Glühlampe
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Gluehlampe_01_KMJ.jpg/220px-Gluehlampe_01_KMJ.jpg)
Die Glühlampe, aufgrund ihres birnenförmigen Kolbens umgangssprachlich oft als Glühbirne bezeichnet, ist eine künstliche Lichtquelle, in der sich ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufheizt und dadurch zum Leuchten angeregt wird.
Funktionsprinzip
In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter (Glühfaden) aufgrund seines elektrischen Widerstandes erwärmt, wobei der Widerstand direkt proportional der Temperatur steigt und die als Strahlung abgegebene Leistung P proportional dem Widerstand R und dem Quadrat der Stromstärke I ist (P = R · I²). Die Leistung wird vollständig in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben.
Ein Glühfaden verhält sich näherungsweise wie ein schwarzer Strahler, dessen Strahlung sich mit steigender Temperatur zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Um eine möglichst hohe Ausbeute an sichtbarem Licht zu erhalten, und damit das Licht möglichst weiß erscheint, trachtet man danach, das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu verschieben.
Diesem Bestreben setzt aber das Material des Glühfadens enge Grenzen, da er bei den angestrebten Temperaturen bereits flüssig oder gasförmig ist und somit nicht mehr als ununterbrochener Draht den Strom leiten kann. Um dennoch möglichst hohe Temperaturen und damit hohe Lichtausbeute zu erhalten, verwendet man heute für Glühfäden die hochschmelzenden Metalle Wolfram (Schmelzpunkt 3410 °C) und Osmium (Schmelzpunkt 3045 °C), die aber andererseits gerade wegen des hohen Schmelzpunktes schwierig zu verarbeiten sind. Selbst bei diesen Temperaturen erreicht man jedoch nicht die Farbe von Tageslicht, denn dafür wären ca. 6200 °C notwendig. Glühlampen sind daher immer deutlich rötlicher als Tageslicht.
In normaler Umgebungsluft würde bei den hohen Betriebstemperaturen der Glühfaden sofort oxidieren und dadurch zu einem spröden elektrischen Isolator werden. Aus diesem Grund werden die Glühfäden in einem mit einem Schutzgas gefüllten Glaskolben eingeschlossen. Vakuum hat sich auch nicht bewährt, da im Vakuum der Glühfaden schneller durch Sublimieren von der Oberfläche her dünner wird und schließlich reißt.
Das Sublimieren von der Oberfläche ist der Temperatur proportional. Daraus erklärt sich, dass bei tieferer Temperatur betriebene Glühlampen eine wesentlich längere Lebensdauer haben.
Aufbau
Die Glühlampe besteht aus einem Befestigungssockel einschließlich der elektrischen Stromzuführungen und einem Glaskolben, der den Glühfaden und dessen Halterung vor der Außenumgebung abschirmt.
Glaskolben
Der Glaskolben schützt den Draht vor einer Verbrennung an der Luft. Die Größe des Kolbens richtet sich nach der Resublimationsrate des Draht-Materials. Alte Glühlampen bzw. Glühlampen mit hoher Leistung benötigen einen großen Glaskolben, damit sich der Niederschlag auf einer größeren Fläche verteilen kann und die Transparenz nicht allzu 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 begrenzt man durch die Wahl von möglichst schweren Inertgasmolekülen. Stickstoff-Argon-Gemische sind ein Zugeständnis an die Herstellungskosten. Teure Glühlampen enthalten Krypton oder Xenon (Atomgewichte: Stickstoff: 28,0134 Mol; Argon: 39,948; Krypton: 83,798; Xenon: 131,293)
Glühfaden
Die ersten Glühlampen enthielten einen Faden aus Kohle (Sublimationspunkt: 3550 °C), heute werden fast ausschließlich Drahtwendeln aus einer Wolfram-Osmium Legierung (Schmelzpunkt: 3410 °C beziehungsweise 3045 °C) verwendet. Der Draht ist meist doppelt gewendelt, um durch eine kleine Langmuir-Schicht die Wärmekonvektion zu begrenzen.
