1、在辉煌的灯火中迎接新学期金秋，人们收获着累累硕果又放飞了新学年的梦想。翻开苏教版高中通用技术技术与设计 1的第一章走进技术世界一、技术的价值 ，新高一的学生将在辉煌的灯火中迎接新学期：课本中“从火到灯人类走向文明的历程” 图让学生感受着“灯火象征着光明、希望和威力” 。照明技术的发展图中各种灯更让人看到未来的光明。从火把到动植物油脂灯、烛灯；从煤油灯到煤气灯；从电弧光灯、白炽灯到霓虹灯；从日光灯到节能灯；从金属卤化物灯到氙气灯直至薄膜发光体，蕴含着科学家和人类的高度智慧，其中包括大量的科学方法和创新、丰富的科学精神和品质、严密的逻辑和推理等等。这些正是高中学生科学技术素养的重要组成部分。通过科
2、技史求真过程的学习，学生们还能体会到发明家挑战权威、不断创新的精神。因此，开篇第一章的教学，无论是运用的图还是讲述都应该是引人入胜的。讲述照明技术发展曲折漫长的过程，应该让学生能体会到各种灯在技术上继承和发展的脉络。这其中的改进和完善的足迹是最让人着迷的：1、从火把到动植物油脂灯、烛灯火的使用，是人类技术史上的一项伟大发明。有了火，人们开始从“茹毛饮血”的生食变为熟食，使食物范围扩大，这对人的大脑和体质的发展有着重要的意义；火给人以光亮和温暖，可以用来防止野兽的侵袭，也能用来围攻猎取野兽；火可以用来烧烤木料、烧裂石块以制作工具和武器；火还可以用来开垦土地，烧制陶器，冶炼金属火的使用和其他条件一
3、起，使人类最终脱离了动物界。古代世界各民族都有关于火的神话和传说。 “燧人氏”无疑是我们祖先心目中的英雄。在希腊神话中则有普罗米修斯背着天神宙斯，把火从天上偷来带给人间的故事。普罗米修斯因而成了牺牲自己给人类带来幸福和解放的英雄形象而被人们所传颂。人类用火光来照明，和黑夜作不断的斗争，大约已有几十万年的历史了。四五十万年前，北京猿人就已经用火来照明和烧煮食物。在北京周口店的山洞里，还有他们留下的灰烬。这种火大概是从自然火灾的余火中取来的。人类的祖先那时还没有向自然界索取的本领，只能等待自然的恩赐。几万年前，人类学会了钻木取火。把一根木棒插进另一木块的缝里，使劲地旋转木棒，靠摩擦产生的热量使木块
4、燃烧。以后又渐渐发展到用松脂和动物油燃烧来照明。过去牛油、羊脂制成的蜡烛都是有气味的，而且颜色也不好。硬脂烛却有着洁净白亮的外表，手摸起来不感到油腻，也很少有气味。制造硬脂烛的原料是硬脂酸，硬脂酸是包含在动植物油脂里最好、最坚硬的部分。油脂由甘油和脂肪酸构成。为了从油脂里提取硬脂酸，就必须把甘油从油脂里除去。办法是把油脂放到水和硫酸里煮沸，结果甘油沉到底下，脂肪酸浮到上面，取出脂肪酸放进压榨机，将液态的油酸压滤出去，最后就得到一块块挺硬的蜡状物硬脂酸。说到这里我们就明白，硬脂烛虽然和普通的蜡烛一样，是用同一种原料，比如牛油制成的，但是硬脂酸毕竟不是普通的牛油，而是经过彻底净制的牛油了。它消除了
5、不愉快的气味和油腻，而且硬度、色彩、质量都比普通的牛油烛好得多。硬脂烛点火不冒烟，也不流泪，烛光明亮清爽，很受群众欢迎。这位蜡烛家族里的“后起之秀”是 1831 年在法国诞生的，过了不久全欧洲就都建成了硬脂工厂。蜡烛一直使用到今天。今天的蜡烛生产甚至连硬脂酸也不常用，多半使用石蜡作原料。石蜡是石油里的成分，是石油加工所得的一种产品，无臭无味，白色或淡黄色的蜡状物。用它制成的蜡烛，质量不比硬脂烛差，可以节约大量的动植物油脂。制烛的技术也比过去大有进步。采用机械化操作，石蜡经过熬蜡、浇注、冷却、出模、切芯、修尾等工序，大批大批的蜡烛就诞生了。2、从煤油灯到煤气灯煤油灯在眼下也是不多见的。灯罩为什么
