贴一篇很有深度的文章 白炽灯的工作原理
钨灯敌人和朋友
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。
这里特别需要讲讲灯丝，因为电灯正是要靠它来发光的。
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，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。
------------------------------------------ <在氟钨循环里，氟化钨在3000℃以上才分解，比普通灯丝工作温度还高。因此，氟化钨里的钨，总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方；哪里有高温热点，它就到那里去分解沉积。这样，氟钨循环既防止了在灯丝上出现高温热点，也消除了钨原子沿灯丝的迁移现象。从理论上来说，这种灯的灯丝的工作温度可以接近钨的熔点，并能获得无限长的使用期限，成为名副其实的“长命灯”。
可是，氟钨灯又带来了一个新的问题；氟的个性过于活泼，爱跟各种元素打交道，对于灯里的许多零件，及至玻璃泡壳都有强烈的腐蚀作用，至今还没有找到合适的解决办法。因为这个缘故，充氟灯泡直到现在仍处于试验研究阶段，没有得到实际应用>
玩灯泡的有盼头了，白炽灯不会被淘汰！:victory: 惰性气体
充气灯泡，既可以避免钨丝氧化，又能够阻止它的蒸发，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。
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。
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2％～5％。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1.3％～3％。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。
------------------------------------------ 卤素的作用
玻壳里充进了惰性气体，装上了性质均匀的双螺旋灯丝，白炽灯的发光情况比以前好多了，特别是使用寿命长了许多。
但是还不够理想。
一方面，惰性气体的保护作用随着充填气体压力的增加而加强，为此要求玻壳的体积越小越好；另一方面，为了使蒸发的钨不致把玻壳很快变黑，又要求玻壳尽可能做得大一些。这就又是一个矛盾。
再说，以上一系列的努力只不过是使钨丝的蒸发速度有所减慢。钨丝仍在蒸发着，而且逃脱不了这样的规律：温度越高，蒸发越快。钨粉落在玻壳内壁上，时间一长，玻壳变黑，钨丝白炽灯的寿命一般只有1000小时左右。
原因在于惰性气体分子对于蒸发的钨原子只起狙击的作用。狙击不可能万无一失，漏网的钨原子会通过惰性气体分子之间的空隙，溜到玻壳壁上去，而一旦钨原子来到玻壳壁上，赖着不走，惰性气体分子对它们也就无能为力了。
怎么办呢？能不能找到一种物质，它们既能抑制钨丝蒸发，又能在钨原子溜到玻壳壁以后，跑过去把“逃兵”抓住并送回到钨丝上去呢？
很多人都在琢磨这个问题，设法为钨丝找到一位“新朋友”。直到1959年，一位名叫弗里德里奇的美国人，才终于找到几位能够担当这一任务的“搬运工”，它们就是卤族元素及其化合物。
卤族元素简称卤素，包括氟、氯、溴、碘等几个成员。它们在一定的温度条件下，能够同钨化合，生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨，统称卤化钨，而在更高的温度下，它们又会顺利地分解成钨和卤素，恢复本来的面目。
这个特点具有根本的意义。
你看，人们往玻壳里充进一点卤素，接通电源以后，灯丝发热放光，同时开始蒸发。蒸发出来的钨，大部分被惰性气体顶撞回去，还有一部分向玻壳壁运动，并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合，生成卤化钨气体。卤化钨气体反过来又向灯丝方向扩散，大约在距灯丝只有几毫米远的地方，又因高温而分解成钨和卤素，分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上的，卤素则返回玻壳内壁附近去参加下一次反应。
热心的卤素这样来来回回地奔忙，像是一个勤奋的“搬运工”，把从钨丝上蒸发出来并溜到玻壳壁上的钨原子，一个个地重新搬回到钨丝身上去。它也像一位尽心尽职的“保姆”，总是不厌其烦地把走离了家的“孩子”送回家去。
钨和卤素的这种反应是循环重复地进行的，所以被叫做循环反应。钨和卤素在不断进行的循环反应中化合而又分解，消失而又再生，所以又叫再生循环反应。
