荧光灯的工作原理

深入剖析荧光灯的工作原理现在的荧光照明随处可见--办公室，商店，街道....甚至在家里都可以发现它的存在。尽管它们随处可以见到但它的工作原理对大多数人来说是陌生的。究竟在这些白色的管里面发生了什么了？为了理解荧光灯就要对光本身有所认识。光是能量的一种形式是由原子释放出来的。它是由许多微小类似粒子的小团组成的，这些类似粒子的东西有能量和动量但没有质量。这些粒子叫做可见光子，是光的最基本单位。当电子受到激发的时候原子就会释放出可见光子。如果你已经知道原子是如何工作的话，那你也就知道电子是围着原子核走来走去的负极电荷粒子。原子的电子有着不同等级的能量，主要取决几个因素，包括它们的速度和离原子核的距离。电子不同的能量等级占有不同的轨函数和轨道。通常来说，有着大能量的电子就会离原子核更远。当原子得到或失去能量的时候，是以电子移动表示变化。当有某些东西将能量传到原子的时候---以热量为例子--电子可以暂时被推进到一个更高的轨道（远离原子核）。电子只是在这一轨道位置停留极短时间：几乎马上就被退回到原子核，到达它的原始轨道上。这时电子就以光子的形式放出额外的能量。发光的波长取决于有多少能量被释放出来，这也就取决于电子所在的轨道位置。因此，不同类的原子就会释放出不同类的可见光子。换句话说就是光的颜色是由受激发的原子种类决定。这几乎是在所有光源的最基本工作机制。这些光源的主要不同是在于激发原子的过程。在白炽灯光源里，原子是由通过加热来激发；而在灯管里，原子是通过化学反应来激发。荧光灯的中心元件就是它的一个密封的玻璃管。这个管含有少量水银和惰性气体，通常是氩惰性气体元素，这种惰性气体要保持非常低压。管也含有荧光粉，在玻璃管内单独涂上一层荧光粉。玻璃管两端各有一个电极，是连接到电流用的。当你开灯的时候，电流就会穿过电路流到电极。有相当大的电压流过电极，所以电子会穿过来自管中的一端的气体到达另一端。这个能量的变化会将管内的水银从液体变为气体。由于电子和带电原子会在管内移动，它们中的一部分会和气态水银原子碰撞。这个碰撞激发出原子，电子会突然上升到一个更高的能量水平。当电子回复到它们的初始能量位置，它们就会释放出可见光子。如上面所述，一个光子的波长是由原子里面的特别电子排列而决定的。由于在水银原子中的电子以这样的一种方式排列所以大部分会在紫外线波长范围内释放出可见光子。然而，我们的眼睛看不见这些紫外线光子，所以要转化为可见光才行。当被暴露在光的地方磷是一种可以发光的物质。当一个光子撞击一个磷原子的时候，这时一个磷电子就会跳到一个更高的能量位置和原子加热。当电子回落到正常位置就会以其它光子形式释放出能量。这个光子比最初的光子的能量要少，因为加热时一些能量消失了。在荧光灯里，发出的光是以可见光谱发出的--磷发出我们可以看见的白色光。我们还可以通过将不同磷粉的结合制造出不同的颜色。传统的白炽灯泡也都会发出少量紫外线光，但它们不能把这些紫外线光转换为任何可见光。因此，大量能量被浪费掉。荧光灯使这种可见光工作和更加有效能。总的来说，荧光灯比白炽灯节能达到4至6倍。由于白炽灯发出一种更“暖色的光”--一种多红色小蓝色的光，所以人们通常会在家里使用白炽灯。正如我们所知道的，整个荧光灯系统是依靠玻璃管内气体的一个电流流动。我们已经知道荧光灯的与玻璃管的水银原子是通过电流的电子流动而被激发的。这个电流在和普通电流的电流有几分相似，但它是穿过气态而不是固态。气态导体在几个方面有别于实心导体。实心导体的电荷是由自由电子从一个原子跳到另一个原子，从负极电荷区跳到正极电荷区。电子始终都有一个负极电荷，也就是说，它们始终都是被吸到正电荷。在气态中，电荷是由原子的自由电子独立地移动。电流也都是由离子携带的，原子有电荷是因为它们可以失去或获得电子。正如电子一样，离子被吸到对立地带电荷区。为了将电流穿过在管内的气体，那么荧光灯需要两样东西：自由电子和离子管两端间的不同电荷通常来说，气体都有少数的离子和自由电子，因为所有的原子自然地保持一个中性的电荷。因此就比较难将电流穿过大多数气体。当你打开荧光灯，第一样需要做的事情是从两边电极引入新的自由电子。