на основе существующей газовой системы освещения. В 1882 году на виадуке Холборн в Лондоне он продемонстрировал, что электричество можно распределять от расположенного в центре генератора через серию проводов и трубок (также называемых трубопроводами). Одновременно он сосредоточился на улучшении выработки электроэнергии, разработав первую коммерческую энергосистему под названием Pearl Street Station в нижнем Манхэттене. А чтобы отслеживать, сколько электроэнергии потребляет каждый покупатель, Эдисон разработал первый электросчетчик.

Пока Эдисон работал над всей системой освещения, другие изобретатели продолжали делать небольшие успехи, улучшая процесс производства нити накала и эффективность лампы. Следующее большое изменение в лампах накаливания произошло с изобретением вольфрамовой нити европейскими изобретателями в 1904 году. Эти новые лампы накаливания прослужили дольше и имели более яркий свет по сравнению с лампами с углеродной нитью. В 1913 году Ирвинг Ленгмюр понял, что размещение инертного газа, такого как азот, внутри колбы удваивает ее эффективность.В течение следующих 40 лет ученые продолжали вносить улучшения, которые снизили стоимость и повысили эффективность лампы накаливания. Но к 1950-м годам исследователи еще только выяснили, как преобразовать около 10 процентов энергии, используемой лампой накаливания, в свет, и начали фокусировать свою энергию на других осветительных решениях.

Дефицит энергии ведет к флуоресцентным прорывам

В 19 веке два немца - стеклодув Генрих Гайсслер и врач Юлиус Плюкер - обнаружили, что они могут производить свет, удаляя почти весь воздух из длинной стеклянной трубки и пропуская электрический ток через нее, изобретение, которое стало известно как трубка Гейслера.Эти газоразрядные лампы не пользовались популярностью до начала 20 века, когда исследователи начали искать способ повысить эффективность освещения. Газоразрядные лампы стали основой многих технологий освещения, включая неоновые лампы, натриевые лампы низкого давления (тип, используемый в наружном освещении, таком как уличные фонари) и люминесцентные лампы.

И Томас Эдисон, и Никола Тесла экспериментировали с люминесцентными лампами в 1890-х годах, но ни один из них никогда не производил их в коммерческих целях.Вместо этого именно прорыв Питера Купера Хьюитта в начале 1900-х годов стал одним из предшественников люминесцентной лампы. Хьюитт создал сине-зеленый свет, пропустив электрический ток через пары ртути и включив балласт (устройство, подключенное к лампочке, которое регулирует ток через трубку). Хотя лампы Cooper Hewitt были более эффективными, чем лампы накаливания, они практически не находили подходящего применения из-за цвета света.

К концу 1920-х - началу 1930-х годов европейские исследователи проводили эксперименты с неоновыми трубками, покрытыми люминофором (материалом, который поглощает ультрафиолетовый свет и преобразует невидимый свет в полезный белый свет).Эти открытия послужили толчком к осуществлению программ исследований люминесцентных ламп в США, и к середине и концу 1930-х годов американские осветительные компании демонстрировали люминесцентные лампы для ВМС США и на Всемирной выставке 1939 года в Нью-Йорке. Эти фонари прослужили дольше и были примерно в три раза эффективнее, чем лампы накаливания. Потребность в энергоэффективном освещении на американских военных предприятиях привела к быстрому распространению люминесцентных ламп, и к 1951 году в США больше света производилось линейными люминесцентными лампами.

Другой недостаток энергии - нефтяной кризис 1973 года - заставил инженеров-осветителей разработать люминесцентные лампы, которые можно было бы использовать в жилых помещениях. В 1974 году исследователи из Сильвании начали исследовать, как можно миниатюризировать балласт и вставить его в лампу. Хотя они разработали патент на свою лампочку, они не могли найти способ ее производства. Два года спустя, в 1976 году, Эдвард Хаммер из General Electric придумал, как изгибать люминесцентную лампу в форме спирали, создав первую компактную люминесцентную лампу (КЛЛ).Как и Sylvania, General Electric отложила этот дизайн, потому что новое оборудование, необходимое для массового производства этих фонарей, было слишком дорогим.

