电灯泡的工作原理

电灯泡的工作原理是什么？

在电灯泡发明之前，太阳下山之后的照明问题是一个棘手、艰巨并且危险的任务。要想照亮一个大房间，得需要很多支蜡烛或火把，用油灯也可以产生同样的亮度，但是它容易在周围的物体上留下煤油残渣。

19世纪中叶，当电学取得长足发展时，世界各地的发明家都强烈呼吁发明一种廉价实用的家用电力照明装置。英国人约瑟夫·斯旺（Joseph Swan）和美国人托马斯·爱迪生（Thomas Edison）几乎同时（分别在1878年和1879年）使它成为现实，在以后的25年里，全世界有上百万人在家中安装了电灯。与以往的照明方法相比，这种易于使用的技术无疑是一个里程碑式的进步——世界从此彻底改变了。

对于这一具有历史转折意义的事件而言，最令人惊奇的是电灯泡本身几乎简单至极。与爱迪生所发明的灯泡相比，现代的电灯泡并没有什么重大改变，还是仅由很少的几部分组成。在本文中，我们将介绍这几部分是怎样组合在一起，并能连续发光好多个小时的。

光的基本知识

光是能量的一种形式，可以由原子释放出来。光由很多微粒状的小团组成，这些小团有能量和动量，但却没有质量。这些微粒被称为光子，它们是光的最基本单元。（有关更多信息，请参见光的原理。）

当原子中的电子受到激发的时候，原子就会释放光子。如果您读过原子理论这篇文章，那么您就会知道电子是带负电荷的粒子，绕着原子核（带有净的正电荷）运动。原子中的电子有不同的能级，这取决于很多因素，其中包括电子的速度及其与原子核的距离。不同能级的电子占据不同的轨道。一般说来，能量较高的电子在距离原子核较远的轨道上运动。当原子获得或失去能量的时候，这种变化就会通过电子的运动表现出来。当某物将能量传递给原子时，电子就会暂时跃迁到一个更高（离原子核更远）的轨道上。电子在这个位置上仅仅停留很短的时间，它几乎立即被拉向原子核，回到它的初始轨道。在返回初始轨道的同时，电子将多余的能量以光子（有时是可见光子）的形式释放出来。

光是能量的一种形式，可以由原子释放出来

发射出的光的波长（决定光的颜色）取决于所释放能量的多少，而能量的多少又是由电子的具体位置决定的。因此，不同种类的原子会释放不同种类的光子。也就是说，光的颜色是由被激发的原子的种类决定的。

这是几乎所有光源的基本工作机制，而这些光源之间的主要区别是激发原子的过程。

电灯泡有一个很简单的结构。在灯泡的底座上有两个金属接点，它们与电路的终端相连。金属接点连接到两条坚硬的电线上，这两条电线与一条细金属灯丝相连。灯丝位于灯泡的中央，由玻璃架座支撑。电线和灯丝被固定在充满了惰性气体（如氩气）的玻璃灯泡里。

在灯泡的底座上有两个金属接点，它们与电路的终端相连

当灯泡被接到电源上时，电流就会通过电线和灯丝从一个接点流到另一个接点。固体导体中的电流其实就是自由电子（不被原子紧紧束缚的电子）从负极区域向正极区域的大量运动。

在沿着灯丝快速移动的同时，电子会不断地撞击组成灯丝的原子。每一次撞击的能量都会使原子振动，也就是说，电流把原子加热了。细导体比粗导体更容易被加热，因为细导体对电子运动的阻碍更大。

振动原子中被束缚的电子可能被暂时激发到一个更高的能级上。当返回初始能级时，这些电子就会以光子的形式释放多余的能量。金属原子通常释放红外光子，对于人眼来说，红外光子是不可见的。但是，如果金属原子被加热到足够高的能级（对于电灯泡来说为2,200摄氏度左右），它们就会发射大量的可见光。电灯泡里的灯丝是由一根极细长的钨金属丝构成的。在一个典型的60瓦的灯泡中，钨灯丝大约有2米长，但是只有0.0254厘米粗。为了全部都能放进一个很小的空间中，钨丝被排列成一个双绕线圈。也就是说，钨丝被缠成一个线圈，然后这个线圈再被缠成一个更大的线圈。在一个60瓦的灯泡中，线圈的长度还不到2.5厘米。

因为钨丝是理想的灯丝材料，所以它用于几乎所有的白炽灯泡中。在下一部分中，我们将揭示将钨作为灯丝的原因，还将分析玻璃灯泡和惰性气体的作用。

合适的材料

正如我们在上一部分中了解到的那样，金属必须被加热到极高的温度才能发射足够的可见光。实际上，大多数金属在达到这个极高的温度之前就已经熔化了——振动破坏了原子之间牢固的结构键，所以材料就变成了液体。之所以用钨灯丝来制作灯泡，是因为钨具有异常高的熔化温度。

亮，更亮，最亮

电灯泡是按照功率来分类的，功率是指灯泡在一定时间内发出的光的量（以瓦为单位）。瓦数越高的灯泡灯丝就越大，产生的光也越多。三光灯泡有两个不同瓦数的灯丝，通常一个是50瓦，一个是100瓦。这两种灯丝被缠成独立的线圈，这些线圈最初可以用一个专用三路插座接通。利用三路插座的开关可以从三个不同的亮度级别中进行选择。选择最低亮度级别时，开关只让50瓦灯丝的电路接通；选择中等亮度级别时，开关只让100瓦灯丝的电路接通；选择最高亮度级别时，开关使两个灯丝的电路都接通，所以灯泡会以150瓦的功率工作。

但是在这么高的温度下，如果满足某些条件，钨丝也会着火。燃烧是由两种化学物质之间的反应引起的，当其中的一种化学物质达到了它的着火温度的时候，燃烧就会发生。在地球上，燃烧通常是大气中的氧气和某种被加热物质之间的反应，但是，其他的化学物质组合也会产生燃烧。

为了防止燃烧，电灯泡中的灯丝被固定在一个密闭的无氧容器中。在最早的电灯泡中，灯泡里的所有气体都被抽出来，以产生一个近似真空的环境，即一个不含任何物质的区域。因为没有（或者几乎没有）任何气体物质存在，所以灯丝材料不会燃烧。

这种方法所产生的问题是钨原子的蒸发。在这么高的温度下，有时钨原子的剧烈振动会使它脱离周围原子，进入到周围环境中。在真空灯泡中，自由钨原子会直线射出，汇聚到玻璃内壁上。由于蒸发的原子越来越多，灯丝便开始碎裂，玻璃也开始变暗，这就大大地降低了灯泡的寿命。

在现代的灯泡中，惰性气体（通常是氩气）极大地降低了钨的这种损失。当钨原子蒸发时，它可能会与氩原子碰撞，又刚好被反弹回灯丝上，重新与固体结构结合。因为惰性气体通常不与其他元素反应，所以，元素之间不可能因燃烧反应而结合。

经长期证明，电灯泡便宜、有效并且易于使用，是一项十分了不起的发明。电灯泡仍然是室内照明和日落后延长“白昼”的最常用方法。但是，所有的迹象都表明，电灯泡终将被更先进的技术所代替，因为它的效率不够高。

白炽灯泡以携带热量的红外光子的形式消耗了大部分的能量，在所产生的光中，只有大约10%为可见光，这就浪费了大量的电能。冷光源，如荧光灯和发光二极管（LED），则不会因产生热而浪费大量的能量——它们发出的大部分都是可见光。因此，它们正在慢慢替代古老耐用的电灯泡。（作者:Tom Harris）