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少年说‖元宝(151):人类照明简史

当太阳落山,没有人工照明,人们就会在黑暗之中。凿壁偷光、囊萤映雪,既是刻苦学习的故事,其实也是人类照明的故事。这两天,我做了一个人类照明简史的专题研究。

油灯

最早的照明,都是通过燃烧的原理来获得光。从火把、蜡烛、再到油灯、气灯都是如此。以油灯来说,它利用细绵绳的虹吸效应把灯油吸上来,以灯油燃烧发出火光。但是微弱的光无法照亮很大的区域,并不是一个很好的照明器具。于是,有了电,人们就把照明的希望寄托给了电灯。

白炽灯

1878年9月,爱迪生开始研究电灯。他认为一定有一种物质可以在通电时被自身电阻加热,产生白炽效应,发出光,就像铁烧红后自身可以发出红光一样。他试了1400多种物质,就连朋友的头发也没放过。直到1879年10月21日,世界上的第一盏有发明专利权的电灯出现了。它采用碳化后的棉线做灯丝,连续发光近400个小时后才被烧断。这惊动了世界,马上便开始了白炽灯的大规模生产。爱迪生的第一个灯泡使用真空以免灯丝高温燃烧(氧化)。而人们改进后将惰性气体充入以提高发光效果。碳丝的发光能力不是很高,所以在20世纪初改用钨丝做灯丝。这种灯可以照亮较大的范围,但缺点也是显而易见的。白炽灯太费电了,效率太低,只有约10%的电能转化为了光,剩下的90%都以热能的形式散发了。于是,人们又想,该如何制造一种效率更高的电灯呢?照明器具进入了荧光灯(节能灯)阶段。现在这种灯还有广泛的应用。

荧光灯

荧光灯是一种非直接性的发光器具。发展分两个阶段:第一阶段的荧光灯生产于20世纪中期,是把灯丝加热到1400℃左右时会放射出电子束,电子在氩气中与氩气原子碰撞后再与水银(汞)原子碰撞,产生波长253纳米的紫外线,紫外线激发荧光粉发出可见光。不过因为汞有毒,荧光粉也有毒,人们就进入了第二阶段。第二阶段的荧光灯全称为三基色荧光灯。现在的荧光灯大多属于这种。通电时,两端的钨电极放电产生紫外线,紫外线同是激发三种无毒荧光粉产生红、绿、蓝三色光,再混合产生白光。荧光灯虽然也发热,但1瓦电可以产生60流明(1流明相当于1根蜡烛的亮度)的亮度,而白炽灯一瓦电只能产生3-5流明的亮度。荧光灯的效率是白炽灯的十几、二十倍。

LED灯

LED即发光二极管。它的原理是电致发光效应。白色LED灯在1999年才面世。LED单个的亮度不大,但是体积很小,也就几平方毫米。大量的LED灯珠组合后的光就很强了。LED密封在由环氧树脂制成的小罩中,有个PN结。PN结是半导体中P区和N区的交界处,N区有大量的自由电子带负电,P区有大量的空位带正电。当电流通过时,电子和空位在PN结处碰撞,释放光子,即我们看到的发光,这就是电致发光效应。LED可以发出不同颜色的光,这主要取决LED的制作材料。LED直接将电转化为光,具有节能、体积小、容易组合等优点。10瓦的LED日光灯就可以替换40瓦的普通节能灯。

我的猜想

人类照明经历了从燃烧到用电的过程。也许未来的光源无须用电,而是对光的直接利用。我有几个想法:一是存储光。比如一些材料,如铝酸锶,可以吸收光,在暗处缓慢释放出吸收的光。二是反射光。比如发射一颗卫星,上面安装反光镜,在夜晚将太阳光反射至地球的夜晚区。就像前些天到达月球背面的玉兔二号利用的中继卫星一样。三是输送光。像“南水北调”、“西气东输”一样,进行“昼光夜输”工程。在地球上铺设许多很粗的光纤,这样就可以将黑天和白天的区域连接起来,白天地区的太阳光通过光纤就可以传输到夜晚的地区。这三种方法的优点是环保,缺点是成本都很高。

右侧的小孩就相当于中继卫星,左侧的小孩相当于地球的夜晚区

光纤传导光

家里不同照明灯具的测试实验结果 

作者简介金元宝,男,2007年10月生,五年级“求知少年”。『小小少年说』公号创建者,周五专栏小作者。自2016年3月25日起,每周一篇,纪录成长。


元宝爸的话这是放假前元宝花了几天时间整理的一篇文章。 圣经上说“神说要有光,于是便有了光。神看光是好的,于是就把光暗分开了”。光真是美好的东西,波粒二重,进路正直,行动极速,传递温暖,呈现多彩,弥漫空间,映显微尘。人确实应该“活成一束光”,不必对外界刻意,自己亮了,便自然照亮和温暖周遭。 

少年说‖小美(04):撞作古诗一首

教过小美五六首五言绝句,本来想录她背诗传给奶奶看。结果她说,她都可以做诗了,于是录下了小美第一首古诗。录完问小美,此诗叫什么名字?小美说就叫“恐惧”吧。请看视频:


四岁小女诗一首,抑扬顿挫往外吼。

循声添字圆其意,耗尽老爸才八斗。

再将小美的诗录入如下:

   恐  惧 

作者:小美,四岁

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