Чим лампочка відрізняється від сонця: опис і відмінності

Важко знайти в побуті два настільки кардинально різних за масштабом об`єкта, ніж наше світило і звичайна лампочка розжарювання ват на сто: навіть середній діаметр того і іншого відрізняється на десять порядків (~ 1,392 · 10 ^ 9 метрів і ~ 0.05 метра, відповідно) - проте обидва об`єкти є джерелами світла і в цьому аспекті вже з`являється сенс їх порівнювати.
Лампочка і сонце

Спектр і колірна температура

З дитинства і перших самостійних фізичних експериментів (на кшталт засування цвяха в полум`я кухонної газової плити або роздування вугілля від багаття) ми вже знаємо, що якщо як слід нагріти будь-яке матеріальне тіло, то воно починає світитися - причому тим яскравіше, чим сильніше ми його нагріваємо.

Вчених давно зацікавив цей же питання, але для строго кількісного і якісного опису явища їм для початку довелося ввести абстрактне поняття - абсолютно чорне тіло (АЧТ). Сенс в тому, що електромагнітне випромінювання від нагрітого тіла (а світло - це саме електромагнітне випромінювання, як і радіохвилі, рентгенівські промені і т.д.) в принципі залежить від того, які довжини хвиль (ділянки спектра) таке тіло поглинає.

Принцип простий: якщо щось дуже добре поглинає в якихось діапазонах, то воно також добре і випромінює в цих же діапазонах - саме тому таке абстрактне ідеально поглинає і випромінює тіло назвали «чорним». Принагідно зауважимо, що неідеальні тіла називають «сірими» або «кольоровими» - і через відповідні поправки знову ж «прив`язують» до властивостей АЧТ.

Отже, ми маємо АЧТ, що при будь-якій його температурі поглинає все що потрапляє на нього випромінювання незалежно від довжини хвилі - як же виглядає закон, що описує його спектр? В кінці XIX-го століття з практичного боку цим питанням зайнявся фізик І.Стефан, а з теоретичної Л.Больцман - і відповідний фізичний закон в підручниках тепер іменується законом Стефана-Больцмана.

З`ясувалося, що результуюча об`ємна щільність рівноважного випромінювання і повна іспускательной здатність АЧТ пропорційні четвертого ступеня його абсолютної температури (нагадаємо, що абсолютна температура вимірюється в Кельвіна і відраховується від Абсолютного нуля температури, який «холодніше» звичного нам «нуля за Цельсієм» приблизно на 273 градуси ) - і в підручниках фізики «прописалася» відома «горбата крива».

Яке відношення це має до початкового питання? Дуже просте: виявляється, відповідна крива для Сонця чудово описується кривої для АЧТ з температурою ~ 6000 кельвінів! При цьому пік максимуму випромінювання лежить в області ~ 450 нанометрів (ультрафіолет!) - тому в черговий раз скажемо Велике Спасибі нашій земній атмосфері за те, що вона поглинає це випромінювання до того безпечного рівня, при якому ми всі вже можемо жити на поверхні планети при денному світлі, а не сидіти в норах і виповзати на поверхню тільки по ночах.
сонце

А що ж з нашої лампочкою? Її розпечена спіраль також підпорядковується цим же законом, однак результуюча температура приблизно вдвічі менше сонячної (температура плавлення вольфраму, з якого зазвичай роблять нитки розжарювання ламп, становить ~ 3422 градуса Цельсія - але робоча температура не перевищує ~ 2800 градусів Цельсія) і становить близько 3000 кельвінів . Тому пік максимуму випромінювання лампи розжарювання «від`їжджає» в область інфрачервоного випромінювання і розташовується в районі одного мікрометра (1000 нанометрів) - тобто побутова лампа розжарювання швидше «опалювальний», ніж «освітлювальний» прилад (ККД ~ 6% - і чим менше потужність, тим гірше ККД).
лампочка

Згадаємо ще один практичний аспект: нові люмінесцентні і світлодіодні лампи зазвичай мають колірну температуру (тобто температуру АЧТ з тим же тоном) багато вище, ніж лампа розжарювання - і тому світло від такої лампи «блакитніше» і в ньому менше звичних червоно -жёлтих тонів (навіть введені спеціальні характеристики - «холодний», «нейтральний» і «теплий» біле світло).

потужність

Зіставлення повних потужностей випромінювання лампочки і Сонця наочно показує жахливий відрив величин астрономічних від побутових: якщо лампочка у вигляді видимого світла і тепла випромінює 10 ^ 2 ват, то Сонце ~ 4 * 10 ^ 26 ват - майже двадцять п`ять порядків різниці! Спробуйте тепер порахувати на дозвіллі, скільки б стоваттних лампочок розжарювання потрібно для заміни Сонця і який обсяг в Сонячній системі вони б зайняли ...