과학을 과학하다

광자의 발전 역사

18세기까지 대부분 이론은 빛이 입자로 구성되어 있다고 믿었습니다. 입자 모델은 빛의 굴절, 회절 및 복굴절을 쉽게 설명할 수 없어서 Rene Descartes (1637), Robert Hook (1665) 및 Christian Huygens (1678)에 의해 광파 이론이 제안되었지만 입자 모델은 주로 Isaac입니다. 뉴턴의 영향으로 여전히 지배하고 있습니다. 19 세기 초, Thomas Young과 August Flenel은 1850년까지 일반적으로 받아들여지지 않았던 빛의 간섭과 회절을 분명히 보여주었습니다. 1865 년 James Clark Maxwell은 빛이 전자기파라고 예측했습니다. -하인리히 헤르츠는 1888년 전파 탐지로 실험적으로 확인되었으며, 이는 가벼운 입자 모델에 대한 최종 타격으로 보입니다.

그러나 Maxwell의 이론은 빛의 모든 속성을 설명할 수 없습니다. Maxwell의 이론은 광파의 에너지가 주파수가 아닌 강도에만 의존할 것으로 예측하지만, 몇 가지 독립적인 실험에서 빛에 의해 원자에 전달되는 에너지는 강도가 아니라 빛의 주파수에만 의존한다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, 특정 화학반응은 특정 임계 값보다 비싼 주파수의 빛에 의해서만 발생하며 임계 값보다 싼 주파수의 빛은 격렬하게 반응하지 않습니다. 마찬가지로, 충분한 고주파 빛 (광전 효과)으로 금속판을 비추면 전자가 방출될 수 있습니다. 방출된 전자의 에너지는 빛의 강도가 아니라 빛의 주파수에만 관련됩니다.

동시에 40년 (1860-1879) 동안 흑체 복사에 대한 다양한 연구자들의 연구는 주기의 주파수에서 전자 복사를 흡수하거나 방출하는 시스템의 에너지가 에너지라는 Max Planck의 가설로 끝났습니다. 양자 E = h ν의 정수배. 그것. Albert Einstein (Albert Einstein)이 제안했듯이 일부 에너지 정량화가 관찰된 물질과 전자 복사 사이의 열 균형을 설명한다고 가정할 필요가 있습니다. 광전 효과를 설명하기 위해 Einstein은 1921년을 얻었습니다.

Maxwell 이론의 빛은 전자에 의해 방출되는 모든 에너지를 가능하게 하기 때문에 대부분의 물리학자들은 처음에 에너지 정량화가 방사선을 흡수하거나 방출하는 물질의 알려지지 않은 한계 때문이라고 믿었습니다. 아인슈타인은 1905년에 에너지 정량화가 전자 복사 자체의 특성이라고 말했습니다. 원래 제안되었습니다. 맥스웰의 이론은 합리적이지만 아인슈타인은 맥스웰의 광파 에너지를 서로 독립적으로 움직이는 점형 양자로 제한하면 파동 자체가 계속해서 우주로 전파되더라도 많은 특이한 실험을 설명할 수 있다고 지적했습니다. 아인슈타인은 1909년과 1916년에 플랑크의 흑체 복사 법칙이 받아들여지면 에너지 양자도 운동량 p = h λ를 가져야 하며 이상적인 입자로 만들어야 한다는 것을 증명했습니다. 이 광자 운동량은 Arthur Compton에 의해 실험적으로 관찰되었으며 1927년 노벨상을 받았습니다. 중요한 질문은 Maxwell의 광파 이론을 실험적으로 관찰된 입자 특성과 결합하는 방법입니다.

로버트 밀리컨의 노벨상 연설과 마찬가지로 20세기의 첫 20년 동안 아인슈타인의 1905 년 예측은 여러 가지 방법으로 실험적으로 입증되었습니다. 그러나 Compton의 실험에서 광자가 파동 수 (1922)에 비례하는 운동량이 있음을 보여주기 전에 대부분의 물리학자들은 전자 복사 자체가 입자 일 수 있다고 믿지 않았습니다. 반대로 일반적으로 에너지 정량화는 방사선을 흡수하거나 방출하는 물질에 대한 알려지지 않은 제한 때문이라고 믿어집니다. 태도는 시간이 지남에 따라 어느 정도 변합니다. Upton 산란과 같은 실험은 변화를 추적하는 데 사용됩니다. 이 경우 관찰된 결과를 설명하기 위해 정량화 자체를 빛에 돌림 하는 것이 훨씬 더 어렵습니다.

