Glühlampe

Die Glühlampe im Überblick

Das von herkömmlichen Glühlampen erzeugte Licht ist eigentlich eine Art Wärmestrahlung: Ein Metall wird bis zu einem Punkt erwärmt, an dem seine Temperatur so hoch ist, dass es glüht. Bei dieser Art der Wärmestrahlung wird ein Punkt erreicht, an dem das Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums abgestrahlt wird. (Der Ausdruck Wärmestrahlung beschreibt im herkömmlichen Sinne eher die nicht sichtbaren Bereiche des Spektrums wie z. B. den Infrarotbereich.) Beim Glühen durch Wärme wird weißes Licht erzeugt.

In der versiegelten Kammer eines Glaskolbens wird ein dünner Draht durch Anlegen eines elektrischen Stroms auf eine so hohe Temperatur erwärmt, dass Licht ausgestrahlt wird. In dem versiegelten Glaskolben befindet sich entweder ein inertes Gas oder die Luftgase wurde zuvor entzogen, sodass ein Vakuum vorhanden ist. Dadurch wird verhindert, dass der Glühfaden mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre reagiert und oxidiert. Der Strom kann über elektrische Leiter an den Innendraht angelegt werden. Die Leiter werden bei der Herstellung am Boden des Kolbens eingeführt und versiegelt. Der zerbrechliche Boden des Kolbens wird in der Regel in eine becherförmige Metallhülse eingefasst, an der entweder Bajonettanschlüsse oder ein Schraubgewinde zu finden ist. Auch die externen Anschlüsse des Kolbens sind dort angebracht.

Glühlampen sind kostengünstig in der Herstellung, können mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden und stehen in einer enormen Vielfalt an Größen, Formen, Lichtleistungen und Farben zur Verfügung. Sie sind für Spannungen von 1,5 V bis 300 V ausgelegt und heute schon so allgegenwärtig, dass man sich kaum noch die Zeit vor deren Erfindung vorstellen kann. Dennoch gab es bis vor dieser Zeit in der Geschichte der Menschheit nur erheblich weniger effektive Möglichkeiten, um Licht in der Dunkelheit zu erzeugen, und zwar durch Kerzen und Feuerschein. Dies waren die einzig verfügbaren Mittel, die den Menschen über Jahrtausende zum Beleuchten dienten. (Einen ausführlicheren Beitrag über die Geschichte der Glühlampe finden Sie weiter unten.)

Trotz ihrer weiten Verbreitung auf der ganzen Welt sind sie erheblich weniger effizient als die Beleuchtungstechnik der neueren Generation: CFL-Lampen (Compact Fluorescent Bulb) beispielsweise besitzen eine Lichtausbeute von 60 Lumen pro Watt (lm/W). Vergleichsweise erreicht eine durchschnittliche Glühlampe nur 16 lm/W. Von der Energie, die eine Glühlampe verbraucht, werden weniger als 5 Prozent in sichtbares Licht umgewandelt. Der Rest geht einfach in Form von Wärme verloren, obwohl diese Infrarotstrahlung in bestimmten Bereichen noch nutzbar gemacht wird, z. B. für Geflügel-Brutkästen, Inkubatoren und für bestimmte industrielle Heiz- und Trocknungssysteme.

Mit etwa 1.000 Stunden ist ihre Lebensdauer außerdem erheblich kürzer als die der weitaus moderneren, energiesparenden Lichtquellen wie z. B. LEDs, CCFLs (Cold Cathode Fluorescent Lamp) und CFLs (Compact Florescent Lamp), die 100.000 Stunden lang halten. Im Vergleich zu Glühlampen wandeln Letztere vier- bis sechsmal so viel Energie in Licht um.

Mit der Zeit wird die Glühlampe Schritt für Schritt durch die erheblich effizientere Beleuchtungstechnik ersetzt. In den USA und in der Europäischen Union sowie in mehreren anderen Staaten läuft die Nutzung der Glühlampe aus und wird durch energiesparende Alternativen ersetzt.

