真正发明电灯使之大放光明的是美国发明家爱迪生. 爱迪生在认真总结了前人制造电灯的失败经验后,制定发详细的试验计划,分别在两方面进行试验:一是分类试验1600多种不同耐热的材料;二是改进抽空设备,使灯泡有高真空度。他还对新型发电机和电路分路系统等进行了研究。
爱迪生将1600多种耐热发光材料逐一地试验下来,唯独白金丝性能量好,但白金价格贵得惊人,必须找到更合适的材料来代替。1879年,几经实验,爱迪生最后决定用炭丝来作灯丝。他把一截棉丝撒满炭粉,弯成马蹄形,装到坩锅中加热,做成灯丝,放到灯泡中,再用抽气机抽去灯泡内空气,电灯亮了,竟能连续使用45个小时。就这样,世界上第一批炭丝的白炽灯问世了。1879年除夕,爱迪生电灯公司所在地洛帕克街灯火通明。1909年,美国柯进而奇发明了用钨丝代替炭丝,使电灯效率猛增。
充气灯泡,既可以避免钨丝氧化,又能够阻止它的蒸发,好处是很明显的。不过与真空灯泡相比,充气也带来了新的问题,即对流的气体会把更多的热量传递给玻壳,并通过玻壳散失到周围的空间,结果是增加了热的损失,降低了发光效率。这又是一个矛盾。要看
什么是矛盾的主要方面:如果钨丝的蒸发是主要的,热损失不是很多,那么通过充气抑制钨丝蒸发,很好地提高发光效率,充气就是有利的;反过来,如果矛盾的主要方面是热损失,蒸发问题不大,那么充气后发光效率提高不多,热损失却增加不少,充气就弊多利少。一般来说,功率比较小的白炽灯,灯丝细长,热损失很大,充气虽然可以减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度,但是这部分发光效率提高的“收入”弥补不了充气后热损失增加的“支出”。对于这样的灯泡,充气就不一定有利。在我国,25瓦以上的白炽灯泡都充气。充气灯泡里充多少气合适,是有规律的。充气越多,玻壳里的气体密度越大,压力越高,抑制钨丝蒸发的效果就越明显。但充气太多会增加热的损失,玻壳必就必须做得十分结实以防爆裂。 一般灯泡的充气压力,都在一个大气压左右。除了讲究充气的数量,还要考虑充什么气。氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氙、氪等等都可以用来充进灯泡里。从道理上讲,充气的目的既然是用来抑制钨丝蒸发,那当然应该选择那些身材比较“魁梧”,体重比较重,也即分子量比较大的气体。比方说,氦是最轻的惰性气体,用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重,氖、氩又重于氮。同样的灯丝,同样的温度,在氮气中的蒸发率只有在真空中蒸发率的2%~5%。充填氩气的效果将更好,钨的蒸发率可降低到只有真空中蒸发率的1.3%~3%。第一只充氩灯泡是1920年问世的。
氩是空气中含量最多的惰性气体,也是大气成分中仅次于氮、氧的第三号“人物”,每100升空气中就含有934毫升氩,加上它不
易传热,所以常同氮气一起被用作灯泡充气。在一般的充气灯泡里,都充90%的氩气和10%的氮气,或者86%的氩气和14%的氮气。为什么不充氪、氙等一类分子量更大的惰性气体呢?用它们充气不是可以获得更好的效果吗?确实如此。氪、氙一类的惰性气体不仅分子量大,传热本领也差。把它们充进玻壳里,既对钨丝蒸发有更强的抑制作用,造成的热损失也小得多。这样的充气灯泡,工作温度可以提得更高,灯更明亮,发光效率比充氩、氮的灯泡高约30%,而灯泡的寿命并不缩短。问题是,氪、氙之类气体是大气中含量最少的稀有气体,只有氩的含量的万分之一和十万分之一,所以制取困难,身价高昂,十分难得,只有在特殊需要的情况下,比如在制做某些矿灯的时候才使用。为了提高白炽灯的发光效率,延长灯的使用寿命,人们还在灯丝的成分和结构上下功夫。
钨丝虽然能耐高温,但在高温下会变得很脆。发明家们于是请铼来帮忙,因为铼不仅熔点高,耐腐蚀,而且机械性能好,电阻率也比钨高得多。钨丝镀上铼以后,强度和电阻大大增加,寿命可以延长5倍。要使通电后的灯丝获得足够高的发光温度,细细的灯丝必须做得很长,可是长长的灯丝灯泡里又放不下,于是发明家们把它做成螺旋形。大家知道湿衣服晾开要比团在一起容易干得多,也就是水汽的蒸发要快得多。同样的道理,人们把灯丝做成螺旋形,一方面可以缩小所占空间,提高发光效率,另一方面又能降低钨的蒸发,延长使用期限,真是一举两得。1936年,人们还做成了双螺旋灯丝,这样效果就更好,充气白炽灯的工作温度提高到2500℃以
上,摄影用的白炽灯甚至达到了3000℃。通过充进惰性气体和改进灯丝结构,白炽灯的蒸发速度进一步降低,发光效率进一步提高,它也变得更加成熟了。
