电子灯泡

什么是电子灯泡？

在电灯泡发明之前，人们依靠蜡烛和油灯照明。这些人工照明工具并不十分方便，而且存在极大的局限性。蜡烛体积小巧，但使用时间非常有限，发出的光也不够明亮。其他方法，如燃气照明或电弧照明（通过在两个碳电极之间产生电弧来发光，产生明亮的白光），则非常耗费资源，而且成功使用它们所需的设备非常复杂。这种情况在 1879 年得到了改变，当时托马斯·爱迪生公开展示了他的白炽灯泡，照亮了新泽西州门洛帕克的街道。

什么是电子灯泡？

电灯泡，也称为白炽灯泡或白炽灯，是一种通过电流通过一根称为灯丝的丝状物体来发光的设备，该物体变热并发出可见光。这个灯丝被放置在一个带有真空或某些惰性气体的玻璃罩中，以防止其氧化或烧毁。

灯泡的结构

灯泡最重要的部分是：

• 玻璃泡壳或玻璃外壳
• 灯丝
• 灯泡的灯头或底座。

从灯丝开始，它是灯泡的中心部分。灯丝是一根盘绕的导线，通电后会发光并发出可见光。灯丝通常由钨制成，因为钨具有高熔点，意味着它可以在高温下生存而不会熔化或断裂。

灯丝被包裹在玻璃外壳或玻璃泡壳中。这个玻璃外壳旨在保护灯丝免受氧化，并提供隔热。玻璃外壳通常由二氧化硅或硼硅酸盐玻璃制成，能够承受灯丝产生的高温。使用的玻璃可以是透明的或涂层的。涂层玻璃含有高岭土，用于改变或调整光的强度。为了获得色彩，会使用铬等掺杂剂的涂层。对于用作加热元件的灯泡，其温度通常会达到 250°C 或更高，则使用石英玻璃。这个玻璃外壳的目的是防止灯丝损坏，并防止空气进入，以防止灯丝氧化和在通电时烧毁。

灯泡的下一个主要组件是灯头或灯泡底座。电灯泡的底座是连接到灯座并为灯泡提供电气触点的部分。底座通常由金属制成。这些金属范围从铝到黄铜，通常是耐用且导电性较好的金属。然而，这些金属的选择取决于成本和兼容性等因素。灯头或灯座有多种类型，最常见的是爱迪生螺纹底座、插针式底座或接触式底座。

• 爱迪生螺纹底座不仅是电灯泡的标准，而且在世界大部分地区也是其他类型灯泡的标准。爱迪生螺纹底座由一个螺纹金属底座组成，可以拧入匹配的灯座。即使在现代，爱迪生螺纹底座仍然是世界各地灯泡的标准。
• 插针式底座或接触式底座在一侧或两侧有两个插针，它们插入灯座中的孔或槽中并为灯泡导电。插针式底座用于荧光灯管和卤素灯等特殊应用。插针的尺寸和配置因灯泡的输出功率而异。接触式底座的目的是在灯泡和灯座之间建立安全可靠的电气连接。底座上的插针或触点设计用于精确地插入灯座中的槽或孔；这确保灯泡与灯座精确对齐，并保持连续的电力供应。

除了这三个主要组件外，还有一些其他关键元素构成了电灯泡的工作。最突出的是填充在玻璃外壳中的惰性气体。尽管传统上白炽灯泡或电灯泡应该充满真空，但它们经常含有惰性气体。原因是这些气体可以减缓灯丝的氧化，并防止灯丝的蒸发。最常使用的气体是氩气 (Ar) 和氮气 (N2)。必须非常小心地选择填充在灯泡中的气体，以防止气体传热。除了氩气和氮气，还使用氦气、氖气和氪气等气体。氦气被使用是因为它具有良好的导热性，并有助于灯丝不过热；然而，含氦气的灯泡比真空灯泡或含氩气和氮气的灯泡更昂贵。氖气因其在电激励下会发出亮红色的倾向而被用于装饰目的。氪气是另一种惰性气体，适合用于灯泡。氪气在电电流激励下会发出亮白色，因此氪气被用于灯泡以提高其亮度。

灯泡的另一个部分是灯杆。灯杆是连接灯泡底座和包含灯丝的玻璃外壳的结构。传统的白炽灯泡通常没有明显的灯杆。灯杆可能仅用于装饰目的，但它有助于固定玻璃外壳中灯丝的位置。这一点很重要，因为灯丝非常脆弱，如果支撑不当，很容易断裂。它还为灯丝提供电气连接。

电灯泡的历史

在爱迪生推出第一个功能正常的电灯泡之前的几十年，电照明的概念就已经存在了。1802 年，英国化学家汉弗里·戴维发明了第一盏电弧灯。电弧灯由两个电极和一个中间的碳棒组成。通电后，这根碳棒会发热发光。电弧灯的问题在于碳棒几乎会立即烧毁，而且产生的光太亮，无法在任何实际方法中使用。尽管电弧灯不成功，但它证明了用电产生光是可能的。

