六、革命性突破
惊人的浪费
你用手摸过正亮着的白炽灯泡吗？
不论是普通白炽灯还是卤钨灯，你向它伸出手去，刚碰到泡壳，一定会马上缩回来：“哎哟，好烫啊!”是的，这一类灯泡点着的时候真是烫手。因为它发光的同时会放出大量的热，功率越大，放热越多，光才越强。
你如果想让白炽灯不发热，那就只有把灯关掉，但同时也就没有了光，真所谓“有一分热，发一分光”啊！但是，这种说法仔细想来却有问题。因为经过计算，我们给普通白炽灯的电能，与它发出来的光能是有很大差距的。它们之间不是一比一的关系，也不是七比三的关系，而是九十几比几的关系。这就是说，如果灯泡得到的电能是一百份的话，那么只有几份变成了光能，其余九十几份都变成热能散失到周围大气里去了。这真是一笔惊人的浪费！
应该设法尽量把光和热分开。
其实，分开光和热的工作，早在几千年以前就开始了。
请回顾一下原始人的火堆吧，一个火堆，既供采暖，又供炊事，还供照明，热源和光源是不分家的。
后来，人们用火把和松明代替火堆，这就是为了把光源和热源分开。
用火把和松明照明，亮度不减，而放出的热量却比火堆少得多。
再往后，人们又用油脂灯、蜡烛、煤油灯、煤气灯等来代替火把和松明，还用白炽灯来代替煤油灯和煤气灯。形形色色的灯烛远比火把、松明明亮,放出来的热量却少得多。但是，尽管少，它们仍然在放热，热量仍然在白白地浪费掉。
看来，要把光和热分家，确实不是一件容易的事情。
这是为什么呢？许多万年来，人们取得光的办法始终是使某些物质白炽化:在火堆、松明、蜡烛和一切油灯里，是使火焰里的碳粒白炽化;在带纱罩的煤气灯和汽油灯里，是使纱罩——难熔金属的氧化物白炽化；在普通的白炽灯里，是使灯丝——炭丝或钨丝白炽化。而一切物质为了要达到白炽化，就必须加热到具有很高的温度。这样一来，物体白炽发光的同时，放出大量的热是不足为奇的了。
所以说，要想把光筘热分开，要想解决照明中大量热的浪费问题，就必须抛开几十万年来传统的取光方法，走不使物体白炽发光的道路。
这是一个崭新的课题。
人们通过多年来的研究实践，现在已经做出了一些肯定的回答，在探索和研制新灯的征途上迈出了可喜的一步。
从“囊萤”谈起
现在，荧光灯的使用已经很普遍，人们又称它为日光灯或管灯。
荧光灯可不是白炽灯家族里的成员，它只放出少量的热，可是却发出明亮的光，比白炽灯的发光效率高多了。
那么荧光灯是什么呢？
请大家先查查字典。
翻开一本“年龄”比较大的字典，就可以看到，在“荧”字栏下，根本找不到荧光灯这个名词，只能查到“荧”字的字义:光闪动的样子;光微弱的样子。
倒是在“萤”字栏内，我们看到了“萤光灯”这个词儿，解释道：“萤光灯就是日光灯”。
这就是说，我们现在使用的日光灯，当初是叫“萤光灯”的，后来才改名为“荧光灯”。至于其中的奥妙，说起来话就长了。
早在我国晋代，有一个年轻的读书人车胤〔細〕，家里很穷，点不起灯，可晚上又要读书，这怎么办呢？
“萤火虫，夜夜红。”炎热的夏夜，常常可以看到闪闪烁烁的流萤飞动。车胤心想：何不利用这种天然的光亮来照明？于是捉来了许多萤火虫，放在一个纱布袋子里挂起来，就着萤火虫发出的光来读书。这才是世界上最早的一盏名副其实的“萤光灯”，也是我国“囊萤”这个典故的来历。
