led发光原理示意图（从火光到白炽灯再到LED）

人类照明的历史随着能源的更迭而发展

从人类学会钻木取火以来，照明经历了从木柴、油到电作为能源的历程。照明工具经过无数的变革，从火把、动物油、植物油、蜡烛、煤油灯、白炽灯、日光灯，再到现在琳琅满目的装饰灯、LED灯。现代的灯光也从简单的生活照明应用发展到各种领域，给我们带来巨大的生活便利以及多彩的视觉体验。

深圳CBD灯光秀

一.柴薪时代

人们以柴薪火光为照明的主要光源,称之为古代照明，古代的人利用烧油、点蜡烛等方式获得灯光，甚至利用夜间可以发光的萤火虫作为光源。

应用火焰作为照明

夜色下的萤火虫

从原始时代，再到古代，人们在夜晚主要是以火焰作为主要照明方式，从原来的木柴转变到运用植物油作为燃料，但照明的本质是不变的。那么火焰为什么能带来光亮呢？

我们知道燃烧是一个剧烈的化学反应，并且反应过程中会释放大量的能量，一个化学反应会涉及化学键断裂，吸收能量；化学键生成，放出能量。燃烧反应后者高于前者，因此这类反应将不断产生大量的能量，多余的能量会被电子吸收，原子核外部是由很多电子层组成的，当电子吸收能量之后，会由低能级轨道跃迁至高能级轨道。高能级轨道的电子极不稳定，容易跃迁回低能级轨道，并以光子的形式放出能量，而这些光子能量足够高，以至于其频率在我们人眼能看见的可见光的频率范围内(当然也有不在该范围内的)，这就是我们看见的火光。

原子核及电子结构

激发态电子从高能向低能跃迁，产生光波

通过这类化学反应发射出的可见频率的光波形成的可见光，于是人类也能在夜间愉快的玩耍了，并且在人类发现了火之后，利用火焰加热食物，杀死病菌，于是人类开始食用更好消化和更卫生的食物，也进一步促进了远古人类的快速进化。

二.白炽灯时代

在电灯问世以前，人们普遍使用的照明工具是煤油灯或煤气灯。这种灯因燃烧煤油或煤气，因此，有浓烈的黑烟和刺鼻的臭味，并且要经常添加燃料，擦洗灯罩，因而很不方便。更严重的是，这种灯很容易引起火灾，酿成大祸。多少年来，很多科学家想尽办法，想发明一种既安全又方便的电灯。

煤油灯

灯是人类征服黑夜的一大发明。真正发明电灯使之大放光明的是美国发明家爱迪生。他是铁路工人的孩子，小学未读完就辍学，在火车上卖报度日。爱迪生是一个异常勤奋的人，喜欢做各种实验，制作出许多巧妙机械。他对电器特别感兴趣，自从法拉第发明电机后，电就普及到千家万户，但将电能变为光能一直没有被解决，于是爱迪生就决心制造电灯，为人类带来光明。

科学家爱迪生

19世纪初，英国一位化学家用2000节电池和两根炭棒，制成世界上第一盏弧光灯。但这种光线太强，只能安装在街道或广场上，普通家庭无法使用。无数科学家为此绞尽脑汁，想制造一种价廉物美、经久耐用的家用电灯。

1879年10月21日，爱迪生通过长期的反复试验，终于点燃了世界上第一盏有实用价值的电灯。从此，爱迪生的名字，就象他发明的电灯一样，走入了千家万户。

爱迪生当初所发明的电灯模型就是我们所使用的白炽灯。

白炽灯

白炽灯的发明彻底的影响了人类的生活方式，所以说往往一项颠覆式的技术会给社会发展带来巨大的推动力。

那么白炽灯又是如何将电能转换成光能的，我们再来了解一下白炽灯的发光原理：

首先电流通过灯丝，由于灯丝具有一定的电阻，因此由于焦耳效应会产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上的白炽状态（灯丝一般采用钨丝，熔点约3000摄氏度左右），这时候组成灯丝元素的原子核外电子会被激发，从而使得外层电子跃迁到较高能量电子层，当电子再次向低能量的电子层跃迁时，多余的能量便以光的形式释放出来，并同时产生热量，故称之为白炽灯。

白炽灯中的钨灯丝

形象点说就是：灯丝在处于白炽状态时，就像烧红了的铁能发光一样发出光来。为防止极高温度的灯丝被氧化烧断，一般将灯泡里面抽成真空或充入其它惰性气体。理论上灯丝的温度越高，发出的光就越亮。因此，白炽灯的发光原理和火焰发光原理有一丝丝相似，都是通过产生大量的热量激发电子，发生电子的跃迁从而释放能量辐射出电磁波。

但是我们现在身边所用的灯具中似乎看不见白炽灯了，主要是白炽灯存在下列一些缺点：

①发光效率不高。

我们上面讲到，白炽灯是通过将电能转换成热能，在将热能转换成光能，因此，白炽灯的光电转换效率极低，只有一小部分电能能转换成光能，大部分能量以产生的热量散失掉了。根据计算，白炽灯的发光效率仅为5%左右，极大的浪费了能源，因此，2014年，美国政府在境内全面禁止生产和进口白炽灯计划正式生效。加拿大也从2014年1月1日起，正式禁用 75W 及100W 的白炽灯，而40W和60W 的灯泡，也将会于 2014 年 12 月 31 日全面禁用。欧盟已在2012 年全面禁止销售白炽灯。国内也有一部分地区已经禁止白炽灯的使用。

