XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Цель работы: изучить влияние спектров источников света на человека.

Задачи:

Изучить теоретический материал об источниках света и влияние различных световых спектров;

Построить модель спектроскопа;

При помощи действующей модели получить спектры нескольких искусственных источников света;

Проанализировать полученные результаты.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Свет —электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—400 нм, а в качестве длинноволновой границы — участок 760—780 нм. Для получения и изучения спектров используется спектроскоп  (от спектр и др. - греч. σκοπέω — смотрю) — оптический при­бор для визуального наблюдения спектраизлучения.Он первоначально был инструментом для исследования спектра источников света, а также для изучения взаимодействия между излучением и различными образцами веще­ства в видимом диапазоне длин волн  электромагнитного излучения.

Обзор по видам источников света

Источник света — любой объект, излучающий электромагнитную энергию в видимой области спектра. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

К естественным источникам света относятся Солнце, Луна, кометы, полярные сия­ния, атмосферные электрические разряды, биолюминесценция живых орга­низмов, свет звезд и иных космических объектов, свечение окисляющихся органических продуктов и минералов. К искусственным –источники теплового света, лампы накаливания, различные электролампы (светодиодные, газоразрядные низкого и высокого давления).

Для исследований использовалось четыре типа источников света: лампа накаливания, люминесцентная лампа, светодиодная лампа, галогенная лампа (бромо-йодная).

Характеристики источников света:

1. лампа накаливания- модель ДС 225-40-1, мощность 40Вт;

2. люминесцентная лампа-Navigator модельNCL-SF10, мощность 9 Вт;

3. светодиодная лампа-ASDмодель 201404,мощность 3,5 Вт;

4. галогенная лампа (бромо-йодная с алюминиевым отражателем)-Philips мо­дель HAL-DICH 2Y, мощность 30Вт;

Влияние освещенности на человека

Исследованиями установлено, что 80% всей внешней информации человек получает через органы зрения, поэтому создание нормальных условий освещения является важным фактором,

Сохранность зрения человека связана с состоянием нервной системы. Поэтому правильно организованное и рассчитанное освещение на производстве и в быту способствует в целом сохранению здоровья и зрения человека, снижению травматизма на производстве и повышению производительности труда.

Степень усталости глаз зависит от степени напряжения процессов, сопровождающих зрительное восприятия предметов. К ним относятся:

аккомодация – способность глаз приспосабливаться к ясному видению предметов, находящихся на различном расстоянии, посредством изменения кривизны хрусталика;

конвергенция – способность глаз при рассмотрении близких предметов принимать положение, при котором зрительные лучи пересекаются на фиксированном предмете. Ближайшая точка конвергенции 100-110 мм;

адаптация – изменение чувствительности глаза в зависимости от воздействия на него раздражителей. Адаптация резко меняется в зависимости от изменения уровня освещенности, поэтому частая переадаптация приводит к утомлению зрения, всего организма и тем самым притупляется реакция человека на внешние раздражители.

Первый самый важный фактор, на который влияет некорректно организованное освещение - это органы зрения человека. Прямое попадание лучей света на сетчатку не является желательным, но представляет опасность только при длительном (в течение нескольких часов) прямом воздействии и избытке доли синего цвета, который приводит к фотохимическим изменениям. Лучше выбирать лампы с рассеивателем – он снижает риск повреждения сетчатки.

Искусственный свет влияет на выделение гормона мелатонина, ответственного за метаболические реакции в организме. Недостаток этого гормона может привести к различным заболеваниям, связанным с сердечнососудистой системой и недостатком/переизбытком глюкозы.

Также различные лампы и исходящее от них излучение влияют на трудоспособность. Наиболее энергичным человек может быть, когда находится при естественном дневном освещении, потому что именно дневной свет активизирует все необходимые физиологические процессы. Он запускает работу специального гормона – кортизола, который поддерживает ваши силы и позволяет оставаться в тонусе в течение всего дня.

При слишком бледном освещении мы рискуем переутомиться и быстрее почувствуем усталость. Не только зрение и работоспособность зависят от выбранных источников света, но и психологическое состояние: из-за неправильного освещения появляется нервозность, неустойчивость к стрессовым ситуациям, раздражительность.

