Więcej światła
Wystawa interaktywna Kraków 2014
Autorzy scenariusza wystawy: mgr Piotr Turowski dr Rafał Sworst Autor tekstów: dr Rafał Sworst Aranżacja wystawy, rysunki, projekty modeli: Lach-Projekt Kamil Łęcki Fotografie: Józefina Gocman (strony: 20-24, 26-32, 34-38, 40, 42-57, 62, 64) Iwo Wachowicz (strony: 4, 58-61, 63) Projekt okładki: Beata Krzaczyńska Andrzej Kikin Projekt i skład katalogu: Ewelina Jędrychowska ISBN: 978-83-939312-0-0 © Muzeum Inżynierii Miejskiej w Krakowie, 2014 Muzeum Inżynierii Miejskiej 31-060 Kraków, ul. św. Wawrzyńca 15 tel./fax.: 12 421 12 42 /wew. 130 email: muzeum@mimk.com.pl www.mimk.com.pl
is t reś ci Sp
5
Wstęp
Rodzina światła
Modele na wystawie
Fotografie
8
22
58
Wstęp Fascynacja światłem towarzyszy ludzkości od niepamiętnych czasów, czego wyraz możemy znaleźć w licznych mitach i legendach. Pytanie o naturę światła nurtowało uczonych od starożytności. W XVII w. naukowcy spierali się o to, czy światło to cząstki, czy fale. Badając światło rozszczepione w pryzmacie okazało się, że jest ono mieszaniną różnych barw od czerwieni do fioletu. Postępy poczynione przez fizykę w XIX w. ujawniły związek między światłem, elektrycznością i magnetyzmem, dowodząc, że światło widzialne stanowi jedynie wąski wycinek widma fal elektromagnetycznych, rozciągającego się znacznie dalej, bo od promieniowania gamma, aż po fale radiowe. Fale elektromagnetyczne, stanowiące „Rodzinę światła”, znalazły mnóstwo zastosowań, zmieniając nasze życie i cały świat. Niemal codziennie z nich korzystamy, oglądając telewizję lub rozmawiając przez telefon komórkowy. Promieniowanie gamma stosujemy w energetyce, promieniowanie rentgenowskie w medycynie, ultrafiolet wykorzystujemy do niszczenia bakterii i wirusów. Podczerwień pozwoliła nam widzieć w ciemności, mikrofale dały możliwość szybkiego podgrzewania potraw, a fal radiowych używamy do błyskawicznego przesyłania obrazu i dźwięku w radiu i telewizji. 5
Celem wystawy „Więcej światła” jest przybliżenie zjawisk fizycznych, związanych ze światłem, a także przedstawienie urządzeń technicznych, służących do jego wytwarzania. Wystawa jest także „pożegnaniem” z edisonowską żarówką, towarzyszącą ludzkości od ponad 130 lat. To właśnie Thomas Edison opracował w 1879 r. pierwszą żarówkę, przeznaczoną do produkcji przemysłowej. Przez co najmniej kilkadziesiąt lat próbowano udoskonalić żarówkę, poszukując nowych materiałów na włókno żarnika. Na początku XX w. zastosowano włókno wolframowe, z którym żarówka przetrwała bez większych zmian do czasów obecnych. Ze względu na niską wydajność świetlną i duże zużycie energii elektrycznej, ta klasyczna żarówka jest stopniowo wycofywana z rynku, ustępując miejsca świetlówkom i diodom, odchodząc powoli do historii. W pierwszej dekadzie XX w. zastosowana została nowa technologia, oparta na wyładowaniach elektrycznych w gazach, dając początek nowoczesnym świetlówkom. Jako gaz wypełniający, początkowo w reklamach i oświetleniu miejskim, wykorzystywano neon, później pary rtęci w lampach przemysłowych i studiach fotograficznych. Idea lamp fluorescencyjnych, opartych na wyładowaniu elektrycznym, pojawiła się już w latach 80-tych XIX w., jednak opracowanie lampy komercyjnej zajęło wiele lat. Standardowe liniowe świetlówki do powszechnego użycia powstały nie wcześniej jak w latach 30-tych XX w., a świetlówki kompaktowe o kształcie tradycyjnej żarówki w latach 70-tych XX w.
