Thermische Lichterzeugung
| Thermische Lichterzeugung |
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 | AllgemeinesDaß in einer Glühlampe ein Metallfaden soweit erhitzt wird, daß er weißglühend wird, wissen Sie sicherlich. Aber warum verbrennt er nicht? Und wieso sendet heißes Metall überhaupt Licht aus? Anworten auf diese Fragen finden Sie nachfolgend.GlühlampenDen historischen Aufbau von Thomas A. Edison kennen Sie sicherlich: Ein Kohlefaden befindet sich in einem luftleeren Glaskolben. Durch Stromfluß erwärmt sich der Kohlefaden bis zur Weißglut, wodurch Licht ausgesendet wird. Der Aufbau moderner Glühlampen unterscheidet sich hiervon zwar ein wenig, aber das Grundprinzip ist absolut gleich geblieben: Erstens wurde der Kohlefaden durch einen doppelt gewendelten Wolframfaden ersetzt und zweitens wird heutzutage der Glaskolben nicht evakuiert sondern mit einem Edelgas gefüllt. Denn Wolfram kann man viel präziser fertigen und daher auf höhere Temperaturen erhitzen als einen 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. Bild 1: Aufbau einer Glühlampe Aber wieso erhitzt sich die Glühwendel und wieso sendet heißes Metall Licht aus? Beides ist für den physikalisch unbedarften Menschen sicher nicht einfach zu verstehen, wobei die Wirkungsmechanismen jedoch relativ einfach sind: Ein elektrischer Leiter besitzt einen bestimmten Widerstand. Dies bedeutet, daß die Elektronen (sprich der Strom) nicht völlig ungehindert durch einen Leiter fließen können, sondern mit den Atomen im Metallgitter kollidieren. Dieser Widerstand ist eine Materialkonstante. Ein hoher Widerstand bedeutet, daß die Kollosionswahrscheinlichlichkeit hoch ist. Bei Kollosion mit einem Atom gibt das Elektron Bewegungsenergie an das getroffene Atom ab wie eine Murmel, die man auf eine andere schießt. Im Gegensatz zur getroffenen Murmel kann das Atom aber nicht "wegspritzen", weil es im Metallgitter verankert ist. Man kann ein Metallgitter mit in Reih' und Glied angeordneten Murmeln vergleichen, die über je ein kurzes Gummiband (=Feder) miteinander verbunden sind, siehe  Bild 2: Prinzip eines Metallgitters (Bindungskräfte) Trifft ein (kleines) Elektron auf ein Atom, so erfolgt dies als elastischer Stoß wie bei sich treffenden Murmeln. Das Elektron verliert an Bewegungsenergie, während das getroffene Atom diese Bewegungsenergie aufnimmt und sich dadurch entsprechend Bewegungsrichtung und Auftreffwinkel des Elektrons in Bewegung setzt. Aufgrund der Bindungskräfte zwischen den verschiedenen Atomen wird dieses Atom am Wegfliegen gehindert, wobei aber gleichzeitig sozusagen die Federn gespannt werden. Dadurch setzt sich beim Erreichen des Totpunkts das Atom in die andere Richtung in Bewegung, bis es den entgegengesetzten Totpunkt erreicht hat. Resultat ist, daß das getroffene Atom sich hin- und herbewegt. Ein hin- und herschwingendes Atom ist physikalisch jedoch nichts anderes als ein erwärmtes Atom. Je größer die Amplitude ist, desto höher ist die Temperatur. Da es im Atombereich keine Reibung gibt, würde diese Schwingung auf ewige Zeiten anhalten. Allerdings sind die Nachbaratome nicht fix sondern lediglich durch die "Gummifäden" an deren Nachbarn "befestigt". Dies bedeutet, daß durch die Schwingung eines Atoms mit der Zeit auch dessen Nachbarn mitschwingen, wodurch das getroffene Atom wiederum Schwingungsenergie verliert. Durch diese Wärmeleitung gleichen sich lokale Temperaturerhöhungen in einem Metall recht schnell aus. Insgesamt erwärmt sich dadurch der gesamte Metallverbund. Resultat: Bei Stromdurchgang durch einen Leiter wird elektrische Energie in Wärmeenergie, salopp