日光灯发光原理

问题：

为什么有些日光灯打开时，要经过一段时间才会点亮，然而有些日光灯很快就点亮呢？为什么有些日光灯的颜色不太一样呢？日光灯的如何启动？与工作原理？霓虹灯和日光灯有什么不同？

路灯为什么需要经过很长的时间才逐渐亮起来呢？在亮起来的过程中，它的颜色有没有变化呢？为什么高速公路上的灯看起来呈橘黄色呢？水银灯，钠光灯与金属-卤灯有何不同？我们如何看见光与分辨颜色的？谈论发光体之前，请先了解我们的眼睛是如何看见光与分辨颜色的？

不同的光源会产生不同波长的光。

如果不清楚我们的眼睛如何区分不同波长的光？请先看彩色的世界，由于太阳光会同时刺激我们眼睛中三类对颜色敏感的细胞，因此感觉起来太阳光是『白』光。

因此『白』光光源也要能够对眼睛模拟相同的刺激。发出白热光的（钨丝）电灯虽然也能产出各种不同波长的光。但是由于钨丝的温度无法达到像太阳表面一样5800℃的高温，因此辐射出的眼睛所感受到电磁波波谱部份长波长的红光比较强烈。事实上，有绝大多数的电磁波更是分布在人眼睛所感受不到的红外光区段。----也就是我们皮肤能感受到的电灯的『热』辐射。

关于日光灯我们先将主题分为三方面： 1.日光灯如何将电能转化为光（能）。

2.日光灯所串接的『安定器(ballast)』是提供什么作用？ 3.日光灯是如何启动的？

关于前两个主题，对于所有的日光灯都是相同的。

第三主题则因日光灯的种类而有所不同。当然共同的内容部份先谈。日光灯管简单的说是个密闭的气体放电管。管内主要气体为氩(argon)气(另包含氖neon或氪krypton)气压约大气的0.3%。另外包含几滴水银---形成微量的水银蒸汽。水银原子约占所有气体原子的千分之一的比例。藉由管内导通的电流(电子被加速），形成气体放电状态，而发出『光』。日光灯管是靠着灯管的水银原子藉由气体放电的过程释放出紫外光（主要波长为2537埃=2537*10-10m）.

所消耗的电能约60%可以转换为紫外光。其他的能量则转换为热能。藉由灯管内表面的荧光物质吸收紫外光后释放出可见光。不同的荧光物质会发出不同的可见光。一般紫外光转换为可见光的效率约为40%。因此日光灯的效率约为60%*40%=24%---大约为相同功率钨丝电灯的两倍。

可见光波段连续光谱

氢气的吸收光谱

氢气的发射光

将连接电池两端的导线靠近时，『啪』的一声，火花与声响出现了。这是一种气体放电的过程。放电过程如果没有控制好，那可是会出事的！为什么呢？日光管内在一开始尚未有自由电子时，是很不容易导通电流的。藉由后面会介绍产生电子的方法产生电子后。由于电极间降所形成的电场而加速电子。当这些电子被加速后，会和气体原子产生频繁的碰撞。由于电子的质量远小于气体原子的质量，因此多数的碰撞过程中电子并没有损失能量，只是一直改变运动方向。

在某些碰撞过程中，电子的能量足够游离管内气体的电子，产生新的电子及离子对。这些被游离的电子及离子对继续被加速，也就会继续的游离，如此循环则管内变成越来越容易导通电流，也就是说管内的电阻会突然下降许多（内部形成电浆态）于是可以导通大量的电流。甚至会导致灯管破裂---如何控制是我们第二个主题内容。

当然游离的过程中，电子与离子对也会发生中和的现象（减少导通的离子）。当产生离子的速率大于中和的速率时，放电过程才会发生。在少数与水银气体的碰撞过程中，会使得水银原子吸收电子的部份动能。而转换成较不稳定的激发态，经由一连串的重新分布能量，藉由释放出电磁波，而恢复为原来稳定的状态。