6、是两头小、肚子大的形状？灯芯为什么是扁平的？这其中又走过了多少漫长岁月？古代的油灯，不管是中国的还是外国的，都爱冒烟这是个很大的缺点。油灯为什么会冒烟？过去人们只是在实践中感觉到油灯冒烟同油燃烧得太快有关系。于是他们给油灯装备了灯芯，使油慢慢地燃烧，这样油灯冒烟的情况果然要轻得多。但是，这没有从根本上解决问题，油灯仍旧在冒烟，只是“没有灯芯拼命冒，有了灯芯慢慢冒”罢了。这又是为什么呢？400 多年以前，意大利的美术家、自然科学家、工程师和哲学家里昂那多达 芬奇经常思考这一点既然烟的主要成分是游离的碳，那么产生烟的原因就仍然是空气供应不足，从而使碳不能完全和氧结合造成的。他看到火炉加上了通风设备
7、烟囱，可以减少冒烟，就想：为什么不把烟囱借给油灯用用呢？达芬奇这样做了。他给油灯安装了一个 “烟囱”， “烟囱”把燃烧产生的热空气和废气水蒸汽和二氧化碳从上方排除出去，而让含有充足氧气的新鲜空气从下面补充进来。这样一来，油灯的点燃情况果然大有好转。不过，你若认为达芬奇是世界上第一个给油灯安上 “烟囱” 的人，那就不确切了。不要忘记，早在 2000 多年以前，也就是比达芬奇还早 1600 多年，我国西汉时期的劳动人民就制出了精美的“长信宫灯” ，那才是最早装有烟道的灯呢！只可惜制造这灯的能工巧匠没有留下名字，也没有留下任何文字来说明他的想法。人们把油灯的“烟囱” 叫做灯罩。起初，圆筒形的灯罩是用
8、白铁皮做的。因为它不透光，所以还得做一个支架，把铁皮灯罩高高支起来，安置在火焰的上方。差不多又过了 200 年，法国的一位名叫垦开的药剂师，建议用透明的玻璃罩来代替不透明的铁皮罩。但是他没有想到：既然玻璃灯罩是透明的，那就可以把它往下放一放。直接罩在火焰上，从而取消下面的支架。又过了 33 年，瑞士人阿尔干德才想到了这一点。他降下了灯罩，取消了支架。不过，跟着又出现了一个新问题：灯罩直接罩在灯头上，阻止了下面的空气向灯罩里流动，这怎么办呢？阿尔干德决心向灯头开刀。他用一个圆铁片盖在油池上，叫做顶盖。顶盖比油池口的直径要大，上面钻着许多通空气的小孔；中间有一根竖直的铁皮管，是插灯芯用的；管子上也
9、有许多小孔，空气经过小孔进到灯芯里，再从那里进入火焰的中心。灯罩罩在顶盖上，因为顶盖上有许多小孔，所以空气流动畅通无阻，可以保证往灯头输送进足够数量的新鲜空气。在这同时，玻璃灯罩也慢慢地改变了原来的长筒形的式样，变成两头小、肚子大的形状。灯罩在靠近火焰的地方显得宽大一些。这样，空气流过这里的时候速度比较慢，火焰就不至于拉得很长。灯罩的上部比较小，不能太粗，太粗会减弱甚至失去“烟囱”的抽气作用。这就是阿尔干德发明的油灯，时间是公元 1782 年。灯罩装上了，还需要改进灯芯。法国人列齐耶经过长期反复的试验研究，得出了扁平的灯芯比圆形的灯芯好的结论，因为扁平的灯芯形成一种扁平的火焰，空气比较容易进到