einfach Wärme genannt, umgesetzt. Nachdem nun klar ist, wieso sich die Glühwendel bei Stromdurchgang erhitzt, stellt sich die Frage, wieso bei hoher Temperatur Licht abgestrahlt wird. Hierbei wird es leider etwas komplizierter. Bislang wurden die Atome als Ganzes betrachtet; nun müssen wir uns ein Atom jedoch ein wenig im Detail ansehen, bevor klar wird, warum ein erhitztes Atom Licht abstrahlen kann. Grob gesprochen bestehen Atome aus einem Atomkern und Elektronen, die diesen umkreisen. Man kann dies mit mit den die Sonne umkreisenden Planeten vergleichen. Der Unterschied ist, daß zu einem Atom gehörende Elektronen sich ausschließlich auf festgelegten Bahnen d.h. Energiezuständen um den Kern bewegen können, siehe  Bild 3: Atomaufbau Im Bild gezeigt ist das einfachste Metall, nämlich Lithium, das lediglich 3 Elektronen besitzt. Das Bild ist zweidimensional, so daß die möglichen Bahnen als Kreise um den Atomkern gezeichnet sind. In der Realität ist ein Atom dreidimensional, so daß die möglichen Bahnen um den Atomkern selbstverständlich ebenfalls dreidimensional sind und daher Kugeloberflächen bilden. Im Zusammenhang mit den Bahnen der Elektronen redet man im Fachjargon von Schalen. Beim Lithium bewegen sich 2 Elektronen auf der innersten Schale, die damit voll besetzt ist, d.h. kein weiteres Elektron mehr aufnehmen kann, um den Atomkern herum. Das 3. Elektron kreist daher auf der 2. Schale um den Atomkern. Elektronen sind immer negativ geladen und besitzen auch immer die absolut gleiche negative Ladung. Der Atomkern des Lithiums besteht aus mehreren Kernbestandteilen, auf die hier nicht näher eingegangen weden soll. Wichtig ist nur, daß er u.a. 3 Kernbausteine enthält, die positiv geladen sind und deren Ladung bis auf das Vorzeichen exakt der eines Elektrons entspricht (man nennt sie Protonen). Somit ist der Kern beim Lithium dreifach positiv geladen, womit es möglich ist, genau 3 Elektronen anzuziehen und auf ihren Bahnen zu halten. In einem Metallgitter gibt jedes Metallatom salopp gesprochen die Elektronen auf der äußersten Bahn in einen gemeinsamen Pool ab, das Lithium also genau eines. Dadurch bleibt bei jedem Lithiumatom ein einfach positiv geladener Atomrumpf zurück: 3 positiven Ladungen im Atomkern stehen 2 negative Ladungen (Elektronen) gegenüber. Weil gleichartige Ladungen sich abstoßen, würden sich diese Atomrümpfe abstoßen, wobei die Abstoßungskraft mit der Entfernung abnimmt. Die freien Elektronen, die sich ungeordnet zwischen den Atomrümpfen bewegen, sorgen durch die negative Ladung sozusagen als Kitt dafür, daß sich bei einem bestimmten Abstand der Atomrümpfe zueinander effektiv weder eine Abstoßung noch eine Anziehung wirkt. Bewegt sich aus irgendeinem Grund ein Atomrumpf von einem anderen weg, so überwiegt die anziehende Kraft, da nun mehr Platz zwischen den Atomrümpfen ist, den die freien Elektronen auch ausfüllen, so daß durch deren negative Ladung die Anziehungskraft überwiegt. Kommen sich die Atomrümpfe näher, ist dort weniger Platz vorhanden, so daß dort statistisch gesehen die Anzahl der Elektronen sinkt. Damit überwiegt die abstoßende Kraft durch die positiv geladenen Atomrümpfe. Die dadurch hervorgerufenen Anziehungs- und Abstoßungskräfte wirken wie die oben bildlich dargestellten Federn. Nun aber endlich zur Lichterzeugung: Bei Erwärmung schwingen die Atome mit großer Amplitude um eine Mittellage. Hierbei kommt es ab und zu vor, daß der Atomrumpf eines der Elektronen verliert, z.B. durch einen Volltreffer mit einem sich frei bewegenden Elektron. Sofort fängt sich der Atomrumpf entweder genau dieses oder aber ein anderes