Saturday, January 4, 2014

brain01 light01 eye01 太陽光會同時刺激我們眼睛中 三類對顏色敏感的細胞, 因此感覺起來 太陽光 是 『白』光。

太陽光會同時刺激我們眼睛中 三類對顏色敏感的細胞因此感覺起來 太陽光 是 『白』光。


細胞

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    • 日光燈的物理最後修訂時間： 01/04/2014 18:21:44
    問題：
      為什麼 有些日光燈 打開時，要經過一段時間才會點亮，
        然而有些日光燈 很快就點亮呢？
      為什麼 有些 日光燈的顏色不太一樣呢？ 日光燈的如何啟動？與工作原理？
      霓虹燈 和 日光燈 有什麼不同？ 路燈 為什麼 需要 經過 很長的時間 才逐漸 亮起來呢？
        在亮起來的過程中，它的顏色有沒有變化呢？
      為什麼 高速公路上的燈 看起來 呈 橘黃色呢？ 水銀燈，鈉光燈 與 金屬-鹵燈 有何不同？
    我們 如何 看見光 與 分辨 顏色的？
      談論 發光體之前，請 先瞭解 我們的眼睛是如何 看見光 與 分辨顏色的？
        不同的光源會 產生不同波長的光。
      如果不清楚 我們的眼睛 如何區分不同波長的光？請先看 彩色的世界 由於太陽光會同時刺激我們眼睛中 三類對顏色敏感的細胞，
        因此感覺起來 太陽光 是 『白』光。 因此 『白』光 光源也要能夠對眼睛模擬相同的刺激。
      發出白熱光的（鎢絲）電燈 雖然也能產出各種不同波長的光。
        但是由於鎢絲的溫度無法達到 像太陽表面一樣 5800℃ 的高溫， 因此 輻射出的眼睛所感受到 電磁波波譜部份 長波長的紅光比較強烈。 事實上，有絕大多數的電磁波更是分佈在 人眼睛所感受不到的
          紅外光區段。 ---- 也就是我們皮膚能感受到的電燈的『熱』輻射。
      關於日光燈 我們先將主題分為三方面：
       
        1. 日光燈如何將電能轉化為光（能）。
        2. 日光燈所串接的『安定器(ballast)』是提供什麼作用？
        3. 日光燈是如何啟動的？
      關於前兩個主題，對於所有的日光燈都是相同的。 第三主題則因日光燈的種類而有所不同。當然 共同的內容部份先談。
      日光燈管 簡單的說是個密閉的氣體放電管。
        管內主要氣體為 氬(argon)氣(另包含氖neon或氪krypton)氣壓約大氣的 0.3%。 另外包含幾滴水銀---形成微量的 水銀蒸汽。
          水銀原子約佔所有氣體原子的 千分之一的比例。
      藉由 管內導通的電流(電子被加速），形成氣體放電狀態， 而發出『光』。
         
        日光燈管 是靠著燈管的 水銀原子 藉由 氣體放電的過程 釋放出紫外光
          （主要波長為 2537埃 = 2537*10-10 m）. 
        所 消耗的電能 約 60% 可以轉換為 紫外光。其他的能量則轉換為熱能。
          藉由燈管內表面的 螢光物質 吸收紫外光後 釋放出可見光。
        不同的螢光物質 會發出不同的可見光。 一般 紫外光 轉換為 可見光 的效率 約為 40%。
          因此 日光燈的 效率 約為 60% * 40% = 24%
            --- 大約為相同功率 鎢絲電燈的兩倍。

         
        可見光波段 連續光譜

        氫氣的吸收光譜
        氫氣的發射光
        將連接電池兩端的導線靠近時，『啪』的一聲，火花與聲響出現了。 這是一種氣體放電的過程。 放電過程如果沒有控制好， 那可是會出事的！為什麼呢？
      日光管內在一開始尚未有自由電子時，是很不容易導通電流的。
        藉由 後面會介紹產生電子的方法 產生電子後。
      由於電極間降所形成的電場 而加速電子。
        當這些電子被加速後，會和 氣體原子產生頻繁的碰撞。
      由於 電子的質量遠小於氣體原子的質量，
        因此多數的碰撞過程中電子並沒有損失能量，只是一直改變運動方向。
      在某些碰撞過程中，電子的能量足夠游離管內氣體的電子，產生新的電子及離子對。 這些被游離的 電子及離子對 繼續被加速，也就會繼續的游離，如此循環
        則 管內變成越來越容易導通電流，也就是說 管內的電阻會突然下降許多（內部形成電漿態）於是 可以 導通大量的電流。 甚至會導致燈管破裂 --- 如何控制 是我們第二個主題內容。
      當然 游離的過程中，電子與離子對也會發生 中和的現象（減少導通的離子）。
        當產生離子的速率 大於 中和的速率時，放電過程才會發生。
      在少數與 水銀氣體的碰撞過程中，會使得水銀原子吸收電子的部份動能。
        而轉換成 較不穩定的激發態，經由一連串的重新分佈能量， 藉由釋放出電磁波， 而恢復為原來穩定的狀態。
        詳細的過程, 牽涉到 原子的結構 以後再詳談。
      總而言之：水銀原子吸收了電子的動能，而轉換為電磁波輻射出來。 當水銀回到 最穩定狀態(Ground State)時, 釋放出波長為 2540埃的紫外光。 可是 這些紫外光可是無法穿透 日光燈管壁的。(穿透比例很少） 更別說眼睛細胞 感受不到紫外光的『顏色』訊號。
         
