原標題：燈泡為什么可以發(fā)亮？ 電燈泡的工作原理是什么？

 

　　在電燈泡發(fā)明之前，太陽下山之后的照明問題是一個棘手、艱巨并且危險的任務。要想照亮一個大房間，得需要很多支蠟燭或火把，用油燈也可以產生同樣的亮度，但是它容易在周圍的物體上留下煤油殘渣。

 

　　19世紀中葉，當電學取得長足發(fā)展時，世界各地的發(fā)明家都強烈呼吁發(fā)明一種廉價實用的家用電力照明裝置。英國人約瑟夫·斯旺（Joseph Swan）和美國人托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）幾乎同時（分別在1878年和1879年）使它成為現實，在以后的25年里，全世界有上百萬人在家中安裝了電燈。與以往的照明方法相比，這種易于使用的技術無疑是一個里程碑式的進步——世界從此徹底改變了。

 

　　對于這一具有歷史轉折意義的事件而言，最令人驚奇的是電燈泡本身幾乎簡單至極。與愛迪生所發(fā)明的燈泡相比，現代的電燈泡并沒有什么重大改變，還是僅由很少的幾部分組成。在本文中，我們將介紹這幾部分是怎樣組合在一起，并能連續(xù)發(fā)光好多個小時的。

 

　　光的基本知識

 

　　光是能量的一種形式，可以由原子釋放出來。光由很多微粒狀的小團組成，這些小團有能量和動量，但卻沒有質量。這些微粒被稱為光子，它們是光的最基本單元。（有關更多信息，請參見光的原理。）

 

　　當原子中的電子受到激發(fā)的時候，原子就會釋放光子。如果您讀過原子理論這篇文章，那么您就會知道電子是帶負電荷的粒子，繞著原子核（帶有凈的正電荷）運動。原子中的電子有不同的能級，這取決于很多因素，其中包括電子的速度及其與原子核的距離。不同能級的電子占據不同的軌道。一般說來，能量較高的電子在距離原子核較遠的軌道上運動。當原子獲得或失去能量的時候，這種變化就會通過電子的運動表現出來。當某物將能量傳遞給原子時，電子就會暫時躍遷到一個更高（離原子核更遠）的軌道上。電子在這個位置上僅僅停留很短的時間，它幾乎立即被拉向原子核，回到它的初始軌道。在返回初始軌道的同時，電子將多余的能量以光子（有時是可見光子）的形式釋放出來。
 

　　在燈泡的底座上有兩個金屬接點，它們與電路的終端相連

 

　　當燈泡被接到電源上時，電流就會通過電線和燈絲從一個接點流到另一個接點。固體導體中的電流其實就是自由電子（不被原子緊緊束縛的電子）從負極區(qū)域向正極區(qū)域的大量運動。

 

　　在沿著燈絲快速移動的同時，電子會不斷地撞擊組成燈絲的原子。每一次撞擊的能量都會使原子振動，也就是說，電流把原子加熱了。細導體比粗導體更容易被加熱，因為細導體對電子運動的阻礙更大。

 

　　振動原子中被束縛的電子可能被暫時激發(fā)到一個更高的能級上。當返回初始能級時，這些電子就會以光子的形式釋放多余的能量。金屬原子通常釋放紅外光子，對于人眼來說，紅外光子是不可見的。但是，如果金屬原子被加熱到足夠高的能級（對于電燈泡來說為2,200攝氏度左右），它們就會發(fā)射大量的可見光。

 

　　電燈泡里的燈絲是由一根極細長的鎢金屬絲構成的。在一個典型的60瓦的燈泡中，鎢燈絲大約有2米長，但是只有0.0254厘米粗。為了全部都能放進一個很小的空間中，鎢絲被排列成一個雙繞線圈。也就是說，鎢絲被纏成一個線圈，然后這個線圈再被纏成一個更大的線圈。在一個60瓦的燈泡中，線圈的長度還不到2.5厘米。

 

　　因為鎢絲是理想的燈絲材料，所以它用于幾乎所有的白熾燈泡中。在下一部分中，我們將揭示將鎢作為燈絲的原因，還將分析玻璃燈泡和惰性氣體的作用。

 

　　合適的材料

 

　　正如我們在上一部分中了解到的那樣，金屬必須被加熱到極高的溫度才能發(fā)射足夠的可見光。實際上，大多數金屬在達到這個極高的溫度之前就已經熔化了——振動破壞了原子之間牢固的結構鍵，所以材料就變成了液體。之所以用鎢燈絲來制作燈泡，是因為鎢具有異常高的熔化溫度。

 

　　亮，更亮，最亮

 

　　電燈泡是按照功率來分類的，功率是指燈泡在一定時間內發(fā)出的光的量（以瓦為單位）。瓦數越高的燈泡燈絲就越大，產生的光也越多。三光燈泡有兩個不同瓦數的燈絲，通常一個是50瓦，一個是100瓦。這兩種燈絲被纏成獨立的線圈，這些線圈最初可以用一個專用三路插座接通。利用三路插座的開關可以從三個不同的亮度級別中進行選擇。選擇最低亮度級別時，開關只讓50瓦燈絲的電路接通；選擇中等亮度級別時，開關只讓100瓦燈絲的電路接通；選擇最高亮度級別時，開關使兩個燈絲的電路都接通，所以燈泡會以150瓦的功率工作。

 

　　但是在這么高的溫度下，如果滿足某些條件，鎢絲也會著火。燃燒是由兩種化學物質之間的反應引起的，當其中的一種化學物質達到了它的著火溫度的時候，燃燒就會發(fā)生。在地球上，燃燒通常是大氣中的氧氣和某種被加熱物質之間的反應，但是，其他的化學物質組合也會產生燃燒。

 

　　為了防止燃燒，電燈泡中的燈絲被固定在一個密閉的無氧容器中。在最早的電燈泡中，燈泡里的所有氣體都被抽出來，以產生一個近似真空的環(huán)境，即一個不含任何物質的區(qū)域。因為沒有（或者幾乎沒有）任何氣體物質存在，所以燈絲材料不會燃燒。

 

　　這種方法所產生的問題是鎢原子的蒸發(fā)。在這么高的溫度下，有時鎢原子的劇烈振動會使它脫離周圍原子，進入到周圍環(huán)境中。在真空燈泡中，自由鎢原子會直線射出，匯聚到玻璃內壁上。由于蒸發(fā)的原子越來越多，燈絲便開始碎裂，玻璃也開始變暗，這就大大地降低了燈泡的壽命。

 

　　在現代的燈泡中，惰性氣體（通常是氬氣）極大地降低了鎢的這種損失。當鎢原子蒸發(fā)時，它可能會與氬原子碰撞，又剛好被反彈回燈絲上，重新與固體結構結合。因為惰性氣體通常不與其他元素反應，所以，元素之間不可能因燃燒反應而結合。

 

　　經長期證明，電燈泡便宜、有效并且易于使用，是一項十分了不起的發(fā)明。電燈泡仍然是室內照明和日落后延長“白晝”的最常用方法。但是，所有的跡象都表明，電燈泡終將被更先進的技術所代替，因為它的效率不夠高。

 

　　白熾燈泡以攜帶熱量的紅外光子的形式消耗了大部分的能量，在所產生的光中，只有大約10%為可見光，這就浪費了大量的電能。冷光源，如熒光燈和發(fā)光二極管（LED），則不會因產生熱而浪費大量的能量——它們發(fā)出的大部分都是可見光。因此，它們正在慢慢替代古老耐用的電燈泡。