vorbeifliegendes freies Elektron ein, um seine Schale wieder zu vervollständigen. Dieses Elektron besitzt jedoch eine bestimmte Bewegungsenergie, die es hierbei abgeben muß, um abbremsen zu können. Ein Elektron kann aber nicht auf die Bremse treten und Bewegungsenergie infolge Reibung in Wärme umwandeln, da es im Atommaßstab keine Reibung gibt. Mal angenommen, Sie bewegen sich in einem Boot mit bestimmter Geschwindigkeit antriebslos durch einen See, wobei die Reibung einmal vernachlässigt werden soll. Ihre Fahrt können Sie verlangsamen, ohne mit einem Paddel o.ä. Reibung zu erzeugen, indem Sie in Fahrtrichtung mit möglichst hoher Geschwindigkeit massebehaftete Gegenstände wie z.B. Steine aus dem Boot werfen. Dadurch (man nennt das im Fachjargon Impuls) erzeugen Sie einen Rückstoß, der die Fahrt Wieviel Energie ein Elektron beim Einfangen abgeben muß, hängt davon ab, wieviel Bewegungsenergie dieses Elektron besitzt. Diese streut um einen bestimmten temperaturabhängigen Mittelwert, weil auch die Elektronen umso mehr Bewegungsenergie besitzen, je wärmer es ist. Somit ist die Wellenlänge der ausgesandten Photonen ebenfalls nicht gleich, sondern mit einer recht großen Streubreite behaftet, deren Mittelwert von der Temperatur abhängt. Im emittierten Licht sind somit alle möglichen Wellenlängen in unterschiedlicher Intensität enthalten, wobei das Maximum bei höherer Temperatur sich zu kürzeren Wellenlängen verschiebt und gleichzeitig eine höhere Intensität besitzt, wie dies in  Bild 4: Wellenlängeverteilung in Abhängigkeit von der Temperatur Das ausgesandte Licht von glühenden Gegenständen mit einer Temperatur von etwa Leider hat die deutsche Politik beschlossen (beschlossen deshalb, weil sie die entsprechende EU-Richtlinie leicht hätte blockieren können), mit dem völlig sinnfreien, stufenweise umgesetzten Herstellungs- und Importverbot herkömmlicher Glühlampen ab September 2009 die Welt retten zu wollen, obwohl es unstrittig ist, daß in Deutschland der Anteil der Beleuchtung am Gesamtstromverbrauch deutlich unter 10% mit weiter fallender Tendenz liegt, und der durch Glühlampen verursachte Stromverbrauch noch weitaus geringer ist. Für den überwiegenden Teil der Beleuchtung werden nämlich ohnehin schon Leuchtstofflampen oder Gasentladungslampen verwendet (Büros, Fabriken, Verkaufsräume etc.), und auch im privaten Bereich wurden in vielen Haushalten schon freiwillig und mit zunehmender Tendenz vor dem Stichtag Glühlampen durch Leuchtstofflampen, Energiesparlampen oder LED-Lampen ersetzt, wo dies sinnvoll war. Geradezu lächerlich ist es, daß zuerst matte Glühlampen verboten wurden, was nur bedeutet, daß man sich für Glühlampen im direkten Sichtbereich kreative lichtschluckende Lösungen ausdenken muß, um die durch die klaren Glühlampen verursachte Blendung zu verringern (man schaut direkt auf die helle Glühwendel, während sich der Lichtstrom einer matten Glühlampe auf die gesamte Lampenoberfläche verteilt, wodurch diese weit weniger blendet). Das reale Einsparpotential durch das Glühlampenverbot ist daher kaum der Rede wert und damit ähnlich hoch wie bei der Sommer-/Winterzeitumstellung. Es wurde zudem offenbar überhaupt nicht bedacht, daß bei weitem nicht jede Leuchte mit einer Energiesparlampe ausgestattet werden kann, was nach dem Willen der Politik eine Menge Schrott produzieren wird und aus ökologischer Sicht ein genauso großer Unfug ist wie die im Jahr 2009 gezahlte Abwrackprämie für Autos, die dazu führte, daß zum großen Teil voll funktionsfähige Autos in die Presse gefahren wurden. Wenn Sie sich nicht rechtzeitig mit Glühlampen eingedeckt haben und Ersatz benötigen, hilft langfristig nur noch der private Import aus dem Non-EU-Ausland, welches den europäischen Unsinn glücklicherweise nicht mitmacht. HalogenlampenHalogenlampen sind grundsätzlich genauso aufgebaut wie ganz normale Glühlampen. Die Temperatur der Glühwendel ist jedoch um einige hundert Grad höher. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad, also die Helligkeit bei gleicher Leistung, beträchtlich. Normalerweise hätte eine solche Glühlampe aber nur eine kurze Lebensdauer, weil mit der höheren Temperatur das Wolfram deutlich schneller abdampft. Dadurch würde sich die Temperatur der Glühwendel an einigen dünnen Stellen (dort ist die Temperatur höher als an dicken) innerhalb weniger Stunden dem Schmelzpunkt nähern, so daß sie durchbrennt. Bild 5: Halogenlampe Das Abdampfen kann man leider nicht verhindern, aber mit einem Trick kann man das abgedampfte Material wieder an der Wendel anlagern. Dies erreicht man durch Zusatz von Halogenen (vor allem Brom und Jod): Das abgedampfte Wolfram verbindet sich mit den Halogenen zu Wolframhalogenid, das bei Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius gasförmig ist. An der Glühwendel mit seiner Temperatur von etwa 2600 bis Dieser Kreislaufprozeß kann nur dann funktionieren, wenn sich das Wolframhalogenid nicht am kühlen Glas der Lampe niederschlagen kann. Dies verhindert man dadurch, daß der Glaskolben extrem klein ist, wodurch er sich durch seine Nähe zur heißen Glühwendel schnell auf eine ausreichend hohe Temperatur aufheizen kann. Selbstverständlich ist die Lebensdauer dadurch nicht unbegrenzt hoch. Denn das Wolfram scheidet sich nicht absolut gleichmäßig ab, wodurch mit der Zeit Stellen bilden, die geringfügig dünner und damit heißer als die restliche Wendel sind. Irgendwann ist an einer dieser Stellen die Schmelztemperatur erreicht, und die Glühwendel brennt durch. Bei 230-Volt-Halogenlampen zündet in diesem Moment oft ein Lichtbogen. Der im ersten Moment sehr kurze Lichtbogen ist sehr heiß, wodurch sehr schnell noch mehr Wolfram schmilzt. Da der ohmsche Widerstand des länger werdenden Lichtbogens viel geringer ist als derjenige der Wendel, nimmt der Strom schlagartig zu. Wenn der Lichtbogen aufgrund des größer werdenden Abstands nicht von selbst verlischt, muß oft genug die Sicherung der Hausinstallation das böse Spiel beenden. Bei Niedervoltlampen begrenzt normalerweise der Transformator den Strom, wodurch der Lichtbogen meistens von selbst verlöscht. Leider kommt es in seltenen Fällen vor, daß die Lampe explodiert und heiße Bruchstücke durch die Gegend fliegen, die Brände verursachen können. Deshalb sind Rückhaltesysteme für solche Bruchstücke absolut kein Luxus. Gute Halogenlampensysteme sind daher immer mit einem Schutzglas o.ä. ausgestattet. Bei 12-Volt-Systemen werden neben normalen Reflektorlampen auch solche mit eingebauter Sicherheitsscheibe für wenig mehr Geld angeboten. Diese sollten Sie unbedingt bevorzugen, wenn die Leuchte selbst, wie man es leider oft sieht, keine Schutzscheibe besitzt. Der Wirkungsgrad ist nur wenig höher als bei konventionellen Glühlampen und auch das ausgesandte Spektrum ist etwas weniger rotlastig. Niederspannungs-Halogenlampen können maximal ca. Halogenlampen sind vom EU-weiten Glühlampenverbot augenblicklich noch nicht direkt betroffen, aber auch sie sollen ab 2016 verschwinden. Also kann auch hier der Rat nur lauten, sich bis dahin einen ausreichenden Vorrat anzulegen oder zu gegebener Zeit passende Halogenlampen aus dem Non-EU-Ausland, das den europäischen Unsinn nicht unterstützt, zu importieren. LichtbogenlampenLichtbogenlampen sind