②使用寿命较短

白炽灯是一种热辐射光源，利用电流通过灯丝使灯丝产生高温而发光。白炽灯发光时灯丝的温度可以达到3000度。白炽灯很容易因为高温导致灯丝烧断。因此白炽灯的寿命普遍较低，平均寿命大约1000小时。并且因为高温蒸发形成的钨蒸气会在灯泡的玻璃内部凝华，形成一层黑色物质，影响后期的灯泡亮度。

玻璃内表面覆盖一层细小钨颗粒

③照明光线存在色差

由于白炽灯是通过发热从而产生光亮，在发光方面颜色偏黄，因此在照明时导致看到的物体颜色存在偏差。但这个其实也并不完全算缺点，这个颜色的光线较柔和，而且其亮度低，不刺眼，色调有红、黄两种，会更接近于日光效果，所以对于视力健康也是有利的。

三.节能灯、LED灯时代

上述说过了白炽灯存在的一些缺点，因此逐渐被淘汰。现在我们生活中所使用的照明灯基本都是节能灯和LED灯。

1.节能灯

节能灯

节能灯灯管

节能灯顾名思义，更加节约能源，效率更高的点灯，那么相比较于白炽灯，为什么能源消耗更低呢？因为节能灯的发光机制和白炽灯完全不同，下面我将介绍白炽灯的发光机制：

和普通白炽灯工作原理不同,节能灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热。

电子镇流器

节能灯原理图

大约在887℃温度时,灯丝就开始发射电子(因为在灯丝上涂了一些电子粉)，电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离,发出253.7nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发光，由于荧光灯工作时灯丝的温度在887℃左右，比白炽灯工作的温度1927～2427℃低很多，所以它的寿命也大大提高,达到5000h以上，由于它不存在白炽灯那样的电流热效应，荧光粉的能量转换效率也很高,达到每瓦50lm以上。

平时我们见到的节能灯管都是白色的，正是因为玻璃管内壁涂上了一层荧光粉，当荧光粉吸收了紫外线后便能释放出可见光。或许有些小伙伴也见过破碎的灯管中有大量的白色粉末，正是这个原因。

节能灯发光原理示意图

由于节能灯是通过气体放电工作的, 不存在白炽灯那样的电流热效应, 荧光粉的能量转换效率也很高, 达到每瓦 50 流明以上; 而且节能灯的光效率比白炽灯高 4 到 5 倍, 寿命则长 5 到 7 倍, 所以, 节能灯更节能。

那么现在还有一种科技感更强，效率更高的电灯，它就是LED灯。

2.LED灯

LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写 它是半导体二极管的一种，利用它的特性可以把电能转化成光能。从 1962 年第一只红色二极管面世后，不同颜色的二极管也被陆续地开发出来。

普通发光二极管结构

发光二极管中最重要的一个部位就是P-N结，要是由Ⅲ—Ⅳ族化合物制作而成 ，发光二极管的核心部分是由P型和N型半导体组成晶片的过渡层—P-N结。所以，它具有P-N结的电压电流特性即正向导通、反向截止和击穿特性。同时还具有一些独特的性质，即在一定的条件下具有发光特性 。下面是详细解释：

P-N结的基质是一般是硅单质，P-N结就是由两边分别由P型和N型半导体结合而形成的。硅的核外电子数为4。

N型半导体是在硅中掺杂Ⅳ族元素，如P(磷)元素，Ⅳ族核外电子数为5，于是掺杂元素与硅元素共用电子，形成核外电子数为9 的结构，当核外电子数为8时为稳定结构，多出的一个电子形成自由电子，于是形成N型半导体

N型半导体

P型半导体是在硅中掺杂Ⅲ族元素，如B(硼)元素，Ⅲ族核外电子数为3，于是掺杂元素与硅元素共用电子，形成核外电子数为7的结构，当核外电子数为8时为稳定结构，空出的一个位置形成自空穴，于是形成N型半导体。

N型半导体

P型和N型半导体结合形成P-N结，由于P型半导体存在多余电子，电子浓度较大，于是P型半导体中的电子会流向N极半导体。由于扩散作用导致电荷不平衡形成内建电场。

P-N结的形成

内建电场的形成

当外电压与内建电场方向相同时，相当于加入负电压，内建电场继续加强，导致电子难以注入，因此无电流产生，这也是二极管具有单向导电性的本质原因。

当外电压与内建电场方向相反时，可形成电流，也就是加入正向电压，在正向电压情况下 ，电子由N区注入P区，相反空穴由P区注入N区，在这个过程中注入的电子会与空穴复合，复合时会将剩余的能量以光子的形式释放出来，空穴与电子复合时能释放出的能量也不同，释放出的能量越多，所发出的光的波长也越短。在生活中常见的有发红光、绿光、黄光的二极管。从而实现了将电能转换为光能的过程。光的强弱与电流有关，电流越大，发的光越强。

加入正向电压形成电流

由于LED灯是直接将电能转换成光能，因此发光效率极高，亮度大，产生的热量小，寿命可达2万小时以上。现在很多微型到大型设备都使用LED灯。比如很多高档汽车配备超清LED大灯，更显奢华。

汽车LED大灯

生活中处处可见的小型LED灯。

LED台灯

那么以上就是人们历史上所经历的照明技术，它们的发光原理。你都看懂了吗？

世界之大，只有你想不到，没有做不到。

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比心

编辑：zeng

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