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第85集 LED是如何发光的?

第85集 LED是如何发光的? 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-24   浏览数:
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  2014年的诺贝尔物理学奖让发光二极管成为了公众关心的焦点。近些年来,从发光二极管提供背光的液晶显示器到照明用的台灯,这种新型的照明方式正在越来越多地出现在我们的生活中。那么,发光二极管与传统照明方式相比,有哪些优点,它又是如何为我们提供照明的呢? 

  在了解发光二极管的工作原理以及它为什么更加节能之前,我们不妨来看一下传统的白炽灯,也就是俗称的电灯泡是如何发光的。 

  科学家告诉我们,任何物体只要它的温度高于绝对零度,就无时无刻不在以电磁波的形式向外界散发能量,这叫热辐射。电磁波的波长从几千千米到不足1纳米,跨越了巨大的范围,但是只有400~800纳米很窄的一段才能被我们的眼睛所感知,这就是通常所说的可见光。所以我们可以说,包括我们自身在内的所有物体都在发光。 

  然而一个物体发出的电磁波并不是均匀地覆盖所有的波长,而是主要地集中在某个波长附近,而这个波长的长短与物体的温度成反比。对于温度在室温附近的物体来说,它们发出的电磁波主要集中在波长比可见光长的红外线,所以可见光的比例微乎其微。这就是我们看不见这些物体在发光的原因。 

  随着物体温度一步步升高,它的热辐射不仅会变得更加强烈,而且发出的电磁波也逐渐变得以可见光为主,因此这些原本看不见发光的物体会变得明亮起来。例如电炉丝加热到几百摄氏度时会发红,就是因为温度升高使得红光取代了红外线,在热辐射中占据了支配地位。如果温度继续升高到几千摄氏度,那么可见光中波长更短的黄、绿、蓝等颜色的光也被大量释放出来。不同波长的可见光混合在一起,我们就看到了与阳光类似的白光,这就是白炽现象。在白炽灯出现之前,人们通过燃烧柴火、灯油或者各种蜡来照明,实际上也是在利用白炽现象,只不过这时候利用的是化学反应产生的高温;而白炽灯则是通过电流将钨丝加热到2000摄氏度以上,从而产生大量的可见光。 

  白炽现象只是物体被加热时的一个“副产品”,而特地让白炽灯发光要消耗很大的电能,才能把灯丝加热到很高的温度,这并不是很划算。由于所有热辐射发出的电磁波都会覆盖一个宽广的波长范围,白炽灯在发出可见光的同时还会发出大量的红外线、紫外线等,它们对提供照明毫无帮助,却消耗了大量的能量。比如,某天你到食堂想买10元钱的馒头,大师傅却给你5毛钱的馒头和9.5元钱的米饭。你说我今天不要米饭,只要馒头;大师傅说不行,馒头和米饭只能这样搭配着卖。为了保证买到足够的馒头,你只好花200元买来10元的馒头,多花了190元钱。白炽灯的工作原理就像这样,输入的电能只有5%左右能够被转化成可见光,其余都变成热能白白浪费了。 

  白炽灯极低的效率不仅浪费大量的电能,产生的热量也带来了很多令人头疼的问题。这些热量传递到环境中,可能会让使用者感到不舒服,还会轻易地让周围的纸张、布匹等可燃物质的温度升高到燃点以上,带来很大的火灾风险。另外,在几千摄氏度的高温下,许多常温下很稳定的物质都会变得非常活泼,这意味着灯丝很容易损坏。尽管现代的白炽灯使用熔点极高的钨丝,并将灯泡内部抽成真空或者充入惰性气体防止钨被氧化,白炽灯的使用寿命仍然不长,一般不超过1000小时。也就是说,哪怕灯泡质量再好,每天只用提供3~5小时的照明,一年左右也必须更换了。因此,尽管白炽灯为现代文明的进步做出了不可磨灭的贡献,仍然无法避免退出历史舞台的命运。 