玻壳里充进了惰性气体,装上了性质均匀的双螺旋灯丝,白炽灯的发光情况比以前好多了,特别是使用寿命长了许多。但是还不够理想。一方面,惰性气体的保护作用随着充填气体压力的增加而加强,为此要求玻壳的体积越小越好;另一方面,为了使蒸发的钨不致把玻壳很快变黑,又要求玻壳尽可能做得大一些。这就又是一个矛盾。再说,以上一系列的努力只不过是使钨丝的蒸发速度有所减慢。钨丝仍在蒸发着,而且逃脱不了这样的规律:温度越高,蒸发越快。钨粉落在玻壳内壁上,时间一长,玻壳变黑,钨丝白炽灯的寿命一般只有1000小时左右。原因在于惰性气体分子对于蒸发的钨原子只起狙击的作用。狙击不可能万无一失,漏网的钨原子会通过惰性气体分子之间的空隙,溜到玻壳壁上去,而一旦钨原子来到玻壳壁上,赖着不走,惰性气体分子对它们也就无能为力了。 怎么办呢?能不能找到一种物质,它们既能抑制钨丝蒸发,又能在钨原子溜到玻壳壁以后,跑过去把“逃兵”抓住并送回到钨丝上去呢?很多人都在琢磨这个问题,设法为钨丝找到一位“新朋友”。直到1959年,一位名叫弗里德里奇的美国人,才终于找到几位能够担当这一任务的“搬运工”,它们就是卤族元素及其化合物。卤族元素简称卤素,包括氟、氯、溴、碘等几个成员。它们在一定的温度条件下,能够同钨化合,生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨,
统称卤化钨,而在更高的温度下,它们又会顺利地分解成钨和卤素,恢复本来的面目。这个特点具有根本的意义。人们往玻壳里充进一点卤素,接通电源以后,灯丝发热放光,同时开始蒸发。蒸发出来的钨,大部分被惰性气体顶撞回去,还有一部分向玻壳壁运动,并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合,生成卤化钨气体。卤化钨气体反过来又向灯丝方向扩散,大约在距灯丝只有几毫米远的地方,又因高温而分解成钨和卤素,分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上的,卤素则返回玻壳内壁附近去参加下一次反应。热心的卤素这样来来回回地奔忙,像是一个勤奋的“搬运工”,把从钨丝上蒸发出来并溜到玻壳壁上的钨原子,一个个地重新搬回到钨丝身上去。它也像一位尽心尽职的“保姆”,总是不厌其烦地把走离了家的“孩子”送回家去。
钨和卤素的这种反应是循环重复地进行的,所以被叫做循环反应。钨和卤素在不断进行的循环反应中化合而又分解,消失而又再生,所以又叫再生循环反应。这样看来,卤素所做的工作确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨原子只是采取阻拦战术,阻拦不住只好听之任之,毫无办法。卤素实行的却是积极进取,主动争夺,要是漏网的钨原子跑到子玻壳壁上,它们会赶上去把“逃跑者”“揪回原籍”。既然卤素能把蒸发的钨原子仍旧送回到钨丝上,那么钨丝的工作寿命不就可以无限地延长了吗?实际情况并不这么简单。 卤族元素的4个成员,都能在钨丝灯泡里进行再生循环,它们之间的主要差别,只是发生循环反应所需的温度不同,与灯内其他
零件和杂质发牛化学反应的活泼程度也不一样。在碘、溴、氯与钨的再生循环中,从玻壳壁上被送回来的“再生钨”可不是一下子就沉积到灯丝上的,而是先在灯丝附近徘徊,然后才寻找合适的安身之所的。如果灯丝各部分的温度不尽相同,那么钨在温度高的地方蒸发得快,而在温度低的地方沉积得多,于是钨就会慢慢地“搬家”,不断地从温度高的地方搬迁到温度低的地方。
事实上,灯丝不管做得如何均一,总还是有的地方租一点,有的地方细一点的。电灯点亮以后,灯丝比较粗的地方,电阻比较小,发热比较少,温度比较低;而灯丝比较细的部位,电阻比较大,发热比较多,温度比较高,钨在这里蒸发离去的多,沉积回来的少,如此久而久之,细的部位将会越来越细,灯丝最后就在这里断成两截。由此可见,灯丝上的高温热点是它的致命伤,灯丝通常都是在这样的点位损坏的。
只有氟是例外。在氟钨循环里,氟化钨在3000℃以上才分解,比普通灯丝工作温度还高。因此,氟化钨里的钨,总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方;哪里有高温热点,它就到那里去分解沉积。这样,氟钨循环既防止了在灯丝上出现高温热点,也消除了钨原子沿灯丝的迁移现象。从理论上来说,这种灯的灯丝的工作温度可以接近钨的熔点,并能获得无限长的使用期限,成为名副其实的“长命灯”。可是,氟钨灯又带来了一个新的问题;氟的个性过于活泼,爱跟各种元素打交道,对于灯里的许多零件,及至玻璃泡壳都有强烈的腐蚀作用,至今还没有找到合适的解决办法。因为这个缘
故,充氟灯泡直到现在仍处于试验研究阶段,没有得到实际应用。 卤钨循环原理其实早在107年前就被发现了,往白炽灯里充进卤素的设想也在本世纪初就有人提出,可为什么第一只卤钨灯直到50年代末才姗姗到来呢?
