Glühlampe (Teil II)

Schematischer Aufbau einer Glühlampe

Durch den Stromfluss erwärmt sich der Kohlefaden und sendet elektromagnetische Strahlung aus.

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Bei der Edison Glühlampe befindet sich ein Kohlefaden in einem luftleeren Glaskolben. Durch den Stromfluss erwärmt sich der Kohlefaden bis zur Weißglut, wodurch elektromagnetische Strahlung abgestrahlt und über Wärmeleitung und Wärmekonvektion an das Füllgas abgegeben wird. Der Aufbau moderner Glühlampen unterscheidet sich hiervon zwar ein wenig, aber das Grundprinzip ist gleich geblieben. Es wurde nur der Kohlefaden durch einen doppelt gewendelten Wolframfaden ersetzt und der Glaskolben nicht mehr evakuiert sondern mit einem Edelgas gefüllt. Denn Wolfram kann viel präziser gefertigt und daher auf höhere Temperaturen erhitzt werden als ein Kohlefaden, ohne dass dünnere und damit heißere Stellen durchschmelzen, womit sich eine höhere Helligkeit ergibt. Die Füllung mit Edelgasen, z.B. Krypton, hat hingegen weitgehend fertigungstechnische und praktische Gründe. Ein Glaskolben lässt sich leichter mit einem chemisch inaktiven Gas – daher Füllung mit Edelgasen – füllen als luftleer pumpen. Denn bereits sehr geringe Sauerstoffmengen sorgen dafür, dass die Glühwendel zumindest auf der Oberfläche verbrennt und sich so der Glaskolben von innen leicht schwärzt. Zudem kann ein gasgefüllter Glaskolben bei Beschädigung nicht implodieren wie ein luftleerer. 2

Glühdraht

Ein wichtiger Teil der Glühlampe ist der Glühdraht. Dieser ist ähnlich einer Spiralfeder aufgewickelt und verbraucht dadurch weniger Energie, um die notwendige Wärme zu erzeugen. Durch die Spiralform liegen die Drahtabschnitte enger beieinander und können sich so gegenseitig besser erwärmen – auch ist der Glühdraht dadurch sehr lang, bis zu einem Meter bei einem Durchmesser von nur 0,02 mm. Der Glühdraht ist üblicherweise an zwei bis drei Haltedrähten, befestigt, welche den Strom von dem Gewindesockel- und dem Fußkontakt an den Glühdraht weiterleiten. Der Strom bringt den Glühdraht zum Glühen und damit zur Lichtemission – Temperatur 2500-3000 °C. Als Vergleich dazu erhitzt sich eine Herdplatte nur auf etwa 300 °C. Nicht jedes Material hält diese Temperaturen aus, weshalb man für den Glühdraht das Metall Wolfram verwendet. Dieses hat einen Schmelzpunkt von 3140 °C. Nur etwa 5 % der zugeführten elektrischen Leistung werden in Lichtleistung umgewandelt, die restlichen 95 % erwärmen die Umgebung der Lampe. Die Lichtausbeute der Glühlampe beträgt je nach Größe und Bauart etwa 8 bis 20 lm/W. 3

Gasmischung

Damit der Glühdraht nicht verbrennt (oxidiert) ist es notwendig, dass dieser nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Deshalb ist der Glühdraht von einem Glaskolben umgeben. In diesem ist entweder ein Vakuum – also keine Luft – oder anderes Gas bzw. ein Gasgemisch aus Stickstoff und Argon, oder Krypton. Dabei vermindert der hohe Gasfülldruck die Verdampfungsgeschwindigkeit des Wolframs und damit die Kolbenschwärzung. Kryptonlampen besitzen auf Grund ihrer höheren Temperatur, eine ca. 10% höhere Lichtausbeute als normale Glühlampen. Die hohen Oberflächentemperaturen führen zu Staubverschmorungen. Mattierte Glaskolben dämpfen die Schattenbildung und Blendung, und kuppenverspiegelte Lampen schützen vor Blendung und sorgen für ein indirektes Licht. 4

Glühfaden

Durch Oxidation ändert ein Draht seine Eigenschaft, er wird spröde und brüchig.

