LED燈更節能環(huán)保的優(yōu)勢何在？

　　白熾：并不高明的發(fā)光

　　在了解發(fā)光二極管的工作原理以及它為什么更加節能之前，我們不妨來(lái)看一下傳統的白熾燈，也就是俗稱(chēng)的電燈泡是如何發(fā)光的。

　　如果我告訴你，我們身邊的所有物體都在發(fā)光，你可能會(huì )覺(jué)得非常驚訝。是呀，常識告訴我們，天空中只有恒星能發(fā)光，連月亮都是反射光；生活中除了電燈、蠟燭等，沒(méi)看見(jiàn)其他的物體也在發(fā)光呀？

　　科學(xué)家告訴我們，任何物體只要它的溫度高于絕對零度，就無(wú)時(shí)無(wú)刻不在以電磁波的形式向外界散發(fā)能量，這叫熱輻射。電磁波的波長(cháng)從幾千千米到不足1納米，跨越了巨大的范圍，但是只有400-800納米這很窄的一段才能被我們的眼睛所感知，這就是通常所說(shuō)的可見(jiàn)光。所以我們可以說(shuō)，包括我們自身在內的所有物體都在發(fā)光。

　　然而一個(gè)物體發(fā)出的電磁波并不是均勻地覆蓋所有的波長(cháng)，而是主要地集中在某個(gè)波長(cháng)附近，而這個(gè)波長(cháng)的長(cháng)短與物體的溫度成反比。對于溫度在室溫附近的物體來(lái)說(shuō)，它們發(fā)出的電磁波主要集中在波長(cháng)比可見(jiàn)光長(cháng)的紅外線(xiàn)，所以可見(jiàn)光的比例微乎其微。這就是我們看不見(jiàn)這些物體在發(fā)光的原因。

　　隨著(zhù)物體溫度一步步升高，它的熱輻射不僅會(huì )變得更加強烈，而且發(fā)出的電磁波也逐漸變得以可見(jiàn)光為主，因此這些原本看不見(jiàn)發(fā)光的物體會(huì )變得明亮起來(lái)。例如電爐絲加熱到幾百攝氏度時(shí)會(huì )發(fā)紅，就是因為溫度升高使得紅光取代了紅外線(xiàn)，在熱輻射中占據了支配地位。如果溫度繼續升高到幾千攝氏度，那么可見(jiàn)光中波長(cháng)更短的黃、綠、藍等顏色的光也被大量釋放出來(lái)。不同波長(cháng)的可見(jiàn)光混合在一起，我們就看到了與陽(yáng)光類(lèi)似的白光，這就是白熾現象。在白熾燈出現之前，人們通過(guò)燃燒柴火、燈油或者各種蠟來(lái)照明，實(shí)際上也是在利用白熾現象，只不過(guò)這時(shí)候利用的是化學(xué)反應產(chǎn)生的高溫；而白熾燈則是通過(guò)電流將鎢絲加熱到2，000攝氏度以上，從而產(chǎn)生大量的可見(jiàn)光。

　　圖1 不同溫度的物體的熱輻射的比較，曲線(xiàn)由上至下分別是溫度為15，000K（0K對應-273.15攝氏度）的恒星、溫度為5，800K的恒星（太陽(yáng)）、溫度為3，000K的恒星和溫度為310K的人體可見(jiàn)物體。橫縱坐標分別為波長(cháng)（單位為納米）和熱輻射的相對強度，平行于縱坐標的窄色帶表示可見(jiàn)光的范圍。由此可見(jiàn)物體溫度必須足夠高才會(huì )發(fā)出大量的可見(jiàn)光。　　白熾現象只是物體被加熱時(shí)的一個(gè)“副產(chǎn)品”，而特地讓白熾燈發(fā)光要消耗很大的電能，才能把燈絲加熱到很高的溫度，這并不是很劃算。由于所有熱輻射發(fā)出的電磁波都會(huì )覆蓋一個(gè)寬廣的波長(cháng)范圍，白熾燈在發(fā)出可見(jiàn)光的同時(shí)還會(huì )發(fā)出大量的紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)等，它們對提供照明毫無(wú)幫助，卻消耗了大量的能量。打個(gè)比方，某天你到食堂想買(mǎi)10元錢(qián)的饅頭，大師傅卻給你5毛錢(qián)的饅頭和9.5元錢(qián)的米飯。你說(shuō)我今天不要米飯，只要饅頭；大師傅說(shuō)不行，饅頭和米飯只能這樣搭配著(zhù)賣(mài)。為了保證買(mǎi)到足夠的饅頭，你只好花200元買(mǎi)來(lái)10元的饅頭，多花了190元錢(qián)。白熾燈的工作原理就像這樣，輸入的電能只有5%左右能夠被轉化成可見(jiàn)光，其余都變成熱能白白浪費掉了。

