灯的起源与发展

发布时间：2012-04-19 17:59:37 来源：文档文库

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灯的起源与发展

——《物理学与人类文明》课程报告

同组人：张芸蜻郭琳郝润慧郭宝柱田晓民李敬彬（你们把你们三个的名字打上）

一．原始的照明工具

灯和灯字究竟起源于何时，战国以前都还没发现名为灯的实物。在商代的甲骨文中也未见灯、烛之类字样。西周时在人们日常生活中出现的“烛”应是最早的照明用器的记载。

“灯”字的起源

西周时“烛“应是一种由易燃材料制成的火把，用于执持的已被点燃的火把，称之为烛;放在地上的用来点燃的成堆细草和树枝叫做燎;燎置于门外的称大烛，门内的则称庭燎。

中国现存最早的灯具出于战国，在《楚辞·招魂》中有“兰膏明烛，华镫错些”记录，说明战国时已出现“镫”这个名称了。在周代，“镫”、“登”通用，《尔雅·释器》：“木豆谓之豆，竹豆谓之豆笾，瓦豆谓之登。” 徐铉曰：今俗别作灯，非是，晋郭璞云：礼器也。古人把“镫”称灯，应是字义的假借。

灯的起源——春秋战国

“火”是人类祖先抵御猛兽的主要工具，灯也是因为“火”而得到发展。根据古书最早的记录。灯具的出现始见与战国。当时候的灯具结构已比较完善，而且造型也很优美，可见在它以前，灯的发明和演变已经有了一个相当时期，只是工艺说明已经失传。

二．灯丝的发现及发展

白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的T.A.爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。1959年，美国在白炽灯的基础上发展了体积和衰光极小的卤钨灯。白炽灯的发展趋势主要是研制节能型灯泡。不同用途和要求的白炽灯，其结构和部件不尽相同。白炽灯的光效虽低，但光色和集光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。

一般人认为电灯的发明者是发明大王爱迪生，实际上，这方面的试验研究在爱迪生之前就已开始了。

在美国1845年的一份专利档案中，辛辛那提的斯塔尔提出可以在真空泡内使用碳丝。英国的斯旺按照这种思路，用一条条碳化纸作灯丝，企图使电流通过它来发光，但是，因当时抽真空的技术还很差，灯泡中的残余空气，使得灯丝很快烧断。因此，这种灯的寿命相当短，仅有个把小时，不具有实用价值。1878年，真空泵的出现，使斯旺有条件再度开展对白炽灯的研究。1879年1月，他发明的白炽灯当众试验成功，并获得好评。

1879年，爱迪生也开始投入对电灯的研究，他认为，延长白炽灯寿命的关键是提高灯泡的真空度和采用耗电少，发光强、且价格便宜耐热材料作灯丝，爱迪生先后试用了1600多种耐热材料，结果都不理想，1879年10月21日同，他采用在采用碳化棉线作灯丝，把它放入玻璃球内，再启动气机将球内抽成真空。结果，碳化棉灯丝发出的光明亮而稳定，足足亮了10多个小时。就这样，碳化棉丝白炽灯诞生了，爱迪生为此获得了专利。

成功并未使爱迪生停步，他在继续寻找比碳化棉更坚固耐用的耐热材料。1880年，爱迪生又研制出碳化竹丝灯，使灯丝寿命大大提高，同年10月，爱迪生在新泽西州自行设厂，开始进行批量生产，这是世界最早的商品化白炽灯，英国的斯旺也于1881年在新堡郊外本威尔设厂。

白炽灯的发明，美国通常归功于爱迪生，英国则归功于斯旺。在英国，电灯发明百周年纪念于1978年10月举行，而美国则于一年后的11月举行。

两位发明家的竞争十分激烈，专利纠纷几乎不可避免，后来，两人达成协议，合资组建了爱迪生──斯旺电灯公司，在英国生产白炽灯。

现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。事实上，一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000℃。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。

三．白炽灯的详细原理
一只普通的白炽灯，主要由玻壳、灯丝、导线、感柱、灯头等组成。

玻壳做成圆球形，制作材料是耐热玻璃，它把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右。灯丝是用比头发丝还细得多的钨丝，做成螺旋形。看起来灯丝很短，其实把这种极细的螺旋形的钨丝拉成一条直线，这条直线竟有1米多长。两条导线表面上很简单，实际上由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。内导线用来导电和固定灯丝，用铜丝或镀镍铁丝制做；中间一段很短的红色金属丝叫杜美丝，要求它同玻璃密切结合而不漏气；外导线是铜丝，任务就是连接灯头用以通电。一个喇叭形的玻璃零件就是感柱，它连着玻壳，起着固定金属部件的作用。其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯就不漏气了。灯头是连接灯座和接通电源的金属件，用焊泥把它同玻壳粘结在一起。

这里特别需要讲讲灯丝，因为电灯正是要靠它来发光的。同炭丝一样，白炽灯里的钨丝也害怕空气。如果玻壳里充满空气，那么通电以后，钨丝温度升高到2000℃以上，空气就会对它毫不留情地发动袭击，使它很快被烧断，同时生成一种黄白色的三氧化钨，附着在玻壳内壁和灯内部件上。要是玻壳里残留的空气比较少，那么上面讲的过程就会进行得慢一些，钨跟空气中的氧化合生成一薄层蓝色的三氧化二钨和氧化钨的混合物。所以钨丝灯泡要抽成真空，把空气统统清除出去。

