爲什(shén)麽LED燈更環保？（上）
來(lái)源：靈創照(zhào)明(míng)   作者：靈創照(zhào)明(míng)   時(shí)間：2015-05-23    浏覽次數：

2014年的(de)諾貝爾物(wù)理(lǐ)學獎讓發光(guāng)二極管成爲了(le)公衆關心的(de)焦點。近些年來(lái)，從發光(guāng)二極管提供背光(guāng)的(de)液晶顯示器到由其提供照(zhào)明(míng)的(de)台燈，這(zhè)種新型的(de)照(zhào)明(míng)方式正在越來(lái)越多(duō)地出現在我們的(de)生活中。那麽，發光(guāng)二極管與傳統照(zhào)明(míng)方式相比，有哪些優點，它又是如何爲我們提供照(zhào)明(míng)的(de)呢(ne)？

白熾：并不高(gāo)明(míng)的(de)發光(guāng)

　　在了(le)解發光(guāng)二極管的(de)工作原理(lǐ)以及它爲什(shén)麽更加節能之前，我們不妨來(lái)看一下(xià)傳統的(de)白熾燈，也(yě)就是俗稱的(de)電燈泡是如何發光(guāng)的(de)。

　　如果我告訴你，我們身邊的(de)所有物(wù)體都在發光(guāng)，你可(kě)能會覺得(de)非常驚訝。是呀，常識告訴我們，天空中隻有恒星能發光(guāng)，連月(yuè)亮都是反射光(guāng)；生活中除了(le)電燈、蠟燭等，沒看見其他(tā)的(de)物(wù)體也(yě)在發光(guāng)呀？

　　科學家告訴我們，任何物(wù)體隻要它的(de)溫度高(gāo)于絕對(duì)零度，就無時(shí)無刻不在以電磁波的(de)形式向外界散發能量，這(zhè)叫熱(rè)輻射。電磁波的(de)波長(cháng)從幾千千米到不足1納米，跨越了(le)巨大(dà)的(de)範圍，但是隻有400-800納米這(zhè)很窄的(de)一段才能被我們的(de)眼睛所感知，這(zhè)就是通(tōng)常所說的(de)可(kě)見光(guāng)。所以我們可(kě)以說，包括我們自身在内的(de)所有物(wù)體都在發光(guāng)。

　　然而一個(gè)物(wù)體發出的(de)電磁波并不是均勻地覆蓋所有的(de)波長(cháng)，而是主要地集中在某個(gè)波長(cháng)附近，而這(zhè)個(gè)波長(cháng)的(de)長(cháng)短與物(wù)體的(de)溫度成反比。對(duì)于溫度在室溫附近的(de)物(wù)體來(lái)說，它們發出的(de)電磁波主要集中在波長(cháng)比可(kě)見光(guāng)長(cháng)的(de)紅外線，所以可(kě)見光(guāng)的(de)比例微乎其微。這(zhè)就是我們看不見這(zhè)些物(wù)體在發光(guāng)的(de)原因。

　　随著(zhe)物(wù)體溫度一步步升高(gāo)，它的(de)熱(rè)輻射不僅會變得(de)更加強烈，而且發出的(de)電磁波也(yě)逐漸變得(de)以可(kě)見光(guāng)爲主，因此這(zhè)些原本看不見發光(guāng)的(de)物(wù)體會變得(de)明(míng)亮起來(lái)。例如電爐絲加熱(rè)到幾百攝氏度時(shí)會發紅，就是因爲溫度升高(gāo)使得(de)紅光(guāng)取代了(le)紅外線，在熱(rè)輻射中占據了(le)支配地位。如果溫度繼續升高(gāo)到幾千攝氏度，那麽可(kě)見光(guāng)中波長(cháng)更短的(de)黃(huáng)、綠、藍等顔色的(de)光(guāng)也(yě)被大(dà)量釋放出來(lái)。不同波長(cháng)的(de)可(kě)見光(guāng)混合在一起，我們就看到了(le)與陽光(guāng)類似的(de)白光(guāng)，這(zhè)就是白熾現象。在白熾燈出現之前，人(rén)們通(tōng)過燃燒柴火、燈油或者各種蠟來(lái)照(zhào)明(míng)，實際上也(yě)是在利用(yòng)白熾現象，隻不過這(zhè)時(shí)候利用(yòng)的(de)是化(huà)學反應産生的(de)高(gāo)溫；而白熾燈則是通(tōng)過電流将鎢絲加熱(rè)到2,000攝氏度以上，從而産生大(dà)量的(de)可(kě)見光(guāng)。

