電燈泡的物理

電燈泡的物理


為何燈泡用久後會黑黑的?(快壞了?)

為何燈泡會燒壞?是怎麼回事?而且通常是在打開的瞬間?

為何有些燈泡壽命較長?差別在那裡?

當燈泡強度由弱逐漸增強時,所發出光線顏色如何變化?

    電燈泡發光的部位是那裡?它發出哪些光譜線?

電燈的光線比起 日光燈 更有著溫暖的感受!(比較有『家』的感覺)

    古代的人們點著微弱的煤油燈,尤其煤油很容易藉由毛細現象由瓶內滲出,
    • 臭臭的煤油味,讓人聞了都感覺難受!想起那時的生活可真是辛苦。
  • 現代 的我們只要輕按一下開關,便可打開電燈 照亮屋內的一切,

動動手,試試看

在一個黑暗的房間裡,先打開燈泡開關。

切斷電燈的電源,同時睜開眼睛。注意看燈泡的亮度 如何的變化?

    找幾個電燈泡,切換電源的開關,燈泡是否瞬間就亮了呢?
    • 閉著眼睛數秒鐘後,(為什麼要先閉著眼睛呢?有何好處?)
  • 如果有可以調整亮度的燈泡,將其亮度逐漸增加,燈泡所發出光的顏色如何改變呢?


 

藉由 熱輻射 而產生可見光。

當物體的溫度低於 400℃時,所輻射出的電磁波大多為人的眼睛所無法偵測的 紅外線。

高於400℃時 在暗室內人眼可以感受微弱的亮光。當溫度逐漸增高時,

不僅可見光的強度會增強,顏色也會由暗紅(500℃)轉澄,轉 黃 而至 白光。

在 1700℃時 會輻射出類似蠟燭的橘紅色光。若溫度達 5800℃則能產生如太陽一般的光線。

物體 熱輻射會產生各種不同頻率(波長)的電磁波。

如上圖依照波長由長而短,有 AM 收音機(數百公尺),短波(short wave),VHF/UHF 及

紫外光(Ultraviolet),X-射線,以及 Gamma射線。

    燈泡靠著加熱內部的燈絲(燃點高的鎢絲),使其達到高溫(約 2500℃)。
    • FM(公尺)等無線電波。微波(microwave),紅外線(Infrared light),可見光,

燈泡燈絲所發出來的熱輻射主要在 紅外線,可見光以及紫外光的小範圍內。

卻恰好包含著對人眼所能觀測的可見光。

物體 熱輻射所發出的電磁波 不同波長(或頻率)的強度分佈,我們稱為頻譜。

熱輻射頻譜 與 溫度及表面的性質有關(吸收與輻射電磁波的能力),

對於 鎢絲而言,射入表面的電磁波 幾乎百分之百會被吸收。(吸收與輻射係數為 1)

因此 其熱輻射 接近 頻譜只與溫度有關的黑體輻射。

上圖是三種不同溫度的黑體所輻射出的頻譜圖。

可以發現 燈泡並不是一種很有效率的發光裝置。

大部份的熱輻射都在紅外線(熱)的部份,約僅有 5% 的能量屬於可見光的範圍。

只有當溫度超過 5000℃時,才會有大部份的能量在可見光範圍內。

因為 燈絲溫度較太陽光低,因此紅黃部份頻率光線較強。

本世紀的照明改良都在如何提高發光效率與 頻譜的改進。
 
 

黑體輻射(單位時間單位波長所輻射能量密度)頻譜所遵循的公式
3000K 4000K 5000K6000K 7000K 8000K 的黑體輻射能譜

 

