灯发光的原理简单科普，led灯发光原理与白炽灯

人类照明的历史随着能源的变化而演变。

自从人类学会了如何通过挖木头生火以来，照明能源已经从木柴发展到石油，再发展到电力。照明设备经历了无数的变革，从手电筒、动植物油、蜡烛、煤油灯、白炽灯和荧光灯，到现在令人眼花缭乱的装饰灯和LED灯。现代照明已经从简单的日常照明应用发展到多种领域，给我们的生活带来了极大的便利和多样的视觉体验。

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1、柴火时代

古代照明是一种以柴火为主要光源的照明，古人用燃烧的油或点燃蜡烛来获取光，甚至用夜间发光的萤火虫作为光源。

使用火焰作为照明

晚上的萤火虫

从原始时代到远古时代，人们以火焰作为夜间照明的主要手段，从最初的柴火开始使用植物油作为燃料，但照明的本质始终如一。那么为什么火焰会带来光呢？

我们知道，燃烧是一种剧烈的化学反应，反应过程中释放出大量的能量。化学反应包括破坏化学键并吸收能量，形成化学键并释放能量。后者的燃烧反应比前者更高，因此不断产生大量的能量，但多余的能量被电子吸收，原子核的外部由许多电子层组成。当电子吸收能量时，它会从较低能级的轨道跳跃到较高能级的轨道。高能轨道上的电子非常不稳定，很容易返回低能轨道，以光子的形式释放能量。这些光子的能量足够高，其频率在我们的眼睛可以感知的可见光的频率范围内。你看（当然也有一些不在这个范围之内），这就是我们看的火。

原子核和电子结构

处于激发态的电子从高能跃迁到低能，产生光波

这种化学反应发出的可见频率光波形成可见光，可以让人类在夜间得到乐趣。人类发现火后，开始利用火焰来加热食物并杀死细菌，让人类吃得更好。更卫生的食物也进一步促进了古代人类的快速进化。

2、白炽灯时代

在电照明出现之前，最常用的照明灯具是煤油灯或煤气灯。这种灯燃烧煤油或煤气，会产生浓烈的黑烟和刺鼻的气味，而且经常添加燃料和清洁灯罩非常不方便。更严重的是，这种灯很容易引起火灾，造成灾难。多年来，许多科学家竭尽全力发明一种安全、方便的电灯。

煤油灯

灯是人类征服黑夜的伟大发明。实际上是美国发明家爱迪生发明了电灯并使之变得更亮。他出生于一名铁路工人的儿子，小学辍学，在火车上卖报纸谋生。爱迪生是一个非常勤奋的人，喜欢尝试并创造了许多巧妙的机器。爱迪生对电器特别感兴趣。自从法拉第发明电动机以来，电力已经进入了千家万户。然而，将电能转化为光能尚未解决，因此爱迪生决定制造电灯，为人类带来光明。

科学家爱迪生

19世纪初，一位英国化学家用2000节电池和两根碳棒制造出了世界上第一盏弧光灯。但这种灯太强，只能安装在道路和广场上，不能在普通家庭中使用。无数科学家绞尽脑汁研制廉价、优质、耐用的家用电灯。

1879年10月21日，经过多年的反复实验，爱迪生终于点燃了世界上第一盏实用的电灯。从那时起，爱迪生的名字就如同他发明的电灯一样，渗透到了千家万户。

爱迪生发明的第一个电灯模型是我们今天使用的白炽灯泡。

白炽灯泡

白炽灯的发明彻底影响了人类的生活方式，因此颠覆性技术往往为社会的发展提供巨大的推动力。

那么，白炽灯是如何将电能转化为光能的呢？我们来看看白炽灯的发光原理。

首先，当电流流过灯丝时，灯丝具有一定的电阻，因此由于焦耳效应而发热，螺旋灯丝不断收集热量，达到2000以上的白炽状态。 （灯丝通常是钨丝，熔点在3000度左右），当灯丝元件核心外的电子被激发，外层电子跃迁到能量较高的电子层时，就可以做到。当电子跳回到低能电子层时，多余的能量以光的形式释放出来，同时也会产生热量，这就是为什么它被称为白炽灯。

白炽灯钨丝

打个比方，当灯丝白炽时，它发出的光就像烧红的铁一样。为了防止超热灯丝氧化和燃烧，灯泡内部通常被抽真空或填充一些其他惰性气体。理论上，灯丝越热，发出的光就越亮。因此，白炽灯泡的发光原理与火焰有点相似，都是产生大量的热量来激发电子，引起电子跃迁，释放能量并发射电磁波。

然而，如今我们周围使用的灯泡中似乎已经不再看到白炽灯泡了，其主要原因是白炽灯泡有以下缺点。

发光效率不高。

前面提到，白炽灯泡是将电能转化为热能，再将热能转化为光能，因此光电转换效率很低，只有一小部分电能转化为光能，大部分都转化为光能。产生能量并损失热量。白炽灯泡的发光效率经计算只有5%左右，这是对能源的巨大浪费，因此2014年美国政府正式实施计划，全面禁止日本制造和进口白炽灯泡。加拿大也将从2014年1月1日起正式禁止75W和100W白炽灯泡，40W和60W灯泡也将从2014年12月31日起全面禁止。欧盟于2012年全面禁止销售白炽灯泡。我国部分地区禁止使用白炽灯。

