日光燈管中看似空無一物,它是如何發光的?燈管內外發生了什麼?

2020-12-04 科學信仰

在LED燈盛行之前,日光燈管一直都是使用最為廣泛的照明工具,包括節能燈泡,它的本質其實仍然是日光燈管的一種。

日光燈管與最為傳統的白熾燈泡的區別就在於,它大大節約了能源,燈管比燈泡省電,這是一個基本的常識,所以後來才根據日光燈管的原理製作出了節能燈泡。關於日光燈管,很多人可能都心存疑問,它是如何發光的呢?

傳統燈泡的發光原理很好理解,它是依靠燈泡中的燈絲來實現發光的,而日光燈管之中看起來什麼都沒有,一個什麼都沒有的管子如何能夠發出日光呢?日光燈管的發光是燈管內外完美配合、共同協作的結果。日光燈的發光原理本身並不算複雜,但是其中卻充滿了精巧和智慧,我們先來看看燈管之外發生了什麼。

燈管之外的事情

將一根導線彎成螺旋狀的圓柱體就成為了一個物理元件,這個元件被稱之為「自感」。一根導線在彎成螺旋狀之後與之前有什麼不同呢?在平穩電流從中通過的時候,並無不同,但如果電流出現變化,自感就會產生一個電動勢,這個電動勢就會對電流的變化產生阻礙。

如果在自感上一個燈泡,那麼在電流接通後,燈泡會慢慢變亮,自感不僅能夠阻礙電流的增大,同樣也會阻礙電流的減小,當關閉開關後,自感會因阻礙電流的減小產生上百伏,甚至更高的電壓,所以在關燈的時候,有時候會在開關處打出火花。自感的構造雖然簡單,但卻是日光燈管能夠發光的關鍵一環。在日光燈管的整體結構中,自感實際上就是我們通常所說的鎮流器。

日光燈管的結構大體是這樣的,電源、鎮流器、燈管和啟輝器。

啟輝器又被稱之為跳炮,有的地方稱之為「憋火兒」。啟輝器的結構其實也很簡單,大概就是兩個離得非常近但並不相連的金屬片,而周圍充斥著一些稀有氣體。日光燈管就像我們通常所見的那樣,中間似乎什麼都沒有,而且燈管本身又很長,所以在接通電源之後,220V的電壓不足以擊穿燈管,要擊穿一個一米長的燈管至少需要上萬伏特才做得到。

燈管太長,擊穿不了,但擊穿啟輝器很容易,啟輝器內的氣體被擊穿之後開始發熱,熱導致金屬片膨脹,於是兩個金屬片接觸到了一起,於是電流不再通過啟輝器內的稀有氣體傳輸,而是直接經過相連的金屬片,不再通電的稀有氣體會迅速冷卻,冷卻導致金屬片收縮,於是相連的金屬片再次斷開。

啟輝器內的金屬片斷開,導致電路中的電流迅速減小,於是鎮流器,也就是自感,產生巨大的電動勢阻礙電流的減弱,此時鎮流器所產生的電壓達到了上萬伏特,於是乎燈管被擊穿了。

在整個燈管的結構中,鎮流器和啟輝器缺一不可,而當燈管被擊穿點亮之後,啟輝器也就沒有用了,所以我們會發現沒有「跳炮」是開不了燈的,但是一旦把燈打開,再把「跳炮」拿走,是完全沒有影響的。而鎮流器,也就是自感,它的作用就更大,不僅開燈的時候要依靠它,在整個燈管工作的過程中都要依賴於它,因為如果沒有鎮流器,一旦電流增大,就會導致燈管內的電離變多,從而使電阻變小,電阻變小又會進一步加大電流,於是燈管很快就燒了。

燈管裡面的事情

為什麼看似什麼都沒有的燈管被擊穿之後就能夠發光呢?燈管裡看似什麼都沒有,實際上並不是空無一物,裡面有大量的汞,當燈管擊穿之後,電子會撞擊汞原子,於是汞原子由低能級進入高能級,而後又會由高能級降回低能級,在這個過程中,汞原子就會釋放出紫外線。而紫外線並非可見光,人眼是看不到的。不過不要緊,當我們在燈管表面塗上螢光粉之後,螢光粉會吸收紫外線,之後發出螢光,於是燈管就亮了起來。

和傳統的燈泡相比,燈管要節能很多,因為傳統燈泡依靠燈絲髮熱發光,浪費了大量能源,所以日光燈管的節能效果是傳統燈泡的五倍以上,所以人們利用日光燈管的原理又發明了節能燈泡,節能燈泡實際上就是日光燈管,和日光燈管相比,節能燈泡的區別在於它把鎮流器和燈管做成了一個整體。#百家探索#

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