周培宇 周平原

（1.臺州中學，浙江 臺州 317000；2.臨海市回浦中學，浙江 臺州 317000）

北京時間10月7日消息，2014年度諾貝爾物理學獎授予日本名古屋大學的赤崎勇，天野浩以及美國加州大學圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他們在發(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻，即藍色發(fā)光二極管（LED）.

紅色與綠色發(fā)光二極管已經(jīng)伴隨我們超過半個世紀，但我們還需要藍光的到來才能徹底革新整個照明技術(shù)領(lǐng)域，因為只有完整的采用紅、綠、藍三原色之后，我們才能產(chǎn)生照亮我們世界的白色光源.盡管工業(yè)界和學界付出了巨大的努力，但產(chǎn)生藍色光源的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然持續(xù)了超過30年之久.

1986年，赤崎勇和天野浩首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體，他們所采用的方法是在藍寶石襯底上涂上一層氮化鋁材料，并在上面生長氮化鎵晶體.到1992年，他們終于制成第一個發(fā)藍光的二極管.中村修二則從1988年開始研制他的藍光LED.在二十世紀九十年代，兩個研究組都在對LED技術(shù)的持續(xù)改進工作中取得很大進展，使該技術(shù)更趨完善.他們研制了不同的氮化鎵合金，摻入了鋁和銦，而LED的結(jié)構(gòu)也變得愈發(fā)復雜精細.隨后發(fā)明了一種藍色激光器，其核心部件正是一個沙粒大小的藍光LED組件.由于藍光的波長很短，其可以被壓縮到更高的密度，相比紅外光，藍光可以存儲多出4倍的信息.這一技術(shù)很快衍生出了存儲能力更強的藍光光盤以及更高質(zhì)量的激光打印機設備.很多家用電器中同樣采用了LED技術(shù).比如電視機、計算機以及手機的LED屏幕，還有無數(shù)的燈具和相機閃光燈.

由于他們開發(fā)的技術(shù)，大量更高效、更便宜、更智能的照明設備正在被開發(fā)出來.白光LED可以采用兩種方法制作：一種方式是采用藍光來激發(fā)熒光體，導致后者發(fā)出紅色與綠色光源，當所有色彩光源具備之后便可以得到白色光；另一種方式則是直接采用紅綠藍三種LED光源同時發(fā)光，讓我們的眼睛自己將它們合成為白色光.可見，LED燈是可以非常靈活運用的光源技術(shù)，從中已經(jīng)衍生出數(shù)百萬種不同色彩的光源，根據(jù)需要的不同，可以合成各式各樣的色彩和亮度，面積達數(shù)百平米的屏幕，閃爍、變換色彩與圖形，而且這一切都可以用計算機進行控制.對光線色彩的控制還意味著LED燈可以模仿自然光源，讓我們的生物鐘能夠更好地適應.

總之，隨著全社會對節(jié)能減排的迫切要求以及LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，LED燈已在各種照明領(lǐng)域中廣泛應用.與傳統(tǒng)光源比較，LED燈比白熾燈節(jié)約90%的能源，比節(jié)能燈節(jié)約50%以上，而且其發(fā)光效率還在不斷提升.它具有無頻閃、無輻射、無鉛、無汞等優(yōu)點，節(jié)能省電、壽命長、健康環(huán)保等優(yōu)勢.如果說白熾燈照亮了整個20世紀，那么21世紀將是LED燈的時代.因此中小學師生有必要對LED燈的結(jié)構(gòu)和特性有所了解，而且對物理教學來講，利用LED燈可以設計出一個絕佳的演示斷電自感現(xiàn)象的實驗方案.

1 LED燈的結(jié)構(gòu)和發(fā)光原理

LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它是一種能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導體器件.

圖1

1.1 LED燈的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，家居照明用的LED球泡燈由以下部件組成：螺口、底座（絕緣套）、驅(qū)動電路（一般由高頻恒流源和線性恒流源組成，輸入為市電交流電）、散熱器、LED燈板（燈珠）、燈殼（均光罩）.對球泡燈的質(zhì)量來說，最重要的是散熱器、驅(qū)動電路和LED燈珠.