我国古书《古今秘苑》里还有一节萤光捕鱼的记载：“取羊膀胱吹胀，入萤数百枚，系于罾足网底，群鱼不拘大小，各奔其光，聚而不动，捕之必多。”这可以说是世界上最早的灯光捕鱼。
利用这种“生物灯”照明，在国外也有实例。
美洲西印度群岛的居民，晚上走路时把一种特大:的萤火虫缚在脚上，就可以看清道路。
一九〇〇年，法国科学家杜布依斯把发光细菌装在玻璃泡里，有了几盏这样的“灯”，就把当年巴黎博览会光学馆的大厅照得通明。
据说，一八九八年，著名的哥加斯医生为伤兵动手术时灯灭了，他也借一瓶萤火虫的光亮，成功地完成了手术。
“囊萤”和“萤光捕鱼”的故事已经过去一千多年了，但是萤火虫发光的现象，却始终没有被人们忽视。
萤火虫发光有个特点:不靠白炽，不放热量，只发光线;它的光是真正的冷光。
能发光的生物还有很多，包括某些细菌、真菌、蠕虫、珊瑚虫、水母、甲壳类、软体动物、鱼类、昆虫等等，其中大多数是海洋生物。
海洋发光生物很多栖息在深海。这里笼罩着永恒的黑暗，只能看到繁星似的闪光——生物光，五光十色，瑰丽多彩。
萤火虫和海洋里的发光生物给人以启示：自然界里的生物能够放出冷光，为什么我们不能把照明所需要的光同热分开呢？难道一定要使物体白炽才能发光吗？
于是人们决心从头做起。经历了试验——失败、试验——改进、试验——胜利等一系列曲折的路程，虽然至今还没有取得完全的成功，但是一盏又一盏的新灯被制造出来了。一九三八年，美国人因曼制成的荧光灯就是一例。
荧光灯发光与白炽灯发光大不一样，不靠白炽，发热比较少，这一点跟萤火虫发光有点儿类似，于是人们开始给它起名叫“萤光灯”。
随着岁月的流逝，也许人们慢慢地忘却给我们启示的小小的萤火虫了，也许有人认为“荧”字更能确切地反映荧光灯发光的物理特性，更重要的是人们觉得荧光灯的发光原理与萤火虫的发光原理毕竟有着本质的区别。总之，“萤光灯”后来改名叫“荧光灯”。
荧光灯的发光效率虽然比白炽灯高得多，但它仍然是发热的，没有把光和热彻底分开，并不是真正的冷光。就这一点来说，它比萤火虫还差得远哩！
气体放电发光的秘密
荧光灯是一种气体放电灯。
论资格，气体放电灯里的“老大”还不是荧光灯，而是色彩缤纷的霓虹灯。第一只霓虹灯是一九一零年法国化学家克洛德发明的。从那时开始，资本主义国家一些阔气的公司和商店，就用它来做招徕〔I如顾客的广告和商标了。
旧中国的上海滩是冒险家的乐园，每当夜幕降临,闪烁变幻、色彩艳丽的霓虹灯下是个纸醉金迷的花花世界，难怪那部反映我人民解放军保持光荣传统，与资产阶级思想腐蚀进行斗争的电影，被形象地起名叫《霓虹灯下的哨兵》。
在长长的弯成各种形状的霓虹灯里，装有各种不同的气体，通电以后，气体粒子受到激发便发出光来。
霓虹灯里并没有灯丝，只是在灯管的两头有电极，发光不是靠白炽的灯丝，而是靠受激发的气体。灯管里装的气体不同，发出的光的颜色也不一样。
你看，氮气发的是金黄色光，氢气发的是粉红色光，二氧化碳发白光，氩气发淡紫色光,氖气发橘红色光，氖和汞的混合气体发绿光。
看不见、摸不着的气体，怎么会一下子发出光来的呢？
这首先是因为气体能导电。如果气体不导电，灯管里没有电流流过，那就像电灯的开关闭着一样，是什么光也发不出来的。
