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白炽灯

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白炽灯泡，E27螺旋型灯头
白炽灯泡的钨丝的扫描电子显微镜图像。

白炽（chì）灯，俗名钨丝灯，是一种透过通电，利用电阻把幼细丝线（现代通常为钨丝）加热至白炽，用来发光的灯。白炽灯的灯泡外围由玻璃制造，把灯丝保持在真空，或低压的惰性气体（如卤素灯）之下，作用是防止灯丝在高温之下氧化。

历史

美国人亨利·戈培尔比爱迪生早数十年已发明了相同原理和物料，而且可靠的电灯泡，而在爱迪生之前很多其他人亦对电灯的发明作出了不少贡献。[1]

1801年，英国化学家汉弗里·戴维将铂丝通电发光。他亦在1810年发明了电烛，利用两根碳棒之间的电弧照明。1854年亨利·戈培尔使用一根炭化的竹丝，放在真空的玻璃瓶下通电发光。他的发明今天看来是首个有实际效用的白炽灯。他当时试验的灯泡已可维持400小时，但是并没有即时申请设计专利。[2]

1850年，英国人约瑟夫·威尔森·斯旺开始研究电灯。1878年，他以真空下用碳丝通电的灯泡得到英国的专利，并开始在英国建立公司，在各家庭安装电灯。

1874年，加拿大的两名电气技师（Henry Woodward、Matthew Evans）申请了一项电灯专利。他们在玻璃泡之下充入氮气，以通电的碳杆发光。但是他们无足够财力继续发展这发明，于是在1875年把专利卖给爱迪生。

爱迪生购下专利后，尝试改良使用的灯丝。1879年他改以碳丝造灯泡，成功维持13个小时。到了1880年，他造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200小时。但是在英国，斯旺控告爱迪生侵犯专利，并且获得胜诉。爱迪生在英国的电灯公司被迫让斯旺加入为合伙人。但后来斯旺把他的权益及专利都卖了给爱迪生。在美国，爱迪生的专利亦被挑战。美国专利局曾判决他的发明已有前科，属于无效。最后经过多年的官司，爱迪生才取得碳丝白炽灯的专利权。

匈牙利化学家约斯特（Sándor Just）跟克罗地亚发明家哈那曼（Franjo Hanaman）发现比起碳灯丝，使用钨当作灯丝能够使灯泡更亮并且寿命更长，他们两人在1904年获得了匈牙利的专利（No. 34541），并且匈牙利的通斯朗公司（英语：Tungsram）开始在许多欧洲国家销售钨丝灯泡。

1906年，通用电气从发明家亚历山大·洛迪金（英语：Alexander Lodygin）手中购得白炽灯专利，开始了白炽灯的工业化生产。[3]

钨丝灯的最大问题是灯丝的升华。因为钨丝上细微的电阻差别造成温度不一，在电阻较大的地方，温度升得较高，钨丝亦升华得较快，于是造成钨丝变细，电阻进一步增大的循环；最终令钨丝烧断。后来发现以惰性气体代替真空可以减慢钨丝的升华。今天多数的钨丝灯内都是注入氮、氩或氪气。

现代的白炽灯一般寿命为2,000小时左右。

构造

白炽灯构造图
  1. 白炽灯外形轮廓。
  2. 低压惰性气体。
  3. 灯丝，钨丝。
  4. 细金属线（连接至灯头尖端）
  5. 细金属线（连接至铜片）
  6. 支撑金属线
  7. 支撑棒
  8. 细金属线
  9. 铜片
  10. 绝缘体
  11. 灯头尖端

种类

接口类型

抛物面镀铝反射灯

卤素灯泡

主条目：卤素灯泡
紫外线滤镜下的卤素灯泡

卤素灯泡，亦称钨卤灯泡，是白炽灯的一种。原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体。在高温下，蒸发的钨丝与卤素进行化学作用，蒸发的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂。因此卤素灯泡比白炽灯更长寿。此外，卤素灯泡亦能以比一般白炽灯更高的温度运作，它们的亮度及效率亦更高。不过在这温度下，普通玻璃可能会软化。因此卤素灯泡需要采用熔点更高的熔凝石英或硬的玻璃。

