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白熾燈

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白熾燈泡,E27螺旋型燈頭
白熾燈泡,B22英語Bayonet mount釘頭
愛迪生的燈泡草圖

白熾燈(熾,注音ㄔˋ,拼音chì)[1],俗名鎢絲燈,是一種透過通電,利用電阻把幼細絲線(現代通常為絲)加熱至白熾,用來發的燈。白熾燈燈泡外圍由玻璃製造,把燈絲保持在真空,或低壓的惰性氣體(如鹵素燈)之下,作用是防止燈絲在高溫之下氧化

歷史[編輯]

美國人亨利·戈培爾傳說比愛迪生早數十年已發明了相同原理和物料,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。但根據一篇於2007年發表的研究結果,這傳說不足為信。[2]

1801年,英國化學家戴維絲通電發光。他亦在1810年發明了電燭,利用兩根碳棒之間的電弧照明。1854年亨利·戈培爾使用一根炭化的絲,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[3]

1850年,英國約瑟夫·威爾森·斯旺開始研究電燈。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氣,以通電的碳桿發光。但是他們無足夠財力繼續發展這發明,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。

匈牙利化學家約斯特(Sándor Just)跟克羅埃西亞發明家哈那曼(Franjo Hanaman)發現比起碳燈絲, 使用鎢當作燈絲能夠使燈泡更亮並且壽命更長, 他們兩人在1904年獲得了匈牙利的專利(No. 34541), 並且匈牙利的通斯朗公司英語Tunsram開始在許多歐洲國家銷售鎢絲燈泡。之後在1906年,通用電氣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。[4]

鎢絲燈的最大問題是燈絲的升華。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,鎢絲亦升華得較快,於是造成鎢絲變細,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升華。今天多數的鎢絲燈內都是注入氣。

現代的白熾燈一般壽命為2,000小時左右。

構造[編輯]

白熾燈構造圖
  1. 白熾燈外形輪廓。
  2. 低壓惰性氣體。
  3. 燈絲,鎢絲。
  4. 細金屬線(連接至燈頭尖端)
  5. 細金屬線(連接至銅片)
  6. 支撐金屬線
  7. 支撐棒
  8. 細金屬線
  9. 銅片
  10. 絕緣體
  11. 燈頭尖端

種類[編輯]

接口類型[編輯]

拋物面鍍鋁反射燈[編輯]

鹵素燈泡[編輯]

紫外線濾鏡下的鹵素燈泡

鹵素燈泡,亦稱鎢鹵燈泡,是白熾燈的一種。原理是在燈泡內注入鹵素氣體。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熔點更高的熔凝石英或硬的玻璃。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。如果手指摸到應以消毒酒精清潔。

燈芯[編輯]

200瓦白熾燈的燈芯

電燈芯指的是通過電流燃燒時,發出光芒金屬纖維,通常是用來作為燈絲轉換電能為光能,和真空管元件轉換電能為熱能之用。而白熾燈是由亞歷山大·洛地均(Alexander Lodygin,於1874年)與約瑟夫·威爾森·斯旺(Joseph Wilson Swan,於1878年)所發展。

最早發展成功的燈芯是由來自竹子所製成,後來由鎢取代。

優缺點[編輯]

缺點[編輯]

由於白熾燈只有少於10%的能量會成為光。各光源的光效及使用開支比較如下:

燈泡性能與開支比較(美國電價,相當於60瓦白熾燈亮度)
白熾燈[5] 鹵素燈[6] 省電燈泡[7] LED[8]
售價 $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[9] 800
光效(流明/瓦特) 14.3 17.4 55.4 94.1
色溫(開爾文) 2700 2920 2700 2700
演色性(CRI) 100 100 82 80
壽命(小時) 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年數(每天6小時) 0.46 0.46 4.6 6.8
20年電費(0.11美元/KWh $289 $207 $67 $41
20年總開支 $307 $259 $70 $53
(按白熾燈亮度比例折合) $307 $297 $78 $57
基於每日六小時用量計算(20年共43,800小時)

許多地方已經開始淘汰白熾燈泡,以下是時間表:

白熾燈淘汰進度
歐盟 2012年
愛爾蘭 2009年初
澳大利亞 2010年
阿根廷 2010年
義大利 2010年
法國 宣稱2010年但無進一步訊息
英國 零售商2011年不再販售
荷蘭 自願於2011年
中華民國 (台灣) 2012年
日本 2012年1月[10]
加拿大 2012年
美國 2014年
中華人民共和國 2012年-2017年逐步淘汰[11]
香港 2015年[12]