Glühlampen sollen bei handhabbaren Spannungen und Strömen betrieben werden. Beispielsweise erfordert eine Leistungsaufnahme von 60 W bei einer Betriebsspannung von 230 V und einem Betriebsstrom von 0,26 A einen elektrischen Widerstand des glühenden Drahtes von 882 Ohm. Der Draht muss deshalb lang und dünn sein.
Aufgrund der positiven Temperatur-Widerstands-Charakteristik (Kaltleiter) fließen beim Einschalten einer Metalldraht-Glühlampe sehr hohe Einschaltströme, die sich durch die Zunahme des elektrischen Widerstands bei Temperaturerhöhung auf die Betriebswerte begrenzen. Demgegenüber zeigt eine Kohlenfadenlampe ein sanfte Zunahme der Helligkeit beim Einschalten, da erst mit steigender Temperatur genügend Ladungsträger für den Stromtransport freigesetzt werden (Heissleiter).
Lampensockel
Edisonsockel
Die Form und die Bezeichnung des in Deutschland üblichen Edison-Gewindes als Sockel für Glühlampen geht auf Thomas Alva Edison zurück. Die Abmessungen vom Edisongewinde sind nach DIN 40400 bzw. u. A. in der IEC 60238:1998 genormt.
Üblich sind:
- E5,5 Taschenlampen (Niedervolt)
- E10 Signallampen (Niedervolt) und Glimmlampen (230 V)
- E14 Kerzenlampe (230 V), auch für Schraubsicherungen gebräuchlich
- E27 siehe Abbildung einer Glühlampe (230 V), auch für Schraubsicherungen gebräuchlich
- E40 für Glühlampen mit mehr als 200 W Leistungsaufnahme (230 V), auch für Schraubsicherungen gebräuchlich
Daneben existieren eine Reihe weiterer Sockel:
Stecksockel
- MG5,7S/9 Miniaturlampen, z. B. für Modellbau
Bajonettsockel
Übliche Sockelform z. B. in Frankreich oder den USA und an Geräten/Maschinen, bei denen ein Losschrauben infolge mechanischer Schwingungen bzw. Erschütterungen sicher vermieden werden muss.
- z. B. in KFZ
- BA7s Innenraumbeleuchtung (z. B. Hintergrundbeleuchtung von Tachometer)
- BA9s Standlicht
- BA15s Blink-, Stopp-, Rückfahr-, Nebelschluss-, Schluss- oder Kennzeichenlampe
- BAY15d Zweifadenlampe für Brems- und Schlusslicht
- SV8,5-8 Soffittenlampe für Schluss-, Kennzeichen- oder Innenraumlampe
- W2,1x9,5d Glassockellampe für Armaturenbeleuchtung
-
12 V Einfadenlampe mit Bajonettsockel BA15s, 21 W
-
12 V Zweifadenlampe mit Bajonettsockel BAY15d, 21 W und 5 W
- Prefokus-Sockel (mit Kragen als Anschlag)
- P13,5 für Taschenlampen
Glassockel
- T5
- T10
Sockel für Halogenlampen
- GX5,3 für Niedervolt-Reflektorlampen d = 50 mm
- GU4 für Niedervolt-Reflektorlampen d = 35 mm
- G4 für Niedervolt-Stiftsockellampen
- GY6,35 für Niedervolt-Stiftsockellampen
- G9 für Hochvolt-Stiftsockellampen
- GU10 für Hochvolt-Reflektorlampen d = 50 mm
Pilotlämpchen
(in Form von Feinsicherungen)
- D6,3 x L30 mm
Soffittenlampen
z. B. für Kennzeichen- und Innenraumbeleuchtung in KFZ
- D8, L31 mm
- D11, L39 mm
Lampensockel für Scheinwerferlampen in KFZ
- R14 5s H1-Halogenlampe, auch für Rundumkennleuchten verwendet
- P43t H4-Halogen- oder Bilux-zweifadenlampe
- PX26d H7-Halogenlampe
- PK22s H3-Halogenlampe
-
H1-Lampe mit Sockel R14 5s, 12 V, 55 W
-
H7-Lampe mit Sockel PX26d, 12 V, 55 W
Lichtausbeute und Lebensdauer
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e9/Gluelebensdauerrp.png/220px-Gluelebensdauerrp.png)
Fast 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 liegt im unsichtbaren Infrarot-Bereich und wird als Wärme wahrgenommen. Die Lichtausbeute erreicht bei einer Glühfadentemperatur von ca. 7000 K einen Anteil von maximal ca. 15 %. Praktisch erreichbare Temperaturen liegen bei 3400 K und einem Lichtanteil von 5 %.
