为什么灯有电就会亮呢?

为什么灯有电就会亮呢?

Patrick Zhang,高级电气工程师

有意思的问题。虽然看似十分粗浅,且真想回答好却很不容易。我来科普一番吧。


先说答案:电流流过照明灯具,因为焦耳发热(白炽灯)和辉光放电(日光灯)的原因,产生光线而发光。目前使用更多的 LED 灯,则是利用发光二极管的原理来产生光线。由此可见,不管是哪种照明灯具,电流流过灯具而产生发光现象,是让灯具亮起来的必要条件。

我们日常使用的家用电器,它们利用通电后的电动力效应(例如洗衣机和电冰箱)、发热效应(例如电烤炉和电饭锅)和辐射效应(例如微波炉)来为我们服务,可见它们离不开电。至于手机,则是利用集成电路的数字通信技术来工作,其内部安装了电池。如果手机使用时间过长且未充电,手机就会因为缺少电能供应而停机。

可见,电为家用电器和手机提供了能量,这就是“灯有电就会亮”的原因。

以下,我们来探讨一番白炽灯和日光灯的工作原理。

1.白炽灯通电后就会亮起来的原理

我们看下图:

图 1:白炽灯

白炽灯目前很少见到了。在我小时候,那时候白炽灯可是主要照明灯具。不管是家里,还是幼儿园和小学,还有商场,都使用白炽灯。

图 2:上世纪灯具商店内部布置的景象,大多数都是白炽灯

记得小时候进入灯具店,感到非常热。为何?因为白炽灯是靠电流流过钨丝产生发热而发光的,当然很热了。

我们看下图:

图 3:白炽灯一通电就亮起来了

我们注意看图 3 左侧的白炽信号灯,它内部的灯丝是钨丝,电阻率相对较大。

图 3 右侧繁星所指的信号灯额定电压是 12V 额定功率是 1W,我们用初中物理来计算它的额定电流:

信号灯钨丝的电阻是:

别看电流这么小,但灯丝(钨丝)的电阻相对较大,故电流流过灯丝(钨丝)时也足以让其升温到 1700℃‌左右。

关于导体流过电流后的表面温度计算,其方法远远超过初中物理知识的范畴。以下给出计算式,我们来浏览一番:

图 4:导线表面瞬时温度的计算式

利用图 4 的计算式就能算出钨丝的表面温度。既然繁星都怕怕,我们就不算了吧,笑!

我小时候看过铁匠打铁。铁匠把铁放到炉内加热,当铁的温度上升后,铁发出黄红色光芒并变软,此时铁匠就把铁取出来敲打成产品。

图 5:铁匠打铁

图 5 中铁的温度在 1300℃左右,发出黄红色的光。

同样的道理,钨丝在 1700℃高温下其内部钨原子发生电子跃迁继而产生的光辐射,发出黄白色的光。‌

图 6:白炽灯的钨丝流过电流后发出黄白色光

由于白炽灯耗能很大,故随着技术发展,到了现在白炽灯几乎绝迹。

图 7:白炽灯被淘汰了,几乎绝迹

所以,我们现在很少看到白炽灯了。

2.关于日光灯通电后亮起来的原理

日光灯通电后亮起来的原理,与气体击穿有关。

由于日光灯的工作原理相对复杂,我就以之前的回答帖来链接回答吧。

关于气体的击穿,可参阅以下帖子:

电晕、辉光、电火花、电弧、尖端放电、低气压放电和高压电弧的机理都是什么样的?它们的区别在哪里?

看完以上这篇帖子,我们就明白辉光放电是怎么回事了。

日光灯就是典型的辉光放电,其工作原理见以下这篇帖子:

日光灯的启动原理是什么?

这下我们就明白了,原来日光灯也是离不开电的。

3.发光二极管和 LEN 的灯的原理

LED 的本质其实就是发光二极管。

图 8:发光二极管

发光二极管是由 P 型和N 型半导体材料组成的晶片。在P 型半导体和 N 型半导体之间的过渡层叫做 PN 结。我们利用某种半导体材料的 PN 结,当注入其中的少数载流子多数载流子复合时就会把多余的能量以光的形式释放出来,实现电能转换为光能。

有意思的是:如果我们把 PN 结加上反向电压,造成少数载流子无法注入其中,PN 结当然就不发光;反之,我们让 PN 结加上正向工作电压,电流从发光二极管的阳极流向阴极时,半导体晶体就能发光,其光线包括紫外线到红外线在内的不同颜色的光线,而发光的强度则与电流值有关。

由此可见,LED 灯当然也离不开电流。

4.结论

通过以上描述,我们看到不管是白炽灯还是日光灯,以及 LED 灯,若没有电源提供电能,这些灯具是不可能被点亮的。


就写到这里。