Первые компактные люминесцентные лампы появились на рынке в середине 1980-х годов по розничным ценам от 25 до 35 долларов, но цены могли сильно различаться в зависимости от региона из-за различных рекламных акций, проводимых коммунальными предприятиями. Потребители указали на высокую цену как на препятствие номер один при покупке КЛЛ. Были и другие проблемы - многие КЛЛ 1990 года были большими и громоздкими, они плохо вписывались в светильники, у них была низкая светоотдача и непостоянные характеристики.С 1990-х годов улучшение характеристик КЛЛ, цены, эффективности (они потребляют примерно на 75 процентов меньше энергии, чем лампы накаливания) и срока службы (они служат примерно в 10 раз дольше) сделали их жизнеспособным вариантом как для арендаторов, так и для домовладельцев. Спустя почти 30 лет после того, как КЛЛ были впервые представлены на рынке, КЛЛ ENERGY STAR® стоит всего 1,74 доллара за лампу при покупке в упаковке по четыре штуки.

Светодиоды: будущее уже здесь

Одна из самых быстро развивающихся технологий освещения сегодня - это светодиоды (или LED).Тип твердотельного освещения, светодиоды используют полупроводник для преобразования электричества в свет, часто имеют небольшую площадь (менее 1 квадратного миллиметра) и излучают свет в определенном направлении, что снижает потребность в отражателях и рассеивателях, которые могут задерживать свет.

Это также самые эффективные фонари на рынке. Эффективность лампочки также называется световой эффективностью. Это мера излучаемого света (люмены), деленная на потребляемую мощность (ватты). Лампа, которая на 100 процентов эффективна при преобразовании энергии в свет, будет иметь эффективность 683 лм / Вт.Чтобы представить это в контексте, лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт имеет эффективность 15 лм / Вт, эквивалентная CFL имеет эффективность 73 лм / Вт, а текущие сменные лампы на основе светодиодов на рынке варьируются от 70 до 120 лм / Вт со средней эффективностью 85 лм / Вт.

В 1962 году, работая в General Electric, Ник Холоняк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра в виде красных диодов. Затем были изобретены бледно-желтые и зеленые диоды. Поскольку компании продолжали улучшать красные диоды и их производство, они начали появляться в

.

Кто на самом деле изобрел лампочку накаливания?

Электрическая лампочка, в частности лампа накаливания, на протяжении многих лет стала синонимом термина «лампочка». Хотя это всего лишь одно из различных доступных решений по искусственному освещению, именно о нем думают многие, когда используют термин лампочка.

СВЯЗАННЫЕ С: 19 БОЛЬШИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ, ПРЕВРАЩАЮЩИХ ИСТОРИЮ

Но кто это изобрел и когда? Был ли это Томас Эдисон, как утверждают многие, или Джозеф Свон, как утверждают другие? Участвовал ли в этом процессе Никола Тесла?

Как вы вскоре узнаете, ответ на эту загадку не совсем ясен.Это также зависит от того, что вы считаете «настоящей» лампочкой. Но, как и многие изобретения во времени, конечный продукт - это совокупный труд многих изобретателей на протяжении всей истории, то же самое верно и для лампочки.

В следующей статье мы кратко рассмотрим историю возникновения лампочки и остановимся на некоторых ключевых игроках. Держись крепче.

Томас Эдисон действительно изобрел лампочку? Источник: Wikimedia Commons

Кто и когда изобрел лампочку?

Изобретение лампочки (в частности, лампы накаливания) - вопрос, мягко говоря, довольно спорный.Хотя Томас Альва Эдисон часто получает все заслуги, действительно ли это правда?

Как и многие изобретения на протяжении всей истории, современная лампочка на самом деле представляет собой комбинацию множества крошечных ступенек. Многие историки утверждают, что не менее 20 изобретателей создали различные конструкции ламп накаливания задолго до Эдисона.

СВЯЗАННЫЕ: 85 ЛЕТ НАСЛЕДИЯ: КАК ТОМАС ЭДИСОН ОСВЕЩАЛ МИР

Вкладом Томаса Эдисона в развитие лампочки стало создание первой коммерчески практичной лампы.Поскольку его дизайн был настолько успешным, он фактически доминировал на рынке и опередил все другие версии.

