如何令燈泡更耐用？

1. 為什麼燈泡的鎢絲通常在剛開燈時燒斷，而不是在亮燈很久燈絲最熱時燒斷？
2. 為什麼燈絲在開燈時比在關燈時更常燒斷？
3. 是什麼導致燈泡內部變黑？
4. 為什麼選用鎢作為燈絲的物料？
5. 為什麼有些時候燈泡燒壞時會有火花或電弧光？
6. 鹵素燈是如何運作的？
7. 什麼燈較省電—普通燈泡或鹵素燈？

   撰文：李本瀅

1. 為什麼燈泡的鎢絲通常在剛開燈時燒斷，而不是在亮燈很久燈絲最熱時燒斷？

主要原因是在開燈的一刻，通過燈絲的電流是最高的。 讓我們重溫高中的科學知識。物質的電阻通常隨溫度上升。例如一般用來製造燈泡絲的鎢，溫度每上升一度，電阻便增大0.6%。燈亮時，燈絲溫度超過攝氏2000度。即是說燈絲的電阻可從冷卻時的幾歐姆上升至白熱時的數十歐姆。從數式 I=V/R（ I 是電流、 V 是電壓及 R 是電阻）可以看到，在特定的電壓值 V（香港一般使用220電壓），其起始電流是最強的，超過設定值的十倍。起始時的熱能也是最高的（電功率 P = IV = V2/R），令燈絲受壓。 當燈泡用了一段時間後，部份燈絲不免會變得較幼。由於這部份的燈絲有較高的電阻，因此增溫會較快（P = I2R），令情況更壞，而燈絲已經較幼的部份會變得更幼。 （圖片來源： Wikipedia）

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2. 為什麼燈絲在開燈時比在關燈時更常燒斷？

關燈時，燈絲是在較熱的環境下得以慢慢冷卻。相反，燈絲在開燈時會急速增溫。所以關燈時燈絲較少機會燒斷。 使用調光器可減少起始時通過燈絲的電流，從而減低燈絲在開燈時燒斷的機會。

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3. 是什麼導致燈泡內部變黑？

燈泡內部變黑是因為鎢絲蒸發，然後沈降在燈泡玻璃內部。鎢的氣化亦導致燈絲使用後變幼。

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4. 為什麼選用鎢作為燈絲的物料？

使用鎢是因為它有很高的熔點（超過攝氏3000度），即使在高溫下仍然堅硬。此外，它比其它普通金屬氣化較少（它有很低的汽態壓力）。

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5. 為什麼有些時候燈泡燒壞時會有火花或電弧光？

火花或電弧光其實是燈絲已斷開的兩端出現放電情況，在短時間內有很大的電流通過，有時會造成保險絲燒掉或漏電斷路器跳掣。 輕輕敲擊或搖動一下燒壞的燈泡，有機會使斷開的燈絲重新連接，讓燈泡短暫延續壽命。

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6. 鹵素燈是如何運作的？

普通燈泡內注入了惰性氣體（如氬氣或氪氣）及氮氣，以防止鎢絲氧化。相反，鹵素燈泡內藏碘（偶爾是溴），屬於高化學反應的鹵素系列。 為什麼選用高反應性的物料？鹵素燈泡內的碘用不同的方法保存鎢絲的壽命。它與氣化的鎢原子產生化學反應形成一種碘化鎢的氣體結合物。碘化鎢會在燈泡內漂浮，直至碰到熾熱的燈絲。高溫令它分解成碘氣及金屬的鎢，這樣燈絲便能還原。由於這個循環作用的關係，鹵素燈泡的壽命長達兩倍。 化學作用使電燈在高溫下運作並發出明亮的白光。因此，燈泡的外殼是用石英製造，可承受高溫。 （圖片來源： Wikipedia）

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7. 什麼燈較省電—普通燈泡或鹵素燈？

鹵素燈和普通燈泡一樣，僅利用10至12%的能量發光（其餘大部份能量變成熱力），效率不及光管式慳電膽。

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參考：

1. "What Einstein told his barber", R.L. Wolke, Dell Publishing, 2000.
2. "New Scientist - Why don't penguins' feet freeze?", Profile Books, 2006.