Vật lý của đèn huỳnh quang

9

V. Nhà chế tạo

Vật lý
PHÁT QUANG
ĐÈN

Và ánh sáng và nhiệt

Chúng ta đã quá quen với ánh sáng điện đến nỗi đôi khi chúng ta không đánh giá cao nó và quên đi lịch sử của nó.

Đầu tiên xuất hiện là đèn điện sợi đốt.

“Lấy ra
tệ hại
chai kín.
“Cái này,” anh ấy nói, “
đèn điện…
Tôi hiểu rồi -
cái chai.
Trong một cái chai -
tóc.
Nhưng nhân tiện,
không phải từ bộ râu và không phải từ ria mép…
Bên trên
từ một cái chai
và ánh sáng,
và nhiệt -
Mặt trời,
Lạy Chúa, mặt trời!

• đây là những gì Mayakovsky đã viết trong bài thơ “Tóc cháy”.

Nhà thơ đã đúng khi chỉ ra rằng “cả ánh sáng và nhiệt đều đến từ một cái chai”, nhưng, với tư cách là một nhà thơ, ông đã phóng đại khi so sánh một ngọn đèn sợi đốt với Mặt trời. Có sự khác biệt rất quan trọng giữa ánh sáng sợi đốt và ánh sáng mặt trời. Trước hết, ánh sáng sợi đốt của thành phố cũng giống như ánh sáng mặt trời. Hơn nữa, trong nghiên cứu về đèn sợi đốt, “sức nóng” của thành phố so với “ánh sáng” mạnh hơn so với nghiên cứu về Mặt trời. Cả hai sự khác biệt đều do cùng một lý do: nhiệt độ của dây tóc (“tóc”) của đèn sợi đốt (3000°C) thấp hơn khoảng hai lần so với nhiệt độ bề mặt Mặt trời (6000°C).

Hãy chuyển từ vị trí sang các con số và chúng ta gặp một nghịch lý thú vị. Đèn sợi đốt là thiết bị chuyển đổi gần như lý tưởng từ năng lượng điện thành năng lượng bức xạ (với hiệu suất gần bằng 1), đồng thời đèn sợi đốt là nguồn sáng rất kém kinh tế. Làm thế nào điều này có thể xảy ra?

10

Hình 1. Đường cong độ nhạy của mắt người.

Hóa ra toàn bộ vấn đề là mắt người không phản ứng với bất kỳ bức xạ nào mà chỉ phản ứng với một phần hẹp của phổ sóng điện từ (Hình 1) có bước sóng từ 0,4 µm đến 0,8 µm (từ tia phyllot đến tia đỏ). Chỉ có bức xạ như vậy mới là ánh sáng theo nghĩa chính xác của từ này.

Hình 2 cho thấy sự cân bằng năng lượng của bóng đèn sợi đốt hiện đại. Chúng ta thấy rằng mặc dù đèn sợi đốt chuyển 86% điện năng cung cấp cho nó thành bức xạ nhưng chỉ có 12% được chuyển thành ánh sáng khả kiến. Theo Mayakovsky, 74% được chuyển thành bức xạ trung tính (tia hồng ngoại), tức là thành “nhiệt”! Là một nguồn “nhiệt” bức xạ, đèn sợi đốt gần như lý tưởng. Điều này đã được tính đến và hiện nay, việc làm khô nhanh các sản phẩm sơn (ví dụ: vỏ tự động) bằng cách sử dụng tia hồng ngoại phát ra từ đèn sợi đốt được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng tùy ý.

Hình 2. Cân bằng năng lượng trong đèn sợi đốt: 12% - bức xạ ánh sáng, 74% - bức xạ hồng ngoại, 14% - cho biết tổn thất qua đầu vào, giá đỡ và qua khí.

Ánh sáng lạnh

Nhược điểm của đèn sợi đốt trong vai trò nguồn ánh sáng khả kiến ​​đã buộc các nhà khoa học phải tìm kiếm những nguồn sáng mới tiết kiệm hơn theo nghĩa chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng và ánh sáng, gần với mặt trời hơn về tính chất màu sắc. Do đó, bài toán bao gồm cả việc tăng sản lượng ánh sáng và tăng chất lượng ánh sáng.

S.I. Vavilov đã có ý tưởng sử dụng hiện tượng phát sáng lạnh gọi là sự phát quang cho những mục đích này (ví dụ, xem Vật lý-10, trang 210-212). Nếu Mặt trời hoặc đèn sợi đốt đại diện cho các nguồn nhiệt trong đó bức xạ xảy ra do nung nóng ở nhiệt độ cao, thì theo quy luật, sự phát sáng của lominophore (vật thể phát sáng) không liên quan đến quá trình sưởi ấm của nó.

Chúng ta sẽ quan tâm đến cái gọi là tế bào quang điện, sự phát sáng của chúng là do sự chiếu xạ bằng ánh sáng từ nguồn bên ngoài. Photolominophores chuyển đổi bức xạ có bước sóng này thành bức xạ có bước sóng khác. Nhiều loại thuốc nhuộm (ví dụ, thuốc nhuộm màu cam rhodimine) thể hiện sự phát sáng dưới ảnh hưởng của nến ban ngày.

Học thuyết hiện đại về sự phát sáng theo nghĩa đen có liên quan nhiều đến S.I. Vavilov. Đặc biệt, S.I. Vavilov đã chỉ ra rằng lominophores - với vai trò là chất chuyển đổi năng lượng bức xạ - có thể mang lại hiệu quả rất cao. Đặc tính này rất quan trọng đối với việc sử dụng lominophores trong thực tế.

Nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang

Dường như có thể cải thiện các đặc tính của đèn sợi đốt bằng cách bôi lominophore lên thành bình của nó và chuyển bức xạ hồng ngoại của dây tóc nóng thành ánh sáng khả kiến ​​bằng cách sử dụng huỳnh quang dương. Thật không may, con đường này là không thực tế. Có một luật

12

Hình 4. Cân bằng năng lượng của đèn huỳnh quang “trắng” 40 watt.

đọc và cách nó được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy được.

Cơ chế phát sinh bức xạ trong quá trình phóng điện khí

Như đã đề cập, nguồn bức xạ cực tím trong đèn phát quang là sự phóng điện trong các hơi khác ở áp suất thấp*). Các electron, thẳng hàng với ka汰a và được gia tốc bởi điện trường, gặp các nguyên tử thủy ngân trên đường đi và va chạm với nó.

Bản chất của va chạm hóa ra lại phụ thuộc vào năng lượng của các electron**). Nếu năng lượng của electron nhỏ hơn 4,9 eV, thì sự va chạm của nó với nguyên tử thủy ngân có tính chất đàn hồi - động năng của electron trên thực tế không thay đổi mà chỉ có hướng chuyển động của nó thay đổi. Ở mức năng lượng bằng (hoặc lớn hơn) 4,9 eV, sự va chạm của electron với nguyên tử thủy ngân trở nên không đàn hồi - electron sẽ bị tách ra chỉ trong thời gian ngắn.

(hoặc gần như toàn bộ) năng lượng của nó chuyển cho nguyên tử thủy ngân. Đây là một trong những biểu hiện của tính chất lượng tử của nguyên tử.

Theo các khái niệm lượng tử, mỗi nguyên tử chỉ có thể có nguồn dự trữ năng lượng nhất định, hoặc như người ta nói, nó chỉ có thể ở những mức năng lượng rất cụ thể. Do đó, nguyên tử chỉ có thể nhận một phần năng lượng nhất định. Do đó, đối với một nguyên tử thủy ngân, phần tối thiểu đó có năng lượng bằng 4,9 eV. Nguyên tử thủy ngân không nhận ít năng lượng hơn (“niềm kiêu hãnh lượng tử” của nó thể hiện rõ). Điều gì xảy ra tiếp theo với nguyên tử?

Hình 5 cho thấy một sơ đồ rất sơ bộ về các mức năng lượng của nguyên tử thủy ngân. Do va chạm không đàn hồi với electron, nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích tương ứng với mức năng lượng 3, “sống” ở mức năng lượng này trong khoảng 10⁻⁷ s và quay trở lại mức 1.

Lưu ý rằng các nguyên tử argon, mặc dù số lượng của chúng lớn hơn số nguyên tử thủy ngân hàng trăm lần, nhưng hoàn toàn không bị kích thích. Điều này là do năng lượng kích thích tối thiểu của nguyên tử argon cao hơn đáng kể so với năng lượng kích thích tối thiểu của nguyên tử thủy ngân.

16

Hình 10. Đường cong quang phổ phản xạ của thuốc nhuộm: a) màu đỏ; b) xanh; c) màu xanh.

Tầm nhìn màu sắc có liên quan đến cấu trúc phức tạp của võng mạc mắt người. Nó bao gồm các hình que và hình nón - những tế bào nhạy cảm với ánh sáng liên kết với các đầu của dây thần kinh thị giác phân nhánh ở võng mạc (Hình 9). Que nhạy hơn và hoạt động ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu (tầm nhìn ban đêm), nhưng thực tế không thể phân biệt được màu sắc (“tất cả mèo đều có màu xám vào ban đêm”). Các tế bào hình nón kém nhạy hơn và chỉ hoạt động khi ánh sáng đủ cao (tầm nhìn ban ngày), nhưng điều này cho phép phân biệt màu sắc. Để so sánh, chúng tôi chỉ ra rằng chỉ có gậy mới phù hợp, vì vậy chúng nên giao tiếp bằng mắt. Mặt khác, gà chỉ có hình nón nên chúng đi ngủ vào lúc hoàng hôn.

Mắt người được cho là có ba loại tế bào hình nón.

Hình 11. Sự phân bố năng lượng trong quang phổ của đèn phát quang: a) Ánh sáng ban ngày; b) ánh sáng “trắng”; c) Ánh sáng “trắng rõ ràng”.

Khi một trong những loại ánh sáng hình nón này được hấp thụ, nó sẽ tạo ra cảm giác về màu xanh lam, một loại khác là màu xanh lá cây và một phần ba màu đỏ. Màu sắc của vật thể mà chúng ta cảm nhận được phụ thuộc vào sự tương ứng giữa cường độ kích thích của ba loại hình nón được chỉ định. Sự tương ứng này lại phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh sáng phản xạ từ vật thể và đi vào mắt. Thành phần quang phổ của ánh sáng phản xạ được xác định bởi sự phụ thuộc của độ phản xạ của vật thể vào bước sóng (Hình 10) và thành phần quang phổ của ánh sáng tới vật thể. Vì vậy, nhiều loại trong số này có màu sắc hoàn toàn khác nhau trong ánh sáng ban ngày và ánh sáng sợi đốt. Vì vậy, những người mua hàng tại cửa hàng có kinh nghiệm thường mang đồ mua đến tận cửa hàng để tránh những bất ngờ về sau. Thay đổi màu sắc khó chịu