電燈泡的工作原理是什么？

在電燈泡發明之前，太陽下山之后的照明問題是一個棘手、艱巨并且危險的任務。要想照亮一個大房間，得需要很多支蠟燭或火把，用油燈也可以產生同樣的亮度，但是它容易在周圍的物體上留下煤油殘渣。

19世紀中葉，當電學取得長足發展時，世界各地的發明家都強烈呼吁發明一種廉價實用的家用電力照明裝置。英國人約瑟夫·斯旺（Joseph Swan）和美國人托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）幾乎同時（分別在1878年和1879年）使它成為現實，在以后的25年里，全世界有上百萬人在家中安裝了電燈。與以往的照明方法相比，這種易于使用的技術無疑是一個里程碑式的進步——世界從此徹底改變了。

對于這一具有歷史轉折意義的事件而言，最令人驚奇的是電燈泡本身幾乎簡單至極。與愛迪生所發明的燈泡相比，現代的電燈泡并沒有什么重大改變，還是僅由很少的幾部分組成。在本文中，我們將介紹這幾部分是怎樣組合在一起，并能連續發光好多個小時的。

光的基本知識

光是能量的一種形式，可以由原子釋放出來。光由很多微粒狀的小團組成，這些小團有能量和動量，但卻沒有質量。這些微粒被稱為光子，它們是光的最基本單元。（有關更多信息，請參見光的原理。）

當原子中的電子受到激發的時候，原子就會釋放光子。如果您讀過原子理論這篇文章，那么您就會知道電子是帶負電荷的粒子，繞著原子核（帶有凈的正電荷）運動。原子中的電子有不同的能級，這取決于很多因素，其中包括電子的速度及其與原子核的距離。不同能級的電子占據不同的軌道。一般說來，能量較高的電子在距離原子核較遠的軌道上運動。當原子獲得或失去能量的時候，這種變化就會通過電子的運動表現出來。當某物將能量傳遞給原子時，電子就會暫時躍遷到一個更高（離原子核更遠）的軌道上。電子在這個位置上僅僅停留很短的時間，它幾乎立即被拉向原子核，回到它的初始軌道。在返回初始軌道的同時，電子將多余的能量以光子（有時是可見光子）的形式釋放出來。

發射出的光的波長（決定光的顏色）取決于所釋放能量的多少，而能量的多少又是由電子的具體位置決定的。因此，不同種類的原子會釋放不同種類的光子。也就是說，光的顏色是由被激發的原子的種類決定的。

這是幾乎所有光源的基本工作機制，而這些光源之間的主要區別是激發原子的過程。

電燈泡有一個很簡單的結構。在燈泡的底座上有兩個金屬接點，它們與電路的終端相連。金屬接點連接到兩條堅硬的電線上，這兩條電線與一條細金屬燈絲相連。燈絲位于燈泡的中央，由玻璃架座支撐。電線和燈絲被固定在充滿了惰性氣體（如氬氣）的玻璃燈泡里。

當燈泡被接到電源上時，電流就會通過電線和燈絲從一個接點流到另一個接點。固體導體中的電流其實就是自由電子（不被原子緊緊束縛的電子）從負極區域向正極區域的大量運動。

在沿著燈絲快速移動的同時，電子會不斷地撞擊組成燈絲的原子。每一次撞擊的能量都會使原子振動，也就是說，電流把原子加熱了。細導體比粗導體更容易被加熱，因為細導體對電子運動的阻礙更大。

振動原子中被束縛的電子可能被暫時激發到一個更高的能級上。當返回初始能級時，這些電子就會以光子的形式釋放多余的能量。金屬原子通常釋放紅外光子，對于人眼來說，紅外光子是不可見的。但是，如果金屬原子被加熱到足夠高的能級（對于電燈泡來說為2,200攝氏度左右），它們就會發射大量的可見光。