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Oxidation

Schaut man sich die Reste eines durchgebrannten Drahtes an, so stellt man fest, dass sich dieser vollkommen verändert hat. Er ist nicht metallisch-glänzend und biegsam, sondern spröde, brüchig und graubraun. Er ist oxidiert! Oxidationsreaktionen kennen wir in den unterschiedlichsten Erscheinungsformen. Bei jeder Art von Feuer treten sie auf, aber auch beim rostenden Eisen oder beim braun werdenden angebissenen Apfel. Oxidation bedeutet in der Regel, dass sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. So verbinden sich z. B. bei der Verbrennung von Kohlenstoff jeweils zwei Sauerstoffatome (2O) mit einem Kohlenstoffatom (C) zu Kohlendioxidgas (CO2): 2O + C ----> CO2

Ähnlich ist es beim Wolfram des Glühfadens

Nur hier sind unterschiedliche Oxidationsstufen möglich (WO, WO2, WO3). Damit diese Reaktionen ablaufen können, müssen jeweils ganz bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. So muss der Sauerstoff in einer geeigneten Form vorhanden sein. Das kann Luftsauerstoff oder Sauerstoff gebunden in Wassermolekülen sein. So z.B. beim Eisen, das nur bei Feuchtigkeit rostet. Für manche Oxidationsreaktionen muss eine Mindesttemperatur erreicht sein. Für den Metalldraht ist diese Temperatur offenbar überschritten, wenn er orange glüht. Dann oxidiert er sehr rasch mit dem
Luftsauerstoff – er verbrennt einfach. Dasselbe passiert mit dem Wolframglühfaden einer Glühlampe, wenn der schützende Glaskolben zerstört ist. Um das zu verhindern, darf kein Sauerstoff an den Draht kommen. Der Glühfaden in den Glühlampen wird wirkungsvoll vor Oxidation geschützt, indem der Glaskolben entweder luftleer gepumpt wird oder mit einem Gas gefüllt ist, das auch bei diesen hohen Temperaturen nicht mit dem Glühfaden reagiert, beispielsweise ein Edelgas. 8

Lebensdauer

In der heutigen Bauweise sind Glühlampen für eine Lebensdauer von ca. 1000 Stunden ausgelegt. Dies resultiert aus einem Kompromiss zwischen Temperatur und Lebensdauer. Bei Tageslichtprojektoren gibt es stets eine Sparschaltung und eine Hellschaltung. Bei der Sparschaltung wird die Betriebsspannung um etwa 5% gegegenüber der Hellschaltung (100%) abgesenkt. 5 Aus Gründen der Energieersparnis sollten dauerbrennende Glühlampen sukzessive durch andere Lichtquellen ersetzt werden.

Farbspektrum

Das menschliche Auge ist auf Licht eines glühenden Stoffes (Temperaturstrahler) der Temperatur von ca. 6000 °C eingestellt. Dies entspricht der Oberflächentemperatur unserer Sonne, auf die unsere Augen, wie auch die Augen vieler tagaktiver Säugetiere, optimal angepasst wurde. Bisher bekannte Werkstoffe können höchstenfalls Temperaturen von etwa 2000-2700 °C widerstehen, beispielsweise die Metalle Wolfram oder Osmium. Dabei leuchten Glühlampen am stärksten im orangen Bereich, während die Lichtintensität zum blauen Teil des Spektrums stark abnimmt, resultierend in einem gelblich-weißen Licht. Der starke Rotanteil führt dazu, dass das Licht als warm empfunden wird (warmweiß). Der größte Teil der Energie wird allerdings im infraroten Spektralbereich als Wärmestrahlung abgegeben, daher der geringe Wirkungsgrad normaler Glühlampen von 1-2%. 6

Glühlampe Heute

Prinzipiell hat sich seit den ersten Glühlampenmodellen Edison's nicht viel verändert. Weiterentwickelt wurden lediglich die einzelnen Grundbauteile und Materialien. Insbesondere die Einführung der Doppelwendel, der Gasfüllung und der Aufhängung. Völlig gleich geblieben ist der Sockel, der auch heute noch die ursprüngliche Bezeichnung Edison's trägt. Insgesamt hat sich jedoch die Lichtausbeute deutlich verbessert. Eine heutige Lampe ist bei gleichem Stromverbrauch 10-mal heller. 7

Warum geht eine Glühlampe dennoch irgendwann kaputt?

Es liegt daran, dass das Metall des heißen Glühfadens langsam verdampft. Das hört sich zunächst unwahrscheinlich an. Von einem Eisenklotz, der einfach daliegt, erwartet man auch nicht, dass er mit der Zeit verdampft. Aber etwas anderes ist es bei den extrem hohen Temperaturen der weiß glühenden Glühfäden. Sie werden bis relativ nahe zum Schmelzpunkt des jeweiligen Metalls erhitzt. Dann können einzelne Atome aus der Oberfläche des Drahtes austreten und erfüllen den Glaskolben mit einer sehr geringen Menge Metalldampf. Ein Teil der Metallatome schlägt sich an der Innenseite des Glaskolben als eine dünne, dunkle Schicht nieder. Dadurch wird der Draht aber immer dünner. Irgendwann reißt er dann an einer Stelle durch. 8