  目前,各国政府都已经将淘汰普通白炽灯列上了日程,未来几年时间内,白炽灯将逐渐从人们的视野中消失。那么谁来继续为我们提供照明呢?那就是发光原理截然不同的冷发光。 

  我们知道,如果用脚去踢一个放在地上的足球,那么每次足球飞起的速度都不尽相同,这是因为我们很难保证每次用力相同。然而如果让这个足球从二楼阳台上自由落下,那么它总会以相同的速度落到地面。这是因为我们把足球从一楼带到二楼的过程中克服了重力的吸引,足球增加了势能。当足球从二楼落下时,增加的势能释放出来,赋予了足球速度。由于楼层的高度是固定的,增加的势能也是固定的,足球落地时的速度自然也是相同的。 

  我们还知道,原子是由原子核和核外的电子组成的,原子构成分子是这些电子相互作用把不同的原子维系起来的。无论在原子还是分子中,这些电子也像分别住在一栋高楼中,高楼的每一个楼层被称为能级;楼层越高,对应的能量也就越高。一般来说,电子入住这样一栋高楼时,总是从能量最高的“一楼”开始,逐渐占据上面的楼层。当全部的电子入住完毕时,大楼里还会有许多楼层空着。假设某个分子中的电子占据了大楼的1~10层,如果我们把原本处在下层的电子移动到上一层,那么电子在这个过程中也增加了能量。如果让这个电子回到下层,那么多余的能量也会被释放出来,只不过不是增加速度,而是释放出电磁波。如果电磁波的波长刚好在400~800纳米这个范围,那么电子在这个移动过程中就发出了可见光。演唱会上,歌迷手中挥动的萤光棒就是一个典型的例子。萤光棒买来时并不会发光,一旦我们将它弯曲,萤光棒内部原本被分隔开的几种化学物质混合到一起发生化学反应;反应释放出的能量让某些电子从能量低的状态进入能量高的状态,当它们再次回到能量低的状态时,光就被释放出来了。 

  正在发光的荧光棒并不像点亮的白炽灯那样烫手,因此像萤光棒这样的发光通常被称为冷发光。冷发光并不需要像白炽灯那样将物体加热到很高的温度,所以对能量的利用率自然更高一些。冷发光还有一个独特之处,那就是一般不会像白炽发光那样覆盖一个很广的波长范围,而是集中于某一特定的波长。例如一根黄色的萤光棒绝不会发出红光或者蓝光,更不会发出对照明毫无帮助的红外线和紫外线,这也是冷发光对能量的利用率高于白炽发光的一个重要原因。 

  前面提到的萤光棒是利用了化学反应让电子进入高能量的状态,我们也可以利用光来给电子提供能量。荧光灯灯管的内壁涂有一层荧光粉,两端是钨制灯丝,灯管中添加少量的汞,并充入氩气等惰性气体。电路接通后,电流流经灯丝,大量的电子从灯丝中释放出来。这些电子与灯丝中氩气的原子发生激烈的碰撞,使得氩原子中的一些电子逃逸出来;而氩原子自己则带上正电,变成了氩离子。这些电子和氩离子从灯管的一端移动到另一端,在移动过程中放出的热量把液态汞变成了汞蒸汽;而进入到蒸汽中的汞原子也与电子和氩离子发生碰撞。 

  而这样碰撞的结果,就是大量的紫外线从汞蒸汽中被释放出来。荧光粉吸收紫外线的能量,随即产生荧光或者磷光现象。这些物质发出的不再是紫外线,而是可见光。这样,通过几道工序的互相配合,荧光灯就把电能转化为光能。 

  由于依靠冷发光原理提供照明,荧光灯的效率要大大高于白炽灯,可以将20%~25%的电能转化为光能。荧光灯的使用寿命也大大长于白炽灯,理论上至少可以持续提供一万小时的照明。不过人们仍然不满足这样的数字,于是又开发了另一种借助冷发光原理的灯具——发光二极管。 

  好了,今天的非常科学到这里又要跟大家说再见了。主持人亚楠代表编辑制作感谢您的收听。想要了解更多科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们互动。明天同一时间我们相约《非常科学》。 


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