10、火焰的内部，有利于灯油的完全燃烧。于是人们就把灯芯织成扁平的带子，并在灯头上安装一个小小的齿轮，用一根轴与灯头外面的旋钮连接。只要捻动旋钮，就能把灯芯随意升高或降低，以达到调节火焰亮度的目的。欧洲的油灯就是这样逐步地完善起来的。人们起用了新的燃料石油，特别是在 19 世纪中叶，油灯的油池里普遍地灌上煤油以后，这些困难就迎刃而解了。什么油泵、弹簧之类，统统都可以取消。因为煤油的粘性小，渗透力强，很容易被灯芯所吸收，所以也就用不着那些复杂的送油机构了。从点一般的动植物油灯到点煤油灯，这在照明技术史上是一个很大的进步。煤油灯继承了它的前辈的优点，而且进一步发扬光大。煤油灯有了灯罩，一方面保护火苗不被
11、风吹熄，另一方面又起到良好的通风作用。正像没有一支足够长的烟囱，火炉就不能烧好一样，如果把灯罩拿去，煤油灯会马上冒起浓烟，光色黯淡，甚至跳几下就熄灭。有着良好结构的煤油灯，燃烧比较完全，基本不冒烟，火焰温度高，灯光白亮，受到用户的普遍欢迎。煤油灯传入我国已有 100 多年的历史，到本世纪 20 年代才开始流行。煤气灯的构造煤气灯是实验 室中不可缺少的实验工具，种类虽多，但构造原理基本相同。最常用 的煤气灯如图 1 所示。煤气灯由灯座 和灯管组成。灯座由铁铸成，灯管一般是铜管。灯管通过螺口连接在 灯座上。空气的进入量可通过灯管下部的有几个圆孔来调节。灯座的 侧面有煤气入口，用胶管与煤气管道的阀门
12、连接，在另一侧有调节煤气进入量的螺旋阀（针），顺时针关闭。根据需要量大小可调节煤气的进入量。（图 1 煤气灯的构造 l灯管；2空气入口；3煤气出口；4螺旋针；5煤气入口；6灯座）100 多 年 前 英 国 人 发 明 了 煤 气 灯 ， 使 人 类 的 照 明 方 法 向 前 迈 进 了 一 大 步 。 最 初 ， 这种 灯 很 不 安 全 ， 在 室 内 用 容 易 发 生 危 险 ， 因 此 只 当 做 路 灯 用 。 后 来 经 过 改 进 ， 它 才 走 进千 家 万 户 。 时至今日，还可以在人们香港都爹利街看到 4 支煤气灯。香港都爹利街位于香港中环皇后大道中以南,南端连接雪厂街。
13、本身是一条小街,只有一端可以通车,在与雪厂街连接之处,建有一条花岗石楼梯与 4 支煤气灯,煤气灯属全港仅余,历史悠久,已于 1979 年 8 月 15 日被政府列为香港法定古迹。石阶约建于 1875 年至 1889 年间,其上装有的 4 支煤气灯安装年份不详,最早有这几枝灯的纪录则在 1922 年。煤气灯于 1948年 2 月 29 日重开,全港其他煤气街灯已于其后 20 年被电灯所取代。香港政府曾希望把灯柱送往香港历史博物馆,其后决定保存,由煤气公司供应煤气及负责维修。香港市政局于 1984 年曾为这 4 支煤气灯在英国订造灯纱及灯罩,现时煤气灯由傍晚 6 时至早上 6 时亮灯,由自动开关控
14、制。3、从电弧光灯、白炽灯到霓虹灯1808 年，英国科学家戴维在用碳棒做电流的热效应实验时，无意中把两根碳棒碰了一下，谁知就在碳棒尖端相互离开的一瞬间，一道极强的白光闪亮起来，犹如夜空中的闪电。这使戴维兴奋起来，他反复试验下去，制成了电弧灯，也被人称为“电烛”。 电烛诞生后不久就风靡欧美。1883 年，我国上海也曾用它来做外滩的照明灯。可人们随之就发现了电烛的缺点：光线太强、耗电太多、寿命太短。所以，大约到 19 世纪末，电烛就退出了照明舞台。也许这样说有欠公正，因为在事隔半个世纪之后，电弧灯还曾有过一次辉煌的亮相。那是在 1945 年 4 月 16 日的凌晨，柏林外围的奥德河沿岸异乎寻常的寂
