4.1 Geschichte der Beleuchtung bis in die erste Hälfte des 20.Jahrhunderts
Schon seit jeher war der Mensch bemüht die Dunkelheit zu erleuchten. In der Steinzeit war es das Feuer was den Menschen durch seine Helligkeit beglückte. Die Entwicklung lief weiter zur Fackel und zum Kienspan. Um 18.000 vor Christus gab es die ersten primitiven Steinlampen. Diese bestanden aus einer ausgehöhlten Schieferplatte, gefüllt mit Fett und versehen mit einem Docht.
Die ersten Hochkulturen entwickelten kunstvoll verzierte Öllämpchen. Mit denen sie ihre Räumlichkeiten beleuchteten. Die Chinesen kannten sogar schon die Möglichkeit mit Gas Licht zu erzeugen. Im 2. Jahrhundert nach Christus spielte bei den Römern die Kerze eine immer größer werdende Rolle. Das lateinische Wort "Cereus" bezeichnet ein kurzlebiges Wachslicht, welches mit einem Docht versehen ist. Das Christentum mit seinen Gebräuchen und Traditionen sorgte für die rasche Verbreitung der Kerze. Mit der Entdeckung von Bienenwachs wurde die Kerzenentwicklung im Mittelalter revolutioniert. Allerdings war dieser kostbare Werkstoff nur der Kirche und den Reichen vorbehalten. Der arme Durchschnittsmensch musste sich mit Kerzen aus Rindernierenfett und Hammeltalg begnügen. Allerdings mussten die Kerzen ständig geputzt werden. Der abgebrannte Docht bedurfte andauernd eine Kürzung um Tropfen und Rußen zu vermeiden, sodass sogar Goethe sagte: "Wüßte nicht, was sie besseres erfinden könnten, als daß die Lichter ohne Putzen brennten."
Die industrielle Revolution brachte nicht nur einen wirtschaftlichen Aufstieg mit sich, sondern auch das Gaslicht. Der Vorteil dieser Lichtquelle liegt klar auf der Hand. Gaslicht ist regulierbar und zuverlässiger als alle bisher bekannten Beleuchtungsformen. Das Gaslicht eroberte die Straßen in Form von Gaslaternen alle größeren Städten und löste die schon bestehende Öllampenbeleuchtung ab. Allerdings hat dieses Licht den Nachteil, dass die Verbrennung die Raumluft stark belastet. Es kommt zu einer höheren Wärmeentwicklung und der Sauerstoffanteil in der Luft wird dezimiert. Zudem besteht die Gefahr, dass das verwendete Gas explodieren könnte.
Deshalb kam man in den 30ern und 40ern des 19.Jahrhunderts auf die Idee glühende Drähte zu benutzen um Licht zu erzeugen. Man begann mit Platin- und Kohlestiften zu experimentieren. Doch stellten sich den Pionieren der Glühlampenforschung große Probleme in den Weg. Damit der Draht glühte und nicht verbrannte, war ein Vakuum nötig. Doch gab es bisher nur schlechte Vakuumpumpen. Zudem verglühten die Platindrähte sehr schnell und Strom gab es lediglich aus Batterien. Erst im als Jahr 1866 Walter von Siemens den Dynamo erfand gab es einen konstanten Stromfluss. Die erste Glühlampe wurde allerdings schon 12 Jahre davor mit galvanischen Batterien betrieben. Der Glühfaden bestand aus Bambusfasern und der glückliche Erfinder war Heinrich Goebel. Freuen konnte er sich an seiner Erfindung nicht besonders, denn seine Erfindung wurde nicht weiter beachtet, weil einfach noch die Stromversorgung und damit auch der Verwendungszweck fehlten. Und so diente seine Erfindung nur als Schaufensterschmuck.