        *** 但是紫外光 的能量 卻足夠破壞你的細胞 （可不是不受影響喔！）*** （隔著玻璃曬太陽，只能讓你流汗，可是曬不黑皮膚的, 
          想曬黑或怕被曬黑的人，知道該如何處理了吧！言歸正傳）
      於是 只好藉由 燈管內壁的 螢光物質--能夠吸收紫外光，
        然後釋放出更長波長的可見光。當然也包含了部份的紅外光。
          好奇怪喔！原本不透紫外光的管壁，塗上螢光物質後反而可以透光！
      到底釋放出哪些波長，則由 螢光物質的原子結構決定。 因此燈管內壁的混合了多種的螢光質，以便產生多種的可見光，
        同時能夠刺激眼睛內三種感光的細胞。
      混合的比例不同，也就產生『不同顏色』感受的 日光燈光。
      藍光部份較多的螢光燈管 雖然效率較高，但是感覺起來較冷（陰森）。
        家中使用通常選 多一些 紅光部份的螢光燈管，比較有溫暖的感覺。
          效率卻也就低了些（想想看 為什麼？）

        以下是一般日光燈三種不同色系的光譜分佈
           
        以下是採用三波長螢光粉（陽光燈管）的不同類型燈管所發出光的分佈。
        採用稀土族螢光體，集中三原光 藍(452nm)綠(543nm)與紅(611nm)
        三個狹窄光譜組合成白色光。詳細光譜分佈如下。：
    DEX型：三波長晝光色(色溫度6500K)
    光色有透明、白色、涼爽等感覺。
    適用於餐廳、嬰兒房、店鋪及夏季之照明。
    NEX:三波長晝白色(色溫度5000K)
    光色介於DEX與LEX之間
    能使物體看起來更美、更接近自然光。
    適用於明亮舒適氣氛的住宅、店鋪、
    辦公室等照明。
    LEX三波長燈泡色(色溫度2800K)
    與電燈泡同光色，具有暖活舒適的光色。
    適用於住宅、店鋪、旅館，
    也可以與電燈泡併用。
     
    依照特殊用途燈管有有下列種類：
       1. 醫療專用燈管：
            波長 400-500nm波峰值446nm的特殊藍光燈管，
            此藍光可以有效抑制黃疸症狀，
            最適合於保溫箱內照射患有黃疸之嬰兒。
       2. 半導體專用燈管：
            防止紫外線透出，500nm以下完全切除。
            最適合於高感光半導體的無塵室工廠照明及防蟲用。
       3. 反射型燈管：
            整支燈管空出 1/5 不塗螢光粉並加塗反射膜在螢光粉內層，
            使光線集中在 1/5 的面積輸出，適於廣告看版背光光源。
       4. 夜光消防燈管：
            在一般螢光粉上塗有夜光磷光粉，當點燈數分鐘後熄燈，
            仍可維持約兩小時強度 5cd/m2的微弱藍光，
            適用於戲院、歌廳、車站、醫院等公共場所之照明。
           
           
      接下來談談 日光燈的線路 -- 控制調節系統。
        我們前面談到，日光（螢光）燈是靠氣體放電 過程發光的。
      當燈管內氣體放電時，還好 我們在日光燈管外 串接了一個 『安定器』,
        緩和大量電流的導通。這個『安定器』到底是何方神聖？有如此的功能！
         