15、静，在这种可怕的寂静后面正酝酿着一场大战：德军在这一带集结了 100 万兵力，有 10400 门大炮、1500 辆坦克、3300 架飞机，苏军部署的兵力更多。大家都意识到这是决定最后命运的一仗了。凌晨 5 点整，夜空中升起了信号弹，随即寂静被巨力的爆炸声响所取代，苏军的大炮、火箭炮突然吼叫起来，轰炸机把成串的炸弹扔到德军阵地上。5 点 30 分，苏军步兵在坦克的掩护下发起了冲锋。德军纷纷从掩蔽洞里跑出来，进入战壕准备抵抗。突然，从苏军背后发出了一片眩目的白光，刺得德军睛睛也睁不开，根本无法进行有效的抵抗。就这样，苏军以较小的代价取得了胜利。这白光便是 140 架电弧探照灯耗电 1000 多亿度
16、后产生的，在这场战役中，起到了预计的惊吓和压制敌人的作用。白炽灯继电孤灯之后，登上舞台的就是电灯了。先是戴维发现，很细的白金丝通上电流，会发出极微弱的光来。过去，白金丝在空气中很快就烧掉了。但这一点点微弱的光亮，却使爱迪生看到了前进的方向：让电流通过某种导体，使它温度达到白炽，不就能够照明了吗？白炽电灯的设想吸引住了爱迪生，他在考查了大量的资料以后，找到了进行研究的正确方向：要想制造出白炽电灯，关键在于找到一种电阻不大，而又耐高温的导体材料做灯丝。于是，他用纸条烧成的炭丝做实验。亮了，但很快又熄灭了这是炭丝和空气中的氧气起了化学反应的缘故。爱迪生决定从改进灯丝和把玻璃泡抽成真空这两个方面入手。
17、爱迪生把炭化纸条小心地放进灯泡里去，再用抽气机小心谨慎地抽出灯泡里的空气，然后把抽气口密封好，接通电流。 “亮啦！”伙伴们喊了起来，可这盏希望之灯只亮了 8 分钟，最后灯丝还是断裂熄灭了。看来，毛病主要还是在灯丝上。究竟用什么来做灯丝呢？爱迪生绞尽脑汁，前前后后竟试验了 1600 多种矿物和金属的耐热导电材料，结果全失败了！一天，他坐在椅子上考虑下一步该用什么材料来试验，随手拿起桌上一卷棉纱玩弄着。突然，他脑子里闪过一个念头：是否用棉线烧出的炭丝当灯丝试试看。爱迪生把棉线用特制的镍制模具夹住，放到高温炉里，加工成了一根炭丝。谁知这炭丝太脆弱了，刚一拿就断了。 “断了再烧！” 一直干到第 3 天
18、，才将第 4 根炭丝顺利地装进灯泡里去，并用精密的抽气机抽出了里面的空气。1879 年 10 月 21 日，这盏灯通电了。 “亮啦，亮啦！”爱迪生和他的伙伴们沉浸在欢乐之中：“我们坐在那里留神看着那盏灯继续点燃着，它点燃的时间越长，我们越觉得神驰魂迷。我们中间没有一个人走出去睡觉共有 40 小时的工夫，我们中间的每个人都没有睡觉。我们坐着，洋洋自得地注视着那盏灯。它持续点了约 45 小时的工夫。 ”世界上第一盏白炽电灯就这样诞生了，但爱迪生并不满足于这成就，他开始寻找更耐用的灯丝材料。他先后试用了 6000 多种植物纤维，就连他的朋友的红胡须也成了他的试验材料。后来在 1880 年春天，他成功
