電燈

工作原理

電燈是將電能轉化為光能，以提供照明的設備，出現于第二次工業革命，其工作原理是：

電流通過燈絲（鎢絲，熔點達3000℃以上）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℃以上，燈絲在處于白熾狀態時，就像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。故稱之為白熾燈，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，所以在白熾燈下物體的顏色不夠真實。

發明歷史

最早實用的電燈是白熾燈，但早在白熾燈誕生之前，英國人漢弗萊·戴維用2000節電池和兩根炭棒制成了弧光燈，但這種弧光燈亮度太強產熱太多又不耐用，一般場所根本無法使用。

1854年，移民美國的德國鐘表匠亨利·戈貝爾用一根放在真空玻璃瓶里的碳化竹絲，制成了首個有實際效用的電燈，持續亮了400個小時，不過他并沒及時申請專利。1860年，英國人約瑟夫·斯旺也制成了碳絲電燈，但他未能獲得使碳絲保持長時間工作的良好真空環境。直到1878年，英國的真空技術發展到合乎需要的程度，他才發明真空下用碳絲通電的燈泡，并且獲得英國專利。斯旺自己的屋子是英國用電照明的第一所私人住宅。

1874年，加拿大的兩名電氣技師申請了一項電燈專利：在玻璃泡之下充入氮氣，以通電的碳桿發光，但他們沒有足夠財力繼續完善這項發明，于是在1875年把專利賣給了愛迪生。愛迪生購入專利后嘗試改良燈絲，終于在1880年制造出能持續亮1200個小時的碳化竹絲燈。

不過，美國專利局判愛迪生的碳絲白熾燈發明落于人后，專利無效。打了多年的官司后，亨利·戈培爾贏得專利，最后愛迪生從戈培爾貧困的遺孀手上買下專利。在英國，斯旺控告愛迪生侵犯專利，后來他們在法庭之外和解，于1883年在英國建立一家聯合公司。斯旺后來把他的股權及專利都賣給了愛迪生。

20世紀初，碳化燈絲被鎢絲取代，鎢絲白熾燈沿用至今。

1938年，熒光燈誕生。1998年白光LED燈誕生。

效能比較

大部分電燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能，只少于10%的能量會成為光。相比之下，熒光燈（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白熾燈的六分一。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，使用標準電燈泡的接口，用以替代普通白熾燈泡。例如一個26瓦的節能燈泡，發出的亮度為11瓦，熱量為15瓦。比發出相同亮度11瓦的白熾燈泡耗電多四倍，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。鹵素燈泡漸漸變得較為流行，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。它是將電燈的普通玻璃換成更耐熱的石英玻璃（鹵素燈的溫度很高，在2100度左右），并在燈泡中充入鹵族元素氣體（碘或溴），就是鹵素燈了。鹵素和鎢利用溫差在燈泡內部進行分解與合成的循環，以延長燈絲壽命。但是石英玻璃并不能像普通玻璃那樣隔離紫外光。所以，如果你長時間暴露在它的紫外光照射下，皮膚會變成古銅色。

白熾燈發黑原因

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，所以白熾燈用久了以后，鎢在燈內壁反復累積，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盡快換掉，尤其是顯眼位置，需要良好照明的地方要盡早的換，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。

種類用途

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）

普通白熾燈即一般常用的白熾燈泡

特點：廣泛被人使用的一種光源，它能散發出溫暖暈黃的光線，是我們大多數人所認為的燈泡。它的價格便宜，顯色性好(Ra=100)、開燈即亮、可連續調光、結構簡單。因此，鎢絲燈泡也具有多變的式樣以搭配不同的燈具。然而，鎢絲燈泡的壽命并不長久，光效低，也不省電，它還會發出不低的溫度，所以不可以距離紙張、紡織品或朔膠制品太近。

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：臺燈、頂燈、壁燈、床頭燈、走廊燈等。

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、影視舞臺、儀器儀表、汽車、飛機以及其它特殊照明。

氣體

(discharge lamp)

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，是應用范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；

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。

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。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。

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。陶瓷金鹵燈

特點：性能優于一般金鹵燈。

用途：商場、櫥窗、重點展示及商業街道照明。

低壓鈉燈

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。

高頻無極燈

（electrodeless lamp）

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

用途：公共建筑、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。

鹵素燈泡

鹵素燈（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。因此鹵素燈泡需要采用熔點更高的石英玻璃。而由于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。

