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電燈(Electric lamp),是電流把燈絲加熱到白熾狀態而用來發光的燈。電燈泡外殼用玻璃製成,把燈絲保持在真空,或低壓的惰性氣體之下,作用是防止燈絲在高溫之下氧化。它只有7~8%的電能變成可見光,90%以上的電能轉化成了熱,電燈的發光效率很低,然而,它卻是電燈世界的開路先鋒。現代的電燈一般壽命為1000小時左右。電燈是根據電產生熱的原理製成的。現在的燈泡一般都選用鎢絲做燈絲。


1 電燈 -工作原理

電燈電燈
電燈是將電能轉化為光能,以提供照明的設備,其工作原理是:電流通過燈絲(鎢絲,熔點達3000多攝氏度)時產生熱量,螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集,使得燈絲的溫度達2000攝氏度以上,燈絲在處於白熾狀態時,就象燒紅了的鐵能發光一樣而發出光來。燈絲的溫度越高,發出的光就越亮。故稱之為電燈。

從能量的轉換角度看,電燈發光時,大量的電能將轉化為熱能,只有極少一部分可以轉化為有用的光能。

電燈發出的光是全色光,但各種色光的成份比例是由發光物質(鎢)以及溫度決定的。比例不平衡就導致了光的顏色的偏色,所以在電燈下物體的顏色不夠真實。(即顯色性不高)

2 電燈 -發黑原因

電燈電燈
在電燈內發亮的是鎢絲,鎢絲可以在很高的溫度下保持穩定而不會融化,而是直接升華成氣體,等關燈后,溫度下降,鎢氣又重新凝華成固體覆在了燈泡內壁上,因為鎢是黑色固體,所以電燈用久了以後,鎢在燈內壁反覆累集,燈泡就會變黑了。

電燈是有壽命的,一般發黑后,壽命也就不長了,黑色的燈泡會影響照明質量,而且也不美觀,所以用時間太長發黑的燈泡不如儘快換掉,尤其是顯眼位置,需要良好照明的地方要儘早的換,以免燈泡突然壞掉而沒有備用燈泡,影響的正常的照明和生活,造成各種不便。

電燈的壽命跟燈絲的溫度有關,因為溫度越高,燈絲就越容易升華(鎢直接變成鎢氣),當鎢絲升華到比較細瘦時,通電后就很容易燒斷,從而結束了燈的壽命。所以,電燈的功率(瓦數)越大,壽命就越短。

3 電燈 -發明史

一般認為電燈是由美國人托馬斯·愛迪生髮明的。但是,另一美國人亨利·戈培爾比愛迪生早數十年已發明了使用相同原理和物料、而且可靠的電燈泡,而在愛迪生之前很多其它人亦對電燈的發明作出了不少貢獻。1801年,英國一名化學家戴維將鉑絲通電發光。他在1810年亦發明了電燭,利用兩根碳棒之間的電弧照明。1854年亨利·戈培爾使用一根炭化的竹絲,放在真空的玻璃瓶下通電發光。他的發明今天看來是首個有實際效用的電燈。他當時試驗的燈泡已可維持400小時,但是並沒有及時申請設計專利。

1850年,英國人約瑟夫·威爾森·斯旺(Joseph Wilson Swan)開始研究電燈。1878年,他以真空下用碳絲通電的燈泡得到英國的專利,並開始在英國建立公司,在各家庭安裝電燈。

1874年,加拿大的兩名電氣技師申請了一項電燈專利。他們在玻璃泡之下充入氦氣,以通電的碳桿發光。但是他們無足夠財力繼發展這發明,於是在1875年把專利賣給愛迪生。

愛迪生購下專利后,嘗試改良使用的燈絲。1879年他改以碳絲造燈泡,成功維持13個小時。到了1880年,他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實驗室維持1200小時。但是在英國,斯旺控告愛迪生侵犯專利,並且獲得勝訴。愛迪生在英國的電燈公司被迫讓斯旺加入為合伙人。但後來斯旺把他的權益及專利都賣給了愛迪生。在美國,愛迪生的專利亦被挑戰。美國專利局曾判決他的發明已有前科,屬於無效。最後經過多年的官司,愛迪生才取得碳絲電燈的專利權。       

4 電燈 -效能比較

電燈電燈
大部分電燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能,只少於10%的能量會成為光。相比之下,螢光燈(Fluorescent lamp,亦稱光管) 的效率高很多,接近40%,所產生的熱只是相同亮度的電燈的六分一。故此很多地方,特別是夏天需要空氣調節的商場、大樓都會使用螢光燈照明以節省電力。小型的螢光燈(節能燈泡)把螢光燈及啟動電子結合,使用標準電燈泡的介面,用以替代普通電燈泡。例如一個26瓦的節能燈泡,發出的亮度為11瓦,熱量為15瓦。發出相同亮度11瓦的電燈泡耗電多四倍,達100瓦;放出熱量多六倍,達90瓦。

