[科普中国]-电灯

电灯，即用电作能源的人造照明用具，能将电转化为光，大大推动了人类文明的进步1。常见的电灯种类有白炽灯、荧光灯、LED灯等。

工作原理电灯是将电能转化为光能，以提供照明的设备，出现于第二次工业革命，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，就像烧红了的铁能发光一样而发出光来2。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。

发明历史最早实用的电灯是白炽灯，但早在白炽灯诞生之前，英国人汉弗莱·戴维用2000节电池和两根炭棒制成了弧光灯，但这种弧光灯亮度太强产热太多又不耐用，一般场所根本无法使用。

1854年，移民美国的德国钟表匠亨利·戈贝尔用一根放在真空玻璃瓶里的碳化竹丝，制成了首个有实际效用的电灯，持续亮了400个小时，不过他并没及时申请专利。1860年，英国人约瑟夫·斯旺也制成了碳丝电灯，但他未能获得使碳丝保持长时间工作的良好真空环境。直到1878年，英国的真空技术发展到合乎需要的程度，他才发明真空下用碳丝通电的灯泡，并且获得英国专利。斯旺自己的屋子是英国用电照明的第一所私人住宅。

1874年，加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利：在玻璃泡之下充入氮气，以通电的碳杆发光，但他们没有足够财力继续完善这项发明，于是在1875年把专利卖给了爱迪生。爱迪生购入专利后尝试改良灯丝，终于在1880年制造出能持续亮1200个小时的碳化竹丝灯。

不过，美国专利局判爱迪生的碳丝白炽灯发明落于人后，专利无效。打了多年的官司后，亨利·戈培尔赢得专利，最后爱迪生从戈培尔贫困的遗孀手上买下专利。在英国，斯旺控告爱迪生侵犯专利，后来他们在法庭之外和解，于1883年在英国建立一家联合公司。斯旺后来把他的股权及专利都卖给了爱迪生。

20世纪初，碳化灯丝被钨丝取代，钨丝白炽灯沿用至今。

1938年，荧光灯诞生。1998年白光LED灯诞生。

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，荧光灯（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。比发出相同亮度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。卤素灯泡渐渐变得较为流行，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。

白炽灯发黑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，钨在灯内壁反复累积，灯泡就会变黑了3。

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。

种类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。

白炽灯**（Incandescent lamp）**

普通白炽灯即一般常用的白炽灯泡

特点：广泛被人使用的一种光源，它能散发出温暖晕黄的光线，是我们大多数人所认为的灯泡。它的价格便宜，显色性好(Ra=100)、开灯即亮、可连续调光、结构简单。因此，钨丝灯泡也具有多变的式样以搭配不同的灯具。然而，钨丝灯泡的寿命并不长久，光效低，也不省电，它还会发出不低的温度，所以不可以距离纸张、纺织品或朔胶制品太近。

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、走廊灯等。

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4。

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。

气体**(discharge lamp)**

低气压放电灯( low pressure (vapor) discharge lamp) (1)荧光灯(fluorescent lamp)

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；

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。

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。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。

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。陶瓷金卤灯

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。

低压钠灯特点：发光效率特高、寿命长、光通维持率高、透雾性强，但显色性差5。

用途：隧道、港口、码头、矿场等照明。

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。

卤素灯泡卤素灯（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。

用途：汽车前灯，宾馆/酒店大厅，展台照明。

LED灯发光原理

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

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，半导体晶体就发出光线，光的强弱与电流有关。

LED光源的特点

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。

效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

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

稳定性：10万小时，光衰为初始的50%

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

对环境污染：无有害金属汞

颜色：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，实现红黄绿篮橙多色发光。

价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，一只LED的价格就可以与几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。

无绳灯泡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6。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。

相关信息中国的第一盏电灯

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),，当时在上海公共租界工部局工作的电气工程师英国人毕晓浦(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。

1882年英国人立德尔购买美国制造的发电设备，在南京路江西路北角(今华东电业管理局)创办了中国第一家发电厂，并在外滩一带串接15盏电灯。夜幕下，眩人眼目的弧光灯吸引了成百上千的市民翘首围观。

上世纪50年代，在鼓浪屿上，每天晚上只要电灯暗了一下立马又亮起来，人们就知道是8点整了。

人们可以使用充氮气来延长灯泡的使用寿命。

发明项目“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，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。这种名为“格拉维亚”的灯具已经申请并获得了专利。

节电技巧选用节能灯：日光灯比白炽灯节电。20瓦日光灯的亮度甚至赛过40瓦白炽灯(出来的更好的环保节能产品LED日光灯2瓦就可以替代40瓦的白炽灯。4瓦就完全可以替代20瓦的普通日光灯及20瓦的普通节能灯)7。

充分利用反射与反光：如给灯配上合适的反射罩可进步照度。利用室内墙壁的反光加白色墙也可进步照度20%左右。

常保持灯泡及灯罩的清洁，确保最高照明及灯光反射效果。

安装高度要合适。如20瓦的日光灯，若装1米高，照度是60勒克司；0.8米高是93.75勒克司。高度适当放低就可减少瓦数，节约用电。(只有LED有部门商家可以做到 若安装2米高，照度是200勒克司左右；3米高大概有96200勒克司左右)所心说用LED照明灯产品来节能照明长短常有用的。

本词条内容贡献者为:

陈波 - 副教授 - 中央财经大学