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1. 第十三章 电气照明

2. 第一节 照明基本知识 • 光明是人类千百万年来最简单，最质朴的追求、有了充足的照明，人类就可以更长时间的工作，创造更多的财富。 • 在很长时间的农业社会时期，人类一直无法在黑夜中得到足够的光明。照明主要采用蜡烛，是一种奢侈品，仅仅是当官的，想当官的读书人等有条件使用。大多数人（农民）依然保持日出而作，日落而息的习惯。而且蜡烛提供的光源质量不高，稳定性差。

3. 第一节 照明基本知识 照明分为自然照明（天然采光）和人工照明两大类。电气照明由于具有灯光稳定、易于控制和调节以及安全、经济等优点，因而成为现代人工照明中应用最为广泛的一种照明方式。

4. 一、照明的光学概念 （1）光 • 光的本质是一种电磁波，以辐射方式传播。可见光在电磁波的极其宽广的波长范围内仅仅占极小一部分

5. （1）光的本质 • 光的微粒说 • 17世纪曾为牛顿等所提倡。这种学说认为光由光源发出的微粒、它从光源沿直线行进至被照物，因此可以想像为一束由发光体射向被照物的高速微粒。这学说很直观地解释了光的直进及反射折射等现象，曾被普遍接受；直到19世纪初光的干涉等现象发现后，才被波动说所推翻。

6. 光的粒子性

7. （1）光的本质 • 光的波动说 • 第一位提出光的波动说的是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯。他在17世纪创立了光的波动学说，与光的微粒学说相对立。他认为光是一种波动，由发光体引起，和声一样依靠媒质来传播。

8. 光的波动说 • 这种学说直到19世纪初当光的干涉和衍射现象被发现后才得到广泛承认。19世纪后期，在电磁学的发展中又确定了光实际上是一种电磁波，并不是同声波一样的机械波。1888年德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在，从此奠定了光的电磁理论。这一理论能够说明光的传播、干射、衍射、散射、偏振等许多现象。但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质，所以还需要近代的量子理论来补充。

9. 光的波动性

10. 两种学说的争论 • 两种学说都各自有论点，有实验数据作为支撑。因此既相互不服气，又没办法站在更高层次上解释光到底是搞个什么东西？直到20世纪物理学的一个大牛出现，才解释了光到底有什么性质。爱因斯坦因光的波粒二象性获诺贝尔物理学奖。

11. 光的波粒二象性 • 爱因斯坦在总结前人的光的波动学说，粒子学说的前提下，1905年3月，在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文，他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。 • 光是一种波，同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。

12. 诺贝尔，安慰奖 • 其实当时爱因斯坦早就是物理学界的大牛了，只不过他最著名的理论“相对论”没人看得懂，没人敢因“相对论”给他颁诺贝尔奖。因此把诺贝尔物理学奖颁给了他的“光的波粒二象性”，这篇论文是爱因斯坦一个晚上写出来的。 • 1921年，爱因斯坦因为“光的波粒二象性”这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

13. 可见光的波长 • 可见光波长：380~760nm（10-9m）之间，波长不同，颜色不同。 • 除可见光之外，还有红外线，紫外线等不可见光。 • 红外线波长：700~14000nm，紫外线波长在：200~400nm

14. （2）照度 • 光源在单位时间内，向周围空间辐射出的使人眼产生光感能量 • 被照物体单位面积上接受的光通量。单位lx（勒克斯），反映物体被照亮程度的物理量。 • 照度为1lx，仅能辨别物体的轮廓；照度为５～10lx，看一般书籍比较困难；阅览室和办公室的照度一般要求不低于50lx。

15. 一、照明的光学概念 （3）亮度 • 亮度是人体主观感受。 • 亮度与被视物体的发光或反光面积，及发光程度有关。 • 通常把被视物体表面，在某一视线方向上给定的单位投影面上，所发出或者反射的发光强度，称该物体在该方向上亮度。单位nt（尼特）。亮度是表示从光源及反射面和透射面等二次光源向观测者发出的光的强度指标。与光通量一样，是结合人眼的灵敏度表示的物理量

16. （4）光强 • 1cd是指单色光源（频率540×10ˇ12HZ，波长0.555微米）的光，在给定方向上（该方向上的辐射强度为（1/683）瓦特/球面度））的单位立体角内发出的发光强度。

17. （5）光通量 • 光通量是光源整体亮度指标。光源在单位时间内，向周围空间辐射出使人眼睛产生光感的能量，单位lm（流明）。 • 所谓的流明简单来说，就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。

