人類照明的歷史隨著能源的變化而演變。

自從人類學(xué)會(huì)了如何通過挖木頭生火以來，照明能源已經(jīng)從木柴發(fā)展到石油，再發(fā)展到電力。照明設(shè)備經(jīng)歷了無數(shù)的變革，從手電筒、動(dòng)植物油、蠟燭、煤油燈、白熾燈和熒光燈，到現(xiàn)在令人眼花繚亂的裝飾燈和LED燈�，F(xiàn)代照明已經(jīng)從簡單的日常照明應(yīng)用發(fā)展到多種領(lǐng)域，給我們的生活帶來了極大的便利和多樣的視覺體驗(yàn)。

深圳CBD燈光秀

1、柴火時(shí)代

古代照明是一種以柴火為主要光源的照明，古人用燃燒的油或點(diǎn)燃蠟燭來獲取光，甚至用夜間發(fā)光的螢火蟲作為光源。

使用火焰作為照明

晚上的螢火蟲

從原始時(shí)代到遠(yuǎn)古時(shí)代，人們以火焰作為夜間照明的主要手段，從最初的柴火開始使用植物油作為燃料，但照明的本質(zhì)始終如一。那么為什么火焰會(huì)帶來光呢？

我們知道，燃燒是一種劇烈的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中釋放出大量的能量�；瘜W(xué)反應(yīng)包括破壞化學(xué)鍵并吸收能量，形成化學(xué)鍵并釋放能量。后者的燃燒反應(yīng)比前者更高，因此不斷產(chǎn)生大量的能量，但多余的能量被電子吸收，原子核的外部由許多電子層組成。當(dāng)電子吸收能量時(shí)，它會(huì)從較低能級(jí)的軌道跳躍到較高能級(jí)的軌道。高能軌道上的電子非常不穩(wěn)定，很容易返回低能軌道，以光子的形式釋放能量。這些光子的能量足夠高，其頻率在我們的眼睛可以感知的可見光的頻率范圍內(nèi)。你看（當(dāng)然也有一些不在這個(gè)范圍之內(nèi)），這就是我們看的火。

原子核和電子結(jié)構(gòu)

處于激發(fā)態(tài)的電子從高能躍遷到低能，產(chǎn)生光波

這種化學(xué)反應(yīng)發(fā)出的可見頻率光波形成可見光，可以讓人類在夜間得到樂趣。人類發(fā)現(xiàn)火后，開始利用火焰來加熱食物并殺死細(xì)菌，讓人類吃得更好。更衛(wèi)生的食物也進(jìn)一步促進(jìn)了古代人類的快速進(jìn)化。

2、白熾燈時(shí)代

在電照明出現(xiàn)之前，最常用的照明燈具是煤油燈或煤氣燈。這種燈燃燒煤油或煤氣，會(huì)產(chǎn)生濃烈的黑煙和刺鼻的氣味，而且經(jīng)常添加燃料和清潔燈罩非常不方便。更嚴(yán)重的是，這種燈很容易引起火災(zāi)，造成災(zāi)難。多年來，許多科學(xué)家竭盡全力發(fā)明一種安全、方便的電燈。

煤油燈

燈是人類征服黑夜的偉大發(fā)明。實(shí)際上是美國發(fā)明家愛迪生發(fā)明了電燈并使之變得更亮。他出生于一名鐵路工人的兒子，小學(xué)輟學(xué)，在火車上賣報(bào)紙謀生。愛迪生是一個(gè)非常勤奮的人，喜歡嘗試并創(chuàng)造了許多巧妙的機(jī)器。愛迪生對(duì)電器特別感興趣。自從法拉第發(fā)明電動(dòng)機(jī)以來，電力已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶。然而，將電能轉(zhuǎn)化為光能尚未解決，因此愛迪生決定制造電燈，為人類帶來光明。

科學(xué)家愛迪生

19世紀(jì)初，一位英國化學(xué)家用2000節(jié)電池和兩根碳棒制造出了世界上第一盞弧光燈。但這種燈太強(qiáng)，只能安裝在道路和廣場上，不能在普通家庭中使用。無數(shù)科學(xué)家絞盡腦汁研制廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)、耐用的家用電燈。

1879年10月21日，經(jīng)過多年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，愛迪生終于點(diǎn)燃了世界上第一盞實(shí)用的電燈。從那時(shí)起，愛迪生的名字就如同他發(fā)明的電燈一樣，滲透到了千家萬戶。