6
Od lat 70-tych XX w. stosowana jest już nowa generacja źródeł światła: są to diody elektroluminescencyjne LED, wykorzystywane początkowo w zegarkach, kalkulatorach i wyświetlaczach urządzeń elektronicznych. Silny i intensywny rozwój technologii wytwarzania i poprawy jasności diod LED, odbywający się na naszych oczach sprawił, że od końca lat 90-tych XX w. diody stały się szeroko dostępne także w oświetleniu. Żarówka – świetlówka - dioda LED, każde z tych źródeł światła ma swoje wady i zalety. Żarówka ma bardzo przyjemne ciepłe światło, jednak zużywa najwięcej energii elektrycznej. Świetlówka, choć jest bardziej oszczędna, to w jej świetle, tak innym od światła słonecznego, nie zawsze dobrze się czujemy. Hit ostatnich lat - diody LED są najbardziej oszczędne i trwałe, jednak jakość ich światła nadal odbiega od ideału. Czy przyszłość oświetlenia należy do diod LED? Wybór źródła światła zależy od indywidualnych odczuć i potrzeb każdego z nas. Wystawa „Więcej światła” może nas w tych wyborach ukierunkować, wyjaśniając nam, jakie są różnice między tradycyjnymi i nowoczesnymi źródłami światła oraz czym się kierować dobierając oświetlenie w swoim domu. Muzeum Inżynierii Miejskiej serdecznie dziękuje Panu Markowi Sosenko za wypożyczenie na wystawę historycznych żarówek.
Piotr Turowski
7
-15
10
10
-14
-13
10
-12
10
Promieniowanie gamma
-11
10
-10
10
-9
10
-8
10
10
-7
-
10
Promieniowanie
Promieniowanie rentgenowskie
Promie
Rodzina światła
-6
UV
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
10
-1
1
Promieniowanie podczerwone
eniowanie widzialne
Promieniowanie mikrofalowe
10
10
2
10
3
Promieniowanie radiowe
długość fali [m]
10
Witaj na wystawie Witaj. To ja - FOTON. Miło Cię poznać. Pozwól, że będę Twoim przewodnikiem po wystawie „Więcej światła” w Muzeum Inżynierii Miejskiej.
Dlaczego ja? Ponieważ jestem wszędzie tam, gdzie światło - właściwie to ja jestem światłem. A przy tym lubię ludzi, którzy są ciekawi świata - jak Ty. Zapraszam Cię więc na świetlną wędrówkę ...
Dziwi Cię mój kształt? Pochodzi z tzw. diagramów Feynmana, które ułatwiają fizykom trudne obliczenia. Proste kreski oznaczają cząstki, z których powstaję, lub w które się zamieniam, a falująca krzywa oznacza właśnie MNIE.
11
Kilka słów o sobie Niektórzy nazywają mnie promieniowaniem elektromagnetycznym, ale to określenie łamie mi język. Dla przyjaciół – Czerwony. Mam liczną rodzinę, o której opowiem niebawem. Mierzę całe 700 nanometrów wzrostu. Aby otrzymać taką wartość należałoby grubość Twojego włosa podzielić na około 70 równych części. Wiem, że to bardzo mało, ale jak się przekonasz – są jeszcze mniejsi niż ja.
Za to jaki jestem szybki! Najszybszy na świecie! Pokonanie dystansu ze Słońca na Ziemię zajmuje mi 500 sekund, czyli nieco ponad 8 minut. Gdybyś chciał taką podróż odbyć samolotem pasażerskim, lot trwałby ponad 20 lat! Mknę z prędkością 300 000 km/s!
Aha, i nie mam masy. Bardzo to wygodne – odpada szereg problemów z tłustymi potrawami i trzymaniem linii.
12
Mam złożoną osobowość W dzisiejszych czasach naukowcy dobrze mnie znają, ale nie zawsze tak było. Być może powodem jest moja skłonność do figli, lecz sam powiedz – czy można być poważnym, kiedy Cię badają różnymi, dziwnymi przyrządami? Zrozumie mnie każdy, kto choć raz miał łaskotki. Około 350 lat temu dwóch znakomitych uczonych - Isaac Newton (czytaj: Niuton) i Christiaan Huygens (czytaj: Hojgens) dokonali wielu ciekawych odkryć na mój temat.