        安定器曰：
          在下乃『電感』是也，也就是 繞成一圈圈的『線圈』啦！ 當電流從線圈內流過時,同時會在四周形成磁場。 當這些電流想要變化流量時，磁場也需要跟著變化。 當磁場發生變化時，線圈內的『磁通量』也跟著變化！ 法拉地說： 
            當磁通量發生變化時，就會產生『感應電動勢』
          而這些感應的電動勢就是想要 抵銷 磁通量的變化。 因為和燈管串聯，安定器電壓增加，燈管電壓就降低。 電流就會減少。於是達到 阻止 電流快速變化的功能。
            事實上 阻止不了 電流的變化，只能減緩。
      雖然 安定器 只能減緩 電流的變化，幸好我們使用的是交流電。
        只需要延緩非常短的時間, 電源電壓就會自動降為零（然後再昇起）。
      安定器的額外附送功能是 幫助日光燈的啟動。 我們也該談談 最初是如何引發放電的呀！
      日光燈的線路：
       
      補充說明待續！

      日光燈啟動的問題在於，日光燈正常工作時的電壓不足以產生氣體放電。 日光燈啟動的方式有好幾種，有些日光燈兩端有燈絲(和電燈一樣的鎢絲）。 1. 預熱式的啟動
        只有當啟動時加熱燈絲，啟動後電流中電子撞擊電極時能產生足夠的電子。 當按下開關時, 讓電流流經燈絲，待燈絲加熱至能夠產生足夠的熱電子時,
          這些逃脫燈絲的電子，經燈管兩端的電壓（場）作用而
            加速 => 碰撞 => 游離更多電子 => 加速=> ...循環
          於是原本不易導電的氣體燈管，突然變成 容易導電的游離氣體。 於是 放電過程 開始進行了！（放電過程 如前所述）
        在加熱的過程中，一直試圖產生放電過程 （於是啟動時，兩電極附近會看見明滅交錯的微弱燈光） 但是通常電源電壓 仍然不足以 啟動放電過程。 某些日光燈啟動時，你需先按下開關一下子（加熱燈絲），
          當鬆開手時，放電才會產生。（如下圖）
        當鬆開開關時，回路電流遽然改變於是 『安定器』感應出高電壓
          而引發放電過程。(安定器 幫助日光燈啟動的功能)
        有些日光燈利用簡單電子開關(glow switch)，俗稱啟動器（Starter)
          達到上述手按下後鬆開的作用。
        如圖： 一個小的霓虹燈，不過其中一電極是由雙金屬片製成（受熱會彎曲）。 兩電極間原先並不接觸，但距離很短。 當電源電壓在電極兩端時，產生放電（看得見紅紅的顏色）而導通。 導通時也同時使得電流流經燈絲（使燈絲加熱）。 由於放電使得電極溫度增高而彎曲，進而使兩電極接觸。 電極接觸後，反而由於放電過程不再發生而逐漸降溫。 使得金屬片又再度分開。此時『安定器』產生的高壓，
          由於電極已經產生足夠的電子，而在日光燈管內放電。
        於是 小霓虹燈開關 的電極電壓也就下降了。不會在重複放電。 當 日光燈啟動後 拿掉 啟動器（霓虹燈開關）並不會影響其繼續工作。
          只有在啟動時需要它。
      2. 快速啟動型：
        當電源導通時，也同時加熱燈絲（燈絲一直處於加熱狀態）。 當足夠電子產生時，便導通電流。
      3. 瞬間啟動型：
        並沒有燈絲，完全靠『安定器』產生的高壓造成放電（加一昇壓變壓裝置） ，因此能瞬間導通。如圖
      日光燈管內需有足夠電場加速電子，因此長度越長的燈管
        需要越高的電壓。通常管內的水銀還帶正電。 游離的正離子也會吸引電子，減少他們因相互排斥而撞擊管壁（螢光質）。
      日光燈管的壽命通常取決於電極的消耗。 當放電時，電極的原子會被高能量的水銀離子撞擊(sputtering)出來而損耗。
        電子不是也會撞擊電極嗎？
      而這種損耗在啟動時最嚴重，（兩極間有高電壓存在）。
        有人問到：為何日光燈用久了，兩頭會黑黑的？
          你想：電極在什麼地方？當電極被撞擊而蒸發出來會附著在那裡呢？ 氣壁原來塗了螢光劑，被蓋住後則還能轉換紫外光為可見光嗎？
        想一想：電燈泡用久了是不是也有類似的情形呢？又是什麼原因呢？
      通常經過幾千次啟動後電極便失效。所以應該避免常常開關日光燈。 當工作溫度低於15℃時, 發光效率會降低。當高於40℃時則會產生過多 不產生光但耗電的游離。
        內部所添加的 氬氣，氖或氪等氣體是為了較容易啟動放電過程。
         