Оптимальный уровень яркости освещенности для человека в среднем составляет 1000-1500 лк. Если дневной свет не способен обеспечить эти показатели, необходимо дополнить его искусственным. Он может быть общим или локальным, рассчитанным на определенную зону работы или отдыха.

Гигиенисты разработали специальные рекомендации по обустройству рабочего места. Эти советы будут полезны для тех, кто хочет оставаться в хорошей работоспособности во время всего рабочего дня: свет должен падать слева и спереди, иначе на рабочую поверхность будет ложиться тень, а это мешает концентрации и портит зрение. Нужно использовать лампы мощностью не более 80 Ватт, тогда они не будут создавать пересвеченных участков на поверхности стола. Нужно установить лампы в левом дальнем углу стола, чтобы в глаза не попадал прямой свет. Лучше не садиться параллельно окну – от яркого солнечного света напрягаются глаза. Нужно стараться освещать не только рабочее место, но и все помещение. При частом переходе от яркого света к менее интенсивному, человеческий глаз быстро утомляется, что затрудняет работу. Свет от лампы должен равномерно падать на документы, а голова при этом должна оставаться в тени. Поверхность стола должна быть с низким коэффициентом отражения, лучше отдавать предпочтения матовым покрытиям.

Анализ различных источников света. Влияние различных спектров от различных источников света на зрение и работоспособностьчеловека

Для создания искусственного освещения используются различные источники света, а именно:

лампы накаливания;

разрядные лампы, люминесцентные (ЛБ, ЛД, ЛТБ, ЛХБ, ЛДЦ), дуговые ртутные газоразрядные лампы (ДРЛ), галогенные, натриевые высокого давления типа ДНТС и ксеноновые типа ДКСТ. Разрядные лампы – это приборы, в которых излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явления люминесценции.

Современные светодиодные лампы.

Галогенные лампы нового поколения

Лампы накаливания на сегодняшний день являются одними из наиболее безопасных источников света. Это, в первую очередь, связано с принципом работы, который заключается в проходе тока через вольфрамовую нить накаливания. К тому же к преимуществам относится их инерционность, компактность, включение в сеть без дополнительных устройств, независимость от окружающей среды и температуры, возможность работы при постоянном и переменном токе. К недостаткам можно отнести малый КПД (3-4%), малый срок службы, малая световая отдача, преобладание в спектре излучений желто-красной части спектра.

Люминесцентные лампы – сложные по конструкции модели. Они сегодня очень популярны и наиболее часто используются для освещения внутреннего пространства помещений. Разрядные лампы по сравнению с лампами накаливания обладают рядом преимуществ, а именно: высокая экономичность, высокая светоотдача, более высокий срок службы, возможность получения необходимого спектрального состава и др. Однако разрядные лампы обладают и недостатками. Они безинерционные, что приводит к пульсации светового потока, а это, в свою очередь, приводит к стробоскопическому эффекту. Пульсация светового потока ухудшает условия зрительной работы, а стробоскопический эффект ведет к увеличению опасности травматизма в некоторых производственных операций. Люминесцентные лампы небезопасны при нарушении их целостности – они выделяют пары ртути, которые имеют токсическое воздействие на организм человека: вызывают тошноту, головокружение, угнетают функцию почек, нервной и дыхательной систем.^[3]

Для светодиодных ламп характерно отсутствие ультрафиолетового излучения в их спектре во всем диапазоне цветовых температур, применяемых для освещения - от 3000К до 5000К. Это значит, что даже при использовании мощных светодиодных источников света, можно не опасаться вредного ультрафиолетового воздействия на глаза или на кожу. Качественные светодиодные лампы не имеют мерцания, в них встроен специальный электронный драйвер, делающий свет светодиодной лампы ровным и комфортным как для глаз, так и для нервной системы. При работе светодиодных ламп примечательна важная особенность, связанная с выделением тепла, которую всегда учитывают производители. Поскольку в корпусе лампы на небольшой площади размещены несколько мелких светодиодов, то от их подложек требуется отводить тепло с помощью дополнительного радиатора, роль которого иногда выполняет сам корпус лампы. Таким образом, не допускается нагрев изделия выше примерно 90⁰С, в зависимости от мощности самой светодиодной лампы, - у маломощных ламп максимальная температура корпуса значительно ниже. Это рядом не стоит с лампами накаливания, которые способны причинять сильные ожоги кожи при случайном к ним прикосновении, даже через несколько минут после выключения. Колбы светодиодных ламп изготавливаются из прочных, небьющихся на осколки, материалов, таких как пластик или поликарбонат. По этой причине нет опасности получения пореза.

