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Funktion einer Glühbirne

Die Glühbirne ist ein Temperaturstrahler: Ein Wolframdraht wird durch elektrischen Strom erwärmt (Ohmscher Widerstand) und strahlt ab etwa 700 °C für das menschliche Auge sichtbares Licht ab.

Die Temperatur bestimmt dabei sowohl die abgegebene Lichtmenge als auch den Farbeindruck des Lichts weswegen eine möglichst hohe Temperatur angestrebt wird. Begrenzend wirkt hier die Schmelztemperatur von Wolfram (3420 °C), wobei schon unterhalb der Schmelztemperatur die Verdampfung von Wolfram stark zunimmt, was die Lebensdauer verringert, und die Wolfram-Ablagerungen am Glaskolben die Lichtdurchlässigkeit verhindert. Die Temperatur des Drahtes liegt daher meist bei knapp unter 3'000 °C (ca. 2'700 Kelvin).

Wolfram ist fast ein sogenannter „grauer Strahler“: das abgestrahlte Spektrum entspricht dem Idealbild eines schwarzen Strahler, jedoch ist die Intensität um einen Faktor (Emissionsgrad) geringer. Für einen sehr eng gewendelten Wolframdraht kann der Emissionsgrad aber nahe an 1 heran reichen. Da Wolfram nur „fast“ ein grauer Strahler ist liegt die Farbtemperatur des Lichts knapp über der tatsächlichen Temperatur des Wolframdrahts.

Zur Erhöhung der Lichtausbeute und der Lebensdauer werden bei Glühbirnen zusätzliche Tricks angewendet:

  • Der Glaskolben wird mit einem schlecht wärmeleitenden Edelgas gefüllt, um die Wärmeverluste durch Wärmeleitung zu verringern. Solche Gase sind z.B. Argon oder Krypton. Durch Füllung mit einem lichtbogenunterdrückenden Gas (z.B. Stickstoff) sind außerdem höhere Spannungen bei geringem Abstand möglich. Aus Kostengründen wird der Glaskolben meist mit einem Stickstoff-Argon-Gemisch mit einem Druck von etwa 0,8 bar gefüllt.
  • Durch einen möglichst großen Glaskolben wird außerdem der Rückgang des Lichtstroms durch Wolframablagerungen verringert.
  • Durch einen doppelt gewendelten Draht werden zusätzlich die Wärmeverluste durch Konvektion verringert, da sich ein Volumen mit kleiner Oberfläche ausbildet in der keine Konvektion stattfinden kann (Langmuirschicht).

Die mittlere wirtschaftliche Lebensdauer einer Glühbirne beträgt 1.000 Stunden.

Glühbirnen wandeln die aufgenommene elektrische Energie sehr effizient (85%!) in optische Strahlung um [15]. Diese Eigenschaft macht sie in der Terraristik so beliebt als Wärmequelle. Leider ist aber der größte Teil der Strahlung Infrarotstrahlung, die für den Menschen nicht sichtbar ist. Nur 7% der elektrischen Leistung werden in sichtbares Licht umgesetzt.

Halogenlampen

Spektrum einer 50W Halogenglühlampe

Um die Nachteile durch die Verdampfung des Wolframs (Schwärzung des Kolbens, Durchbrennen des Drahtes) zu reduzieren ist bei Halogenlampen dem Füllgas eine geringe Menge von Halogenen (Flour, Chlor, Brom, Jod) oder Halogenverbindungen zugesetzt.

In der Glühbirne werden schnell Temperaturen erreicht, in denen die Halogen-Verbindung verdampft. Sobald die verdampften Wolfram-Atome des Glühdrahtes in die kühleren Bereiche am Rand des Glaskolbens diffundieren, gehen sie mit dem Halogenid eine chemische Verbindung ein, die eine Ablagerung am Glaskolben unmöglich macht. Bei höheren Temperaturen in der Nähe der Glühwendel bricht diese Verbindung wieder auf, und das Wolfram kann sich wieder an der Glühwendel ablagern. Dieser Wolfram-Halogenzyklus oder - da Sauerstoff grundsätzlich anwesend ist - Wolfram-Oxihalogenzyklus (mit Jod ist nur dieser Zyklus möglich, da Wolfram-Jodverbindungen nicht stabil sind) benötigt die Anwesenheit weiterer Elemente, wie Wasserstoff oder Kohlenstoff, und führt zur Ausbildung einer großen Zahl (>50) von Zwischenverbindungen.