有几种不同的方法来做到。典型的荧光灯设计院是使用一个特别起动器开关机制来使它发光（如下图）。当打开灯时，最小电阻的通道通过分流电路然后穿过起动器开关。在这个电路中，电流通过灯管的两端的电极。这些电极就是简单的丝极，就像在白炽灯泡里的灯丝。当电流流过分流电路，电就会加热灯丝。把它们传送到气体管里面，使气体离子化。同时，电流会在起动器开关中发出一连串的有趣事件。传统起动器开关是一个小小的放电灯泡，这个灯泡含有氖气和一些其它气体。灯泡的两个电极位于各自的右边。当电流开始通过分路电流时，电弧会在电极之间跳动来接通。这个弧点亮灯泡的方式和荧光灯泡的一个更大的弧点亮的方式一样。其中一个电极受热时的双金属片会弯曲。少量来自灯泡的热使双金属片弯曲，这样才可以使它与另一电极接触。当两个电极互相接触时，电流就不再需要以一个电弧来跳跃了。因此就没有带电粒子流过气体，灯就熄灭了。当电路流通过分路电路时，它会镇流器中的一部分建立一个磁场。这磁场是由流动的电流保持住的。当起动器开关被打开时，镇流器的电流就会切断。磁场消失，这时电流会突然上升---镇流器释放出它储备的能量。电流的突升有助于建立必需的初始电压来创建一个穿过气体的电弧而不是穿过分路电路和跳过起动器中的间隙，电流流穿过管。自由电子和原子碰撞，释放其它电子，创造离子。最终是一个等离子，气体是大部分的组成物质都是离子和自由电子，所有都自由移动。这样就为电流创造了一人通道。受到快速移动的电子影响使得这两个丝极保持发热，所以继续发出新的电子进入到等离子里面。只要有交流电电流和丝极不烧坏，电流就会不断流穿过灯管。这种方法启动灯需要几秒钟时间。而目前大多数荧光灯都是瞬间启动了。大多数受欢迎的荧光灯设计是快速启动。这个设计的工作原理基本上和传统的启动方式一样，不同是这种启动方法没带有起动器开关。改为使用镇流器不断的通路电流穿过两端电极。这个电流可以设定所以两极间有一个电荷差，当荧光灯被开着时，两端电极的丝极非常迅速的加热，使管内的气体离子化。一旦气体被离子化，电极间建立的电弧的电压就不同。流动带电粒子激发水银原子，触发照明过程。另一种启动方法就是瞬间启动型荧光灯，是将非常高的初始电压用到电极。这个高电压创造了一个电晕放电。基本来说，电极表面的额外电子迫使一些电子进入到气体。这些自由电子将气体离子化并且是几乎瞬间电极之间创建的电弧的电压差。不论启动机制是如何设定最终结果都是相同的：电流流动穿过一个离子化的气体。这种气体放电方法有些特殊和值得怀疑：意是是说如果电流没有小心控制的话电压就会不断增加并且灯具很有可能会爆炸。接着我们会解释一下究竟一盏荧光灯是如何保持平稳的工作的。镇流器正如之前所述，气体和固态的传导电流方式不同。气体和固态的其中一个主要不同是在于它们的电阻，固体金属导体比如说电线，电阻在任何特定温度下都是恒定的，受导体的大小和物质的特性来控制的。如荧光灯中的气体放电是电流引起电阻减少。这是因为有更多的电子和离子流穿过一个特别的区域，电子与更多的原子撞击来使释放电子并创造更多的带电粒子。如果荧光灯的电压不控制好就会烧坏许多的电子元件。荧光灯镇流器是用来控制电流。最普通的镇流器是磁性镇流器，工作原理和感应器有几分相似。感应器基本上都含有线圈，通常是绕住一块金属。当所有电流通过电线时候它就会产生一个磁场。线圈就是增强磁场的作用。镇流器只可以使电流改变慢下来但并不可以使它们停下来。所以镇流器在一个短的时间内以一个特别的方向阻止不断增大的电流。磁性镇流器以一个相对低周波率调节电流，这样就会引起一个可见的闪烁。磁性镇流器可能也可以以一个低频率振动。这就是人们可以听到荧光灯的嗡嗡声。现代的镇流器设计使用了先进的电子学来精确地调节通过电路的电流。由于它使用了一个更高周波率，通常都不再看见闪烁和听见电子镇流器发出的嗡嗡声。不同的灯需要特别的镇流器设计来保持特定电压和各样灯管设计所需的电流水平。荧光灯有各种各样的外形和尺寸，但它们都是工作在一个同样的基本原理就是电流激发水银原子并使它们发出紫外线光子。这些光子反过来激发荧光粉并且发出可见光子。这就是所有荧光灯工作原理。