上圖是一個黑體在不同溫度時所輻射出在可見光範圍內光線的顏色。


燈絲的加熱是靠 帶電粒子在燈絲內流動時,將電能藉由碰撞轉換為燈絲的熱能。

燈絲的溫度會逐漸升高直到 輸入的熱能 與 燈絲的熱輻射功率 相等時,達到熱平衡。

最早期的燈絲,是採用 碳(carbon)與 白金(platinum)。

碳原本是最有希望的材料。1879年 愛迪生 曾經試用碳燈絲 且 使用了 數百小時。

雖然『碳』有極高的熔點(3550℃),但是卻有著低的 『昇華』溫度。

在低溫時 直接由固體昇華為氣態。因此很容易消耗,使用壽命短。

而且必須完全隔絕空氣(會在空氣內燃燒)。

目前幾乎都是使用 熔點為 (3410℃)的鎢絲,優點是低於熔點時其『昇華』的速率較低。

因此可以加熱到較 『碳絲』更高的溫度。

鎢絲一樣會在空氣中燃燒,因此需要燈泡抽成真空。

為了使 更多的電能能夠轉換成 熱能,必須要增加『鎢絲』的電阻,

因此 想方法 使其 增長且變細。如右圖

60瓦特的鎢絲 直徑約 25 微米(25μm ,約頭髮直徑的 1/4)

長度約 2 公尺(沒錯),纏繞成僅 2公分長的細圈。

為了減少最後燈絲直線長度,

為了避免燈絲的昇華,燈泡內注入了 惰性氣體。這些氣體主要為 氬氣(argon)

並且不包含 氧氣。藉由碰撞使部份氣化的鎢原子 能夠重回燈絲。

雖然惰性氣體增加了燈絲的使用壽命,但是也付出了一些代價。

原本真空的燈泡內 由於惰性氣體的存在 增加了熱的傳導與對流,

由於氪氣是較不良的熱傳導體, 灌充 氪氣 的燈泡 比一般灌 氬氣的燈泡

 


為了增加 燈泡的使用壽命,可以加長 鎢絲的長度。讓熱能分佈在更長的空間內,

於是會降低燈絲的溫度,自然減低昇華的情形,也就延長了 燈泡的壽命。

可是 因為溫度也降低了,因此產生可見光的 發光效率也降低了。

燈泡變得較暗,需要較高功率的燈泡才能產生相同的亮度。

雖然 增加了燈泡的使用壽命 省了點錢,但是所浪費的電能是否值得,就值得考量。

因此 長壽命燈泡 通常使用在 不易更換 燈泡的場所 較划算。

若是使得燈絲的長度更長,其溫度溫度更低,甚至只發出暗紅的微弱燈光,

卻仍然可明顯的感受所發出的熱(紅外線)。

另外對於早期照相使用的閃光燈,為了要能產生更接近於太陽光的頻譜,

於是縮短其燈絲長度,使其在更高的溫度下工作,因此其工作壽命也就縮短為數小時。

(燈絲內加入的氣體,使得所產生的頻譜相當於約4500℃黑體的頻譜--高於燈絲溫度)

 



 


 

利用化學技巧使得鎢絲可以『再造』:

燈絲被裝置在石英等特殊可耐高溫及化學反應製成的燈泡內,燈泡內包含溴或碘分子。

在高溫下這種滷元素會和被蒸發致燈泡內表面的鎢 形成分子,

當這些分子碰到高溫的燈絲時,鎢 會還原回燈絲。於是可使蒸發的燈絲再度還原。

滷元素扮演清道夫的角色,當碰到鎢原子時,將其帶到燈絲還原回去。

雖然 鎢 一直被昇華,但也一直被滷素 再送回燈絲。

只是被還原的 鎢 並非很均勻的分佈在燈絲上,而是會在某些位置匯聚形成小班點,

而終於導致燈絲的『燒斷』。

因此滷素燈工作時溫度高於一般燈泡數百度,產生更接近陽光的頻譜,有更高的發光效率,

但使用壽命可超過 2000小時。

滷素燈仍然有它的缺點:



