Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Свет свечи

До электричества человечество пользовалось открытым огнем: свет тогда получали термическим способом. Для освещения был необходим процесс горения или тления. Когда вы разжигаете костер, зажигаете камин или свечи в канделябре, вы запускаете химическую реакцию (горения), в ходе которой топливо (дерево, воск, уголь или другой материал) окисляется, выделяя тепло и свет. Внешняя энергия возбуждает атомы в топливе. Возвращаясь в исходное состояние, они эмитируют энергию в виде инфракрасного излучения (когда вы ощущаете тепло) и видимого света (в котором присутствуют красный, оранжевый, желтый и белый цвета). По яркости освещения последнее место, наверное, занимают свечи. Мерцающего света одной свечи иногда еле хватает для того, чтобы читать. Но при горении свеча нагревается до очень высокой температуры (около 1400 °C), что значительно выше температуры вулканической лавы[156].

Лампы накаливания

Старомодные электрические лампочки служат нам до сих пор и работают на принципе накаливания. В отличие от существовавших во времена их появления других ламп накаливания, в которых горел фитиль с топливом, электрическая лампочка питается электроэнергией. Когда электричество проходит через тонкую металлическую проволоку, атомы в ней возбуждаются настолько, что уже не в состоянии удерживать в себе электроны. Чем тоньше проволока, тем труднее электрическому току проходить по ней – здесь возникает то, что мы называем электрическим сопротивлением. Поддерживая напряжение на должном уровне, вы можете добиться разогрева проволоки до красного или даже белого цвета. Загвоздка в том, что в таких случаях легко сжечь проволоку. Поэтому ее заключают в стеклянную вакуумную оболочку, внутри которой нет кислорода. Если бы люди не додумались до этого, наши электролампочки работали бы всего несколько минут. В вакууме электричество, проходя по проволоке, разогревает ее, заставляя атомы «выбрасывать» свет.

«Долгоиграющая» нить накаливания появилась только в 1880 году, когда Томас Эдисон запатентовал свою электрическую лампочку. Обычно историю изобретения величайшего устройства всех времен, ставшего символом человеческой изобретательности, подают так, будто оно ждало своей очереди в ряду других блестящих изобретений Эдисона. Но это миф. Еще до Эдисона многие занимались идеей создания электрического освещения. И даже сам Эдисон добился успеха скорее в результате упорного труда, а не озарения. В лаборатории в Менло-Парке, которую охранял сидевший на цепи медведь, Эдисон испытал около 6000 разных вариантов нитей накаливания, от бамбука и хлопка до рыжего волоса из бороды шотландца, пока наконец не нашел единственный вариант: вольфрамовую нить накаливания, заключенную в стеклянную колбу, в которой создан искусственный вакуум. Эта классическая лампочка служит нам по сей день. Главной находкой Эдисона была, конечно, вакуумная колба. Без нее любая нить накаливания обречена на такое же быстрое сгорание, как капризная голливудская звезда[157].

Флуоресцентные лампы

Главная проблема с лампами накаливания в том, что они излучают вместе со светом и огромное количество тепла. По некоторым подсчетам, при их эксплуатации до 90 % потребляемой электроэнергии теряется на разогрев нити, окружающего ее стекла и воздуха вокруг. Современные энергосберегающие лампы гораздо эффективнее, потому что генерируют столько же света, сколько и прежние, при значительно меньшем производстве тепла. Но если нет тепла, откуда берется энергия для того, чтобы заставить атомы производить свет? Она получается в результате столкновения атомов.

Флуоресцентная лампа представляет собой закрытую стеклянную трубку с двумя полюсами (электродами). Когда вы включаете лампу в электрическую цепь, атомы заполняющего трубку газа превращаются в ионы и начинают быстро двигаться внутри трубки. Атомы, электроны и ионы часто сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия от него возбуждает атомы, и возникает вспышка невидимого ультрафиолетового света. Этот свет был бы для нас невидимым, если бы внутренняя поверхность стеклянных трубок не была покрыта порошкообразным фосфором. Когда ультрафиолет попадает на атомы фосфора, они тоже возбуждаются, и электроны в них «перепрыгивают» на более высокие орбиты. Затем атомы возвращаются в первоначальное состояние. При этом вместо ультрафиолета, который они поглотили, они «выбрасывают» фотоны видимого света. Почему флуоресцирующие лампы всегда белые, а не прозрачные? Как раз потому, что изнутри они покрыты фосфорсодержащим материалом.

Неоновые лампы работают по тому же принципу, но они заполнены специальным газом (неоном), который создает красный свет при пропускании через него электрического тока. Неоновыми называют большую группу ламп, и не все они заполнены неоном. В других используются «благородные» газы ксенон и аргон (или смесь разных газов, известных как инертные). Они используются для получения разных цветов свечения, а также различных эффектов.

Для получения флуоресцентного света не нужно электричество. Всё, что способно атаковать атомы с достаточной энергией, может «выбить» из них вспышку света. Поэтому, например, некоторые леденцы светятся во рту, когда вы разгрызаете их зубами. Ваши зубы становятся источником энергии укуса и «жевания», а компоненты леденцов (обычно это винтергрен метилсалицилат) превращают ее в видимый свет примерно так же, как фосфорное покрытие во флуоресцентных лампах. Но свет получается голубой, а не белый.

Светодиодный свет

Почему разные типы света различаются по эффективности? Закон сохранения энергии говорит нам, что свет от лампы производится другой энергией. Чем легче мы заставим электроны генерировать свет, тем меньше будут потери энергии и тем более эффективным окажется ее источник. Поэтому флуоресцентные лампы (где атомы просто сталкиваются) намного эффективнее ламп накаливания (которые требуют нагревания нити или элемента накаливания), а лампы накаливания гораздо эффективнее свечей (где для получения света мы должны уничтожить гигантский кусок воска).

Получается, что самым эффективным способом получения света может стать только организация направленного движения электронов. Именно это и происходит в светодиодных лампах, которые по эффективности и долговечности превосходят даже компактные флуоресцентные. Диод – самый простой микрочип. Он работает наподобие улицы с односторонним движением для электронов. Электрический ток может течь в диоде только в одном направлении. Светодиод, как подсказывает его название, – особый вид диода, который светится при пропускании через него электричества. Это кремниевый (а лучше полупроводниковый) эквивалент нити накаливания.