В этом смысле было бы правильнее назвать его «усовершенствовавшим лампочку». Но сначала давайте углубимся.

Одним из наиболее важных шагов до Эдисона была работа великого британского ученого сэра Хамфри Дэви . В 1802 году ему удалось создать первый в мире настоящий искусственный электрический свет.

Дуговая лампа Дэви и батарея Источник: Chetvorno / Wikimedia Commons

Используя недавно изобретенную электрическую батарею, Дэви подключил к ней набор проводов к куску углерода.Дэви был поражен, обнаружив, что кусок углерода начал светиться и испускал много света.

Только что была создана первая в мире дуговая лампа. Единственная проблема заключалась в том, что это длилось недолго, а излучаемый свет был слишком ярким для практического использования.

В течение следующих 70 лет или около того многие другие изобретатели создали свои собственные версии лампочек. Хотя все они были многообещающими, большинство из них, если не все, оказались слишком дорогими в производстве или имели другие проблемы, которые помешали им стать коммерчески жизнеспособными.

Одна из самых известных версий была создана другим британским ученым Уорреном де ла Рю в 1840 году. Он заключил катушку платиновой нити внутри вакуумной трубки и пропустил через нее ток.

Поскольку платина была очень дорогим металлом, это серьезно ограничивало коммерческую жизнеспособность его конструкции.

Джозеф Свон изобрел лампочку до Эдисона?

В 1850 году другой британский изобретатель, Джозеф Уилсон Свон , применил свои значительные таланты.Чтобы решить проблемы, с которыми столкнулся де ла Рю, Свон решил поэкспериментировать с менее дорогими нитевыми материалами.

Углеродные лампы накаливания Swan. Источник: Ulfbastel / Wikimedia Commons

В конце концов он остановился на использовании карбонизированной бумаги для замены платины, что показало некоторые перспективы.

К 1860 году у него был рабочий прототип, но отсутствие хорошего вакуума и достаточного количества электроэнергии привело к созданию лампы, срок службы которой был слишком коротким, чтобы считаться эффективным источником света.

Он также имел тенденцию к почернению или образованию сажи внутренней части вакуумной трубки, что было далеко не идеально (как вы можете видеть на изображении выше).

Несмотря на эти неудачи, Swan продолжал работать над своим дизайном.

По мере совершенствования технологии изготовления электронных ламп в 1870-х годах Свон смогла совершить еще несколько значительных прорывов.

Кульминацией всей его работы стала разработка в 1878 году лампочки с длительным сроком службы. Как и его предшественники, он использовал нить накала, содержащуюся в вакуумированной трубке, за исключением того, что он заменил карбонизированную бумагу хлопковой нитью.

Он запатентовал свой дизайн в 1879 году и позже вступил в прямой конфликт с Томасом Эдисоном.

Еще одна интересная попытка была предпринята в 1874 году парой канадских изобретателей. Генри Вудворд и Мэтью Эванс , оба из Торонто, спроектировали и изготовили свои собственные электрические лампочки.

Пара создала ряд ламп разных размеров и форм, в которых использовались угольные стержни, помещенные между электродами в стеклянных цилиндрах, заполненных азотом. Вудворд и Эванс попытались продать свою лампу, но безуспешно.

В конце концов они продали свой патент Томасу Эдисону в 1879 году.

Как Томас Эдисон изобрел лампочку?

В 1879 году, в том же году, когда Свон подал заявку и получил патент в Англии, Томас Эдисон решил обратить свое внимание на разработку электрических лампочек. Эдисон, всегда будучи заядлым бизнесменом, хотел разработать коммерчески жизнеспособную и практичную версию для вывода на рынок.

Он надеялся выйти на прибыльный рынок газового и масляного освещения в Соединенных Штатах.Если бы он смог сломить гегемонию этих двух систем, он мог бы просто заработать состояние.

В октябре 1879 года он наконец запатентовал свою первую заявку на «Улучшение электрического освещения» в патентном бюро. Но на этом он не остановился.

Эдисон продолжал работать над своими проектами и улучшать их. Он экспериментировал с различными металлами для изготовления нитей, чтобы улучшить характеристики своего первоначального патента.

