介绍

人造光的发明和利用对文明发展至关重要，因为它使人类能够延长白天的时间。如今，某些灯泡可以调光，使用寿命超过15,000小时。然而，灯泡并非一直如此高效可靠。科学界花了200多年的时间才使灯泡现代化。本文将探讨电灯的演变和现代灯泡的发展。

一、弧光灯

人造光的演变始于19世纪初康沃尔郡发明家兼化学家汉弗莱·戴维（Humphry Davy）发明的弧光灯。碳弧灯是第一款获得商业成功的电灯。

工作原理： 在碳弧灯中，电极是存在于自由空气中的碳棒。要引发点燃灯的反应，碳棒必须相互接触。这样就可以用相对较低的电压引发电弧。电弧是气体电离时发生的放电。在碳棒之间初始接触后，随着电流加热并维持间隙中的电弧，碳棒逐渐分开。碳棒的两端被电弧加热，碳开始蒸发。发光的碳蒸气产生明亮的光。鉴于这种反应的特性，碳棒最终会烧坏，必须定期调整它们之间的距离以维持电弧。在初始电弧产生后，发明了许多机械装置来调节碳棒之间的距离。这些发明大多基于螺线管。

注意事项： 在19世纪，碳弧灯是唯一能够照亮大面积区域的电灯。这些灯在用于街道照明时，被证明比煤气灯或油灯更便宜。然而，碳棒必须在短时间内更换，在城市中，更换碳棒成了一项全职工作。这些灯会产生危险的紫外线，并可能造成射频干扰。在室内使用弧光灯也相当危险，因为它们很容易因过热或火花而引起火灾。

碳弧灯：这种特殊型号需要手动调节灯杆之间的距离

二、白炽灯

白炽灯的发明可以追溯到 1761 年，当时英国出生的科学家和发明家Ebenezer Kinnersley演示了如何将金属丝加热到白炽状态，这归功于许多科学家。托马斯·爱迪生通常被认为是美国白炽灯泡商业化的贡献者，因为他能够发明出更好的真空泵，将灯泡中的空气完全抽出，并发明了爱迪生螺旋灯。爱迪生螺旋灯现在是灯泡的标准插座接头。到 1879 年 10 月，爱迪生和他的团队使用棉线碳化灯丝制造出了一种白炽灯泡，这种灯泡可以持续使用约 14.5 小时。在他们试验了不同的灯丝后，他们发现使用竹子可以保证长达 1,200 小时的寿命。因此，这种灯丝成为爱迪生灯泡的标准。

工作原理： 现代白炽灯泡通常由一个玻璃外壳构成，内含一根钨丝。由于钨的熔点极高，因此使用钨丝。电流通过灯丝，将其加热到发光的温度。白炽灯泡通常包含一个灯杆或玻璃底座，该底座固定在灯泡底座上。这使得电触点能够穿过外壳，而不会漏气或漏入空气。灯杆内嵌入的细电线支撑着灯丝及其引线。封闭的玻璃外壳内充满真空或惰性气体，以保护灯丝免于蒸发。

注意事项： 与之前讨论过的弧光灯不同，白炽灯不需要外部调节设备。它们的制造成本相对较低，并且使用交流电和直流电时都能正常工作。因此，白炽灯在家庭和商业照明中得到了广泛的应用。然而，就效率而言，白炽灯也存在一些缺点。它们只能将不到5%的能量转化为可见光，其余能量则以热能的形式释放。

白炽灯泡：灯泡相关部件示意图

三、荧光灯

19世纪90年代，托马斯·爱迪生和尼古拉·特斯拉曾尝试发明荧光灯，但两位发明家都未能将其商业化生产。直到20世纪初，美国电气工程师彼得·库珀·休伊特才通过电流通过汞蒸气，创造出蓝绿色的光。休伊特的荧光灯效率显著高于白炽灯。然而，由于光的颜色问题，它们也并不实用。

1974年，欧司朗·西尔瓦尼亚（Osram Sylvania）的研究人员开始研究如何调整发光颜色并最小化镇流器的尺寸，以提高灯具的实用性。1976年，通用电气公司的爱德华·哈默（Edward Hammer）发现了一种将荧光灯管弯曲成螺旋形的方法，从而发明了第一盏紧凑型荧光灯（CFL）。

工作原理：与白炽灯类似，荧光灯采用密封玻璃管，两端各有一个电极。玻璃管内含有少量汞和惰性气体（通常是氩气），并保持在极低的压力下。该玻璃管内还含有一层荧光粉，该荧光粉涂在玻璃管的内侧。

当电流流过灯泡时，电极上会产生明显的电压降。电子随后被加速穿过气体，从灯管的一端流向另一端。这个过程使灯管内的汞蒸发。当电子和带电原子穿过灯管时，它们会与气态汞原子发生碰撞。这种碰撞使汞原子中的电子跃迁到更高的能级。当电子回到基态时，它们会发射光子。

注意事项： 就效率而言，紧凑型荧光灯 (CFL) 的能耗比白炽灯低约 75%，使用寿命约为白炽灯的 10 倍。然而，高频闪烁可能会刺激人体，导致眼疲劳或偏头痛。此外，荧光灯的散射性很强，因此不适用于车头灯或手电筒等聚焦光束。

荧光灯：荧光灯工作示意图。图片由 HowStuffWorks 提供。

四、发光二极管（LED）

1962年，LED开始作为实用电子元件投入使用。这些LED只能发射低强度的红外光。第一批可见光LED的强度也很低，并且仅限于红光。第一批商用LED通常用作白炽灯和霓虹灯指示灯的替代品。它们也用于七段显示器。直到1968年，可见光和红外LED的价格都非常昂贵（每台200美元），因此实用性有限。如今，现代LED的波长范围涵盖可见光、紫外光和红外光，并具有高强度输出。

工作原理： LED 是一种双引线半导体光源。它只是一个在激活时发光的 pn 结二极管。二极管最基本的形式是一种电子器件，它允许电流沿特定方向流动，同时阻止反方向的电流流动。当在引线上施加阈值电压（通常在 0.5-0.7 伏之间）时，电子开始穿过电路并与器件内的电子空穴重新结合。这种现象以光子的形式释放能量。这种效应称为电致发光。发射光的颜色完全取决于半导体的能带隙。例如，蓝光通常使用直接带隙约为 2.6 eV 的氮化铱镓产生。

注意事项： LED 光源相比白炽灯和荧光灯具有诸多优势。LED 极其节能，使用寿命超过 20 年。它们无需任何外部调节设备或镇流器。此外，LED 体积小巧、坚固耐用，适用于多种应用，包括航空照明、汽车前照灯、广告、普通照明、交通信号灯、相机闪光灯、发光壁纸、植物生长灯以及医疗设备。

蓝色LED

五、结论

自19世纪初以来，人造光技术已取得显著进步，但进步从未停止。提升效率、可靠性、耐用性和美观性的可能性始终存在。