Co ciekawe Newton uważał, że jestem cząstką...
... a Huygens, że wręcz przeciwnie – falą.
Dopiero z powstaniem mechaniki kwantowej, na początku XX wieku, inni uczeni przekonali się, że obaj panowie mieli rację. Czasami zachowuję się jak cząstka, a czasami jak fala. 13
Moja rodzina Moja rodzina jest bardzo liczna. Wszyscy moi krewni różnią się wzrostem. Tych niewiele wyższych lub niższych ode mnie możesz zobaczyć. Różnią się kolorami. Są Pomarańczowi, Żółci, Zieloni, Niebiescy, Fioletowi. W przypadku Fioletowych swój włos musiałbyś dzielić już na 125 równych części.
Zdradzę Ci też tajemnicę, dzięki której będziesz wiedział o nas bardzo dużo: nie możemy usiedzieć na miejscu – ciągle podrygujemy na wszystkie strony. Im jesteśmy mniejsi, tym te drgania wykonujemy szybciej. To tak jak u ludzi – dzieci też podrygują więcej niż dorośli. I wiem, że to niesamowite, ale im mniejsi jesteśmy, tym większą posiadamy energię. Wynika to z faktu, że energia zależy tylko od tych naszych podrygiwań. Moi najdalsi i najmniejsi kuzyni – promienie gamma to dopiero mocarze. Niektórzy pracują w elektrowniach jądrowych i produkują prąd!
14
Jeszcze o rodzinie Wspominając o rodzinie, wypada wymienić jeszcze ultrafiolet i promienie Rentgena. Wszyscy mniejsi ode mnie. Za ultrafioletem nie przepadam. Pracuje w solariach i choć nadaje skórze piękny brązowy odcień, to potrafi być również szkodliwy, zwłaszcza, kiedy działa długo.
Promienie Rentgena są znanymi medykami. Zawód połączyli ze swoim hobby, którym jest fotografia. Robią ludziom niezwykłe zdjęcia, na których widać wnętrze organizmu. Dzięki temu można rozpoznać groźne choroby.
O czymś zapomniałem? A tak – o wyższych kuzynach: podczerwień, mikrofale i fale radiowe. Czy wiesz, że Twoje ciało wysyła fale podczerwone? Dzięki kamerom na podczerwień możliwe jest wyszukiwanie ludzi, którzy zaginęli w wyniku trzęsienia ziemi czy innych kataklizmów. Światło podczerwone wysyłasz zawsze, ilekroć naciskasz dowolny guzik pilota do telewizora czy innego urządzenia.
15
Jeszcze o rodzinie Mikrofale znasz na pewno – zrobiły karierę w gastronomii. Bardzo sprawnie podgrzewają wszystkie potrawy.
Z kolei fale radiowe to najwyżsi spośród moich kuzynów, ale im nie zazdroszczę – niosą ze sobą najmniejszą energię. Choć trzeba przyznać, że robią dobrą robotę – pozwalają ludziom komunikować się ze sobą. Dzięki nim działa na przykład radio i telewizja.
Przy tej okazji muszę się pochwalić, że w kwestii przenoszenia informacji to i ja ostatnio sporo potrafię. Jeśli wpuścić mnie do szklanej rurki, zwanej światłowodem, to mogę tamtędy przenosić informacje bardzo dokładnie i w dużej ilości.
16
Moje narodziny
czyli zderzenie elektronu z elektronem
Kiedyś zadałem sobie pytanie – skąd się wziąłem? Pytanie bardzo ważne – na pewno i Ty szukałeś na nie odpowiedzi. Aby się tego dowiedzieć, wybrałem się do najstarszego FOTONU, który pochodzi z odległej gwiazdy na skraju Wszechświata. Po jego opowieści wszystko stało się jasne – w przenośni i dosłownie. Narodziłem się w poskręcanym, wolframowym druciku żarówki. Wolfram to metal, któremu nie straszne bardzo wysokie temperatury. Kiedy nastał wieczór, ktoś wszedł do pokoju i nacisnął kontakt, zamykając obwód, czyli łącząc żarówkę z elektrownią, w której produkowany jest prąd elektryczny. Tym prądem są poruszające się, bardzo małe cząstki - elektrony.