详细的过程,牵涉到原子的结构以后再详谈。

总而言之：水银原子吸收了电子的动能，而转换为电磁波辐射出来。当水银回到最稳定状态(GroundState)时,释放出波长为2540埃的紫外光。可是这些紫外光可是无法穿透日光灯管壁的。(穿透比例很少）更别说眼睛细胞感受不到紫外光的『颜色』讯号。

但是紫外光的能量却足够破坏你的细胞（可不是不受影响喔！）（隔着玻璃晒太阳，只能让你流汗，可是晒不黑皮肤的,想晒黑或怕被晒黑的人，知道该如何处理了吧！言归正传）于是只好藉由灯管内壁的荧光物质--能够吸收紫外光，

然后释放出更长波长的可见光。当然也包含了部份的红外光。好奇怪喔！原本不透紫外光的管壁，涂上荧光物质后反而可以透光！到底释放出哪些波长，则由荧光物质的原子结构决定。因此灯管内壁的混合了多种的荧光质，以便产生多种的可见光，同时能够刺激眼睛内三种感光的细胞。

混合的比例不同，也就产生『不同颜色』感受的日光灯光。蓝光部份较多的荧光灯管虽然效率较高，但是感觉起来较冷（阴森）。家中使用通常选多一些红光部份的荧光灯管，比较有温暖的感觉。效率却也就低了些（想想看为什么？）以下是一般日光灯三种不同色系的光谱分布

以下是采用三波长荧光粉（阳光灯管）的不同类型灯管所发出光的分布。采用稀土族荧光体，集中三原光蓝(452nm)绿(543nm)与红(611nm)三个狭窄光谱组合成白色光。详细光谱分布如下：

DEX型：三波长昼光色(色温度6500K)光色有透明、白色、凉爽等感觉。适用于餐厅、婴儿房、店铺及夏季之照明。 NEX:三波长昼白色(色温度5000K)光色介于DEX与LEX之间 能使物体看起来更美、更接近自然光。适用于明亮舒适气氛的住宅、店铺、办公室等照明。 LEX三波长灯泡色(色温度2800K)与电灯泡同光色，具有暖活舒适的光色。适用于住宅、店铺、旅馆，也可以与电灯泡并用。 依照特殊用途灯管有有下列种类：

1.医疗专用灯管：波长400-500nm波峰值446nm的特殊蓝光灯管，此蓝光可以有效抑制黄疸症状，最适合于保温箱内照射患有黄疸之婴儿。

2.半导体专用灯管：防止紫外线透出，500nm以下完全切除。最适合于高感光半导体的无尘室工厂照明及防虫用。

3.反射型灯管：整支灯管空出1/5不涂荧光粉并加涂反射膜在荧光粉内层， 使光线集中在1/5的面积输出，适于广告看版背光光源。

4.夜光消防灯管：

在一般荧光粉上涂有夜光磷光粉，当点灯数分钟后熄灯，仍可维持约两小时强度5cd/m2的微弱蓝光，适用于戏院、歌厅、车站、医院等公共场所之照明。

接下来谈谈日光灯的线路--控制调节系统。

我们前面谈到，日光（荧光）灯是靠气体放电过程发光的。当灯管内气体放电时，还好我们在日光灯管外串接了一个『安定器』,缓和大量电流的导通。这个『安定器』到底是何方神圣？有如此的功能！

安定器曰：

在下乃『电感』是也，也就是绕成一圈圈的『线圈』啦！当电流从线圈内流过时,同时会在四周形成磁场。当这些电流想要变化流量时，磁场也需要跟着变化。当磁场发生变化时，线圈内的『磁通量』也跟着变化！

法拉地说：

当磁通量发生变化时，就会产生『感应电动势』,而这些感应的电动势就是想要抵销磁通量的变化。因为和灯管串联，安定器电压增加，灯管电压就降低。电流就会减少。于是达到阻止电流快速变化的功能。事实上阻止不了电流的变化，只能减缓。

