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.

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.