1840 年，英国物理学家沃伦·德拉·鲁发明了第一个白炽灯泡，取得了下一个重大突破。在这个灯泡中，他使用了一个包裹在玻璃泡壳中的铂灯丝，并填充了真空。当通电时，这个铂灯丝会发出明亮的光。这个模型的缺点是铂会很快烧毁，而且非常昂贵。

考虑到这个模型，爱迪生和他的团队开始对可以用来制作灯丝的金属和材料进行严肃的研究。这项对不同设计的研发工作持续了多年。1879 年取得了突破，当时爱迪生使用了一根未涂层的棉线碳化灯丝。在此之前，他一直使用碳，然后切换到基于铂的灯丝，但最终又回到了碳灯丝。使用碳化棉线，爱迪生和他的团队设法将灯丝的寿命延长到近 15-16 小时。这被一种竹制灯丝所超越，竹制灯丝的寿命可达数千小时。最后，在 1890 年，爱迪生灯泡中的灯丝被钨丝取代，事实证明钨丝对高温的耐受性要强得多，因此提供了更长的寿命。

灯泡或电灯泡的发明并非小事，它改变了社会的行为。有了这些灯泡，就可以提供更高强度的光，灯泡也变得可行。这些灯泡的引入增加了晚间和夜间的工时，使夜间出行更加方便，并为众多企业的建立铺平了道路。

尽管爱迪生因其在灯泡商业上的成功而备受推崇，但必须指出的是，他的工作和设计是基于许多其他发明家和科学家的工作。知名人士包括汉弗里·戴维、沃伦·德拉·鲁和约瑟夫·斯旺。

电灯泡的用途

电灯泡的成功意味着它可以用于商业和家庭。

• 用于照亮街道和道路。
• 在家用作台灯和其他灯具。通常用于照亮房屋。
• 用于商业用途，如广告。
• 用于装饰目的，如圣诞灯饰等。

后来，电灯泡被用于更实用的用途，例如车辆的前灯。它们被用来制作手电筒。

电灯泡的优点

与电弧灯和油灯等传统照明方法相比，电灯泡或白炽灯泡具有完全的优势。其中一些是：

• 电灯泡比油灯和电弧灯便宜。
• 它们安装和使用都非常方便。
• 它们有各种形状和功率，这意味着它们根据需要提供广泛的输出功率。
• 电灯泡提供即时照明。只需按一下按钮，灯泡就开始发光。
• 与蜡烛和油灯相比，一个电灯泡可以使用数千小时。

电灯泡的缺点

尽管电灯泡彻底改变了现代社会的照明能力，但它们也有其自身的缺点。随着电照明方法的不断发展，这些缺点才得以凸显。

• 低能效：白炽灯泡将电能转化为光能的效率很低。只有一小部分电能真正转化为光，大量的能量以热量的形式损失掉了。这导致与消耗的能量相比，能耗更高。
• 寿命较短：尽管白炽灯泡比蜡烛和其他传统照明技术寿命长，但它们只能使用 1000 到 2000 小时，与新型技术（如荧光灯和 LED 灯，寿命可达数万小时）相比，寿命明显短得多。
• 易碎：它们由一个充满真空的玻璃和一个精致的灯丝组成，这意味着它们很容易损坏，需要格外小心处理。

转向节能

白炽灯泡的低能效被证明是一个大问题，尤其是对于使用大量此类灯泡的商业用途。新技术的引入导致白炽灯泡被淘汰。

第一个重大转变是由紧凑型荧光灯或 CFL 带来的。CFL 含有汞蒸气，当通过灯内的两个电极引起的电弧电离时，会产生紫外线。这种紫外线穿过涂有磷光材料的玻璃管，磷光材料将这种紫外线转化为可见光。CFL 的能效远高于白炽灯泡。

然而，最高效的选择是 LED 或发光二极管灯。到目前为止，LED 是最节能的选择。LED 灯通过电致发光过程产生光。当电流通过 LED 内部的半导体材料时，它就会发光。半导体中使用的特定材料决定了发射光的颜色。LED 的高能效是由于热量产生引起的能量泄漏极少。与传统灯泡相比，LED 的能效提高了 75%。LED 灯的寿命比传统灯泡长得多。它们可以使用数万小时，相当于在正常条件下使用数年。延长寿命减少了频繁更换的需要，从而节省了成本并提供了便利。LED 灯也有各种颜色，使其更适合装饰和广告。由于 LED 是由半导体组成的二极管，它们消耗很少的电能，并且可以通过改变电流供应轻松控制和改变其输出功率。这使得 LED 比白炽灯泡更具多功能性。由于 LED 的这种多功能性，它们具有广泛的实际应用，例如电视屏幕和手机屏幕。

结论

得益于爱迪生，白炽灯泡的商业成功永久地为人类社会带来了积极的改变。高度便捷的照明方式不仅使人们在黑暗中生活和出行更加方便，还延长了夜间的工作时间。

在当今世界，由于其低能效，传统白炽灯泡正被逐步淘汰，取而代之的是更具成本效益和环保性的 LED 灯。世界各国政府已采取措施，不仅在商业领域，还在家庭中推广 LED 灯。传统白炽灯泡在实际中已很少使用，它们仅限于装饰，或因其昏暗而温暖的光线而在咖啡馆和餐馆中用于美观目的。