跟胖哥学物理 白炽灯和led灯
到了夜晚，电灯带给了我们光明。很多人以为是爱迪生发明的，其实在他之前已经出现了电灯。1874年，加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利，在玻璃泡之下充入氮气，以通电的碳杆发光，但他们没有足够财力继续完善这项发明，于是在1875年把专利卖给了爱迪生。爱迪生购入专利后尝试改良灯丝，终于在1880年制造出能持续亮1200个小时的碳化竹丝灯。应该说爱迪生对白炽灯实用做出重要贡献。
白炽灯是第一个进入普通人家的电灯，它把电能转化成光能时有一个中间过程，先把电能转化为内能，然后再转化为光能。其工作原理是：电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000℃以上）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就像烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯，从能量的转换角度看，电灯发光时，大量的电能将转化为热能，只有极少一部分可以转化为有用的光能。
20世纪初，因为人类对金属认识，发现钨丝熔点比碳要高很多，所以碳化灯丝被钨丝取代，钨丝白炽灯沿用至今。但是钨丝也有一个弱点，容易升华。所以用久后灯丝会变细，玻璃壁会发黑。钨丝可以在很高的温度下保持稳定而不会融化，而是直接升华成气体，等关灯后，温度下降，钨气又重新凝华成固体覆在了灯泡内壁上，因为钨是黑色固体，所以白炽灯用久了以后，钨在灯内壁反复累积，灯泡就会变黑了。
电灯发出的光是全色光，但各种色光的成份比例是由发光物质（钨）以及温度决定的。白炽灯的灯丝是钨丝，灯泡内是真空的，钨丝通电点亮后正常情况下是发白光，但电压低于额定电压的时候就不会正常发白光了，可能是暗红色，如果灯泡内充入其他气体也不会发白光，如：充钠蒸气就会发橘黄色光。或者灯泡使用带有颜色的玻璃，也会随玻璃的颜色发不同颜色的光。
1974年，荷兰飞利浦首先研制成功了将能够发出人眼敏感的红、绿、蓝三色光的荧光粉。于是，人们在靠荧光物质发光制作荧光灯，我们日常生活中叫日光灯。传统型荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。
要弄懂为什么通电后会发光?我们还有从原子核物理学说起，大家知道，原子核电子是分层排列的。每种原子的电子都有不同的能级，主要取决它们的速度和离原子核的距离。电子不同的能量等级占有不同的轨函数和轨道。通常来说，有着大能量的电子就会离原子核更远。 当原子吸收或释放能量的时候，电子就会在低轨道和高轨道之间移动。原子吸收能量后电子可以跃迁到一个更高的轨道（远离原子核），由于电子在高能级不稳定，所以会自发的回到较低轨道，这时电子就以光子的形式放出额外的能量。发光的波长取决于有多少能量被释放出来，这也就取决于电子所在的轨道位置。因此，不同种类的原子就会释放出不同频率的光子，这几乎是所有光源最基本的工作机制。荧光灯的中心元件是一个密封的玻璃管，管内含有少量水银和惰性气体，通常是氩气，通过惰性气体保护汞蒸汽不会发生化学反应。灯管内壁涂有荧光物质。
当灯管内的惰性气体在高压下电离后，形成气体导电电流，运动的气体离子在与汞原子碰撞作用之间不断地给了汞原子能量，使得汞原子的核外电子总能从低轨道跃迁到高轨道，之后汞原子的核外电子由于具有较高的能量会自发地再从高轨道向低轨道（或基态）跃迁，以光子的形式向外释放能量，同时由于汞原子的原子特征谱线大部分集中在紫外区域，可知，汞原子释放出来的光子大部分在紫外区域，这些高能量的光子（紫外线）在和荧光物质的撞击之间产生了白光。
同学们知道，自然界中物质按导电性可以分为：导体、半导体和绝缘体。半导体是介于导体和绝缘体之间一种物体。利用半导体制作发光二极管之所以能发光，也是原子核外电子一种跃进。二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
光发光二极管，比如用在数字显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的频率，换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极管都发出光时，大多数都不是很有效的。在普通二极管里，半导体材料本身吸引大量的光能而结束。发光二极管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。
在1955年时,美国无线电公司的Rubin Braunstein发现了砷化镓（GaAs）与及其他半导体合金的红外线放射作用,而1962年美国通用电气公司（GE）的Nick Holonyak Jr则开发出可见光的LED.不过,LED真正的起飞是在1990年代日本日亚 (Nichia Chemical Industries Ltd.)的中村修二(Shuji Nakamura) 于1994年和1995年,在氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破,获得了蓝光LED,继蓝光LED技术突破后,白光LED正式启动了广泛的LED应用的时代。
Led因为发光时不发热，所以主要是把电能转化成光能。所以，相同发光程度的Led和白炽灯，由于白炽灯还有发热，所以要多做额外功，因为它的功率就大一些。它的特点：
1、坚固性好：LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。LED灯高节能，节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
2、寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
3、多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
4、利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
5、高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。
2018年10月22日于宜昌市尚书巷弄石斋
