При затемнении вольфрамовой лампы цветовая температура смещается ниже, в результате чего свет становится более красноватым или «теплее». Этот эффект возникает из-за того, что при затемнении вольфрамовой нити она не только производит меньше общего светового потока, но и изменяется спектр светового излучения. В частности, нить производит пропорционально больше длинноволнового красного света по сравнению с коротковолновым синим светом по мере ее затемнения. Это приводит к снижению коррелированной цветовой температуры.
Чтобы понять, почему затемнение вольфрамового источника света вызывает изменение цвета, полезно сначала понять некоторые основы работы вольфрамовых ламп.
В вольфрамовых лампах используется тонкая вольфрамовая нить, заключенная в стеклянную колбу, содержащую инертный газ. Когда через нить проходит электрический ток, она нагревается до раскаленного состояния и излучает видимый свет. Чем горячее нить накаливания, тем белее или синее световое излучение. По мере того, как температура нити накаливания падает, свет смещается больше к красному концу спектра.
Цветовая температура вольфрамового источника света коррелирует с температурой нити накаливания во время работы. Например, обычная вольфрамовая лампа, откалиброванная для получения «теплого» света 2700 К, имеет температуру нити накаливания около 2700 ° Кельвина при включении.
Когда вольфрамовая лампа затемняется путем понижения напряжения, электрический ток, нагревающий нить накаливания, уменьшается. Это приводит к снижению температуры нити накаливания.
Например, лампа накаливания, работающая при полном напряжении 120 В, может нагреть свою нить накаливания до 2700 ° К. При уменьшении яркости до 50% нить накала может достичь температуры всего лишь 1300°К. Это резкое падение температуры нити накала смещает спектр светового потока в сторону более длинных красных длин волн, вызывая большое изменение цветовой температуры, из-за которого свет кажется более оранжевым или красным.
| Уровень затемнения | Температура нити накала | Коррелированная цветовая температура |
|---|---|---|
| 100% (полная мощность) | 2700K | 2700K (теплый белый) |
| 75% | 2100K | 2100K (теплый оранжевый) |
| 50% | 1500K | 1500K (темно-оранжевый) |
| 25% | 1200K | 1200K (темно-красный) |
В этой таблице приведены примерные значения того, как затемнение вольфрамовой лампы 2700K до более низких уровней яркости приводит к более низким температурам нити накала и коррелированным цветовым температурам. При полной мощности свет остается на уровне 2700K. Но при мощности 25% цветовая температура может упасть до 1200 К, что приведет к ярко выраженному красному/оранжевому цвету на выходе.
Мы также можем визуализировать, как спектр светового излучения изменяется при разных уровнях затемнения:
| 100% — полный спектр 2700 К | 50% — больше красного, меньше синего |
Эти смоделированные спектры показывают, как при полной мощности вольфрамовый свет излучает баланс длин волн, который коррелирует с 2700 К. При уменьшении яркости всего до 50% спектр смещается в сторону более длинных красных длин волн по сравнению с синими, что приводит к снижению цветовой температуры.
Причина смещения спектра света от вольфрамовой нити при уменьшении яркости связана с физикой излучения черного тела и законом Стефана-Больцмана.
Проще говоря, количество энергии, излучаемой на разных длинах волн черным телом (идеализированным излучателем), пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры. Для вольфрамовой нити это означает, что по мере снижения температуры при уменьшении яркости коротковолновый синий световой поток уменьшается намного быстрее, чем длинноволновый красный световой поток. Это смещает спектр в сторону красного, существенно снижая коррелированную цветовую температуру.
Описанное сильное изменение цвета происходит именно для ламп накаливания, в которых используется нагретая нить накаливания. Другие технологии источников света ведут себя по-другому при затемнении:
Светодиодные лампы смешивают светодиоды разных цветов для получения белого света. При затемнении выход всех светодиодов падает относительно равномерно, поэтому цветовая температура в целом остается более стабильной по сравнению с лампами накаливания. Однако при очень низких уровнях затемнения выход синего светодиода иногда может непропорционально уменьшаться, вызывая небольшой сдвиг в сторону потепления.
Флуоресцентные лампы работают за счет возбуждения паров ртути, которые излучают ультрафиолетовый свет, заставляя фосфорное покрытие светиться и производить видимый свет. Регулируемые люминесцентные балласты регулируют яркость, регулируя мощность ртутной дуги, которая влияет на все видимые длины волн относительно равномерно. Таким образом, флуоресцентная цветовая температура также довольно стабильна при диммировании.
Газоразрядные лампы, такие как натриевые высокого/низкого давления или металлогалогенные лампы, работают аналогично флуоресцентным лампам. Диммирование вызывает довольно равномерное падение всех длин волн, поэтому больших цветовых сдвигов, наблюдаемых у ламп накаливания, не происходит. Однако при очень низкой мощности натриевые лампы могут слегка смещаться в сторону оранжевого.
Подводя итог, можно сказать, что коррелированная цветовая температура большинства источников света остается довольно стабильной при диммировании — за исключением ламп накаливания, где температура существенно падает с яркостью из-за уникальной физики их нагретых нитей. Этот теплый, красноватый сдвиг по сути является побочным эффектом, а не преднамеренной конструктивной особенностью затемнения вольфрамовой лампы.
Возможность контролировать как яркость, так и цветовую температуру путем затемнения вольфрамовых ламп полезна в некоторых приложениях, таких как театр/фотография, где может быть желательна «более теплая» атмосфера при более низких уровнях освещенности. Однако резкое падение цветовой температуры также может сделать затемненное вольфрамовое освещение неестественным.
Светодиодные и другие технологии позволяют гораздо лучше контролировать затемнение и настройку цветовой температуры света независимо от яркости. Таким образом, ограничения ламп накаливания в этой области становятся менее существенной проблемой с современным освещением.
Затемнение вольфрамовой лампы накаливания приводит к значительному снижению рабочей температуры нити накаливания. Это смещает спектр излучения в сторону более длинных красных длин волн, существенно снижая коррелированную цветовую температуру и придавая свету более оранжевый/красный оттенок при более низких уровнях яркости. Этот эффект уникально силен в вольфрамовых лампах из-за характеристик излучения черного тела нагретой нити. Другие технологии источников света менее склонны к изменению цвета при затемнении, что позволяет более стабильно и настраиваемо управлять яркостью и цветовой температурой.