在通常情况下，气体分子是中性的，不会导电。但是有时候可以造成一些特殊的条件，比如在高速粒子或某种射线的作用下，有些气体的原子或分子会失去或得到电子，变成带正电或负电的正离子或负离子，气体里有了这些可以移动的电荷，就变成能够导电的了。这时候，如果有电场存在，气体里就会有电流通过。气体放电原来是电流通过气体的过程。
气体放电的现象对我们来说并不陌生，雷雨天划破长空的闪电，就是在大气层里发生的气体放电现象。经过多年的反复实践，人们对于气体放电的规律有了一定的认识，并且能够人为地创造一些条件，形成我们所需要的气体放电，用来为我们服务。
水银的贡献
一提起金属，大家马上会联想到一块块坚固的金、银、铜、铁、锡之类的物体。
可是，也有一种金属在常温下是液态的，那就是水银，学名叫做汞。它有美丽的光泽，好似白银。
古代的炼丹家们看中了水银，想用它炼成贵重的金子、银子。他们把包括水银在内的几种矿物放在一起，炼来炼去，希望炼出一种人吃了能够长生不老的灵丹妙药。可是，水银有毒，如果它的比例稍大，误吞下去，那些企求长生不老的人往往反而成了短命鬼。《红楼梦》里贾宝玉的伯父贾敬，就是这样中毒身亡的。
在这种场合里，水银扮演了很不光彩的角色。
但是，水银确实有用，而且用途很广。现代气压表、压力计、温度计、真空泵等都要用到汞;汞又是某些药物的重要成份；汞还能与不少金属合作，制成合金,派各种用场。在我们这个照明领域里，汞也担负着光荣的使命，在气体放电灯里占据着一个重要的席位。
前面提到的照明荧光灯，其实就是水银灯的一种，它的全名叫低压水银蒸气放电灯，
或者简称之为低压汞灯，诞生于四十多年前，直到现在还是使用最普遍的气体放电灯之一。
让我们先来看看荧光灯的外表和结构吧！
荧光灯由灯丝、灯头和灯管三部分组成。
灯丝是螺旋形的钨丝，上面涂着热电子发射材料——电子粉，温度高到一定程度，就会发射电子。灯头有两个导电的灯脚，电流是通过灯脚引来的。灯管是圆柱形的玻璃管，乳白色，不透明，管壁内表面均匀地涂敷着一层薄薄的荧光粉。
把灯管里的空气抽走,达到相当的真空度，再往里充进极少量的惰性气体，同时放进一点点水银，一只四十瓦的灯管，才放进百分之几克水银。
现在我们揿下开关，电源接通了，灯管两头的灯丝受热而发射电子，冲击灯管里的惰性气体，先使惰性气体激发放电。随着灯管里的温度升高，液态汞变成汞蒸气，汞蒸气与惰性气体粒子激烈碰撞，产生放电现象而发出光来。
汞蒸气放电过程中发出来的光，主要是肉眼看不见的紫外线。紫外线照射到管壁的荧光粉上，受激发的荧光粉会把它们的大部分“改造”成为可见光射出来。
荧光灯的发光颜色与所用荧光粉的成份有关。如果是钨酸钙，那就发蓝色光;是硅酸锌，发绿色光;硼酸镉发粉红色光；硅酸锌铍发黄白色光。现在绝大多数的荧光灯，用的荧光材料是卤磷酸钙，发光的颜色是白色的，接近日光，所以人们都把荧光灯称为日光灯。
“孤掌难鸣”，一般荧光灯也有这种情况，它必须跟镇流器、启辉器配合起来使用才行。
—–一个小铁盒似的镇流器，主要用来限制通过灯管的电流，同时一开始就能产生比较高的脉冲电压，以便把荧光灯点着。
小小的有一个圆柱形铝壳的启辉器，起着自动开关的作用。接通电源以后，黑暗中我们首先看到启辉器在闪闪地发出红光，原来是它在做“启动”的工作。没有它，镇流器产生不了高的脉冲电压，灯管里的气体也就不可能一下子点着而发出光来。