Mit steigender Temperatur nimmt die Lichtausbeute einer Glühlampe zu, aber die Brenndauer fällt drastisch ab. Bei 2700 K erreichen konventionelle Glühlampen eine Standzeit von ca. 1000 Stunden, bei 3400 K (Studiolampen) von nur wenigen Stunden. Wie das Diagramm rechts zeigt, verdoppelt sich die Helligkeit, wenn man die Betriebsspannung um 20 % erhöht. Gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer um 95 %.
Eine Halbierung der Nominalspannung (zum Beispiel durch Reihenschaltung zweier gleichartiger Glühlampen) verringert den Wirkungsgrad, verlängert aber die Lebensdauer um mehrere (!) Größenordungen.
Die hohen Einschaltströme von Metalldraht-Glühlampen belasten die Glühwendel an ihren Zuleitungen, insbesondere bei Halogen-Glühlampen (siehe unten). Elektronische Vorschaltgeräte zur Strombegrenzung für Glühlampen werden bisher selten eingesetzt.
Halogenglühlampen
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b1/Halogenlampe_G9_Osram.jpg/220px-Halogenlampe_G9_Osram.jpg)
Die Zugabe des Halogens Brom oder Iod steigert die Lebensdauer auf 2000 bis 4000 Stunden – bei einer Betriebstemperatur von ca. 3000 K. Die sogenannten Halogenglühlampen erreichen eine Lichtausbeute von 28 lm/W (sprich: Lumen pro Watt), im Vergleich zu ca. 15 lm/W bei 2700 K.
Das Iod reagiert (zusammen mit Restsauerstoff) mit den vom Glühdraht verdampften Wolframatomen und stabilisiert eine wolframhaltige Atmosphäre. Der Prozess ist reversibel. Bei heißen Temperaturen zerfällt die Verbindung wieder in ihre Elemente, Wolframatome kondensieren auf der Glühwendel. Kleine Temperaturdifferenzen spielen für die Zersetzung nur eine untergeordnete Rolle. Die Vorstellung, dass sich Wolfram ausschließlich an den dünnen überhitzten Bereichen der Wendel niederschlagen würde, ist leider falsch 1. Ein interessanter Nebeneffekt hätte darin bestanden, dass sich der Glühfaden an den dünnsten Stellen selbst reparierte. In Wirklichkeit findet die Kondensation von Wolframatomen aber an den kältesten Stellen der Wendel statt 2. Das Prinzip ist der chemischer Transport, welcher sich in ähnlicher Weise auch beim Van-Arkel-de-Boer-Verfahren findet.
Der Halogenzusatz verhindert den Niederschlag von Wolfram auf dem Glaskolben, vorausgesetzt die Glas-Temperatur ist höher als etwa 250 °C. Aus diesem Grund ist der Glaskolben einer Halogenlampe sehr kompakt und aus dickwandigem hochtemperaturbeständigem Quarzglas gefertigt. Das kleine Volumen ermöglicht zur Reduktion der Wärmeleitung die Befüllung mit schweren Edelgasen zu vertretbaren Kosten. Verunreinigungen auf dem Kolben, zum Beispiel Fingerabdrücke durch Anfassen des Glases, verkohlen im Betrieb, führen lokal zu Temperaturerhöhungen oder Mikrokristallisierung, die zum Platzen des Quarz-Glaskolbens führen können.