Comton의 실험 후에도 Virus Bohr, Hendorikku Clay Mars 및 John Slater는 마지막으로, 소위 KBS 이론이라고 하는 Maxwell의 연속 전자기장 모델을 유지하십시오. KBS 이론의 중요한 특징은 에너지 절약 및 운동량 절약을 다루는 방법입니다. KBS 이론에서 물질과 복사 사이의 많은 상호 작용에 대해 에너지와 운동량은 평균적으로만 저장됩니다.

그러나 복잡한 Compton 실험을 통해 자연 보전법이 사람 사이의 상호 작용을 유지한다는 사실이 밝혀졌습니다. 따라서 Bohr와 그의 동료는 가장 영광스러운 장례식에 모델을 바쳤습니다. 그러나 KBS 모델의 실패 때문에 Werner Heisenberg는 매트릭스 역학을 개발했습니다.

전자 복사는 정량화되지 않았지만, 일부 물리학자들은 물질이 양자 역학의 법칙을 따르는 것처럼 보이는 준 고전적 모델을 만들어야 한다고 주장합니다. 화학 및 물리적 실험에서 광자의 존재에 대한 증거는 1970년대에 압도적이었으나 그 증거는 빛과 물질의 상호 작용에 의존하고 충분히 완전한 물질 이론이 그것을 설명할 수 있기 때문에 절대적으로 결정적인 것으로 간주될 수 있습니다. 그러나 1970년대부터 1980년대까지 모든 반 고전 이론은 광자 관련 실험으로 반박되었습니다. 따라서 정량화는 빛 자체의 본질이라는 아인슈타인의 가설이 입증되었다고 믿어집니다.

네온 조명의 개발

가스 조명의 다음 단계는 1898년 대기에서 분리된 불활성 가스인 네온의 발광 특성을 활용하는 것입니다. 가이슬러 튜브에 넣으면 네온 불빛이 붉게 빛났습니다. 1910 년 프랑스 인 Georges Claude는 공기 액화 기술 개발에 성공했지만, 네온 조명 산업을 지원할 수 있는 부산물로 충분한 네온 가스를 얻었습니다. 네온 등은 1930년경 프랑스에서 일반 조명으로 사용되었지만, 에너지 효율은 기존 백열등만큼 좋지 않았습니다. 네온관 조명은 아르곤이나 수은 증기를 대체 가스로 사용하기 때문에 눈길을 끄는 간판 및 광고에 주로 사용됩니다. 네온 조명은 형광등의 개발과 관련이 있지만, Claude의 개선된 전극 (1915년 특허)은 전극 열화의 주요 원인인 "스퍼터링"을 극복합니다. 스퍼터링은 이온화된 입자가 전극에 닿아 금속 조각을 찢을 때 발생합니다. Claude의 발명품은 표면적이 넓은 전극이 필요했지만, 가스 조명의 주요 장애물을 극복할 수 있음을 입증했습니다.

네온 조명의 개발은 형광 페인트 (형광 조명의 마지막 핵심 요소)에도 중요합니다. 1926 년에 Jacques Riesler는 네온 튜브의 형광 코팅에 대한 프랑스 특허를 획득했습니다. 상업적으로 성공한 최초의 형광등으로서 이 램프의 주요 목적은 일반 조명이 아니라 광고였습니다. 그러나 이것은 형광 코팅의 첫 번째 사용이 아닙니다. Becquerel은 이전 에이 아이디어를 사용했고 Edison은 램프에 텅스텐 산 칼슘을 사용했습니다. 다른 많은 노력을 했지만 모두 비효율 성과 다양한 기술적 문제에 시달렸습니다. 특히 중요한 것은 Friedrich Meyer, Hans Joachim Spanner 및 Edmund Germen이 발명한 저압 "금속 증기 램프"입니다. "그들은 1927년 베를린에 있는 독일 회사의 직원이었습니다. 독일 특허를 획득했지만, 램프는 상업적으로 생산되지 않았습니다.

초기의 형광램프

Thomas Edison은 한때 형광등의 상업적 실행 가능성을 추구했습니다. 1896 년에 텅스텐 산 칼슘의 인광 분말로 코팅된 형광 램프가 발명되고 X 선으로 여기 되었지만 1907년에 특허를 받았지만 제조되지 않았습니다. 다른 많은 시도와 마찬가지로 조명에 가이슬러 튜브를 사용하려는 시도도 있었지만 짧은 수명과 백열등의 성공을 고려할 때 Edison은 전기 조명의 대안을 찾을 이유가 없었습니다. 1890 년대 같은 실험에서 Nikola Tesla는 녹색 빛을 방출하는 고주파 형광 전구를 개발했지만, Edison의 장치와 마찬가지로 상업적으로 성공하지 못했습니다.

