Световые явления

В неосвещенной комнате с плотно закрытыми окнами ничего не видно. Но если включить электролампу, то предметы в комнате станут видимыми. Ещё почти полтора века назад электрическим освещением любовались как праздничным фейерверком, - оно было в диковинку.

Тогда (в 1878 году) впервые улицы и площади Парижа озарились непривычно ярким светом электрических фонарей. С наступлением сумерек парижане спешили на площадь Оперы, - отсюда открывалось красивое зрелище – два ряда огней, сияющих вдоль улицы.

Эти лампы, столь  чудесным образом преобразившие  столицу Франции, были изобретением русского электрика – Павла Николаевича Яблочкова. И жители Парижа, отдавая дань уважения русскому ученому, называли новый свет «Русским светом», «Северным светом».

Разве электрическую  лампу, названную электрической  «свечой», можно было сравнить с  прежними лампами – масляной, газовой, керосиновой? Их тусклый свет не мог  победить темноты ночных улиц. А  сколько хлопот доставляли эти несовершенные уличные фонари! Зажигать приходилось каждый фонарь в отдельности. Фонарщик не спеша подставлял лестницу, взбирался на нее, подливал в резервуар горючее, протирал стекло, поправлял фитиль и, наконец, зажигал его. Сколько уходило времени, прежде чем на улице загорался ряд фонарей!

Иное дело – электрическое освещение. Правда, вначале каждую свечу тоже приходилось включать отдельно от других, но это делалось мгновенно. А потом, когда научились разветвлять ток, фонари загорались все сразу по всей улице, - их включали одним оборотом рубильника.

Талант Яблочкова  подарил миру чудесный свет. В этом были солидарны народы тех стран, где зажглось «русское солнце» - первая электрическая лампа. Яркое свечение в этой лампе возникало при сильном электрическом разряде – дуге. Между двумя электродами – углями, - раскаленными электрическим током, возникала дуга. [11]

Но не свеча  Яблочкова, а лампа накаливания стала родоначальницей современных электрических ламп. Более простая, более долговечная, более удобная в обращении, она была сконструирована русским электриком Лодыгиным. Эту лампу называют лампой накаливания потому, что источником света в ней служит накаленная электрическим током нить. Сначала эту нить делали из угля, позже – из тугоплавкого металла вольфрама.

Свет необходим  для работы глаза, тонкого и сложного органа. Глаз контролирует, направляет каждое движение человека, но только при  свете. В темноте человек «слепнет», становится беспомощным. Вернуть человеку способность видеть в темные часы суток может только искусственный свет.

Зародилось  искусственное освещение давно, в доисторические времена. Это, можно  сказать, одно из самых древних культурных завоеваний человека. В тот далекий  день, когда первобытный человек  принес в свое жилище тлеющие угли и подбросил в них хворост, началась история не только энергетики, но и светотехники. Огонь древнего костра, разведенный под сводами пещеры, и обогревал ее обитателей, и давал им свет. Греясь у костра, человек не опасался нападения диких зверей. В отблесках пламени он видел то, что скрывала от его глаз темнота.

Потомком костра стал факел – горящая ветка, которую  человек вытащил из костра. Затем  вместо целой ветки появились  тонкие длинные щепки – лучина.

Потом вместо дерева стали зажигать фитиль, опущенный в сало или в масло. Так родились свеча и лампада, а они уже дали начало всяческим лампам – масляной, керосиновой, и, наконец, газовой.

Все эти источники  лучше или хуже служили человеку; с их помощью он рассеивал темноту  ночи. Но и светильники, и лампы выполняли свою обязанность довольно плохо. Одни больше, другие меньше, но все они коптили, а некоторые разбрасывали искры, от которых легко мог возникнуть пожар. При горении расходовался кислород воздуха, в помещении скапливался углекислый газ, - становилось душно. Если даже зажигали много светильников одновременно, получалось мало света. В дни празднеств большие залы освещали сотнями свечей. Не трудно представить себе, сколько копоти оседало на лицах и костюмах гостей, в каком спертом, душном воздухе они веселились.

При этом такое  пышное освещение было по средствам  лишь состоятельным людям: свечи, масло  и всякое другое горючее стоили дорого. Во многих домах все члены семьи  коротали вечера при свете одной  единственной свечи. Этот скудный свет освещал кое-как лишь поверхность стола, а читать и писать можно было только на расстоянии полуметра от свечи.