关键是材料和工艺方面的问题。卤素是化学性质极活泼的元素,对灯内的金属零件有强烈的腐蚀作用,容易造成导线支架的过早损坏。另外,当时用作玻壳的都是普通玻璃,体积很大,灯泡点亮时玻壳的表面温度只能达到100~150℃,这样的低温不足以促成卤素和钨的化合,而且钨的卤化物一定要在温度超过250℃时才挥发,可当时用作玻壳的普通玻璃根本经受不了这样的高温。直到50年代初,对解决这个问题也没有取得明显的进展。有意思的是,在应用卤钨循环原理方面首先取得突破性进展的,不是白炽灯,而是在航天技术的红外辐射器中。
1954年,美国通用电器公司为宇宙航行进行模拟试验,制成了一批管形石英红外线加热器,它用钨丝作红外线发射源,试验要求在短时间内每平方米的辐射功率达到数万千瓦。开始试验时,由于钨丝工作温度很高,使石英管很快变黑。后来在辐射器里放进少量的纯碘,钨丝工作温度即使达到2700℃以上,石英管仍能保持剔透明亮。这一突破性进展看来似属偶然,实际上是在卤钨循环原理研究,以及石英玻璃制作、封装工艺等问题基本解决的基础上取得的。 这一成功直接推动了卤钨灯的研制工作,使电光源工作者深受启发,他们抛弃了球形玻壳的传统观念,采用直径只有10~12毫米的管形
玻壳。电灯工作时玻壳温度很高,但是耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃承受得了。过去人们总以为改进制灯工艺的方向是使灯泡里的气体纯净更纯净,免得发生会使照明设备遭到破坏的化学反应,而现在却要往玻壳里充进卤素,故意制造卤钨循环反应,并利用它们来提高白炽灯的发光效率和延长使用寿命。
就这样,第一只卤钨灯在1959年问世了。卤钨灯的问世使白炽灯的工作原理和设计思想发生了革命性的变化,揭开了白炽灯发展史上崭新的一页
热心的卤素加入了保卫钨丝的行列,它们不知疲倦地忙碌奔波,为改进白炽灯献身尽力。
到目前为止,在理论和实践上应用卤钨循环原理比较成功的是碘钨灯和溴钨灯。 最早问世的卤钨灯是用碘作循环剂的碘钨灯。这是因为在4个卤族元素里,碘的性质最不活泼,不像其他几种卤素那样有强烈的腐蚀作用。待灯泡里充进纯碘、玻壳壁的温度控制在250~1200℃之间,从灯丝上蒸发出来的钨就会在玻壳壁附近与碘化合成碘化钨。随着气体的对流,碘化钨将扩散到灯丝附近,由于这里的温度可以高到2000℃以上,不太稳定的碘化钨就会在这里分解成碘和钨,钨重新回到灯丝上继续工作,碘则再次向玻壳方向扩散去完成新的“搬运”钨的任务。
同普通白炽灯相比,碘钨灯大大减少了钨的蒸发量,延长了使用寿命,提高了工作温度和发光效率。普通白炽灯的平均使用寿命是1000个小时,碘钨灯要比它长一半,发光效率提高30%。从个
子来看,碘钨灯显得特别小巧玲珑,同样一只500瓦的灯泡,碘钨灯的体积只有白炽灯的1%。它的玻壳里除了有碘,还充进了惰性气体,又小又结实,充气压力高达1.5~10个大气压。
根据用途的不同,碘钨灯可分好几种。有的碘钨灯能发出大量看不见的红外线,热效率高,是加热干燥用的理想热源。有的碘钨灯功率大,可辐射出大量的光能,用作大型车间、广场、体育场、机场、港口等处的照明很合适。有的碘钨灯是新闻摄影、彩色照相制版,以及电影摄影、放映的光源,功率高、体积小、重量轻是它的主要优点。在一部分激光装置中,碘钨灯还可用做光泵。碘钨灯的光效高、亮度大、结构紧凑,这些正是交通车辆照明求之不得的长处。现在火车特别是汽车上的聚光灯、雾灯、主前灯等,正在逐步改用碘钨灯。最常见的碘钨灯,有着像钢笔一样的细长身材。灯的主体是一根直径10~12毫米的石英管,软化点高达1700℃。灯丝上每隔一定距离用一个支撑圈托着灯丝,灯两端的长方形扁块是封接部分,用来保证既能导电,又不漏气。
碘钨灯也有不足之处。碘蒸汽是紫红色的,它多少会对碘钨灯的亮度和发光效率产生一定的影响。碘钨灯工作时玻壳里有气体对流,个别地点的温度有可能下降到不足以维持碘钨循环反应进行的程度,结果使玻壳的局部发黑。还有,水平放置的管形碘钨灯必须用溴代替硫放得很平,倾斜度不得超过4度,否则就会影响灯的寿命。溴钨灯可以在相当程度上克服这些缺点。溴钨循环与碘钨循环相似,只是溴的化学性质比碘更活泼,是比碘更勤快的“搬运工。
溴钨灯里充溴的数量更得严格控制,稍稍超过就会对灯丝温度比较低的部位产生腐蚀。
