电灯

电灯 electric lamp;electric light] 用电作光能源的灯

电灯定义
　　电灯（Electric lamp），准确技术名称为白炽灯（Incandescent light bulb）。人工光源之一般通称。它是电流把灯丝加热到白炽状态而用来发光的灯。电灯泡外壳用玻璃制成，把灯丝保持在真空，或低压的惰性气体之下，作用是防止灯丝在高温之下氧化。它只有7～8％的电能变成可见光，90％以上的电能转化成了热，白炽灯的发光效率很低，然而，它却是电灯世界的开路先锋。现代的白炽灯一般寿命为1000小时左右。电灯是根据电产生热的原理制成的。现在的灯泡一般都选用钨丝做灯丝。

工作原理
　　电灯是将电能转化为光能，以提供照明的设备，其工作原理是：电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000℃以上）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯。
　　从能量的转换角度看，电灯发光时，大量的电能将转化为热能，只有极少一部分可以转化为有用的光能。
　　电灯发出的光是全色光，但各种色光的成份比例是由发光物质（钨）以及温度决定的。比例不平衡就导致了光的颜色的偏色，所以在白炽灯下物体的颜色不够真实。（即显色性不高）
　　　电灯用久了会发黑的原因
　　在电灯内发亮的是钨丝，钨丝可以在很高的温度下保持稳定而不会融化，而是直接升华成气体，等关灯后，温度下降，钨气又重新凝华成固体覆在了灯泡内壁上，因为钨是黑色固体，所以白炽灯用久了以后，钨在灯内壁反复累集，灯泡就会变黑了。
　　电灯是有寿命的，一般发黑后，寿命也就不长了，黑色的灯泡会影响照明质量，而且也不美观，所以用时间太长发黑的灯泡不如尽快换掉，尤其是显眼位置，需要良好照明的地方要尽早的换，以免灯泡突然坏掉而没有备用灯泡，影响的正常的照明和生活，造成各种不便。
　　电灯的寿命跟灯丝的温度有关，因为温度越高，灯丝就越容易升华（钨直接变成钨气），当钨丝升华到比较细瘦时，通电后就很容易烧断，从而结束了灯的寿命。所以，电灯的功率（瓦数）越大，寿命就越短。

