Question

日光灯主要由镇流器起灰器和灯管组成镇流器的作用是什么和什么

Answer 1

回答

Patrick Zhang
电气工程师
本帖的问题主题很简单，几乎是人尽皆知的，连初中物理课本中都有。然而，日光灯灯管和启辉器氖泡的工作原理都与气体击穿有关，其中的物理和电气知识还是很丰富的。一旦谈及气体击穿理论，就未必是人尽皆知了。
我结合物理知识来解答此2015年的老旧问题，给大家科普一下相关的知识。
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首先，我们来看看日光灯电路，见下图：
图1：送电伊始的日光灯电路
图1中，我们看到了220V交流电源，其中的相线接入开关K，再通过镇流器电感线圈接入到灯管的灯丝B，而中性线N则直接接入到灯管的灯丝1，我们看到，灯丝1与灯丝2之间是灯管，没有通路。
图1中，我们看到灯丝2接到上方的启辉器氖泡的右侧管脚，灯丝1则接到氖泡的左侧管脚，对于交流电流来说，依然是此路不通。
既然都是此路不通，那么日光灯究竟是如何被点燃的？
请跟随我一起来了解其中的物理过程吧。
1）气体的击穿及辉光放电
我们看下图：
图2：气体放电管和击穿电压，以及辉光放电
我们来仔细看图2：图2的左侧是一只气体放电管（克鲁普斯管，它的发明者是克鲁普斯），电源电压串联了一只限流电阻R后，接到气体放电管的两侧。同时，气体放电管的抽气孔可以把气体抽出，使得气体放电管内部形成真空。
显见，对于电源E来说，真空管的电路通路是断的。
现在，我们把电源电压E开始从零往上逐渐加大，我们发现在初始时刻，气体放电管串接的电流表示数是零。随着电压继续加大，渐渐地出现了电流！
为何会有电流？这是宇宙射线引起的。宇宙射线冲击着气体放电管中的稀薄气体，并使得气体电离为正离子和负离子。这里的正离子就是失去若干电子的原子，而负离子就是电子。正离子在电源E的电场驱动下流向负极（阴极），而负离子在电源E的电场驱动下流向正极（阳极），由此出现了电流。
在一定的海拔高度，宇宙射线的数量是固定的。所以，我们看到图2右侧在气体被击穿前的曲线特征是：电压变化很大，但电流变化很小，出现了很陡峭的伏安特性曲线。
我们继续加大电压，气体放电管中的气体受到电场的作用，终于开始部分瓦解，离解为正离子和负离子，电流开始加大。终于在某时刻，气体被突然击穿。我们把此点的电压叫做击穿电压Uc。
气体被击穿后，电流持续加大，而气体放电管的电压降则迅速下降。此时，电离后的离子动能还不强，它们互相碰撞复合，复合后把能量释放出来，形成了特定的光。同时，又有部分气体被电离，电离和复合形成了动态的平衡。我们把此时的放电现象叫做辉光放电。
图3：辉光放电
辉光放电的特征是：放电区域充满整个放电空间，并且能量不大，放电气体会释放一定的热能。
图3中，我们看到了各种美丽的辉光放电现象。辉光放电，在电光源中得到广泛运用。
著名科学家汤逊，他研究了击穿电压Uc的左右两侧的发光机理，因此，我们把图2击穿电压Uc两侧叫做气体放电的汤逊区域。
对于日光灯电路来说，不管是氖泡也好，是灯光也好，它们都工作在汤逊区域。
2）巴申曲线——气体击穿原理
我们看下图：
图4：气体的击穿特性——巴申曲线
图4是不同气体的击穿特性——巴申曲线，它是科学大师巴申在上世纪初首先研究出来的。其中H2是氢气，而N2是氮气。注意到横坐标，它是气体压强p与放电管放电间隙宽度d的乘积。
注意：气体的放电特性与pd的乘积有关。我们来看看击穿电压Uc与pd的关系表达式，如下：
，式1
式1中的A和B是与放电条件有关的系数， 是电离度，它等于电离气体与未电离气体数量的百分比。
结合图4，我们看到击穿电压Uc存在最小值。为何如此？汤逊是这样解释的：
