Elektrische Beleuchtung

1

Einleitung

Elektrische Beleuchtung, Beleuchtung mit Hilfe von einem oder mehreren Geräten, die elektrische Energie in Licht umwandeln. Die meistverwendeten Vorrichtungen in elektrischen Beleuchtungsanlagen sind die Glühlampe (sprachgebräuchlich auch Glühbirne), die Leuchtstofflampe und verschiedene Arten von Bogen- und Elektro-Entladungsdampflampen (siehe Lichtbogen).

2

Glühlampen

Wenn ein elektrischer Strom durch einen nichtidealen Leiter fließt, wird eine bestimmte Energiemenge verbraucht, die zur Erwärmung des Leiters führt. Weil jeder erhitzte Körper oberhalb einer Temperatur von 525 ºC eine bestimmte Lichtmenge abgibt, kann ein durch elektrischen Strom auf diese Temperatur erhitzter Leiter als Lichtquelle eingesetzt werden. Die Glühlampe enthält einen Glühfaden aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt. Glühfäden müssen einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, da sich das Verhältnis von ausgestrahlter Leuchtenergie des Glühfadens zur Wärmeenergie verbessert, wenn die Temperatur ansteigt. Die Lichtquelle funktioniert am effizientesten, wenn der Glühfaden die höchste Temperatur erreicht hat. In den zuerst gebauten Glühlampen wurden Kohlenstoffglühfäden verwendet. Dagegen enthalten moderne Glühlampen im Allgemeinen Glühfäden aus feinem Wolframdraht, dessen Schmelzpunkt bei 3 410 ºC liegt. Der Glühfaden befindet sich in einem geschlossenen Glaskolben. Der Kolben ist entweder evakuiert (gasfrei) oder mit Inertgas bzw. einer Inertgasmischung (z. B. Argon/Stickstoff) gefüllt, denn der erhitzte Glühfaden würde sonst mit der ihn umgebenden Atmosphäre chemisch reagieren. Die Verwendung eines Inertgases anstelle des Vakuums hat den Vorteil der langsameren Verdampfung des Glühfadens, so dass die Lampe eine höhere Lebensdauer aufweist. Die meisten modernen Glühlampen sind mit einer Mischung aus Argon und geringen Mengen von Stickstoff oder Krypton gefüllt.

3

Halogenlampen

Halogenlampen sind im Prinzip ähnlich aufgebaut wie Glühlampen. Sie sind allerdings wesentlich kleiner in ihren Ausmaßen und enthalten außer dem Inertgas auch geringe Mengen an Halogenverbindungen – meist handelt es sich dabei um flüchtiges Methyliodid bzw. -bromid. Der Glühfaden von Halogenlampen besteht ebenfalls aus Wolframdraht. Bei der Betriebstemperatur beginnt das Metall aus dem Draht zu verdampfen. Dieser Metalldampf reagiert mit der Halogenverbindung zum jeweiligen Wolframhalogenid (entweder zum Iodid oder Bromid). Das leichtflüchtige Wolframhalogenid gelangt durch die Wärmezirkulation wieder zurück zum Glühdraht. Dort schlägt sich das Halogenid an heißesten und damit dünnsten Stellen nieder. Bei der hohen Betriebstemperatur wird die Wolframverbindung zersetzt und in metallischen Wolfram und in freies Halogen umgewandelt. Auf diese Weise erklärt sich die relativ längere Lebensdauer sowie die höhere Lichtausbeute von Halogenlampen.

4

Weitere Lampentypen

Elektrische Entladungslampen beruhen auf der Ionisation und der resultierenden elektrischen Entladung von Dampf oder Gasen unter niedrigen Drücken, wenn elektrischer Strom sie durchfließt (siehe Ion). Ein bekanntes Beispiel für diesen Lampentyp ist die Quecksilberdampflampe, die ein intensives blaugrünes Licht ausstrahlt und u. a. zur Beleuchtung und in Scheinwerfern eingesetzt wird. Die umgangssprachlich als Neonröhren bezeichneten Leuchtröhren setzt man beispielsweise in der Leuchtwerbung ein. Glasähnliche durchscheinende Keramikröhren ermöglichten den Bau von Hochdruck-Natriumdampflampen mit bis dahin beispielloser Leuchtkraft.

Mit der Leuchtstofflampe liegt ein weiterer Typ der elektrischen Entladungslampe für allgemeine Beleuchtungszwecke vor. Ein Beispiel ist die Niedrigdruck-Quecksilberdampflampe. Das Innere der Glasröhre ist mit einem fluoreszierenden Material (Leuchtstoff) beschichtet. Leuchtstoffe haben unterschiedliche Zusammensetzungen – einige enthalten Seltenerdmetalle, wie z. B. Yttrium (Symbol Y) und Europium (Symbol Eu). Ein spezielles Beispiel wäre die Verbindung Y₂O₃, die man mit Europium dotiert. Diese Mischung leuchtet rot und wird u. a. in Bildschirmen für Computer verwendet. Die Strahlung im Lichtbogen der Dampflampe bringt den Leuchtstoff zum Fluoreszieren. Leuchtstofflampen besitzen zahlreiche entscheidende Vorteile. Durch die Wahl eines geeigneten Leuchtstoffes können derartige Lampen annähernd die Qualität von Tageslicht erreichen. Zudem ist der Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen sehr hoch. Eine Leuchtstoffröhre mit 40 Watt Energieaufnahme produziert so viel Licht wie eine 150-Watt-Glühlampe. Aufgrund der hohen Leuchtkraft erzeugen Leuchtstofflampen für eine vergleichbare Lichtmenge weniger Wärme als Glühlampen.

Die so genannte Elektrolumineszenz nutzt man z. B. in der Armaturenbeleuchtung aus. Für die Elektrolumineszenz werden Leuchtstoffpartikel in eine dünne Schicht nicht leitenden Materials wie z. B. Plastik eingelassen. Diese Schicht wird zwischen zwei Leiterplatten angebracht, von denen eine beispielsweise aus Glas besteht, das innen mit einem dünnen Film Zinnoxid beschichtet ist. An die beiden als Elektroden funktionierenden Leiterplatten wird eine Wechselspannung angelegt. Das Einsatzgebiet von diesen Leuchtanzeigen ist jedoch begrenzt, da für große Anlagen ein extremer Aufwand erforderlich ist. Siehe Lumineszenz

Eine Vielzahl verschiedener Arten von elektrischen Lampen wurde für spezielle Verwendungszwecke wie z. B. Photographie und Scheinwerfer entwickelt. Diese Lampen besitzen meist eine Bauform, die sie als Reflektoren wirken lässt (siehe Optik). Um eine bessere Lichtausbeute zu erzielen, wird eine Photolampe (Überspannungslampe) mit größeren Temperaturen betrieben, als normalerweise üblich ist. Die Lebensdauer dieser Lampen ist auf zwei bis drei Stunden begrenzt, während herkömmliche Glühlampen Lebensdauern von 750 bis 1 000 Betriebsstunden aufweisen. Photolampen verwendet man in der Hochgeschwindigkeitsphotographie, um einen einzelnen hochintensiven Lichtblitz für nur wenige Hundertstelsekunden zu erzeugen. Dies gelingt durch die Zündung eines Zirkoniumdrahtes in einer sauerstoffgefüllten Glaslampe. Die auf dem Prinzip der Gasentladung basierenden Röhrenblitze (Elektronenblitz) haben eine Blitzdauer unter einer Millisekunde (eine Tausendstelsekunde). Die ähnlich konstruierten Stroboskope liegen im Mikrosekundenbereich (eine Millionstelsekunde). Siehe Stroboskop