荧光灯的启动和点着就是这么一回事。
与白炽灯根本不同，荧光灯不是靠炽热灯丝，而是靠气体放电发光的。它浪费掉的能量比白炽灯少得多——送进荧光灯的电能有百分之三十八用来加热电极和管壁保温，有百分之二变成可见光，还有百分之六十是以紫外线的形式向外辐射的。
当然罗，荧光粉吸收了汞蒸气辐射出来的紫外线，并不能把它们全部都变成可见光，而只是对其中的一部分进行了“改造”，其余很大一部分还是以热能的形式向外散失掉了。
但是，总的来说，发光效率高仍然是荧光灯最主要的优点，即使把镇流器的损耗也计算在内，荧光灯的发光效率还是白炽灯的四倍。这就是说，同等功率的荧光灯比白炽灯亮得多！
使用寿命长也是荧光灯的长处。白炽灯一般只能点一千来小时，荧光灯却可以长达三千至五千小时，有的甚至长寿到一万个小时。
调整荧光粉的成份，可以选择荧光灯的光色。大多数荧光灯的光色接近日光，物体在灯光下能更好地保持自己的本色。一般白炽灯就做不到这一点，它会使物体的颜色看起来发红。
用手摸白炽灯感到烫手，摸荧光灯就不必有这个顾虑，因为荧光灯灯管的温度比室温高不了多少。
白炽灯光是刺眼的，你都不敢正视它;荧光灯可不一样，光线柔和，光色宜人，灯管本身很长，浑身发光,光线分布均匀。
荧光灯有这么多优点，怪不得它在照明领域里地位显赫，问世几十年来，已经有了极大的发展。现在不仅有常见的管形荧光灯，而且还有矩形、方形、u形的荧光灯，甚至不用普通镇流器的荧光灯也出现了。
那么，是不是荧光灯就尽善尽美了呢？
不，荧光灯也有不足之处。
白炽灯非常简单，就是一个灯泡。荧光灯不仅有挺长的灯管，而且有一套附件，包括镇流器、启辉器等等；附件一多，发生故障的机会也增加了。
虽说荧光灯用电少，但是它的成本高，一次投资大。连同附件在内，一只荧光灯的价格要比一只同功率的白炽灯贵十几倍。
功率不大也许是荧光灯最主要的缺点。
要知道，荧光灯灯管的大小是必须讲究的，过大或过小都会降低灯的发光效率。一般来说，功率越高,灯管的尺寸也必须越大。比如，功率十五瓦的灯管，直径二十五毫米，长四百三十六毫米；功率四十瓦的荧光灯，灯管三十八毫米粗，长达一点二米左右;功率再大灯管也就更长更粗。这怎么能行呢？
所以说，一般照明用的荧光灯的功率都不能太高，五瓦到一百瓦之间，用作室内照明可以，用作室外照明或者高大建筑物的照明，就有点勉为其难了。
力争高效长寿
提高荧光灯的发光效率和寿命，长期以来都是研究改进荧光灯的一个主题,甚至可以说，在这方面所取得的成果的历史，也就是荧光灯的发展史。
影响荧光灯效率和寿命的因素很多，许多因素往往是相互制约的，需要很好地分析研究。比如，荧光粉的种类和数量、管壁温度、灯管尺寸、惰性气体种类、充气压力、电流大小、电极材料性状、开关次数、附件质量等等，都跟荧光灯的发光效率和使用寿命有关系。
拿荧光粉来说吧，人们至少已经研究试制了几十种。早在十七世纪初，就有一位意大利人发现把灯靠近一些岩石时，岩石会发出一种奇怪而微弱的光。一八五二年，斯多克斯发现硫酸盐可在紫外线的照射下发出可见光。一八六七年，贝卡纳里尔在玻璃壳内壁涂上荧光粉，进行实际荧光发光的试验。到本世纪三十年代初，人们已经找到了好几种能发单色光的荧光粉。
