愛迪生發明電燈、燈泡的原理!!!? 急!!!!

一般認為電燈是由美國人湯馬士·愛迪生所發明。但倘若認真的考據，另一美國人享利·戈培爾(Heinrich Göbel)比愛迪生早數十年已發明了使用相同原理和物料、而且可靠的電燈泡，而在愛迪生之前很多其他人亦對電燈的發明作出了不少貢獻。1801年，英國一名化學家Humphry Davy 將鉑絲通電發光。他在1810年亦發明了電燭，利用兩根碳棒之間的電弧照明。1854年享利·戈培爾使用一根炭化的竹絲，放在真空的玻璃瓶下通電發光。他的發明今天看來是首個有實際效用的白熾燈。他當時試驗的燈泡已可維持400小時，但是並沒有即時申請設計專利。

1850年，英國人約瑟夫·威爾森·斯旺 (Joseph Wilson Swan)開始研究電燈。1878年，他以真空下用碳絲通電的燈泡得到英國的專利，並開始在英國建立公司，在各家庭安裝電燈。

1874年，加拿大的兩名電氣技師申請了一項電燈專利。他們在玻璃泡之下充入氦氣，以通電的碳桿發光。但是他們無足夠財力繼發展這發明，於是在1875年把專利賣給愛迪生。

愛迪生購下專利後，嘗試改良使用的燈絲。1879年他改以碳絲造燈泡，成功維持13個小時。到了1880年，他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實驗室維持1200小時。但是在英國，斯旺控告愛迪生侵犯專利，並且獲得勝訴。愛迪生在英國的電燈公司被迫讓斯旺加入為合夥人。但後來斯旺把他的權益及專利都賣了給愛迪生。在美國，愛迪生的專利亦被挑戰。美國專利局曾判決他的發明已有前科，屬於無效。最後經過多年的官司，愛迪生才取得碳絲白熾燈的專利權。

愛迪生的最大發現是使用鎢代替碳作為燈絲。之後在1906年，通用電器發明一種製造電燈鎢絲的方法。最終廉價製造鎢絲的方法得到解決，鎢絲電燈泡被使用至今。

電燈泡的最大問題是燈絲的蒸發。因為鎢絲上細微的電阻差別造成溫度不一，在電阻較大的地方，溫度升得較高，鎢絲亦蒸發得較快，於是造成鎢絲變幼，電阻進一步增大的循環；最終令鎢絲燒斷。後來發現以惰性氣體代替真空可以減慢鎢絲的蒸發。今天多數的電燈泡內都是注入氦、氬或氪氣。

現代的白熾燈一般壽命為1,000小時左右。

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鹵素燈泡

紫外線濾鏡下的鹵素燈泡鹵素燈泡(Halogen lamp)，亦稱鎢鹵燈泡，是白熾燈的一種。原理是在燈泡內注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發的鎢絲與鹵素進行化學作用，蒸發的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環，避免鎢絲過早斷裂。因此鹵素燈泡比白熾燈更長壽。此外，鹵素燈泡亦能以比一般白熾燈更高的溫度運作，它們的亮度及效率亦更高。不過在這溫度下，普通玻璃可能會軟化。因此鹵素燈泡需要採用溶點更高的石英玻璃。而由於石英玻璃不能阻隔紫外線，故此鹵素燈泡通常都而需要另外使用紫外線濾鏡。

鹵素燈泡上的水晶玻璃如果有油，會造成玻璃上溫度不一，減低燈泡的壽命。因此換鹵素燈泡時要避免人手觸及燈泡的玻璃。若果手指摸到應以酒精清潔。

作用是防止燈絲在高溫之下氧化

電燈泡或稱電球，臺灣話稱電火球。其準確技術名稱為白熾燈(Incandescent light bulb)。它是一種透過通電，利用電阻把幼細絲線(現代通常為鎢絲)加熱至白熾，用來發光的燈。電燈泡外圍由玻璃製做，把燈絲保持在真空，或低壓的惰性氣體之下。作用是防止燈絲在高溫之下氧化。

