发光与照明----人类照明发展史

第七章发光与照明王章翠本章内容概括•第一部分人类照明的发展史•第二部分人造光源的分类及应用•第三部分现代照明技术的发展趋势第一部分人类照明的发展史原始文明社会----太阳光、月光，钻木取火、篝火（第一代照明历经了30000年创造了原始文明）中世纪文明-------各种油灯、蜡烛（第二代照明历经了3000年创造了中世纪文明）17世纪末至20世纪五十年代--------电气照明、白炽灯、荧光灯20世纪六十年代初至今---------节能LED照明技术原始文明社会••原始灯火-----（太阳-火堆-松明-油脂点火-磨擦起火）•在原始社会里人们在白天靠着自然光源------太阳，而到晚上却什么也看不•清，他们经过一天天的努力，终于找到了一点人造光源供他们照亮。人造光•源有一段漫长的历史。自从人类发现火以后，穴居的原始人就用火把照亮。•原始人发明用火，是经历了艰苦缓慢的实践和认识过程的。•我们的祖先起初是并不喜欢火的。那时候，火对人类总是板着一副凶狠的脸•孔：大火燃起，烈焰冲天，浓烟蔽日，所到之处，一片焦土。火的破坏性使•原始人望而生畏，遇到大火就惊恐万状，逃之夭夭。次又一次的实践，改变•着原始人对火的认识，他们慢慢地由怕火而变成爱火。当大火再一次袭来的•时候，他们不再一跑了之，而是果敢地小心翼翼地把一些还在燃烧的树枝拿•回来，并且不断地给它添加新的树枝——精心地“喂养”起来。于是，由几根树枝架•起的一堆篝火终于燃烧起来了。当人类第一次围在篝火旁度过一个欢乐的夜晚的时•候，该是一幅多么动人的场景啊！他们兴高采烈，欢呼庆贺，甚至惊喜若狂。啊，他•们终于用自己的劳动战胜了黑暗，赢得了光明！火堆，这是人类创造的第一盏•“灯”，这是人类掌握的第一种人工光源。蜡烛起源与发展蜡烛起源于原始时代的火把。原始人把脂肪或者蜡一类的东西涂在树皮或木片上，捆扎在一起，做成了照明用的火把。大约在公元前3世纪出现的蜜蜡可能是今日所见蜡烛的雏形。在西方，有一段时期，寺院中都养蜂，用来自制蜜蜡，这主要是因为天主教认为蜜蜡是处女受胎的象征，所以便把蜜蜡视为纯洁之光，供奉在教堂的祭坛上。和现代蜡烛相比，古代蜡烛有许多不足之处。唐代诗人李商隐有“何当共剪西窗烛”的诗句。诗人为什么要剪烛呢？当时蜡烛烛心是用棉线搓成的，直立在火焰的中心，由于无法烧尽而炭化，所以必须不时地用剪刀将残留的烛心末端剪掉。这无疑是一件麻烦的事，1820年，法国人强巴歇列发明了三根棉线编成的烛心，使烛心燃烧时自然松开，末端正好翘到火焰外侧，因而可以完全燃烧。但蜡烛还有待进一步完善，它的材料一般是有许多缺点的动物油脂，解决这一难题的是舍未蜡烛燃烧原理蜡烛中间的线叫烛芯,它起到吸上液态蜡油的作用.蜡烛刚生产出来时,烛芯上已经有了固体蜡油,你用火点蜡烛时,固体蜡油受热,先容化后汽化,然后蜡油蒸汽被火点燃,这样蜡烛就被点燃了。蜡烛燃烧时放出热量使下面的固体蜡油容化,被烛芯吸上来,继续被上面的火加热容化,汽化,点燃,从而形成循环。蜡烛是可燃物，但是蜡烛在达到着火点的温度之前就已经熔化，因此一般情况下，固态的石蜡无法点着，但是液态或气态的石蜡是可以点着的。中世纪照明---煤气灯靠火焰将经过处理的石棉灯芯加热到发光的一种照明灯具。生物自然光萤火虫发光原理•萤火虫的发光，简单来说，是荧光素（luciferin）在催化下发生的一连串复杂生化反应；而光即是这个过程中所释放的能量。•而萤火虫的发光器会发光，起始于传至发光细胞的神经冲动，使得原本处于抑制状态的荧光素被解除抑制。而萤火虫的发光细胞内有一种含磷的化学物质，称为荧光素，在荧光素的催化下氧化，伴随产生的能量便以光的形式释出。由于反应所产生的大部分能量都用来发光，只有2~10%的能量转为热能，所以当萤火虫停在我们的手上时，我们不会被萤火虫的光给烫到，所以有些人称萤火虫发出来的光为“冷光”。1879年爱迪生发明了灯泡爱迪生发明电灯做了一千五百多次实验都没有找到适合做电灯灯丝的材料，有人嘲笑他说：“爱迪生先生，你已经失败了一千五百多次了。”爱迪生回答说：“不，我没有失败，我的成就是发现一千五百多种材料不适合做电灯的灯丝。”而最终经过13个月的艰苦奋斗，试用了6000多种材料，试验了7000多次，终于有了突破性的进展，用竹丝作灯丝效果很好，灯丝耐用，灯泡可亮1200小时。灯泡的发展史•1879年，美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上。•1910年，美国的库利厅用钨丝做灯丝，发明了钨丝灯泡。•1913年，美国的兰米尔在玻壳里充入气体以防止灯丝蒸发，发明了充气钨丝灯泡。灯泡的发展史1925年，日本的不破橘三发明了内壁磨砂灯泡。1932年，日本的三浦顺一发明了双螺旋钨丝灯泡。灯泡的使用使大千世界变得更光彩夺目，绚丽多姿。20世纪60年代初------随着技术的发展，半导体技术在照明领域掀起了一场新的革命。而第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光LED的问世，半导体照明工具有望替代传统白炽灯、日光灯、卤素灯的主导地位，成为广泛应用的节能环保-------奠基了当代照明技术！第二部分人造光源的分类及应用电光源按发光原理大体可分为：•1、热辐射光源，如:白炽灯，卤素光源•2、气体放电光源，如：节能灯，金卤灯•3、固体发光光源，如：发光二极管人造光源热辐射光源固体发光（LED等）气体放电光源白炽灯卤素光源高压气体放电低压气体放电普通白炽灯泡R80类反光灯泡部分PAR光源MR16、MR11灯杯AR111/AR70溴钨灯珠碘钨灯及其他高压钠灯高压金卤灯其他直管荧光灯紧凑型荧光灯水银灯及其他第一种热辐射光源热辐射光源是一种非相干的光源，是发光物体在热平衡状态下，使热能转变为光能的光源，如白炽灯，卤钨灯等。