Edison의 전직 직원은 상업적 성공을 위해 가스 방전 램프를 만들었습니다. 1895 년 Daniel McFarlan Moore (Daniel McFarlan Moore)는 이산화탄소 또는 질소를 사용하여 각각 흰색 또는 분홍색 톤을 방출하는 23m (6.69.8ft) 램프를 선보였습니다. 백열 전 구보다 훨씬 복잡하여서 고전압 전원과 인플레이션 압력 조절 시스템이 모두 필요합니다.

Moore 씨는 튜브의 공기 압력을 일정하게 유지하여 수명을 연장하는 전자 제어 밸브를 발명했습니다. Moore의 램프는 복잡하고 비싸서 고전압이 필요하지만, 백열등보다 훨씬 효율적이고 현대적인 백열등보다 자연광에 더 가깝습니다. 1904 년부터 Moore의 조명은 많은 상점과 사무실에 설치되었습니다. 이 성공은 제너럴 일렉트릭이 백열전구, 특히 필라멘트를 개선하는 힘을 촉진했습니다. GE의 노력은 텅스텐 기반 필라멘트의 발명에서 유익한 결과를 얻었습니다. 백열전구의 수명이 길고 효율이 높아 무어 램프의 주요 장점 중 하나가 제거되었지만, GE는 1912년에 특허를 받았습니다. 20여 년 후 형광등을 출시하면 이러한 특허와 이를 지원하는 발명 노력은 상당한 가치가 있을 것입니다.

Moore가 조명 시스템을 개발했을 때 Peter Cooper Hewitt는 1901년에 특허를 받은 수은 증기 램프 (US682692)를 발명했습니다. 저압에서 수은 증기를 통해 전류가 흐르면 휴잇 램프가 켜집니다. Moore의 램프와 달리 Hewitt의 제조 치수는 표준 치수에 도달하고 저압에서 작동합니다. 수은 증기 램프는 당시 백열등보다 에너지 효율적이었지만 청록색 램프 사용 때문에 사용이 제한되었습니다. 그러나 그것은 사진 및 특정 산업 공정에 사용됩니다.

유럽에서는 수은 증기 램프의 개발이 여전히 느리고 1930년대 초에 대규모 조명에만 사용되기 시작했습니다. 일부는 형광 코팅을 사용하지만 이러한 코팅은 주로 광 출력을 개선하기보다는 색상 보정에 사용됩니다. 수은 증기 램프는 안정기에 삽입된 형광등도 일정한 전류를 유지할 수 있을 것으로 예상합니다.

Cooper Hewitt는 조명에 수은 증기를 사용한 최초의 연구원이 아니었습니다. 초기 응답은 Wei, Rafiev, Aron, Bastian 및 Salisbury였습니다. 독일의 Kuch와 Retschinsky가 발명한 수은 증기 램프는 특히 중요합니다. 램프는 작은 구경의 전구를 사용하고 고압에서 높은 전류를 사용합니다. 전류의 영향으로 밸브는 더 높은 온도에서 작동해야 하며 석영 밸브를 사용해야 합니다. 전력 소모에 따른 광 출력은 다른 광원에 비해 우수하지만, 생성된 빛은 스펙트럼의 적색 부분이 부족하여 일반 조명에 적합하지 않습니다. 석영으로 전극을 밀봉하기 어렵기 때문에 램프 수명이 매우 짧습니다.

형광등의 발견

특정 암석 또는 기타 물질의 특성을 이해하기 전에 수백 년 동안 관찰되었습니다. 19 세기 중반까지 실험자들은 부분적으로 비워진 유리 용기에서 방출되는 방사형 빛과 이를 통해 흐르는 전류를 관찰했습니다. 이것을 설명한 최초의 사람은 1852년에 케임브리지 대학의 아일랜드 과학자 인조지 스톡스 경이었는데, 그는 이 현상을 형석의 이름을 따서 명명했습니다. 예. 이 설명은 1840년대 영국 과학자 Michael Faraday가 1860년대 James Clark Maxwell이 개발한 전기 및 광학 현상의 특성을 기반으로 합니다.