Geschichte
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/52/Thomas_edison_gl%C3%BChbirne.jpg/220px-Thomas_edison_gl%C3%BChbirne.jpg)
Erste Versuche in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts zur Herstellung von Glühlampen verwendeten als Leuchtdraht einen Kohlenfaden oder verkohlten Bambusfaden unter einer evakuierten (luftleeren) Glasglocke.
Im Jahr 1893 konnte in einem Patentprozess nachgewiesen werden, dass Heinrich Göbel bereits im Jahr 1854 die erste Glühlampe erfand. Edison verbesserte die Glühlampe 25 Jahre später, so dass sie zu Beleuchtungszwecken eingesetzt werden und industriell gefertigt werden konnte. Seine Glühlampe bestand aus einer Glasbirne, aus der die Luft herausgepumpt war. In ihr war ein verkohlter Nähfaden. Er glühte hell wenn durch ihn (aus einer Batterie) Strom floss. Obwohl sie nur 40 Stunden lang leuchtete, verdrängte sie die bis dahin übliche Gasbeleuchtung.
Der britische Physiker und Chemiker Joseph Wilson Swan entwickelte 1860 ebenfalls eine Glühlampe, bei der er als Glühfaden verkohltes Papier in einem luftleeren Glaskolben benutzte, erst 1878 gelang ihm die Herstellung einer praktisch brauchbaren elektrischen Glühlampe. Dabei stattete er seine Glühlampen mit einer speziellen Fassung, der Swanfassung aus, die sich im Gegensatz zu den Schraubgewinden der Edison-Glühlampen bei Erschütterung, zum Beispiel in Fahrzeugen, nicht lösten. Nach anfänglichen Patentrechtsstreitigkeiten konnten sich Edison und Swan einigen und gründeten schließlich 1883 in London eine gemeinsam betriebene Firma.
Die erste deutsche Glühlampe wurde in Stützerbach, Thüringen, hergestellt.
Dieter Binninger erfand für seine Mengenlehreuhr eine langlebige (150000 h) „Ewigkeitsglühbirne“
Andere Lichtquellen
Lichtquellen mit besserem Wirkungsgrad sind die Leuchtstofflampe, die auch in ihrer kompakte Form als Energiesparlampe gebräuchlich ist, Metalldampflampen, Bogenlampen und Gasentladungslampen. In Entwicklung sind derzeit Lichtquellen mit hoher Lichtausbeute auf Basis von Leuchtdioden, die in wenigen Jahren Glühlampen ersetzen sollen.
Lichtquellen von begrenzter Lebensdauer ohne externer Energiequelle sind die sogenannten Knicklichter, die auf Chemilumineszenz beruhen
Siehe auch
Nernstlampe, Lavalampe, Beleuchtung, Glühbirnen-Witz, Ewigkeitsglühbirne, Kohlenfadenlampe, Eiernippel
Weblinks
- Story-of-The-Lamp - englisch mit vielen Bildern
- Stimmts? Das ewige Licht – Die Zeit geht dem Gerücht nach, Glühlampen könnten ewig halten, wenn die Hersteller es nur wollten
- Chemie in Glühlampen – Warum Glühlampen früher groß und dunkel waren, heute aber hell und klein
- Livermore's Centennial Light
- Unterschied zwischen deutschen und französischen Glühlampen
- Goebel – Dichtung und Wahrheit zur Glühlampe (Edison, Swan)
- Maße für das Edisongewinde
Literatur
- Peter Berz, Helmut Höge und Markus Krajewski (Hrsg.), Das Glühbirnenbuch, Reihe ArtExit, edition selene, Wien, 2001 [1]