实验研究告诉我们,氢能缓和溴的化学活性,如果把溴化氢或溴的碳氢化合物充进灯里,那么对灯内金属零件的腐蚀作用将会轻得多。溴钨灯里的溴化氢可以在200~1100℃的玻壳壁温下进行正常的溴钨循环,所以可以用来制作大功率高光效的电光源。溴清洁玻壳壁的效果比碘好,玻壳发黑的问题基本得到解决。溴化氢是无色透明的气体,不吸收可见光,比碘钨灯的发光效率高。溴钨灯里的气体对流不影响灯的寿命,使用时也不像碘钨灯那样一定要水平放置。
在不少岗位上,溴钨灯已经取代了碘钨灯。溴钨灯发光体的形状多种多样,有点状、线状,还有面状。点状的溴钨灯工作温度和发光效率高,在光学仪器、电影放映、光刻等方面有广泛应用。用很多螺旋状的灯丝,排列成一个均匀的发光面,这就成了面光源溴钨灯。线光源和面光源溴钨灯正逐步被应用到电影、电视、摄影、舞台等方面。我国从60年代初就开始试制充碘的管形碘钨灯,现在已经有了各种不同用途的近10个系列的上百个品种,在电影、电视、剧院舞台、体育场、博物馆等许多地方都能找到它们的踪迹。20世纪30年代,一些新型的气体放电灯初露头角,特别是40年代荧光灯取得革命性的进展以后,有人曾经预言:白炽灯的时代已经过去,它们将从照明舞台上消失!但是预言并没有变成现实,尤其是50年代出现光效高、亮度大、体积小的卤钨灯以来,使用方便、价格低
廉的白炽灯获得了新的生命力,在照明领域里继续保持着应有的地位。
新的放电灯一出现,就给人们带来了新的希望。因为这是一种和白炽灯在原理上完全不同的灯。白炽灯靠加热到高温来激发,由热能转变为光,所以称为热光源。而新的放电灯不需要加热到高温,它靠灯内电子与气体原子之间相互轰击来激发发光。它比白炽光源的温度低得多。白炽灯的灯丝要加热到2000多度,放电灯放电温度往往只有几百度。从这个意义上讲,我们可以把它称为“冷光”源。这一冷一热有什么根本不同呢?热光源发的光从紫外线、可见光到红外线应有尽有,而且大部分是损耗掉的红外线。作为“冷光”源的放电灯,它发光是有选择的,充不同气体就发不同的光。有的主要发红光,有的主要发蓝光或绿光,也有的主要发出紫外线。除特殊的红外放电灯外,一般来说,放电灯辐射的红外线的成分比白炽灯少得多。这样,我们就有希望造出一种放电灯,大大提高发光效率,也有可能配出各种色彩的光,或者配出白色光来。
首先获得成功的是荧光灯。人们在研究放电灯的过程中,发现一种充汞蒸汽的放电灯。这种灯里汞的气压只有外面空气压力的百万分之一。当放电电流大于0.1安时,这种灯的放电比较强烈,发光强,也是弧光放电。它把所耗电功率的60%转变为紫外线,而可见光很少,只有2%左右,光效比白炽灯低得多。能不能把这60%的紫外光转变成可见光呢?这种设想通过人们的努力实现了!原来,有一种物质在紫外线照射下会发出可见光,称为荧光物质。夜光表
上的数字和指针就涂有荧光物质,不过照射它的是放射性物质发出的射线而不光是紫外线。把白色的荧光物质涂在放电管内壁上,就能把大部分紫外线“回收”起来,转化为可见光。这种荧光物质一发现,大家就制造各种荧光物质来试,或把各种荧光物质混合起来试。这些荧光物质经紫外线照射后,发出各种色彩的光,简直像在变魔术,而“魔术师”就是科学家。有一个“魔术师”在玩“魔术”的时候,偶然发现一种荧光物质会使放电灯发出像太阳一样的光,“日光灯”就这样诞生了。以前常用的荧光物质是硅酸锌铍、钨酸镁及硼酸镉等混合荧光粉,发光效率约40流明/瓦,一下子比白炽灯提高了二三倍。1942年以后改用卤磷酸钙荧光粉,光效提高到60流明/瓦以上。
光效提高了是不是能省电呢?你如果点一支 40瓦的日光灯,和点一盏40瓦的白炽灯相比,并不能省电;相反,因为日光灯有一些附加设备,如镇流器之类,耗电要超过40瓦。但是,用日光灯时光通量比白炽灯大二三倍,你会感到亮得多。另一方面,如果以相同的照明效果为前提,那么,用日光灯比用白炽灯省电一半以上,也就是说,用20瓦荧光灯的照明效果比40瓦的白炽灯还要好。总之,荧光灯克服了白炽灯的弱点,明显地比白炽灯优越,因此它的应用日益广泛。
荧光灯不但可以用于照明,还有许多其他用途。你在医院的手术室里,会看到一种形似日光灯,然而灯管是透明的灯。它会发出一点暗淡的紫光,这就是用来消毒的紫外线灯。它的灯管是用石英
做的,管壁里不涂荧光粉,严格说来不应叫荧光灯,然而它是荧光灯的亲兄弟。这种灯使用时不能长期照到人身上,否则会造成损伤。它发出的紫外线既能杀死细菌,也会伤害人体细胞,真有点“敌我不分”,我们使用时必须趋利避害。如果在它的内壁徐上特种荧光粉,专门产生 270毫微米到 370毫微米的紫外线,就变为治疗用的“太阳灯”。这种灯对人体的作用和太阳光相同,它发出的紫外线是人体所需要的,照射在皮肤上会使皮肤发红,还会产生出维生素D,可以用来进行“日光浴”,治疗缺乏日照引起的疾病。但是过量的照射,也是有害的。
