Lichtquellen

Die Sonne - unsere wichtigste Lichtquelle

Die Sonne ist nicht nur die wichtigste Energiequelle, die Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglicht. Es ist auch unsere wichtigste natürliche Lichtquelle . Energiequelle für die Sonnenenergie ist die Kernfusion, die im Inneren der Sonne vor sich geht und bei der in jeder Sekunde 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium verschmelzen. Der Massendefekt je Sekunde beträgt somit 4,2 Millionen Tonnen. Das entspricht nach der einsteinschen Masse-Energie-Beziehung

$E=m\cdot c^2$
einer Energie von $\mathrm{3,8}\cdot {10}^{26}\text{Joule}\text{.}$
Die je Zeiteinheit von der Sonne abgestrahlte Energie wird als ihre Leuchtkraft bezeichnet. Diese Strahlungsleistung wird ständig an den umgebenden Weltraum abgegeben. Der Anteil der Strahlungsleistung, der die Erde erreicht, beträgt etwa ${10}^{17}\text{W}\text{.}$
Bezieht man die Strahlungsleistung auf eine Fläche von einem Quadratmeter und setzt senkrechten Einfall voraus, dann ergibt sich für die Erdentfernung, dass diese Strahlungsleistung einen Wert von
$S=\mathrm{1,366}\frac{\text{kW}}{{\text{m}}^{\text{2}}}$ hat. Diese Größe wird als Solarkonstante bezeichnet. Dabei ist zu beachten: Es ist der Wert, der in Erdentfernung festzustellen ist. Auf der Erdoberfläche ist dieser Wert durch den Einfluss der Erdatmosphäre kleiner. So beträgt z.B. die am Erdboden registrierte mittlere Strahlungsenergie pro Jahr und Quadratmeter in Norddeutschland etwa 1000 kWh und in Süddeutschland mindestens 1200 kWh. Das sind nur ca. 10% des Wertes, den man erhalten würde, wenn man mit der Solarkonstanten rechnet.
Der Anteil des sichtbaren Lichtes an der Sonnenstrahlung beträgt 48%, der Infrarotstrahlung 38%, der ultravioletten Strahlung 6,8% und der übrigen kurzwelligen oder langwelligen Strahlung 7,2%.

Mögliche Einteilung von Lichtquellen

Lichtquellen können verschiedene geometrische Eigenschaften aufweisen und danach auch eingeteilt werden. Im einfachsten Fall sind sie nahezu punktförmig. Exakt punktförmige Lichtquellen sind Modellvorstellungen, die in der Natur nicht vorkommen. Wenn man sich aber weit genug von einer Lichtquelle entfernt hat, dann kann man sie immer als punktförmig ansehen. Ein Beispiel hierfür sind Sterne. Unsere Sonne ist auch ein Stern, doch weil wir uns relativ nahe an ihr befinden, nehmen wir sie als ausgedehnte Lichtquelle wahr. Alle anderen Sterne sehen wir nachts nur als leuchtende Punkte, obgleich sie ähnliche Abmessungen wie die Sonne haben. Sie sind aber wesentlich weiter als die Sonne von uns entfernt.
Lichtquellen, die das Licht von einer großen Oberfläche abgeben, bezeichnet man auch als Flächenstrahler.

Eine Einteilung von Lichtquellen ist auch nach der Art der Lichterzeugung möglich. Viele Strahlungsquellen senden aufgrund ihrer hohen Temperatur Licht im sichtbaren Bereich aus. Man könnte solche Lichtquellen wie Glühlampen oder Halogenlampen, aber auch die Sonne, als Temperaturstrahler bezeichnen. Kaltes Licht kann durch chemische Prozesse erzeugt werden, so wie das bei manchen Tieren, z.B. Glühwürmchen, der Fall ist. Eine Reihe von Lichtquellen beruht auf atomaren Vorgängen in Gasen. Man bezeichnet sie mit dem Oberbegriff Gasentladungslampen . Dazu gehören z.B. Leuchtstoffröhren, Leuchtröhren oder Glimmlampen. Auch atomare Vorgänge in Halbleitern können zur Aussendung von Licht führen. Das wird bei Leuchtdioden (Lichtemitterdioden, LED) genutzt. Zu Gasentladungslampen und Leuchtdioden (LED) sind auf der CD gesonderte Beiträge enthalten. Wir gehen nachfolgend auf die historisch wichtigen Glühlampen und auf Halogenlampen ein.