一切炽热的光源都属于热辐射光源。包括太阳，黑体辐射等，其特点是产生连续的光谱。白炽灯的构造及工作原理白炽电灯的工作原理：白炽灯是将电能转化为光能的，以提供照明的设备，其工作原理是：电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000多摄氏度）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摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时，就象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。什么是白炽状态？•白炽状态物体温度达到1700℃以上就发白光，这种状态叫白炽状态.白炽灯（这与日光灯原理不同）是利用电流的热效应制成的.当电流通过灯丝时，灯丝热到白炽状态,就发出很亮的光，可以供我们照明。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。各种常见的白炽灯卤钨灯的发光原理及应用•卤钨灯是在白炽灯的基础上在灯内添加碘、溴等卤素，使挥发的钨能重新回到灯丝上。这样，灯丝的温度就可以比白炽灯高，光效也就更高，一般为15~35lm/W，寿命也比白炽灯长。一般来说寿命可超过1000小时。卤钨灯小而结实，配光容易，在寿命期的光通维持率高，几乎可达100%。•应用范围：大功率的卤钨灯可以用于车场、工场、建筑工地等处进行照明，小功率的卤钨灯可以用作商店、展厅等处的室内照明。它们一般用于以下灯具第二种气体放电光源气体放电灯发光原理放电发光的基本过程分3个阶段：①放电灯接入工作电路后产生稳定的自持放电，由阴极发射的电子被外电场加速，电能转化为自由电子的动能;②快速运动的电子与气体原子碰撞,气体原子被激发,自由电子的动能又转化为气体原子的内能;③受激气体原子从激发态返回基态，将获得的内能以光辐射的形式释放出来。上述过程重复进行，灯就持续发光。放电灯的光辐射与电流密度的大小、气体的种类及气压的高低有关。一定种类的气体原子只能辐射某些特定波长的光谱线。低气压时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子的特征谱线。气压升高时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波方向发展。当气压很高时，放电灯的辐射光谱中才有强的连续光谱成分。气体放电示意图•带电极的气体放电气体放电示意图：空心圆表示可被电离和形成等离子体的气体原子。当带有正电荷的粒子在电场作用下定向位移时，就形成了放电电流。阴极必须能发射出足够多的电子，以维持电流的持续，而阳极则接收电流。图中的电阻是直流放电时起限制电流作用的镇流器。圆中有*符号的表示是被高能电子激发的原子，他们会产生辐射。气体放电光源的应用节能灯节能灯又叫紧凑型荧光灯（国外简称CFL灯）它是1978年由国外厂家首先发明的，由于它具有光效高（是普通灯泡的5倍），节能效果明显，寿命长（是普通灯泡的8倍），体积小，使用方便等优点，受到各国人民和国家的重视和欢迎，我国于1982年，首先在复旦大学电光源研究所成功研制SL型紧凑型荧光灯，二十年来，产量迅速增长，质量稳步提高，国家已经把它作为国家重点发展的节能产品（绿色照明产品）作为推广和使用。接下来对上面的3个过程简单说明：1、阴极产生电子的方法主要是热电子发射：阴极金属通电产生热量，使得电子从阴极基金属和碱土氧化物涂层中释放；2、紫外线的产生：电子打在汞原子上，汞原子被激发，产生能量转移，放出波长253.7nm为主的紫外线；3、光线的产生：380nm以下、780nm以上为肉眼所无法看见的光线，紫外线的波长位于肉眼所能看见的光线以（380nm以下），荧光粉能够充分吸收253.7nm的紫外线，产生肉眼能够看见的可见光。气体放电光源的应用金卤灯金卤灯是交流电源工作的，在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，金属卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的第三代光源。照明采用钪钠型金属卤化物灯，金卤灯具有发光效率高、显色性能好、寿命长等特点，是一种接近日光色的节能新光源，广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的室内照明。金卤灯的应用第三种固体发光光源目前发光二极管是最典型的固体发光光源的应用：发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。LED节能灯的工作原理LED发光机理：PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。LED工作原理和结构图LED是LightEmittingDiode简称，是一种具有两个电极的半导体发光器件，让其流过小量电流就会发出可见光，第一个商用二极管产生于1960年。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关优点：超长寿命，可达5万小时；可组成各种颜色节能，效率比白炽灯高.体积小,灯具设计灵活.响应时间短；环保：无有害金属汞。缺点：每瓦的流明成本高.LED目前在照明行业中的主要应用范围建筑物外观照明娱乐场所及舞台照明室内空间展示照明景观照明标识与指示性照明交通信号灯、视频屏幕LED应用大功率LED应用第三部分现代照明技术发展趋势现代照明技术的不断进