19、地用竹丝烧成的炭丝作为灯丝，使白炽电灯亮的时间延长到 1200 小时，这是第一只可以实用的白炽电灯。1882 年，爱迪生在纽约建立了第一个发电站。从此，光明的使者来到了人间，人们在一片光明中，开始了新的生活。竹丝灯在社会上用了好多年。以后，爱迪生又用化学纤维来代替竹丝，灯泡质量又有了提高这个想法有道理。1885 年，有一位德国化学家阿吴爱尔，果然发明了一种新式的煤气灯，这种新灯的特点是在原来煤气灯的灯头上加了一个纱罩。这一加可不简单，一下子就把煤气灯的亮度增强了好几倍！纱罩的外貌一点也不特殊，是一种木棉或绢丝制的网，先放在由 99 份硝酸钍和 1 份硝酸铈组成的溶液里浸过。煤气从煤气管道输送到
20、喷嘴上，点着后在纱罩里燃烧，产生的高温把硝酸钍和硝酸铈分解成氧化钍和氧化铈。在高温下，这类难熔的金属氧化物烧到白炽化，结果就发出了明亮程度胜过炽热炭丝的白光。现在还有没有这种带纱罩的灯呢？有的。在没有电照明的地方，晚上搞大型活动的时候，有时还可以看到这种灯，不过它已经不是当年烧煤气的煤气灯，而是以煤油作燃料的汽油灯了。有的少年朋友也许见过汽油灯。汽油灯的纱罩是从煤气灯那里移植过来的，现在一般都用石棉网。灯上有打气管子，打进空气，把煤油从一组小孔中压出来，喷成雾状小滴，化为蒸汽，跟空气均匀混合以后再燃烧。这样的燃烧当然是非常完全的，温度很高，足以把纱罩烧得炽热发光。白炽的汽油灯是很亮的，两盏汽油
21、灯能把一个大型舞台照得通明，几十米甚至上百米以外的观众都能把舞台上的场景看得一清二楚。当带有纱罩的煤气灯处于优势的时候，研究白炽灯的人也没有睡大觉，他们想：针、铈等一类难熔金属的氧化物能耐高温，比炭丝结实得多，发出来的光又极其明亮，那我们为什么不用难熔金属的细丝来做灯丝呢？事实上，早在炭丝白炽灯诞生以前，人们就试用过多种难熔金属来作灯丝了。爱迪生也曾用白金丝作过灯丝，点亮了 8 分钟到 2 个小时。除了白金和铱之外，他还试过钡、钌、钛、钼、铑、锆等等，都不如白金丝好。由于当时抽气的真空度不高，金属的熔点又偏低，时间一久，灯丝便烧毁，所以没有取得成功。再说，即使灯丝的寿命够长了，白金的价格太贵，
22、成本太高，用户也买不起呀。1898 年，有人试用锇作灯丝，缺点是不太结实。1905 年，有人制成了锆和钽丝灯，结果也不怎么令人满意。20 世纪进入第 9 个年头，美国人柯里奇第一个发明了用钨丝作灯丝的白炽灯，这是电照明技术发展史上的一个大事件。在各种所谓难熔的金属里，钨得数老大，它的熔点高达 3400左右，比任何一种金属元素的熔点都高。跟钨相比，一些常见的金属，比如铅、锌、铝、铜等有色金属和钢铁等一类黑色金属的耐高温本领就差得远了。钨的比重跟黄金差不多，但是非常坚硬，要把它拉成细丝很不容易。经过多次改进，现在人们是用最硬的金刚石作拉丝模，使直径等于 1 毫米的钨丝，通过 20 多个逐渐小下来的
23、细孔，才拉成直径只有几百分之一毫米的灯丝的。说来你也许不信，1000 克重的钨锭，拉成只有头发丝的几十分之一粗细的钨丝，长度竟可达三四百公里！确实，如果单就抗热本领来说，非金属碳的熔点比钨还高，可达 3600。但是，要知道，作为灯丝材料，光熔点高还不行，还得看看它在高温下的“表现”。比方说，把炭丝烧得太热，它很容易变成蒸汽，蒸发量比钨厉害得多。蒸发的结果，不仅使灯丝变细，寿命缩短，而且蒸发出来的材料沉积到灯泡上，会使灯的发光效率降低。所以说，虽然钨的熔点比碳要低，但是它的蒸发量小，实际允许的工作温度反而比碳高，而且容易加工成型。灯丝的工作温度越高，它的发光亮度越强。自从钨丝引进白炽灯以后，白炽