100W的滷素燈 燈絲約為 25W燈絲的四倍,

也能輻射出四倍強度的光。

若是想要改變燈泡的亮度,通常的作法是如右圖

製作兩組獨立的燈絲,例如 50W 及 100W 的燈絲。

單獨操作其中一個或同時點兩個燈絲時,

可以有 三種不同功率的變化。

    人眼所能觀測到的可見光,只是電磁波譜內的極小段。
    • 通常燈絲都是先繞成直徑0.25mm(釐米)的圈圈,
  • 再繞成螺旋狀的燈絲。(由於製造不易,直到 1937年才成功製成)
    • 帶走了能量,於是降低了平衡的溫度。
  • 昇華的鎢氣 於惰性氣體內形成微弱的粒子也藉由 對流在燈泡內表面形成 黑點。
    • 有更高的效率發光,
  • 但是氪氣僅佔大氣中 百萬分之一的含量,因此製作成本高出較多。     網友來函指出 目前很多相機的閃光燈利用高壓填充Xenon的燈管放電 產生電弧 發光 較高溫的頻譜對於彩色照相有重要的影響,
    • 一般燈泡會顯示過多紅色部份的影像(為什麼呢?)。
  • 滷素燈則可產生較高溫的頻譜,卻不至於像閃光燈般的短壽命。
    1. 石英玻璃燈泡較小,而且工作時溫度非常高。加上內部裝的是有毒的滷元素。
    2. 不小心容易著火並造成安全上的顧慮,因此通常外面另加一玻璃管。
    3. 石英管表面若是被手指沾上,當高溫時容易損壞石英管。
    4. 鎢絲的回收循環功能只有在高溫工作時才有效,若是滷素燈並未操作於全功率(較暗時),鎢絲會聚集在石英管壁上,使其黑黑的,減短其壽命。
    5. 因此滷素燈需要經常在 高功率下工作以清潔石英管內壁(讓鎢還原回燈絲上)。
  • 不同功率的 滷素燈 有著不同的大小。

因此由 用電功率 以及 電源電壓, 很容易由 歐姆定律 算出 鎢絲 的電阻。

電功率 P = V2/R 因此 R = V2/P 所以 100瓦 的電燈泡 電阻應該是 ___歐姆。

可是 如果 你實際拿個電表 量一個 燈泡的電阻。你會很驚訝的發現

實際量到的電阻和 上面計算出來的電阻值 不僅不一樣,而且相差很多。為什麼呢?

如果你實際去測量 鎢絲(燈泡) 的電阻,利用

電阻 R = ρι/ A ,ι長度 A 截面積

先估算 其 直徑後 可以計算 鎢絲 的直線長度,試一試,驗證我前面說的長度對不對!

當你量燈泡的電阻時,燈泡並未在 工作中。等到 加上電源後 鎢絲 會被 加熱到高溫 以產生熱輻射。

已知鎢 的溫度係數是 0.0045/℃ (每增加 1 ℃ 電阻值增加的百分比)

這樣的提示 應該已經很明顯了吧! 那麼 我就要再問 下一個問題了:

由 計算出的電阻 是燈泡工作時的電阻值,你又已經量了 室溫時的電阻值,(你應該量了吧!)

你是不是能夠 估算一下 鎢絲 工作時的溫度呢? 再度 驗證我前面說的溫度 對不對!

如果你量了 燈泡尚未在 工作時 的電阻, 那麼想一想

當剛接通 電源時,流經燈泡的電流 與 正常工作時 電流 比較起來如何?

你能想通 為何 燈泡總是在 剛接通的瞬間燒斷的了嗎!

剛買的燈泡 比較 能夠 承受那樣的變化,可是經過多次的開關,加熱--冷卻 會使其膨脹收縮

而減少其 機械耐強,長久工作 也會由於 鎢 的昇華而變細。再加上剛通電瞬間﹍﹍﹍的變化,

『屋漏偏逢連夜雨』於是斷掉了!

有時候 即使 燈絲斷掉了 燈泡仍然會亮。如果燈泡的位置沒有因為燒斷而改變,因為距離很近。

電流仍然可以藉由 空間的放電而導通,但這樣的情形維持不久。

關燈時由於 『冷縮』會使的燈絲產生相對運動 而分開更遠,甚至折斷。(很脆)

    燈泡上通常都會標明燈泡的功率數,由於我們通常都是用 110V 交流電。
    • 『鎢』在室溫 20℃時的電阻係數 ρ= 5.8 × 10-8 Ω-m
  • 回到 為何 實際量到的電阻和 上面計算出來的電阻值 不一樣的問題上:


電燈泡電源電壓與消耗電力關係


電燈泡電源電壓與電燈使用壽命的關係