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Elektrische Lichtquellen in Wohnung und Haushalt

Elektrische Lichtquellen in Wohnung und Haushalt

Die Animation zeigt die in Wohnungen gebräuchlichen Lichtquellen, ihre Funktion und Eigenschaften.

Technik

Schlagwörter

Lichtquelle, Beleuchtung, Lampe, traditionelle Glühbirne, Halogenglühlampe, Kompaktleuchtstofflampe, LED, Glühlampe, Lebensdauer, Glühfaden, LED-Lampe, LED-Chip, Mittelrahmen, fluoreszierende Schicht, Elektronik, elektrischer Strom, Elektrode, Licht, Edison, Thomas Edison, Wärmestrahlung, elektromagnetisch, sichtbares Licht, Wärmeleiter, Lichtschalter, Atomorbital, Widerstand, Teilchenphysik, Atomphysik, Technik, Physik

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3D-Modelle

Lichtquellen

  • Traditionelle Glühlampe - Durch den aus Wolfram bestehenden Glühfaden fließt Strom, der den Glühfaden zum Leuchten bringt und Licht erzeugt. Die Lebensdauer liegt bei ca. 1.000 Stunden.
  • Halogenglühlampe - Ihr Funktionsprinzip ist das Gleiche, wie bei der traditionellen Glühlampe, aber ihre Lebensdauer ist länger. Grund dafür ist, dass sich in ihrem Kolben Halogenatome befinden, die die verdampften Wolframatome in den Glühfaden zurückführen. Die Lebensdauer liegt bei ca. 1.500–5.000 Stunden.
  • Kompaktleuchtstofflampe - In ihr befinden sich Edelgase und Quecksilberatome. Bei Stromzufuhr geben die Quecksilberatome UV-Photonen ab. Diese werden von der fluoreszierenden Schicht der Leuchtröhre verschluckt und stattdessen werden sichtbare Photonen abgegeben. Die Lebensdauer liegt bei ca. 10.000 Stunden (dem 10-fachen einer traditionellen Glühlampe).
  • LED - Die Leuchtdioden funktionieren energiesparend und ihre Lebensdauer ist lang: ca. 100.000 Stunden (das 100-fache einer traditionellen Glühlampe).

Traditionelle Glühlampe

In der traditionellen Glühlampe fließt durch den aus Wolfram bestehenden Glühfaden Strom, der diesen zum Leuchten bringt und somit Licht erzeugt. Grundprinzip der Lichterzeugung ist, dass durch den fließenden Strom die Wolframatome anfangen zu schwingen, um schließlich einen Teil der Schwingungsenergie in Form von Photonen abzugeben.
Das Innere des Glaskolbens ist mit neutralen Gasen, entweder Edelgas oder Stickstoffgas, gefüllt, weil der Wolframfaden an der Luft durch den Sauerstoff nach dem Einschalten sofort verbrennen würde.

Die Energieeffizienz der traditionellen Glühlampen ist relativ gering: Nur 2% der Energie werden von ihr in sichtbares Licht umgewandelt. Ihre Lebensdauer beträgt etwa 1000 Stunden.

Halogenglühlampe

Ihr Funktionsprinzip ist ähnlich, wie bei der traditionellen Glühlampe. Durch den durchfließenden Strom emittiert der Glühfaden Licht. Grund für die längere Lebensdauer der Halogenlampe ist, dass sich im Edelgas, das den Glühfaden umgibt, Halogenatome befinden. Die sonst durch die Wärme verdunstenden Wolframatome verknüpfen sich mit den Halogenatomen. Das sich bildende Wolframhalogenid zersetzt sich in der Nähe des Glühfadens aufgrund der Wärme und das Wolfram setzt sich auf dem Glühfaden ab.

Dies verhindert die Verdünnung des Glühfadens und erhöht die Lebensdauer. Außerdem kann die Temperatur des Glühfadens erhöht, und damit ein größerer Wirkungsgrad erreicht, also Strom gespart werden.