寿命短

白炽灯是一种热辐射光源，通过使电流通过灯丝将其加热而产生光。白炽灯发光时，灯丝的温度可达3000度。白炽灯的灯丝往往会因高温而断裂。因此，白炽灯泡的寿命一般较短，平均寿命在1000小时左右。另外，由于高温蒸发形成的钨蒸气在灯泡玻璃内部凝结，形成一层黑色物质，影响了灯泡的亮度。

玻璃的内表面覆盖有一层钨颗粒。

照明光有色差

由于白炽灯会产生热量并发光，因此发出的光的颜色会变黄，从而导致在灯点亮时看到的物体颜色出现误差。不过，这并不是完全的缺点；这种颜色的光线柔和，亮度较低，所以并不刺眼，有红色和黄色两种颜色，接近太阳光的效果，所以对视力也有效果。健康。

3、节能灯和LED灯时代

上面我提到了白炽灯泡的一些缺点，但它们正在逐渐被淘汰。目前，我们日常生活中使用的照明设备基本上都是节能灯或LED灯。

1.节能灯

节能灯

节能灯管

顾名思义，节能灯是比较节能高效的照明，但是为什么它比白炽灯消耗的能源少呢？节能灯的发光机理与白炽灯泡完全不同，所以下面我们将讨论白炽灯。介绍灯泡的发光机制。

与普通白炽灯的工作原理不同，节能灯主要通过镇流器对灯丝进行加热。

电子镇流器

节能灯示意图

约887时，灯丝开始发射电子（因为灯丝上涂有电子粉） 电子与氩原子碰撞，产生非弹性碰撞氩原子碰撞后获得能量并与汞碰撞，汞原子吸收能量。跃迁后电离释放253.7nm紫外光。该紫外线激发磷光体并使其发光。荧光灯工作时灯丝的温度约为887，远低于白炽灯的工作温度1927~2427，而且使用寿命也大大提高，而且不影响工作效率。具有与白炽灯相同的电流发热效果，由于缺少荧光粉，荧光粉的能量转换效率较低，达到5000小时以上。功率输出也非常高，达到每瓦50lm以上。

我们通常看到的节能灯有一根内壁涂有荧光粉的玻璃管，当荧光粉吸收紫外线时，会发出可见光，从而呈现出纯白色。也许有些朋友见过破损的灯管内有大量的白色粉末，就是这个原因。

节能灯照明原理示意图

节能灯通过气体放电工作，因此没有白炽灯的发热效应。荧光粉的能量转换效率也非常高，达到每瓦50流明以上。节能灯的光效为4。寿命比白炽灯长5至7倍，节能灯更节能。

那么，现在有一种更科技、更高效的电灯：LED灯。

2.LED灯

LED是英文Light Emitting Diode的缩写，是一种利用其特性将电能转化为光能的半导体二极管。自1962年推出第一个红色二极管以来，各种颜色的二极管相继被开发出来。

普通发光二极管的结构

发光二极管最重要的部分是P-N结，如果采用III-IV族化合物制成，发光二极管的核心部分将是晶片的过渡层，它由P型结组成和N型。半导体- P-N 结。因此，它具有P-N结的电压和电流特性，即正向导通、反向阻断和耐击穿特性。同时，它还具有一些独特的性能，比如在一定条件下能够发光。这是详细的解释：

P-N结的基体通常是硅，由两侧的P型半导体和N型半导体组合而成。硅核外的电子数为4。

N型半导体是硅中掺杂有P（磷）等IV族元素，IV族原子核外的电子数为5。如果核外有8个电子，则结构稳定，其余电子形成自由电子，形成N型半导体。

N型半导体

P型半导体是硅中掺杂了B（硼）等第III族元素，第III族核外的电子数为3。当核外有8个电子时，结构变得稳定，并在其中一个空出的位置上形成自空穴，形成N型半导体。

N型半导体

当P型半导体和N型半导体结合形成P-N结时，P型半导体有过剩电子，因此电子浓度增加，P型半导体中的电子流向N极半导体。由于扩散造成的电荷不平衡会产生内置电场。

P-N结的形成

内置电场的形成

如果外部电压与内部电场方向相同，则与施加负电压相同，内部电场变得更强，电子难以注入，因此不会产生电流。这就是二极管具有单向导电性的本质原因。

如果外部电压与内部电场方向相反，则形成电流并加上正向电压，使电子从N区注入到P区，反之，空穴从P区注入到P区。 N区，注入的电子与空穴复合，剩余能量在复合过程中以光子的形式释放。空穴和电子复合的时机也不同，释放的能量越多，发出的光越大，波长越短。发出红光、绿光和黄光的二极管在日常生活中很常见。这使得电能转化为光能的过程成为可能。光的强度与电流有关，电流越大，光越强。

施加正向电压会产生电流

LED照明直接将电能转化为光能，因此具有极高的发光效率、高亮度、低发热、寿命长达20000小时以上。许多微型到大型设备现在都使用LED 灯。例如，许多豪华车都配备了超亮的LED大灯，增添了额外的奢华感。

汽车LED 车头灯

生活中随处可见小型的LED灯。

LED台灯

以上就是人类历史上经历过的照明技术及其发光原理。你明白一切吗？

世界之大，没有什么是我们想象不到的。

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编辑：禅