        其實外界所常宣傳的省電燈泡，簡單說
            不過是有著燈泡外型的日光燈。
        下圖適我將省電燈泡打破外殼後 顯露出來照片。
        17W的日光燈原本就相當於 3倍多的燈泡亮度。
    霓虹燈的物理：
      霓虹燈的原理與構造和日光燈類似，只不過氖 neon 放電時會產生 6333埃的光波。 直接在可見光的範圍，因此管壁不需要塗螢光粉。 一些不是用氖氣的霓虹燈往往是 日光燈但內壁塗上能產生彩色的螢光劑。 從從管壁很容易區分出來。
    其他種類的放電管：
      大致可以分為四類，高壓水銀燈，金屬--鹵素燈，低壓鈉光燈， 高壓鈉光燈。
      即使在普通日光燈裡也會產生少許可見光，當管內有高密度的水銀時， 水銀原子在放電過程中，所釋放的可見光逐漸變成多於紫外光。 為什麼呢？ 水銀放電時，雖然主要會藉由能階躍遷 放出 2540埃的紫外光， 但水銀原子也特別喜歡吸收相同能量的紫外光（由低能態至高能態）。 當有足夠密度的水銀時，所有釋放的2540埃紫外光皆反被吸收了。 於是只有經由 其他不易被吸收的躍遷所釋放的可見光（主要在藍光附近）
        可以透過。
      在點亮高壓水銀燈的初期，水銀主要存在為液態。 於是初期就好像一般的日光燈，但缺乏螢光質，於是只看到極微弱的燈光。 當溫度逐漸增加時，水銀也逐漸蒸發，產生更多水銀蒸汽原子，
        也逐漸散發出更多可見光。
      為了降低藍色光的比例，於是某些高壓水銀燈加入了少許金屬原子。 這些通常以 金屬鹵化物的方式添加進去。 例如添加 鈉，鉈，碘，等都會增加感覺較溫暖紅色區段的可見光。
        為什麼不直接加 小金屬塊呢？想一想吧！
      也有管內只加 鈉 的低壓或高壓 鈉光燈。它會直接產生 5900埃 橘黃色的可見光。 高速公路上常見低壓的 橘黃色鈉光燈。只是這種光線看起來較不舒服， 而且無法區分所照東西的顏色（為什麼呢？想一想如何看見東西顏色的！）， 所以通常你不會將它安裝在家裡。 如果改用 高壓鈉光燈，則 5900埃的光線漸減，同時其他波長的光線相對增加，
        於是包含較多種光譜線。
      為什麼會產生其他的譜線呢？由於高壓納氣的存在，使得氣體碰撞次數增加， 影響到原子的結構，使得能階發生變化。反而5900埃的光線又被吸收了！ 高壓的放電管都有一個共同缺點，由於氣體於高壓時較不容易產生放電， 因此若因為突然停電而不再放電時，必須等燈管冷卻（蒸汽變回液態）後 燈管才有辦法恢復放電狀態，逐漸加熱燈管後恢復正常工作狀態。
    為什麼 日光燈管內的氣壓低呢？
      由於 日光燈管內必須能夠產生 氣體放電 ---
        而氣體放電必須 電子能夠 游離更多的氣體。
      雖然燈管內的氣體受到電場作用後為加速，
        可是若管內的氣體原子太多，電子還沒有被加速到足夠游離氣體時 便和氣體原子碰撞，則無法游離氣體（只能產生完全彈性碰撞）。
      因此降低氣體的密度（也就是壓力）可以增加
        電子碰撞前平均移動的長度（平均自由徑）。
      也就增加電子被加速的距離（所或能量 = 電量*電場*距離）
        使得電子有足夠能量游離氣體。
      但是 氣體密度也不能太低，否則電子與氣體發生碰撞的機率也就降低了！ 因此 某個範圍的壓力 將是最容易產生氣體放電的，
        過高或過低都較不容易。
      這個壓力範圍依照氣體不同而略有不同，但也都約略在 日光燈管內壓力的範圍 --- 大氣壓的 百分之一左右。(約 2.3torr，一大氣壓=760torr)
    本篇有關於日光燈的物理，你看懂了幾分呢？是否清楚了呢？ 對於放電管的工作原理瞭解了多少？ 如果有相關問題或指教之處，歡迎來電！ 網友來函問題：（以下問題中的鍊結 連至本網頁原文位置）
    1. 您說紫外光線無法穿透日光燈管壁, 請問醫院殺菌用的紫外光燈如何做成?

