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Allgemeines

Die Glühlampe

Die Glühlampe, die auch unter den Namen Glühfadenlampe, Glühlicht oder auch Glühbirne bekannt ist, ist eine künstliche Lichtquelle, in der ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten gebracht wird.

Aufbau der Glühlampe

Die Glühlampe besteht aus einem Befestigungssockel einschließlich der elektrischen Stromzuführungen und einem Glaskolben, der den Glühfaden und dessen Halterung vor der Außenumgebung abschirmt. Glühfaden: Doppelwendel einer 200 Watt Glühlampe mit Stromzuführung und zwei stromlosen Haltedrähten in der Mitte. Die ersten Glühlampen um 1840 hatten Glühfäden aus Platin. Erst bei Temperaturen von knapp unter dem Schmelzpunkt erzielte man mit Platin eine akzeptable Lichtausbeute. Die exakte Temperatursteuerung für haltbare Glühfäden erwies sich als zu schwierig. Die ersten kommerziell hergestellten Glühlampen enthielten einen Faden aus Kohle. Der Herstellungsprozess ist wesentlich komplizierter als die Herstellung der Fäden aus Platin. Der Betrieb von Kohlefäden erfordert eine höhere Vakuumqualität im Glaskolben. Kohlefadenlampen sind heute noch erhältlich. Das leicht rötliche Licht und das sanfte Ansteigen der Helligkeit beim Einschalten wird oft als angenehm empfunden. Bei der um 1900 gebräuchlichen Nernstlampe wurde der Ionenleiter Zirkoniumoxid verwendet. Später wurden Tantal oder Osmium verwendet, heute kommen fast ausschließlich Drahtwendeln aus Wolfram zum Einsatz. Alle in Frage kommenden Materialien sind aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur und ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten. Der Draht ist oft doppelt gewendelt, um durch eine kleine Langmuirschicht die Wärmekonvektion zu begrenzen. Glaskolben: In normaler Umgebungsluft würde der Glühfaden sofort zu Wolframoxidpulver verbrennen. Er wird deshalb durch den Glaskolben dicht verschlossen und von der Luft abgeschirmt. Da während des Betriebs ständig Metall vom Glühfaden abdampft, richtet sich die Größe des Kolbens nach der Sublimationsrate des Drahtes. Konventionelle Glühlampen und Glühlampen mit hoher Leistung benötigen einen großen Glaskolben, so dass sich der Niederschlag auf einer größeren Fläche verteilen kann und die Transparenz während der Lebensdauer der Lampe nicht zu sehr einschränkt. Schutzgas: Früher wurde der Glaskolben evakuiert. Heute sind die Glühlampen mit einem Schutzgas gefüllt. Das vereinfacht die Herstellung und reduziert die Sublimationsrate. Die bei einer Gasfüllung auftretenden Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion begrenzt man durch die Wahl von möglichst schweren Inertgasmolekülen oder -atomen. Stickstoff-Argon Gemische sind ein Zugeständnis an die Herstellungskosten. Teure Glühlampen enthalten Krypton oder Xenon.

Funktion

In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter (Glühfaden bzw. Glühwendel) durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Die aufgenommene elektrische Leistung wird jedoch nur zum Teil in Form elektromagnetischer Strahlung (hauptsächlich Infrarot, sichtbares Licht sowie sehr wenig Ultraviolett) abgestrahlt. Ein Teil wird über Wärmeleitung und -konvektion an Füllgas und Glaskolben sowie über Wärmeleitung an die Zuleitungs- und Haltedrähte der Glühwendel abgegeben. Der Glühfaden strahlt mit einer Wellenlängenverteilung entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz. Das Strahlungsmaximum der Strahlung verschiebt sich mit steigender Temperatur gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz zu kleineren Wellenlängen hin. Um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erhalten und auch, damit das Licht möglichst natürlich „weiß“ erscheint, strebt man danach, das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu verschieben. Die Höchsttemperatur wird allerdings durch die Eigenschaften des Glühfadenmaterials begrenzt.
(Text stammt teilweise aus der freien Enzyklopädie Wikipedia)

Um möglichst hohe Temperaturen zu ermöglichen, verwendet man heute für Glühfäden das hoch schmelzende Metall Wolfram (Schmelztemperatur (3422 ± 15 °C), früher auch Osmium oder Kohle. Allerdings lässt sich auch mit diesem Material die für tageslichtähnliches Licht wünschenswerte Farbtemperatur von etwa 6200 K nicht erreichen, da Wolfram bei dieser Temperatur bereits gasförmig (Siedetemperatur 5660 °C) ist. Selbst wenn dies gelänge, betrüge die Lichtausbeute aufgrund des breiten emittierten Wellenlängenbandes nur weniger als 15%. Bei den praktisch in Glühlampen erreichbaren Temperaturen von etwa 2300 bis 2900 °C erreicht man kein Tageslicht und auch kein weißes Licht. Glühlampenlicht ist daher immer deutlich gelb-rötlicher als weißes oder Tageslicht. An diese typische Farbtemperatur von Glühlampen werden auch andere Lichtquellen für Wohnräume (z. B. Energiesparlampen und Leuchtstofflampen) angeglichen, sie wird hier als „Warmton“ bezeichnet.

Lichtausbeute und Lebensdauer

Nahezu die gesamte der Lampe zugeführten Energie wird in Strahlung umgesetzt. Die Verluste durch Wärmeleitung und -konvektion sind gering, aber nur ein kleiner Wellenlängenbereich der Strahlung ist für das menschliche Auge sichtbar. Der Hauptanteil der Strahlung liegt im unsichtbaren Infrarotbereich und wird als Wärme wahrgenommen. Die Lichtausbeute erreicht bei einer Glühfadentemperatur von ca. 3400 K einen Anteil von max. 5 %. Praktisch erreichbare Temperaturen liegen bei 2700 K und einem Lichtanteil von 3 %. Eine Glühlampe erreicht eine Lichtausbeute von etwa 12-15 Lumen pro Watt. Mit steigender Temperatur nimmt die Lichtausbeute zu, aber die Brenndauer fällt drastisch ab. Bei 2700 K erreichen konventionelle Glühlampen eine Standzeit von ca. 1000 Stunden, bei 3400 K nur noch wenigen Stunden. Wenn man die Betriebsspannung um 20 % erhört, verdoppelt sich die Helligkeit. Aber gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer um 95 %. Eine Halbierung der Nominalspannung verringert demnach zwar den Wirkungsgrad, verlängert aber die Lebensdauer um mehr als das Tausendfache. Die Lebensdauer der Glühlampe wird weniger durch das gleichmäßige Abdampfen von Wendelmaterial während des Betriebs begrenzt, als durch entstehende Inhomogenitäten im Glühfaden. Der geringe Widerstand der kalten Glühwendel hat einen hohen Einschaltstrom zur Folge, der zu schnellerer und extremer Erwärmung der Wendel entlang besonders dünner, durch ungleichmäßiges Abdampfen entstandener Stellen führen kann. Diese werden dann noch dünner und schmelzen oder verdampfen schließlich, wodurch eine Unterbrechung oder sogar eine Bogenentladung im Füllgas entsteht. Der hohe Einschaltstrom von Metalldrahtglühlampen belastet außerdem die Zuleitungen zur Glühwendel. Elektronische Vorschaltgeräte zur Strombegrenzung für Glühlampen werden bisher selten eingesetzt.