愛迪生發(fā)明的第一個(gè)電燈模型是我們今天使用的白熾燈泡。

白熾燈泡

白熾燈的發(fā)明徹底影響了人類的生活方式，因此顛覆性技術(shù)往往為社會(huì)的發(fā)展提供巨大的推動(dòng)力。

那么，白熾燈是如何將電能轉(zhuǎn)化為光能的呢？我們來看看白熾燈的發(fā)光原理。

首先，當(dāng)電流流過燈絲時(shí)，燈絲具有一定的電阻，因此由于焦耳效應(yīng)而發(fā)熱，螺旋燈絲不斷收集熱量，達(dá)到2000以上的白熾狀態(tài)。 （燈絲通常是鎢絲，熔點(diǎn)在3000度左右），當(dāng)燈絲元件核心外的電子被激發(fā)，外層電子躍遷到能量較高的電子層時(shí)，就可以做到。當(dāng)電子跳回到低能電子層時(shí)，多余的能量以光的形式釋放出來，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量，這就是為什么它被稱為白熾燈。

白熾燈鎢絲

打個(gè)比方，當(dāng)燈絲白熾時(shí)，它發(fā)出的光就像燒紅的鐵一樣。為了防止超熱燈絲氧化和燃燒，燈泡內(nèi)部通常被抽真空或填充一些其他惰性氣體。理論上，燈絲越熱，發(fā)出的光就越亮。因此，白熾燈泡的發(fā)光原理與火焰有點(diǎn)相似，都是產(chǎn)生大量的熱量來激發(fā)電子，引起電子躍遷，釋放能量并發(fā)射電磁波。

然而，如今我們周圍使用的燈泡中似乎已經(jīng)不再看到白熾燈泡了，其主要原因是白熾燈泡有以下缺點(diǎn)。

發(fā)光效率不高。

前面提到，白熾燈泡是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為光能，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，只有一小部分電能轉(zhuǎn)化為光能，大部分都轉(zhuǎn)化為光能。產(chǎn)生能量并損失熱量。白熾燈泡的發(fā)光效率經(jīng)計(jì)算只有5%左右，這是對(duì)能源的巨大浪費(fèi)，因此2014年美國政府正式實(shí)施計(jì)劃，全面禁止日本制造和進(jìn)口白熾燈泡。加拿大也將從2014年1月1日起正式禁止75W和100W白熾燈泡，40W和60W燈泡也將從2014年12月31日起全面禁止。歐盟于2012年全面禁止銷售白熾燈泡。我國部分地區(qū)禁止使用白熾燈。

壽命短

白熾燈是一種熱輻射光源，通過使電流通過燈絲將其加熱而產(chǎn)生光。白熾燈發(fā)光時(shí)，燈絲的溫度可達(dá)3000度。白熾燈的燈絲往往會(huì)因高溫而斷裂。因此，白熾燈泡的壽命一般較短，平均壽命在1000小時(shí)左右。另外，由于高溫蒸發(fā)形成的鎢蒸氣在燈泡玻璃內(nèi)部凝結(jié)，形成一層黑色物質(zhì)，影響了燈泡的亮度。

玻璃的內(nèi)表面覆蓋有一層鎢顆粒。

照明光有色差

由于白熾燈會(huì)產(chǎn)生熱量并發(fā)光，因此發(fā)出的光的顏色會(huì)變黃，從而導(dǎo)致在燈點(diǎn)亮?xí)r看到的物體顏色出現(xiàn)誤差。不過，這并不是完全的缺點(diǎn)；這種顏色的光線柔和，亮度較低，所以并不刺眼，有紅色和黃色兩種顏色，接近太陽光的效果，所以對(duì)視力也有效果。健康。

3、節(jié)能燈和LED燈時(shí)代

上面我提到了白熾燈泡的一些缺點(diǎn)，但它們正在逐漸被淘汰。目前，我們?nèi)粘Ｉ�活中使用的照明設(shè)備基本上都是節(jié)能燈或LED燈。

1.節(jié)能燈

節(jié)能燈

節(jié)能燈管

顧名思義，節(jié)能燈是比較節(jié)能高效的照明，但是為什么它比白熾燈消耗的能源少呢？節(jié)能燈的發(fā)光機(jī)理與白熾燈泡完全不同，所以下面我們將討論白熾燈。介紹燈泡的發(fā)光機(jī)制。