鹵素燈泡(Halogen lamp)，亦稱鎢鹵燈泡，是白熾燈的一種。原理是在燈泡內注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發的鎢絲與鹵素進行化學作用，蒸發的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環，避免鎢絲過早斷裂。因此鹵素燈泡比白熾燈更長壽。此外，鹵素燈泡亦能以比一般白熾燈更高的溫度運作，它們的亮度及效率亦更高。不過在這溫度下，普通玻璃可能會軟化。因此鹵素燈泡需要採用溶點更高的石英玻璃。而由於石英玻璃不能阻隔紫外線，故此鹵素燈泡通常都而需要另外使用紫外線濾鏡。

鹵素燈泡上的水晶玻璃如果有油，會造成玻璃上溫度不一，減低燈泡的壽命。因此換鹵素燈泡時要避免人手觸及燈泡的玻璃。若果手指摸到應以酒精清潔。

大部分白熾燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能，只少於10%的能量會成為光。相比之下，螢光燈(Fluorescent lamp,亦稱光管)的效率高很多，接近40%，所產生的熱只是相同亮度的白熾燈的六分一。故此很多地方，特別是夏天需要空氣調節的商場、大樓都會使用螢光燈照明以節省電力。小型的螢光燈(節能燈泡)把螢光燈及啟動電子結合，使用標準電燈泡的接口，用以替代普通白熾燈泡。例如一個26瓦的節能燈泡，發出的亮度為11瓦，熱量為15瓦。發出相同亮度11瓦的白熾燈泡耗電多四倍，達100瓦；放出熱量多六倍，達90瓦。

很多家居內的電燈仍然是以普通白熾燈為主。鹵素燈泡近年亦變得較為流行，特別是光源需要集中的情況，例如家居的射燈，汽車車頭燈，經常會使用鹵素燈泡。良好的鹵素燈泡可以達到15%的效率。例如一個60瓦的鹵素燈泡，亮度可等同一個100瓦的普通燈泡。但是鹵素燈泡體積細小，運作時溫度非常高。在家居應用時需要特別防護，防止引起火災。

至於而戶外的街燈照明，則以鈉燈(Sodium vapor lamp)最為常見。低壓鈉燈發出的是單調的橙色光線，但是它的效率卻非常高，比普通電燈泡高出約十五倍。高壓鈉燈色效率稍低，但顏色較為豐富。

最近數年的發展，則以發光二極體(LED)及高強度氣體放電燈（High Intensity Discharge　HID)照明開始流行。前者的優點是非常長壽，現已用在交通燈、以及手電筒之上。後者其實是多種技術的統稱(鈉燈亦屬於HID)。很多最新汽車使用的氙氣車頭燈(Xenon HID)、放映機使用的金屬鹵化物燈(Metal Halide)，都是屬於HID。

電燈泡發光的部位是那裡？它發出哪些光譜線？
為何燈泡用久後會黑黑的？（快壞了？）

為何燈泡會燒壞？是怎麼回事？而且通常是在打開的瞬間？

為何有些燈泡壽命較長？差別在那裡？

當燈泡強度由弱逐漸增強時，所發出光線顏色如何變化？




燈泡靠著加熱內部的燈絲（燃點高的鎢絲），使其達到高溫（約 2500℃）。
藉由 熱輻射 而產生可見光。

當物體的溫度低於 400℃時，所輻射出的電磁波大多為人的眼睛所無法偵測的紅外線。

高於400℃時 在暗室內人眼可以感受微弱的亮光。當溫度逐漸增高時，

不僅可見光的強度會增強，顏色也會由暗紅（500℃）轉澄，轉 黃 而至 白光。

在 1700℃時 會輻射出類似蠟燭的橘紅色光。若溫度達 5800℃則能產生如太陽一般的光線。

物體 熱輻射會產生各種不同頻率（波長）的電磁波。

如上圖依照波長由長而短，有 AM 收音機（數百公尺），短波(short wave)，VHF/UHF 及

FM（公尺）等無線電波。微波(microwave)，紅外線（Infrared light)，可見光，
紫外光(Ultraviolet)，X-射線，以及 Gamma射線。