Przez miedziane kable, biegnące w ścianie, elektrony pomknęły bardzo szybko i bez większych problemów. Ale gdy trafiły na drucik z wolframu, zaczęły się schody. Nagle zrobiło się bardzo ciasno. Możesz to porównać do sytuacji, kiedy idziesz szeroką, wygodną ścieżką, a ta nagle urywa się i stajesz przed plątaniną zarośli. Musisz iść dalej, co oznacza trudy przedzierania się przez leśny gąszcz.
17
Moje narodziny
czyli zderzenie elektronu z elektronem
Elektronom też łatwo nie było. Zderzały się z atomami wolframu, odbijały od nich, ocierały – podróż przez wolframowy drucik była niezwykle trudna i męcząca. W wyniku tych zderzeń atomy wolframowego drucika drgały coraz intensywniej, wszystko wokół stawało się coraz bardziej gorące. Wyobraź sobie, że wolfram osiągnął temperaturę 2 700 stopni Celsjusza. W jednym z atomów wolframu, wokół dużego, ciężkiego centrum, czyli jądra atomowego, krążył elektron – moja mama. Przeciskający się przez drucik tata zderzył się z nią tak, że zaczęła poruszać się szybciej i dalej od centrum atomu.
Krążyła tak przez chwilę, aż tu nagle – błysk! Mama powróciła na poprzednią ścieżkę w atomie, a na świecie pojawiłem się ja – FOTON.
Podobnych zjawisk było bardzo wiele. Inne fotony wraz ze mną wydobywały się z wolframowego drucika, oświetlając wszystko wokół.
18
Moje narodziny zderzenie fotonu z elektronem
Najstarszy FOTON zdradził mi jeszcze jedną, niezwykłą tajemnicę. Jak zapewne pamiętasz, gdy poruszający się elektron zderzy się z innym elektronem, to ten uderzony zaczyna krążyć dalej od centrum atomu. Powrót na poprzedni tor poprzedzony jest narodzinami fotonu. Ale nie tylko elektron może spowodować, że inny elektron w atomie wzniesie się na wyższą orbitę. Może to być również FOTON taki jak ja. Tak, ja również mogę się przyczynić do narodzin innego fotonu.
Takie zjawisko nazywamy fotoluminescencją lub zimnym świeceniem, ponieważ określa ogół zjawisk przekształcenia energii, innych niż ciepło, na światło. Dzięki luminescencji mogą świecić niektóre morskie stworzenia, czy świetlówki, które kupujemy w sklepie.
19
Pomiar natężenia promieniowania jonizującego licznikiem Geigera-Müllera
22
Mały ale byk promieniowanie gamma
Zbliżając wybrany kamień, zawierający związek uranu, do licznika Geigera-Müllera, słyszymy trzask, oznaczający wykryte promieniowanie. W większości przypadków jest to promieniowanie gamma. Promieniowanie gamma ma najmniejszą długość spośród fal elektromagnetycznych. Występuje w naturalnym środowisku, a jego źródłem są pierwiastki promieniotwórcze, zawarte w skorupie ziemskiej oraz promieniowanie kosmiczne. Materiały radioaktywne, jak np. uran, stale wysyłają energię, emitując z jąder własnych atomów fale gamma. Duże dawki promieniowania mogą być niebezpieczne dla zdrowia, małe mogą oddziaływać pozytywnie. Promieniowanie znajduje wiele zastosowań, m. in. w medycynie i energetyce.
23
Lampa rentgenowska z wirującą anodą stosowana w diagnostyce medycznej z przykładowym zdjęciem RTG
24
„Kostny fotograf” promieniowanie rentgenowskie
Naciskając przycisk podświetlamy zdjęcie rentgenowskie. Na stanowisku prezentowana jest również typowa lampa rentgenowska. Szklana bańka
+
Doprowadzenie prądu wysokiego napięcia
Doprowadzenie prądu wysokiego napięcia Anoda
Katoda włókno żarzenia - źródło elektronów
Promieniowanie X
Schemat budowy lampy rentgenowskiej
Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku niemiecki fizyk Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), który nazwał je promieniami X. Fale te są wytwarzane w lampach, zwanych rentgenowskimi: emitowane z katody, rozpędzone elektrony zderzają się z tarczą i hamując, wysyłają promieniowanie. Podczas prześwietlania ludzkiego ciała promienie X zatrzymują się na kościach, ale z łatwością przechodzą przez tkankę miękką, zaczerniając następnie płytę fotograficzną.