 

Die Geschichte der Glühlampe

Zahlreiche Erfinder und Wissenschaftler haben zwar mit elektrischen Glühlampen in unterschiedlichster Form im neunzehnten Jahrhundert experimentiert, als Personen, die wohl am engsten mit dieser Erfindung in Verbindung stehen, sind jedoch der britische Wissenschaftler Joseph Swan zu nennen, der als erster auf der Welt mit seiner Erfindung im Jahr 1880 erleuchtet wurde, sowie Thomas Edison, der amerikanische Unternehmer und Erfinder, der 1879 die erste handelstaugliche Glühlampe mit einem mit Kohlenstoff versetzten Bambusfaden herstellte.

Vor Swann und Edison erzeugten Glühlampen nur ein sehr dunkles Licht und hielten nur sehr kurze Zeit. Diese Nachteile machte sie als Handelsware untauglich. Swann sowie auch Edison verlängerten die Lebensdauer des Glühfadens in der Glühlampe erheblich, indem sie den Kolben mit einer Vakuumpumpe luftleer machten und versiegelten. Auf diese Weise konnte der stark erhitzte und leuchtende Glühfaden nicht „rosten“ und sich durch Oxidation zersetzen. Edisons Glühlampe hielt im Jahr 1899 zwar erst 13,5 Stunden lang, aber im folgenden Jahr verbesserte er den Aufbau so weit, dass seine neue Erfindung 1200 Stunden lang hielt. Schon bald wurde die Glühlampe in noch nie da gewesenem Ausmaß vermarktet, denn immer mehr Haushalte und Betriebe äußerten den Wunsch nach elektrischer Beleuchtung.

Im Jahre 1880 schaffte es ein weiterer amerikanischer Erfinder Hiram Maxim (der später nach England übersiedelte), die Glühlampe noch haltbarer zu machen. Dazu beschichtete er die Kohleglühfäden mit Kohlenwasserstoffen.

Die erste handelstaugliche Lampe mit Metallglühfaden wurde 1889 erfunden, als der österreichische Wissenschaftler Carl Auer von Welsbach entdeckte, dass Osmium ebenso gut funktionierte wie der Glühfadenaufbau. Ziel war es, den Schwärzungseffekt zu umgehen, der in dem Kolben bei Verwendung von Kohlenstoffglühfäden auftrat. Im Jahre 1903 stellte ein Erfinder namens Willis Witnew aber fest, dass der Effekt durch Beschichten der Kohlenstoffglühfäden mit Metall verhindert werden konnte.

Die Glühlampe mit Wolframglühfaden wurde im Jahre 1904 von dem ungarischen Erfinder Sándor Just und dem Kroaten Franjo Hanaman vorgestellt. Ihre Lebensdauer war erheblich länger als die aller Vorgänger und die Leuchtkraft, die erreicht wurde, wenn der Kolben mit Edelgasen befüllt wurde, stellte sich als doppelt so hell heraus wie bei Vakuum.

Im Jahr 1885 wurden etwa 300.000 Glühlampen verkauft, aber als Glühlampen mit Wolframglühfaden Anfang der 1920er Jahre in den Handel kamen, explodierte die Anzahl der vorhandenen Lampenfassungen in den Vereinigten Staaten allein schon auf 50 Millionen. Bis zum Jahr 1945 vervielfachte sich der Lampenverkauf auf 795 Millionen pro Jahr.

 

Technische Gesichtspunkte der Glühlampe

Während die ersten Glühlampen luftleer gemacht wurden, um eine Oxidation des Glühfadens bei der Erwärmung zu verhindern, werden heute die meisten mit Edelgasen gefüllt, die sich als effektiver erwiesen haben. In der Regel verhindert ein Gemisch aus 93 Prozent Argon und 7 Prozent Stickstoff bei einem Druck von 70 kPa die Oxidation und minimiert die Verdampfung auf ein vernachlässigbares Niveau (manchmal wird auch Krypton verwendet)

Der Glühfaden besteht in der Regel aus Wolfram und wird auf eine Temperatur von 2.000 bis 3.000 Grad Kelvin (in sicherem Abstand zum Schmelzpunkt von 3.696 K) erwärmt, um weißes Licht zu erzeugen.

