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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Die Funktionsweise der Glühlampe

Jeder kennt sie: Die Glühbirne oder besser Glühlampe. Aber warum erzeugt eine Glühlampe eigentlich Licht und was bedeutet die Angabe 60 Watt oder 100 Watt oder.... Wie kommt es, dass beim Druck auf den Lichtschalter das Licht angeht und warum werden Glühbirnen so heiß? Außerdem sind Glühlampen in der Regel recht groß und Halogenlampen klein. Warum ist das so? Und warum brennt eine Glühlampe eigentlich immer beim Einschalten durch und nicht nach längerem Betrieb? UNd was hat die EU eigentlich gegen Glühlampen? All diese Fragen werden hoffentlich auf dieser Seite beantwortet.

Die Funktionsweise einer Glühlampe

Grundlagen der Lichterzeugung

Wenn Strom durch einen Draht fließt, erwärmt sich der Draht. So funktionieren der Toaster, der klassische Elektroherd, der Wasserkocher und viele andere elektrische "Heizgeräte" und eben auch die Glühlampe. Die elektrische Energie des Stromes wird in Wärmeenergie umgewandelt. Wenn der Draht sich dabei über etwa 500°C erwärmt, kann man in dunkler Umgebung ein schwaches, rotes Glühen erkennen. Je höher die Temperatur wird, desto heller und desto weißer wird die Glut. Während bei "tiefen" Temperaturen die Glut noch stark rötlich ist, wird sie ab etwa 1300°C beinahe weiß. Das ist bei allen Feststoffen gleich und nicht auf Draht beschränkt.

Leider ist Licht nicht die einzige ausgesendete Strahlung. Tatsächlich macht das sichtbare Licht bei derart niedrigen Temperaturen nur einen sehr kleinen Teil der gesamten ausgesendeten Strahlungsenergie aus. Der weitaus größte Teil ist Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung), die für uns unsichtbar ist.

Mit steigender Temperatur des Drahtes passiert folgendes:

Das bedeutet für den Einsatz eines glühenden Körpers als Lichtquelle, dass seine Temperatur für eine maximale Lichtausbeute möglichst hoch sein sollte, denn sonst findet man nur "rotes" Licht und eine Menge unsichtbarer Wärmestrahlung und insgesamt nur eine shr geringe Lichtausbeute während ein großer Teil der elektrischen Energie den Raum erwärmt, was aber natürlich nicht der Zweck einer Lampe ist. In modernen Glühlampen werden etwa 5 % der elektrischen Energie tatsächlich in Lichtenergie umgewandelt. Die restlichen 95 % gehen als Wärme verloren. Eine Glühlampe mit einer Leistung von 100 Watt hat also eine "Wärmeleistung" von 95 Watt und eine "Lichtleistung" von 5 Watt.Da man aber eigentlich leuchten und nicht heizen will, wenn man auf den Lichtschalter drückt, hat die EU die Glühlampe als "böse" identifiziert und versucht sie europaweit durch effizientere Leuchtmittel zu ersetzen, d.h solche, bei denen mehr Licht und weniger Wärme entstehen und somit die Energie besser für den eigentlich beabsichtigten Zweck genutzt wird.

Aufbau der Glühlampe

Schematischer Aufbau einer Glühlampe mit elektrischen Anschlüssen, Glaskolben und Glühdraht.
Aufbau einer Glühlampe

Eine normale Glühlampe enthält in ihrem Glaskolben eine sauerstofffreie Atmosphäre mit geringem Druck. Darin befindet sich ein dünner, spulenförmig verdrehter Metalldraht aus Wolfram oder einer Osmium-Wolfram-Legierung. Die Enden dieses Glühdrahtes werden über die Fassung mit Strom versorgt. Beim Einschalten des Lichts fließt Strom durch den Draht, wodurch er sich praktisch sofort sehr stark erwärmt und zu glühen beginnt. Das Gas im Inneren der Glühlampe darf insbesondere keinen Sauerstoff enthalten, da dann der Glühfaden sofort durchbrennen würde. Außerdem muss der Metalldraht möglichst hohe Temperaturen erreichen können, ohne zu schmelzen.

Das erste Patent auf eine Glühlampe erhielt 1880 Thomas Edison, der deshalb gemeinhin als ihr Erfinder gilt. In den ersten Glühlampen wurde Kohlenstoff als Fadenmaterial benutzt. Der Kohlenstoff hat zwar mit etwa 3800 °C einen sehr hohen Schmelzpunkt, um auf genügend hohe Temperaturen erwärmt werden zu können, sublimiert (vgl. Aggregatzustände) aber bei Temperaturen oberhalb 2000 °C so schnell, dass die Lebensdauer der Glühlampen mit Kohlefäden nur gering war. Später wurde dann Wolfram benutzt, dass zwar mit 3500 °C einen etwas geringeren Schmelzpunkt aufweist aber bei 3000 °C etwa 300 mal langsamer sublimiert als Kohlenstoff, wodurch bei einer Verlängerung der Lebensdauer gleichzeitig auch höhere Lichtausbeuten möglich wurden.

Technische Probleme der Glühlampen

Eine neue Glühlampe und eine ältere mit viel Glühdrahtmaterial auf der Innenseite des Glaskolbens
Zwei Glühlampen: Eine neue mit komischen grünen Flecken auf dem Glaskolben und eine ältere mit deutlich sichtbarem Metallniederschlag auf der Innenseite des Glaskolbens.

