Allgemeines

Glühlampen

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:
 
 

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.

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.
 

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 (man nennt sie Protonen) enthält, die positiv geladen sind, deren Ladung aber bis auf das Vorzeichen exakt der eines Elektrons entspricht. 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.

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 verlangsamt - ggf. bis zum Stillstand bzw. bis zur Umkehr der Fahrtrichtung. Genau dies macht das Elektron auch, nur daß ein Elektron natürlich keine Steine griffbereit hat, sondern sich anderer Elementarteilchen bedienen muß. In diesem Fall bieten sich Lichtquanten an, die mit beliebiger Energie erzeugbar sind. Da im Atommaßstab Energie verlustfrei von einer Form in eine andere und sogar in Masse umgewandelt werden kann, formt das Elektron aus der überschüssigen Energie ein Photon, und wirft es zum Abbremsen nach vorne. Die Wellenlänge dieses Lichtquants ist von der Höhe der Energie abhängig: Je höher die Energie desto kürzer die Wellenlänge.

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 dargestellt ist.
 
 

Das ausgesandte Licht von glühenden Gegenständen mit einer Temperatur von etwa 3000 °C besitzt einen hohen Rot- und Infrarotanteil, während grünes und vor allem blaues Licht nur eine geringe bzw. sehr geringe Intensität besitzen. Das Auge empfindet dieses Licht aufgrund des "warmen" d.h. rötlichen Farbtons als gemütlich. Für Pflanzen ist dieses Licht aufgrund des hohen Rotanteils als Hauptlichtquelle absolut ungeeignet (Vergeilungsgefahr). Der Wirkungsgrad ist mit 1 bis 2 % sehr gering. Die Sonne wirkt übrigens ebenfalls als Temperaturstrahler, wobei ihre Temperatur mit ca. 6500 K entsprechend 6200 °C jedoch deutlich höher als der von Glühlampen ist, was sich in einem erheblich höheren Anteil an blauem Licht äußert.
 
 

Halogenlampen

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 2900 °C(=2900-3200 K) zerfällt es in Wolfram, das sich an der Wendel abscheidet, und freies Halogen - ein Kreislaufprozeß also, bei dem die Glühwendel immer wieder regeneriert wird.

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 nur etwas weniger rotlastig. Aufgrund der vor allem bei Niedervoltlampen meistens punktförmigen Lichtaussendung und der oft eingesetzten Reflektortechnik blenden Halogenlampen sehr leicht und werden daher nicht selten als ungemütlich empfunden. Eine Ausnahme sind die Deckenfluter, die dank der indirekten Lichtabstrahlung für eine angenehme Grundhelligkeit sorgen.
 
 

Lichtbogenlampen

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. 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-Hochdrucklampen

Die Bauform von Hochdrucklampen ist im Vergleich zu Gasentladungs- und Niederdrucklampen viel kleiner. Es handelt sich hierbei eher um eine Lichtbogenlampe als eine Gasentladungslampe, wenngleich beide Effekte immer zusammen auftreten. 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. Die ionisierten Metallatome zwischen den Elektroden strahlen dabei in einem bestimmten Bereich ein kontinuierliches Spektrum ab. Hinzu kommt der Effekt, der auch in Niederdrucklampen auftritt, nämlich daß die Atome zur Emission eines Linienspektrums angeregt werden.

Der Wirkungsgrad von Hochdruck-Metalldampflampen liegt unter dem von Niederdrucklampen und übertrifft wirkungsgradstarke Leuchtstofflampen nicht oder nur wenig. Das emittierte Licht ähnelt jedoch je nach Lampentyp mehr oder minder gut dem Sonnenlicht. Zum Einsatz kommt es vielerorts, z.B. in Warenhäusern und Stadien. Nachteilig ist, daß spezielle Vorschalt- und Zündgeräte erforderlich sind und daß es nach dem Einschalten etliche Minuten dauert, bis die maximale Helligkeit erreicht wird. Ein großer Nachteil ist, daß diese Art von Lampen ziemlich warm wird.
 
 

Edelgas-Hochdrucklampen