Zwar bleibt der Glaskolben der Lampe oft klar, aber viele Glühlampen werden zuerst auch von innen mit einem feinen, kalkähnlichen Pulver namens Kaolin beschichtet. Dieses streut das Weißlicht und erzeugt ein freundlicheres Licht. Es können auch Pigmente zugesetzt werden, um eine dekorative Farbbeleuchtung für Weihnachtsbäume und Feste zu erzeugen.

Der Wolfram-Glühfaden wird aus mehreren Wendeln von bereits aufgewickeltem Wolframdraht hergestellt, um die Leuchteffizienz der Lampe zu verbessern. In einer herkömmlichen 60-Watt-Lampe für 240 V hat die Wolfram-Glühwendel eine durchschnittliche Länge von 58 cm (der Faden selbst ist sehr dünn und hat lediglich einen Durchmesser von 0,046 mm).

 

Wo Glühlampen in der Fertigung verwendet werden

Der kurze Eintrag unter dieser Überschrift lautet ganz einfach „überall“. Glühlampen werden nicht zur Beleuchtung im Privathaushalt und in der Industrie, im Gewerbe und an Arbeitsplätzen jeder Größenordnung eingesetzt, sie werden auch in Autoscheinwerfern, Taschenlampen, Dekorleuchten für Weihnachtsbäume und für Leuchtreklamen und Schilder verwendet.

Immer häufiger werden sie auch in intelligente Beleuchtungssysteme integriert. Dabei handelt es sich um eine neue Automations- und Regelungstechnik, mit der Beleuchtung nur als Reaktion auf menschliche Bewegung eingeschaltet wird. Nützlich kann diese Technik für Sicherheitszwecke sein, um in verbotenen oder beschränkt zugänglichen Bereichen Eindringlinge zu erkennen oder um normalerweise dunkle Bereiche automatisch zu beleuchten, wenn diese von Personen betreten werden. Dadurch, dass die Beleuchtung nur bei Bedarf eingeschaltet wird, sparen diese Systeme Energie, senken die Kosten und verbessern die Effizienz.

 

Wie sich die Glühlampe von anderen Lichtquellen unterscheidet

Anders als energiesparende CFL-Lampen, die auf der fluoreszierenden Wirkung von Quecksilberdampf basieren (d. h. dieser strahlt Licht aus, sobald er die elektromagnetische Strahlung absorbiert), oder anders als Leuchtdioden, die den Effekt ausnutzen, dass Elektronen Energie in Form von Photonen freisetzen, wenn sie in einen niedrigeren Energiezustand wechseln, erzeugen Glühlampen Wärmestrahlung, von der ein Großteil im nicht sichtbaren Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Ist die Temperatur aber hoch genug, erzeugen sie Weißlicht und setzen einen gewissen Teil der Wärmeenergie im sichtbaren Lichtspektrum frei.

 

Revolutionäre Aspekte der Glühlampe

Die Produktivität des Menschen nahm durch die Erfindung und die breite Akzeptanz der Glühlampe in Übermaßen zu. Gegen Ende des viktorianischen Zeitalters wurde sie zu einer Alternative mit erheblich mehr Sicherheit im Vergleich zum offenen Feuer oder einer Gaslampe, ganz besonders in Fabriken oder im Untertagebau. Aus der Produktion wurde letztendlich eine 24-Stunden-Aktivität, denn Fabriken und Industrieanlagen konnten nachts wie am Tag hell erleuchtet werden. Ohne die Einführung der altehrwürdigen Glühlampe wäre diese Entwicklung wohl kaum denkbar gewesen.