Glühlampen

Glühlampen sind nach wie vor die am weitesten verbreiteten elektrischen Lichtquellen, die vor allem zur Beleuchtung von Räumen und Arbeitsplätzen sowie zur Fahrzeugbeleuchtung dienen. Sie werden z.B. auch bei Taschenlampen und Ampeln eingesetzt. Genutzt wird bei Glühlampen die Lichtwirkung des elektrischen Stromes bei Stromfluss durch metallische Leiter.

Aufbau und Wirkungsweise von Glühlampen

Die wichtigsten Teile einer Glühlampe sind ein Glühdraht ( Glühwendel ) mit einer Stromzuführung, der Sockel zum Anschluss an das Stromnetz über eine Fassung und der Glaskolben (Bild 2).
Dieser Glaskolben dient nicht nur dem Schutz des Glühdrahtes. Innerhalb des Glaskolbens befindet sich ein Gasgemisch aus Argon und Stickstoff, das ein schnelles Verdampfen des Glühdrahtes verhindern soll. Als Glühdraht wird ausschließlich Wolfram verwendet, das mit 3.380 °C einen hohen Schmelzpunkt hat und auch bei hohen Temperaturen nur langsam verdampft.
Fließt elektrischer Strom durch eine Glühlampe, so erhitzt sich durch den Stromfluss der Glühdraht sehr schnell auf eine Temperatur von etwa
2.600 °C. Dieser glühende Metalldraht sendet ein helles Licht aus. Es wird also elektrische Energie in Licht und Wärme umgewandelt, wobei diese Wärmewirkung bei normalen Glühlampen eine unerwünschte, aber nicht vermeidbare Erscheinung ist.

Historische Entwicklung von Glühlampen

Die ersten Glühlampen wurden von dem Deutschen HEINRICH GOEBEL (1818-1893) um 1854, dem Russen ALEXANDER LODYGIN (1847-1923) und dem amerikanischen Erfinder THOMAS ALVA EDISON (1847-1931) entwickelt. Genutzt wurden zunächst Kohlefäden aus Holz- und Pflanzenfasern, die aber nicht sehr haltbar waren.
Wesentlichen Anteil an der technischen Vervollkommnung der Glühlampe hatte EDISON, der den heute noch üblichen Schraubsockel einführte und die Kohlefadenlampe so verbesserte, dass es um 1880 die ersten wirklich brauchbaren Glühlampen gab. Entscheidende Fortschritte wurden erreicht, als es 1914 gelang, Wolframdraht zu Glühwendeln zu verarbeiten. Kurze Zeit später wurde auch die Gasfüllung eingeführt. Weitere Fortschritte wurden durch die Einführung von Doppelwendeln erzielt.
Einen wesentlichen Mangel hatten aber alle diese Glühlampen: Das Wolfram des Glühdrahtes verdampft allmählich und färbt den Glaskolben dunkel. Ab 1960 wurden Halogenlampen entwickelt, die diesen Mangel nicht mehr haben (siehe unten).

Wirkungsgrad und Lebensdauer von Glühlampen

Einen entscheidenden Nachteil haben aber auch moderne Glühlampen: Ihr Wirkungsgrad ist mit ca. 5 % sehr niedrig. Von der zugeführten elektrischen Energie werden also nur 5 % in Licht und die restlichen 95 % in meist unerwünschte Wärme umgewandelt. Wesentliche Fortschritte wurden hier durch Leuchtstofflampen (Energiesparlampen) erzielt, die etwa den fünffachen Wirkungsgrad haben. Die durchschnittliche Lebensdauer von Glühlampen liegt bei etwa 1 000 Betriebsstunden. Dann ist so viel Wolfram des Glühdrahtes verdampft, dass der Glühdraht durchbrennt.