Первая успешная лампочка Эдисона. Источник: Alkivar / Wikimedia Commons

В 1879 году Эдисон подал еще один патент на электрическую лампу, в которой использовалась углеродная нить или полоса, скрученная и соединенная.... к контактным проводам из платины. "Это решение очень похоже на решение Joseph Swan почти за 20 лет до этого.

В этом патенте также описаны возможные средства создания указанной углеродной нити. Они включают использование" хлопковой или льняной нити , деревянные шины и бумага, свернутая по-разному ».

Всего через несколько месяцев после его более позднего патента Эдисон и его команда смогли обнаружить, что карбонизированный бамбук сделал свое дело. Этот материал, похоже, мог прослужить более лет. 1200 часов .

Это открытие ознаменовало начало коммерческого производства лампочек, и в 1880 году компания Томаса Эдисона, Edison Electric Light Company , начала продавать свой новый продукт.

Впечатляет, но не все шло гладко.

Так похоже было собственное изобретение Эдисона, что Свон решила подать на Эдисона в суд за нарушение авторских прав. Британские суды вынесли решение против Эдисона, и в качестве наказания Эдисон должен был сделать Суэна партнером в своей электрической компании.

Источник: Wikimedia Commons

Позже даже U.Патентное ведомство S. Patent Office решило в 1883 году, что патент Эдисона недействителен, так как он также дублирует работу другого американского изобретателя. Но, несмотря на все это, Эдисона навсегда запомнят как изобретателя лампочки.

Томас Эдисон впоследствии стал одним из самых плодовитых изобретателей и бизнесменов XIX и XX веков. К моменту своей смерти он приобрел ошеломляющие 2332 патента с 389 только на электрическое освещение и питание.

Кто изобрел лампочку Тесла или Эдисон?

Хотя Томас Эдисон по праву получил некоторую «горячку» за «кражу» многих изобретений и разработок Николы Теслы, лампочка к их числу не относится.На самом деле, Тесла тратил совсем немного времени на разработку любого вида электрического освещения.

Tesla, тем не менее, внесла свой вклад в развитие дугового освещения. Он также провел несколько интересных экспериментов с возможностью беспроводного освещения.

Но утверждения относительно изобретения Эдисоном лампочки, как мы видели, спорны. Но нельзя отрицать тот факт, что Эдисон, в отличие от всех изобретателей лампочки до него, смог создать коммерчески жизнеспособную и надежную конструкцию.

По этой причине и его деловой хватке в целом именно дизайн Эдисона (и Джозефа Свона) стал бы повсеместным во всем мире.

.Описание

новых лампочек - лампы накаливания, CFL и светодиоды

Ноа Горовиц - старший научный сотрудник и директор Центра энергоэффективности NRDC. Это Op-Ed адаптировано из сообщения в блоге NRDC Switchboard . Он написал эту статью для журнала LiveScience Expert Voices: Op-Ed & Insights .

Шесть лет назад президент США Джордж Буш подписал федеральный закон об энергии, предусматривающий поэтапный отказ от энергозатратных лампочек по поэтапному графику, чтобы обеспечить плавный и успешный переход на более эффективные лампы, включая более эффективные лампы накаливания, - усилия, которые могут в конечном итоге сэкономить американцам 13 миллиардов долларов на их ежегодных счетах за электроэнергию.Все крупные осветительные компании, в том числе General Electric (GE), Philips и Sylvania, поддерживают изменения и модернизировали свои цепочки поставок для производства энергосберегающих ламп.

Этой светодиодной лампе от Cree нужно всего 9,5 Вт, чтобы производить такое же количество света, как и старой 60-ваттной лампе. (Изображение предоставлено Cree, Inc.)

1 января 2013 года началась следующая глава, когда вступил в силу закон для старых, неэффективных 40- и 60-ваттных ламп, которые составляют более половины рынка - производители больше не могут производить или импортировать эти луковицы для рынков США.

Это следует за недавно завершившимся переходом от старых 100- и 75-ваттных ламп накаливания за последние два года, процесс, который развивался плавно, потому что существует так много доступных более эффективных вариантов.

Теперь у потребителей есть три основных типа ламп на выбор: новые и улучшенные лампы накаливания, которые потребляют на 28 процентов меньше энергии, компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиоды (светодиоды), которые обеспечивают экономию энергии не менее 75 процентов. процентов по сравнению с лампами накаливания и служат намного дольше.Некоторым светодиодным лампам требуется всего 9,5 Вт, чтобы производить такое же количество света, как и старой 60-ваттной лампе.