Электрическая лампа затмила всех своих предшественниц. В новом, ярком свете померкли и бледное пламя газового фонаря, и красноватый огонек керосиновых ламп, и неверный язычок свечи, и мерцающее, коптящее пламя лучины. Электричество не давало ни копоти, ни газа, ни дыма, ни углекислого газа. При электрической лампе не приходилось опасаться пожара. Новую лампу не нужно было заправлять горючим, поправлять поминутно фитиль.

Светец –  неизменный спутник лучины, щипцы, которыми снимали обгоревший фитиль свечи, подсвечник и множество других приспособлений стали бесполезны и вышли из обихода. Словом, электрическая лампа не доставляла никаких хлопот, а светила не в пример ярче, нежели ее предшественницы. Свет одной электрической лампочки мог заменить свет десяти, пятидесяти, ста и тысячи свечей. Современная лампочка накаливания замечательна тем, что все ее части продуманы, выверены. Она – итог работы многих изобретателей. Её родословная начинается ещё в первой половине позапрошлого столетия. Уже в 1840 году английский физик Гров умел раскалять электрическим током металлическую нить без доступа кислорода, под стаканом, опрокинутым в тарелку с водой.

Первая пригодная  для освещения угольная лампочка накаливания, созданная Лодыгиным, была усовершенствована многими  изобретателями – Дидрихсоном, Булыгиным, Эдисоном. Они устраняли разные ее недостатки, искали новые, лучшие решения ее конструкции.

В 1878 году Эдисон занялся промышленным внедрением лампы накаливания, что принесло ему наибольшую известность. Хоть и лампа не была его изобретением (здесь приоритет принадлежал А. Н. Лодыгину и П. Н. Яблочкову), но он стал создателем такого типа лампы и такой электрораспределительной системы, которые впервые могли экономично работать совместно. Осветительная система Эдисона могла и была способна конкурировать с газовым освещением того времени. Для расширения практического применения электричества это было не менее важно, чем само изобретение лампы. В 1873 после тысяч экспериментов он создал лампу (с угольной нитью), которая горела 40 часов. Он конструировал генераторы постоянного тока, линии электропередачи, и электрические сети, а позднее – трехпроводную систему. В 1882 Эдисон открыл свою первую центральную электростанцию в Нью-Йорке. Это было началом осветительной индустрии в Америке.

В 1883, экспериментируя  с лампой, Эдисон сделал открытие в  области «чистой» науки – открыл термоэлектронную эмиссию, которая  позднее была применена в вакуумном диоде для детектирования радиоволн.

Каких только материалов не испробовали, прежде чем остановиться на вольфраме. Угольные стерженьки и  нити, тщательно защищенные от доступа  кислорода воздуха, удавалось раскалять  только докрасна. Не помогла даже проволока из платины, хотя она хорошо впаивалась в стекло и, нагреваясь, расширялась с ним в одинаковой степени: платина, как и уголь, при более высокой температуре начинала быстро испаряться.

Иное дело – вольфрам: его температура плавления выше 3000º, а испаряется он в гораздо меньшей степени, чем уголь.

Не сразу  нашли подходящий материал и для  вводных проводов. Ведь нужен был  такой, который при нагревании расширялся бы так же, как и стекло: иначе, охлаждаясь сразу после впайки, стекло треснет. Теперь применяют сплавы никеля с железом – «платинит», коэффициент расширения которого почти такой же, как и у стекла.

В первых лампочках  из баллона выкачивали воздух, чтобы  металл нити не соединялся с кислородом, и нить не сгорала. Но выяснилось, что в пустоте металл нити испаряется сильнее. Тогда вспомнили об инертных газах, - они вообще не вступают в химические соединения. Теперь пространство внутри лампочки заполняют инертным газом – аргоном. Он не образует химических соединений и замедляет испарение металла.

Электрическая дуга в свече Яблочкова излучала всегда только очень яркий свет, - сделать слабо светящую свечу  было невозможно. А сейчас выпускают  на заводах и лампочки-малютки, и  лампы-великаны, ростом с человека, способные дать и слабый, и яркий свет. Все они достаточно долговечны, просты и удобны в употреблении. [5]

Пучок разноцветных лучей.

Не одно тысячелетие  людей занимал вопрос: как получаются разные цвета? Какой цвет простой, однородный? Какие цвета сложные, смешанные?

Две тысячи лет  назад на эти вопросы отвечали так: главные, простые цвета – черный и белый, свет и тьма. Остальные происходят от их смешения. В синем цвете много черного и мало белого; в желтом – много белого и мало черного.

Такое объяснение принимали на веру, и долгое время никто даже не пытался проверить его на опыте.

