為什么LED燈更環(huán)保？（上）
來源：靈創(chuàng)照明 作者：靈創(chuàng)照明 時間：2015-05-23 瀏覽次數(shù)：
2014年的諾貝爾物理學(xué)獎讓發(fā)光二極管成為了公眾關(guān)心的焦點。近些年來，從發(fā)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(xiàn)在我們的生活中。那么，發(fā)光二極管與傳統(tǒng)照明方式相比，有哪些優(yōu)點，它又是如何為我們提供照明的呢？
白熾：并不高明的發(fā)光
在了解發(fā)光二極管的工作原理以及它為什么更加節(jié)能之前，我們不妨來看一下傳統(tǒng)的白熾燈，也就是俗稱的電燈泡是如何發(fā)光的。
如果我告訴你，我們身邊的所有物體都在發(fā)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(fā)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(fā)光呀？
科學(xué)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(fā)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(nèi)的所有物體都在發(fā)光。
然而一個物體發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(jù)了支配地位。如果溫度繼續(xù)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(xiàn)象。在白熾燈出現(xiàn)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(xiàn)象，只不過這時候利用的是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)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15,000K（0K對應(yīng)-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(biāo)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(biāo)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(fā)出大量的可見光。
白熾現(xiàn)象只是物體被加熱時的一個“副產(chǎn)品”，而特地讓白熾燈發(fā)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(fā)出的電磁波都會覆蓋一個寬廣的波長范圍，白熾燈在發(fā)出可見光的同時還會發(fā)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(zhuǎn)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(chǎn)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(huán)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(zhì)的溫度升高到燃點以上，帶來很大的火災(zāi)風(fēng)險。另外，在幾千攝氏度的高溫下，許多常溫下很穩(wěn)定的物質(zhì)都會變得非常活潑，這意味著燈絲很容易損壞。盡管現(xiàn)代的白熾燈使用熔點極高的鎢絲，并將燈泡內(nèi)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(zhì)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(xiàn)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(jīng)將淘汰普通白熾燈列上了日程，未來幾年時間內(nèi)，白熾燈將逐漸從人們的視野中消失。那么誰來繼續(xù)為我們提供照明呢？那就是發(fā)光原理截然不同的冷發(fā)光。
效率更高的冷發(fā)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(dāng)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(gòu)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(yīng)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(jù)上面的樓層。當(dāng)全部的電子入住完畢時，大樓里還會有許多樓層空著。假設(shè)某個分子中的電子占據(jù)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(fā)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(fā)光，一旦我們將它彎曲，螢光棒內(nèi)部原本被分隔開的幾種化學(xué)物質(zhì)混合到一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)釋放出的能量讓某些電子從能量低的狀態(tài)進入能量高的狀態(tài)，當(dāng)它們再次回到能量低的狀態(tài)時，光就被釋放出來了。
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