卤素灯泡上的水晶玻璃如果有油，会造成玻璃上温度不一，减低灯泡的寿命。因此换卤素灯泡时要避免人手触及灯泡的玻璃。如果手指摸到应以消毒酒精清洁。

灯芯

200瓦白炽灯的灯芯

电灯的灯芯或灯丝指的是通过电流或燃烧时，发出光芒的金属纤维，通常是用钨来作为灯丝转换电能为光能，和真空管器件转换电能为热能之用。而白炽灯是由亚历山大·洛地均（Alexander Lodygin，于1874年）与约瑟夫·威尔森·斯旺（Joseph Wilson Swan，于1878年）所发展。

最早发展成功的灯芯是由来自竹子的碳所制成，后来由钨取代。

优缺点

缺点

22–175 °C = 71–347 °F.

大部分白炽灯会把消耗能量中的90%转化成无用的热能，只少于10%的能量会成为光。相比之下，荧光灯的效率高很多，接近40%，所产生的热只是相同亮度的白炽灯的六分一。故此很多地方，特别是夏天需要空气调节的商场、大楼都会使用荧光灯照明以节省电力。小型的荧光灯（节能灯泡）把荧光灯及启动电子结合，使用标准电灯泡的爱迪生螺旋接口，用以替代普通白炽灯泡。例如一个26瓦的节能灯泡，发出的亮度为11瓦，热量为15瓦。发出相同亮度11瓦的白炽灯泡耗电多四倍，达100瓦；放出热量多六倍，达90瓦。

很多家居内的电灯仍然是以普通白炽灯为主。卤素灯泡近年亦变得较为流行，特别是光源需要集中的情况，例如家居的射灯，汽车车头灯，经常会使用卤素灯泡。良好的卤素灯泡可以达到15%的效率。例如一个60瓦的卤素灯泡，亮度可等同一个100瓦的普通灯泡。但是卤素灯泡体积细小，运作时温度非常高。在家居应用时需要特别防护，防止引起火灾。

由于白炽灯只有少于10%的能量会成为光。各光源的光效及使用开支比较如下：

灯泡性能与开支比较（美国电价，相当于60瓦白炽灯亮度）
白炽灯[4] 卤素灯[5] 节能灯[6] LED[7]
售价 $0.41 $1.17 $0.99 $3.99
功率（瓦特） 60 43 14 8.5
平均光通（流明） 860 750 775[8] 800
光效（流明/瓦特） 14.3 17.4 55.4 94.1
色温（开尔文） 2700 2920 2700 2700
演色性（CRI） 100 100 82 80
寿命（小时） 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年数（每天6小时） 0.46 0.46 4.6 6.8
20年电费（0.11美元/KWh） $289 $207 $67 $41
20年总开支 $307 $259 $70 $53
（按白炽灯亮度比例折合） $307 $297 $78 $57
基于每日六小时用量计算（20年共43,800小时）
型式 光源效率
（LM/W） 		平均寿命
（小时） 		特性 使用范围
普通灯泡
Normal Incandescent 		8--20 1500-2000 安装及使用容易，立即可以启动，成本低 住宅之基本照明及装饰性照明
反射灯泡
Reflector 		8--25 1500-2000 反射灯泡可以做聚光投射 反射灯泡可用于重点照明
一般卤素灯和特殊仪器用卤素灯
Halogen 		12–35 4000-10000以上 体积小，亮度高，光色较白，安装易，寿命较普通灯光超长，释出紫外线较多，部分甚至会超过太阳，需选用带有紫外线滤镜的产品。 商业空间之重点照明，

不易更换或高阶产品

许多地方已经开始淘汰白炽灯泡，以下是时间表：

白炽灯淘汰进度
欧盟 2012年
爱尔兰 2009年初
澳大利亚 2010年
阿根廷 2010年
意大利 2010年
法国 宣称2010年但无进一步讯息
英国 零售商2011年不再贩售
荷兰 自愿于2011年
台湾 2012年
日本 2012年1月[9]
加拿大 2012年
美国 2014年
中国大陆 2012年-2017年逐步淘汰[10]
香港 2015年[11]