虽然安定器只能减缓电流的变化，幸好我们使用的是交流电。只需要延缓非常短的时间,电源电压就会自动降为零（然后再升起）。安定器的额外附送功能

是帮助日光灯的启动。我们也该谈谈最初是如何引发放电的呀！

日光灯的线路： 补充说明待续！

日光灯启动的问题在于，日光灯正常工作时的电压不足以产生气体放电。日光灯启动的方式有好几种，有些日光灯两端有灯丝(和电灯一样的钨丝）。

1.预热式的启动

只有当启动时加热灯丝，启动后电流中电子撞击电极时能产生足够的电子。当按下开关时,让电流流经灯丝，待灯丝加热至能够产生足够的热电子时,这些逃脱灯丝的电子，经灯管两端的电压（场）作用而加速=>碰撞=>游离更多电子=>加速=>...循环。于是原本不易导电的气体灯管，突然变成容易导电的游离气体。

于是放电过程开始进行了！（放电过程如前所述）

在加热的过程中，一直试图产生放电过程（于是启动时，两电极附近会看见明灭交错的微弱灯光），但是通常电源电压仍然不足以启动放电过程。

某些日光灯启动时，你需先按下开关一下子（加热灯丝），当松开手时，放电才会产生。（如下图）

当松开开关时，回路电流遽然改变，于是『安定器』感应出高电压而引发放电过程。(安定器帮助日光灯启动的功能)

有些日光灯利用简单电子开关(glowswitch)，俗称启动器（Starter)达到上述手按下后松开的作用。

如图：

一个小的霓虹灯，不过其中一电极是由双金属片制成（受热会弯曲）。两电极间原先并不接触，但距离很短。当电源电压在电极两端时，产生放电（看得见红红的颜色）而导通。导通时也同时使得电流流经灯丝（使灯丝加热）。由于放电使得电极温度增高而弯曲，进而使两电极接触。电极接触后，反而由于放电过程不再发生而逐渐降温。使得金属片又再度分开。此时『安定器』产生的高压，由于电极已经产生足够的电子，而在日光灯管内放电。于是小霓虹灯开关的电极电压也就下降了。不会在重复放电。

当日光灯启动后拿掉启动器（霓虹灯开关）并不会影响其继续工作。只有在启动时需要它。

2.快速启动型：

当电源导通时，也同时加热灯丝（灯丝一直处于加热状态）。 当足够电子产生时，便导通电流。 3.瞬间启动型：

并没有灯丝，完全靠『安定器』产生的高压造成放电（加一升压变压装置），因此能瞬间导通。如图日光灯管内需有足够电场加速电子，因此长度越长的灯管，需要越高的电压。通常管内的水银还带正电。游离的正离子也会吸引电子，减少他们因相互排斥而撞击管壁（荧光质）。日光灯管的寿命通常取决于电极的消耗。

当放电时，电极的原子会被高能量的水银离子撞击(sputtering)出来而损耗。电子不是也会撞击电极吗？而这种损耗在启动时最严重，（两极间有高电压存在）。

有人问到：为何日光灯用久了，两头会黑黑的？你想：电极在什么地方？当电极被撞击而蒸发出来会附着在那里呢？气壁原来涂了荧光剂，被盖住后则还能转换紫外光为可见光吗？

想一想：电灯泡用久了是不是也有类似的情形呢？又是什么原因呢？

通常经过几千次启动后电极便失效。所以应该避免常常开关日光灯。当工作温度低于15℃时,发光效率会降低。当高于40℃时则会产生过多（不产生光但耗电）的游离。

内部所添加的氩气，氖或氪等气体是为了较容易启动放电过程。其实外界所常宣传的省电灯泡，简单说不过是有着灯泡外型的日光灯。下图适我将省电灯泡打破外壳后显露出来照片。17W的日光灯原本就相当于3倍多的灯泡亮度。