1.2 LED燈發(fā)光原理

發(fā)光二極管的核心部分是P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié).P型半導體內(nèi)部有大量帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質(zhì)，在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動的.N型半導體內(nèi)部有帶負電的自由電子和固定的正離子.利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕诎雽w晶片的兩極（引線架）加上正向電壓時，在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能.

2 LED燈的優(yōu)勢和特點

2.1 省電節(jié)能

LED燈將電能轉(zhuǎn)換成光能的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)高，所以亮度高，專業(yè)的光學系統(tǒng)提供精準的配光和均勻的亮度，光利用率高達90%.與白熾燈相比，LED燈能節(jié)約90%的能源；與緊湊型熒光燈相比，可節(jié)約50%的能源.

2.2 實用耐用

（1）體積小.由于元器件較小，便于控制，因此能夠突破常規(guī)，實現(xiàn)新型燈具設計.

（2）寬電壓.燈殼標注AC220V的LED燈，只要電壓在85V至265V之間，燈都能正常發(fā)光（有例外）.

（3）低熱電.LED為固體冷光源，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點.與白熾燈相比，LED照明能減少80%多的二氧化碳排放量.

（4）可調(diào)控.通過調(diào)整LED燈的電流，可使LED燈產(chǎn)生不同的顏色.如小電流時為紅色，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?、黃色，最后為綠色.若加上數(shù)碼控制，更可達到絢麗多彩的動態(tài)效果.

（5）耐沖擊.LED燈的晶片用環(huán)氧樹脂封裝，不怕震動，比傳統(tǒng)燈具更為堅固耐用.

（6）壽命長.LED性能穩(wěn)定，可在－30～＋50℃環(huán)境下正常工作，即使頻繁開關(guān)也基本不會影響壽命.在恰當?shù)墓ぷ麟妷汉碗娏鳁l件下，使用壽命可達十萬小時，目前國內(nèi)廠家標注的使用壽命一般為25000～50000h，是緊湊型熒光燈（CFL）6000h壽命的4～8倍.

2.3 健康環(huán)保

（1）低UV.白色LED發(fā)出的光，波長在可視范圍內(nèi)，基本無紫外線和紅外線，因此可以安心使用，不用擔心貴重物品因受紅外線和紫外線輻射的影響而褪色或受損.

（2）不招蟲.LED燈不含400nm以下波長的光（紫外線）.因此不會像傳統(tǒng)燈具那樣，有很多蚊蟲圍繞在燈源旁，室內(nèi)會變得干凈衛(wèi)生.

（3）無頻閃.白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈均存在頻閃現(xiàn)象.頻閃現(xiàn)象是導致人眼疲勞和損壞人的視力的主要“殺手”，LED燈把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，不存在頻閃效應，光線柔和，保護眼睛.

（4）無輻射.白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈都有不同程度的紫外線輻射.LED光源在直流、低壓狀態(tài)下工作，無電磁輻射，不產(chǎn)生噪音.

（5）無鉛汞.LED為固體光源，不含鉛、汞及有害氣體，對環(huán)境無污染.

3 實驗探究LED球泡燈發(fā)光所需的電壓條件

市場上所售的家居照明用LED燈，燈殼上標注的額定電壓為AC220V，資料上介紹能在85V至265V的寬電壓范圍內(nèi)正常發(fā)光，那么電壓加到多大時燈泡能發(fā)光呢？我準備通過實驗來探究一下.為此專門購買了一臺型號為TDGC2-0.5的廣伐牌數(shù)顯接觸調(diào)壓器，利用它測試3個品牌10種型號的LED球泡燈發(fā)光所需的電壓條件.這10種燈泡的燈頭全部是E27的規(guī)格，9種燈泡色溫規(guī)格是6500 K（正白光），只有第8種是3000K（暖白光）.實驗得到的數(shù)據(jù)如表1所示，其中序號為1，型號為SJQP-E27-2W的本邦牌LED水晶燈在電壓分別為54V、55V、56V、57V、65V、85V時的發(fā)光情況如圖2、圖3所示.