Durch die hohen Temperaturen des Glühfadens neigt das Material desselben zum Sublimieren, d.h. es wird gasförmig. Diese Sublimation bringt zwei Probleme mit sich.

  1. Der Glühfaden wird im Laufe der Zeit durch den stetigen Materialverlust immer dünner und brennt schließlich durch.
  2. Das sublimierte Glühfadenmaterial wird an der kältesten Stelle der Glühlampe, also an der Glaskugel, wieder fest (s. Foto). Dadurch wird diese im Laufe der Zeit immer weniger durchsichtig und die Glühlampe verliert an Leuchtkraft.

Der Schwärzung des Glases wirkt man durch eine möglichst große Glasfläche entgegen, weshalb Glühlampen relativ groß sind. Dadurch verteilt sich das Glühfadenmaterial gut auf der Oberfläche und es dauert länger, bis sich eine völlig undurchsichtige Schicht gebildet hat. Das Sublimieren selbst lässt sich nur durch niedriger Glühfadentemperaturen reduzieren. Dies ist aber wegen der geringeren Lichtausbeute bei tieferen Temperaturen nicht wünschenswert. Ein weiterer Ausweg wäre die Suche nach einem Material, dass bei diesen hohen Temperaturen eine geringere Neigung zur Sublimation besitzt. Die Auswahl an Materialien ist allerdings begrenzt, da ja nur elektrische Leiter in Frage kommen.

Der stetige Materialverlust durch Sublimation ist auch der Grund für das Durchbrennen der Glühlampen. Durch diesen Verlust wird das Fadenmaterial ständig dünner, wodurch der elektrische Widerstand steigt. Ein bisschen Physik verrät nun, dass ....

Unmittelbar beim Einschalten hat der Draht den geringsten Widerstand und damit fließt der höchste Strom. Die dünnste Stelle erwärmt sich wegen des höchsten lokalen Widerstands am stärksten und wird also schneller dünner als der Rest des Drahtes. Irgendwann ist sie so dünn, dass sie durch den hohen Strom beim Einschalten so heiß wird, dass der Draht dort schmilzt - das wars dann. Flüssiges Metall bleibt nicht in Drahtform und der Draht reißt.

Ein Ansatz, die durch die Sublimation bedingten Probleme zu reduzieren und so höhere Temperaturen und entsprechend höhere Lichtausbeuten bei gleichzeitiger Verlängerung der Lebensdauer zu erreichen, findet sich in den Halogenlampen.

Optimierte Form - die Halogenlampen

Halogenlampen funktionieren im Grunde wie normale Glühlampen allerdings wird bei ihnen versucht durch einige chemische Tricks den Problemen durch die Sublimation des Glühfadens zu begegnen.

Die Lebensdauer einer Glühlampe wird vor allem durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Fadenmaterial sublimiert. Diese Sublimation wird umso schneller, je höher die Temperatur des Glühfadens ist. Da allerdings mit steigender Fadentemperatur auch die Lichtausbeute wächst, sind hohe Temperaturen hier durchaus wünschenswert. Die perfekte Glühlampe wäre also eine, bei der bei höherer Temperatur gleichzeitig der Sublimation des Fadenmaterials entgegen gewirkt werden könnte. Dadurch würde die Lebensdauer erhöht und gleichzeitig die Lichtausbeute verbessert.

Die Lösung dieses Problems gelang durch den Zusatz von Halogenen (z. B. Jod) oder deren Verbindungen zur Gasfüllung der Lampe, weshalb diese Glühlampen in der Regel Halogenlampen genannt werden. Der Trick ist allerdings nicht etwa, dass die Sublimation unterdrückt werden könnte sondern, dass das "wegsublimierte" Fadenmaterial an den Glühfaden zurück transportiert wird. Dies geschieht, indem sich das Wolfram, dass sich an der Glaswand niedergeschlagen hat, mit dem Halogen und dem ebenfalls in geringen Mengen enthaltenem Sauerstoff zu einer "leicht flüchtigen" Wolframverbindung verbindet, die dann verdampft und bei hohen Temperaturen, wie sie an der Oberfläche des Fadens herrschen, wieder zu Wolfram, Halogen und Sauerstoff zersetzt wird. Damit dies gelingt, muss die Glaskuppel, an der sich diese Wolframverbindung bildet mindestens 900 °C heiß sein. Diese hohen Temperaturen werden durch einen möglichst kleinen Abstand des Glases vom Glühfaden erreicht. Dies ist also der Grund, weshalb Halogenlampen immer sehr klein sind.

Durch diesen Rücktransport des Fadenmaterials ist es mö;glich, die Lebensdauer der Lampe zu erhöhen und gleichzeitig die Lichtausbeute durch höhere Fadentemperaturen zu steigern. Leider schlägt sich das zurück transportierte Wolfram aber nicht an der heißesten und damit dünnsten Stelle des Fadens, sondern an der kältesten und damit dicksten Stelle nieder, weshalb auch Halogenlampen nicht unendlich halten.

Letztlich ist aber auch die Halogenlampe vor allem eine Heizung, die nebenbei etwas Licht macht. Auch bei ihr ist die Lichtusbeute im Vergleich zu modernen Leuchtmitteln wie LEDs erbärmlich schlecht. Wegen der immer noch geringen Energieeffizienz wird auch die Halogenlampe aus unserer Welt verschwinden.