这样看来，卤素所做的工作确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨原子只是采取阻拦战术，阻拦不住只好听之任之，毫无办法。卤素实行的却是积极进取，主动争夺，要是漏网的钨原子跑到子玻壳壁上，它们会赶上去把“逃跑者”“揪回原籍”。
既然卤素能把蒸发的钨原子仍旧送回到钨丝上，那么钨丝的工作寿命不就可以无限地延长了吗？实际情况并不这么简单。
卤族元素的4个成员，都能在钨丝灯泡里进行再生循环，它们之间的主要差别，只是发生循环反应所需的温度不同，与灯内其他零件和杂质发牛化学反应的活泼程度也不一样。
在碘、溴、氯与钨的再生循环中，从玻壳壁上被送回来的“再生钨”可不是一下子就沉积到灯丝上的，而是先在灯丝附近徘徊，然后才寻找合适的安身之所的。如果灯丝各部分的温度不尽相同，那么钨在温度高的地方蒸发得快，而在温度低的地方沉积得多，于是钨就会慢慢地“搬家”，不断地从温度高的地方搬迁到温度低的地方。
事实上，灯丝不管做得如何均一，总还是有的地方租一点，有的地方细一点的。电灯点亮以后，灯丝比较粗的地方，电阻比较小，发热比较少，温度比较低；而灯丝比较细的部位，电阻比较大，发热比较多，温度比较高，钨在这里蒸发离去的多，沉积回来的少，如此久而久之，细的部位将会越来越细，灯丝最后就在这里断成两截。
由此可见，灯丝上的高温热点是它的致命伤，灯丝通常都是在这样的点位损坏的。
只有氟是例外。
在氟钨循环里，氟化钨在3000℃以上才分解，比普通灯丝工作温度还高。因此，氟化钨里的钨，总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方；哪里有高温热点，它就到那里去分解沉积。这样，氟钨循环既防止了在灯丝上出现高温热点，也消除了钨原子沿灯丝的迁移现象。从理论上来说，这种灯的灯丝的工作温度可以接近钨的熔点，并能获得无限长的使用期限，成为名副其实的“长命灯”。
可是，氟钨灯又带来了一个新的问题；氟的个性过于活泼，爱跟各种元素打交道，对于灯里的许多零件，及至玻璃泡壳都有强烈的腐蚀作用，至今还没有找到合适的解决办法。因为这个缘故，充氟灯泡直到现在仍处于试验研究阶段，没有得到实际应用。
卤钨循环原理其实早在107年前就被发现了，往白炽灯里充进卤素的设想也在本世纪初就有人提出，可为什么第一只卤钨灯直到50年代末才姗姗到来呢？
关键是材料和工艺方面的问题。卤素是化学性质极活泼的元素，对灯内的金属零件有强烈的腐蚀作用，容易造成导线支架的过早损坏。另外，当时用作玻壳的都是普通玻璃，体积很大，灯泡点亮时玻壳的表面温度只能达到100～150℃，这样的低温不足以促成卤素和钨的化合，而且钨的卤化物一定要在温度超过250℃时才挥发，可当时用作玻壳的普通玻璃根本经受不了这样的高温。直到50年代初，对解决这个问题也没有取得明显的进展。
有意思的是，在应用卤钨循环原理方面首先取得突破性进展的，不是白炽灯，而是在航天技术的红外辐射器中。
1954年，美国通用电器公司为宇宙航行进行模拟试验，制成了一批管形石英红外线加热器，它用钨丝作红外线发射源，试验要求在短时间内每平方米的辐射功率达到数万千瓦。开始试验时，由于钨丝工作温度很高，使石英管很快变黑。后来在辐射器里放进少量的纯碘，钨丝工作温度即使达到2700℃以上，石英管仍能保持剔透明亮。这一突破性进展看来似属偶然，实际上是在卤钨循环原理研究，以及石英玻璃制作、封装工艺等问题基本解决的基础上取得的。
这一成功直接推动了卤钨灯的研制工作，使电光源工作者深受启发，他们抛弃了球形玻壳的传统观念，采用直径只有10～12毫米的管形玻壳。电灯工作时玻壳温度很高，但是耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃承受得了。过去人们总以为改进制灯工艺的方向是使灯泡里的气体纯净更纯净，免得发生会使照明设备遭到破坏的化学反应，而现在却要往玻壳里充进卤素，故意制造卤钨循环反应，并利用它们来提高白炽灯的发光效率和延长使用寿命。
就这样，第一只卤钨灯在1959年问世了。卤钨灯的问世使白炽灯的工作原理和设计思想发生了革命性的变化，揭开了白炽灯发展史上崭新的一页。 卤钨灯
热心的卤素加入了保卫钨丝的行列，它们不知疲倦地忙碌奔波，为改进白炽灯献身尽力。
到目前为止，在理论和实践上应用卤钨循环原理比较成功的是碘钨灯和溴钨灯。
最早问世的卤钨灯是用碘作循环剂的碘钨灯。这是因为在4个卤族元素里，碘的性质最不活泼，不像其他几种卤素那样有强烈的腐蚀作用。
待灯泡里充进纯碘、玻壳壁的温度控制在250～1200℃之间，从灯丝上蒸发出来的钨就会在玻壳壁附近与碘化合成碘化钨。随着气体的对流，碘化钨将扩散到灯丝附近，由于这里的温度可以高到2000℃以上，不太稳定的碘化钨就会在这里分解成碘和钨，钨重新回到灯丝上继续工作，碘则再次向玻壳方向扩散去完成新的“搬运”钨的任务。
