Glühbirne
Physikalisch
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Basiswissen
Glühbirnen haben ihren Namen von der birnenförmigen Glashülle. Im Inneren des Glaskörpers ist immer ein metallener Draht. Durch ihn lässt man ausreichend viel Strom fließen, bis der Draht so heiß ist, dass er sichtbar zu glühen beginnt. Dieses Glühen strahlt dann das gewünschte Licht ab. Das übliche Zeichen für Schaltskizzen ist ein Kreis mit einem Kreuz darin: ⊗
Prinzip
Bei einer Glühbirne lässt man so viel Strom durch einen dünnen Metalldraht fließen, dass dieser anfängt zu glühen. Dadurch wird er sehr hell. Der Effekt lässt sich mit einfachen Mitteln auch mit einem Draht aus dem Baumarkt nachstellen. Siehe dazu den Artikel zum 👉 Draht-Glüh-Versuch
Glühfaden mit Video
Der Metalldraht, meist Glühdraht oder auch Glühfaden genannt, wird gut 2700 bis 3500 Kelvin heißt, das sind gut 2400 bis 3200 Grad Celsius. Es gibt nur wenige Metalle, die nicht schon vorher verdampfen oder schmelzen.
Beim Ausschalten einer alten Glühbirne glüht der Faden noch einige Zeit nach. In einer Zeitlupe kann man diesen flüchtigen Moment gut sichtbar machen.
Die Farbe des abgestrahlten Lichts verrät auch etwas über die (sehr hohe) Temperatur des Glühfadens. Die volle Helligkeit dürfte ab etwa 1300 °C erreicht sein. In der Nachglut kühlt der Draht dann sehr schnell auf unter 500 °C ab. Eine Tabelle aus der Industrie [1] ordnet verschiedenen Glutfarben verschiedene Temperaturen zu:
- Unterhalb 400 °C: unsichtbare 👉 Infrarotstrahlung
- 400 °C: bei Nachtsehen farblose Grauglut, nur im Dunkeln wahrnehmbar
- 525 °C: Beginnende Rotglut
- 700 °C: Dunkle Rotglut (Leuchtdichte ca. 1,5 cd/m²)
- 800 °C: Helle Rotglut (ca. 14 cd/m²)
- 1100 °C: Gelbglut (ca. 1.700 cd/m²)
- 1300 °C: beginnende Weißglut (ca. 16 Tausend cd/m²)
- Siehe auch den Artikel zur 👉 Glutfarbe
In der Frühzeit der elektrischen Glühbirnen [2] war genau dieser Zusammenhang zwischen Temperatur und Glutfarbe für Wissenschaftler hoch interessant. [2] Wie wirkt welcher Zustand des Glühfadens auf das menschliche Auge?
ZITAT:
1892 zur Farbwirkung: "Ich hielt es für interessant, ein ähnliches Experiment mit dem Kohleglühfaden einer gewöhnlichen Glühlampe durchzuführen. Verwendet wurde eine Edison-Swan-Lampe mit 16 Kerzen Lichtstärke und einer Nennspannung von 80 Volt. Zur Erwärmung des Glühfadens ließ man einen allmählich ansteigenden Strom hindurchfließen, der von Akkumulatoren geliefert wurde. Als veränderlicher Widerstand diente ein Wasserwiderstand, dessen Leitfähigkeit durch die schrittweise Zugabe sehr verdünnter Schwefelsäure in annähernd gleichen Mengen erhöht wurde. Der Raum, in dem das Experiment stattfand, wurde sorgfältig vollständig abgedunkelt. Die Beobachter hielten sich bereits einige Minuten vor dem Einschalten des Stroms in der Dunkelheit auf. Die Schwefelsäure wurde dabei so portionsweise zugesetzt, dass nach Erreichen der Sichtbarkeit fünf weitere Zugaben ausreichten, um den Glühfaden bis zu einer bei diffusem Tageslicht gerade noch als mattrot erkennbaren Glut zu erhitzen. Nach jeder Versuchsstufe wurde deren Nummer laut angesagt. Jeder Beobachter notierte diese Nummer sowie seinen Farbeindruck unmittelbar im Dunkeln, sodass die Netzhaut während des gesamten Versuchs keinem fremden Licht ausgesetzt wurde. Jeder Beobachter betrachtete den Glühfaden so lange, bis er sich über dessen Farbe sicher war, und ließ anschließend seine Augen bis zur nächsten Beobachtung wieder in der Dunkelheit ruhen. An dem Experiment nahmen insgesamt fünfundzwanzig Beobachter teil." [2]