Cree's CR6 LED Energy Star, сертифицированный светильник направленного света, работающий по технологии Cree TrueWhite. (Изображение предоставлено Cree, Inc.)

Фактически, во многих отношениях эти стандарты, требующие повышения эффективности, привели к большему количеству инноваций в освещении за последние пять лет, чем мы видели за 100 с лишним лет с тех пор, как Эдисон изобрел лампочку!

Чтобы было ясно, лампы накаливания не исчезают в первое время года - они просто становятся более эффективными.А технологические достижения - например, 43-ваттная лампа GE, которая заменяет 60-ваттную лампу накаливания, - уже сэкономили домовладельцам и предприятиям миллиарды долларов на счетах за электроэнергию. Новые стандарты в конечном итоге позволят экономить столько электроэнергии, сколько вырабатывается 30 крупными угольными электростанциями - и связанное с ними загрязнение, которое вредит здоровью американцев и способствует потеплению планеты - каждый год.

В то же время стандарты создали новые рабочие места в Соединенных Штатах по производству эффективного освещения, что помогает стимулировать нашу экономику.

Если вы являетесь актуальным экспертом - исследователем, бизнес-лидером, автором или новатором - и хотели бы внести свой вклад в обзорную статью, напишите нам сюда.

Люмен, а не ватт

Новые лампочки потребляют меньше энергии, чтобы излучать такое же количество света. Таким образом, потребители больше не будут покупать лампочки просто на основании их мощности, выраженной в ваттах, а будут покупать лампы на основе их светоотдачи, выраженной в люменах. В ближайшем будущем производители включают такие утверждения, как «заменяет лампу мощностью 60 Вт» или «13 Вт = 60 Вт» для 13-ваттной КЛЛ, которая излучает столько же света, как и старая 60-ваттная лампа накаливания.

Таблица из руководства по покупке лампочек NRDC предоставляет потребителям простой способ выбрать лампу с тем количеством света, которое они ищут. Например, новые лампы накаливания, которые иногда называют галогенными, которые заменяют старые 60-ваттные лампы, потребляют всего 43 Вт.

Советы по покупке ламп

Еще кое-что, что нужно знать при покупке новой лампочки:

  • Не все КЛЛ и светодиоды созданы одинаково. Чтобы убедиться, что вы получаете хороший, покупайте только те, которые имеют этикетку ENERGY STAR®.Они не только экономят энергию, но и со временем будут работать хорошо. КЛЛ
  • служат в 10 раз дольше, чем лампы накаливания, а светодиоды служат в 25 раз дольше. Несмотря на то, что их покупка может стоить дороже, они сэкономят много денег в течение своего срока службы, а также избавят вас от необходимости заменять каждую из ваших лампочек каждый год.
  • Лампочки бывают разных вкусов. Если вы хотите, чтобы свет выглядел так же, как в вашей старой лампе накаливания, купите лампу с надписью «теплый белый». Те, которые говорят «дневной свет» или «холодный белый», будут иметь гораздо более белый, почти голубоватый, белый свет, который может не понравиться многим потребителям.
  • Если вам нужна лампа с регулируемой яркостью, купите светодиодную лампу или лампу накаливания.

В итоге, переход страны на более эффективные лампочки идет полным ходом, и переход от 40- и 60-ваттных ламп должен пройти без сучка и задоринки. Производители и розничные продавцы действительно подошли к этому вопросу, и теперь у нас есть отличная энергосберегающая лампочка на полке, готовая к каждой розетке в вашем доме.

Последней редакцией Горовица было « Новое соглашение, сокращающее потребление энергии для ТВ-приставок, чтобы сэкономить 1 миллиард долларов ежегодно ».«Этот обзор был адаптирован из« Все системы идут, когда мы прощаемся со старой неэффективной 60-ваттной лампой 1 января »в блоге NRDC Switchboard . Высказанные мнения принадлежат автора и не обязательно отражают точку зрения издателя. Данная версия статьи изначально была опубликована на LiveScience.

.

Смотрите также