24、灯同煤油灯、煤气灯、汽油灯以及其他各种灯的竞争才取得了决定性的胜利。钨丝的应用有力地促进了电照明工业的发展。甚至可以说，正是这位抗高温的能手，开辟了电照明技术的新纪元。到 1906 年，才改用钨丝来做灯丝，我们现在用的就是这种灯泡。这是一只普通的白炽灯，主要由玻壳、灯丝、导线、感柱、灯头等组成。玻壳做成圆球形，制作材料是耐热玻璃，它把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达 100左右。灯丝是用比头发丝还细得多的钨丝，做成螺旋形。看起来灯丝很短，其实把这种极细的螺旋形的钨丝拉成一条直线，这条直线竟有 1 米多长。两条导线表面上很简单，实际上由内导线、杜美丝和
25、外导线三部分组成。内导线用来导电和固定灯丝，用铜丝或镀镍铁丝制做；中间一段很短的红色金属丝叫杜美丝，要求它同玻璃密切结合而不漏气；外导线是铜丝，任务就是连接灯头用以通电。一个喇叭形的玻璃零件就是感柱，它连着玻壳，起着固定金属部件的作用。其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯就不漏气了。灯头是连接灯座和接通电源的金属件，用焊泥把它同玻壳粘结在一起。同炭丝一样，白炽灯里的钨丝也害怕空气。如果玻壳里充满空气，那么通电以后，钨丝温度升高到 2000以上，空气就会对它毫不留情地发动袭击，使它很快被烧断，同时生成一种黄白色的三氧化钨，附着在玻壳内壁和灯内部件上。要是玻壳里残留的空气比较
26、少，那么上面讲的过程就会进行得慢一些，钨跟空气中的氧化合生成一薄层蓝色的三氧化二钨和氧化钨的混合物。这些都是空气玩的把戏空气里的氧气使高温的钨丝氧化了。所以钨丝灯泡要抽成真空，把空气统统清除出去。有时怕抽气机抽不干净，还要在灯泡的感柱上涂一点红磷。红磷受热会变成白磷，白磷很容易同氧气反应，生成固态的五氧化二磷，把氧气“吃掉”，这样，玻壳里残留的氧气也被消除了。但是，这样做还没有解决全部问题。白炽灯用久了玻壳会变黑，再过一段时间会烧断，你知道这是为什么？确实，钨丝比起炭丝来，在真空里的蒸发速度要慢得多。但是，当白炽灯点亮温度升得很高的时候，钨的蒸发仍然十分严重。长时间的高温使钨丝表面的钨原子像水
27、蒸汽一样不断地蒸发扩散，然后一层又一层地沉积到玻壳的内表面上，使玻壳慢慢黑化，越来越不透明。钨的蒸发也使钨丝越来越细，最后烧断。灯丝工作温度越高，钨的蒸发越快，白炽灯的使用寿命就越短。有没有办法使灯丝在真空条件下减少蒸发和延长使用寿命呢？办法只有降低温度，降低灯丝温度可以达到延年益寿的目的。钨丝工作温度高达2700时，灯泡点亮不到 1 个小时就熄灭；钨丝工作温度下降到 1700，使用寿命可以延长到 1000 个小时以上。可是，这并不是个好办法。降低钨丝的工作温度，也就是降低它的白炽程度，会使白炽灯的发光效率降低，远不如温度高时那么明亮。于是，问题就这样明明白白地摆在了人们的面前：要想白炽灯更多