Auch Thomas Alva Edison begann sich mit dem Thema Glühlampe zu befassen. Weil er erkannte, dass die Gaslampe von besseren Technologien abgelöst werden musste. Deshalb forschte er mit verschiedenen Glühfadenmaterialien und Glaskolben. Er machte sich mit den physikalischen Eigenschaften vertraut und kam zu der Erkenntnis, dass ein Kohlefaden sich besser eignet als das bisherige Platin. Am 19.10.1879, also ein Viertel Jahrhundert nach Goebel, hatte Edison Erfolg. Sein Kohlefaden hatte einen Schmelzpunkt von 2100 Grad. Weil Edison auch an die Vermarktung seines Produktes dachte, hatte er einen bedeutenden Vorteil gegenüber anderen Glühlampenforschern. So forschte und arbeitete er weiter an Stromleiter, Schalter, Lampenfassungen und Verteilern. Unser heutiges Schraubengewinde stammt noch aus dieser Zeit. (siehe Anhang Abb.11) Um 1900 herum ersetzte Carl Auer den Kohlefaden durch Metallfäden. Er entwickelte einen Draht aus Osmium, welcher bei hundert Prozent Helligkeit, im Vergleich zur Kohlefadenlampe, nur fünfzig Prozent Leistung benötigt. 1903 baute man in Berlin die erste Tantallampe. Die Tantaldrähte konnten, im Gegensatz zu den Osmiumdrähten, die in einem aufwendigem Spritzverfahren produziert wurden, leichter hergestellt werden. Die Besonderheit der 70 Zentimeter langen Tantaldrähte war, dass sie zickzackförmig in den Kolben gespannt wurden. Im Jahr 1905 entwickelte die inzwischen gegründete Auergesellschaft Glühfäden aus Wolfram. Die Wolframdrähte haben einen Schmelzpunkt von 3410 Grad und werden auch heute noch verwendet. 1912 führte man die Gasfüllung und den Drahtwendel ein. Zur Füllung verwendete man Krypton und Xenon. Als im Jahr 1934 der Doppelwendel (siehe Anhang Abb. 12) eingeführt wurde, konnte die Leistung der Glühlampe um weitere 20% gesteigert werden und die heutige Bauform war erreicht.
4.2 Die Entwicklung in Richtung Strom und Energie sparen
4.2.1 Die Energiesparlampe
Die Energiesparlampe ist mit in die Klasse der Leuchtstofflampen zur rechnen (siehe Anhang Abb.13 und Abb.14). Zwar sind die Anschaffungskosten im Vergleich zur Glühlampe etwas höher, doch lässt sich dies durch ihre höhere Effizienz wieder wettmachen. Eine Energiesparlampe setzt 25% der eingesetzten Energie in Licht um. Eine normale Glühlampe im Vergleich nur 1 bis 3%. Gute Glühlampen schaffen sogar bis zu 10% doch bleiben sie damit trotzdem hinter der Effizienz der Energiesparlampe zurück Des Weiteren hat eine Energiesparlampe die 8-12fache Lebensdauer einer Glühlampe also ungefähr 8000-12000 Stunden. Ein weiterer Vorteil ist ihr geringer Stromverbrauch. Bis zu 80% weniger Energie für die gleiche Lichtmenge. Um dies zu verdeutlichen haben wir ein Diagramm angefertigt (siehe Anhang Abb.15). Im Diagramm soll die Lichtmenge, angegeben in Lumen, mit der jeweiligen Wattzahl verglichen werden. Bei Hundert Lumen Lichtmenge benötigt eine normale Glühlampe eine Leistung von 15 Watt. Eine Stromsparlampe lediglich nur 3 Watt. Verdoppelt man die Lichtmenge steigt die Leistung bei der Glühlampe auf 25 Watt, die der Stromsparlampe auf 6 Watt. Um eine Lichtmenge von 700 lm zu erzeugen braucht eine normale Glühlampe 60 Watt, wogegen eine Energiesparlampe mit 13 Watt auskommt. Man kann dem Diagramm entnehmen das die Energiesparlampe beinahe konstant mit einem Fünftel der Leistung einer Glühlampe auskommt.
Durch einen konsequenten Einsatz von Energiesparlampen ließen sich in Deutschland jährlich in 2 Milliarden Kilogramm Kohlenstoffdioxid einsparen.
Eine Energiesparlampe besteht aus drei Teilen. Dem Sockel mit Gewinde, dem Vorschaltgerät und den Leuchtstoffröhrchen. Ein Vorschaltgerät besteht aus einem Glättungskondensator, einer Lampenzündung, einem Steuertransformator, einem Strombegrenzer und einem Hochfrequenzgenerator. Das Vorschaltgerät ist für den Start der Lampe und für die Strombegrenzung verantwortlich. Für die Lampenzündung muss die Wendelelektrode kurz vorgeheizt werden. Dazu wird eine Spannung von mehreren 100 Volt benötigt, die der Steuertransformator aufbaut. Der Hochfrequenzgenerator wandelt die Netzfrequenz von 50 Hertz auf 40 kHz um. Nach dm zünden der Lampe, darf der Elektronenfluss an der Elektrode nicht zu groß werden. Deshalb wird der Strombegrenzer, in Form einer Drossel, benötigt. Der Glättungskondensator sorgt für ein flimmerfreies Licht. Wegen der Größe der Drossel haben die Vorschaltgeräte der älteren Bauart noch ein beträchtliches Volumen. Da man heute elektrische Vorschaltgeräte verwendet sind sie bedeutend keiner geworden. Das Leuchtstoffröhrchen, besteht aus einer Wendelelektrode und einem Glaskörper. Im Glaskörper befindet sich ein Gas was einen geringen Anteil an Quecksilber enthält. Die Innenseite des Glaskörpers ist mit einer Leuchtschicht versehen. Wenn die Wendelelektrode nun erhitzt ist treten Elektronen aus. Dadurch werden die Quecksilberatome zur Abgabe von unsichtbarer UV-Strahlung angeregt. Auf der Leuchtstoffschicht wird diese Strahlung dann in sichtbares Licht umgewandelt.
