淺談人類照明光源的發(fā)展

【摘 要】在現(xiàn)代生活中，照明對于人類生活的已經(jīng)處于無可取代的地位。本文主要根據(jù)照明光源的發(fā)展歷史對各代照明燈具進(jìn)行簡要介紹，以利于我們更好地了解各類照明用具。

【關(guān)鍵詞】白熾燈 直管熒光燈 高壓鈉燈 LED

在歷史長河中，鉆木取火使得遠(yuǎn)古人類從黑暗走向光明，掌握了靠燃燒木材照明的方法。恩格斯說：“就世界性的解放作用而言，摩擦生火還是超過了蒸汽機，因為摩擦生火第一次使人支配了一種自然力，從而最終把人同動物界分開”。從這里可以看出照明對人類的文明具有重大意義。

本文對各種照明光源進(jìn)行了查閱與研究，總結(jié)出了照明光源的發(fā)展以及各代光源的特點。照明光源品種很多，按發(fā)光形式分為熱輻射光源、氣體放電光源和電致發(fā)光光源3類。

熱輻射光源。電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。氣體放電光源。電流流經(jīng)氣體或金屬蒸汽，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種，放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓三種。電致發(fā)光光源。在電場作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源。它將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋０▓鲋掳l(fā)光光源和LED發(fā)光二極管兩種。

一、第一代光源——白熾燈

1879年，美國愛迪生發(fā)明了具有實用價值的碳絲白熾燈，使人類從漫長的火光照明時代進(jìn)入電氣照明時代，也宣告了以白熾燈為代表第一代照明光源的誕生。現(xiàn)代白熾燈屬于熱輻射光源，靠電流加熱燈絲至白熾狀態(tài)而發(fā)光，燈絲的溫度越高，發(fā)出的光就越亮。白熾燈用耐熱玻璃制成泡殼，內(nèi)裝鎢絲。泡殼內(nèi)抽去空氣，以免燈絲氧化，或再充入惰性氣體（如氬），減少鎢絲受熱蒸發(fā)。白熾燈的熱輻射發(fā)光原理導(dǎo)致了其發(fā)光效率低與壽命短：所耗電能絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，僅有2%可以轉(zhuǎn)化為光能；高溫下一些鎢原子會蒸發(fā)成氣體，并在燈泡的玻璃表面上沉積，使燈泡變黑，隨著燈絲不斷升華，逐漸變細(xì)，通電極易燒斷，從而結(jié)束白熾燈壽命。但是白熾燈發(fā)出的光是全色光，具有光譜連續(xù)，顯色性好，結(jié)構(gòu)簡單，可調(diào)光，無頻閃等優(yōu)點，而且制造方便，成本低，啟動快，線路簡單，使得其在隨后的數(shù)十年間取得了快速發(fā)展。

1959年，美國在白熾燈的基礎(chǔ)上發(fā)展了體積和光衰極小的鹵鎢燈。鹵鎢燈的外形一般都是一個細(xì)小的石英玻璃管，和白熾燈相比，其特殊性就在于鎢絲可以“自我再生”。鹵鎢燈的燈絲和玻璃外殼中充有一些鹵族元素，如碘和溴。當(dāng)燈絲發(fā)熱時，鎢原子被蒸發(fā)向玻璃管壁方向移動，接近玻璃管時，鎢蒸氣被“冷卻”到大約800℃并和鹵素原子結(jié)合在一起，形成鹵化鎢（碘化鎢、溴化鎢）。鹵化鎢向玻璃管中央移動，又落到被腐蝕的燈絲上。因為鹵化鎢很不穩(wěn)定，遇熱分解成鹵素蒸氣和鎢，這樣鎢又在燈絲上沉積下來，彌補了被蒸發(fā)的部分。如此循環(huán)，燈絲的使用壽命得到大大延長。

二、第二代光源——熒光燈

20世紀(jì)30年代，荷蘭科學(xué)家開發(fā)出第一支熒光燈，隨后又開發(fā)出了集鎮(zhèn)流器于一體的緊湊型熒光燈，從而產(chǎn)生了以熒光燈為代表的的第二代照明光源——低氣壓氣體放電燈。