　　白熾燈極低的效率不僅浪費大量的電能，產(chǎn)生的熱量也帶來(lái)了很多令人頭疼的問(wèn)題。這些熱量傳遞到環(huán)境中，可能會(huì )讓使用者感到不舒服，還會(huì )輕易地讓周?chē)募垙?、布匹等可燃物質(zhì)的溫度升高到燃點(diǎn)以上，帶來(lái)很大的火災風(fēng)險。另外，在幾千攝氏度的高溫下，許多常溫下很穩定的物質(zhì)都會(huì )變得非?；顫?，這意味著(zhù)燈絲很容易損壞。盡管現代的白熾燈使用熔點(diǎn)極高的鎢絲，并將燈泡內部抽成真空或者充入惰性氣體防止鎢被氧化，白熾燈的使用壽命仍然不長(cháng)，一般不超過(guò)1，000小時(shí)。也就是說(shuō)，哪怕燈泡質(zhì)量再好，每天只用提供3-5小時(shí)的照明，一年左右也必須更換了。

　　因此，盡管白熾燈為現代文明的進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻，仍然無(wú)法避免退出歷史舞臺的命運。目前，各國政府都已經(jīng)將淘汰普通白熾燈列上了日程，未來(lái)幾年時(shí)間內，白熾燈將逐漸從人們的視野中消失。那么誰(shuí)來(lái)繼續為我們提供照明呢？那就是發(fā)光原理截然不同的冷發(fā)光。

　　效率更高的冷發(fā)光

　　我們知道，如果用腳去踢一個(gè)放在地上的足球，那么每次足球飛起的速度都不盡相同，這是因為我們很難保證每次用力相同。然而如果讓這個(gè)足球從二樓陽(yáng)臺上自由落下，那么它總會(huì )以相同的速度落到地面。這是因為我們把足球從一樓帶到二樓的過(guò)程中克服了重力的吸引，足球增加了勢能。當足球從二樓落下時(shí)，增加的勢能釋放出來(lái)，賦予了足球速度。由于樓層的高度是固定的，增加的勢能也是固定的，足球落地時(shí)的速度自然也是相同的。

　　我們還知道，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子構成分子是這些電子相互作用把不同的原子維系起來(lái)的。無(wú)論在原子還是分子中，這些電子也像分別住在一棟高樓中，高樓的每一個(gè)樓層被稱(chēng)為能級；樓層越高，對應的能量也就越高。一般來(lái)說(shuō)，電子入住這樣一棟高樓時(shí)，總是從能量最高的“一樓”開(kāi)始，逐漸占據上面的樓層。當全部的電子入住完畢時(shí)，大樓里還會(huì )有許多樓層空著(zhù)。假設某個(gè)分子中的電子占據了大樓的1~10層，如果我們把原本處在下層的電子移動(dòng)到上一層，那么電子在這個(gè)過(guò)程中也增加了能量。如果讓這個(gè)電子回到下層，那么多余的能量也會(huì )被釋放出來(lái)，只不過(guò)不是增加速度，而是釋放出電磁波。如果電磁波的波長(cháng)剛好在400~800納米這個(gè)范圍，那么電子在這個(gè)移動(dòng)過(guò)程中就發(fā)出了可見(jiàn)光。演唱會(huì )上，歌迷手中揮動(dòng)的螢光棒就是一個(gè)典型的例子。螢光棒買(mǎi)來(lái)時(shí)并不會(huì )發(fā)光，一旦我們將它彎曲，螢光棒內部原本被分隔開(kāi)的幾種化學(xué)物質(zhì)混合到一起發(fā)生化學(xué)反應；反應釋放出的能量讓某些電子從能量低的狀態(tài)進(jìn)入能量高的狀態(tài)，當它們再次回到能量低的狀態(tài)時(shí)，光就被釋放出來(lái)了。