你看到一种捕杀害虫的灯,它也是荧光灯的兄弟。人眼看它并不觉得亮,然而昆虫对它却非常敏感。“飞蛾扑火、自取灭亡”,这是大家所熟悉的一句谚语。许多害虫也有这样的习性,喜欢飞向光源,这种习性称为趋光性。已经查明许多害虫对330~380毫微米的紫外线特别敏感。于是我们投其所好,用特种荧光粉和特种玻璃,制成能发出370毫微米紫外线的“黑光灯”,并在它的周围安上高压电网。这样,就可利用害虫的习性来诱杀害虫。
荧光灯还可以根据植物生长的需要制成园艺灯。研究发现,红色和蓝色的光对植物光合作用特别有用。这些光照在叶绿素上,叶绿素就可以把水分和二氧化碳变为植物的养料。植物的叶子吸收对它有用的红光、蓝光,反射用处小的绿光,所以叶子大多是绿色的。根据这种特点,适当调配荧光粉,可以使荧光灯发出较强的红光和蓝光,满足植物光合作用的需要。这种灯不适宜照明,但是对研究
植物生长,是一种重要的工具。
此外,还有用于复印的“光化蓝”荧光灯,用于装饰的彩色荧光灯,用于治疗的蓝色荧光灯,以及用于高温或低温环境的特种荧光灯。
有意思的是利用荧光灯闪烁的缺点,还可以大致测定转速。 放电灯的发光会随电流变化。交流电交变频率每秒50周,使荧光灯的亮度变化100次,引起明暗的闪烁。那你为什么看不出荧光灯的闪烁呢?这是因为人眼有视觉暂留的特性。一个形象即使一闪而过,在人眼内也要留一个短暂的时间。只要每秒闪烁次数超过16次,人眼就分辨不出来,觉得是连续发光,并不闪烁。电影本来是一张一张不连续的画面,因为每秒放映24幅,看起来就像是连续的了,这也是人眼视觉暂留的关系。但是在荧光灯下看快速运动的物体,就会发现一段明亮,一段暗淡,有一种抖动的感觉。因此,有些球场上宁可用白炽灯,而不用荧光灯。正是由于这种闪烁现象,在荧光灯下开电扇,风扇叶片达到一定转速后,你觉得它停住了,有时还像在慢悠悠地倒转。如果风扇转速和荧光灯闪烁的次数相同,这时你看到的风扇就像停在那里一样。实际上,风扇的4片叶子你是分不出来的,只要转速是闪烁次数的 1/4,就会使你产生停止不动的感觉。如果风扇转速稍慢一点,看起来就像风扇在倒转一样。这种现象既然在电扇上可以看到,那么,在旋转的车床、飞轮、齿轮上也都会发生。看起来好像是静止不动的轮子,你若伸过手去,马上会把手指头都切掉!这种场合就不能用荧光灯,或者要采取特殊的办
法,减小闪烁效应,避免事故。
荧光灯的闪烁是一种缺点,但是它有规律,每秒100次,所以可以利用它来粗略地测定转速。如果你想检查一下你的电唱机的转速准不准,就可以利用荧光灯的闪烁来帮忙。最简单的办法是用一张圆卡纸,画上3圈不同的线条,中间开一孔穿在唱盘上。这3圈中,外面一圈均匀地画上180条黑条,用来测定331/3转:当中一圈画 133条,用来测45转;里面一圈画上77条,用来测78转。这些线条要画得均匀,才能得到满意的效果。假定你要测45转的转速,那么,我们让荧光灯照在圆卡纸上,电唱机转动时,注意观察当中那圈133条线条。如果条纹像固定不动似的,说明转速基本上是对的;如果条纹倒转,说明转速低了;如果条纹向转动方向前移,那是转速偏高了。用同样的方法,也可测定331/3转和78转两种转速。
每当夜幕降临,繁华、美丽的首都北京就亮起了万盏明灯,宽阔的长安大街更是笼罩在一片金色光芒之中,这光来自60年代的一种新光源——高压钠灯。
霓虹灯和氙灯里充的是惰性气体,汞灯里装有液态的水银,现在呢,连固体的钠金属也居然进入了灯管。钠灯和汞灯几乎是同时发展起来的气体放电光源。汞灯有高压、低压之别,钠灯也分高压、低压两类从历史发展的角度来看,高压钠灯是低压钠灯的“弟弟”。 早在1932年,欧洲一些国家就用低压钠蒸汽放电制成了低压钠灯。低压钠灯里充的是少量的金属钠和由氖、氩组成的混合气体。钠灯一通电,氖气首先放电,发出红光。放电产生的热量使钠熔化,
蒸发变成钠蒸汽,并且逐步代替氖气放电发光。要使固体的金属钠变成蒸汽,可不像使水银变成蒸汽那么容易,必须尽量减少热量的损失。或者给放电管做一个玻璃外套,就像给人穿上一件大衣那样;或者把放电管弯成“U”形;或者改变灯管的横截面形状,总之要使灯管管壁保持一定的温度——3000℃左右。