1892 zur Farbwirkung: "Ich hielt es für interessant, ein ähnliches Experiment mit dem Kohleglühfaden einer gewöhnlichen Glühlampe durchzuführen. Verwendet wurde eine Edison-Swan-Lampe mit 16 Kerzen Lichtstärke und einer Nennspannung von 80 Volt. Zur Erwärmung des Glühfadens ließ man einen allmählich ansteigenden Strom hindurchfließen, der von Akkumulatoren geliefert wurde. Als veränderlicher Widerstand diente ein Wasserwiderstand, dessen Leitfähigkeit durch die schrittweise Zugabe sehr verdünnter Schwefelsäure in annähernd gleichen Mengen erhöht wurde. Der Raum, in dem das Experiment stattfand, wurde sorgfältig vollständig abgedunkelt. Die Beobachter hielten sich bereits einige Minuten vor dem Einschalten des Stroms in der Dunkelheit auf. Die Schwefelsäure wurde dabei so portionsweise zugesetzt, dass nach Erreichen der Sichtbarkeit fünf weitere Zugaben ausreichten, um den Glühfaden bis zu einer bei diffusem Tageslicht gerade noch als mattrot erkennbaren Glut zu erhitzen. Nach jeder Versuchsstufe wurde deren Nummer laut angesagt. Jeder Beobachter notierte diese Nummer sowie seinen Farbeindruck unmittelbar im Dunkeln, sodass die Netzhaut während des gesamten Versuchs keinem fremden Licht ausgesetzt wurde. Jeder Beobachter betrachtete den Glühfaden so lange, bis er sich über dessen Farbe sicher war, und ließ anschließend seine Augen bis zur nächsten Beobachtung wieder in der Dunkelheit ruhen. An dem Experiment nahmen insgesamt fünfundzwanzig Beobachter teil." [2]
Die technische Herausforderung, helle und langlebige Glühfäden zu bauen, schuf ein "Ökosystem" an Fragen, Erkenntnissen und Gruppen von Forschern, in dem etwa auch Arbeiten des jungen Max Planck zu schwarzen Strahlern ihren Platz hatten. Planck beschäftigte sich dabei mit einer sogenannten Anomalie, einem Phänomen, dass die Theorie damals nicht erklären konnte. Seine Arbeiten zu sogenannten Schwarzen Strahlern erschütterten dann zu Beginn des 20. Jahrhunderts die gesamte Physik mit der langsamen Entstehung der heute so genannten Quantenphysik. Es ist also gedanklich nicht weit von ganz praktischen Alltagsthemen hin zu bahnbrechenden Theorien der Grundlagenforschung.
Neben der Frage nach der passenden Glutfarbe war es auch ein Problem, geeignete Materialien zu finden, die solche Temperaturen über längere Zeit ertragen, ohne zu schmelzen, zu oxidieren oder sonstwie zu leiden.
Das Video zeigt, warum man nicht einfach einen Glühfaden aus Eisen an der freien Luft als Lichtquelle nimmt. Es wäre kurz sehr hell, dann aber lange sehr dunkel. Siehe auch 👉 Eisen-Glüh-Versuch
Erst nach 1900 setzten sich langsam Metalle Tantal und Wolfram durch. [3] Und wichtig war es auch, dass das Gas innerhalb des Glasgefäßes so gut wie keinen Sauerstoff enthält.
Kontinuierliches Spektrum
Heiße Glühlampen geben ein Lichtgemisch aus allen möglichen Farben (Wellenlängen) ab. Mit Hilfe eines optischen Prismas kann man das Licht in seine Spektralfarben zerlegen.
Die Spektralfarben sind mehr oder minder die Farben, die man bei der Zerlegung von Sonnenlicht, etwa mit einem Prisma, erzeugen kann.
Ein solches Spektrum an Licht, bei dem in einer Spektralzerlegung mehr oder minder alle sichtbaren Farben nebeneinander erscheinen ist ein sogenanntes 👉 kontinuierliches Spektrum
Im Glühfaden einer Glühbirne müssen also Prozesse stattfinden, die Licht in verschiedensten Farben erzeugen. In der Wellenoptik entsprächen die Farben dann auch verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen des Lichts. Sichtbares Licht wird so gut wie immer durch sogenannte elektronische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen erzeugt. Seit den Erkenntnissen rund um das Atommodell von Niels Bohr (um 1911) geht man aber davon aus, dass eine Atomsorte immer nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge und damit auch einer ganz bestimmten Farbe erzeugt. Wenn der Glühfaden vorwiegend aus einem Element, etwa Wolfram oder Kohlenstoff besteht, wie können dann die praktisch gesehen unendlich vielen Farben des ganzen Spektrums überhaupt entstehen. Dieser Frage wird näher behandelt im Artikel 👉 Entstehung der Fraunhoferlinien
Dass Licht, auch helles Licht, nicht zwingen immer ein kontinuierliches Spektrum ergeben muss zeigen zwei anderen Bautypen von Lampen. Bei Leuchtdioden entsteht das Licht nicht durch die Gluthitze sondern durch quantenphysikalische Vorgänge im Metall selbst. Dabei entsteht aber erst einmal nur Licht einer Farbe.