表1

圖2

圖3

實驗結(jié)論：上述10種燈泡中，第9種燈在電壓僅為1V時燈珠就發(fā)亮，而第7種燈電壓加到77V時燈珠才發(fā)亮，到89V時燈泡才發(fā)微光.9種燈泡在電壓達到85V時都比較接近在額定電壓下工作時的亮度，此后，隨著電壓的提高，燈泡的亮度會繼續(xù)有所增加.各種LED球泡燈開始發(fā)光所需的電壓為什么相差這么多，這是因為生產(chǎn)廠家和燈泡型號的不同，燈泡內(nèi)部的驅(qū)動電路和LED燈珠是不同的，所以燈珠發(fā)光所需的電壓條件也不同.

4 LED燈在斷電自感現(xiàn)象實驗中的創(chuàng)新應用

人教版3-2教材中的“互感和自感”一節(jié)，是利用圖4中的電路圖做斷電自感現(xiàn)象的實驗，現(xiàn)象是在開關(guān)突然斷開時，會觀察到小燈泡閃亮一下后熄滅.現(xiàn)在筆者設計的實驗方案是：把圖4電路中的小燈泡換成額定電壓為AC220V的LED球泡燈，而且僅用1節(jié)5號干電池做電源，在電路接通后，因為電壓只有1.5V，LED球泡燈不會發(fā)光.突然把電源斷開時，希望會觀察到球泡燈閃亮一下后熄滅.為增加實驗成功的機會，燈泡選用了功率僅為2W，型號為SJQP-E27-6500K的本邦牌LED水晶球泡燈，線圈選用了自感系數(shù)較大的老式30W日光燈的電感鎮(zhèn)流器（如圖5所示），結(jié)果在電源突然斷開時，非常清楚地觀察到球泡燈閃亮了一下后熄滅.不斷地將電源接通斷開，燈泡也不斷地閃亮，實驗效果非常好（第一次斷開時燈泡亮度稍暗一些）.

圖4

圖5

用1節(jié)1.5V的干電池竟然能點亮額定電壓為220 V的LED燈泡，這清楚地表明在斷電后瞬間，線圈產(chǎn)生了比原來的電源電壓高得多的自感電動勢.原來總有一些學生對線圈產(chǎn)生的自感電動勢可能大于原來的電源電壓覺得接受不了.相信他們看到LED燈被點亮后就會信服了.

實驗器材的選?。簭谋?中的數(shù)據(jù)可以看出，各種LED球泡燈開始發(fā)光所需的電壓相差較大，因此有時需要增加電池節(jié)數(shù)才能點亮燈泡，實驗表明，表中序號為1、2、9的LED燈用1節(jié)干電池就能點亮，序號為5、10的需要2節(jié)電池串聯(lián)才能點亮，序號為3、4、6、8的需要3節(jié)電池，序號為7的用3節(jié)電池也沒有成功.實驗器材若當?shù)厝鄙?，可在淘寶網(wǎng)上選購，建議購買功率3W以下的AC220V的LED燈（網(wǎng)上價格已很便宜，低至3元的也有），線圈可以用教學用可拆變壓器模型的1400匝，也可以在網(wǎng)上購買“國榮”T8日光燈電感鎮(zhèn)流器（比老式的效果差一些，要增加電池），電源用幾節(jié)干電池通過試驗確定.

1 http：//tech.sina.com.cn/d/2014－10－07/17509669920.shtml

2 樓一斌，樓超雄.LED燈開啟新時代綠色照明之路［J］.管理學家，2013（7）.

3 黃振業(yè).家居用LED燈的普及與發(fā)展問題探討［J］.城市建設理論研究（電子版），2013（3）.