在电场的作用下，一个电子从阴极出发前往阳极的过程中，会多次与中性气体分子碰撞，因而产生更多的电场电离。若放电间隙d的宽度不变，气体压强很小时，气体的数量必然减小，电子的自由行程更大，它积累的动能也更大，于是它就更加容易引起气体电离。然而，由于气体的数量太少，碰撞的次数必然减小，反而不利于气体分子的电离。也就是说，随着pd不断减小，气体击穿电压Uc会上升，反之则下降。由此可见，在小pd范围和大pd范围之间，必然存在气体击穿的最小值。
明白这个道理很重要，它能解释为何电压同时加载到日光灯管和氖泡的两端，但氖泡先行击穿的原理：氖泡的pd小于灯管的pd，并且气隙中的气体介质也不同，前者是氖，后者是含有水银蒸汽的氩气。
现在，我们再来看图1，如下：
图5：日光灯电路中的氖泡和灯管气体间隙，哪个先击穿？
答案是：氖泡先击穿。
氖泡击穿后，迅速进入到辉光放电区，并放出橙色的光和热。
注意到氖泡内部有一根形状特异的金属电极，见图5所示氖泡中右侧的电极。当此电极受热后，它会弯曲变形，并与左侧直电极相碰。一旦两电极直接接触，加载在氖泡放电气体间的电压就归零，辉光放电自然就消失了。经过一个很短暂的时间后，弯曲电极再次打开，与直电极分离。由于分离过程非常短暂，于是又有一个新的物理过程出现了，就是镇流器电感L产生的反向电动势。
3）新的物理过程，镇流器电感的反向电动势
我们看下图：
图6：日光灯管被击穿的过程
我们知道，电感的特性是：若流过它的电流发生突变，则它会产生反向电动势。
当氖泡中的电极从闭合态突然断开，此时的电流发生巨变，电流对时间的变化率dI/dt很大。由于电感的反向电动势 与电流对时间的变化率dI/dt成正比，因此镇流器电感L产生了很高的电压，并加载在灯管的两端（灯丝1和灯丝2两侧）。由于电感反向电动势的电压超过日光灯灯管的气体间隙击穿电压，于是日光灯管被击穿，随后进入到辉光放电状态。
4）日光灯灯管被点燃后的物理现象
日光灯的灯丝处受热后发射电子，电子碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离后产生热量使得水银被蒸发，继而也电离，并发出紫外光。紫外光射到日光灯灯管的管壁荧光粉上，发出白色的可见光。
在这里，又有第三个物理现象，即金属（灯丝）表面的发射和逸出功，以及第四个物理现象，荧光粉的受激辐射。具体细节我就不再叙述了吧，我们看任何一本《大学物理》或者相关的科普著作，其中一定会有。
结论：
我们看到，如此简单和常见的日光灯，如果真要仔细推敲它的发光机理和工作原理，其中还是隐含着许多物理知识的。
可见，物理知识是多么深刻地影响着我们的生活。
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最后，给大家提几个问题：
问题1：当日光灯管进入正常发光状态后，氖泡还会发光吗？为什么？
回答：当日光灯进入正常发光后，由于镇流器的作用，灯管两端的电压基本恒定，且低于氖泡的动作电压。又因为氖泡的内部有一只串联电阻，所以氖泡会微微发亮，但不会产生动作。
问题2：当日光灯进入正常发光状态后，灯丝会点燃吗？如果灯丝未被点燃，它能发射电子吗？
回答：灯丝不会点燃，但它会发射电子。
问题3：有些日光灯的点燃过程很艰难，要经历过几次启辉器驱动，这是为何？
回答：这是因为灯管的工作电压（辉光电压）与氖泡动作电压很接近，于是氖泡内部的电极就不断地发出动作信息，继而引发灯光熄灭重启。可见，这是两者参数协调不好造成的。解决的办法就是更换启辉器。
问题4：如果人只是暂时离开，需要把日光灯关闭吗？
回答：不要关。
须知，每次启动日光灯，对灯丝都是一次冲击，会降低日光灯的电寿命。因此，若人只是暂时离开，就不要关灯。
问题5：既然击穿电压与气体的压强有关，那么我们把同一支日光灯管分别在低海拔处和高海拔处测试它们的点燃特性，会一样还是不一样？
回答：由于氖泡和灯管都是用玻璃密封的，与外界海拔高度无关。因此，不管是低海拔还是高海拔，点燃特性是一样的。