Kompaktleuchtstofflampe

In der Kompaktleuchtstofflampe senden die Elektroden Elektronen aus. Im Inneren der Leuchtstoffröhre befindet sich Edelgas, das Quecksilberatome beinhaltet. Diese werden durch die Elektronen angeregt und senden für uns unsichtbare kurzwellige ultraviolette Photonen aus. Die Innenseite der Leuchtstoffröhre ist mit einer fluoreszierenden Schicht versehen. Diese schluckt die für uns unsichtbaren UV-Photonen und wandelt sie in sichtbare Photonen um.

Im Fall der Quecksilberatome liegt der Grund der Lichterzeugung darin, dass das aus der Elektrode austretende Elektron das Elektron des Quecksilberatoms in einen höheren Energiezustand befördert und anregt. Wenn das angeregte Elektron auf ein niedrigeres Energielevel zurückspringt, wird der Energieunterschied in UV-Photonen umgewandelt. Diese werden durch die fluoreszierende Schicht zu sichtbarem Licht.

Der Wärmeverlust ist bei den Kompaktleuchtstofflampen geringer, als der der traditionellen Glühlampen, wodurch ihr Wirkungsgrad höher ist. Eine 20-Watt-Kompaktleuchtstofflampe erzeugt eine genauso hohe Lichtstärke wie eine traditionelle 100-Watt-Glühlampe. Ihre Lebensdauer liegt bei ca. 10.000 Stunden, sie ist somit 10-mal so langlebig wie eine traditionelle Glühlampe.

LED

  • LED
  • LED-Glühlampe
  • LED-Chip - Aus Halbleitern aufgebaute Leuchtdiode (LED = light emitting diode; Licht emittierende Diode). Durch die Einwirkung elektrischer Spannung wird Licht abgesondert.
  • Hülle
  • +
  • -
  • Sockel
  • Elektronik
  • Kolben - Die innere Oberfläche ist von einer fluoreszierenden Schicht bedeckt. Diese braucht man, weil das LED-Licht, dessen Wellenlängenspektrum gering ist, bunt ist. (In den älteren, sogenannten RGB-LED-Glühbirnen wurden stattdessen rote, grüne und blaue LEDs benutzt: Die Mischung der drei Farben ergab weiß.)
  • LED-Chip - Ist eine aus Halbleitern gebaute Leuchtdiode (LED = light emitting diode; Licht emittierende Diode). Auf die Einwirkung von elektrischer Spannung hin wird Licht emittiert. In LED-Glühlampen sind, um die Leuchtkraft zu steigern, mehrere LED-Chips platziert.
  • LED-Chip
  • n-Typ-Halbleiterschicht
  • p-Typ-Halbleiterschicht
  • positiv geladenes „Loch“
  • Elektron

Für die Lichterzeugung in LED-Lampen ist der LED-Chip zuständig. Um eine entsprechende Helligkeit in Wohnräumen zu erlangen, werden in den für diesen Zweck benutzten LED-Lampen mehrere Chips verwendet. Der LED-Chip besteht aus zwei Halbleiterschichten, in denen sich frei bewegliche Ladungsträger befinden. In der n-Schicht befinden sich negative Elektronen. In der p-Schicht befinden sich – durch den Verlust der Elektronen – positiv geladene Ionen, die sogenannten Löcher. Unter Spannung bewegen sich die Ladungsträger, und während die Elektronen und die Löcher sich verbinden, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt.

LEDs haben eine Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden, was 100-mal mehr ist, als die Lebensdauer der traditionellen Glühlampe. Ihr Wirkungsgrad ist hoch: Eine 4-Watt-LED-Lampe hat die gleiche Lichtstärke, wie eine traditionelle 100 Watt Glühlampe. LED-Lampen sind die sparsamsten und umweltfreundlichsten Glühlampen.

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