25
Luminescencja obiektów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego
26
Krótsze niż fiolet
promieniowanie ultrafioletowe
Włączając światło ultrafioletowe, obserwujemy świecenie obiektów. Promieniowanie ultrafioletowe jest często wykorzystywane do zabezpieczeń i znakowania dokumentów.
Promieniowanie ultrafioletowe (ang. ultraviolet, UV) ma długość fali mniejszą od światła fioletowego i jest niewidzialne dla człowieka. Większość owadów widzi także w zaktesie ultrafioletu. Promieniowanie to, padając na niektóre substancje, powoduje ich świecenie w zakresie widzialnym. Promieniowanie UV występuje w promieniach Słońca i odpowiada za efekt opalania skóry. W dużych dawkach jest dla skóry szkodliwe. Promieniowanie UV, wytwarzane przez lampy kwarcowe, stosuje się w solariach oraz w sterylizacji, ponieważ niszczy ono bakterie i wirusy.
27
Rozszczepienie światła białego w pryzmacie
28
Tych widzimy
światło widzialne, światło białe
Widmo światła białego jest wynikiem różnego kąta załamania każdej barwy podczas przejścia przez pryzmat.
Światło widzialne to niewielka część widma fal elektromagnetycznych o długości od 370 (fiolet) do 780 (czerwień) nanometrów (1 nm = 1 miliardowa część metra). Na promieniowanie w tym zakresie reaguje siatkówka oka człowieka. Światło białe powstaje na skutek zmieszania wszystkich kolorów. Ten fakt odkrył w latach 1670-1672 angielski fizyk Isaac Newton (1642-1726).
29
Obraz widziany w podczerwieni
30
Niewidzialni podgrzewacze promieniowanie podczerwone
Obserwujemy swoje ciało w podczerwieni. Jaśniejsze barwy odpowiadają wysokiej temperaturze ciała, ciemniejsze niższej temperaturze.
Promieniowanie podczerwone (ang. infrared radiation, IR) posiada większą długość fali, niż światło czerwone, i nie możemy go już zobaczyć. Jest ono emitowane przez wszystkie gorące obiekty, i odczuwamy go jako ciepło. Promieniowanie podczerwone odkrył William Herschel (1738-1822) w 1800 roku. Przy pomocy pryzmatu rozszczepił on światło i umieścił termometry w różnych częściach widma. Termometr, który znajdował się poza czerwoną częścią widma, wskazywał najwyższą temperaturę.
31
Przekrój kuchenki mikrofalowej z widocznym magnetronem
32
Mikro kucharze mikrofale
Na stanowisku zaprezentowano kuchenkę mikrofalową bez obudowy, a także najważniejszy element - magnetron. Promieniowanie mikrofalowe Magnes Wyjście antenowe
Magnes
Katoda
Wnęki
Anoda
Chłodzenie Droga elektronu
Schemat budowy magnetronu w kuchence mikrofalowej
Mikrofale w kuchence mikrofalowej emitowane są przez lampę elektronową - magnetron. Lampa składa się z dwóch elektrod i magnesu. Elektrony, poruszając się między elektrodami, są hamowane przez pole magnetyczne magnesów, przez co emitują promieniowanie mikrofalowe. Mikrofale oddają swoją energię cząsteczkom wody, zawartej w żywności, dlatego jej temperatura rośnie. Mikrofale wykorzystywane są też w telefonii komórkowej, bezprzewodowej sieci komputerowej WLAN, urządzeniach bluetooth, nawigacji satelitarnej GPS, pomiarze prędkości w radarach drogowych.