　圖1 不同溫度的(de)物(wù)體的(de)熱(rè)輻射的(de)比較，曲線由上至下(xià)分(fēn)别是溫度爲15,000K（0K對(duì)應-273.15攝氏度）的(de)恒星、溫度爲5,800K的(de)恒星（太陽）、溫度爲3,000K的(de)恒星和(hé)溫度爲310K的(de)人(rén)體可(kě)見物(wù)體。橫縱坐(zuò)标分(fēn)别爲波長(cháng)（單位爲納米）和(hé)熱(rè)輻射的(de)相對(duì)強度，平行于縱坐(zuò)标的(de)窄色帶表示可(kě)見光(guāng)的(de)範圍。由此可(kě)見物(wù)體溫度必須足夠高(gāo)才會發出大(dà)量的(de)可(kě)見光(guāng)。

　　白熾現象隻是物(wù)體被加熱(rè)時(shí)的(de)一個(gè)“副産品”，而特地讓白熾燈發光(guāng)要消耗很大(dà)的(de)電能，才能把燈絲加熱(rè)到很高(gāo)的(de)溫度，這(zhè)并不是很劃算(suàn)。由于所有熱(rè)輻射發出的(de)電磁波都會覆蓋一個(gè)寬廣的(de)波長(cháng)範圍，白熾燈在發出可(kě)見光(guāng)的(de)同時(shí)還(hái)會發出大(dà)量的(de)紅外線、紫外線等，它們對(duì)提供照(zhào)明(míng)毫無幫助，卻消耗了(le)大(dà)量的(de)能量。打個(gè)比方，某天你到食堂想買10元錢的(de)饅頭，大(dà)師傅卻給你5毛錢的(de)饅頭和(hé)9.5元錢的(de)米飯。你說我今天不要米飯，隻要饅頭；大(dà)師傅說不行，饅頭和(hé)米飯隻能這(zhè)樣搭配著(zhe)賣。爲了(le)保證買到足夠的(de)饅頭，你隻好花200元買來(lái)10元的(de)饅頭，多(duō)花了(le)190元錢。白熾燈的(de)工作原理(lǐ)就像這(zhè)樣，輸入的(de)電能隻有5%左右能夠被轉化(huà)成可(kě)見光(guāng)，其餘都變成熱(rè)能白白浪費掉了(le)。

　　白熾燈極低的(de)效率不僅浪費大(dà)量的(de)電能，産生的(de)熱(rè)量也(yě)帶來(lái)了(le)很多(duō)令人(rén)頭疼的(de)問題。這(zhè)些熱(rè)量傳遞到環境中，可(kě)能會讓使用(yòng)者感到不舒服，還(hái)會輕易地讓周圍的(de)紙張、布匹等可(kě)燃物(wù)質的(de)溫度升高(gāo)到燃點以上，帶來(lái)很大(dà)的(de)火災風險。另外，在幾千攝氏度的(de)高(gāo)溫下(xià)，許多(duō)常溫下(xià)很穩定的(de)物(wù)質都會變得(de)非常活潑，這(zhè)意味著(zhe)燈絲很容易損壞。盡管現代的(de)白熾燈使用(yòng)熔點極高(gāo)的(de)鎢絲，并将燈泡内部抽成真空或者充入惰性氣體防止鎢被氧化(huà)，白熾燈的(de)使用(yòng)壽命仍然不長(cháng)，一般不超過1,000小時(shí)。也(yě)就是說，哪怕燈泡質量再好，每天隻用(yòng)提供3-5小時(shí)的(de)照(zhào)明(míng)，一年左右也(yě)必須更換了(le)。

　　因此，盡管白熾燈爲現代文明(míng)的(de)進步做(zuò)出了(le)不可(kě)磨滅的(de)貢獻，仍然無法避免退出曆史舞台的(de)命運。目前，各國政府都已經将淘汰普通(tōng)白熾燈列上了(le)日程，未來(lái)幾年時(shí)間内，白熾燈将逐漸從人(rén)們的(de)視野中消失。那麽誰來(lái)繼續爲我們提供照(zhào)明(míng)呢(ne)？那就是發光(guāng)原理(lǐ)截然不同的(de)冷(lěng)發光(guāng)。

　　效率更高(gāo)的(de)冷(lěng)發光(guāng)

