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Ausblick

Glühlampe

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei einer Glühlampe erhitzt sich durch Stromfluss eine Glühwendel so stark, dass diese leuchtet.
  • Zum Schutz vorm Durchbrennen befindet sich die Glühwendel in einem Glaskolben mit einem speziellem Gasgemisch.
  • Nur \(5\%\) der zugeführten Leistung werden bei der Glühlampe zu Licht, der Großteil erwärmt die Umgebung der Lampe.

Aufbau der Glühlampe

CC0/Stefan Richtberg
Abb. 1 Aufbau einer Glühlampe

In einer Glühlampe wird die Glühwendel, meist ein speziell gewickelter Wolframdraht, durch einen hindurchfließenden elektrischen Strom zum Glühen gebracht. Die Glühwendel sendet somit Licht aus (Lichtemission).

In Abb. 1 ist der Aufbau einer Glühlampe dargestellt. Der Strom wird über den Sockelkontakt und den Fußkontakt zur Glühwendel geführt. Im Betrieb erreicht die Glühwendel Temperaturen von \(2\,500^\circ {\rm{C}}\) bis \(3\,000^\circ {\rm{C}}\). Der Glaskolben, der die Glühwendel umgibt ist mit einem speziellen Gas, einem Edelgas-Stickstoff-Gemisch, gefüllt, das dafür sorgt, dass die Glühwendel nicht durchbrennt.

Bei einer Glühlampe werden jedoch nur etwa \(5\%\) der zugeführten elektrischen Leistung in Lichtleistung umgewandelt, die restlichen \(95\%\) erwärmen die Umgebung der Lampe. Die Lichtausbeute der Glühlampe beträgt je nach Größe und Bauart etwa \(8\,\frac{{{\rm{lm}}}}{{\rm{W}}}\) bis \(20\,\frac{{{\rm{lm}}}}{{\rm{W}}}\) (\(\rm{lm}\): Lumen, Einheit des Lichtstroms). Die Lebensdauer der üblichen Glühlampen beträgt etwa \(1\,000\) Stunden.

Wendel und Doppelwendel

Abb. 2 Aufnahme eines einfachen (links) und eines doppelt (rechts) gewendelten Wolframglühfadens.

In Abb. 2 kannst du erkennen, dass der Wolframdraht einer Glühlampe gewendelt ist (linkes Bild), manchmal ist die Wendel sogar nochmal zu einer Doppelwendel (rechtes Bild) nochmal gewendelt. Dies hat zwei Gründe:

Man muss die ganze Länge von etwa \(1{,}0\,\rm{m}\) des ca. \(0{,}030\,\rm{mm}\) Durchmesser dicken Wolframdrahtes im Lampenkolben unterbringen.

Damit die im Draht entstehende und zur Erreichung der hohen Glühtemperatur notwendige Wärme nicht zu schnell nach außen als Verlustwärme abtransportiert wird, hält man die Drähte möglichst eng zusammen, damit sie sich gegenseitig wärmen.

Durchbrennen einer Glühwendel

Das Durchbrennen der Glühwendel ist eine Oxidation, d.h. eine chemische Reaktion des Drahtes mit dem Luftsauerstoff. Die Oxidationsreaktionen benötigen eine Mindesttemperatur. Für den Metalldraht ist diese Temperatur überschritten, wenn er orange glüht. Dann oxidiert er sehr rasch mit dem Luftsauerstoff - er "verbrennt" einfach.

Dasselbe passiert mit dem Wolframglühfaden einer Glühlampe, wenn er mit Sauerstoff in Berührung kommt.

Gasfüllung gegen das Durchbrennen

Der Glühfaden in den Glühlampen wird 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.

Pumpt man den Glaskolben luftleer, so geht die Glühlampe trotzdem schnell kaputt, weil das Metall des heißen Glühfadens langsam verdampft. Bei der nahe des Schmelzpunktes des Drahtmaterials befindlichen Temperatur des weiß glühenden Glühfadens können einzelne Atome aus der Drahtoberfläche austreten. Einzelne Atome schlagen sich zum Teil an der Innenseite des Glaskolben als dünne, dunkle Schicht nieder. Dadurch wird der Draht aber immer dünner und reißt dann an einer Stelle durch. Die Foto-Animation des Südwestdeutschen Rundfunks zeigt den Verdampfungsvorgang am Glühdraht.

