论文部分内容阅读
使用灯泡主要目的是照明，亮度是照明最重要因素之一，日常生活中所说的灯泡亮暗是指灯泡发光强弱，发光强的灯泡比较亮，发光弱的灯泡比较暗。那么，如何判定灯泡亮暗呢?
灯泡工作过程是电能转化为光能，灯泡亮暗主要决定于单位时间获得光能的多少，但是，由于灯泡消耗的电能并不能全部转化光能(不考虑何种颜色的光)，所以，灯泡亮暗跟它的实际功率和灯泡工作时电能转化为光能效率(以下称发光效率，发光效率是指电能转化为光能与消耗的电能之比)有关。因此，判定灯泡亮暗要根据具体条件进行分析，笔者认为至少要分“同一类型灯泡(主要是指额定电压相同、发光效率相近)正常工作、同一盏灯泡在不同电压下工作、同类型但额定电压不同(如：均利用钨丝炽热发光、额定电压不同)灯泡不在额定电压下工作、不同类型灯泡(主要是指各类型灯泡各自的发光效率不同，如白炽灯、节能灯、LED灯)工作”等四种情况进行讨论才能比较有效科学地回答如何判定灯泡亮暗。
1 同一类型灯泡正常工作时亮暗取决于灯泡的额定功率
白炽灯工作原理：电流通过灯丝时，电流做功，产生电热，灯丝的温度升高，达到白炽状态而发光。对于额定电压相同、发光效率接近的一类型灯泡正常工作时它的实际功率等于额定功率，所以，灯泡正常工作时亮暗取决于灯泡的额定功率，额定功率越大，灯泡就越亮；反之灯泡越暗。
2 同一盏灯泡在不同电压下工作时亮暗取决于灯泡工作时的实际功率
白炽灯工作情景：电流通过的灯丝时，电流做功，产生电热，灯丝的温度升高，达到红炽状态就发光，由于灯丝温度比周围温度高，会向周围散热，当灯丝的温度升高到某一值时出现热平衡，灯丝保持一定的高温值，而这一温度跟灯泡两端的实际电压有关，灯泡两端的电压越高，通过的电流也越大，灯丝的温度越高，灯泡的发光效率也越高，它的实际功率也越大，灯泡更亮；反之灯泡越暗。
3 同类型但额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗还要考虑灯泡的发光效率
从第二点讨论可知，同一类型灯泡不在额定电压下工作时，电流通过灯泡的灯丝做功，灯丝发热发光，灯丝温度的高低将影响其发光的效率，灯丝的温度较低时发光的效率较低，灯丝的温度高低要看实际工作情况。所以，同类型额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗既要考虑灯泡的实际功率也要考虑灯泡的发光效率。下面，用几个特例进行理论分析，用一个实验加以验证。
3.1 实际功率相等亮度不一样
“12 V 12 W”灯L1、“6V3W”灯L2并联接在6V的电源上(设灯丝电阻变化忽略不计，下同)，这两灯泡的亮度如何?根据条件可得两灯泡的实际功率都等于3W。但亮度却不一样，灯L1较暗，其原因是：灯L1的灯丝温度比正常发光时低，它的发光效率比正常发光低；而灯L2正常发光，它的发光效率与正常发光相同。因此，虽然灯L1和灯L2实际功率相等，但是，由于灯L1发光效率较低，灯L1的亮度比灯L2暗。
“12 V 12 W”灯L1、“6 V 3 W”灯L2串联接在12 V的电源上，同理可得出灯L1和灯L2实际功率都等于3 W，但是，由于灯L1发光效率较低，灯L2的亮度暗。
3.2 实际功率大较亮
“12 V 6 W”灯L1、“6 V 6 W”灯L2并联接在6 V的电源上，因为灯L2的实际功率6 W，灯L1的实际功率只有1.5W，且灯L1的灯丝温度比正常发光时低，它的发光效率比正常发光时低，可以判定出“6 V 6 W”灯泡比“12 V 6 W”亮。
“12 V 6 W”灯L1、“6 V 3 W”灯L2串联接在18 V的电源上，两盏灯都是正常发光(发光效率相近)，灯L1和灯L2实际功率等于各自的额定功率，灯L1实际功率大于灯L2实际功率，所以，灯L1比灯L1亮。
常见：“220 V 60 W”、“220 V 15 W”两盏灯串联接在220 V照明电路上，“220 V 15 W”灯比较亮，就是因为它的实际功率比较大、发光效率相对高一些。
3.3
实际功率大反而暗
