重庆市南开中学
引言：人类科学技术的发展史，本质上是不断将这颗主要由氧元素构成的星球上的能源以不同的方式转化成不同形式的方便人类使用，提升人民生活水平的能量，并改变生产方式和科学理论，以适应这种变化带来的需求的过程。因此，能量转换率便成为了一个十分重要而关键的问题。普通的，正在逐渐被淘汰的白炽灯的能量转换率只有2%到4%,最先进的LED灯也只有30%左右，大部分的能量（电能）都转换成了根据热力学第二定律和时间限制而一去不复返的内能。与此同时，萤火虫，这个古老的生物，能量转换率却接近达到了惊人的95%——即几乎所有生物能都转换为了光能，这是不可思议的。同时，也为人类改良灯泡——或者说是照明系统——指明了方向。
一、设想目标
探究可广泛使用的高能量转换率（节能）光源（照明系统）。
二、原理
萤火虫发光原理： 萤火虫的发光是生物发光的一种，有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质，一类被称作萤光素，另一类被称为荧光素酶。荧光素在荧光素酶的催化下消耗ATP[腺嘌呤核苷三磷酸（简称三磷酸腺苷）是一种不稳定的高能化合物，由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸基团组成。又称腺苷三磷酸，简称ATP ]，并与氧气反应，产生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态时释放出光子，产生亮光。
普通白炽灯灯泡发光原理： 灯泡是根据电流的热效应原理制成的。灯泡接上额定的电压后，电流通过灯丝而被加热到白炽状态(2000℃以上)，因而发热发光．从而在工作时，将电能转化为内能和光能。
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LED灯发光原理： LED的核心组成部分是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
日光灯发光原理： 镇流器提供日光灯脉冲电压使灯丝预热及灯丝（阴极）上的电子发射材料激活，产生电子。电子与灯管内部汞原子发生碰撞产生紫外光，紫外光通过涂在灯管管壁得荧光粉折射出可见光。（荧光粉材料比例不同折射出来得光就不同）
三、分析
显而易见的，能量转换率较高的LED灯（40%）和日光灯（理论上电子到紫外光大约60%，紫外光到可见光大约40%，整体24%）在能量转化的过程中步骤较少，且不存在类似内能转化为光能这种能耗远远大于有用能的转化。因此，为了避免能量的浪费，通过加热、热辐射，消耗电子能量并最终获得光子的方法显然是不可取的。但在同时，以人类目前掌握的科学技术和知识来看，要像爱迪生用碳化竹丝改进初代灯泡，又用钨丝代替碳化竹丝那样大幅度地提高发光效率显然不是以鄙人的知识储备可以解决的问题。
萤火虫的发光模式是用化学（？生物）能直接转换为光能，人类无法（大规模）利用这种使用特殊方式发光。但是，萤火虫的身体（发光器官）的结构，同样十分高明。
萤火虫的发光器由数层细胞组成.在皮肤下有发光细胞,在发光细胞下有反光细胞,可以反射发光细胞发出的光来使光看来更亮。而表层细胞，则是完全透明的。
这种结构其实已经被人类部分利用了——LED灯的内部发光效率几乎已经达到了100%，但是由于外壳材料（环氧树脂）的问题，透光率并不尽如人意——经过外壳后，发光效率就只剩下了大约40%。
同时，LED灯的费用和配套设施亦是不菲。理论上可以通过提高产品的光通量从而降低替换白炽灯的成本。但是，这一点在短时亦无法实现。同时，LED灯的技术“尚不够成熟”——电压与亮度的限制，这就是为什么以稀有气体通电会发光为原理，同样作为彩色光源的霓虹灯并没有被LED灯大规模取代。
四、结论
在人类目前掌握的科学技术的前提下，要进一步提升LED灯的发光效率，改进外壳——既能达到原环氧树脂的耐热和强度，又能增加透光率——或许是一个有效的途径。
论文作者:易劲舟
论文发表刊物:《科技新时代》2019年4期
论文发表时间:2019/6/19
标签：转换率论文; 能量论文; 萤火虫论文; 细胞论文; 晶片论文; 原理论文; 紫外光论文; 《科技新时代》2019年4期论文;