Вечнозеленые деревья занимают особое место в праздновании зимнего солнцестояния. Чтобы отметить самый короткий день в году и официальное начало зимы, люди в дохристианской Европе повесили вечнозеленые ветки на двери и окна, как талисман, чтобы уберечь от зла и символ надежды весны и вечной жизни. С распространением христианства в Европе в 3-м и 4-м веках нашей эры, традиция украшать вечнозелеными ветвями была включена в Рождество.
Приносить живое вечнозеленое дерево в помещении и украшать его стало традицией в Германии 16-го века. Протестантскому реформатору Мартину Лютеру исторически приписывают, что он добавляет свечи и зажигает рождественские елки в своем доме после того, как видит деревья, освещенные звездами ночью. Деревья, освещенные свечами, стали немецкой традицией, которую привезли в Соединенные Штаты ранние немецкие поселенцы, хотя они не стали сенсацией в США до тех пор, пока в The Illustrated London News не была опубликована гравировка рождественской елки британской королевской семьи в Виндзорском замке. в 1848 году принц Альберт был немцем, а мать королевы Виктории также была немкой, поэтому украшенные деревья были чем-то знакомым для королевской семьи. Эта гравюра, изображающая многоярусное дерево, покрытое орнаментами и зажженными свечами, популяризировала новогодние елки. Они были законодателями моды дня; как и Виктория и Альберт, остальной мир последовал.
Гравюра королевы Виктории, принца Альберта и их детей, восхищающихся королевской елкой в декабре 1848 года. (Музей Вебстера) Зажигать дерево свечами было очень опасно; дерево должно было быть свежим. Как правило, освещение рождественской елки включало ведра, заполненные водой, расположенной поблизости, чтобы погасить дерево, если оно или его окрестности загорелись. Учитывая все эти меры предосторожности, свечи будут зажжены один раз в канун Рождества.
В 1882 году, после того, как Томас Эдисон разработал практичную электрическую лампочку, Эдвард Джонсон, его друг и партнер в компании Edison's Illumination Company, создал первый набор «рождественских огней», цепочку из 80 красных, белых и синих огней, которые он обмотал вокруг его новогодняя елка В 1895 году Рождественская елка Белого дома была освещена сотнями разноцветных ламп накаливания.
1901 Дженерал Электрик реклама Лампы накаливания освещали елки на протяжении всего 20-го века. Несмотря на улучшения, все они функционировали так же, как и оригинальная лампочка Эдисона: электрические потоки думали о нити накала в колбе, нить нагревается от электрического сопротивления, колба становится очень горячей, и свет возникает, когда металлы в нити накала становятся настолько горячими, что электроны возбуждаются до более высоких орбитальных уровней и почти сразу возвращаются к своему первоначальному орбитальному уровню.
Цвет производимого света напрямую связан с возбуждением электронов в материале, используемом для создания источника света. Электроны перепрыгивают с одного орбитального уровня, называемого HOMO, или самой высокой занимаемой молекулярной орбитали, на следующую LUMO, или самую низкую незанятую молекулярную орбиту, и когда электрон снова расслабляется, электромагнитное излучение, такое как видимый свет, испускается. Природа электромагнитного излучения связана с расстоянием между двумя уровнями (HOMO-LUMO).
Цвет света, создаваемого этим возбуждением, также зависит от расстояния между орбитальными уровнями. Традиционные лампочки Эдисона (лампы накаливания) производят белый свет, потому что есть много разных уровней энергии, поэтому все цвета спектра получаются. Вот почему, когда вы пропускаете белый свет из лампочки через призму, она распадается на разные цвета.
Лампы накаливания не особенно энергоэффективны - хороший процент энергии теряется в виде тепла. И хотя лампы накаливания намного безопаснее, чем свечи, чтобы зажечь дерево, и их можно использовать несколько раз, они все равно сильно нагреваются. Многие сухие новогодние елки загорелись от тепла, генерируемого лампочками, поджигающими сухие, чрезвычайно огнеопасные, вечнозеленые иголки.
Светодиод (светоизлучающий диод) Рождественские огни, с другой стороны, дают преимущества, когда речь идет об энергоэффективности и температуре, а также о новых конструкциях и методах освещения. Светодиоды производят свет так же, как лампы накаливания на квантовом уровне: электроны возбуждаются и испускают свет, когда они расслабляются. Разница в том, как происходит это возбуждение: в случае светодиода электричество, которое проходит через материал, напрямую возбуждает электроны, а не тепло. При этом светодиодные светильники потребляют на 80-90% меньше энергии, чем аналогичные рождественские лампы накаливания.
Светодиоды были впервые запатентованы Джеймсом Биардом и Гари Питтманом во время работы в Texas Instruments. В их патенте (№ 3 293 513), озаглавленном «Полупроводниковый лучистый диод» и выданном 20 декабря 1966 г., описывается первое запатентованное твердотельное устройство для получения света от электричества. Галлий-арсенидный диод излучал инфракрасный свет, который не виден человеческому глазу.