      2. 由於紫外光能量較高，通常可以讓物質內電子能階受激發而被吸收。 當然被吸收的能量還會被釋放出來，例如成為較低能量的可見光， 或最終轉換為物質的內動能（增高溫度）。所謂『無法』穿透是一種概略性的說法， 光線穿過物質 一定厚度時會有 一定比例的能量被吸收。 當透射的量小於一定比例時（例如：不易偵測或察覺）我們概略的說 光線『無法』穿透。 下圖是 可見光範圍附近 光線穿過 三種物質時 透過光線強度百分比 與 波長的關係圖 你找出圖中可見光的範圍了嗎？(0.4-0.7微米)， 即使是玻璃也能穿透大部份 0.3-0.4微米間的紫外光（稱為 『黑光』blacklight），
        這部份的紫外光對人體及其他生物不太會造成傷害。 （石英燈 也能產生 部份強度不弱的這類 紫外光，但也不要長久直視。 所謂傷害通常還需要考慮 光源強度。 例如說 吃鹽巴對人體無害，但如果一口氣吞食半公斤的鹽巴，可就有問題了！）
      但（對人體細胞或細菌會造成傷害）更短波長的紫外光 則『無法』穿透 玻璃或『透明』塑膠。 所以 玻璃對可見光而言是『透光』的，對更短的 紫外光卻是 『不透光』的。 更有些特殊的玻璃，可以輕易的透過可見光，卻大量吸收 紅外光（熱）。 又如同 X-射線 可輕易的穿透人體（透光），但卻『穿透不過』 骨頭或牙齒。
        通常我們指波長小於 4000埃(0.4微米）至 100埃的為 紫外光， 更短至 1 埃的 為 X-射線（原子內層能階躍遷），γ-射線則波長更短（原子核能階躍遷）， 宇宙射線則還有更短的波長。
      汞 產生的 2537埃 微米紫外光 每經過 1釐米厚 玻璃 大概只剩下不到 10%. 因此我在上文的句末加上了 穿透比例很少。如果改用 石英燈管 則可以透過較大部份。 至於 醫院殺菌用的紫外光燈 可以用較強光源但一般燈管，也可以用 石英燈管則有更高 效率。 直接照射這種 紫外光可以殺死 細菌，（也可以使皮膚曬傷），
        因此常用於 食品消毒，醫院 ，公廁等場所。
      汞 也會產生 1849埃 的紫外光，但它是在空氣中都透不過 數英吋。 （氧會吸收此 短波紫外光 而形成臭氧）。
    什麼是『氣體放電』？
    當電荷受電場作用時 電荷會加速. 一般物質的原子若受到足夠能量加速電荷的撞擊
    原子外層的電子會被撞擊出來(稱為游離).
    受游離的原子變成帶負電的電子與電正電的離子 兩者在電場作用下會繼續加速
    於是 新的游離電子被加速的 有可能繼續撞擊其他原子 如此過程循環下去
    一個電子撞擊後變成 兩個電子(一個原有的 外加被游離的), 兩個繼續撞擊變成四個.
    八個 十六個 三十二個 ...於是很快的變產生大量可導通的電子
    也就形成大量的電流. 以上過程變稱為氣體放電.
    通常在抽部分真空的氣體放電管內進行. 因此日光燈管等也稱為氣體放電管.
    一般可見光對應的能量約 2-3 eV
    也就是電子若受到2-3伏特的電壓加速就可能激發原子產生可見光.
    為何一般插座110V的電壓兩端不會產生火花呢?
    因為以上的條件是 電子加速過程不受到其他干擾 完全獲得電場的能量
    可是一般 大氣中 空氣密度很高 (算一下 一立方公分約有 1019個粒子)
    電子受加速電場作用 跑不了多遠(遠小於微米)變和其他原子碰撞 將能量轉移給原子
    因此電子從沒有機會獲得 足夠能量 激發原子或游離原子(之後發光)
    若在抽真空的管內 電子可以跑較長距離才碰到原子 也就有足夠時間介電場加速到足夠能量 產生激發或游離現象 因此氣體放電通常在 低壓的放電管內形成
    大氣壓下要形成放電也是可能的 只是需要非常強的電場(約每公分20-30kV)或藉助於尖端放電產生強電場的方式.
    附錄：
    1 .光源效率：每消耗一瓦電所輸出光的強度(lm)稱為光源效率。(lm/W)  
    光源種類白熱燈鹵素燈螢光水銀燈日光燈複金屬水銀燈高壓鈉氣燈低壓鈉氣燈
    光源效率13.5-2213.5-3035-6330-9563-11540-155130-180
    2. 下圖是不同時刻自然光對應的色溫表與 採用的燈源。
    歡迎批評指教！電子郵件 ： 請按 hwang@phy03.phy.ntnu.edu.tw 
    作者：國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
    最後修訂時間：  01/04/2014 18:21:44 since 2011/06/20
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