发明电灯
　　　在电灯问世以前，人们普遍使用的照明工具是蜡烛、煤油灯或煤气灯。这种灯因燃烧煤油或煤气，因此，有浓烈的黑烟和刺鼻的臭味，并且要经常添加燃料，擦洗灯罩，因而很不方便。更严重的是，这种灯很容易引起火灾，酿成大祸。多少年来，很多科学家想尽办法，想发明一种既安全又方便的电灯。
　　灯是人类征服黑夜的一大发明。真正发明电灯使之大放光明的是美国发明家爱迪生。他是铁路工人的孩子，小学未读完就辍学，在火车上卖报度日。爱迪生是一个异常勤奋的人，喜欢做各种实验，制作出许多巧妙机械。他对电器特别感兴趣，自从法拉第发明电机后，爱迪生就决心制造电灯，为人类带来光明。
　　爱迪生在认真总结了前人制造电灯的失败经验后，制定了详细的试验计划，分别在两方面进行试验：一是分类试验1600多种不同耐热的材料；二是改进抽空设备，使灯泡有高真空度。他还对新型发电机和电路分路系统等进行了研究。
　　19世纪初，英国一位化学家用2000节电池和两根炭棒，制成世界上第一盏弧光灯。但这种光线太强，只能安装在街道或广场上，普通家庭无法使用。无数科学家为此绞尽脑汁，想制造一种价廉物美、经久耐用的家用电灯。
　　1879年10月21日，一位美国发明家通过长期的反复试验，终于点燃了世界上第一盏有实用价值的电灯。从此，这位发明家的名字，就象他发明的电灯一样，走入了千家万户。他，就是被后人赞誉为“发明大王”的爱迪生。
　　1847年2月11日，爱迪生诞生于美国俄亥俄州的米兰镇。他一生只在学校里念过三个月的书，但他勤奋好学，勤于思考，其发明创造了电灯、留声机、电影摄影机等1000多种成果，为人类做出了重大的贡献。
　　爱迪生12岁时，便沉迷于科学实验之中，经过自己孜孜不倦地自学和实验，16岁那年，便发明了每小时拍发一个信号的自动电报机。后来，又接连发明了自动数票机，第一架实用打字机、二重与四重电报机，自动电话机和留声机等。有了这些发明成果的爱迪生并不满足，1878年9月，爱迪生决定向电力照明这个堡垒发起进攻。他翻阅了大量的有关电力照明的书籍，决心制造出价钱便宜，经久耐用，而且安全方便的电灯。
　　他从白热灯着手试验。把一小截耐热的东西装在玻璃泡里，当电流把它烧到白热化的程度时，便由热而发光。他首先想到炭，于是就把一小截炭丝装进玻璃泡里，刚一通电可马上就断裂了。
　　“这是什么原因呢？”爱迪生拿起断成两段的炭丝，再看看玻璃泡，过了许久，才忽然想起，“噢，也许因为这里面有空气，空气中的氧又帮助炭丝燃烧，致使它马上断掉！”于是他用自己手制的抽气机，尽可能地把玻璃泡里的空气抽掉。一通电，果然没有马上熄掉。但8分钟后，灯还是灭了。
　　可不管怎么说，爱迪生终于发现：真空状态对白热灯非常重要，关键是炭丝，问题的症结就在这里。
　　那么应选择什么样的耐热材料好呢？
　　爱迪生左思右想，熔点最高，耐热性较强要算白金啦！于是，爱迪生和他的助手们，用白金试了好几次，可这种熔点较高的白金，虽然使电灯发光时间延长了好多，但不时要自动熄掉再自动发光，仍然很不理想。
　　爱迪生并不气馁，继续着自己的试验工作。他先后试用了钡、钛、锢等各种稀有金属，效果都不很理想。
　　过了一段时间，爱迪生对前边的实验工作做了一个总结，把自己所能想到的各种耐热材料全部写下来，总共有1600种之多。
　　接下来，他与助手们将这1600种耐热材料分门别类地开始试验，可试来试去，还是采用白金最为合适。由于改进了抽气方法，使玻璃泡内的真空程度更高，灯的寿命已延长到2个小时。但这种由白金为材料做成的灯，价格太昂贵了，谁愿意化这么多钱去买只能用2个小时的电灯呢？
　　实验工作陷入了低谷，爱迪生非常苦恼，一个寒冷的冬天，爱迪生在炉火旁闲坐，看着炽烈的炭火，口中不禁自言自语道：“炭、炭……。”
　　可用木炭做的炭条已经试过，该怎么办呢？爱迪生感到浑身燥热，顺手把脖子上的围巾扯下，看到这用棉纱织成的围脖，爱迪生脑海突然萌发了一个念头：对！棉纱的纤维比木材的好，能不能用这种材料？
　　他急忙从围巾上扯下一根棉纱，在炉火上烤了好长时间，棉纱变成了焦焦的炭。他小心地把这根炭丝装进玻璃泡里，一试验，效果果然很好。
　　爱迪生非常高兴，紧接又制造很多棉纱做成的炭丝，连续进行了多次试验。灯泡的寿命一下子延长13个小时，后来又达到45小时。
　　这个消息一传开，轰动了整个世界。使英国伦敦的煤气股票价格狂跌，煤气行也出现一片混乱。人们预感到，点燃煤气灯即将成为历史，未来将是电光的时代。
　　大家纷纷向爱迪生祝贺，可爱迪生却无丝毫高兴的样子，摇头说道：“不行，还得找其它材料！”
　　“怎么，亮了45个小时还不行？”助手吃惊地问道。“不行！我希望它能亮1000个小时，最好是16000个小时！”爱迪生答道。
　　大家知道，亮1000多个小时固然很好，可去找什么材料合适呢？
　　爱迪生这时心中已有数。他根据棉纱的性质，决定从植物纤维这方面去寻找新的材料。
　　于是，马拉松式的试验又开始了。凡是植物方面的材料，只要能找到，爱迪生都做了试验，甚至连马的鬃，人的头发和胡子都拿来当灯丝试验。最后，爱迪生选择竹这种植物。他在试验之前，先取出一片竹子，用显微镜一看，高兴得跳了起来。于是，把炭化后的竹丝装进玻璃泡，通上电后，这种竹丝灯泡竟连续不断地亮了1200个小时！
　　这下，爱迪生终于松了口气，助手们纷纷向他祝贺，可他又认真地说道：“世界各地有很多竹子，其结构不尽相同，我们应认真挑选一下！”
　　助手深为爱迪生精益求精的科学态度所感动，纷纷自告奋勇到各地去考察。经过比较，在日本出产的一种竹子最为合适，便大量从日本进口这种竹子。与此同时，爱迪生又开设电厂，架设电线。过了不久，美国人民便用上这种价廉物美，经久耐用的竹丝灯泡。
　　竹丝灯用了好多年。直到1906年，爱迪生又改用钨丝来做，使灯泡的质量又得到提高，一直沿用到今天。
　　当人们点亮电灯时，每每会想到这位伟大的发明家，是他，给黑暗带来无穷无尽的光明。1979年，美国花费了几百万美元，举行长达一年之久的纪念活动，来纪念爱迪生发明电灯一百周年。