Jod wird wegen hoher Absorption und violetter Farbstichigkeit nicht eingesetzt, Flour wird wegen starker Korrosionen der Halterungen nicht eingesetzt. In den meisten Halogenglühbirnen werden Bromverbindungen verwendet.

Da der Glaskolben nicht mehr geschwärzt wird, ist es möglich diesen wesentlich kleiner zu bauen. Damit erhöht sich auch die Druckfestigkeit des Glases und Füllungen mit Gasen, die die Verdampfungsgeschwindigkeit von Wolfram herabsetzen und somit die Lebensdauer erhöhen sind möglich. Durch den kompakteren Bau ergeben sich vielfältigere Einsatzmöglichkeiten, als bei den normalen Glübirnen.

Niedervolt-Halogenlampen

In Niedervolthalogenlampen fließt ein höherer Strom um die geringere Spannung auszugleichen. Das führt dazu, dass der Draht einer Niedervolthalogenlampe dicker sein muss. Dieser dickere Draht ist robuster, so dass die Niedervolt-Halogenlampe höhere Temperaturen verkraftet als die Hochvolt-Halogenlampe. Die Niedervolt-Halogenlampe kann bei höherer Temperatur ein helleres und weißeres Licht erzeugen als die Hochvolt-Halogen oder Glühlampe.

Wird ein elektrischer Widerstand $R$ an eine Spannung $U$ angeschlossen, so fließt ein Strom der Stärke $I = U/R$. Die Leistung $P = U\cdot I = U^2/R$ erwärmt den Widerstand und führt im Fall der Wolframwendel dazu, dass Wärmestrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich abgestrahlt wird. Eine Hochvoltlampe wird mit $U=230V$ betrieben. Für $P=60W$ Leistung muss der Widerstand der Glühwendel $R=U^2/P=(230V)^2/60W=880\Omega$ gewählt werden. In diesem Fall fließt ein Strom der Stärke $I=P/U=60W/230V=260mA$. Bei einer Niedervoltlampe, die nur mit $U=12V$ betrieben wird, benötigt dieselbe Leistung von $P=60W$ einen Widerstand von nur $R=U^2/P=(12V)^2/60W=2,4\Omega$. Der Strom ist allerdings deutlich größer: $I=P/U=60W/12V=5A$. Der Widerstand eines Drahtes hängt vom Material (spezifischer Widerstand $\rho$), vom Querschnitt $A$ und der Länge $L$ ab: $R=\rho\cdot L/A$. Die Glühwendel für die Niedervoltbirne hat also einen größeren Durchmesser und eine kürzere Länge, als die Glühwendel für die Hochvoltbirne. Die Glühwendeln von Niedervoltlampen sind daher sehr viel robuster als die Glühwendeln von Hochvoltlampen. Die Lebensdauer von Niedervoltlampen ist höher. Außerdem verträgt die robustere Glühwendel die stärkere Belastung durch eine höhere Temperatur besser. Im Vergleich zu Hochvoltlampen kann man die Farbtemperatur und damit auch den Wirkungsgrad erhöhen.

Umgang mit Infrarotstrahlung

Glühlampen geben den Großteil ihr Strahlung als Infrarotstrahlung ab und erwärmen damit den Raum stark. Was in der Terraristik meist erwünscht ist, ist in den meisten anderen Fällen unerwünscht. Heutzutage weicht mach dann oft auf andere Lampentechnologien (z.B. LED) aus. Es gibt aber auch zwei Varianten die Infrarotstrahlung bei Glühlampen zu reduzieren. Wegen der kompakteren Bauform und höheren Effizienz werden die Methoden nur bei Halogenlampen genutzt.

