电灯
电灯(Electric lamp),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,电灯的发光效率很低,然而,它却是电灯世界的开路先锋。现代的电灯一般寿命为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。
编辑摘要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多摄氏度)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摄氏度以上,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。故称之为电灯。
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,所以在电灯下物体的颜色不够真实。(即显色性不高)
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,所以电灯用久了以后,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。
一般认为电灯是由美国人托马斯·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电灯。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,爱迪生才取得碳丝电灯的专利权。
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电灯的六分一。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,用以替代普通电灯泡。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瓦的电灯泡耗电多四倍,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。例如一个60瓦的卤素灯泡,亮度可等同一个100瓦的普通灯泡。但是卤素灯泡体积细小,运作时温度非常高。在家居应用时需要特别防护,防止引起火灾。
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)
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。
2.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。
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)
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。
2、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。
3、高频无极灯(electrodeless lamp)
特点:超长寿命(40000~80000小时)、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。
4、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。
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。
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