　　我們知道，如果用(yòng)腳去踢一個(gè)放在地上的(de)足球，那麽每次足球飛(fēi)起的(de)速度都不盡相同，這(zhè)是因爲我們很難保證每次用(yòng)力相同。然而如果讓這(zhè)個(gè)足球從二樓陽台上自由落下(xià)，那麽它總會以相同的(de)速度落到地面。這(zhè)是因爲我們把足球從一樓帶到二樓的(de)過程中克服了(le)重力的(de)吸引，足球增加了(le)勢能。當足球從二樓落下(xià)時(shí)，增加的(de)勢能釋放出來(lái)，賦予了(le)足球速度。由于樓層的(de)高(gāo)度是固定的(de)，增加的(de)勢能也(yě)是固定的(de)，足球落地時(shí)的(de)速度自然也(yě)是相同的(de)。

　　我們還(hái)知道，原子是由原子核和(hé)核外的(de)電子組成的(de)，原子構成分(fēn)子是這(zhè)些電子相互作用(yòng)把不同的(de)原子維系起來(lái)的(de)。無論在原子還(hái)是分(fēn)子中，這(zhè)些電子也(yě)像分(fēn)别住在一棟高(gāo)樓中，高(gāo)樓的(de)每一個(gè)樓層被稱爲能級；樓層越高(gāo)，對(duì)應的(de)能量也(yě)就越高(gāo)。一般來(lái)說，電子入住這(zhè)樣一棟高(gāo)樓時(shí)，總是從能量最高(gāo)的(de)“一樓”開始，逐漸占據上面的(de)樓層。當全部的(de)電子入住完畢時(shí)，大(dà)樓裏還(hái)會有許多(duō)樓層空著(zhe)。假設某個(gè)分(fēn)子中的(de)電子占據了(le)大(dà)樓的(de)1~10層，如果我們把原本處在下(xià)層的(de)電子移動到上一層，那麽電子在這(zhè)個(gè)過程中也(yě)增加了(le)能量。如果讓這(zhè)個(gè)電子回到下(xià)層，那麽多(duō)餘的(de)能量也(yě)會被釋放出來(lái)，隻不過不是增加速度，而是釋放出電磁波。如果電磁波的(de)波長(cháng)剛好在400~800納米這(zhè)個(gè)範圍，那麽電子在這(zhè)個(gè)移動過程中就發出了(le)可(kě)見光(guāng)。演唱會上，歌(gē)迷手中揮動的(de)螢光(guāng)棒就是一個(gè)典型的(de)例子。螢光(guāng)棒買來(lái)時(shí)并不會發光(guāng)，一旦我們将它彎曲，螢光(guāng)棒内部原本被分(fēn)隔開的(de)幾種化(huà)學物(wù)質混合到一起發生化(huà)學反應；反應釋放出的(de)能量讓某些電子從能量低的(de)狀态進入能量高(gāo)的(de)狀态，當它們再次回到能量低的(de)狀态時(shí)，光(guāng)就被釋放出來(lái)了(le)。

　　圖2 冷(lěng)發光(guāng)的(de)一種常見的(de)原理(lǐ)：電子先從外界吸收能量，從能量較低的(de)狀态進入能量較高(gāo)的(de)狀态；随後返回能量較低的(de)狀态，将多(duō)餘的(de)能量以可(kě)見光(guāng)的(de)形式放出。

　　正在發光(guāng)的(de)熒光(guāng)棒并不像點亮的(de)白熾燈那樣燙手，因此像螢光(guāng)棒這(zhè)樣的(de)發光(guāng)通(tōng)常被稱爲冷(lěng)發光(guāng)。冷(lěng)發光(guāng)并不需要像白熾燈那樣将物(wù)體加熱(rè)到很高(gāo)的(de)溫度，因此對(duì)能量的(de)利用(yòng)率自然更高(gāo)一些。冷(lěng)發光(guāng)還(hái)有一個(gè)獨特之處，那就是一般不會像白熾發光(guāng)那樣覆蓋一個(gè)很廣的(de)波長(cháng)範圍，而是集中于某一特定的(de)波長(cháng)。例如一根黃(huáng)色的(de)螢光(guāng)棒絕不會發出紅光(guāng)或者藍光(guāng)，更不會發出對(duì)照(zhào)明(míng)毫無幫助的(de)紅外線和(hé)紫外線，這(zhè)也(yě)是冷(lěng)發光(guāng)對(duì)能量的(de)利用(yòng)率高(gāo)于白熾發光(guāng)的(de)一個(gè)重要原因

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