“12 V 12 W”灯L1、“6 V 2 5 W”灯L2并联接在6 V的电源上，灯L1的实际功率是3 W(发光效率相当低)，灯丝发红不太亮，灯L2实际功率等于额定功率，即2.5 W，灯L1灯丝正常发光较亮，所以，灯L1实际功率大反而较暗。
“12 V 12 W”灯L1、“6 V4 W”灯L1串联接在14 V的电源上，灯L1的实际功率大约5.33 W(发光效率低)，灯L1实际功率等于额定功率，即4 W，灯L2灯丝正常发光较亮，因此，灯L1实际功率大反而较暗。
3.4 如果只知道定性关系为：实际功率大、发光效率低与实际功率小、发光效率高，两只灯泡亮暗无法判定。
3.5 实验验证
有兴趣的读者可以做一实验来体会：用实际功率大小判定灯泡亮暗有时是错误的。具体方法：将“110 V 15 W”两白炽灯串联后接到220 V照明电路上、将“220 V 60 W”两自炽灯串联后接到220 V照明电路上。观察它们发光情况，大家一定会说“110 V 15 W”白炽灯更亮，而这时“110 V 15 W”白炽灯实际功率是15 W，考虑到灯丝电阻的变化，“220 V60 W”白炽灯实际功率略大于15 W。
综上所述，同类型但额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗不能只看灯泡的实际功率大小，灯泡的发光效率高低不能忽视。
4 不同类型灯泡亮暗不能忽视灯泡发光效率
时下常说的(CFL)节能灯、LED灯(是发光二极管)，20 W的节能灯(是靠荧光粉发光)亮度、12 W LED灯亮度、100 W白炽灯亮度相当，所以，我们说“60 W白炽灯正常发光比20 W的节能灯正常发光更亮”就不对了，20 W的节能灯亮度应该比40 W白炽灯更亮吧，所谓的节能灯，实质是电流做功时电能转化为光能的效率高，应该称之高效灯更合适。
总之，灯泡的亮暗是由灯泡的实际功率和灯泡的发光效率决定的，对于“同一类型灯泡正常工作时亮暗、同一盏灯泡不同电压时亮暗”判定一般就看灯泡的实际功率，实际功率越大就越亮。但是对于“同一类型灯泡不在额定电压下工作、不同类型灯泡工作时亮暗”判定不仅要考虑灯泡的实际功率，而且要考虑灯泡的实际发光效率。
灯泡工作过程是电能转化为光能，灯泡亮暗主要决定于单位时间获得光能的多少，但是，由于灯泡消耗的电能并不能全部转化光能(不考虑何种颜色的光)，所以，灯泡亮暗跟它的实际功率和灯泡工作时电能转化为光能效率(以下称发光效率，发光效率是指电能转化为光能与消耗的电能之比)有关。因此，判定灯泡亮暗要根据具体条件进行分析，笔者认为至少要分“同一类型灯泡(主要是指额定电压相同、发光效率相近)正常工作、同一盏灯泡在不同电压下工作、同类型但额定电压不同(如：均利用钨丝炽热发光、额定电压不同)灯泡不在额定电压下工作、不同类型灯泡(主要是指各类型灯泡各自的发光效率不同，如白炽灯、节能灯、LED灯)工作”等四种情况进行讨论才能比较有效科学地回答如何判定灯泡亮暗。
1 同一类型灯泡正常工作时亮暗取决于灯泡的额定功率
白炽灯工作原理：电流通过灯丝时，电流做功，产生电热，灯丝的温度升高，达到白炽状态而发光。对于额定电压相同、发光效率接近的一类型灯泡正常工作时它的实际功率等于额定功率，所以，灯泡正常工作时亮暗取决于灯泡的额定功率，额定功率越大，灯泡就越亮；反之灯泡越暗。
2 同一盏灯泡在不同电压下工作时亮暗取决于灯泡工作时的实际功率
白炽灯工作情景：电流通过的灯丝时，电流做功，产生电热，灯丝的温度升高，达到红炽状态就发光，由于灯丝温度比周围温度高，会向周围散热，当灯丝的温度升高到某一值时出现热平衡，灯丝保持一定的高温值，而这一温度跟灯泡两端的实际电压有关，灯泡两端的电压越高，通过的电流也越大，灯丝的温度越高，灯泡的发光效率也越高，它的实际功率也越大，灯泡更亮；反之灯泡越暗。
3 同类型但额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗还要考虑灯泡的发光效率
