为什么灯泡在相同工作电压下发出各种波长光的照度、光功率大小不同?

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-05-14 14:48 标签： 波长对光照度光功率的影响

逛博物馆时，如果留心观察，我们有时会发现馆内竖有禁止使用的标识，闪光灯真的会对博物馆的藏品造成伤害吗？

在博物馆参观时，经常能够看到禁止使用闪光灯的标识。有些人觉得开一次闪光灯没什么大不了，但实际上，一些娇贵的文物可禁不起谁都来“闪”一下。图片来源：中国国家博物馆

问题的根源：光携带能量

万物生长靠太阳，因为阳光蕴含着能量。其实所有的光都是如此，也正是这些能量成为文物老化的罪魁祸首之一。其中最致命的可能是光化学反应：在这些能量的作用下，文物表面的分子或者分解，或者和其他物质反应，从而失去了原本的特征。

不过，在光的例子里，能量并不是平等的。光传递能量时并非连续的，而是分成一个个的小能量包，每个包对应一个“光子”。越蓝的光，每个光子的能量就越大，通常而言造成的光化学破坏也越大；而就算总能量相同，越红的光，造成的光化学破坏也较小。不严格地比喻说，这就像被普通网球分别砸一百下没有事，而被一个百倍质量的超级网球砸一下可能就要出事。

所以，关注光对文物的影响，需要注意两件事情：一是光携带的总能量大小，二是其中多少光子是高能的，多少是低能的。在讨论展出文物时，前者可以用“”来近似，而后者可以用“”来近似。

严格地说，衡量光的能量，应该用辐射功率。但是日常环境中我们接收光的最主要仪器就是我们的眼睛，最常用判断标准就是眼睛感受到的明亮程度，所以在讨论可见光的时候我们常常会使用“照度”——把光强折合为人眼感受到的亮度。

类似地，衡量光子能量分布，严格说应该用光谱信息。但博物馆和摄影一般不会使用什么奇怪的光源，而普通光源很多都可以用理想的黑体来近似。所以这里我们用黑体的对应温度——“色温”来近似描述光子的能量状况：每种情况下的光源都会发出能量大小不一的各种光子，但是色温越高，高能光子越多，光化学破坏力也越大。

在纯粹的黑暗中保管文物当然最理想，但这样就失去了文物的教育和审美意义。好的博物馆会严格控制馆内光源，既能让参观者肉眼看到重要细节，又能尽可能延长文物的寿命；但再好的控制，面对外来的闪光灯也会化为泡影。那么，拍照时的闪光灯会发出怎样的光？是否超过了展品的耐受能力呢？

实验室模拟：光照如何影响藏品？

多彩的织物依赖于各种。正所谓“成也萧何，败也萧何”，染料本身的脆弱，也使彩色织物更加难以保存。

造成染料如此“娇弱”的原因很多，“光漂白”便是罪魁祸首之一。顾名思义，染料的光漂白就是指染料在光照作用下发生褪色。这其中的机理较为复杂，但多数研究表明，染料光漂白可以分为染料的直接分解和氧化分解两种途径。[1,2]其中的氧化分解途径——或者说光促进氧化途径，因为对光的要求不高，再加上无处不在的氧气在其中“为虎作伥”，在平常条件下就很容易发生。

根据被光活化后，染料分子如何与氧气反应，光促进氧化途径又可以分为两种。

第一种途径是光通过染料活化氧气，被活化的氧气再反过来把染料破坏掉。为了更好地了解这两种途径，我们需要先引入一个概念——能级。为了简单理解，我们可以把能级看成是不同高度的楼层。俗话说，水往低处流。分子其实也都喜欢在稳定的最底层呆着。可是，一旦有了光照，染料分子会吸收合适的光能，纷纷蹦上更高层。而另一方面，平时沐浴在氧气中的我们欢蹦乱跳的，可能会觉得氧气很温和。其实，这是因为氧气一般都是三线态氧——处于底层状态的氧气。通常情况下，光照很难让氧气“嗨”起来，而吸收光能，蹦上高层的染料分子，恰好扮演了能量传递者的身份——它们慷慨的将光能送给氧气，自己则退回到底层。而获得能量的氧气一步登天，摇身一变成了能量更高的单线态氧，露出了杀手的本来面目。这单线态氧简直是白眼狼，回过头来就把染料氧化得干干净净。[3]

另一种光促进氧化途径则来得更加直接。前面我们说到，分子可以登上不同的楼层。其实更微观的来看，分子内部也是有着不同的楼层，而房客则是一个个的电子。电子本来都规规矩矩的从低层到高层住着自己的房间，光一来，情况就不同了，电子在吸收光能后，会跳到更高的楼层。如果这个不安分的电子再跳回原来的房间，并把吸收的能量以其他方式释放出去，比如光，那么一切安好；但是，氧气的出现使得不安分的高层电子有了新的去处——被光照活化的染料分子会将电子移交给氧气，自身则被氧化为自由基正离子，而氧气则被还原为自由基超氧阴离子。自由基超氧阴离子可以说是结合了自由基的活泼和氧的强氧化性，是个瞪谁谁怀孕的恶魔。在这个恶魔面前，染料分子丢盔弃甲，被分解殆尽。[4]