Новейшие исследования воздействия светодиодного света на человека показали, что мягкий свет светодиодных ламп не только служит нормализации эмоционального состояния людей, но и помогает поддержанию психического здоровья. Использование лампы с цветовой температурой более 5000К (холодный свет) вредно для зрения, так как в спектре такой лампы присутствует ультрафиолетовое излучение.^[4]

Галогенные лампы. Такого рода лампы являются более усовершенствованными.

П
ринцип работы претерпел незначительные изменения, что позволил повысить срок службы и характеристики светового потока. В результате лампа светится довольно ярко и сочно. Такая продукция тоже вполне безопасна и может нанести лишь опосредованный вред. В процессе работы галогенные светильники нагреваются, поэтому при касании могут вызвать болезненнее ощущения или даже небольшой ожог.

Рис.1 Спектры различных источников света

Гигиенические исследования привели к выводу, что для освещения помещений, где необходимо проведение работ повышенной точности, следует использовать, как правило, наиболее экономичные разрядные лампы.

Использование ламп накаливания для общего освещения допускается только в случае невозможности или технико-экономической нецелесообразности использования разрядных ламп. Для местного освещения следует использовать лампы накаливания, в том числе галогенные. Применение ксеноновых ламп внутри помещений не допускается, так как у них большая доля ультрафиолетового излучения в спектре, высокое давление в спектре и большая единичная мощность (5-50Вт).

Существует 4 разновидности света в зависимости от цветовой температуры – теплый белый, нормальный белый, дневной белый и холодный белый. Наиболее комфортным считается теплый белый свет с цветовой температурой от 2700К до 3200К.

Различные световые спектры излучения могут по-разному влиять на сет­чатку. Выделяют 4 группы источников света,в которых указывается макси­мальное время воздействия освещения от исследуемого источника света:

«0» Нулевая группа риска (отсутствие риска). Воздействие излучения от таких источников света может производиться 10000 секунд и более.

«1» Первая группа риска (низкий риск). Максимальное время воздействия может быть от 100 до 10000 секунд.

«2» Вторая группа риска (умеренный риск). Максимальное время воздей­ствия светильников этой группы возможно от 0,25 до 100 секунд.

«3» Третья группа риска (высокий риск). Время воздействия не должно превышать 0,25 секунды.

Лампы с нулевой группой риска - это галогенные лампы и лампы накаливания.

Галогенные лампы это чистые источники света непрерывной волны излуче­ния безопасные для зрения человека.

Галогенные лампы нового поколения специально разработаны для полной замены мощных светодиодных и люминесцентных ламп для общего освеще­ния помещений. Галогенным лампам аналогов нет.

Светодиодная или люминесцентная лампа не может быть аналогом или заме­ной галогенной лампе, по причине других свойств излучения света этих ламп.Совпадать может только цоколь ламп. Достижение современных технологий для сохранения зрения человека в ис­кусственном освещении, вышли на новый уровень создания безопасных и прогрессивных источников света для здоровья. Замена вредных источников света на безвредное освещение для человека - это следствие развития современных технологий в светотехнике.

Лампы с первой, второй и третьей группой риска – это светодиодные, лю­минесцентные лампы.

Излучение от источников можзет наносить сетчатке глаза травмы трех типов:

Фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии),

Фототермические (при облучении происходит нагревание ткани сет­чатки)

Фотохимические (фотоны света могут вызывать химические изменения в макромолекулах).^[2]

Наиболее предпочительными для человеческого глаза считаются зеленые, синие, голубые цвета спектра, поскольку они вызывают раскрепощение зрительных нервов и снимают напряжение глаз (лампы газоразрядные, галогенные и светодиодные). Красно-желтые полосы менее комфортны глазу и вызывают, соответственно напряжение зрительных анализаторов (лампы накаливания).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Построение действующей модели дифракционного спектроскопа

Построена действующая модель дифракционного спектроскопа.