用途：汽車前燈，賓館/酒店大廳，展臺照明。

LED燈

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，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后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結構

發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出光線，光的強弱與電流有關。

LED光源的特點

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，特別適用于公共場所。

效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%

適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境

穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%

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

對環境污染：無有害金屬汞

顏色：發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠籃橙多色發光。

價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，一只LED的價格就可以與幾只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。

LED顯示器

現代顯示屏使用LED做背光源的顯示技術。

無繩燈泡

美國麻省理工學院研究人員2007年6月10日進行了“無繩燈泡”的實驗。由索爾賈希克領導的研究小組利用兩個銅絲線圈充當共振器，一個線圈與電源相連，作為發射器；另一個與臺燈相連，充當接收器。結果，他們成功地把一盞距發射器2.13米開外的60瓦電燈點亮。而且試驗顯示“無線電能傳輸”技術對人類無害，因為電磁場只對能與之產生共振的物品有影響。

相關信息

中國的第一盞電燈

中國的第一盞電燈出現在清光緒五年四月初八(1879年5月28日),，當時在上海公共租界工部局工作的電氣工程師英國人畢曉浦(J.D. Bishop)在境內乍浦路一幢倉庫里，以10馬力(7.46千瓦)蒸汽機為動力，帶動自激式直流發電機發電，點燃碳極弧光燈，由此，宣告電燈在中國開始投入使用。

1882年英國人立德爾購買美國制造的發電設備，在南京路江西路北角(今華東電業管理局)創辦了中國第一家發電廠，并在外灘一帶串接15盞電燈。夜幕下，眩人眼目的弧光燈吸引了成百上千的市民翹首圍觀。

上世紀50年代，在鼓浪嶼上，每天晚上只要電燈暗了一下立馬又亮起來，人們就知道是8點整了。

人們可以使用充氮氣來延長燈泡的使用壽命。

發明項目

“重力電燈”依靠重力產生電力，其亮度相當于一個12瓦的日光燈，且使用壽命長。

來自美國弗吉尼亞州的克雷·毛爾頓，在弗吉尼亞科技大學獲得了碩士學位。他的研究課題是一種使用發光二極管制成的燈具，這種燈具被命名為“格拉維亞”，它事實上是一個高度略大于4英尺(約1.21米)、由丙烯酸材料做成的柱體。這種燈具的發光原理是：燈具上的重物在緩緩落下時帶動轉子旋轉，由旋轉產生的電能將給燈具通電并使其發光。

這種燈具的光通量為600至800流明(相當于一個12瓦日光燈的亮度)，持續時間為4小時。要打開燈具，操作者只需將燈上的重物從底端移到頂部，將其放進頂部的凹槽里。讓重物緩緩下降，只需幾秒鐘，這種發光二極管燈具即被點亮。

克雷·毛爾頓說，操作這種燈當然要比按開關麻煩，但仍可接受，而且更顯有趣，這就好比給一款古典的鐘表上弦或悠然自得地沖上一杯可口的咖啡。毛爾頓估計，格拉維亞燈具的使用壽命可以達到200年以上。這種名為“格拉維亞”的燈具已經申請并獲得了專利。

節電技巧

選用節能燈：日光燈比白熾燈節電。20瓦日光燈的亮度甚至賽過40瓦白熾燈(出來的更好的環保節能產品LED日光燈2瓦就可以替代40瓦的白熾燈。4瓦就完全可以替代20瓦的普通日光燈及20瓦的普通節能燈)。

充分利用反射與反光：如給燈配上合適的反射罩可進步照度。利用室內墻壁的反光加白色墻也可進步照度20%左右。

常保持燈泡及燈罩的清潔，確保最高照明及燈光反射效果。

安裝高度要合適。如20瓦的日光燈，若裝1米高，照度是60勒克司；0.8米高是93.75勒克司。高度適當放低就可減少瓦數，節約用電。(只有LED有部門商家可以做到若安裝2米高，照度是200勒克司左右；3米高大概有96200勒克司左右)所心說用LED照明燈產品來節能照明長短常有用的。