超氧阴离子的产生方式。

织物常用各种有机染料来增添色彩，而另一个彩色世界——绘画，还会使用各种无机颜料，比如铅白，朱砂等等。研究发现，光照对这些绘画作品中的无机颜料也有影响。举例来说，亮黄色的绘画颜料中会使用一种叫做硫化镉（CdS）的成分，这种成分因其着色力强、稳定性以及颜色鲜亮，而广受画家们的欢迎。莫奈、梵高、毕加索[5-7]等绘画大家的作品中都大量使用了这种颜料。但是在可见光的作用下，硫化镉中的硫会被逐步氧化成硫酸根。[8]

[11]王永礼, 博士论文, 物理环境对古代丝织品色泽和丝质的影响研究, 东华大学, 2007

其实在科学类博物馆，你也会看到精美的传世文物，到时候一定要记得关闭闪光灯哦！

什么？艺术品怎么跑到科学博物馆来了？它们有关系吗？

当然有！博物馆当然可以知识和颜值兼备！今晚20:30，跟着科学松鼠会成员李子，社会、艺术与科学一把抓，超过6所博物馆一次逛！让眼睛和大脑都享受一下吧！（剧透，还有吸猫环节？！）

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光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。

光敏三极管， 也称光电三极管或光电晶体管， 它是作为光传感器的敏感部分， 已在光的检测、信息的接受、传输、隔离等方面获得广泛的应用， 成为各行各业自动控制必不可少的器件。其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。

光敏三极管（Phototransistor）和普通三极管相似，也有电流（Current）放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿（Temperature compensation）和附加控制等作用。

当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。

光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。半导体就像一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。

半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，通过光来控制电路十分精妙，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管还可用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。

在教室图书馆，很多时候日光灯白天也亮着，在宿舍里面，日光灯经常是昼夜不息，同学们对这种浪费已经习以为常了。有的同学早晨去教室，虽然教室很明亮但还要开灯，虽然一盏日光灯不会浪费多少资源，但积少成多，浪费就是很大了。因此，我们可以在教室安装一个控制电路，当亮度达到一定程度的时候，使得教室里面和宿舍里面日光灯将无法启动。我们可以利用光敏三极管附加电磁继电器来完成这个电路。采光点的选取是一个关键，因为并不是每一个教室的明亮程度都是相同的，我们可以采用多点取样来达到这个要求。例如在教室中安放20个光敏三极管，我们可以设置，如果他们全部或者大部分亮度都很高，那么，日光灯就无法正常启动 ，达到节约能源的目的。

还有一种情况，就是如果有一天天空布满了乌云，亮度不够，那么日光灯可以开启了。但是不久云开雾散，天气放晴，日光灯不会自动关闭。同样造成很大浪费。可以在采光点所在的教室外面再安装一个采光点，当室内外强度的差值缩小到一定范围时，我们可以认为日光灯的作用可以忽略了，日光灯就会自动关闭。

另外一种情况，如果教室外面正下雨，教室里面日光灯亮着，此时窗外一个闪电，使得外面很亮，日光灯就关闭了，这会造成麻烦。因此要避免这种问题。方法就是在电路中安装计数器，使得亮度差维持一定时间才可以使日光灯强制关闭。

综上所述，我们可以利用光敏三极管设计一个电路，使得日光灯无法正常启动或者被强制关闭从而达到节约能源的目的。

光敏三极管的另一个作用是传输信号，光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光敏三极管与光敏二极管不同的是有两个背对相接的PN结。与普通三极管相似的是，它也有电流增益。需要指出的是，因光敏三极管无须电参量控制，所以一般没有基极引出线，只有集电极c和发射极e两个引脚，而且外形和光敏二极管极为相似，很难区别开，需认真看清管壳外缘标注的型号，以免混淆。

光敏三极管由于使用的材料不同，分为锗光敏三极管和硅光敏三极管，使用较多的是硅光敏三极管。光敏三极管的光谱特性与光敏二极管是相同的。

光敏三极管的伏安特性是指在给定的光照度下光敏三极管上的电压与光电流的关系。

光敏三极管的光电特性反映了当外加电压恒定时，光电流IL与光照度之间的关系。下图给出了光敏三极管的光电特性曲线。光敏三极管的光电特性曲线的线性度不如光敏二极管好，且在弱光时光电流增加较慢。

温度对光敏三极管的暗电流及光电流都有影响。由于光电流比暗电流大得多，在一定温度范围内温度对光电流的影响比对暗电流的影响要小。下两图中分别给出了光敏三极管的温度特性曲线及光敏三极管相对灵敏度和温度的关系曲线。

在无光照的情况下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的反向漏电流称为光敏三极管的暗电流ID。

在规定光照下，当施加规定的工作电压时，流过光敏三极管的电流称为光电流IL，光电流越大，说明光敏三极管的灵敏度越高。

集电极一发射极击穿电压

在无光照下，集电极电流IC为规定值时，集电极与发射极之间的电压降称为集电极一发射极击穿电压。

在无光照下，集电极电流Ie 为规定的允许值时，集电极与发射极之间的电压降称为最高工作电压VRM

最大功率指光敏三极管在规定条件下能承受的最大功率PM。

当光敏三极管的光谱响应为最大时对应的波长叫做峰值波长λp

在给定波长的入射光输入单位为光功率时，光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强度称为光电灵敏度。

响应时间指光敏三极管对入射光信号的反应速度，一般为。

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