Leuchtdioden erzeugen zunächst einmal nur Licht einer Wellenlänge, etwa roter, gelbes oder blaues Licht. Die Entwicklung von Leuchtdioden mit gemischten Farben war technisch nicht einfach. Siehe auch 👉 Leuchtdiode
Und auch sogenannte Natriumdampflampen und alle mit ihr verwandten Leuchtstoffröhren erzeugen am Anfang Licht aus einem ganz engen Spektralbereich.
Dieses gelbe Licht einer Natriumdampflampe kann man mit einem Prisma nicht weiter zerlegen. Es besteht aus nur einer Farbe, ist also monochromatisch. Siehe auch 👉 Natriumdampflampe
Oft ist es das warme, weiche und natürliche Licht einer Glühlampe, das als besonders angenehmen empfunden wird. Mit dem Verbot von Glühlampen als gängige Leuchtmittel seit 2012 müssen die Entwickler von Lampen nun diese oft gewünschte Wirkung eines breiten Spektrums mit anderen technischen Mitteln mehr oder minder gut imitieren.
Versuche
Für viele Versuche die lediglich ein helles Licht benötigen, sind moderne LED oft sehr viel billiger und einfacher zu verwenden als Glühbirnen. Glühbirnen machen als Versuchsmaterial vor allem dann Sinn, wenn es um den Glühfaden für eine optische Abbildung geht, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit der Helligkeit betrachtet wird oder das mehr oder minder kontinuierliche Spektrum des Lichts in Spektralfarben aufgespalten werden soll.
Je nach Helligkeit des Glühfadens ändert sich auch der elektrische Widerstand einer Glühbirne. Siehe dazu den 👉 Kiste 12 Lampenleuchtversuch
Den hellen und schmalen Glühfaden einer Glühbirne kann man auf einfachste Weise mit einer primitiven Lochkamera recht deutlich auf ein helles Stück Papier projizieren. Siehe dazu die Seite zur 👉 Lochkamera
Scheint Licht durch ein trübes Wasser treten Effekte wie beim Abendrot aber auch wie bei der Entstehung eines blauen Himmels auf. Dieser Versuch faszinierte unter anderem die naturwissenschaftliche Seite von Johann Wolfgang von Goethe. Siehe dazu mehr unter 👉 Goethes Wassertrübungsversuch
Seit dem Jahr 2012 dürfen Glühbirnen als Leuchtmittel in Deutschland nicht mehr neu in den Handel gebracht werden. Bei manchen optischen Experimenten (Linsenformel, Megaskop) ist jedoch gerade der hell leuchtende Glühfaden für den Erfolg wesentlich. Eine gute Alternative sind LED-Lampen mit einem sogenannten Filament. Verschiedene Anbieter bieten solche Lampen an. Das Filament simuliert sozusagen den Glühfaden, oft um eine besondere Stimmung mit dem Licht zu erzeugen.
Fußnoten
- [1] Ulrich Fischer: Tabellenbuch Metall. 41. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel Nourney, Vollmer, 2001, ISBN 3-8085-1721-2, S. 128B. Siehe auch den Artikel zur 👉 Glutfarbe
- [2] Wie hängen elektrische Spannung und die menschlich wahrgenommene Glutfarbe zusammen? "I thought it might prove interesting to try a similar experiment with the carbon filament of an ordinary incandescent lamp. That used was an Edison Swan 16 candlepower 80 volt, and the method employed to heat it was to pass a gradually-increasing current (supplied from accumulators), using a water resistance gradually diminished by the addition of very dilute sulphuric acid in sensibly equal portions. The room in which the experiment was performed was very carefully darkened, and the observers were kept in darkness some minutes before the current was switched on, the dilute acid being added, so that, after visibility had been reached, five additions should bring the lamp to dull redness (by diffused daylight. The number of the experiment being called out, each observer wrote this down, together with his impression of the colour, in the dark, so that the retina was not affected by any extraneous light throughout. Each observer closely inspected the filament till he felt satisfied as to the colour, and then rested his eyes in the dark till the next observation. There were twenty-five observers. In: T. Porter: First Visible Colour of Incandescent Iron. Nature 45, 558–559 (1892). Online: https://doi.org/10.1038/045558c0
- [3] Noe Lazar Müller: Die Fabrikation und Eigenschaften der Metalldrahtlampen. Halle a. S.: W. Knapp, 1914. (Umfassende Monographie über Herstellung und Optimierung von Metall-Glühdrähten, insbesondere Tantal- und Wolframfäden.)