4.2.2 Die Halogenlampe
Die Halogenlampe ist eine Weiterentwicklung der Glühlampe. Sie ist ebenfalls ein Temperaturstrahler und im Grunde genommen genauso aufgebaut wie eine Glühlampe. Die erste Halogenlampe wurde im Jahr 1958 hergestellt. Sie besitzt einen kleineren Glaskolben als die Glühlampe, der aus Quarzglas oder Hartglas besteht. Der Glühwendel der Halogenlampe ist um einige hundert Grad höher. Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Theoretisch gesehen müsste die Halogenlampe dadurch eine viel kürzere Lebensdauer besitzen, weil das Wolfram viel schneller abdampft. Das Abdampfen lässt sich nicht verhindern. Durch Halogene kann man das Wolfram jedoch an die Wendel zurückführen. Als Halogen verwendete man früher Jod. Heute sind die meisten Lampen allerdings mit Brom gefüllt. Bromverbindungen sind weniger aggressiv und machen eine maschinelle Fertigung möglich. Die abgestrahlten Wolframatome verbinden sich bei einigen hundert Grad mit dem Halogen zu Wolframhalogenid. Gerät diese Verbindung an den Glühwendel, der eine Temperatur von 2600-3000 Grad Celsius hat, zerfällt das Wolframhalogenid wieder in Wolfram und das verwendete Halogen. Das Wolfram wird wieder am Glühwendel angelagert. Durch diesen Kreislaufprozess ist eine längere Lebensdauer der Lampe, trotz erhöhter Temperatur möglich. Der Kreislauf funktioniert allerdings nur wenn sich das Gas nicht am Glaskolben abkühlen kann. Deshalb muss der Glaskolben, so klein wie nur möglich gewählt werden.
Da sich das Wolfram nicht gleichmäßig an den Glühwendel anlagert, ist auch der Wendel jeder Halogenlampe irgendwann einmal durch. Dadurch entsteht ein heißer Lichtbogen. Der ohmsche Widerstand im Lichtbogen ist geringer als der im Wendel, deshalb nimmt der Strom schlagartig zu und die Lampe könnte explodieren. Durch die moderne Technik ist dieses Risiko allerdings als gering einzustufen. Durch die Reflektortechnik wird das Licht der Halogenlampe meist als unangenehm empfunden. Deshalb wird diese Lampenart häufig als Deckenfluter eingesetzt. Ein weiterer Nachteil ist ihr Schattenwurf.
Eine Halogenlampe setzt ungefähr 90% der zugeführten Energie in wärme um und 10% in Licht.
4.2.3 Die Metalldampf-Hochdrucklampe
Metalldampflampen unterscheidet man in Hochdruck- und Niederdrucklampen. Die Hochdrucklampen haben eine kleinere Bauform. Die verwendeten Metalle weisen einen niedrigen Schmelzpunkt und eine niedrige Ionisierungsenergie auf, damit die Temperatur an den Elektroden so gering wie möglich ist. Denn je geringer die Temperatur umso niedriger ist der Verschleiß. Deshalb benutzt man Natrium und Quecksilber. Metalldampflampen sind genau wie Energiesparlampen in die Klasse der Leuchtstofflampen zu rechnen. Die Temperatur um den gewünschten Druck von ein bis zehn bar zu erreichen liegt bei 600-800 Grad Celsius. Das ist zwar ziemlich heiß, doch immer noch bedeutend weniger als bei einer Glühlampe.. Des weiteren benötigt man spezielle Vorschalt- und Zündgeräte und es dauert einige Minuten bis die Lampe mit voller Leistung strahlt. Trotzdem rechnen sich Metalldampfhochdrucklampen, da ihre Herstellung billig ist. Die Quecksilberlampen setzt man meistens in Warenhäusern und Stadien ein. Die ersten Quecksilberdampf-Hochdrucklampen setzte man 1933 ein. Seitdem haben sie sich in ihrer Effizienz nicht wesentlich verändert. 1936 betrug die Lichtausbeute 46 lm pro Watt und 1988 52 lm pro Watt. Die Natriumlampen verwendet man in der Pflanzenindustrie. Ihr gelbliches Licht regt das Wachstum an. Aufgrund der weltweiten unterschiedlichen Netzspannungen, ist es nicht gelungen ein einheitliches Lampensystem für Metalldampf-Hochdrucklampen zu schaffen.
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