28、地发光，就得提高灯丝的工作温度；要想减少钨丝的蒸发以延长灯的寿命，又得降低它的一体温”。这是矛盾的。我们的要求是既有高的发光效率，又能减少钨丝蒸发。经过多年的研究，人们注意到，当灯泡里充有空气的时候，虽然灯丝很快会被氧化，但是钨的蒸发却变慢了。原因其实很简单：空气是由多种成分组成的，使钨氧化的只是占空气总量 1/5 的氧气；至于其余的大约占 4/5 的氮气，它不仅没有参与对钨的破坏作用，相反地还干了好事阻碍钨分子的运动，降低钨的蒸发速度。人们于是给钨丝找到了一位保卫它的好朋友氮气。氮气就在空气里，而且占了空气的大多数，真可谓“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”。过去我们为了保证白炽灯延年益寿，不
29、得不把玻壳中的空气抽走，抽得越干净越好，而现在为了同样的目的，我们却要做相反的工作，即把气体当然是不会跟钨发生化学反应的气体充到玻壳里去。氮气是个懒惰的家伙，好自个儿东游西逛，跟谁也不爱打交道。它在很多地方派不上用场，可在白炽灯里却可一显身手。如果灯泡里是真空的，那么当钨丝接通电源，温度升高后，钨的分子就会“蠢蠢欲动”，大量地脱离灯丝， “如入无人之境”，到处乱跑，直到碰在玻壳壁上被吸着时为止。玻壳里一旦充进了氮气，白炽的灯丝周围就会形成一薄层稳定的气体保护层，就像一道活的“篱笆”。每一个氮气分子都是一名勇敢的战士，守卫在钨丝的附近，对那些企图脱离集体四处乱窜的钨分子毫不客气，狠狠地顶撞回去，
30、叫它们重返工作岗位，继续为光明服务。这样一来，钨丝的蒸发速度就慢得多了。结果是出现了充氮气的白炽灯泡。1913 年，兰米尔首次往玻壳里充进氮气，这是继灯丝由炭丝改钨丝后白炽灯的又一重要革新。直到目前为止，充气仍然是抑制钨丝蒸发的基本措施。不过，有一点要注意，因为氧气或水蒸汽都会在钨丝工作时跟它起氧化反应，所以对充气的含氧量和含水量都有极严格的要求，不然的话，灯泡的寿命就会大大地缩短。充气使钨丝的蒸发速度变慢，同样的使用期限可以使灯丝在更高的温度下工作，所以充气灯泡的发光效率比真空灯泡要高。一般来说，充气灯泡的发光效率要比真空灯泡高出1/3 以上。惰性气体 充气灯泡，既可以避免钨丝氧化，又能够阻
31、止它的蒸发，好处是很明显的。不过与真空灯泡相比，充气也带来了新的问题，即对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通过玻壳散失到周围的空间，结果是增加了热的损失，降低了发光效率。这又是一个矛盾。要看什么是矛盾的主要方面：如果钨丝的蒸发是主要的，热损失不是很多，那么通过充气抑制钨丝蒸发，很好地提高发光效率，充气就是有利的；反过来，如果矛盾的主要方面是热损失，蒸发问题不大，那么充气后发光效率提高不多，热损失却增加不少，充气就弊多利少。一般来说，功率比较小的白炽灯，灯丝细长，热损失很大，充气虽然可以减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度，但是这部分发光效率提高的“收入”弥补不了充气后热损失增加的“支出”。对于