與普通白熾燈的工作原理不同，節(jié)能燈主要通過鎮(zhèn)流器對(duì)燈絲進(jìn)行加熱。

電子鎮(zhèn)流器

節(jié)能燈示意圖

約887時(shí)，燈絲開始發(fā)射電子（因?yàn)闊艚z上涂有電子粉） 電子與氬原子碰撞，產(chǎn)生非彈性碰撞氬原子碰撞后獲得能量并與汞碰撞，汞原子吸收能量。躍遷后電離釋放253.7nm紫外光。該紫外線激發(fā)磷光體并使其發(fā)光。熒光燈工作時(shí)燈絲的溫度約為887，遠(yuǎn)低于白熾燈的工作溫度1927~2427，而且使用壽命也大大提高，而且不影響工作效率。具有與白熾燈相同的電流發(fā)熱效果，由于缺少熒光粉，熒光粉的能量轉(zhuǎn)換效率較低，達(dá)到5000小時(shí)以上。功率輸出也非常高，達(dá)到每瓦50lm以上。

我們通常看到的節(jié)能燈有一根內(nèi)壁涂有熒光粉的玻璃管，當(dāng)熒光粉吸收紫外線時(shí)，會(huì)發(fā)出可見光，從而呈現(xiàn)出純白色。也許有些朋友見過破損的燈管內(nèi)有大量的白色粉末，就是這個(gè)原因。

節(jié)能燈照明原理示意圖

節(jié)能燈通過氣體放電工作，因此沒有白熾燈的發(fā)熱效應(yīng)。熒光粉的能量轉(zhuǎn)換效率也非常高，達(dá)到每瓦50流明以上。節(jié)能燈的光效為4。壽命比白熾燈長5至7倍，節(jié)能燈更節(jié)能。

那么，現(xiàn)在有一種更科技、更高效的電燈：LED燈。

2.LED燈

LED是英文Light Emitting Diode的縮寫，是一種利用其特性將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體二極管。自1962年推出第一個(gè)紅色二極管以來，各種顏色的二極管相繼被開發(fā)出來。

普通發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管最重要的部分是P-N結(jié)，如果采用III-IV族化合物制成，發(fā)光二極管的核心部分將是晶片的過渡層，它由P型結(jié)組成和N型。半導(dǎo)體- P-N 結(jié)。因此，它具有P-N結(jié)的電壓和電流特性，即正向?qū)�通、反向阻斷和耐擊穿特性。同時(shí)，它還具有一些獨(dú)特的性能，比如在一定條件下能夠發(fā)光。這是詳細(xì)的解釋：

P-N結(jié)的基體通常是硅，由兩側(cè)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組合而成。硅核外的電子數(shù)為4。

N型半導(dǎo)體是硅中摻雜有P（磷）等IV族元素，IV族原子核外的電子數(shù)為5。如果核外有8個(gè)電子，則結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其余電子形成自由電子，形成N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體是硅中摻雜了B（硼）等第III族元素，第III族核外的電子數(shù)為3。當(dāng)核外有8個(gè)電子時(shí)，結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，并在其中一個(gè)空出的位置上形成自空穴，形成N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成P-N結(jié)時(shí)，P型半導(dǎo)體有過剩電子，因此電子濃度增加，P型半導(dǎo)體中的電子流向N極半導(dǎo)體。由于擴(kuò)散造成的電荷不平衡會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電場。

P-N結(jié)的形成

內(nèi)置電場的形成

如果外部電壓與內(nèi)部電場方向相同，則與施加負(fù)電壓相同，內(nèi)部電場變得更強(qiáng)，電子難以注入，因此不會(huì)產(chǎn)生電流。這就是二極管具有單向?qū)щ娦缘谋举|(zhì)原因。

如果外部電壓與內(nèi)部電場方向相反，則形成電流并加上正向電壓，使電子從N區(qū)注入到P區(qū)，反之，空穴從P區(qū)注入到P區(qū)。 N區(qū)，注入的電子與空穴復(fù)合，剩余能量在復(fù)合過程中以光子的形式釋放�？昭ê碗娮訌�(fù)合的時(shí)機(jī)也不同，釋放的能量越多，發(fā)出的光越大，波長越短。發(fā)出紅光、綠光和黃光的二極管在日常生活中很常見。這使得電能轉(zhuǎn)化為光能的過程成為可能。光的強(qiáng)度與電流有關(guān)，電流越大，光越強(qiáng)。

施加正向電壓會(huì)產(chǎn)生電流

LED照明直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，因此具有極高的發(fā)光效率、高亮度、低發(fā)熱、壽命長達(dá)20000小時(shí)以上。許多微型到大型設(shè)備現(xiàn)在都使用LED 燈。例如，許多豪華車都配備了超亮的LED大燈，增添了額外的奢華感。

汽車LED 車頭燈

生活中隨處可見小型的LED燈。

LED臺(tái)燈

以上就是人類歷史上經(jīng)歷過的照明技術(shù)及其發(fā)光原理。你明白一切嗎？

世界之大，沒有什么是我們想象不到的。

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編輯：禪