33
Emisja i odbiór fal radiowych
34
Radiowcy fale radiowe
Naciskając przycisk nadajnika, powodujemy przeskok iskry elektrycznej pomiędzy elektrodami iskrownika. Towarzyszy temu emisja fali radiowej, rozchodzącej się w przestrzeni z prędkością światła. Fala oddziałuje na antenę odbiornika, wzbudzając w niej słaby prąd elektryczny. Fakt ten jest rejestrowany przez układ elektroniczny, włączający zasilanie dzwonka. Podobny sposób wytwarzania fal radiowych stosowano podczas pionierskich eksperymentów z łącznością bezprzewodową, przeprowadzonych pod koniec XIX wieku, m.in. przez Guglielmo Marconiego (1874-1937), Aleksandra Popowa (1859-1906) i Olivera Lodge’a (1851-1940). Nadajniki tego typu były używane do nadawania znaków telegraficznych, kodowanych za pomocą alfabetu Morse’a, toteż aparaturę radiową często określano mianem „telegrafu iskrowego”. Na podobnej zasadzie powstają naturalne fale radiowe, generowane przez wyładowania atmosferyczne, utrudniające odbiór programów radiowych i telewizyjnych podczas burzy.
35
Kolorowe cienie na białym ekranie
36
Kolorowe cienie Oświetlamy swoje ciało światłem o trzech różnych barwach i obserwujemy powstające, kolorowe cienie.
Masz do dyspozycji 3 lampy z barwnymi filtrami: czerwonym, zielonym i niebieskim (są to tzw. barwy RGB, ang. Red Green Blue). W wyniku mieszania 3 barw: czerwieni, zieleni i niebieskiego otrzymujemy światło białe. Podkładając dłoń pod lampy, zobaczymy kolorowe cienie, uzyskane z barw składowych. Eliminując poszczególne barwy, otrzymamy różne kolory cieni. Mieszanie barw RGB umożliwia uzyskanie dowolnej barwy i jest podstawą wyświetlania kolorowych obrazów w projektorach i telewizorach.
37
Model budowy świetlówki
38
Prześwietlamy świetlówkę Na stanowisku znajduje się duża świetlówka, z której częściowo usunięto luminofor. Konstruktorem pierwszej komercyjnej lampy rtęciowej, na bazie której powstały świetlówki, był amerykański inżynier Peter Cooper Hewitt (1861-1921). Pierwszą świetlówkę ze szklaną rurką, skręconą w spiralę, skonstruował w 1976 roku Amerykanin Edward Hammer (1931-2012). Wygięcie rurki miało na celu równomierną emisję światła we wszystkich kierunkach, podobnie jak dzieje się to w przypadku żarówki. Działanie świetlówki opiera się na wykorzystaniu wyładowania elektrycznego w parach rtęci i argonu o bardzo małym ciśnieniu. Wyładowanie elektryczne zapewnia układ elektroniczny, umieszczony w obudowie trzonka świetlówki. Układ ten stabilizuje również przepływ prądu przez świetlówkę, zapobiegając jej uszkodzeniu. Ładunki elektryczne, poruszając się między elektrodami, zderzają się z atomami rtęci, powodując ich wzbudzenie. Pobudzone atomy rtęci są źródłem promieniowania ultrafioletowego (UV). Luminofor, którym pokryta jest wewnętrzna ściana świetlówki, przetwarza promienie UV na światło widzialne.