人眼所能觀測到的可見光，只是電磁波譜內的極小段。
燈泡燈絲所發出來的熱輻射主要在 紅外線，可見光以及紫外光的小範圍內。

卻恰好包含著對人眼所能觀測的可見光。

物體 熱輻射所發出的電磁波 不同波長（或頻率）的強度分佈，我們稱為頻譜。

熱輻射頻譜 與 溫度及表面的性質有關（吸收與輻射電磁波的能力），

對於 鎢絲而言，射入表面的電磁波 幾乎百分之百會被吸收。（吸收與輻射係數為 1）

因此 其熱輻射 接近 頻譜只與溫度有關的黑體輻射。
上圖是三種不同溫度的黑體所輻射出的頻譜圖。

可以發現 燈泡並不是一種很有效率的發光裝置。

大部份的熱輻射都在紅外線（熱）的部份，約僅有 5% 的能量屬於可見光的範圍。

只有當溫度超過 5000℃時，才會有大部份的能量在可見光範圍內。
燈絲的加熱是靠 帶電粒子在燈絲內流動時，將電能藉由碰撞轉換為燈絲的熱能。

燈絲的溫度會逐漸升高直到 輸入的熱能 與 燈絲的熱輻射功率 相等時，達到熱平衡。

最早期的燈絲，是採用 碳(carbon)與 白金(platinum)。

碳原本是最有希望的材料。1879年 愛迪生 曾經試用碳燈絲 且 使用了 數百小時。

雖然『碳』有極高的熔點（3550℃），但是卻有著低的 『昇華』溫度。

在低溫時 直接由固體昇華為氣態。因此很容易消耗，使用壽命短。

而且必須完全隔絕空氣（會在空氣內燃燒）。

目前幾乎都是使用 熔點為 （3410℃）的鎢絲，優點是低於熔點時其『昇華』的速率較低。

因此可以加熱到較 『碳絲』更高的溫度。

鎢絲一樣會在空氣中燃燒，因此需要燈泡抽成真空。

為了使 更多的電能能夠轉換成 熱能，必須要增加『鎢絲』的電阻，

因此 想方法 使其 增長且變細。如右圖

60瓦特的鎢絲 直徑約 25 微米（25μm ，約頭髮直徑的 1/4)

長度約 2 公尺（沒錯），纏繞成僅 2公分長的細圈。

為了減少最後燈絲直線長度，

通常燈絲都是先繞成直徑0.25mm（釐米）的圈圈，
再繞成螺旋狀的燈絲。（由於製造不易，直到 1937年才成功製成）
為了避免燈絲的昇華，燈泡內注入了 惰性氣體。這些氣體主要為 氬氣（argon)

並且不包含 氧氣。藉由碰撞使部份氣化的鎢原子 能夠重回燈絲。

雖然惰性氣體增加了燈絲的使用壽命，但是也付出了一些代價。

原本真空的燈泡內 由於惰性氣體的存在 增加了熱的傳導與對流，

帶走了能量，於是降低了平衡的溫度。
昇華的鎢氣 於惰性氣體內形成微弱的粒子也藉由 對流在燈泡內表面形成 黑點。
由於氪氣是較不良的熱傳導體， 灌充 氪氣 的燈泡 比一般灌 氬氣的燈泡

有更高的效率發光，
但是氪氣僅佔大氣中 百萬分之一的含量，因此製作成本高出較多。


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為了增加 燈泡的使用壽命，可以加長 鎢絲的長度。讓熱能分佈在更長的空間內，

於是會降低燈絲的溫度，自然減低昇華的情形，也就延長了 燈泡的壽命。

可是 因為溫度也降低了，因此產生可見光的 發光效率也降低了。

燈泡變得較暗，需要較高功率的燈泡才能產生相同的亮度。

雖然 增加了燈泡的使用壽命 省了點錢，但是所浪費的電能是否值得，就值得考量。

因此 長壽命燈泡 通常使用在 不易更換 燈泡的場所 較划算。

若是使得燈絲的長度更長，其溫度溫度更低，甚至只發出暗紅的微弱燈光，

卻仍然可明顯的感受所發出的熱（紅外線）。

另外對於早期照相使用的閃光燈，為了要能產生更接近於太陽光的頻譜，

於是縮短其燈絲長度，使其在更高的溫度下工作，因此其工作壽命也就縮短為數小時。

（燈絲內加入的氣體，使得所產生的頻譜相當於約4500℃黑體的頻譜--高於燈絲溫度）


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