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,使用標準電燈泡的愛迪生螺旋接口,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,以鈉燈最為常見。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,比鎢絲燈高出約十五倍。高壓鈉燈效率稍低,但顏色較為豐富。

2000年代起,則以發光二極管高強度氣體放電燈照明開始發展流行。前者的優點是非常長壽,現已陸續地用於交通燈、手電筒、汽車上之剎車燈及指揮燈之上。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。

型式 光源效率
(LM/W)
平均壽命
(小時)
特性 使用範圍
普通燈泡
Normal Incandescent
8--20 1500-2000 安裝及使用容易,立即可以啟動,成本低 住宅之基本照明及裝飾性照明
反射燈泡
Reflector
8--25 1500-2000 反射燈泡可以做聚光投射 反射燈泡可用於重點照明
一般鹵素燈和特殊儀器用鹵素燈
Halogen
12--35 4000-10000以上 體積小,亮度高,光色較白,安裝易,壽命較普通燈光超長,釋出紫外線較多,部分甚至會超過太陽,需選用帶有紫外線濾鏡的產品。 商業空間之重點照明,

不易更換或高階產品

優點[編輯]

傳統省電燈泡並不耐經常點滅及潮濕,對於需要經常點滅或潮濕的場所(例如:浴室、廁所、陽台),白熾燈較省電燈泡更為適合。白熾燈(包含鹵素燈)的光譜是連續而且平均的,擁有極佳演色性的優點;而螢光燈、LED是離散光譜,演色性低,低演色性光源不但會讓人覺得顏色不好看、對於健康及視力也有害。傳統燈泡還有可調光、耐點滅及無汞的優點。目前的解決方案如下:

  1. 採用鹵素燈:用鹵素燈取代白熾燈大約能減少30%的電力、且鹵素燈演色性及色溫與白熾燈幾乎相同,代表光線品質足以全面取代白熾燈,因此國際大廠有推出接頭與白熾燈一樣的鹵素燈。只是鹵素燈壽命的延長比價格的增加少。
  2. 改進白熾燈泡:可以將紅外線反射回燈絲、以減少能耗,目前已推出的產品可以節省30%的能耗[13],研發中的產品則可以減少50%能耗;但這種燈泡的問題在無法降低整體成本。另外的方法則是利用雷射處理鎢絲,也可以節省相當能源[14]
  3. 以CCFL省電燈泡取代傳統使用螢光燈的省電燈泡,可以大幅減少汞使用量;LED燈泡則是無汞、但LED目前有演色性差、不耐熱的問題。
  4. 高演色性省電燈泡:若能提高傳統螢光燈/燈泡的演色性,可以讓更多人願意淘汰白熾燈,但高演色性產品仍然不夠普及,而光線品質能完全取代白熾燈的螢光燈/CCFL/LED則在等待技術上的大突破。
  5. CCFL/LED:傳統省電燈泡並不耐經常點滅,對於需要經常點滅、又不嚴格要求演色性的場合,CCFL、LED技術的省電燈泡較為適合。
  6. 目前CCFL/螢光燈管/LED雖然可以調光、但大多不能使用傳統白熾燈的調光器、而且調光成本高。


演色性:光源除量以外亦有質的表現,光源的品質是由光源的色彩表現而定,也就是光源使物體呈現其本身色彩的能力,演色性的好壞取決於光源光譜強度分布。

參見[編輯]


參考文獻[編輯]

  1. ^ 熾,注音ㄔˋ,教育部重編國語辭典修訂本
  2. ^ Hans-Christian Rohde: Die Göbel-Legende – Der Kampf um die Erfindung der Glühlampe. Zu Klampen, Springe 2007, ISBN 978-3-86674-006-8
  3. ^ Josephson, Matthew. Edison: a biography. McGraw Hill. 1959. 
  4. ^ The History of Tungsram (PDF). (原始內容 (PDF)存檔於30 May 2005). 
  5. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  6. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  7. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  8. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  9. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  10. ^ 白熾燈倒數計時 節能照明起飛 韓婷婷/台北/中央社 2011/11/26 15:33 網際網路檔案館存檔,存檔日期2016-03-04.
  11. ^ 中國逐步淘汰白熾燈路線圖 2011年第28號公告 發改委公告 -> 2011年
  12. ^ 淘汰鎢絲燈泡 改善能源效益. Hong Kong's Information Services Department. [2017-03-27] (中文(香港)‎). 
  13. ^ Halogená Energy Saver
  14. ^ Laser boosts light bulb efficiency