Источники света. Яркость и температура абсолютно черного тела

В кинопроекции применяются в настоящее время исключительно электрические источники света — в основном дуговые лампы и лампы накаливания.

Электрические источники света по природе излучения могут быть подразделены на три группы:
1) лампы накаливания, - относящиеся к температурным излучателям, то-есть таким, в которых светится раскаленное до высокой температуры тело накала;

2) газосветные лампы, основанные на использовании электролюминесценции, то-есть свечения электрического разряда в газах и парах металлов;
3) дуговые лампы, в которых используются оба вида излучения, то-есть одновременно с температурным излучением происходит свечение электрического разряда в парах металла.

Законы излучения света раскаленными телами хорошо изучены и проверены многолетним опытом разработки и эксплуатации температурных источников света.

Основные положения, которым подчиняются температурные излучатели, сводятся к следующему. Видимое излучение начинается только после достижения телом определенной, довольно высокой температуры; при этом в излучении преобладают длинноволновые тепловые лучи и относительно мало видимых лучей. Чем выше температура, тем ярче становится светящаяся поверхность, то-есть растет сила света источника.

С дальнейшим повышением температуры увеличение яркости происходит значительно быстрее, а состав излучения все более приближается к белому, то-есть меняется в сторону большего содержания синих лучей, а при еще большем повышении температуры начинают преобладать сине-фиолетовые и ультрафиолетовые, невидимые лучи. Белый свет такого состава, как солнечный, получается при температуре около 5500° К, однако большинство известных на земле тел плавится или испаряется значительно раньше достижения такой температуры, и это обстоятельство составляет основное препятствие к созданию рациональных источников света типа температурного излучателя.

Законы температурного излучения имеют наиболее простой вид для идеального так называемого абсолютно черного тела, полностью поглощающего лучи всех длин волн. В качестве модели, демонстрирующей свойства абсолютно черного тела, может служить небольшое отверстие, сделанное в замкнутой равномерно нагреваемой полости, изготовленной из угля.

Так как коэфициент отражения угля очень мал, то всякий луч, вошедший внутрь полости, испытывая многократное отражение, полностью поглотится, то-есть коэфициент поглощения а будет равен единице. Нагревая тело до высокой температуры, можно экспериментальным путем проверить зависимость излучательной способности черного тела от температуры.

В табл. 7 приведена яркость абсолютно черного тела при различных температурах.

Таблица 7. Яркость и температура абсолютно черного тела

Опыт подтверждает, что в световую энергию переходит только небольшая часть той энергии, которая подводится к источнику света, например, в виде электрической энергии. Этот так называемый световой коэффициент полезного действия источника света составляет обычно всего около 3%. и, как показывают теоретические исследования, даже для идеального излучателя при самой наивыгодной температуре 6500°К не может превзойти значения 14,5%.

На рис. 75 приведена кривая распределения энергии в спектре излучения вольфрама при Т = 3500°К. Несмотря на то, что это наивысший по достижимой температуре световой к. п. д. для вольфрама, из рисунка видно, что световая отдача, изображенная в виде светлой площади, ничтожно мала в сравнении с общим излучением.

Рис. 75. Относительное распределение энергии в спектре излучения вольфрама при цв. Т=3500° К

Реальные источники света только до известной степени приближаются к абсолютно черному телу, которое остается выражением предельной возможности поглощения и общего излучения.

Для характеристики излучательной способности реальных излучателей, не представляющих собой абсолютна черного тела, для которого выведены законы температурного излучения, имеет существенное значение вопрос выражения температуры.

Температура излучателя может быть:
1) действительной или истинной;
2) яркостной, то-есть такой, при которой черное тело имеет ту же яркость, что и данный излучатель;
3) цветовой, то-есть такой температурой, при которой черное тело дает излучение той же цветности, какой обладает излучение данного излучателя.

Если тело имеет одинаковое поглощение для всех длин волн, но коэффициент поглощения не равен единице, его называют серым телом. Для серых тел действительная температура равна цветовой, но больше яркостной. Если же тело не серое, а имеет избирательное поглощение, то все три температуры разные. В табл. 8 приведены значения действительной, яркостной и цветовой температур для вольфрама, служащего в настоящее время почти единственные материалом, идущим на изготовление тела накала электрических ламп накаливания.

Таблица 8. Действительная, яркостная и цветовая температура вольфрама (в °К)

Интересно отметить, что вольфрам обладает избирательным излучением в видимой части спектра, благодаря чему его световой коэффициент полезного действия при некоторой температуре больше светового коэффициента полезного действия абсолютно черного тела.

Преимущество вольфрама перед другими телами заключается в основном в малой его испаряемости при высокой температуре, благодаря чему температура его может быть сильно повышена.

В табл. 9 приводятся абсолютные температуры и световой коэффициент полезного действия существующих и идеальных температурных излучателей.

Таблица 9. Световой к. п. д. и абсолютная температура источников света

Из табл. 9 видно, что все существующие искусственные источники света по температуре и по световому коэффициенту полезного действия уступают солнцу, к излучению которого больше всего приспособлен человеческий глаз.

Так как все твердые тела при температурном излучении .дают сплошной спектр, далеко простирающийся в обе стороны от видимой части, основная энергия излучения приходится на невидимую инфракрасную и отчасти на ультрафиолетовую область. Поэтому максимальный световой к. п. д. для твердых излучателей всегда будет оставаться низким. При электролюминесценции источники света излучают отдельные спектральные линии, в том числе и линии, лежащие в видимой части спектра и обладающие большим коэффициентом видности.

Действие люминесцентных источников основано на свойстве газов и паров светиться под влиянием электрического разряда. Спектр такого свечения состоит из отдельных линий, характерных для данного газа. Подбирая люминесцирующие вещества и условия излучения, можно сильно повысить к. п. д. источника, сосредоточит значительную долю излучения в видимой части спектра.

Большой к. п. д. может быть получен также путем применения так называемых люминофоров, дающих видимое излучение под влиянием невидимых ультрафиолетовых лучей, то-есть превращающих невидимую для глаза энергию коротковолнового излучения в видимую энергию.

Так как газосветные лампы, за исключением ртутной лампы сверхвысокого давления шарового типа и капиллярной ртутной лампы, пока еще не находят применения в. практике кинопроекции, перейдем к рассмотрению основных источников: ламп накаливания и дуговых угольных ламп.