发明争议
　　一般认为电灯是由美国人托马斯·阿尔瓦·爱迪生发明的。但是，另一美国人亨利·戈培尔比爱迪生早数十年已发明了使用相同原理和物料、而且可靠的电灯泡，而在爱迪生之前很多其它人亦对电灯的发明作出了不少贡献。1801年，英国一名化学家戴维将铂丝通电发光。他在1810年亦发明了电烛，利用两根碳棒之间的电弧照明。1854年亨利·戈培尔使用一根炭化的竹丝，放在真空的玻璃瓶下通电发光。他的发明今天看来是首个有实际效用的白炽灯。他当时试验的灯泡已可维持400小时，但是并没有及时申请设计专利。
　　1850年，英国人约瑟夫·威尔森·斯旺（Joseph Wilson Swan）开始研究电灯。1878年，他以真空下用碳丝通电的灯泡得到英国的专利，并开始在英国建立公司，在各家庭安装电灯。
　　1874年，加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利。他们在玻璃泡之下充入氦气，以通电的碳杆发光。但是他们无足够财力继发展这发明，于是在1875年把专利卖给爱迪生。
　　爱迪生购下专利后，尝试改良使用的灯丝。1879年他改以碳丝造灯泡，成功维持13个小时。到了1880年，他造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200小时。但是在英国，斯旺控告爱迪生侵犯专利，并且获得胜诉。爱迪生在英国的电灯公司被迫让斯旺加入为合伙人。但后来斯旺把他的权益及专利都卖给了爱迪生。在美国，爱迪生的专利亦被挑战。美国专利局曾判决他的发明已有前科，属于无效。最后经过多年的官司，爱迪生才取得碳丝白炽灯的专利权。

效能比较
　　　大部分电灯会把消耗能量中的90%转化成无用的热能，只少于10%的能量会成为光。相比之下，萤光灯（Fluorescent lamp，亦称光管） 的效率高很多，接近40%，所产生的热只是相同亮度的白炽灯的六分一。故此很多地方，特别是夏天需要空气调节的商场、大楼都会使用萤光灯照明以节省电力。小型的萤光灯（节能灯泡）把萤光灯及启动电子结合，使用标准电灯泡的接口，用以替代普通白炽灯泡。例如一个26瓦的节能灯泡，发出的亮度为11瓦，热量为15瓦。发出相同亮度11瓦的白炽灯泡耗电多四倍，达100瓦；放出热量多六倍，达90瓦。
　　很多家居内的电灯仍然是以普通电灯为主。卤素灯泡近年亦变得较为流行，特别是光源需要集中的情况，例如家居的射灯，汽车车头灯，经常会使用卤素灯泡。良好的卤素灯泡可以达到15%的效率。它是将电灯的普通玻璃换成更耐热的石英玻璃（卤素灯的温度很高，在2100度左右），并在灯泡中充入卤族元素气体（碘或溴），就是卤素灯了。卤素和钨利用温差在灯泡内部进行分解与合成的循环，以延长灯丝寿命。但是石英玻璃并不能像普通玻璃那样隔离紫外光。所以，如果你长时间暴露在它的紫外光照射下，皮肤会变成古铜色。