32、这样的灯泡，充气就不一定有利。在我国，25 瓦以上的白炽灯泡都充气。充气灯泡里充多少气合适，是有规律的。充气越多，玻壳里的气体密度越大，压力越高，抑制钨丝蒸发的效果就越明显。但充气太多会增加热的损失，玻壳必就必须做得十分结实以防爆裂。一般灯泡的充气压力，都在一个大气压左右。除了讲究充气的数量，还要考虑充什么气。霓 虹 灯氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氙、氪等等，都可以用来充进灯泡里。氖 气 发 出 红 色光 。 氙 气 能 发 出 白 色 光 ， 氩 气 能 发 出 蓝 色 光 ， 氦 气 能 发 出 黄 色 光 ， 氪 气 能 发 出 深 蓝 色光 不 同 的 气 体 能 发 出 不 同 的
33、色 光 ， 五 颜 六 色 ， 犹 如 天 空 美 丽 的 彩 虹 。 霓 虹 灯 也 由 此得 名 。从道理上讲，充气的目的既然是用来抑制钨丝蒸发，那当然应该选择那些身材比较“魁梧”，体重比较重，也即分子量比较大的气体。比方说，氦是最轻的惰性气体，用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重，氖、氩又重于氮。同样的灯丝，同样的温度，在氮气中的蒸发率只有在真空中蒸发率的25。充填氩气的效果将更好，钨的蒸发率可降低到只有真空中蒸发率的1.33。第一只充氩灯泡是 1920 年问世的。氩是空气中含量最多的惰性气体，也是大气成分中仅次于氮、氧的第三号“人物”，每100 升空气中就含有 934 毫升氩，加上它
34、不易传热，所以常同氮气一起被用作灯泡充气。在一般的充气灯泡里，都充 90的氩气和 10的氮气，或者 86的氩气和 14的氮气。为什么不充氪、氙等一类分子量更大的惰性气体呢？用它们充气不是可以获得更好的效果吗？确实如此。氪、氙一类的惰性气体不仅分子量大，传热本领也差。把它们充进玻壳里，既对钨丝蒸发有更强的抑制作用，造成的热损失也小得多。这样的充气灯泡，工作温度可以提得更高，灯更明亮，发光效率比充氩、氮的灯泡高约 30，而灯泡的寿命并不缩短。问题是，氪、氙之类气体是大气中含量最少的稀有气体，只有氩的含量的万分之一和十万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难得，只有在特殊需要的情况下，比如在制做某些
35、矿灯的时候才使用。为了提高白炽灯的发光效率，延长灯的使用寿命，人们还在灯丝的成分和结构上下功夫。钨丝虽然能耐高温，但在高温下会变得很脆。发明家们于是请铼来帮忙，因为铼不仅熔点高，耐腐蚀，而且机械性能好，电阻率也比钨高得多。钨丝镀上铼以后，强度和电阻大大增加，寿命可以延长 5 倍。要使通电后的灯丝获得足够高的发光温度，细细的灯丝必须做得很长，可是长长的灯丝灯泡里又放不下，于是发明家们把它做成螺旋形。大家知道湿衣服晾开要比团在一起容易干得多，也就是水汽的蒸发要快得多。同样的道理，人们把灯丝做成螺旋形，一方面可以缩小所占空间，提高发光效率，另一方面又能降低钨的蒸发，延长使用期限，真是一举两得。1936 年，人们还做成了双螺旋灯丝，这样效果就更好，充气白炽灯的工作温度提高到2500以上，摄影用的白炽灯甚至达到了 3000。通过充进惰性气体和改进灯丝结构，白炽灯的蒸发速度进一步降低，发光效率进一步提高，它也变得更加成熟了。4、从日光灯到节能灯