一九三八年荧光灯正式问世。最初用的荧光粉是硅酸锌铍、钨酸镁和硼酸镉的混合物，发光效率不高。一九四二年，改用英国化学家麦基格发明的卤磷酸钙荧光粉，效率提高了一大步，直到现在还在广泛地使用。近年来，荧光粉的成份又改为卤磷酸钙镉，发光效率又有了进一步的提高，而且光色也更好。
不仅荧光粉的种类，而且它的质量，主要是粉内杂质的含量和粉粒的粗细，也对荧光粉的发光效率有影响。一般粉粒有小米粒那么大小。粉粒直径越大，发光效率越高，但是涂敷有困难。不同质量的荧光粉，发光效率往往要差好几倍。
再来看看充气的种类和压力。
荧光灯里充进惰性气体的目的很明显，一是帮助荧光灯启动，二是缓冲带电粒子对电极的轰击，减轻电极上电子粉的蒸发。但是充气太多，热损失增加，会使灯的发光效率降低。权衡轻重利弊，充气的多少要有个适量。一般充气压力不超过三毫米汞柱，只相当于一个大气压的二百五十分之一。现在多数充的是氩气，和充气白炽灯一样;充比较重的惰性气体，像氪气、氙气等等，质量当然更好，但是价钱太贵。
管壁温度的高低，影响灯管里水银蒸气压的高低，这与灯的发光效率也有密切关系。最好的管壁温度是摄氏四十度左右，这除了从灯管本身的形状，尺寸等方面来保证外，还要注意周围环境的因素。日晒雨淋、强烈的通风和加热，都对提高荧光灯的发光效率不利。你可能早就注意到：冬季天寒，荧光灯开始点着时很暗，过了一会儿，灯管热了，它才慢慢地亮起来。
荧光灯的电子，是轮流交替地从两端的电极发射出来的，那上面涂有发射电子的电子粉。做电子粉的材料很重要，数量也得合适，荧光灯的寿命常常是由它来决定的。电子粉消耗完毕，荧光灯也就“寿终正寝”。
事实上，荧光灯在通电启动的一瞬间，受带电粒子的轰击是很厉害的，每启动一次就受高电压冲击一次启动的次数越多，电极上电子粉的消耗也越快。这就:是说，荧光灯不能频繁地开关，频繁开关会使它的使用寿命大大地缩短。
前面曾经提到荧光灯的寿命达到三千至五千小时，这是怎样测定的呢？这是在实验室里，将每支灯每二十四小时开关八次，然后去掉关灯的时间，把灯正常发光的时间加在一起计算出来的。如果开关次数减少，灯的寿命就大大增加。如果干脆连续点着，那么这样的灯的点亮时间就要比每二十四小时开关八次的灯的点亮时间长两倍半。所以，如果没有必要，可不要随随便便地开灯、关灯啊！
有了好的合格的材料和零件，还要有新的精细的生产装配技术。
你到生产荧光灯的工厂去参观一下就知道，生产一只荧光灯的灯管有好多道工序，包括洗管、涂管、烤管、揩管封口、排气、装头烤头、涂硅酮、老炼等等。产品经过检验，质量合格才能出厂。
手工业生产是落后了，必须实行机械化自动化生产。现在一套自动化生产荧光灯的设备，总共只要两个人操纵，一小时就能生产出几千只荧光灯。大生产才能降低成本，保证质量，更好地达到提高灯的发光效率和延长灯的使用寿命的目的。
提高汞蒸气压以后
一般的荧光灯叫低压汞灯。那么有没有高压汞灯呢？
有的。不仅有高压汞灯，而且还有超高压汞灯哩!顾名思义，高压汞灯就是灯管里的充气压力比较高。低压汞灯的充气压力只有几百分之一个大气压，而且主要是惰性气体的压力，可是在高压汞灯里，压力达到好几个大气压，其中惰性气体只是贡献了一小部分，基本压力是由汞蒸气提供的。