39
Po lewej: model diody LED, po prawej: dioda LED pod lupą powiększającą
40
Powiększamy LED-a! Na stanowisku została zaprezentowana dioda LED oraz jej powiększony model. Po naciśnięciu przycisku użytkownik widzi, która część układu odpowiada za świecenie. Półprzewodnik typu p posiada nadmiar jonów dodatnich Soczewka epoksydowa
Półprzewodnik typu n posiada nadmiar elektronów Biegun ujemny katody
Przedód anody biegun dodatni
Foton Anoda +
Katoda Jony dodatnie Elektrony Przewody doprowadzające prąd
Schemat budowy diody LED
LED (Light Emitting Diode, dioda emitująca światło) jest urządzeniem zbudowanym z dwóch rodzajów kryształów o właściwościach elektrycznych, które tworzą tzw. półprzewodnik. Kryształy te zawierają atomy obcych pierwiastków – mówimy wtedy o domieszkowaniu. W jednym z kryształów jest nadmiar ujemnych ładunków elektrycznych – elektronów, a w drugim krysztale ich niedomiar – są tam jony dodatnie. Kiedy do kryształów przyłożymy napięcie elektryczne: ujemne tam, gdzie są ładunki ujemne i dodatnie tam, gdzie są ładunki dodatnie, to na obydwa rodzaje ładunków będą działać siły przemieszczające ładunki ku sobie. Kiedy w wyniku takiego oddziaływania elektron przeskoczy do jonu dodatniego to emituje przy tej okazji foton – w ten sposób powstaje światło. W zależności od rodzaju kryształu i jego domieszkowania emitowane światło posiada różną barwę. Dioda zbudowana z glinu, indu, galu i fosforu emituje światło o barwie czerwonej, pomarańczowej lub żółtej, dioda zbudowana z indu, galu i azotu emituje światło o barwie zielonej lub niebieskiej. 41
Obserwacja stopniowego rozgrzewania włókna żarówki
42
Świeci czy grzeje Zbliżamy dłoń do żarówki, sterując jednocześnie natężeniem prądu w żarniku.
Tradycyjna żarówka wolframowa wydziela 95 % energii w postaci ciepła i tylko 5 % w postaci światła. Wolframowe włókno żarzy się na skutek wysokiej temperatury, do jakiej jest rozgrzewane w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Kręcąc pokrętłem zwiększamy natężenie prądu, płynącego przez włókno żarówki. Żarówka zaczyna świecić dopiero, gdy włókno zostanie rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury, około 2500-3200 K.
43
Luminescencja obiektów pod wpływem pola elektrycznego
44
Małe pioruny Dotykając urządzeń sprawiamy, że przez nasze ciało płyną niewielkie ładunki elektryczne. Zbliżając do urządzeń świetlówki lub diody LED sprawdzamy, czy świecą one pod wpływem pola elektrycznego.
Przed Tobą znajduje się kula, tuba i dysk. W ich wnętrzu jest gaz o niskim ciśnieniu oraz wysokie napięcie elektryczne – stąd wyładowania elektryczne. Przez Twoje ciało przemieszczają się niewielkie i nieszkodliwe ładunki elektryczne, biegnące do ziemi. Kiedy zbliżysz świetlówkę lub diody LED, przemieszczające się ładunki elektryczne powodują świecenie luminoforu. Luminofor to biała substancja, którą świetlówka i diody LED pokryte są od wewnątrz. Zwróć uwagę, że świecenie nie jest tu efektem działania wysokiej temperatury. W świetlówce zjawisko świecenia luminoforu wywołują wyładowania w rozrzedzonym gazie, w przypadku diody LED jest to prąd płynący przez półprzewodnik.
45
Świecenie luminoforu pod wpływem pobudzenia światłem o barwie niebieskiej
46
Światło dla artysty Sprawdzamy, co się dzieje z powierzchnią pokrytą luminoforem, kiedy oświetlimy ją światłem czerwonym lub niebieskim.
Zaprezentowana płytka pokryta jest luminoforem. Materiał ten emituje własne światło, jeśli padają na niego fotony o odpowiedniej długości. W tym przypadku są to fotony fioletowe. Światło czerwone, którego energia jest prawie dwukrotnie mniejsza od fioletowego, nie wywołuje świecenia luminoforu. Na podobnej zasadzie w świetlówce i w niektórych diodach LED fotony o odpowiedniej energii pobudzają do świecenia luminofor.
47
Porównanie kolorowych przedmiotów w świetle o zimnej i ciepłej temperaturze barwowej
48
Światło ciepłe czy zimne Oglądamy te same kolorowe przedmioty, oświetlone światłem o różnej temperaturze barwowej.
