Die Glühbirne ist einer der frühesten und einflussreichsten Leuchtmitteltypen, die unseren Alltag erhellen. Ihr einfaches, aber effektives Funktionsprinzip hat die Entwicklung moderner Lichtquellen stark beeinflusst. Dieser Artikel erklärt detailliert, wie eine Glühbirne funktioniert, welche Materialien und technischen Konzepte dahinterstecken und wie sie sich im Vergleich zu zeitgenössischen Leuchtmitteln schlägt.
Aufbau und Funktionsprinzip
Im Kern besteht eine klassische Glühbirne aus einem dünnen Glühfaden (Filament), der in einer Glaskolbenschale eingeschlossen ist. Dieser Glaskolben wird evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt, um Oxidation des Filaments zu verhindern. Der elektrische Anschluss erfolgt über zwei Metalldrähte, die das Filament in Serie mit dem Stromnetz schalten.
Wenn Elektrizität durch den Glühfaden fließt, entsteht durch den elektrischen Widerstand eine starke Wärmeentwicklung. Das Filament erhitzt sich auf Temperaturen von etwa 2.200 bis 2.700 °C. Bei diesen Temperaturen beginnt das Material zu glühen und gibt sichtbares Licht ab. Dieses Phänomen wird als Thermisches Strahlen oder Schwarzkörperstrahlung bezeichnet.
- Stromversorgung: Wechselspannung aus dem Stromnetz.
- Glühfaden: Meist Wolfram aufgrund seines hohen Schmelzpunkts.
- Kolbenfüllung: Vakuum oder Edelgas (z. B. Argon, Stickstoff).
- Glasgehäuse: Schützt den Faden und hält die Füllung.
Der elektrische Widerstand des Wolframfadens bestimmt das Verhältnis von Stromstärke zu Spannung. Beim Aufheizen entsteht ein Gleichgewicht aus Energieinfluss und Strahlungsverlust, das die Betriebstemperatur stabilisiert.
Materialien und technische Ausführung
Die meisten traditionellen Glühbirnen nutzen Wolfram als Filamentmaterial. Wolfram zeichnet sich durch einen extrem hohen Schmelzpunkt (3.422 °C) und eine gute mechanische Stabilität aus.
- Filament: Aus Wolframdraht, oft spiralig aufgewickelt, um die Länge im Gehäuse zu maximieren.
- Gehäuse: Glas oder Quarz, durchsichtig und hitzebeständig.
- Vakuum beziehungsweise Gasfüllung: Verhindert Oxidation und verdampft weniger Wolfram – erhöht so die Lebensdauer.
- Kochsalz-Halogen-Technik: Spezielle Halogenlampen nutzen Iod- oder Bromverbindungen, um verdampftes Wolfram im Rückkehrzyklus wieder auf den Faden zu transportieren.
Bei Halogenlampen wird das Prinzip erweitert: Das Halogen-Gas verbindet sich mit verdampftem Wolfram und transportiert es zurück an den Glühfaden. Dadurch hält der Glühfaden deutlich länger, und die Lampe kann bei höheren Temperaturen betrieben werden. Höhere Temperatur bedeutet ein besseres Farbspektrum und eine erhöhte Effizienz.
Thermodynamik und Lichtproduktion
Die Strahlung einer Glühbirne folgt dem Planckschen Strahlungsgesetz. Dabei hängt das Spektrum der emittierten Strahlung von der Temperatur des Filaments ab. Je höher die Temperatur, desto größer ist der Anteil des sichtbaren Lichts.
Ein Filament bei etwa 2.700 K emittiert vorwiegend sichtbare Strahlung und einen erheblichen Anteil an Infrarotlicht. Dieser Wärmestrahlungsverlust erklärt den geringen Wirkungsgrad: Nur circa 5–10 % der zugeführten elektrischen Energie wird in sichtbares Licht umgesetzt, der Rest geht als Wärme verloren.
- Schwarzkörperspektrum: Abhängigkeit von der Temperatur.
- Sichtbarer Anteil: Schwerpunkt im gelb-roten Bereich.
- Infrarotanteil: Verursacht Wärmeabgabe.
- Farbtemperatur: Warmweiß (~2.700 K), Tageslicht (~6.500 K) nur in Spezialausführungen erreichbar.
Vergleich mit modernen Leuchtmitteln
Im Vergleich zu Glühbirnen bieten moderne Leuchtmittel wie Energiesparlampen (Kompaktleuchtstofflampen), LED-Lampentechnik und Halogenlampen signifikant höhere Effizienz und längere Lebensdauer.
- Kompaktleuchtstofflampen: Verwenden Gasentladung und Leuchtstoffe, um Licht zu erzeugen. Etwa 4–5× effizienter als Glühbirnen.
- LED-Lampen: Wandeln elektrische Energie direkt in Licht um, ohne thermischen Umweg. Effizienz von bis zu 150 lm/W gegenüber 10–15 lm/W bei klassischen Glühbirnen.
- Halogenlampen: Fortschritt gegenüber einfachen Glühbirnen, aber Effizienzgewinne sind begrenzt.
Obwohl Glühbirnen heute vielfach durch sparsamere Leuchtmittel ersetzt wurden, bleiben sie aufgrund ihrer Einfachheit, des angenehmen Lichtspektrums und der einfachen Dimmbarkeit nach wie vor in speziellen Anwendungsbereichen beliebt.