독일 유리 송풍기 Heinrich Geisler가 수은 진공 펌프를 만들고 진공청소기로 유리관을 진공청소기로 청소 한 1856년까지는 거의 발생하지 않습니다. Geisler는 최초의 가스 방전 램프인 Geisler 관을 발명했습니다. 결과적으로 금속 전극이 양쪽 끝에 부착됩니다. 전극 사이에 고전압을 가하면 그로우 방전 때문에 튜브 내부가 밝아집니다. 이 튜브에 다양한 화학 물질을 넣어 다양한 색상을 만들 수 있으며 섬세한 가이슬러 튜브는 오락용으로 판매됩니다. 그러나 더 중요한 것은 이것은 과학 연구에 이바지한 것입니다. Julius Flecker는 가이슬러관을 실험한 최초의 과학자 중 한 명으로 1858년 가이슬러관에서 발생하는 발광 효과를 체계적으로 설명했습니다. 그는 또한 튜브의 빛이 전자기장에 접근함에 따라 이동한다는 중요한 관찰을 했습니다. Alexander Edmund Becquerel (Alexander Edmund Becquerel)은 1859년에 Geisler 튜브에 놓인 물질이 빛을 방출할 것이라고 관찰했습니다. 그는 또한 튜브 표면에 얇은 발광 물질 층을 코팅했습니다. 형광이 발생하지만, 튜브는 매우 비효율적이며 수명이 짧습니다.

더 나은 진공의 결과로 Geisler 튜브의 문의는 계속됩니다. 가장 유명한 것은 과학 연구에서 William Crooks가 사용하는 진공관입니다. 튜브는 Hermann Sprengel에서 제조한 고효율 수은 진공 펌프로 비워졌습니다. Crooks 등의 연구는 1897년 J.J. Thompson과 1895년 Wilhelm X-ray에 의해 전자를 발견했습니다. 그러나 진공 상태가 좋고 전기 자극 때문에 발광에 필요한 미량 가스가 부족하여서 슬리 튜브에 빛이 거의 없습니다.

LED램프란?

LED 램프 또는 LED 전구는 하나 이상의 LED를 사용하여 빛을 생성하는 등기구에 사용되는 등기구입니다. LED 램프의 수명은 백열등과 동등한 수명의 몇 배입니다. 일부 LED 칩은 와트 당 최대 303 루멘을 방출할 수 있습니다 (Cree 및 기타 LED 제조업체). 그러나 주 전원 라인에서 작업할 때 LED 램프에는 전자 LED 드라이버 회로가 필요하며 이 회로의 손실은 램프의 효율이 사용되는 LED 칩의 효율보다 낮음을 의미합니다. 시장에서 가장 효율적인 LED 램프의 효율은 200 루멘 (LME)입니다. 앞으로 10년 동안 LED 램프 시장은 2014년 초 20억 달러에서 2023년 250억 달러로 12배 이상 성장하고 연간 25% 성장할 것으로 예상합니다. 2016 년 현재 많은 LED가 백열전구에 필요한 에너지의 10% 만 소비합니다.

대부분의 형광등과 마찬가지로 LED는 예열 지연 없이 즉시 최대 밝기를 유지합니다. 빈번한 개폐는 형광등의 수명을 단축하지 않습니다. LED의 수명에 따라 광 출력이 점차 감소합니다.

일부 LED 램프는 백열등 또는 형광등을 직접 대체하도록 설계되었습니다. LED 조명 패키지에서 방출되는 빛의 양 (루멘), 전력 소비 (와트), 색온도 (켈빈) 또는 색상 설명 (예 : "온백색", "냉 백색"및 "일광") , 작동 온도 범위 및 루멘 단위의 같은 출력은 때에 따라 제공된 백열등에 해당하는 와트를 표시합니다.

LED의 발광 특성은 램프 디자인에 영향을 미칩니다. 단일 전원 LED는 백열전구와 같은 배수의 전력을 출력할 수 있지만, 일반 조명 응용 제품에는 여러 개의 LED가 사용됩니다. 이는 비용, 배광 및 열 분산을 개선하고 때에 따라 색상 성능 특성도 향상합니다.

LED는 작동을 위해 직류 (DC)를 사용합니다. 주 전류는 교류 (AC)이며 일반적으로 LED에 허용되는 전압보다 훨씬 높습니다. LED 조명에는 주 교류를 올바른 전압에서 직류로 변환하는 회로가 포함되어 있습니다. 이러한 회로에는 정류기 또는 커패시터가 포함되어 있으며 다른 활성 전자 부품이 있을 수 있습니다. 이것은 또한 조명을 어둡게 합니다. LED 필라멘트 램프에서는 직렬연결된 많은 LED의 작동 전압이 AC 전원 공급 장치와 거의 같기 때문에 구동 회로가 단순화됩니다. LED를 그리드에 연결하려면 전원 공급 장치 (드라이버)가 필요합니다. 일반적으로 조명 기술에 따라 전류 파형에 약간의 왜곡이 포함됩니다.