physikBlog

In der neuen Reihe »physikBild« lassen wir uns von irgendwelchen schönen Bildern (z.B. von Flickr) inspirieren, einen bestimmten Sachverhalt näher zu erläutern.¹

Eine Glühlampe geht kaputt, einfach so. Gehören sie einer aussterbenden Art an? (Bild: Cayusa)

Licht.
Kennt ihr sicherlich.
Eine ziemlich praktische Erfindung — schließlich können wir nur dadurch etwas sehen.
Kommt gehäuft in Sternen, Raketenstarts und in Katzenaugen² bei Fotografien mit Blitzlicht vor. Weil Katzen und Blitzlichtgewitter als Beleuchtungsquelle relativ unpraktisch sind³, Sterne nur schwer in die Wohnung passen und Raketenstarts immer soviel Dreck im Badezimmer hinterlassen, haben sich kluge Männer damals^TM etwas tolles ausgedacht:   Das Feuer   Die Glühlampe.

Lange Zeit war sie die Standard-Lichtquelle für den privaten Hausbedarf, doch man sagt ihr entschiedene Nachteile nach. Zu ineffizient soll sie sein. Man müsse ja jetzt auf die Umwelt achten und so.
Wir vom physikBlog sind da prinzipiell auch für, wollen aber doch etwas konkreter wissen, warum Glühbirnen⁴ angeblich so ineffizient sind.

Dieser Glibber leuchtet, weil er verdammt heiß ist. (Bild: j o s h)

Dafür muss ich ein wenig ausschweifen, wobei der Aufbau der Glühlampe denkbar einfach ist: In einem mit speziellem Gas gefüllten Glaskolben befindet sich ein Draht, der durch die beim elektrischen Widerstand entstehende Wärme mit ca. 2400°C anfängt zu leuchten. Richtig, er leuchtet, weil es warm ist, nicht weil irgendwelche Moleküle einen chemischen Bewusstseinssprung machen.⁵ Diesen Effekt kennt ihr auch bei der Heizspirale im Ceranfeld-Herd, den glühenden Kohlen und der Sonne. Sie alle leuchten, weil sie heiß sind.

Anders ausgedrückt kann man auch sagen, sie strahlen. Zwar nicht vor Freude und auch nicht radioaktiv, aber trotzdem elektromagnetisch.⁶ Das Tolle⁷ an der Geschicht ist nun, dass man verstanden hat, wie etwas, das heiß ist, strahlt. Nämlich so:

Das Ungetüm entstammt dem Planckschen Strahlungsgesetz und beschreibt, welche Arten bzw. etwas physikalischer welche Frequenzen () der elektromagnetischen Strahlung wie häufig vorkommen.

Die Strahlungsverteilung für eine Glühwendel mit einer Temperatur von etwa 2700K (~2400°C).

Gezeichnet⁸ erkennt man ziemlich direkt, dass nur ein kleiner Teil den Bereich des sichtbaren Lichts abdeckt. Um genau zu sein nur ca. 8% der Gesamtfläche unter dem Graphen — was der ausgesendeten Energie entspricht. Mit anderen Worten: 92% der Strahlungsenergie werden in nicht erwünschte elektromagnetische Strahlung umgesetzt, das Meiste in infrarotes Licht, auch Wärmestrahlung genannt.
Das ist dann auch der Grund, warum die Dinge so verdammt heiß werden.

Eine Glühbirne im harten Alltagseinsatz verstrahlt Wärme – und ein bisschen Licht. (Bild: thepartycow)

Die 8% Effizienz werden noch ein bisschen gedrückt, weil es noch weitere Effekte gibt. So ist das oben nur eine sehr vereinfachte⁹ Modellrechnung, in der Realität wird das nochmal ein paar Castortransporte komplizierter. Andererseits wird das Gas am Glühfaden erhitzt (es nimmt Energie vom Draht auf) und transportiert die Wärme im Kolben, so dass sich die gesamte Lampe aufwärmt. Durch geschickte Wahl des Füllgases¹⁰ kann man diesen Effekt minimieren.

Alles in Allem kann man sagen, dass eine Standard Glühllampe eine Lichtausbeute von ca. 3% hat, also schockierend wenig. So gesehen, ist die Förderung des Umstiegs auf Energiesparlampen gar nicht so verkehrt, wenngleich es damit natürlich auch noch so das ein oder andere Problemchen gibt. Im Endeffekt wollen wir schließlich alle auch noch in 20 Jahren Pinguine das (natürliche) Eis entlangrutschen sehen…

So, und als Hausaufgabe dürft ihr nun die Strahlungsformel auswendig lernen und mindestens zweimal im Alltag anweden. Z.B. wenn ihr Lava vorbeifließen seht oder mal wieder jemanden zur Weißglut gebracht habt. Ergebnisse vergleichen wir dann nächste Woche.

→ Wikipedia-Artikel zur Glühlampe: deutsch | englisch

1. Interessanterweise klappt das direkt beim ersten Bild nicht: es war mit normalem Copyright geschützt und der Autor hat auf meine Anfrage bisher nicht geantwortet. Also doch CC-Bilder. [↩]
2. Also die Augen von Katzen, nicht Katzenaugen. Ihr wisst schon. [↩]
3. Das Weglaufen. Das Haaren. Ihr wisst schon. [↩]
4. die umgangssprachliche Bezeichnung [↩]
5. oder in Wissenschaftssprech: angeregt werden [↩]
6. Kurz zur Erinnerung: Licht ist elektromagnetische Strahlung, genau wie die Funkwellen fürs Radio oder Handy. Nur mit unterschiedlicher Frequenz. [↩]
7. jedenfalls für einen Physiker [↩]
8. Als Grenzen für den sichtbaren Bereich wurden 380-780nm angenommen. Das ROOT-Script gibt es hier. [↩]
9. Ja, einfach. Relativ jedenfalls. [↩]
10. Man wählt möglichst schwere Moleküle/Atome, die dadurch nur langsam die Energie aufnehmen und abtransportieren können. [↩]