逍遥学能 2018-08-30 15:25
江湖传言，电灯的开关瞬间消耗的电能比N小时稳定发光还要多。作为物理实验党门下弟子，我们决定亲自动手，检验何谓真理。
小时候就听大人说，“不要总是开灯关灯，开灯关灯最费电了”，那个时候，家里用的还是白炽灯泡。等我们上了中学学了物理，明白了电压电流电阻等等的时候，也就明白了白炽灯将电流转化为热能，虽然说开灯那一瞬间灯丝的温度低，电阻小，因此耗电多一些，但是这个时间很短，根本就谈不上费电。后来，白炽灯开灯关灯费电的话题渐渐的很少有人谈起了。
随着时代的发展，照明灯也更新换代，日光灯，节能灯，都比白炽灯的能量效率更高，更省电：要实现同样的亮度，需要的电能小多了。这种灯管启动的时候，常常需要一个很高的电压来预热，外电路的电压恒定不变，这种高压启动一般是通过灯具内部的电路来实现，比如日光灯管的启动器。
也许因为要预热，江湖上流传着节能灯(或者日光灯)开关的时候最费电，比如“如果照明本身使用的是节能灯，那么电灯的开关瞬间消耗的电能比一小时内稳定发光时还要多”[1]，甚至“开关一次节能灯相当于持续点10小时的节能灯”[2]。这种说法广为流传，而且“N个小时”中的“N”在各个版本的传言中都不一样。为此笔者上网搜索了很久，却始终没有发现任何定量的数字证据证明这个观点。
初听起来，刚启动时需要高电压所以有可能造成大量能量损耗似乎有些道理。但真的像传言中那么多么?如果想真的等同于10个小时的耗电量，以20瓦的灯泡来说，启动的瞬间会耗电高达720千焦，足够把两升水烧开了。这么大的热量在极短的时间内散发开来，开灯的时候我们居然感觉不到热浪扑面而来，岂不是太奇怪了?
那么，到底节能灯开关的瞬间消耗多少电能呢?我们用一个实验来回答这个问题。
EDXO-14型节能灯，额定电压120伏(60Hz，美电)，额定功率14瓦
我们利用手头上有的一个节能灯泡(见上图)和一些电路原件(电阻、万用电表和示波器)，搭建了如下所示的电路，上为实物图，下为电路图：
电路实物图和等效电路图
如电路图所示，一个小电阻(13.6欧姆)和节能灯泡串联在一起连接到120伏，60赫兹的交流电源上(美国交流电的电压和频率跟中国的不一样)。通过测量电阻两端的电压，我们就可以计算出通过节能灯泡的电流，从而计算出灯泡的功率。
首先，测量稳定工作时节能灯泡的功率很容易。开关闭合后，节能灯正常发光时，只要用普通的万用电表就可以测量电阻两端的电压UR，实测UR为1.4伏。同时我们测得外电路电压为119.8伏。因此通过灯泡的电流为I=UR/R≈0.103安培。那么这只灯泡在稳定工作时的功率就是P=ULI=(119.8-1.4)×0.103≈12.2瓦，稍低于灯泡上标识的“14瓦”(我们推测是因为电压略低于额定值或者灯泡有些老化)。
但是我们关心的“高压”启动问题，在普通万用电表上却完全显示不出来。我们尝试多次打开闭合开关，万用电表的读数上没有任何异常。这说明开始的高压启动时间非常短，远小于万用电表的响应时间。我们必须寻找另一种可以看到短时间信号的仪器。这里我们选用的是示波器(如下图)。
DSO3202A型示波器上显示的灯泡稳定工作时的波形图
利用示波器，我们可以将电阻两端电压(正比于电路电流)随着时间变化的波形显示出来(如下图)。从稳定部分的波形上估算的能耗和用万用表测量出来的平均值计算的结果基本吻合。
但是，我们并没有观察到网上传言所说的“节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定”[2]。我们实际的观测结果是，一旦接通电源，波形图在不到一秒钟的时间内就稳定在上图显示的正常工作结果上，不会再有什么变化，而不是“几分钟”才能稳定下来的样子。
不过，在接通的一瞬间，我们看到了期盼已久的“高压启动”——一个极短的脉冲峰出现在示波器的波形图上。这正代表了节能灯的“高压启动”过程。那么，在这个过程中耗费了多少电能呢?
节能灯启动瞬间的尖峰波形(红色箭头所指)
如下图所示，这个尖峰发生在1毫秒(0.001秒)之内，随后波形就正常了。这个瞬时的大电流约有正常工作情况下的5~7倍。以7倍计，我们可以估计出节能灯泡这个时间内的电能消耗不超过0.1焦耳，只相当于稳定工作下不到10毫秒(0.01秒)的耗能。
从这个实验我们可以看出，传言的节能灯开关瞬间大量费电的说法是完全站不住脚的。节能灯在启动的时候消耗的电能总量其实很小，并不会有开关一次等于几个小时持续发光的情况。大家不用为了“省电”而不关灯。
当然，过于频繁的开关电器对电器的寿命肯定会有所影响。从这点来说，避免过于频繁的开关节能灯是有一定道理的。