Kolory obserwowanych obiektów zależą od światła, które je oświetla. Na opakowaniach źródeł światła podana jest ich barwa w skali Kelwina. Stopnie Kelwina są jednostkami temperatury. Używamy ich dlatego, że kolor światła porównujemy do barwy świecenia rozgrzanego ciała. Każdej temperaturze odpowiada światło o innej barwie. Im niższa temperatura, tym światłu bliżej do czerwieni i odbieramy je jako cieplejsze (światło ogniska lub świecy). Na drugim krańcu skali znajduje się światło białe i niebiesko białe, odbierane jako chłodne (intensywne światło słoneczne). Warto zwrócić uwagę na pewien paradoks: światło, któremu odpowiada niższa temperatura, odbieramy jako cieplejsze, natomiast światło, pochodzące od temperatury wyższej, jako chłodniejsze.
49
Pomiar natężenia różnych źródeł światła o tej samej mocy
50
Światło mocne czy słabe Posługując się luksometrem, mierzymy natężenie światła żarówki, świetlówki i diody LED.
Podstawowe jednostki miar światła to kandela, lumen i luks. Kandela (łac. candela – świeca) opisuje ilość światła w jednym punkcie. Jest jednostką historyczną, zdefiniowaną jako światło, pochodzące od jednej świecy. Lumen [lm] określa ilość światła w określonym obszarze. Luks [lx] określa ilość światła, docierającego do określonej powierzchni, na przykład stronic książki, którą czytamy.
51
Porównanie ilości energii koniecznej do zasilania różnych źródeł światła
52
Kręć i świeć Kręcimy korbą, zasilając żarówkę, świetlówkę i diodę LED. Na stanowisku znajdują się również liczniki natężenia prądu.
Żarówka, świetlówka i dioda LED są tak dobrane, aby produkowały jednakową ilość światła. Kręcąc pokrętłem prądnicy i obserwując natężenia prądu możemy stwierdzić, jaka energia konieczna jest do zasilenia poszczególnych źródeł światła. Najwięcej energii pobierają żarówki, które najbardziej obciążą domowy budżet.
53
Porównanie strat energetycznych w postaci ciepła wytwarzanych przez różne źródła światła
54
Folia nie zawsze czarna Mamy do dyspozycji trzy źródła światła: żarówkę, świetlówkę, diodę LED oraz folię ciekłokrystaliczną. Umieszczając dowolne źródło światła nad folią, widzimy jak zmienia się jej kolor, otrzymując tym samym informację o temperaturze źródła światła.
Folia ciekłokrystaliczna zmienia kolor pod wpływem ciepła. o Kolory odpowiadają temperaturom: czerwony poniżej 30 C o o zielony 30-35 C, niebieski powyżej 35 C . Eksperyment pozwala stwierdzić, że najwięcej ciepła pochodzi od żarówki, a także na wysnucie wniosku, że to w tym przypadku mamy największe straty energii.
55
Analiza widmowa różnych źródeł światła
56
Niestraszne widmo Patrzymy na świecącą żarówkę, świetlówkę i diodę LED przez siatkę dyfrakcyjną.
Na stanowisku użyto siatki dyfrakcyjnej. Jest to folia z gęsto naniesionymi na niej, równoległymi liniami. Jest ich 500 w każdym milimetrze. Kiedy światło przechodzi przez tak wąskie szczeliny ulega załamaniu. Wielkość załamania jest zależna od długości fali, a więc i barwy światła. Każdy kolor, jaki zawiera światło lampy, załamuje się pod nieco innym kątem. Pozwala to obserwować barwy, z jakich składa się światło poszczególnych lamp. Światło żarówki jest najbardziej podobne do światła słonecznego. Zawiera wszystkie barwy, które zmieniają się w sposób ciągły. Do takiego światła przystosowany jest ludzki wzrok. Biel pozostałych źródeł światła to wynik złożenia kilku barw w postaci pojedynczych linii lub pasm: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Badanie światła z użyciem siatki dyfrakcyjnej pozwala na poznanie składu chemicznego świecącego obiektu.
57
Żarówka z włóknem węglowym typ B2,
Żarówka projektorowa halogenowa
ok. 1900 r.
z włóknem wolframowym, Narva Plauen,
wł. Muzeum Inżynierii Miejskiej
Republika Demokratyczna Niemiec, ok. 1950-1960 r.
58
Świetlówka kompaktowa
59
Dioda LED w obudowie SMD
Historyczne żarówki z I poł. XX w.
60
Współczesne źródła światła
61
62
Element aranżacji z wystawy „Więcej światła”
63