19. 二、照明质量 • 照明设计首先应考虑照明质量，在满足照明质量的基础上，再综合考虑投资省、安全可靠、便于维护管理等问题。 • 照明质量包括以下内容：

20. 三、照明的质量 • （1）照度均匀 • （2）照度合理 • （3）合适的亮度分布 • （4）光源的显色性 • （5）照度的稳定性 • （6）限制眩光 • （7）频闪效应的消除

21. 二、照明质量 （1）照度均匀 • 光线分布均匀，不会引起局部过亮，大部分过暗。 （2）照度合适 • 相似于亮度平均合理，不过亮过暗，照明灯具2000lx人眼最为舒适。 （3）合适亮度分布 • 亮度过大，人眼不舒适；亮度过小，视觉灵敏度下降。 • 各物体要保持亮度适中。

22. （4）光源显色性 • 要求光源为显色指数高的光源，复色光 • 肉眼看到的颜色是如何产生的？ • 太阳光是白光，复色光，赤橙黄绿青蓝紫七色都有。七色光照射到物体上，如果物体全部吸收白光，无反射，则没有反射光进入人眼，为黑色。如果全部反射，无吸收，反射的白光进入人眼，为白色。如果只反射红色，其他颜色吸收，反射的红光进入人眼，因此为红色。 • 问：在一个点红灯的房间里，穿白色衣服显什么颜色？穿黑色衣服呢？穿绿色衣服呢？

23. （5）照度稳定性 • 不忽明忽暗，干扰正常学习工作。 （6）限制眩光 • 减少高亮物体，光源直射眼睛使用保护格栅，30~45°。 （7）频闪 • 减少闪烁，采用高频率。 • 我国电频率50hz，白炽灯每秒闪烁100次。人肉眼无法分辨，如同电影，一帧一帧的播放胶片，眼睛看到的是静止的照片，但速度快，前一副图片没消失，后一个图片又跟上来了，因此感觉是连续的。但摄像机，照相机可以明显区分。

24. 第二节 照明种类 • 照明按其作用可分为：正常照明、事故照明、警卫值班照明、障碍照明、彩灯和装饰照明等。 1．正常照明 • 满足一般生产、生活需要的照明称为正常照明。正常照明按照照明装置的分布特点又分为一般照明、局部照明、混合照明3种方式。

25. 照明种类 2．事故照明 • 正常照明电源失效而启用的照明，包括备用照明，安全照明，疏散照明。 • 正常照明因事故而中断，供继续工作和人员疏散而设置的照明称为事故照明。应采用能瞬时点燃的照明光源，一般采用白炽灯。也可以采用荧光灯。事故照明不允许采用荧光高压汞灯，不允许采用金属卤化物灯和高压钠灯。

26. 2.事故照明 （1）备用照明——用于确保正常活动继续进行的照明，如果照明中断，会引起爆炸，火灾，人身伤亡，或者造成严重政治后果的场所。 （2）安全照明——确保处于潜在危险中的人员安全照明 （3）疏散照明——用于确保疏散通道被有效辨认和使用。防止疏散时发生混乱，踩踏

27. 照明种类 3．警卫值班照明 • 在值班室、警卫室、门卫室等地方所设置的照明叫警卫值班照明。但应能单独控制， 4．障碍照明 指在建筑物或者构筑物上装设，作为障碍标志的照明。高楼装置，警示飞机。

28. 照明种类 • 在建筑物上装设用于障碍标志的照明称为障碍照明。例如飞行障碍标志的照明，航道障碍标志的照明，这些照明应尽量采用能透雾的红光灯具。 5．彩灯和装饰照明 • 一般采用15瓦左右的白炽灯和彩色灯。 • 为室内外特定建筑物，景观而设置的带有装饰性的照明。

29. 第三节 常用电光源、灯具及其选用 一、常用电光源

30. 一、灯具 • 灯具是照明用具，要求能透光，分配和改变光源分布。合理利用光源，防止光线过亮产生眩光。 • 电光源：常见分为三类， （1）热辐射光源——白炽灯 （2）气体放电光源——荧光灯 （3）LED光源——发光二极管

31. 2、电光源参数 （1）光通量输出 • 光源在工作时间所发出的光通量成为光通量输出。灯泡工作时间越长，光通量输出越低，灯泡越觉得不亮。 （2）发光效率 • 光通量（转化为可见光的能量）与消耗功率之比。 （3）光源寿命 • 光源从初次通电工作时起，到完全丧事或部分丧失使用价值的点燃时间。

32. （4）光谱能量分布 • 表明光源敷设的光谱成分和相对强度。 （5）光源显色性指数 • 照明光源对物体颜色呈现的程度。

33. 一、常用电光源 （1）白炽灯 • 发光基本原理是利用电流通过灯丝产生热量，把灯丝加热到白炽状态而发光。特点：构造简单、价格便宜、使用方便。瞬时点燃，照明可靠，事故照明都采用;红光成分较显著，照在蓝颜色物体上会失真，电光效率低.

