Трудно найти в быту два столь кардинально различных по масштабу объекта, чем наше светило и обычная лампочка накаливания ватт на сто: даже средний диаметр того и другого отличается на десять порядков (~1,392·10^9 метров и ~0.05 метра, соответственно) — однако оба объекта являются источниками света и в этом аспекте уже появляется смысл их сравнивать.
Спектр и цветовая температура
С детства и первых самостоятельных физических экспериментов (вроде засовывания гвоздя в пламя кухонной газовой плиты или раздувания углей от костра) мы уже знаем, что если как следует нагреть какое-либо материальное тело, то оно начинает светиться — причём тем ярче, чем сильнее мы его нагреваем.
Учёных давным-давно заинтересовал этот же вопрос, но для строго количественного и качественного описания явления им для начала пришлось ввести абстрактное понятие — абсолютно чёрное тело (АЧТ). Смысл в том, что электромагнитное излучение от нагретого тела (а свет — это именно электромагнитное излучение, как и радиоволны, рентгеновские лучи и т.д.) в принципе зависит от того, какие длины волн (участки спектра) такое тело поглощает.
Принцип прост: если нечто очень хорошо поглощает в каких-то диапазонах, то оно также хорошо и излучает в этих же диапазонах — именно поэтому такое абстрактное идеально поглощающее и излучающее тело назвали «чёрным». Попутно отметим, что неидеальные тела именуют «серыми» или «цветными» — и через соответствующие поправки опять же «привязывают» к свойствам АЧТ.
Выяснилось, что результирующая объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность АЧТ пропорциональны четвёртой степени его абсолютной температуры (напомним, что абсолютная температура измеряется в Кельвинах и отсчитывается от Абсолютного нуля температуры, который «холоднее» привычного нам «нуля по Цельсию» примерно на 273 градуса) — и в учебниках физики «прописалась» известная «горбатая кривая».
Какое отношение это имеет к изначальному вопросу? Очень простое: оказывается, соответствующая кривая для Солнца великолепно описывается кривой для АЧТ с температурой ~6000 Кельвинов! При этом пик максимума излучения лежит в области ~450 нанометров (ультрафиолет!) — поэтому в очередной раз скажем Большое Спасибо нашей земной атмосфере за то, что она поглощает это излучение до того безопасного уровня, при котором мы все уже можем жить на поверхности планеты при дневном свете, а не сидеть в норах и выползать на поверхность только по ночам.
А что же с нашей лампочкой? Её раскалённая спираль также подчиняется этому же закону, однако результирующая температура примерно вдвое меньше солнечной (температура плавления вольфрама, из коего обычно делают нити накаливания ламп, составляет ~3422 градуса Цельсия — но рабочая температура не превышает ~2800 градусов Цельсия) и составляет порядка 3000 Кельвинов. Поэтому пик максимума излучения лампы накаливания «отъезжает» в область инфракрасного излучения и располагается в районе одного микрометра (1000 нанометров) — то есть бытовая лампа накаливания скорее «отопительный», чем «осветительный» прибор (КПД ~6% — и чем меньше мощность, тем хуже КПД).
Мощность
Сопоставление полных мощностей излучения лампочки и Солнца наглядно показывает чудовищный отрыв величин астрономических от бытовых: если лампочка в виде видимого света и тепла излучает 10^2 ватт, то Солнце ~4*10^26 ватт — почти двадцать пять порядков разницы! Попытайтесь теперь посчитать на досуге, сколько бы стоваттных лампочек накаливания потребовалось для замены Солнца и какой объём в Солнечной системе они бы заняли…
