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LED知識

為什么LED燈更環保?(上)
來源:靈創照明   作者:靈創照明   時間:2015-05-23    瀏覽次數:

2014年的諾貝爾物理學獎讓發光二極管成為了公眾關心的焦點。近些年來,從發光二極管提供背光的液晶顯示器到由其提供照明的臺燈,這種新型的照明方式正在越來越多地出現在我們的生活中。那么,發光二極管與傳統照明方式相比,有哪些優點,它又是如何為我們提供照明的呢?

白熾:并不高明的發光

  在了解發光二極管的工作原理以及它為什么更加節能之前,我們不妨來看一下傳統的白熾燈,也就是俗稱的電燈泡是如何發光的。

  如果我告訴你,我們身邊的所有物體都在發光,你可能會覺得非常驚訝。是呀,常識告訴我們,天空中只有恒星能發光,連月亮都是反射光;生活中除了電燈、蠟燭等,沒看見其他的物體也在發光呀?

  科學家告訴我們,任何物體只要它的溫度高于絕對零度,就無時無刻不在以電磁波的形式向外界散發能量,這叫熱輻射。電磁波的波長從幾千千米到不足1納米,跨越了巨大的范圍,但是只有400-800納米這很窄的一段才能被我們的眼睛所感知,這就是通常所說的可見光。所以我們可以說,包括我們自身在內的所有物體都在發光。

  然而一個物體發出的電磁波并不是均勻地覆蓋所有的波長,而是主要地集中在某個波長附近,而這個波長的長短與物體的溫度成反比。對于溫度在室溫附近的物體來說,它們發出的電磁波主要集中在波長比可見光長的紅外線,所以可見光的比例微乎其微。這就是我們看不見這些物體在發光的原因。

  隨著物體溫度一步步升高,它的熱輻射不僅會變得更加強烈,而且發出的電磁波也逐漸變得以可見光為主,因此這些原本看不見發光的物體會變得明亮起來。例如電爐絲加熱到幾百攝氏度時會發紅,就是因為溫度升高使得紅光取代了紅外線,在熱輻射中占據了支配地位。如果溫度繼續升高到幾千攝氏度,那么可見光中波長更短的黃、綠、藍等顏色的光也被大量釋放出來。不同波長的可見光混合在一起,我們就看到了與陽光類似的白光,這就是白熾現象。在白熾燈出現之前,人們通過燃燒柴火、燈油或者各種蠟來照明,實際上也是在利用白熾現象,只不過這時候利用的是化學反應產生的高溫;而白熾燈則是通過電流將鎢絲加熱到2,000攝氏度以上,從而產生大量的可見光。

 圖1 不同溫度的物體的熱輻射的比較,曲線由上至下分別是溫度為15,000K0K對應-273.15攝氏度)的恒星、溫度為5,800K的恒星(太陽)、溫度為3,000K的恒星和溫度為310K的人體可見物體。橫縱坐標分別為波長(單位為納米)和熱輻射的相對強度,平行于縱坐標的窄色帶表示可見光的范圍。由此可見物體溫度必須足夠高才會發出大量的可見光。

  白熾現象只是物體被加熱時的一個“副產品”,而特地讓白熾燈發光要消耗很大的電能,才能把燈絲加熱到很高的溫度,這并不是很劃算。由于所有熱輻射發出的電磁波都會覆蓋一個寬廣的波長范圍,白熾燈在發出可見光的同時還會發出大量的紅外線、紫外線等,它們對提供照明毫無幫助,卻消耗了大量的能量。打個比方,某天你到食堂想買10元錢的饅頭,大師傅卻給你5毛錢的饅頭和9.5元錢的米飯。你說我今天不要米飯,只要饅頭;大師傅說不行,饅頭和米飯只能這樣搭配著賣。為了保證買到足夠的饅頭,你只好花200元買來10元的饅頭,多花了190元錢。白熾燈的工作原理就像這樣,輸入的電能只有5%左右能夠被轉化成可見光,其余都變成熱能白白浪費掉了。

  白熾燈極低的效率不僅浪費大量的電能,產生的熱量也帶來了很多令人頭疼的問題。這些熱量傳遞到環境中,可能會讓使用者感到不舒服,還會輕易地讓周圍的紙張、布匹等可燃物質的溫度升高到燃點以上,帶來很大的火災風險。另外,在幾千攝氏度的高溫下,許多常溫下很穩定的物質都會變得非?;顫?,這意味著燈絲很容易損壞。盡管現代的白熾燈使用熔點極高的鎢絲,并將燈泡內部抽成真空或者充入惰性氣體防止鎢被氧化,白熾燈的使用壽命仍然不長,一般不超過1,000小時。也就是說,哪怕燈泡質量再好,每天只用提供3-5小時的照明,一年左右也必須更換了。

  因此,盡管白熾燈為現代文明的進步做出了不可磨滅的貢獻,仍然無法避免退出歷史舞臺的命運。目前,各國政府都已經將淘汰普通白熾燈列上了日程,未來幾年時間內,白熾燈將逐漸從人們的視野中消失。那么誰來繼續為我們提供照明呢?那就是發光原理截然不同的冷發光。

  效率更高的冷發光

  我們知道,如果用腳去踢一個放在地上的足球,那么每次足球飛起的速度都不盡相同,這是因為我們很難保證每次用力相同。然而如果讓這個足球從二樓陽臺上自由落下,那么它總會以相同的速度落到地面。這是因為我們把足球從一樓帶到二樓的過程中克服了重力的吸引,足球增加了勢能。當足球從二樓落下時,增加的勢能釋放出來,賦予了足球速度。由于樓層的高度是固定的,增加的勢能也是固定的,足球落地時的速度自然也是相同的。

  我們還知道,原子是由原子核和核外的電子組成的,原子構成分子是這些電子相互作用把不同的原子維系起來的。無論在原子還是分子中,這些電子也像分別住在一棟高樓中,高樓的每一個樓層被稱為能級;樓層越高,對應的能量也就越高。一般來說,電子入住這樣一棟高樓時,總是從能量最高的“一樓”開始,逐漸占據上面的樓層。當全部的電子入住完畢時,大樓里還會有許多樓層空著。假設某個分子中的電子占據了大樓的1~10層,如果我們把原本處在下層的電子移動到上一層,那么電子在這個過程中也增加了能量。如果讓這個電子回到下層,那么多余的能量也會被釋放出來,只不過不是增加速度,而是釋放出電磁波。如果電磁波的波長剛好在400~800納米這個范圍,那么電子在這個移動過程中就發出了可見光。演唱會上,歌迷手中揮動的螢光棒就是一個典型的例子。螢光棒買來時并不會發光,一旦我們將它彎曲,螢光棒內部原本被分隔開的幾種化學物質混合到一起發生化學反應;反應釋放出的能量讓某些電子從能量低的狀態進入能量高的狀態,當它們再次回到能量低的狀態時,光就被釋放出來了。

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