34. 白炽灯

35. 白炽灯简介 • 白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。 • 1879年，美国的T.A.爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯，率先将电光源送入家庭。1907年，A.贾斯脱发明拉制钨丝，制成钨丝白炽灯。随后不久，美国的I.朗缪尔发明螺旋钨丝，并在玻壳内充入惰性气体氮，以抑制钨丝的蒸发；1915年发展到充入氩氮混合气。1912年，日本的三浦顺一为使灯丝和气体的接触面尽量减小,将钨丝从单螺旋发展成双螺旋,发光效率有很大提高。1935年，法国的A.克洛德在灯泡内充入氪气、氙气，进一步提高了发光效率。 • 白炽状态——物体温度达到1700°以上发出白光的状态。

36. 白炽灯简介 • 19世纪后半叶，人们开始试制用电流加热真空中灯丝的白炽电灯泡。爱迪主要研究的是，延长白炽灯寿命——关键是提高灯泡的真空度和采用耗电少，发光强、且价格便宜耐热材料作灯丝，爱迪生先后试用了1600多种耐热材料，结果都不理想，1879年10月21日同，他采用在采用碳化棉线作灯丝，把它放入玻璃球内，再启动气机将球内抽成真空。结果，碳化棉灯丝发出的光明亮而稳定，足足亮了10多个小时。就这样，碳化棉丝白炽灯诞生了，爱迪生为此获得了专利。1880年，爱迪生又研制出碳化竹丝灯，使灯丝寿命大大提高，同年10月，爱迪生在新泽西州自行设厂，开始进行批量生产，这是世界最早的商品化白炽灯。

37. 白炽灯特点 • 白炽灯灯谱能力为连续分布型，显色性好。 • 灯泡发亮程度与电压有关，方便调节亮度。 • 如果用于直流电，白炽灯无频闪现象，用于交流电，频闪很低，闪烁指数2~13% • 灯丝加热快，0.07~0.08s可达到90%光通量 • 发光效率低，仅达到30%左右，其余以热量散失。 • 灯丝上的碳钨容易挥发，附在灯泡上，降低光通量。 • 使用寿命平均在1000h

38. （2）卤钨灯 • 是白炽灯的一种，灯丝由钨丝绕制，与白炽灯比，寿命明显增加；发光效率提高,适合电视摄影和投光照明；

40. （3）荧光灯 荧光灯属于气体放电光源，灯管中充以低气压汞蒸汽。主要由灯管，附件（镇流器，启辉器）组成。 • 俗称日光灯，主要由灯管、启辉器、镇流器组成，耗电仅仅是普通白炽灯泡的1/5；最适宜18℃～25℃的温度，环境温度过高或过低都会造成启辉困难和光效下降。

42. 传统型荧光灯内装有两个灯丝。灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧光粉。管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压力为0.8 Pa的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线（主峰值波长是253.7nm，约占全部辐射能的70-80％；次峰值波长是185nm，约占全部辐射能的10％），以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。

43. 荧光灯的工作原理 • 荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯高，是目前节能的电光源。荧光灯管中是压力约为0.8Pa的汞蒸汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激发成激发态，同时又激发态自发的返回到基态，将价电子的为能转化为电磁辐射能，并辐射初3.7nm的紫外线（另外还约有10%的85nm的短波紫外线）。载波管内壁上的荧光粉吸收353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。

45. 一、常用电光源 （4）节能灯 • 采用高频交流电源供电的荧光灯,交流电源频率提高到时，发光效率提高,把工频电源变换为高频电源，由电子镇流器完成。电子镇流器首先对220V交流电进行整流得到310V的直流电，然后经逆变电路产生高频交流电源，提供启动电流和启动高压。

46. 一、常用电光源 （5）高压汞灯 • 高压水银荧光灯，属于高气压汞蒸气放电光源。高压汞灯的性能特点：发光效率较高，寿命长 ,低温启动困难，缺乏红色，但蓝绿色丰富，启动慢. （6）高压钠灯

47. 高压汞灯

48. 高压钠灯

49. 一、常用电光源 • 利用内管高压钠蒸气放电发光,发光效率是照明光源里最高. （7）金卤灯(光色好，接近自然光)。 （8）管型氙灯 • 可瞬时点燃，适用于广场、机场、海港等照明使用。

50. 氙灯