Лишь в 1666 году молодой англичанин, математик и  физик, Исаак Ньютон взялся проверить этот общепризнанный взгляд. Ньютон произвел такой опыт: в солнечный день плотно закрыл ставнями окна своей комнаты и только в одной ставне прорезал небольшое круглое отверстие.

В темную комнату  ворвался тонкий солнечный луч и  круглым пятном – зайчиком –  лег на противоположной стене. Тогда  Ньютон на пути луча поставил стеклянную трехгранную призму ребром вниз. Ньютон рассуждал так: если свет солнца однороден, он выйдет из призмы таким же, лишь изменив свое направление. Если же солнечный луч смешанный, - быть может, стекло призмы разложит его на составляющие цвета, и каждый цвет на выходе из призмы отклонится по-разному: одни – больше, другие – меньше.

То, что увидел Ньютон, опровергало все прежние  представления. Вместо круглого зайчика  на стене вытянулась радужная полоса. Внизу она начиналась фиолетовым цветом, а вверху заканчивалась красным. Между ними, переходя один в другой, разместились синий, голубой, зеленый, желтый и оранжевый цвета.

Впервые удалось  разложить солнечный луч на составляющие его излучения, увидеть наглядную  картину этого разложения – радужную полоску, солнечный спектр. Также его называют призматическим (дисперсионным) спектром. Этот опыт является следствием дисперсии (зависимости скорости распространения световой волны в веществе от её частоты).

Белый цвет Солнца неоднороден, - говорил опыт. Это составной цвет. Белый цвет – это смесь разноцветных лучей. Как ни заманчиво было такое заключение, ученый, однако, воздержался сделать его сразу.

А цвет фиолетовый, голубой, зеленый и остальные, составляющие белый свет, сложные ли они, или  простые? – задал себе вопрос Ньютон. Ответ дать мог только опыт. И  Ньютон поставил такой опыт: попробовал цветной луч снова разложить призмой.

Примерно на середине пути от призмы до стены ученый поместил экран и там, где на экран  ложился красный луч, вырезал  маленькое отверстие. Таким образом, экран задерживал фиолетовый, голубой, зеленый, желтый и оранжевый лучи и пропускал красные. А за экраном ньютон установил вторую призму. Если и те лучи, на которые распадается солнечный свет, также составные, то вторая призма разложит еще на какие-то цвета.

Но призма лишь отклонила красный луч, и он красным пятном упал на стену. Так Ньютон убедился, что в состав красного луча уже не входят лучи других цветов, что красный цвет проще, однороднее белого.

Наконец, Ньютон проделал и третий опыт. Недалеко от первой призмы он поставил вторую ребром вверх. Если первая призма разложит белый луч на цветные лучи, то вторая, отклоняя лучи в обратном направлении, вновь соберет цветные лучи в один пучок белого цвета. Действительно, на стену снова легло белое пятно, как будто никаких призм на пути луча не было. [5]

Только теперь Ньютон сделал вывод, что белый свет состоит из ряда более простых  цветных лучей. Это было открытие огромной научной ценности.

Цвета тел.

Окружающий  нас мир красочен. Это объясняется  сложностью солнечного света. Но как  объяснить, что листья растений мы видим зелеными, василек – синим, писчую бумагу – белой? Для этого необходимо обратиться к опыту.

Получим на экране с помощью треугольной стеклянной призмы спектр (от лат. spectrum - видение) и закроем его лентой красного цвета. Мы увидим, что только в красной части спектра лента выглядит ярко-красной. Во всех других частях спектра она черная. Это происходит потому, что лента, на которую падает свет всех остальных спектров, отражает только красный свет, а свет других цветов поглощает.

Если проделать такой же опыт с зеленой лентой, то окажется, что она только в зеленой части спектра выглядит ярко-зеленой. В других частях спектра она темная.

Опыт показывает, что цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает.[6]

Цвета отличаются друг от друга длиной волны. Из сложения основных семи цветов, которые составляют белый свет, образуются оттенки. И лишь немногие способны различать цвета, тем более их производные.

Если тело равномерно рассеивает все составные части  белого света, то при обычном освещении оно кажется белым, например писчая бумага. Если тело, например сажа, поглощает весь падающий на него свет, то оно кажется черным.

Различные тела не только неодинаково рассеивают свет различной цветности, но также неодинаково пропускают свет сквозь себя. Поэтому, когда мы рассматриваем прозрачные тела на просвет, то они кажутся нам различно окрашенными. Если тело, например, пропускает цвет синего цвета, то оно нам кажется синим. Такие прозрачные тела называю светофильтрами.