Лампа накаливания: тепловое излучение
Электрический ток проходит через тонкую вольфрамовую нить. Из-за сопротивления нить нагревается (закон Джоуля–Ленца). При температуре ~2700 °C вольфрам излучает свет — сплошной спектр теплового излучения, похожий на спектр чёрного тела.
Пик по закону Вина: λ_max = b/T ≈ 2,9·10⁻³/2700 ≈ 1100 нм — инфракрасный. Но хвост спектра уходит в видимую область — мы видим жёлто-белый свет. Проблема: 90–95% энергии уходит в тепло, а не в свет.
Почему нить вольфрамовая
Вольфрам — металл с самой высокой температурой плавления: 3422 °C. При 2700 °C он ещё твёрд, но уже достаточно горяч, чтобы дать видимый свет. Другие металлы расплавились бы. В лампе — инертный газ (аргон или криптон), чтобы замедлить испарение вольфрама.
Светодиод: электролюминесценция
В светодиоде ток проходит через p-n-переход из полупроводника (например, GaN для синего/белого, AlGaInP для красного). В зоне перехода электрон из n-области и «дырка» из p-области встречаются и рекомбинируют. Разность энергий уровней:
Выделяется фотон с длиной волны, заданной материалом. Для синего GaN: E_g ≈ 3,4 эВ → λ ≈ 450 нм. Никакого нагрева до тысяч градусов не нужно.
Белый LED: синий + люминофор
Чистый белый свет сложно получить одним p-n-переходом. Распространённое решение: синий светодиод + жёлтый люминофор (обычно YAG:Ce). Синий фотон поглощается люминофором и переизлучается жёлтым. Смесь синего (не поглощённого) и жёлтого выглядит как белый. Цветовая температура меняется толщиной слоя люминофора.
КПД: почему LED выгоднее
- Лампа накаливания 60 Вт: световой поток ~800 лм, КПД ≈ 5%.
- LED 8 Вт: тот же поток ~800 лм, КПД ≈ 40–50%.
- LED не нагревает нить до 2700 °C — p-n-переход работает при температуре корпуса ~50–80 °C.
- Срок службы LED: 25 000–50 000 часов vs 1000 часов у накаливания.