熒光燈屬于氣體放電光源，燈管是個密閉的氣體放電管，內(nèi)壁涂有熒光粉，管內(nèi)充有400Pa-500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后，液態(tài)汞蒸發(fā)成壓力為0.8 Pa的汞蒸氣，在電場作用下，受激發(fā)的汞蒸氣輻射出波長253.7nm和185nm的紫外線（主峰值波長是253.7nm，約占全部輻射能的70-80%），熒光粉吸收紫外線的輻射能后發(fā)出可見光。熒光粉不同，發(fā)出的光線也不同。由于熒光燈所消耗的電能約60%可以轉(zhuǎn)換為紫外光，其他能量則轉(zhuǎn)換為熱能；一般紫外光轉(zhuǎn)換為可見光的效率約為40%，因此熒光燈的發(fā)光效率約為24%，大約為相同功率鎢絲電燈的兩倍。此外熒光燈還具有壽命長，光色好等優(yōu)點，使得其在家居、辦公、商業(yè)照明燈領(lǐng)域逐漸取代白熾燈成為使用最廣泛、最成功的燈種之一。

在熒光燈開發(fā)成功的同時，基于同樣工作原理的紫外線燈，也成功開發(fā)出來應(yīng)用在殺菌消毒、固化、驗鈔等領(lǐng)域，隨著其工藝技術(shù)水平的不斷提高，紫外線燈在其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域還將繼續(xù)不斷發(fā)揮重要作用。

三、第三代光源——高壓鈉燈

20世紀(jì)40-60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)提高氣體放電的工作壓力表現(xiàn)出的優(yōu)異特性，從而產(chǎn)生了以高壓鈉燈為代表的第三代照明——HID高強度氣體放電燈，此外還有高壓汞燈，金屬鹵化物燈等。高壓鈉燈屬于氣體放電光源，密閉電弧管內(nèi)充填有金屬鈉、汞和稀有氣體，通電后電弧管兩端電極之間產(chǎn)生電弧，由電弧的高溫作用使管內(nèi)的鈉、汞受熱蒸發(fā)成為鈉蒸氣和汞蒸氣，鈉原子與陰極發(fā)射的電子頻繁碰撞，不斷被電離、激發(fā)，多余的能量以光輻射的形式釋放，發(fā)射出589nm的黃色光線，便產(chǎn)生了光。

高壓鈉燈中放電物質(zhì)蒸氣壓很高，也即鈉原子密度高，電子與鈉原子之間碰撞次數(shù)頻繁，使共振輻射譜線加寬，出現(xiàn)其它可見光譜的輻射，因此高壓鈉燈的光色優(yōu)于低壓鈉燈。此外高壓鈉燈發(fā)出金白色光，具有功率密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，光效高，壽命長等優(yōu)點，使得其在大面積泛光照明、室外照明、道路照明及商業(yè)照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

四、第四代光源——LED發(fā)光二極管

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開發(fā)出第一個實用可見光LED，隨后又相繼開發(fā)出各種單色光LED，從而產(chǎn)生了以LED為代表的第四代照明光源。LED屬于電致發(fā)光光源，是由一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體晶片，置于一個有引線的架子上，四周用環(huán)氧樹脂密封構(gòu)成，當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于晶片時，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子與空穴復(fù)合，就會以光子的形式發(fā)出能量，便產(chǎn)生了光。

近年來，LED光效不斷提升，并突破單一顏色的局限性，向白色光照明邁進(jìn)，生產(chǎn)出了白光LED，并廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)。LED 的能量轉(zhuǎn)化效率高，理論上接近100%，發(fā)射相同光通量的耗電量是白熾燈的 10%左右，節(jié)能效果是熒光燈的 50%左右?？傊?，LED作為新型發(fā)光器件，轉(zhuǎn)化效率高，綠色環(huán)保、壽命長（可達(dá)10萬小時）、工作電壓低（3V左右）、體積小、易于調(diào)光等優(yōu)點，在照明應(yīng)用的前景非常廣闊。

人類社會自鉆木取火以來，經(jīng)歷了制造和使用動物油燈、植物油燈、煤油燈到白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED的漫長歷史過程，可謂“一步一個腳印”。照明燈具是一種歷史、一種獨特的文化，蘊含著人類的文明發(fā)展史，凝聚著人類深厚的文化積淀和文化底蘊。

參考文獻(xiàn)：

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