Bauformen von Glühlampen

Glühlampen gibt es je nach Verwendungszweck in sehr unterschiedlichen Bauformen, mit verschiedenen Betriebsspannungen und Leistungen.
Im Haushalt werden für die Beleuchtung von Räumen Glühlampen mit einer Betriebsspannung von 230 V und Leistungen von 25 W, 40 W, 60 W, 75 W und 100 W verwendet.
Bei Fahrzeugen mit 12-V-Bordnetz nutzt man Glühlampen mit
55 W - 60 W (Hauptscheinwerfer), 21 W (Bremsleuchten, Rücklichter) und 5 W (Blinker).
Für Videoleuchten und Diaprojektoren verwendet man meist Halogenlampen mit Betriebsspannungen zwischen 12 V und 230 V und Leistungen von 50 W bis 200 W.
Für Taschenlampen sind Glühlampen mit Betriebsspannungen zwischen 1,5 V und 6 V erforderlich. Die Leistungen liegen bei 1 W bis 5 W.
Eine besondere Bauform sind Infrarotlampen, bei denen es nicht vorrangig die Lichtwirkung, sondern die Wärmewirkung des elektrischen Stromes genutzt wird. Eine geringere Lichtwirkung erreicht man durch eine niedrigere Temperatur des Glühdrahtes.

Halogenlampen

Halogenlampen arbeiten wie Glühlampen, aber bei relativ hohen Betriebstemperaturen, und besitzen daher eine sehr gute Lichtausbeute. Durch eine Gasfüllung wird verhindert, dass der Glühfaden zu schnell bricht oder durchbrennt. Da sie meist mit relativ niedrigen Spannungen und vergleichsweise hohen Stromstärken betrieben werden, benötigt man zum Anschluss von Halogenlampen im Stromnetz einen Transformator.
Die Lichtausbeute jeder Glühlampe hängt entscheidend von der Temperatur ihres Glühfadens ab. Daher ist man bemüht, Glühlampen mit möglichst hohen Betriebstemperaturen zu konstruieren. Obwohl das als Fadenmaterial häufig genutzte Wolfram erst bei einer Temperatur von etwa 3.350 °C schmilzt, verdampft schon bei wesentlich geringeren Temperaturen ein Teil des Wolframs und kondensiert an den kühleren Innenwänden der Glühlampen. Dadurch verliert der Glühfaden langsam Material, wird dünner und kann schließlich durchschmelzen. Halogenlampen sind so konstruiert, dass sie diesem Prozess entgegenwirken. Ihr Glaskolben wird mit Brom gefüllt. Brom gehört zur chemischen Gruppe der Halogene , daher erklärt sich auch der Name „Halogenlampe“.

Wie bei jeder Glühlampe verdampft auch bei einer angeschalteten Halogenlampe etwas Wolfram aus dem Glühfaden. Es kühlt sich ab und verbindet sich mit Brom zu Wolframbromid ${\text{(WBr}}_{\text{3}})$. Die Halogenlampe ist so konstruiert, dass sich in ihr ein Gaskreislauf ausbildet. Das gasförmige Wolframbromid gelangt nach einer gewissen Zeit demzufolge wieder in die Nähe des Glühfadens und zerfällt unter dem Einfluss der hohen Fadentemperatur (etwa 1 400 °C) in Brom und Wolfram. Das Wolfram wird dadurch immer wieder zum Ort seiner Freisetzung zurücktransportiert und kann sich erneut am Glühfaden anlagern.
Damit die Gaszirkulation in Gang kommt und sich kein Material an den Glaswänden niederschlägt, muss auch der Kolben einer Halogenlampe sehr heiß sein. Er ist daher relativ klein gebaut und wird deshalb schnell von der Glühwendel der Lampe erhitzt. Außerdem besteht er aus Quarz. Normales Glas würde bei den Betriebstemperaturen von Halogenlampen schmelzen.