Bei Kaltlichtspiegel-Halogenspots reflektiert der Spot-Reflektor nur das sichtbare Licht nach vorne, die Infrarotstrahlung durchdringt den Spiegel und wird nach hinten abgestrahlt. Dort kann die Wärme durch Kühlsysteme oft besser abgeführt werden.

Bei Halogenbirnen mit Interferenzfilter (Dichroitischem Filter) lässt das Schutzglas nur die sichtbare Strahlung durch und reflektiert die Infrarotstrahlung zurück in die Lampe. Hier wird die Wärme nicht ungenutzt nach hinten abgestrahlt sondern bleibt in der Lampe um die Glühwendel aufzuheizen.

Halogenglühlampe ohne Infrarotfilter
Halogenglühlampe mit Infrarotfilter

UV-Strahlung

Glühlampen können physikalisch bedingt keine großen Mengen an UV-Strahlung abstrahlen. Wolfram ist ein grauer Strahler, der bei der Temperatur von ca. 2‘800 K (Glühlampe) bis 3‘300 K (Halogenlampe) hauptsächlich Infrarotstrahlung und nur wenig sichtbares Licht mit deutlichem Gelb-Rot-Stich abstrahlt. Das Spektrum von Glüh- und Halogenlampen beginnt erst bei ungefähr 300 nm und ist im UV- und Blaubereich sehr schwach. Selbst im roten Spektralbereich ist die Glühbirne in allen sinnvollen Abständen wesentlich dunkler als das Sonnenlicht (typisch < 3'000 lx im Vergleich zu 100'000 lx). Die absolute UV-Menge ist daher verschwindend gering.

Trotzdem hält sich hartnäckig die Empfehlung, bei Halogenglühbirnen das Schutzglas zu entfernen, um die Lampen als UV-Beleuchtung zur Vitamin-D-Synthese zu verwenden. Die Empfehlung fußt vermutlich auf einen wahren Kern gepaart mit einigen Missverständnissen. Der wahre Kern ist, dass insbesondere Niedervolt-Halogenlampen UV abstrahlen. Durch Interferenzfilter (Dichroitische Filter) kann der Infrarotanteil der Lampen herausgefiltert werden, so dass der relative Anteil der UV-Strahlung ansteigt. Diese Lampen werden in Versuchen in der Medizin und Biologie verwendet und verursachen in kurzem Abstand schwere Schäden durch UVB und UVC-Strahlung [857]; [858]; [854]; [853]; [851]. Allerdings ist die absolute Menge der Strahlung sehr gering, besonders in dem Abstand in dem die Lampen üblicherweise wegen der Temperatur im Terrarium eingesetzt werden.

2016 waren 220V-Halogenlampen ohne Schutzglas im Handel erhältlich, die ihre Strahlung auf einen kleinen Punkt fokussierten [1040]. In 30 cm Abstand wurden 71'300 lux und eine Oberflächentemperatur von knapp 100 °C gemessen. Spektral ermittelt lag die UV-Bestrahlungsstärke bei 12 µW/cm² UVC, 25 µW/cm² UVB und 440 µW/cm² UVA. Solarmetermesswerte waren 40 µW/cm² (SM 6.2) und UVI 5.9 (SM 6.5). Es ist realistisch, dass Reptilienhalter die Lampe mit 30 cm Abstand im Terrarium einsetzen ohne Temperatur und UV-Strahlung zu messen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass das Terrarium durch die große Hitze Feuer fängt oder das Tier durch die UVC-Strahlung und Hitze schwere Verbrennungen erleidet.

Diese Lampen sind aber ein extremes Beispiel. Bei den meisten Halogenlampen ist keinen nennenswerte UV-Strahlung messbar [175]; [170]. Lediglich bei sehr leistungsstarken Lampen kann in kurzem Abstand eine geringe UVB-Strahlung gemessen werden - wegen der enormen Hitze kann die Lampe in dem Abstand aber nicht eingesetzt werden.