霓虹灯的物理：

霓虹灯的原理与构造和日光灯类似，只不过氖neon放电时会产生6333埃的光波。直接在可见光的范围，因此管壁不需要涂荧光粉。一些不是用氖气的霓虹灯往往是日光灯但内壁涂上能产生彩色的荧光剂。从管壁很容易区分出来。

其他种类的放电管：

大致可以分为四类，高压水银灯，金属--卤素灯，低压钠光灯，高压钠光灯。即使在普通日光灯里也会产生少许可见光，当管内有高密度的水银时，水银原子在放电过程中，所释放的可见光逐渐变成多于紫外光。

为什么呢？

水银放电时，虽然主要会藉由能阶跃迁放出2540埃的紫外光，但水银原子也特别喜欢吸收相同能量的紫外光（由低能态至高能态）。当有足够密度的水银时，所有释放的2540埃紫外光皆反被吸收了。于是只有经由其他不易被吸收的跃迁所释放的可见光（主要在蓝光附近）可以透过。

在点亮高压水银灯的初期，水银主要存在为液态。于是初期就好像一般的日光灯，但缺乏荧光质，于是只看到极微弱的灯光。当温度逐渐增加时，水银也逐渐蒸发，产生更多水银蒸汽原子，也逐渐散发出更多可见光。

为了降低蓝色光的比例，于是某些高压水银灯加入了少许金属原子。这些通常以金属卤化物的方式添加进去。例如添加钠，铊，碘，等都会增加感觉较温暖红色区段的可见光。

为什么不直接加小金属块呢？想一想吧！

也有管内只加钠的低压或高压钠光灯。它会直接产生5900埃橘黄色的可见光。高速公路上常见低压的橘黄色钠光灯。只是这种光线看起来较不舒服，而且无法区分所照东西的颜色（为什么呢？想一想如何看见东西颜色的！），所以通常你不会将它安装在家里。如果改用高压钠光灯，则5900埃的光线渐减，同时其他波长的光线相对增加，于是包含较多种光谱线。

为什么会产生其他的谱线呢？由于高压纳气的存在，使得气体碰撞次数增加，影响到原子的结构，使得能阶发生变化。反而5900埃的光线又被吸收了！高压的放电管都有一个共同缺点，由于气体于高压时较不容易产生放电，因此若因为突然停电而不再放电时，必须等灯管冷却（蒸汽变回液态）后灯管才有办法恢复放电状态，逐渐加热灯管后恢复正常工作状态。

为什么日光灯管内的气压低呢？

由于日光灯管内必须能够产生气体放电---而气体放电必须电子能够游离更多的气体。虽然灯管内的气体受到电场作用后为加速，可是若管内的气体原子太多，电子还没有被加速到足够游离气体时便和气体原子碰撞，则无法游离气体（只能产生完全弹性碰撞）。

因此降低气体的密度（也就是压力）可以增加电子碰撞前平均移动的长度（平均自由径）。也就增加电子被加速的距离（所或能量=电量*电场*距离）使得电子有足够能量游离气体。

但是气体密度也不能太低，否则电子与气体发生碰撞的机率也就降低了！因此某个范围的压力将是最容易产生气体放电的，过高或过低都较不容易。

这个压力范围依照气体不同而略有不同，但也都约略在日光灯管内压力的范围---大气压的百分之一左右。(约2.3torr，一大气压=760torr)

本篇有关于日光灯的物理，你看懂了几分呢？是否清楚了呢？

您说紫外光线无法穿透日光灯管壁,请问医院杀菌用的紫外光灯如何做成?由于紫外光能量较高，通常可以让物质内电子能阶受激发而被吸收。当然被吸收的能量还会被释放出来，例如成为较低能量的可见光，或最终转换为物质的内动能（增高温度）。所谓『无法』穿透是一种概略性的说法，光线穿过物质一定厚度时会有一定比例的能量被吸收。当透射的量小于一定比例时（例如：不易侦测或察觉）我们概略的说光线『无法』穿透。