電燈泡里的燈絲是由一根極細長的鎢金屬絲構成的。在一個典型的60瓦的燈泡中，鎢燈絲大約有2米長，但是只有0.0254厘米粗。為了全部都能放進一個很小的空間中，鎢絲被排列成一個雙繞線圈。也就是說，鎢絲被纏成一個線圈，然后這個線圈再被纏成一個更大的線圈。在一個60瓦的燈泡中，線圈的長度還不到2.5厘米。

因為鎢絲是理想的燈絲材料，所以它用于幾乎所有的白熾燈泡中。在下一部分中，我們將揭示將鎢作為燈絲的原因，還將分析玻璃燈泡和惰性氣體的作用。

合適的材料

正如我們在上一部分中了解到的那樣，金屬必須被加熱到極高的溫度才能發射足夠的可見光。實際上，大多數金屬在達到這個極高的溫度之前就已經熔化了——振動破壞了原子之間牢固的結構鍵，所以材料就變成了液體。之所以用鎢燈絲來制作燈泡，是因為鎢具有異常高的熔化溫度。

亮，更亮，最亮

電燈泡是按照功率來分類的，功率是指燈泡在一定時間內發出的光的量（以瓦為單位）。瓦數越高的燈泡燈絲就越大，產生的光也越多。三光燈泡有兩個不同瓦數的燈絲，通常一個是50瓦，一個是100瓦。這兩種燈絲被纏成獨立的線圈，這些線圈最初可以用一個專用三路插座接通。利用三路插座的開關可以從三個不同的亮度級別中進行選擇。選擇最低亮度級別時，開關只讓50瓦燈絲的電路接通；選擇中等亮度級別時，開關只讓100瓦燈絲的電路接通；選擇最高亮度級別時，開關使兩個燈絲的電路都接通，所以燈泡會以150瓦的功率工作。

但是在這么高的溫度下，如果滿足某些條件，鎢絲也會著火。燃燒是由兩種化學物質之間的反應引起的，當其中的一種化學物質達到了它的著火溫度的時候，燃燒就會發生。在地球上，燃燒通常是大氣中的氧氣和某種被加熱物質之間的反應，但是，其他的化學物質組合也會產生燃燒。

為了防止燃燒，電燈泡中的燈絲被固定在一個密閉的無氧容器中。在最早的電燈泡中，燈泡里的所有氣體都被抽出來，以產生一個近似真空的環境，即一個不含任何物質的區域。因為沒有（或者幾乎沒有）任何氣體物質存在，所以燈絲材料不會燃燒。

這種方法所產生的問題是鎢原子的蒸發。在這么高的溫度下，有時鎢原子的劇烈振動會使它脫離周圍原子，進入到周圍環境中。在真空燈泡中，自由鎢原子會直線射出，匯聚到玻璃內壁上。由于蒸發的原子越來越多，燈絲便開始碎裂，玻璃也開始變暗，這就大大地降低了燈泡的壽命。

在現代的燈泡中，惰性氣體（通常是氬氣）極大地降低了鎢的這種損失。當鎢原子蒸發時，它可能會與氬原子碰撞，又剛好被反彈回燈絲上，重新與固體結構結合。因為惰性氣體通常不與其他元素反應，所以，元素之間不可能因燃燒反應而結合。

經長期證明，電燈泡便宜、有效并且易于使用，是一項十分了不起的發明。電燈泡仍然是室內照明和日落后延長“白晝”的最常用方法。但是，所有的跡象都表明，電燈泡終將被更先進的技術所代替，因為它的效率不夠高。

白熾燈泡以攜帶熱量的紅外光子的形式消耗了大部分的能量，在所產生的光中，只有大約10%為可見光，這就浪費了大量的電能。冷光源，如熒光燈和發光二極管（LED），則不會因產生熱而浪費大量的能量——它們發出的大部分都是可見光。因此，它們正在慢慢替代古老耐用的電燈泡。

（作者:Tom Harris）

發表于 2014-07-05 00:00
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