从第二点讨论可知，同一类型灯泡不在额定电压下工作时，电流通过灯泡的灯丝做功，灯丝发热发光，灯丝温度的高低将影响其发光的效率，灯丝的温度较低时发光的效率较低，灯丝的温度高低要看实际工作情况。所以，同类型额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗既要考虑灯泡的实际功率也要考虑灯泡的发光效率。下面，用几个特例进行理论分析，用一个实验加以验证。
3.1 实际功率相等亮度不一样
“12 V 12 W”灯L1、“6V3W”灯L2并联接在6V的电源上(设灯丝电阻变化忽略不计，下同)，这两灯泡的亮度如何?根据条件可得两灯泡的实际功率都等于3W。但亮度却不一样，灯L1较暗，其原因是：灯L1的灯丝温度比正常发光时低，它的发光效率比正常发光低；而灯L2正常发光，它的发光效率与正常发光相同。因此，虽然灯L1和灯L2实际功率相等，但是，由于灯L1发光效率较低，灯L1的亮度比灯L2暗。
“12 V 12 W”灯L1、“6 V 3 W”灯L2串联接在12 V的电源上，同理可得出灯L1和灯L2实际功率都等于3 W，但是，由于灯L1发光效率较低，灯L2的亮度暗。
3.2 实际功率大较亮
“12 V 6 W”灯L1、“6 V 6 W”灯L2并联接在6 V的电源上，因为灯L2的实际功率6 W，灯L1的实际功率只有1.5W，且灯L1的灯丝温度比正常发光时低，它的发光效率比正常发光时低，可以判定出“6 V 6 W”灯泡比“12 V 6 W”亮。
“12 V 6 W”灯L1、“6 V 3 W”灯L2串联接在18 V的电源上，两盏灯都是正常发光(发光效率相近)，灯L1和灯L2实际功率等于各自的额定功率，灯L1实际功率大于灯L2实际功率，所以，灯L1比灯L1亮。
常见：“220 V 60 W”、“220 V 15 W”两盏灯串联接在220 V照明电路上，“220 V 15 W”灯比较亮，就是因为它的实际功率比较大、发光效率相对高一些。
3.3
实际功率大反而暗
“12 V 12 W”灯L1、“6 V 2 5 W”灯L2并联接在6 V的电源上，灯L1的实际功率是3 W(发光效率相当低)，灯丝发红不太亮，灯L2实际功率等于额定功率，即2.5 W，灯L1灯丝正常发光较亮，所以，灯L1实际功率大反而较暗。
“12 V 12 W”灯L1、“6 V4 W”灯L1串联接在14 V的电源上，灯L1的实际功率大约5.33 W(发光效率低)，灯L1实际功率等于额定功率，即4 W，灯L2灯丝正常发光较亮，因此，灯L1实际功率大反而较暗。
3.4 如果只知道定性关系为：实际功率大、发光效率低与实际功率小、发光效率高，两只灯泡亮暗无法判定。
3.5 实验验证
有兴趣的读者可以做一实验来体会：用实际功率大小判定灯泡亮暗有时是错误的。具体方法：将“110 V 15 W”两白炽灯串联后接到220 V照明电路上、将“220 V 60 W”两自炽灯串联后接到220 V照明电路上。观察它们发光情况，大家一定会说“110 V 15 W”白炽灯更亮，而这时“110 V 15 W”白炽灯实际功率是15 W，考虑到灯丝电阻的变化，“220 V60 W”白炽灯实际功率略大于15 W。
综上所述，同类型但额定电压不同的灯泡不在额定电压下工作时亮暗不能只看灯泡的实际功率大小，灯泡的发光效率高低不能忽视。
4 不同类型灯泡亮暗不能忽视灯泡发光效率
时下常说的(CFL)节能灯、LED灯(是发光二极管)，20 W的节能灯(是靠荧光粉发光)亮度、12 W LED灯亮度、100 W白炽灯亮度相当，所以，我们说“60 W白炽灯正常发光比20 W的节能灯正常发光更亮”就不对了，20 W的节能灯亮度应该比40 W白炽灯更亮吧，所谓的节能灯，实质是电流做功时电能转化为光能的效率高，应该称之高效灯更合适。
总之，灯泡的亮暗是由灯泡的实际功率和灯泡的发光效率决定的，对于“同一类型灯泡正常工作时亮暗、同一盏灯泡不同电压时亮暗”判定一般就看灯泡的实际功率，实际功率越大就越亮。但是对于“同一类型灯泡不在额定电压下工作、不同类型灯泡工作时亮暗”判定不仅要考虑灯泡的实际功率，而且要考虑灯泡的实际发光效率。