但是，这样做还没有解决全部问题。白炽灯用久了玻壳会变黑，再过一段时间会烧断。确实，钨丝比起炭丝来，在真空里的蒸发速度要慢得多。但是，当白炽灯点亮温度升得很高的时候，钨的蒸发仍然十分严重。长时间的高温使钨丝表面的钨原子像水蒸汽一样不断地蒸发扩散，然后一层又一层地沉积到玻壳的内表面上，使玻壳慢慢黑化，越来越不透明。钨的蒸发也使钨丝越来越细，最后烧断。灯丝工作温度越高，钨的蒸发越快，白炽灯的使用寿命就越短。使灯丝在真空条件下减少蒸发和延长使用寿命的办法只有降低温度。钨丝工作温度高达2700℃时，灯泡点亮不到1个小时就熄灭；钨丝工作温度下降到1700℃，使用寿命可以延长到1000个小时以上。

可是，这并不是个好办法。降低钨丝的工作温度，也就是降低它的白炽程度，会使白炽灯的发光效率降低，远不如温度高时那么明亮。于是，问题就这样明明白白地摆在了人们的面前：要想白炽灯更多地发光，就得提高灯丝的工作温度；要想减少钨丝的蒸发以延长灯的寿命，又得降低它的“体温”。这是矛盾的。我们的要求是既有高的发光效率，又能减少钨丝蒸发。

经过多年的研究，人们注意到，当灯泡里充有空气的时候，虽然灯丝很快会被氧化，但是钨的蒸发却变慢了。原因其实很简单：空气是由多种成分组成的，使钨氧化的只是占空气总量1/5的氧气；至于其余的大约占4/5的氮气，它不仅没有参与对钨的破坏作用，相反地还干了好事——阻碍钨分子的运动，降低钨的蒸发速度。

人们于是给钨丝找到了一位保卫它的好朋友——氮气。氮气就在空气里，而且占了空气的大多数。过去我们为了保证白炽灯延年益寿，不得不把玻壳中的空气抽走，抽得越干净越好，而现在为了同样的目的，我们却要做相反的工作，即把不会跟钨发生化学反应的气体充到玻壳里去。如果灯泡里是真空的，那么当钨丝接通电源，温度升高后，钨的分子就会大量地脱离灯丝，到处乱跑，直到碰在玻壳壁上被吸着时为止。玻壳里一旦充进了氮气，白炽的灯丝周围就会形成一薄层稳定的气体保护层。这样一来，钨丝的蒸发速度就慢得多了。结果是出现了充氮气的白炽灯泡。

1913年，兰米尔首次往玻壳里充进氮气，这是继灯丝由炭丝改钨丝后白炽灯的又一重要革新。直到目前为止，充气仍然是抑制钨丝蒸发的基本措施。

四．现代照明工具及其发展趋势

无论型号、色彩、尺寸或功率如何，所有的LED都是在恒流驱动下才会实现最佳的工作性能。LED 制造商规定使用特定正向电流（IF）而不是特定正向电压（VF）来表征器件的特性（如流明、波束图、色彩）。大多数电源IC都设计用于在整个电流范围内提供恒定的电压输出，因此很难单从器件数据表确定哪个元件为给定应用工作。由于有一个LED阵列，所以主要的挑战在于保证阵列中的每个LED都由相同的电流驱动。将所有的LED串联起来可以保证流过每个器件的电流完全相同。
1.低功耗LED
低功耗LED是为便携式电子器件提供照明的理想之选，因为它们具有高效率、易于驱动、小而薄、高鲁捧性和低噪声的特性。当利用锂离子电池（典型输出电压为3.7V）供电时，电流为30mA时，每个低功耗LED 需要的电压高达 4V。当在照明解决方案中需要不只一个 LED工作时，应用一个 LED 驱动器来进行升压和调节电流，从而优化 LED 输出。

为更好地应用低功耗LED，美国国家半导体提供了用于实现并行和串行解决方案的LED驱动器。并行驱动器带有内置式充分匹配的高、低边电流源，并具有效率高和总元件数量少的特性，可以与电感式升压转换器、开关电容升压转换器或无升压特性的器件搭配使用。美国国家半导体的LED驱动器系列产品带有电感式升压转换器，其解决方案具有结合了极高效率和低噪声与小尺寸封装的特点。所有这些解决方案经过优化都可以驱动2到10个LED，并且还采用了业内最小尺寸的封装：微型micro SMD BGA以及通用LLP（无引脚导线框封装）和CSP无铅封装。

2.高亮度LED：输入电压和正向电压

LED阵列的输入电压源来自于电池或具有一定容差的电源。例如，根据负载和电池寿命程度的不同，汽车电池可以提供8V到16V的电压。台式机CPU内的“银盒”电源可以提供12V±10%的电压。高亮度（HB）LED也可以提供一系列范围的正向电压。典型HB LED的特性定义是在350mA的正向电流下完成的。在IF=350mA的情况下，确定LED的正向电流范围，包括典型值以及最大和最小过温值。为了保证给阵列中的每个LED都提供了真正的恒定电流，电源结构必须能够提供的输出电压等于串联线路中各个器件的最大正向电压之和。制造商针对不同的色彩、亮度和正向电压对其器件进行二进制编码操作。对这3种特性都进行二进制编码操作需要很高的成本，并且正向电流的指标通常允许具有最大的变化范围。因为LED晶片温度变化，这会使正向电压产生偏移，从而产生对具有宽广输出电压范围的恒流稳压器的需求。