至于户外的街灯照明，以钠灯最为常见。低压钠灯发出的是单调的橙色光线，但是它的效率却非常高，比钨丝灯高出约十五倍。高压钠灯效率稍低，但颜色较为丰富。

2000年代起，则以发光二极管及金卤灯照明开始发展流行。前者的优点是非常长寿，现已陆续地用于交通灯、手电筒、汽车上之刹车灯及指挥灯之上。后者其实是多种技术的统称（钠灯亦属于HID）。很多最新汽车使用的氙气车头灯（Xenon HID）、放映机使用的金属卤化物灯（Metal Halide），都是属于HID。

优点

传统节能灯并不耐经常点灭及潮湿，对于需要经常点灭的场所，白炽灯及LED照明较为合适；对于潮湿的场所（例如：浴室、厕所、阳台），白炽灯较节能灯及有防水防潮设计的LED灯更为适合。

光线不会闪烁

参见：脉冲宽度调制 § 亮度调节

白炽灯的光线不会闪烁、这是因为交流电的电压震荡只会让钨丝的温度有些微震荡，但许多低价的LED产品及荧光灯，是采用低频PWM的方式来调节亮度，荧光灯使用这种调光方式比较不伤眼，因为荧光灯有余辉效应，但是没有余辉效应的LED灯使用低频PWM调光就很伤眼。许多无法调整亮度的低价LED照明及低价荧光灯，内部电路过于简陋、造成无法察觉但很强烈的低频闪烁，也是很伤眼。

色彩表现极佳

中间白炽灯的光谱较下方的齐全。
参见：演色性

白炽灯（包含卤素灯）的光谱是连续而且平均的，拥有极佳演色性的优点；而荧光灯、LED是离散光谱，演色性低，低演色性光源不但会让人觉得颜色不好看、对于健康及视力也有害。传统灯泡还有可调光、耐点灭及无汞的优点。目前的解决方案如下：

  1. 采用卤素灯：用卤素灯取代白炽灯大约能减少30%的电力、且卤素灯演色性及色温与白炽灯几乎相同，代表光线品质足以全面取代白炽灯，因此国际大厂有推出接头与白炽灯一样的卤素灯。只是卤素灯寿命的延长比价格的增加少。
  2. 改进白炽灯泡：可以将红外线反射回灯丝、以减少能耗，目前已推出的产品可以节省30%的能耗[12]，研发中的产品则可以减少50%能耗；但这种灯泡的问题在无法降低整体成本。另外的方法则是利用激光处理钨丝，也可以节省相当能源[13]。
  3. 以CCFL节能灯取代传统使用荧光灯的节能灯，可以大幅减少汞使用量；LED灯泡则是无汞、但LED目前有演色性差、不耐热的问题。
  4. 高演色性节能灯：若能提高传统荧光灯的演色性，可以让更多人愿意淘汰白炽灯，但高演色性产品仍然不够普及，而光线品质能完全取代白炽灯的荧光灯/CCFL/LED则在等待技术上的大突破。
  5. CCFL/LED：传统节能灯并不耐经常点灭，对于需要经常点灭、又不严格要求演色性的场合，CCFL、LED技术的节能灯较为适合。
  6. 目前CCFL/荧光灯管/LED虽然可以调光、但大多不能使用传统白炽灯的调光器、而且调光成本高；若调光频率不高、很伤眼。

参见

参考文献

  1. ^ ISBN 978-3-86674-006-8
  2. ^ Josephson, Matthew. Edison: a biography. McGraw Hill. 1959. 
  3. ^ Комната - музей А.Н.Лодыгина. www.tstu.ru. [2023-07-25]. （原始内容存档于2022-11-09）. 
  4. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  5. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  6. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  7. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  8. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  9. ^ 白炽灯倒数计时 节能照明起飞 韩婷婷/台北/中央社 2011/11/26 15:33 互联网档案馆的存档，存档日期2016-03-04.
  10. ^ 中国逐步淘汰白炽灯路线图 2011年第28号公告[永久失效链接] 发改委公告 -> 2011年
  11. ^ 淘汰鎢絲燈泡 改善能源效益. Hong Kong's Information Services Department. [2017-03-27]. （原始内容存档于2019-06-10） （中文（香港））. 
  12. ^ Halogená Energy Saver 互联网档案馆的存档，存档日期2011-12-20.
  13. ^ Laser boosts light bulb efficiency. [2011-02-18]. （原始内容存档于2011-11-04）. 
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