日光燈的物理最後修訂時間


問題:


我們 如何 看見光 與 分辨 顏色的?

DEX型:三波長晝光色(色溫度6500K)
光色有透明、白色、涼爽等感覺。
適用於餐廳、嬰兒房、店鋪及夏季之照明。
NEX:三波長晝白色(色溫度5000K)
光色介於DEX與LEX之間
能使物體看起來更美、更接近自然光。
適用於明亮舒適氣氛的住宅、店鋪、
辦公室等照明。
LEX三波長燈泡色(色溫度2800K)
與電燈泡同光色,具有暖活舒適的光色。
適用於住宅、店鋪、旅館,
也可以與電燈泡併用。
 
依照特殊用途燈管有有下列種類:
   1. 醫療專用燈管:
        波長 400-500nm波峰值446nm的特殊藍光燈管,
        此藍光可以有效抑制黃疸症狀,
        最適合於保溫箱內照射患有黃疸之嬰兒。
   2. 半導體專用燈管:
        防止紫外線透出,500nm以下完全切除。
        最適合於高感光半導體的無塵室工廠照明及防蟲用。
   3. 反射型燈管:
        整支燈管空出 1/5 不塗螢光粉並加塗反射膜在螢光粉內層,
        使光線集中在 1/5 的面積輸出,適於廣告看版背光光源。
   4. 夜光消防燈管:
        在一般螢光粉上塗有夜光磷光粉,當點燈數分鐘後熄燈,
        仍可維持約兩小時強度 5cd/m2的微弱藍光,
        適用於戲院、歌廳、車站、醫院等公共場所之照明。

    其實外界所常宣傳的省電燈泡,簡單說
        不過是有著燈泡外型的日光燈。
    下圖適我將省電燈泡打破外殼後 顯露出來照片。
    17W的日光燈原本就相當於 3倍多的燈泡亮度。

霓虹燈的物理:

其他種類的放電管:

為什麼 日光燈管內的氣壓低呢?


本篇有關於日光燈的物理,你看懂了幾分呢?是否清楚了呢?

對於放電管的工作原理瞭解了多少?

如果有相關問題或指教之處,歡迎來電!

網友來函問題:(以下問題中的鍊結 連至本網頁原文位置)

  1. 您說紫外光線無法穿透日光燈管壁, 請問醫院殺菌用的紫外光燈如何做成?

  2. 由於紫外光能量較高,通常可以讓物質內電子能階受激發而被吸收。

    當然被吸收的能量還會被釋放出來,例如成為較低能量的可見光,

    或最終轉換為物質的內動能(增高溫度)。所謂『無法』穿透是一種概略性的說法,

    光線穿過物質 一定厚度時會有 一定比例的能量被吸收。

    當透射的量小於一定比例時(例如:不易偵測或察覺)我們概略的說 光線『無法』穿透。

    下圖是 可見光範圍附近 光線穿過 三種物質時 透過光線強度百分比 與 波長的關係圖

    你找出圖中可見光的範圍了嗎?(0.4-0.7微米),

    即使是玻璃也能穿透大部份 0.3-0.4微米間的紫外光(稱為 『黑光』blacklight),

      這部份的紫外光對人體及其他生物不太會造成傷害。

      (石英燈 也能產生 部份強度不弱的這類 紫外光,但也不要長久直視。

      所謂傷害通常還需要考慮 光源強度。

      例如說 吃鹽巴對人體無害,但如果一口氣吞食半公斤的鹽巴,可就有問題了!)

    但(對人體細胞或細菌會造成傷害)更短波長的紫外光 則『無法』穿透 玻璃或『透明』塑膠。

    所以 玻璃對可見光而言是『透光』的,對更短的 紫外光卻是 『不透光』的。

    更有些特殊的玻璃,可以輕易的透過可見光,卻大量吸收 紅外光(熱)。

    又如同 X-射線 可輕易的穿透人體(透光),但卻『穿透不過』 骨頭或牙齒。

      通常我們指波長小於 4000埃(0.4微米)至 100埃的為 紫外光,

      更短至 1 埃的 為 X-射線(原子內層能階躍遷),γ-射線則波長更短(原子核能階躍遷),

      宇宙射線則還有更短的波長。

    汞 產生的 2537埃 微米紫外光 經過 1釐米厚 玻璃 大概只剩下不到 10%.

    因此我在上文的句末加上了 穿透比例很少。如果改用 石英燈管 則可以透過較大部份。

    至於 醫院殺菌用的紫外光燈 可以用較強光源但一般燈管,也可以用 石英燈管則有更高 效率。

    直接照射這種 紫外光可以殺死 細菌,(也可以使皮膚曬傷),

      因此常用於 食品消毒,醫院 ,公廁等場所。
    汞 也會產生 1849埃 的紫外光,但它是在空氣中都透不過 數英吋。

    (氧會吸收此 短波紫外光 而形成臭氧)。


什麼是『氣體放電』?

當電荷受電場作用時 電荷會加速. 一般物質的原子若受到足夠能量加速電荷的撞擊
原子外層的電子會被撞擊出來(稱為游離).

受游離的原子變成帶負電的電子與電正電的離子 兩者在電場作用下會繼續加速
於是 新的游離電子被加速的 有可能繼續撞擊其他原子 如此過程循環下去
一個電子撞擊後變成 兩個電子(一個原有的 外加被游離的), 兩個繼續撞擊變成四個.
八個 十六個 三十二個 ...於是很快的變產生大量可導通的電子
也就形成大量的電流. 以上過程變稱為氣體放電.

通常在抽部分真空的氣體放電管內進行. 因此日光燈管等也稱為氣體放電管.
一般可見光對應的能量約 2-3 eV
也就是電子若受到2-3伏特的電壓加速就可能激發原子產生可見光.
為何一般插座110V的電壓兩端不會產生火花呢?
因為以上的條件是 電子加速過程不受到其他干擾 完全獲得電場的能量
可是一般 大氣中 空氣密度很高 (算一下 一立方公分約有 1019個粒子)
電子受加速電場作用 跑不了多遠(遠小於微米)變和其他原子碰撞 將能量轉移給原子
因此電子從沒有機會獲得 足夠能量 激發原子或游離原子(之後發光)
若在抽真空的管內 電子可以跑較長距離才碰到原子 也就有足夠時間介電場加速到足夠能量 產生激發或游離現象 因此氣體放電通常在 低壓的放電管內形成

大氣壓下要形成放電也是可能的 只是需要非常強的電場(約每公分20-30kV)或藉助於尖端放電產生強電場的方式.


附錄:

1 .光源效率:每消耗一瓦電所輸出光的強度(lm)稱為光源效率。(lm/W)

 
光源種類 白熱燈 鹵素燈 螢光水銀燈 日光燈 複金屬水銀燈 高壓鈉氣燈 低壓鈉氣燈
光源效率 13.5-22 13.5-30 35-63 30-95 63-115 40-155 130-180

2. 下圖是不同時刻自然光對應的色溫表與 採用的燈源。


歡迎批評指教!電子郵件 : 請按 hwang@phy03.phy.ntnu.edu.tw

作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
最後修訂時間:  since 2011/06/20