种类及用途
　　　照明电光源一般分为白炽灯、气体放电灯和其他电光源三大类，在绿色照明工程中，可根据具体情况，选择各种光源。
　　一、白炽灯（Incandescent lamp）
　　1.普通白炽灯即一般常用的白炽灯泡
　　特点：显色性好(Ra=100)、开灯即亮、可连续调光、结构简单、价格低廉，但寿命短、光效低。
　　用途：居室、客厅、大堂、客房、商店、餐厅、走道、会议室、庭院。
　　运用方式：台灯、顶灯、壁灯、床头灯、走廊灯。
　　　二、卤钨灯（tungsten halogen lamp）
　　填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。具有普通照明白炽灯的全部特点，光效和寿命比普通照明白炽灯提高一倍以上，且体积小。
　　用途：会议室、展览展示厅、客厅、商业照明、影视舞台、仪器仪表、汽车、飞机以及其它特殊照明。二、气体放电灯(discharge lamp) 1.低气压放电灯( low pressure (vapor) discharge lamp) (1)荧光灯(fluorescent lamp)
　　三、荧光灯（俗称日光灯）
　　特点：光效高、寿命长、光色好。
　　荧光灯有直管型、环型、紧凑型等，是应用范围十分广泛的节能照明光源。
　　用直管型荧光灯取代白炽灯，节电70~90%，寿命长5~10倍；
　　对直管型荧光灯进行升级换代，节电15~50%；
　　用紧凑型荧光灯取代白炽灯，节电70~80%，寿命长5~10倍；(2)低压钠灯(low pressure sodium (vapor) lamp)
　　特点：发光效率特高、寿命长、光通维持率高、透雾性强，但显色性差。
　　用途：隧道、港口、码头、矿场等照明。
　　四、高强度气体放电灯(high intensity discharge lamp-HID)
　　高强度气体放电灯有：荧光高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。
　　(1)荧光高压汞灯
　　特点：寿命长、成本相对较低。
　　用途：道路照明、室内外工业照明、商业照明。
　　(2)高压钠灯
　　特点：寿命长、光效高、透雾性强。
　　用途：道路照明、泛光照明、广场照明、工业照明等。
　　(3)金属卤化物灯
　　特点：寿命长、光效高、显色性好。
　　用途：工业照明、城市亮化工程照明、商业照明、体育场馆照明以及道路照明等。
　　(4)陶瓷金属卤化物灯
　　特点：性能优于一般金卤灯。
　　用途：商场、橱窗、重点展示及商业街道照明。
　　五、高频无极灯（electrodeless lamp）
　　特点：超长寿命（40000~80000小时）、节能、无电极、瞬间启动和再启动、无频闪、显色性好。
　　用途：公共建筑、商店、隧道、步行街、高杆路灯、保安和安全照明及其他室外照明。
　　6.卤素灯泡
　　卤素灯泡（Halogen lamp），亦称钨卤灯泡，是白炽灯的一种。原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体。在高温下，蒸发的钨丝与卤素进行化学作用，蒸发的钨会重新凝固在钨丝 上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂。因此卤素灯泡比白炽灯更长寿。此外，卤素灯泡亦能以比一般白炽灯更高的温度运作，它们的亮度及效率亦更高。不过在 这温度下，普通玻璃可能会软化。因此卤素灯泡需要采用熔点更高的石英玻璃。而由于石英玻璃不能阻隔紫外线，故此卤素灯泡通常都而需要另外使用紫外线滤镜。卤素灯泡上的水晶玻璃如果有油，会造成玻璃上温度不一，减低灯泡的寿命。因此换卤素灯泡时要避免人手触及灯泡的玻璃。
　　【无绳电灯】
　　美国麻省理工学院研究人员2007年6月10日进行了“无绳灯泡”的实验。由索尔贾希克领导的研究小组利用两个铜丝线圈充当共振器，一个线圈与电源相连，作为发射器；另一个与台灯相连，充当接收器。结果，他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。而且试验显示“无线电能传输”技术对人类无害，因为电磁场只对能与之产生共振的物品有影响。
　　【LED灯】
　　LED的结构及发光原理
　　50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
　　LED结构图如下图所示
　　发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
　　LED光源的特点
　　1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
　　2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
　　3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
　　4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
　　5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
　　6. 对环境污染：无有害金属汞
　　7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
　　8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
　　LED显示器
　　现代显示屏使用LED做背光源的显示技术。

中国的第一盏电灯
　　中国的第一盏电灯出现在清光绪五年四月初八 (1879年5月28日),，当时上海公共租界工部局电气工程师毕晓浦(J. D. Bishop)在境内乍浦路一幢仓库里，以10马力(7.46千瓦)蒸汽机为动力，带动自激式直流发电机发电，点燃碳极弧光灯，由此，宣告电灯在中国开始投入使用。

电灯的新发明
　　“重力电灯”依靠重力产生电力，其亮度相当于一个12瓦的日光灯，且使用寿命长。
　　来自美国弗吉尼亚州的克雷·毛尔顿，去年在弗吉尼亚科技大学获得了硕士学位。他的研究课题是一种使用发光二极管制成的灯具，这种灯具被命名为“格拉维亚”，它事实上是一个高度略大于4英尺(约1.21米)、由丙烯酸材料做成的柱体。这种灯具的发光原理是：灯具上的重物在缓缓落下时带动转子旋转，由旋转产生的电能将给灯具通电并使其发光。
　　这种灯具的光通量为600至800流明(相当于一个12瓦日光灯的亮度)，持续时间为4小时。要打开灯具，操作者只需将灯上的重物从底端移到顶部，将其放进顶部的凹槽里。让重物缓缓下降，只需几秒钟，这种发光二极管灯具即被点亮。
　　克雷·毛尔顿说，操作这种灯当然要比按开关麻烦，但仍可接受，而且更显有趣，这就好比给一款古典的钟表上弦或悠然自得地冲上一杯可口的咖啡。毛尔顿估计，格拉维亚灯具的使用寿命可以达到200年以上。目前，这种名为“格拉维亚”的灯具已经申请并获得了专利。