人们早就知道发光效率高是钠灯突出的特点,尤其是低压钠灯发出的光中黄光占了绝大部分,而黄光又是人眼最敏感的色光,所以低压钠灯的实际发光效率要比白炽灯高出十几倍。不过,由于低压钠灯发出的光几乎全是黄光,使它大多仅用在光学仪器里,作为偏振计、旋光计、折光仪等的单色光源。又因为黄光穿透云雾的能力很强,所以低压钠灯也可用于船舰信号以及港口、机场照明。在电影制片方面,有时还用钠灯作特技摄影。当时人们也知道,随着钠蒸汽压的增大,钠灯的光色会由黄色变成金白色,只是钠蒸汽在高温高压下腐蚀性很强,各种类型的玻璃都对付不了,所以很长时间内没有造出高压钠灯。
钠,它是一种银白色的化学性质非常活泼的碱性金属,温度不到100℃就熔化,放在空气中会很快跟氧化合,遇到水将发生强烈反应,甚至发生爆炸。钠蒸汽有很强的腐蚀作用。用玻璃做钠灯的灯管,钠会同玻璃中的二氧化硅发生化学反应,使玻璃变成褐色,透明度变坏,灯光逐渐昏暗。后来化学家找到了一种二氧化硅含量比较低的特种玻璃球铝硼玻璃,这才初步解决了腐蚀问题。但是,钠蒸汽的腐蚀作用是随着温度和压力的提高而增强的。一般来说,低
压钠灯还比较好办,钠蒸汽压比较小,温度不过二三百度,上面提到的抗钠玻璃还勉强能顶得住。而在高压钠灯里,钠蒸汽压大大增加,灯管工作温度高到上千度,高温高压的钠蒸汽几乎能腐蚀所有的玻璃,不仅石英玻璃顶不住,就连抗钠玻璃也抗不了,用不多久便会被腐蚀得灯管变黑,部件损坏。
随着陶瓷技术的发展,直到1957年,美国人科里尔才研制出了一种用高纯多晶氧化铝,再加氧化镁添加剂烧结而成的半透明陶瓷。这种材料的熔点高达2040℃,经得起1600℃高温钠蒸汽的腐蚀,且能透过90%以上的可见光。有了它,高温钠灯才能于1960年呱呱坠地,经过改进完善,终于得到了实际的应用。高压钠灯比低压钠灯更小,一只400瓦的高压钠灯只有一支钢笔那么大。它与高压汞灯有很多相似之处:放电管的两头封有两个电极,电极上涂着电子发射物质;灯内装有双金属片开关,目的是使灯容易启动;内管(放电管)外面加装一个椭球形的外玻壳,为的是减少灯的热量损耗,防止引线氧化,保持灯管温度稳定;内外管之间抽成真空,再加消气剂,可以更好防止热量散失。灯管里不仅充有钠,还充有氙气和水银。水银起辅助作用,帮助提高灯管电压,并发少量的蓝绿光以改善光色;氙气帮助启动,它首先放电升温,然后过渡到钠蒸汽放电,直到稳定,需要好几分钟。钠灯中的钠蒸汽压越高,黄光以外的可见光比例越大,光色改善,但光效越低。因此,为了获得比较高的光效,高压钠灯的钠蒸汽压是不能太高的。钠蒸汽压超过500毫米水银柱的高压钠灯,发白色光,光中有较多人眼不敏感的蓝光
和红光,光效于是明显下降。实用的高压钠灯,钠蒸汽压只有二三百毫米水银柱,发出的光是金黄色光。
发出黄色光的高压钠灯显色性不好,在它的照耀下分不清黄和白,也分不清红和蓝,但是它的发光效率要比其他灯高得多,从理论上讲是发光效率最高的光源。即使考虑到热损失的影响,高压钠灯的实际光效也差不多3倍于高压汞灯,大约等于白炽灯的10倍。 可以作这样一个比较:同样是400瓦的钠灯和汞灯,安装钠灯的灯杆路灯已经用上了高压钠灯可以比汞灯高一倍,而路面的平均亮度反而比汞灯高3.5倍,而且光的均匀性也好,虽然有些人对它的光色不够习惯,可更多的人仍然觉得金色的光给人以温暖舒适的感觉,看得远,辨得清,光线柔和,眩光少,不刺眼,所以很受行人的欢迎。在相近的照明效果下,钠灯比汞灯可节省一半以上的电力。请想想吧,一个城市更不用说一个国家有如此之多的照明路灯,节省一半以上的电力意味着可以节省多少宝贵的能源啊!对于道路照明来说,首先应该考虑的是高光效,经济和长寿命,其次才是光色和显色性,所以高压钠灯被认为是最有前途的照明灯之一。我国许多大城市的街道上已经用上了高压钠灯。区域性照明、闪光照明、大面积厂房和体育场照明也可以用它,将来高压钠灯还可以用作强光投射灯和室内照明灯。
这还不算,钠灯灯光的穿透力强,射程远,尤其在雾天雨天,白茫茫一片,高压汞灯暗淡无光,高压钠灯却可以穿透浓雾,光照甚远,这对大面积远距离照明很有意义,特别适用于港口、码头、
海面等常有浓雾的场合。长寿是高压钠灯的又一个长处,它可以点亮几千个小时。70年代由于改进了电极,钠灯的使用寿命已延长到1万至2万个小时。钠灯是60年代出现的新光源,有人称誉它是电光源的第三代。我国70年代初开始研制高压钠灯,1974年国庆前夕就已经在首都试用。现在的问题是要进一步扩大它的功率范围,减小启动电压,改善光色,降低成本。在电光源的发展史上,高压钠灯的出现是一次重大突破。将来钠灯一定会在照明领域里进一步崭露头角,大放异彩!