下图是可见光范围附近光线穿过三种物质时透过光线强度百分比与波长的关系图

你找出图中可见光的范围了吗？(0.4-0.7微米)，即使是玻璃也能穿透大部份0.3-0.4微米间的紫外光（称为『黑光』blacklight），这部份的紫外光对人体及其他生物不太会造成伤害。（石英灯也能产生部份强度不弱的这类紫外光，但也不要长久直视。所谓伤害通常还需要考虑光源强度。例如说吃盐巴对人体无害，但如果一口气吞食半公斤的盐巴，可就有问题了！）。但（对人体细胞或细菌会造成伤害）更短波长的紫外光则『无法』穿透玻璃或『透明』塑料。

所以玻璃对可见光而言是『透光』的，对更短的紫外光却是『不透光』的。更有些特殊的玻璃，可以轻易的透过可见光，却大量吸收红外光（热）。又如同X-射线可轻易的穿透人体（透光），但却『穿透不过』骨头或牙齿。

通常我们指波长小于4000埃(0.4微米）至100埃的为紫外光，更短至1埃的为X-射线（原子内层能阶跃迁），γ-射线则波长更短（原子核能阶跃迁），宇宙射线则还有更短的波长。

汞产生的2537埃微米紫外光每经过1厘米厚玻璃大概只剩下不到10%.因此我在上文的句末加上了穿透比例很少。如果改用石英灯管则可以透过较大部份。

至于医院杀菌用的紫外光灯可以用较强光源但一般灯管，也可以用石英灯管则有更高效率。直接照射这种紫外光可以杀死细菌，（也可以使皮肤晒伤），因此常用于食品消毒，医院，公厕等场所。

汞也会产生1849埃的紫外光，但它是在空气中都透不过数英吋。（氧会吸收此短波紫外光而形成臭氧）。

什么是『气体放电』？

当电荷受电场作用时电荷会加速，一般物质的原子若受到足够能量，加速电荷的撞击原子外层的电子会被撞击出来(称为游离).受游离的原子变成带负电的电子与电正电的离子两者在电场作用下会继续加速于是新的游离电子，被加速的有可能继续撞击其他原子如此过程循环下去。一个电子撞击后变成两个电子(一个原有的外加被游离的),两个继续撞击变成四个，八个十六个三十二个...于是很快的变产生大量可导通的电子。也就形成大量的电流.以上过程变称为气体放电.

通常在抽部分真空的气体放电管内进行.因此日光灯管等也称为气体放电管.一般可见光对应的能量约2-3eV，也就是电子若受到2-3伏特的电压加速就可能激发原子产生可见光。

为何一般插座110V的电压两端不会产生火花呢?

因为以上的条件是电子加速过程不受到其他干扰完全获得电场的能量，可是一般大气中空气密度很高(算一下一立方公分约有1019个粒子)，电子受加速电场作用跑不了多远(远小于微米)变和其他原子碰撞将能量转移给原子，因此电子从没有机会获得足够能量激发原子或游离原子(之后发光)。若在抽真空的管内，电子可以跑较长距离才碰到原子，也就有足够时间介电场加速到足够能量产生激发或游离现象，因此气体放电通常在低压的放电管内形成。

大气压下要形成放电也是可能的只是需要非常强的电场(约每公分20-30kV)或藉助于尖端放电产生强电场的方式。

附录：

1.光源效率：每消耗一瓦电所输出光的强度(lm)称为光源效率。(lm/W) 2.下图是不同时刻自然光对应的色温表与采用的灯源。

光源种类 白热灯 卤素灯 荧光水银灯 日光灯 35-63 30-95 复金属水银灯 高压钠气灯 低压钠气灯 63-115 40-155 130-180 光源效率 13.5-22 13.5-30

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oovd.html