Lampe Gemessene UV-Strahlung Quelle
500 W 110 V Halogenlampe ohne Schutzglas 64 µW/cm² UVB (SM6.2) in 30 cm Abstand
8 µW/cm² UVC (SM8.0) in 30 cm Abstand
[175]
1000 W 220 V Osram Halogen-Studiolampe (64580) ohne Schutzglas 50 µW/cm² UVB (SM6.2) in 30 cm Abstand [170]
500 W 220 V Halogen Deckenstrahler ohne Schutzglas UVI (Spektral) 1,52 in 30 cm Abstand [851]
50 W 12 V Quartz-Halogenlampe 1,4 % des UVBs der Mittagssonne in 50 cm Abstand
in 1 cm Abstand ähnliche UVA-Strahlung wie Sonnenlicht, aber 0,3 µW/cm²/nm bei 254 nm im Vergleich zu «0,01 µW/cm²/nm der Mittagssonne und 3 µW/cm²/nm bei 290 nm im Vergleich zu 0,0006 µW/cm²/nm der Mittagssonne
[857]

Ich warne ausdrücklich davor, bei Halogenlampen das Schutzglas zu entfernen. Der Nutzen ist praktisch nicht vorhanden, die Gefahr, dass der Glaskolben im Betrieb zerbirst oder wegen der fehlenden Streuscheibe Brennpunkte (sowohl Hitze als auch UVC) entstehen, ist zu hoch.

Literatur

[15] Coaton, J. R. & Marsden, A. M. (Eds.), (1996) Lamps and Lightning Butterworth Heinemann.
[857] Bloom, E., Cleaver, J., Sayre, R., Maibach, H. & Polansky, J. (1996) Halogen lamp phototoxicity. Dermatology, 193 207–211 URL http://dx.doi.org/doi:10.1159/000246247.
[858] Klein, R. S., Sayre, R. M., Dowdy, J. C. & Werth, V. P. (2009) The risk of ultraviolet radiation exposure from indoor lamps in lupus erythematosus. Autoimmunity Reviews, 8 320–324 URL http://dx.doi.org/http: ... 16/j.autrev.2008.10.003.
[854] De Flora, S. & D'Agostini, F. (1992) Halogen lamp carcinogenicity. Nature, 356 URL http://dx.doi.org/doi:10.1038/356569a0.
[853] D'Agostini, F., Caimo, A., De Filippi, S. & De Flora, S. (1999) Induction and prevention of micronuclei and chromosomal aberrations in cultured human lymphocytes exposed to the light of halogen tungsten lamps. Mutagenesis, 14 433–436 URL http://dx.doi.org/10.1093/mutage/14.4.433.
[851] MacKinlay, A. F., Whillock, J. & Meulemans, C. C. E. (1989) Ultraviolet Radiation and Blue-Light Emissions from Spotlights Incorporating Tungsten Halogen Lamps National Radiological Protection Board http://books.google.de/books?id=eQjpPQAACAAJ.
[1040] Baines, F. M. (2016). Fuxin UVA+UVB 3.0 / Reptile Structure Halogen Lamp UVB 3.0 / PAR 20 100W 220-230V lamp Test Report for UV Guide UK..
[175] Baines, F. M., Beveridge, A., Lane, R. & MacCargar, B. (2005). Tungsten Halogen “Dichroic” Lighting: Unsuitable for Supplying UVB light to Reptiles..
[170] Baines, F. M. (2005). Measurement of UVB output from Household Lamps (Incandescent and Compact Fluorescent) and a few other incandescent "non-UVB" lamps..

Diskussion

test188.98.109.47, 2014/03/05 00:00

Cool wie das alles erklärt ist es hilft mir naämlich sehr bei meinem referat

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glueh/funktion.txt · Zuletzt geändert: 2017/08/11 09:42 von sarina

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