Befindet sich ein Gas mit einem gewissen Druck um den Draht herum, wird das Austreten der Metallatome aus der Drahtoberfläche gehemmt und die Verdampfung ist geringer. Heute verwendet man Edelgase mit etwas erhöhtem Druck mit einem Stickstoffzusatz (z.B. Argon mit rund \(10\%\) Stickstoff).

Lebensdauer

Abb. 6 Lebensdauer und Helligkeit in Abhängigkeit von der Betriebsspannung

In der heutigen Bauweise sind Glühlampen für eine Lebensdauer von 1000 Stunden ausgelegt. Dies ist ein Kompromiss, da man sich zwischen niedriger Temperatur - also geringerer Lichtausbeute und langer Lebensdauer - oder höherer Temperatur - also größerer Lichtausbeute aber kürzerer Lebensdauer - entscheiden muss.

Der Zusammenhang zwischen Lichtausbeute (Helligkeit bzw. Lichtstrom), Lebensdauer und Betriebsspannung einer Glühlampe ist in Abb. 6 dargestellt. Eine nur leicht reduzierte Betriebsspannung für zwar zu einer etwas geringeren Helligkeit der Lampe, aber zu einer stark gesteigerten Lebensdauer.

Verständnisaufgabe

Bei Tageslichtprojektoren gibt es meist eine Sparschaltung und eine Hellschaltung. Bei der Sparschaltung wird die Betriebsspannung um etwa \(10\,\%\) gegenüber der normalen Hellschaltung mit \(100\,\%\) Betriebsspannung abgesenkt.

Untersuche mit Hilfe des Diagramms in Abb. 6, welche Erhöhung der Lebensdauer der Lampe sich daraus ergibt und um wie viel Prozent die Lichtausbeute sinkt.

Lösung

Abb. 7 Lebensdauer und Helligkeit der Glühlampe bei \(90\%\) Betriebsspannung

Bei einer Reduzierung der Betriebsspannung um \(10\,\%\) (blaue senkrechte Linie in Abb. 7) steigt die Lebensdauer der Lampe auf etwas mehr als \(400\,\%\). Die Lebenserwartung der Lampen wird also mehr als vervierfacht.

Die Lichtausbeute (Helligkeit bzw. Lichtstrom) sinkt hingegen nur auf etwa \(70\,\%\). Sie verringert sich also etwa um \(30\,\%\).

Halogenlampen

Joachim Herz Stiftung
Abb. 8 Niedervolt-Halogenlampe

Die Halogenlampe (Abb. 8) ist eine Weiterentwicklung der Glühlampe, wobei ein Wolframglühfaden benutzt wird und das Füllgas einen Halogenzusatz (Halogene sind Jod, Brom Chlor etc.) aufweist. Der Glaskolben wird sehr klein ausgeführt und besteht aus Quarz- oder Hartglas. Die ersten 1958 hergestellten Halogenglühlampen enthielten Jod. Später ging man zu chemisch weniger aggressiven und farblosen Bromverbindungen über wie z.B. Brommethan (\({\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{Br}}\)), die eine maschinelle Fertigung erlaubten. Die im Betrieb von der Wendel abdampfenden Wolframatome verbinden sich in den kühleren Zonen in Kolbennähe mit dem Brom, das bei dieser Temperatur aus der Bromverbindung freigesetzt wird. Das Wolframbromid schlägt sich bei den hohen Kolbentemperaturen von über \(250^\circ {\rm{C}}\) nicht auf der Wand nieder, sondern bleibt gasförmig. Aus diesem Grund wird der Glaskolben klein gehalten. In Wendelnähe zerlegt sich die Wolframverbindung wieder zu atomaren Wolfram, das sich an die heißesten (und damit dünnsten) Stellen des Wolframdrahtes anlegt und zu Brom, das sich wieder zu Brommethan verbindet. So entsteht ein Kreislaufprozess, der keine Kolbenschwärzung durch Wolframablagerungen aufkommen lässt und die Wendel an ihren Schwachstellen wieder regeneriert. Man kann deshalb mit höheren Temperaturen des Glühfadens im Vergleich zu normalen Glühlampen arbeiten, wodurch sich hohe Lichtausbeuten ergeben. Halogenlampen haben lange Lebensdauer, konstanten Lichtstrom während der ganzen Lebensdauer und sehr kleine Abmessungen.