　　圖2 冷發(fā)光的一種常見(jiàn)的原理：電子先從外界吸收能量，從能量較低的狀態(tài)進(jìn)入能量較高的狀態(tài)；隨后返回能量較低的狀態(tài)，將多余的能量以可見(jiàn)光的形式放出。　　正在發(fā)光的熒光棒并不像點(diǎn)亮的白熾燈那樣燙手，因此像螢光棒這樣的發(fā)光通常被稱(chēng)為冷發(fā)光。冷發(fā)光并不需要像白熾燈那樣將物體加熱到很高的溫度，因此對能量的利用率自然更高一些。冷發(fā)光還有一個(gè)獨特之處，那就是一般不會(huì )像白熾發(fā)光那樣覆蓋一個(gè)很廣的波長(cháng)范圍，而是集中于某一特定的波長(cháng)。例如一根黃色的螢光棒絕不會(huì )發(fā)出紅光或者藍光，更不會(huì )發(fā)出對照明毫無(wú)幫助的紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)，這也是冷發(fā)光對能量的利用率高于白熾發(fā)光的一個(gè)重要原因。

　　圖3 螢光棒的發(fā)光是典型的冷發(fā)光。通常螢光棒只能發(fā)出一種顏色的光，通過(guò)改變螢光棒中化學(xué)物質(zhì)的結構可以得到發(fā)不同顏色光的螢光棒。

　　熒光燈：冷發(fā)光的典范

　　前面提到的螢光棒是利用了化學(xué)反應讓電子進(jìn)入高能量的狀態(tài)，我們也可以利用光來(lái)給電子提供能量。例如把一張鈔票放在紫外燈下，我們會(huì )發(fā)現有的區域發(fā)出藍光，這是因為這些區域里某些物質(zhì)的電子能夠吸收紫外線(xiàn)的能量，從而產(chǎn)生了冷發(fā)光。這樣由光提供能量的冷發(fā)光被稱(chēng)為熒光或者磷光，而熒光燈就是利用了這一原理。

　　熒光燈燈管的內壁涂有一層熒光粉，兩端是鎢制燈絲，燈管中添加少量的汞，并充入氬氣等惰性氣體。電路接通后，電流流經(jīng)燈絲，大量的電子從燈絲中釋放出來(lái)。這些電子與燈絲中氬氣的原子發(fā)生激烈的碰撞，使得氬原子中的一些電子逃逸出來(lái)；而氬原子自己則帶上正電，變成了氬離子。這些電子和氬離子從燈管的一端移動(dòng)到另一端，在移動(dòng)過(guò)程中放出的熱量把液態(tài)汞變成了汞蒸汽；而進(jìn)入到蒸汽中的汞原子也與電子和氬離子發(fā)生碰撞。碰撞的結果，大量的紫外線(xiàn)從汞蒸汽中被釋放出來(lái)。熒光粉吸收紫外線(xiàn)的能量，隨即產(chǎn)生熒光或者磷光現象。這些物質(zhì)發(fā)出的不再是紫外線(xiàn)，而是可見(jiàn)光。這樣，通過(guò)幾道工序的互相配合，熒光燈就把電能轉化為光能。

　　由于依靠冷發(fā)光原理提供照明，熒光燈的效率要大大高于白熾燈，可以將20-25%的電能轉化為光能。熒光燈的使用壽命也大大長(cháng)于白熾燈，理論上至少可以持續提供10，000小時(shí)的照明。不過(guò)人們仍然不滿(mǎn)足這樣的數字，于是又開(kāi)發(fā)了另一種借助冷發(fā)光原理的燈具——發(fā)光二極管。