很多家居內的電燈仍然是以普通電燈為主。鹵素燈泡近年亦變得較為流行,特別是光源需要集中的情況,例如家居的射燈,汽車車頭燈,經常會使用鹵素燈泡。良好的鹵素燈泡可以達到15%的效率。例如一個60瓦的鹵素燈泡,亮度可等同一個100瓦的普通燈泡。但是鹵素燈泡體積細小,運作時溫度非常高。在家居應用時需要特別防護,防止引起火災。

5 電燈 -種類及用途

照明電光源一般分為白熾燈、氣體放電燈和其他電光源三大類,在綠色照明工程中,可根據具體情況,選擇各種光源。

白熾燈(Incandescent lamp)

1.普通白熾燈即一般常用的白熾燈泡

特點:顯色性好(Ra=100)、開燈即亮、可連續調光、結構簡單、價格低廉,但壽命短、光效低。

用途:居室、客廳、大堂、客房、商店、餐廳、走道、會議室、庭院。

運用方式:檯燈、頂燈、壁燈、床頭燈、走廊燈。

2.鹵鎢燈(tungsten halogen lamp)

填充氣體內含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈。具有普通照明白熾燈的全部特點,光效和壽命比普通照明白熾燈提高一倍以上,且體積小。

用途:會議室、展覽展示廳、客廳、商業照明、影視舞台、儀器儀錶、汽車、飛機以及其它特殊照明。

氣體放電燈(discharge lamp)

1.低氣壓放電燈( low pressure (vapor) discharge lamp)

(1)熒光燈(fluorescent lamp)

熒光燈俗稱日光燈,特點:光效高、壽命長、光色好。 熒光燈有直管型、環型、緊湊型等,是應用範圍十分廣泛的節能照明光源。用直管型熒光燈取代白熾燈,節電70~90%,壽命長5~10倍;對直管型熒光燈進行升級換代,節電15~50%; 用緊湊型熒光燈取代白熾燈,節電70~80%,壽命長5~10倍。

(2)低壓鈉燈(low pressure sodium (vapor) lamp) 特點:發光效率特高、壽命長、光通維持率高、透霧性強,但顯色性差。 用途:隧道、港口、碼頭、礦場等照明。

2、高強度氣體放電燈(high intensity discharge lamp-HID)

高強度氣體放電燈有:熒光高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈。

(1)熒光高壓汞燈

特點:壽命長、成本相對較低。

用途:道路照明、室內外工業照明、商業照明。

(2)高壓鈉燈

特點:壽命長、光效高、透霧性強。

用途:道路照明、泛光照明、廣場照明、工業照明等。

(3)金屬鹵化物燈

特點:壽命長、光效高、顯色性好。

用途:工業照明、城市亮化工程照明、商業照明、體育場館照明以及道路照明等。

(4)陶瓷金屬鹵化物燈

特點:性能優於一般金鹵燈。

用途:商場、櫥窗、重點展示及商業街道照明。

3、高頻無極燈(electrodeless lamp)

特點:超長壽命(40000~80000小時)、無電極、瞬間啟動和再啟動、無頻閃、顯色性好。

用途:公共建築、商店、隧道、步行街、高桿路燈、保安和安全照明及其他室外照明。

4、鹵素燈泡

鹵素燈泡(Halogen lamp),亦稱鎢鹵燈泡,是白熾燈的一種。原理是在燈泡內注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下,蒸發的鎢絲與鹵素進行化學作用,蒸發的鎢會重新凝固在鎢絲上,形成平衡的循環,避免鎢絲過早斷裂。因此鹵素燈泡比白熾燈更長壽。此外,鹵素燈泡亦能以比一般白熾燈更高的溫度運作,它們的亮度及效率亦更高。不過在這溫度下,普通玻璃可能會軟化。因此鹵素燈泡需要採用熔點更高的石英玻璃。而由於石英玻璃不能阻隔紫外線,故此鹵素燈泡通常都而需要另外使用紫外線濾鏡。鹵素燈泡上的水晶玻璃如果有油,會造成玻璃上溫度不一,減低燈泡的壽命。因此換鹵素燈泡時要避免人手觸及燈泡的玻璃。

LED燈

LED的結構及發光原理

50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識,第一個商用二極體產生於1960年。LED是英文light emitting diode(發光二極體)的縮寫,它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置於一個有引線的架子上,然後四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。

LED光源的特點

(1) 電壓:LED使用低壓電源,供電電壓在6-24V之間,根據產品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源,特別適用於公共場所。

(2) 效能:消耗能量較同光效的白熾燈減少80%

(3) 適用性:很小,每個單元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以製備成各種形狀的器件,並且適合於易變的環境

(4) 穩定性:10萬小時,光衰為初始的50%

(5) 響應時間:其白熾燈的響應時間為毫秒級,LED燈的響應時間為納秒級

(6) 對環境污染:無有害金屬汞

(7) 顏色:改變電流可以變色,發光二極體方便地通過化學修飾方法,調整材料的能帶結構和帶隙,實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED,隨著電流的增加,可以依次變為橙色,黃色,最後為綠色

(8) 價格:LED的價格比較昂貴,較之於白熾燈,幾隻LED的價格就可以與一隻白熾燈的價格相當,而通常每組信號燈需由上300~500隻二極體構成。

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