以上,我们所谈的各种新灯,除了卤钨灯以外,都是放电灯。卤钨灯把电能转化为热能,由热激发发光;放电灯把电能转化为放电,放电激发发光。现在所用的光源尽管千差万别,发光的过程基本上是这两种。本世纪二、三十年代发现了一种发光过程完全不同的新光源,现在已经实际应用。这种新光源就是场致发光灯,也叫固体发光灯。
有这么一间房间,里面既没有灯泡,也没有荧光灯管,连一只台灯都没有。这样的房间到夜里该一团漆黑了吧!正相反,电钮一开,整个房间都放出微带绿色的光,你在里面可以看清字典上的小字。为什么只见亮光不见灯呢?原来房间里用的不是常见的灯,而是围绕着房间的四壁有一种新光源——平板式场致发光灯。这并非是“天方夜谭”,而是现代科学的新成就。
在大型体育馆里,你会看到一种新型记分牌,记分员一按电钮,它就自动变换记分;记分牌上的阿拉伯数字发出清晰、明亮而又柔
和的黄绿光,这也是场致发光灯。在飞机机舱里,你会看到“No Smoking”(禁止吸烟)的信号牌,上面的字符发出醒目的红光,这也是一种场致发光灯„„国外还有人想用场致发光灯做成显像管,一只显像管比一块黑板还薄,图像比玻璃的真空显像管大得多。如能用这样的显像管制成电视机,将会受到大家的欢迎。什么叫场致发光呢?这是指有些固体能在电场的激发下直接发光这样一种现象。平板式场致发光灯像一块很薄又很大的夹心饼干。夹在中间的是发光主体——一层由荧光粉和树脂或搪瓷混合成的荧光粉层,有时还多加一层保护层,防止荧光粉层在电场下击穿。两块“饼干”,一块是透光的玻璃板,上面涂上透明的导电膜,作为灯的一个极;另一块是金属片,既当电极,又可以反射光。这层“夹心”——发光层不到1/10毫米厚,两面的“饼干”也很薄,整个灯像一块薄板,和我们日常见到的灯没有一点相像,难怪人们认不出来。这种灯的发光层上要加上电场才能发光,所以,电极是什么形状,发光也就是什么形状。如果把电极分成许多小格,有些小格加上电场,有些小格不加电场,加电场的发光,不加的不发光,这样就可以组成各种图案、数字或文字。进一步,还可以控制电场加入的方式,产生各种变化。格子分得很细,成为一个个小点,电场变化得快,就可以显示电视图像。
实用的荧光粉主要是高纯度的硫化锌晶体,掺入一点金属杂质做激活剂。所掺杂质的成份不同,比例不同,发光的颜色也不同。可以发出蓝、绿、黄光,其中以绿光材料最好,所以一般场致发光
灯都是绿色的。要得到红光,可以在玻璃表面涂上有机荧光涂料,把黄绿光转化为红色荧光。有了这许多色彩,配起来就可以得到白光。真是色色俱全,五彩缤纷。场致发光灯的电源可以是直流,也可以是交流的,以交流电源为主。飞机上有400赫的交流电,是场致发光灯最好的电源。
这种灯的理论光效很高,约100流明/瓦。而实际上受制造工艺的限制,最高只有15流明/瓦,不比普通白炽灯高多少,大批生产时光效更低。它的突出优点是耗电少,每平方厘米约一毫瓦,一块记分板耗电不到一瓦;寿命长,可以用几万小时,相当可靠。它是名副其实的冷光光源,再加上结构简单,所以虽然目前光效低、价格高,仍是一种使用广泛的指示、显示灯。除了前面提到的几种用途以外,场致发光板可以做收音机和电视机的调谐标度盘、公共场所出口信号灯、汽车仪表盘和公路的路标牌等。飞机上要用耗电少、重量轻的光源,场致发光灯恰好能满足这些要求。机舱信号、控制板照明、地图阅读器等都用上了场致发光灯。在科研中,场致发光板还可以做成图像存贮板,用来显示γ射线、χ射线、紫外线以及红外线等不可见射线。
当然,场致发光是一种发展中的新光源,发光材料的性能和灯的性能都还要进一步提高,才能发挥更大的作用。
时代的列车在飞奔,“不满足”是这一列车的轮子,载着人们滚滚向前!