同普通白炽灯相比，碘钨灯大大减少了钨的蒸发量，延长了使用寿命，提高了工作温度和发光效率。普通白炽灯的平均使用寿命是1000个小时，碘钨灯要比它长一半，发光效率提高30％。
从个子来看，碘钨灯显得特别小巧玲珑，同样一只500瓦的灯泡，碘钨灯的体积只有白炽灯的1％。它的玻壳里除了有碘，还充进了惰性气体，又小又结实，充气压力高达1.5～10个大气压。
根据用途的不同，碘钨灯可分好几种。
有的碘钨灯能发出大量看不见的红外线，热效率高，是加热干燥用的理想热源。
有的碘钨灯功率大，可辐射出大量的光能，用作大型车间、广场、体育场、机场、港口等处的照明很合适。
有的碘钨灯是新闻摄影、彩色照相制版，以及电影摄影、放映的光源，功率高、体积小、重量轻是它的主要优点。在一部分激光装置中，碘钨灯还可用做光泵。
碘钨灯的光效高、亮度大、结构紧凑，这些正是交通车辆照明求之不得的长处。现在火车特别是汽车上的聚光灯、雾灯、主前灯等，正在逐步改用碘钨灯。
最常见的碘钨灯，有着像钢笔一样的细长身材。灯的主体是一根直径10～12毫米的石英管，软化点高达1700℃。灯丝上每隔一定距离用一个支撑圈托着灯丝，灯两端的长方形扁块是封接部分，用来保证既能导电，又不漏气。
碘钨灯也有不足之处。
碘蒸汽是紫红色的，它多少会对碘钨灯的亮度和发光效率产生一定的影响。碘钨灯工作时玻壳里有气体对流，个别地点的温度有可能下降到不足以维持碘钨循环反应进行的程度，结果使玻壳的局部发黑。还有，水平放置的管形碘钨灯必须用溴代替硫放得很平，倾斜度不得超过4度，否则就会影响灯的寿命。溴钨灯可以在相当程度上克服这些缺点。
溴钨循环与碘钨循环相似，只是溴的化学性质比碘更活泼，是比碘更勤快的“搬运工。溴钨灯里充溴的数量更得严格控制，稍稍超过就会对灯丝温度比较低的部位产生腐蚀。
实验研究告诉我们，氢能缓和溴的化学活性，如果把溴化氢或溴的碳氢化合物充进灯里，那么对灯内金属零件的腐蚀作用将会轻得多。
溴钨灯里的溴化氢可以在200～1100℃的玻壳壁温下进行正常的溴钨循环，所以可以用来制作大功率高光效的电光源。
溴清洁玻壳壁的效果比碘好，玻壳发黑的问题基本得到解决。溴化氢是无色透明的气体，不吸收可见光，比碘钨灯的发光效率高。溴钨灯里的气体对流不影响灯的寿命，使用时也不像碘钨灯那样一定要水平放置。
在不少岗位上，溴钨灯已经取代了碘钨灯。
溴钨灯发光体的形状多种多样，有点状、线状，还有面状。
点状的溴钨灯工作温度和发光效率高，在光学仪器、电影放映、光刻等方面有广泛应用。
用很多螺旋状的灯丝，排列成一个均匀的发光面，这就成了面光源溴钨灯。线光源和面光源溴钨灯正逐步被应用到电影、电视、摄影、舞台等方面。
我国从60年代初就开始试制充碘的管形碘钨灯，现在已经有了各种不同用途的近10个系列的上百个品种，在电影、电视、剧院舞台、体育场、博物馆等许多地方都能找到它们的踪迹。
20世纪30年代，一些新型的气体放电灯初露头角，特别是40年代荧光灯取得革命性的进展以后，有人曾经预言：白炽灯的时代已经过去，它们将从照明舞台上消失！
但是预言并没有变成现实，尤其是50年代出现光效高、亮度大、体积小的卤钨灯以来，使用方便、价格低廉的白炽灯获得了新的生命力，在照明领域里继续保持着应有的地位。
:lol
此时的光效是多少，大功率的能到LED辐射效率的极限吗出来，外壳的成本恐怕更高 很生动很形象
好文 知识型文章,学习了. 就算把钨丝加热成4000度的液态，光效也不一定能超过hid:lol 原帖由 ilove3d 于 2008-3-16 22:20 发表 http://www.shoudian.org/images/common/back.gif
就算把钨丝加热成4000度的液态，光效也不一定能超过hid:lol
两回事，一个是气体放电灯。个人不喜欢HID的高色温，空气散射太大跟LED一个德行。:lol 白炽灯的光效率极限好象是95流明/瓦，大约需要太阳表面的温度6000度。
这个只能是指望材料科学发展将来出现比钨熔点更高2500度的导电材料。 1个月前看过，再看一边！:lol 钨丝从固态直接变为气态，应该叫做“升华”而不是“蒸发”吧？ 学习．好文章． 学习了！ 非常好的文章！
突发奇想YY下：以后会不会出现高压钨灯？那可就厉害了 忘了在哪看的了~反正是感觉看过 好帖！好帖！ 有点小错误。
“两条导线表面上很简单，实际上由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。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”
杜美丝表面涂了红磷而发红。而不是杜美丝本身是红色的。:lol 我国60瓦以上的白炽灯泡都充气。氮气混合15％氩。:lol