JR Biard и др. «Полупроводниковый лучистый диод», запатентованный 20 декабря 1966 г. (патент США № 3293513). Работая в General Electric, Ник Холоньяк изобрел первый светодиод для создания видимого света, в данном случае красного, путем модификации арсенида галлия фосфором, который смещал свет, излучаемый кристаллами, из инфракрасного в красный. Основой этой работы является его патент (патент № 3249473), выданный 3 мая 1966 года.
В отличие от ламп накаливания, которые производят широкий спектр света и выглядят белыми, если они не покрыты краской для изменения цвета, светодиодные лампы производят цвет в зависимости от составов, выбранных для создания света: красная цепочка светодиодных рождественских огней может быть сделана из составы, которые испускают красные огни, синие от составов, которые испускают синий свет, и так далее. Белые светодиодные фонари разные. Существует несколько материалов, таких как иттрий-алюминиевый гранат (Y 3 AL 5 O 12 ), которые при включении светодиодов производят белый свет. Однако большинство белых светодиодных ламп производят свет, осторожно комбинируя различные светоизлучающие соединения в структуре колбы (например, обычно синее излучающее соединение, красное излучающее соединение и зеленое излучающее соединение).
Большое продвижение в производстве красных светодиодов произошло благодаря работе Пола Бейли и его коллег, работающих в Monsanto, которым была предоставлена Пат. № 4039890 от 2 августа 1977 года. Они изобрели двумерную матрицу светодиодов, в которой можно индивидуально управлять светом. В то время как эта структура производила красный свет в виде сетки, «специалисты в данной области могут легко представить себе другие комбинации и материалы для обеспечения другого цвета или многоцветного отображения».
Бэйли и др. «Интегрированный полупроводниковый светоизлучающий дисплей», запатентованный 2 августа 1977 года (патент США № 4039890). Этот оригинальный патент обеспечил основу для светодиодных экранов, используемых для всего, от компьютеров до телевизоров и телефонов. Светодиодные экраны дают разные цвета, смешивая красный, зеленый и синий свет в разных сочетаниях; на основе цветовой модели RGB (красный-зеленый-синий) из этих трех цветов можно получить любой цвет.
Современная светодиодная линейка красного, зеленого и синего света (Martin Kraft через WikiCommons) Массив пикселей, присутствующих в современном светодиоде, обеспечивает основу для настраиваемых рождественских огней и дисплеев, где контролируются отдельные огни. Подобно тому, как пиксель на экране меняет цвет, чтобы отобразить часть изображения, рождественские огни с красными, зелеными и синими светодиодами в одной лампочке могут давать любой цвет радуги, а также белый свет. Отдельные источники света можно включать и выключать, а цвет менять.
Теперь можно иметь один набор огней на рождественской елке и менять их на любой желаемый цвет. Этот тип технологии также позволяет использовать большие наружные дисплеи, где огни могут танцевать по всему зданию и изменять цвета, синхронизированные с музыкой. Эти огни и компьютеризированные контроллеры, которые с каждым годом становятся все более доступными для технически подкованных потребителей, имеют больше общего с телевизионными экранами, чем с ранними рядами красных, белых и синих огней, которые Эдвард Джонсон обернул вокруг своей рождественской елки.
24 декабря 2013 г., пат. № 8, 614, 632 было предоставлено Кеннету Уэллсу и Виктору Хэтчу за «Способ и устройство для управления источником света в соответствии с источником звука». Эта система контролирует источники света RGB и преобразует звуковые волны в сигналы, которые управляют источниками света. Таким образом, вместо того, чтобы программировать свет на музыку, можно позволить системе интерпретировать музыку и производить световое шоу.
Уэллс и др. «Способ и устройство для управления источником света в соответствии с источником звука», запатентованный 24 декабря 2013 г. (патент США № 8 614 632) Так куда же отсюда пойдут огни рождественской елки? У меня есть несколько прогнозов.
Цвет светодиодного белого света улучшится, и по мере того, как все больше людей будут использовать светодиодные лампы, потребление энергии и эксплуатационные расходы будут снижаться. Способ освещения рождественских елок будет продолжать развиваться, и огни будут становиться все менее похожими на оригинальные лампы накаливания; они могут быть небольшими и в то же время яркими, и не должны принимать форму оригинальной лампочки.
Патентованное Уэйнрайтом устройство для моделирования пламени, запатентованное 24 октября 2006 г. (патент США № 7, 125, 142) Я даже могу представить более безопасную версию свечей, которые зажгли деревья Мартина Лютера, Виктории и Альберта. В конце концов, как описал изобретатель Гарри Уэйнрайт в своем патенте 2006 года на «Имитирующее пламя устройство», светодиоды можно расположить так, чтобы они действительно выглядели как настоящие свечи.