人类和黑夜进行了几十万年的斗争,近百年来取得了辉煌的胜
利。特别是白炽灯出现以来,照明领域发生了翻天覆地的变化。白炽灯到本世纪初发展成钨丝白炽灯。而电弧灯到了本世纪发展成30年代的荧光灯,40年代的高压汞灯, 50年代的氙灯,60年代的金属卤化物灯、高压钠灯,70年代的无极荧光灯等等,形成了庞大的照明工业,真是万紫无极荧光灯千红,争光斗艳。灯的性能也越来越好,光效从爱迪生第一只实用白炽灯的每瓦1.4流明,提高到高光效灯的每瓦140流明,整整提高100倍。灯的寿命从几小时提高到几十万小时。最亮的光源可以比太阳还亮(如激光),最大的放电灯长度在一、二米以上,功率几十万瓦;最小的白炽灯泡直径不到0.8毫米„„
但是人们并不满足,还在不断努力、不断探索、不断前进!人们要使最少的电能发出最多的光能,要用最少的钱获得最好的灯,达到尽可能好的照明效果,要使照明灯的使用寿命越来越长。总之,人们还在努力寻找经济、长寿、方便和高光效的光源。热辐射灯的特点是发连续光,使用方便;缺点是寿命短,光效低,大量电能变为热损失。充气或用卤钨循环原理制成的灯,光效虽有提高,人们还是不满足。继续改进的一条途径是提高热辐射灯的灯丝工作温度。例如氟钨循环就是一种方法,如能实现,可以稍稍提高工作温度,提高光效和寿命。另一条途径是找熔点更高的材料,这样的材料早就发现了,而且不止一种,但是有的加工性能差,有的容易蒸发,有的在高温下不稳定。比较好的是碳化钽,熔点达4150K,1963年已经克服加工困难,用来做白炽灯,工作温度达到3500~3600K,
光效和光色均有改善。
还有一种想法是:既然白炽灯中有大量的热损失,其中大部分是红外辐射,能不能把红外辐射利用起来呢?从根本上讲,这种想法更富有创造精神,因为白炽灯中可见光能只占5%~6%,而红外辐射却占75%左右。如能利用起来,光效就不是10~20流明/瓦,而是100~200流明/瓦了。世界上点这么多的白炽灯,如能把光效提高10倍,90%的电能就可以省下来,这将是一项多么重大的改革啊!有没有人想过这小灯泡里的大事业呢?确实有人在想。提出来的一种方法是在白炽灯泡壁上涂上一层红外反射层,透过可见光,把红外线反射回去加热灯丝。另一种方法更妙,要找一种特殊材料,直接把红外辐射转化为可见光。对这两种方法都在做研究,也取得了一定的进展。
气体放电灯是一种正在迅速发展、日趋成熟并在广泛使用的光源。它的特点是高光效、长寿命、花色品种繁多;主要缺点是使用不如白炽灯方便。这种灯也在不断改进和发展。现在,已经试验成功一种高频无极荧光灯,它兼有荧光灯和白炽灯的优点:光效高,寿命长,使用又方便。它的外形和100瓦的白炽灯泡一样,不过它有内外两层泡壳组成,泡壳之间抽真空,充入一定量的汞和氩,外层泡壳的内壁涂荧光粉。它和荧光灯、白炽灯都不一样的地方是没有灯丝。它的灯头上有一个高频电子组件,把220伏交流电变为高频电流,通过磁性线圈在灯泡内形成高频电磁场。在高频电磁场作用下,氩汞混合气体中产生高频放电,发出强烈的紫外线,然后荧
光物质把紫外线转变为可见光。用无极荧光灯代替白炽灯,可以节省60%~70%电能。这种灯目前正从实验室走向工厂,是一种有前途的新型荧光灯。同时,人们利用稀土铝酸盐荧光材料,制成了红、黄、蓝三基色荧光粉,可以制成光效和光色兼优的荧光灯。其他如高压钠灯和低压钠灯正在继续改进。一些金属卤化物的新灯也在继续发展,还在研究进一步提高气压、简化结构、改进工艺等方面的问题,以便使之更加实用。另外,人们还发明了一种利用放射性同位素激发荧光粉发光的灯,叫做原子灯。这种灯不用电源,可以自动发光,寿命达十几年,使用也比较方便可靠。不过,它还在发展阶段,不够完善。
为了寻找更理想的灯,人们还在研究怎样跳出白炽灯和气体放电灯的框框,作更大胆的设想,研制发光原理根本不同的新光源。 从能量利用的角度考虑,用电的光源并不理想。目前的电能大多是从燃料燃烧产生的。燃烧产生热来推动发电机,从化学能转化为机械能,然后发电机发电,再从机械能转化为电能,总的转换效率只有30%左右。电能再转变为光能,平均效率约10%。所以从化学能转化为光能的总效率才3%。能不能把化学能直接转化为光能呢?能,自然界给了我们种种启示。自然界中存在许多发光的动物,萤火虫就是其中的一种。夏夜在农村里乘凉,经常会看到萤火虫慢慢地闪动着黄绿色的光。据说,古时候还有人把许多萤火虫捉来当灯。萤火虫发的光是由一种叫“萤光素”和一种叫“萤光酶”的物质和氧气产生化学反应时放出来的。经过研究,人们发现萤火虫发光的
能量转换效率高达97%!我们现在用的光源距离这样的水平还远着哩。真是科学无止境啊!目前有人研究把镁氧化时的化学能转化为光能,制成镁光灯。在古老的照相馆里曾用过这种镁光作光源,淘汰了几十年后,人们又想到它了,据说现在这种灯的效率已可达到10%。
还有一种设想是利用世界上最大的能源——太阳。主要是使它转变为热,例如太阳灶;或使它转变为电,如太阳能电池。是否可以用太阳来照明呢?白天利用太阳比较方便,建筑物采光性能好,就可以直接利用太阳光。采光不好的,也有可能通过高效的光学装置把阳光引入室内,国外已经有人在做这方面的实验。晚上呢?目前还没有太好的办法。是否可以大胆地设想,将来会发明一种蓄光系统,将白天的阳光储存起来,到夜间放出来供人们使用呢?应该是可以的。从某种意义上讲,整个科学技术史就是由大胆设想、刻苦钻研和辛勤劳动构成的和谐而美妙的乐章。大胆设想、刻苦钻研和辛勤劳动将为科学技术发展带来美好的未来,也将使未来的灯更加光辉灿烂!
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