燈:聽說現在都流行賽博朋克,我也想試試……

2021-01-15 中科院物理所

迷茫的燈 來源:giphy

書接上回,上回說到,人類自從進入電氣時代,照明工具也發生了翻天覆地的變化。燈光帶領我們走出了來自原始的黑暗,也點綴著我們的生活。

不僅如此燈光在我們探索世界,進行科學研究的過程中也發揮著無可取代的作用 。在電影和動畫作品中,燈光總是和能量聯繫在一起。那麼燈的發展過程中都帶來了些什麼呢。

小霓虹燈一加持,賽博朋克就在此chi (三聲)。

來源:電影《銀翼殺手2049》

愛是一道光,綠到你發慌。

綠色LED戒指一裝,綠燈俠的酷炫你來裝。

來源:電影《綠燈俠》

各種電光源都有哪些,他們都什麼樣子呢。

燈泡的發家史[1]

1809年英國化學家漢弗萊·戴維(Sir Humphrey Davy)(的確是化學家,他就是發現了「笑氣」的那個人hhhh),在兩根連接了電源,相互靠近的碳棒上發現了碳蒸汽的電弧光。並以此發明了第一個電燈——碳弧燈。起初這種燈為井下採礦的工人提供了十分便利的照明條件。[2]

當時還有一個裝置叫Yablochkov蠟燭,或者電蠟燭,就是屬於一種碳電弧燈。他們都是利用高電壓差電極之間的電弧光進行發光。[3]

一種電弧燈 來源:百度百科

從此電燈作為照明設備,我們生活中的照明設備經歷了從高能耗到現在低能耗的一系列轉變。

白熾燈,螢光燈,LED燈這三種,能量效率依次升高。這就是三種典型的電光源,根據原理也可以將他們分為三種光源類型——高溫輻射型,氣體放電型和電子空穴複合發光型。

高溫輻射型光源

這種類型的光源主要是指白熾燈。真正實現白熾燈產業化的,是1879年英格蘭的託馬斯·愛迪生(Thomas A. Edison)和他的助手。再後來美國科學家將白熾燈中的燈絲換成了鎢絲,延長了白熾燈的壽命,就是我們過去用的那種亮的發燙的電燈泡啦。

用白熾燈和機械裝置模仿的牛頓擺 來源:identi.li

氣體放電型電光源

這類燈主要指螢光燈(日光燈)、節能型螢光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金滷燈等品種。

日光燈管具有危險性 來源:giphy

危險動作請勿模仿 !

日光燈也就是我們說的螢光燈,它的前身可以說就是弧光燈,如汞蒸氣燈。美國人Peter Cooper Hewitt於1901年為汞蒸氣燈申請了專利。汞蒸汽燈使用封閉在玻璃燈泡中的蒸氣受激輻射出蒸汽的原子光譜中的光。這屬於一種金屬蒸汽燈,要說金屬蒸汽那還包括鈉燈。如果裡面充的是非金屬氣體,那就是氣體放電燈,這就包括氙燈和氖燈,霓虹燈就屬於這種。[4][7]

過去汽車都用的是氙氣大燈,現在逐漸的用起了LED燈,某品牌的汽車因為其酷炫的車燈還被稱為「燈廠」

來源: 網絡

常見氣體光譜 來源:Rochester Institute of Technology

汞蒸氣燈發出的是短波長的光——藍紫光和紫外線,汞蒸氣燈和螢光燈之間的區別在於,螢光燈的內部鍍有螢光塗層,利用螢光塗層增加了汞燈的效率,螢光燈實際上是利用螢光間接發光的。

用輝光球的交流電場引發節能燈亮起來 來源:giphy.com

這個更酷炫 來源:giphy

如果燈泡內充的是金屬滷化物蒸汽,那就是金滷燈。

金滷燈 來源:edisontechcenter

電子空穴複合發光——LED光源

2014年,諾貝爾物理學獎授予了發明了藍色LED的三名日本科學家,分別是赤崎勇,天野浩和中村修二。自從LED藍光被開發,LED白光得以創造出來,LED顯示屏就能夠進行商業化推廣了。也才能有我們一邊手指指向耀眼的燈球,一邊DISCO啊。

三種顏色的LED燈球 來源:giphy

其他光源

微波硫燈,簡稱硫燈,它只有20多年的歷史,是一種能發射連續光譜的高效光源,能夠用來模擬太陽光。這種燈是通過2.45 GHz的高頻微波激發硫粉,使其成為等離子態,由於等離子態的硫主要是以二聚體的形式存在(S2)。所以與其他燈光發射原子光譜不同的是,硫燈發射的是連續的分子光譜,而且光譜範圍基本上都在可見光內。這種燈非常貴,但是亮度高,一般用在大型室內場所。[5]

硫燈 來源:Technigraf

奧特曼打小怪獸,要是沒有了最後的一光致命那可真是少了些心情舒暢。至於奧特曼最後的大招是什麼,小編更傾向於認為是雷射。(要不然這沒法寫了)關於雷射的原理,還有光是如何產生的,可以參考往期文章——現代物理學教你發射奧特曼的必殺光線。

燈除了照明還可以幹什麼

燈能起到提示的作用。從小就學過路口要看紅綠燈,有的小夥伴把手機消息提醒設置成閃光燈,能閃瞎人的狗眼,不僅如此奧特曼胸前的紅色LED+雷射器還能起到提示奧特曼該放大招了的作用。

火神山雷神山醫院建設一開始就裝上了紫外燈。紫外燈也是主要靠汞蒸氣激發放出的紫外光譜,紫外線能量高等夠有效的破壞病毒細菌結構,紫外燈可以消毒也成了我們近日的關注熱點,疫情還沒有結束,請大家要繼續堅持做好消毒和防護工作。[6]

紫外燈 來源:京東

我們還能檢測螢光,利用螢光定量PCR技術,從而實現對新冠病毒的檢測。用螢光染料標記新冠病毒遺傳物質,這些螢光標記就像一個個小燈泡只要接觸到病毒遺傳物質的特定片段,就會發出螢光,於是我們就能檢測到它們的存在。

我們可以通過白平衡來調節照片的色溫。也就是相當於給相機拍攝的畫面打上燈光。攝影中講的調節照片的色溫,和白熾燈的原理一樣,都遵循黑體輻射的原理。溫度越高對應的色溫越「冷」越,「藍」,反之色溫越「暖」,越「紅」。

光源和對應的色溫 來源:微信 攝影大課堂

燈光給我們帶來便利的同時也點綴著我們的生活,2019年故宮的「上元之夜」給遊客們帶來了燈光的盛宴,一眼望去美不勝收。

燈光版清明上河圖 來源:中國經濟網

燈光不僅讓我們走出了黑暗,

還讓我們看到更加多彩的夜晚。

燈光雖然秀,但是節約用電的你更加優秀!

參考文獻:

[1] The History of Lighting and Lamps

[2] Sir Humphrey Davy

[3] Yablochkov candle

[4] 常用電光源的分類

[5] sulfer lamps

[6] 新聞裡提到的新冠病毒核酸檢測是如何檢測的?

[7] Spectroscopy: Interaction of light and matter

編輯:Kun

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