从外貌上看，一般照明用的高压汞灯与低压汞灯大不一样，倒是与白炽灯十分相似，也是一个螺丝灯头式的灯泡，分成内外两层：里面的放电管是管形的，外面套着一个球形的硬质玻璃做的外壳，两层泡壳之间抽成真空，或者充填惰性气体。
为什么要把高压汞灯做成这副模样呢？
外层泡壳起着保护的作用，保护里面的放电管不与外界空气接触，不受脏物污染。
一层玻璃再加一层真空或者惰性气体的“防护带”，减少了热量的散失，减轻了外界环境变化对放电管工作的影响9高压汞灯的工作就更加稳定可靠，灯光也更明亮柔和了。
个子虽小，装备齐全。高压汞灯灯管的两头也有电极，有一头还有两个电极，其中一个是专门用来“点火”的引燃极;灯点着了，引燃极也就功成身退，暂时休息。
住在大城市里的少年朋友，一定看见过马路上高压汞灯点燃的情景。
通电以后，电极开始工作，温度比较低，汞蒸气压不高，灯光青紫色，暗沉沉的。不一会儿，放电产生的热量使汞蒸发，压力逐渐升高，四分钟后稳定，发光颜色也变成蓝绿色。之后，灯越来越亮，过了十分钟才完全正常。
我们已经说过，汞蒸气放电产生的蓝绿色光，是不能直接用来照明的；用在少数对光色要求不高的地方还勉强。外层泡壳的内壁涂上荧光粉，发光颜色可以得到很大的改善。
高压汞灯用的荧光粉有好多种。最初涂的是硫化-镉，后来使用氟锗酸镁。近十几年来，改用钒酸钇或钒磷酸钇，它们能够更充分地利用紫外线的能量，发出安详明壳的白光。
同低压汞灯一样，高压汞灯的电极也有热电子发射能力。既受轰击，又要蒸发，电极的寿命于是决定了‘电灯的寿命。时间一长，发射物质沉淀到管壁上，会使电极附近的灯管两端发黑，发光效率下降，而且启动困难，最后干脆熄灭不亮了。
改进电极可以延长高压汞灯的使用期限。过去用氧化物作电极，一般寿命五千小时;现在改用锆酸钡电极，效果更好，点亮时间可长达一万一千小时以上。
低压汞灯的优点也是高压汞灯的优点——发光效率高、使用时间长。不过，高压汞灯还有自己的长处:体积小，比白炽灯大不了多少，比低压汞灯小得多；放电管里气体的带电微粒碰撞机会多，放电过程进行得激烈，发光的总能量大，功率往往可达几百甚至上千瓦。这样一来，高压汞灯就突破了低压汞灯的局限，被广泛地用到街道、工厂、车站、港口等等的室外照明上。
那么,不带外层泡壳的高压汞灯有没有用处呢？
有的。这种灯能够发出很多很强的紫外线，用来照明不合格，用作健康治疗、杀菌消毒以及促进光化学反应却是十分有效的。
高压汞灯里的汞蒸气压，是二到十个大气压，超过十个大气压的汞灯叫超高压汞灯。
球形、椭球形的超高压汞灯比较多，也有一些毛细管形的超高压汞灯，工作压力可以达到上百个大气压。
不用说，汞蒸气压越高，灯的发光强度和发光效率也越高。汞蒸气压超过一百五十个大气压的超高压汞灯，电弧中心的亮度，要比一般荧光灯的亮度强几十万倍，而且光色更接近日光，不用荧光粉校正，就可以直接用来照明。
高压汞灯比低压汞灯小，超高压汞灯比高压汞灯更小。又细小又明亮的球形超高压汞灯，用作荧光显微镜、高度照相记录器、投影探照灯、半导体光刻以及各种光学仪器上的光源最合适。
低压的、高压的、超高压的汞灯，正在越来越普遍地深入到人们生产和生活的每一个角落，在千家万户，在工厂矿山，在机关学校，在街道广场，各尽所能，各得其所，不知疲倦地放射出明亮柔和的光芒。