Его схема представлена на Рис. 2:

 

Спектр

Рис. 2 Схема действующей модели дифракционного спектроскопа

Дифракционный спектроскоп состоит из коллиматора (пластиковая труба), дифракционной решетки (DVD-диск) и зрительной трубки (пластиковая труба). В металлическом корпусе находится источник света.

От источника света луч попадает в коллиматор, где потом направляется к дифракционной решетке. На ней луч света разлагается в спектр, который на­блюдается в зрительной трубке.

Для исследования влияния источника света на вид спектра в данной рабогте использовалось 4 источников света: галогенная лампа, светодиодная лампа, люминесцентная лампа и лампа накаливания. Для фиксирования спектра использова­лась веб-камера. Для сравнения спектров использовался призменный спектроскоп. Спектры фиксировались с помощью камеры мобильного телефона. Полученные спектры представлены на фото в приложении.

Дифракционный спектроскоп. Принцип действия

Двухтрубный спектроскоп призматического типа со­держит коллиматор с щелевым устройством, призму или дифракционную решётку, зрительную трубку. В плоскости объектива находится узкая щель, длина кото­рой перпендикулярна плоскости рисунка. Щель освещается исследуе­мыми лучами.^[1]

Рис. 3 Строение дифракционного призматического спектроскопа.

Заключение

Для получения различных спектров использовались 4 типа источников света: лампа накаливания, люминесцентная лампа, све­тодиодная, галогенная лампа. Спектры фиксировались с помощью веб-камеры модели PK-770K4TECH, цифровой фотокамеры SonyCyber-shot 7.2 мпикс и фотокамеры смартфона SamsungSM-G531H 8 мпикс.

Полученные результаты представ­лены на Фото 1-4. В испытаниях участвовали 2 ус­тановки: дифракционный и призменный спектроскопы.

Анализ проведенных испытаний показал:

Лампа накаливания даёт размытый спектр. На спектре, получении при помощи дифракционного спектроскопа, преобладает красный цвет (Фото 3).

Спектр галогенной лампы тоже размытый, наблюдается преобладание синего цвета (Фото 1).

Люминесцентная лампа дает четкий спектр, в основном наблюдается синий цвет (Фото 2).

Светодиодная лампа также дает размытый спектр, в основном синий цвет (Фото 4).

Для комфортного и эффективного восприятия к освещению предъявляются следующие требования:

1. Освещение должно быть достаточным для выполнения данного вида работы, т.е. отвечать требованиям (СП 52.13330-2011).

2. Освещение должно быть равномерным.

3. На рабочей поверхности не должно быть теней, особенно движущихся. Наличие теней создает неравномерное распределение поверхностей с различной яркостью в поле зрения, искажающиеся размеры и формы объектов различения, что повышает утомляемость, снижается производительность выполняемых работ и может привести к травмам.

4. Уровень освещенности должен быть постоянным.

5. Для различения цветов должен быть обеспечен необходимый спектральный состав света.

6. Освещение не должно быть дополнительным источником опасностей и вредностей.

Список используемых источников

Спектроскоп. Интернет-сайт «Традиция-свободная русская энциклопе­дия».(http:// https://traditio.wiki);

2. Влияние искусственных источников света на зрение человека. Интер­нет-сайт «Вред светодиодных ламп и люминесцентного освещения» (http://electro-site.ru);

3. Влияние освещенности на человека. Интернет-сайт «Интера Лайтинг» (https://interalighting.ru/blog/2517_vliyanie-osveshchennosti/)

4. Влияние светодиодных ламп на человека. Интернет-сайт «Electric info»

(https://electrik.info/main/fakty/976-vliyanie-svetodiodnyh-lamp-na-zdorove-cheloveka.html)

Приложения

Ф ото 1 - Спектр галогенной лампы	Ф ото 2 - Спектр люминесцентной лампы
Ф ото 3 - Спектр лампы накаливания	Ф ото 4 - Спектр светодиодной лампы

Код для цитирования: Скопировать