eine sehr alte Technik. Sie bestehen lediglich aus zwei Elektroden (meistens aus Graphit), die sich zum Zweck der Zündung kurz berühren bzw. so nahe kommen müssen, daß ein Funke überspringt (es ist stattdessen auch eine Hochspannungszündung möglich). Dadurch kommt ein Stromfluß in Gange, der auch dann nicht abreißt, wenn man die beiden Elektroden ein wenig auseinanderzieht. Vielmehr bildet sich ein elektrisch gut leitender Plasmaschlauch aus, also die dauerhafte Version einer Funkens. Dieses Plasma ist sehr heiß und strahlt daher sehr helles, sonnenlichtähnliches Licht ab. Eine Lichtbogenlampe ist daher eine Gasentladungslampe, die bei Umgebungsdruck und mit Luft als Leuchtgas arbeitet. Gleichzeitig ist sie eine thermische Lampe, weil der lichtaussendende Plasmaschlauch sehr heiß ist. Ein nicht unerheblicher Lichtanteil stammt zusätzlich von den zur Weißglut erhitzten Elektroden. Bild 6: Aufbau einer Lichtbogenlampe Sehr nachteilig ist der hohe Abbrand der Elektroden, so daß nicht nur der Abstand zwischen ihnen im Betrieb nachgeführt werden muß, sondern zusätzlich ein häufiges Auswechseln erforderlich ist. Er ist dadurch bedingt, daß das Material der Luft ausgesetzt ist und durch den Luftsauerstoff oxidiert sprich langsam verbrennt. Aus diesem Grund ist dieser Lampentyp in dieser Form außer bei einigen speziellen Anwendungen so gut wie ausgestorben. In moderner Form (siehe Metalldampfhochdrucklampen) sind Lichtbogenlampen jedoch weit verbreitet. Metalldampf-HochdrucklampenMetalldampflampen werden als Niederdruck- und als Hochdrucklampen angeboten. Niederdrucklampen Neonlampen Leuchtstofflampen).Die Bauform von Hochdrucklampen ist im Vergleich zu Niederdrucklampen gleicher Leistung viel kleiner. Durch die Verwendung von Metallen mit niedriger Schmelztemperatur und vor allem niedriger Ionisierungsenergie wie z.B. Quecksilber oder Natrium sorgt man dafür, daß die Temperatur der Elektroden so niedrig sein kann, daß sie sich nicht nennenswert infolge Abbrands abnutzen. Zudem sind sie nicht dem Luftsauerstoff ausgesetzt, sodaß die Hauptursache für den großen Elektrodenverschleiß der Lichtbogenlampen wegfällt. Die ionisierten Metallatome zwischen den Elektroden strahlen dabei in einem bestimmten Bereich ein mehr oder weniger kontinuierliches Spektrum ab. Hinzu kommt der Effekt, der auch in Niederdrucklampen auftritt, nämlich daß die Atome zur Emission eines Linienspektrums angeregt werden. Das Emissionsspektrum sieht daher aus wie die Überlagerung eines kontinuierlichen Spektrums mit einem Linienspektrum. Der Wirkungsgrad von Metalldampf-Hochdrucklampen liegt unter dem von Niederdrucklampen und übertrifft wirkungsgradstarke Leuchtstofflampen nicht oder nur wenig. Das emittierte Licht ähnelt jedoch bei bestimmten Lampentypen mehr oder minder gut dem Sonnenlicht. Zum Einsatz kommen sie vielerorts, z.B. in Warenhäusern und Stadien. Natriumdampf-Hochdrucklampen senden hingegen hauptsächlich ein gelbliches Licht um ca. Edelgas-HochdrucklampenEdelgas-Hochdrucklampen sind genauso aufgebaut wie Metalldampf-Hochdrucklampen. Sie sind jedoch mit Edelgas unter hohem Druck gefüllt. Vorzugsweise kommt Xenon zum Einsatz, das sonnenlichtähnliches Licht ausstrahlt. Weithin bekannt geworden sind sie vor allem durch den Einsatz in Kraftfahrzeugen, anfänglich vorzugsweise teuren Modellen. Sie benötigen wie auch die Metalldampf-Hochdrucklampen ein Vorschaltgerät zum Zünden und zur Strombegrenzung. Heutzutage wurden sie in Kraftfahrzeugen weitgehend durch LED-Lampen ersetzt.  Bild 7: Xenon-Hochdrucklampe | ||||||||||||||||||
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