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Die Macht des Lichts - fast wie im Sonnenstudio
Der Messaufbau im Betrieb
Messplatz, Instrumentierung
Die völlig berührungslose Temperaturmessung erfolgt
mittels Ellipsometer. Gemessen wird die temperaturabhängige
Polarisationsänderung eines Laserstrahls. Er durchläuft zweimal
eine mit Halogenlampen aufheizbare 1 mm dünne Quarzglasplatte,
deren Brechungswinkel bei der inneren Totalreflexion sich mit der
Temperatur ändert. Die 180° Umlenkung nach dem ersten Durchgang
durch die Glasplatte und die Einkopplung in den Detektor nach dem
zweiten Durchgang auf dem Rückweg erfolgt über Prismen.
Eine Eichkurve mit Polarisationsänderung und Temperatur
aufgetragen über der Zeit ist das Ergebnis.
Die Glühbirne - der bessere Ofen: Locker schaffen die
sieben 500 W Halogenlampen innerhalb Sekunden
1 200 °C. In der Industrie und Halbleiterfertigung wird
diese Möglichkeit gerne für RTP (rapid thermal processing; dt.:
schnelle thermische Behandlung) genutzt.
Den maßgeblichen Zusammenhang zwischen Strahlung und Wärme stellt
das Plancksche Gesetz her. In Wellenlängenform liefert es für die
temperaturabhängige spektrale Strahlungsenergiedichte eines
schwarzen Körpers (den Körper mit der höchst möglichen
Emissivität)
r(λ, T) dλ = 2 π h c2/λ5 (exp (h c / (k T) λ-1) -1)-1
mit
Plancksches Wirkungsquantum h = 6,6262 10-34 Js
Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792 108 m
Boltzmann Konstante k = 1,3807 10-23 J/K
Absolute Temperatur T in Kelvin
Wirkungsgrad von Sonne und Glühlampen in Vergleich
Im Diagramm aufgetragen ist die Strahlung eines schwarzen Körpers
nach Planck mit der Temperatur der Sonne (ca. 6 100 °C),
der Wendel einer normalen Glühbirne (ca. 2 800±200 °C)
und der einer Halogenlampe (ca. 3 500±300 °C).
Der Bereich des sichtbaren Lichts ist gelb hervorgehoben.
Aufintegriert über alle Wellenlängen erhält man mit dem Stefan-Boltzmann Gesetz die temperaturabhängige Strahlungsenergie
R(T) = ∫ r(λ, T) dλ = σ T4
mit
Stefan-Boltzmann Konstante σ = 5,670 10-8
W/(m2 K4)
Absolute Temperatur T in Kelvin
Integriert man über den sichtbaren Wellenlängenbereich 380 - 780 nm für die Glühbirne (Temperatur der Glühwendel 2 500 K) kommt man auf einen Wirkungsgrad von ca. 6%. Bei der Halogenbirne (Temperatur der Glühwendel 3 200 K) liefert diese Rechnung einen Wirkungsgrad von ca. 16%. Unter Berücksichtigung der geringeren Empfindlichkeit des Auges an den Grenzen des Wahrnehmungsbereichs, hier dem Infraroten, sind die »Literaturwerte« von 3% bei einer 100 Watt Birne bzw. maximal 8 bis 10% bei Halogenbirnen nachvollziehbar.
Die Lichterzeugung bei diesen Leuchtmitteln geschieht
nicht durch eine aufgeheizte Quelle, sondern durch elektrische
Anregung, vgl. Franck-Hertz-Versuch. Bei den vom Prinzip her
gleichen Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen stoßen durch die
Netzspannung beschleunigte freie Elektronen auf die um die
Atomkerne kreisenden Elektronen des Füllgases und heben diese bei
genügender Energie auf ein höheres Orbital. Nach der
Relaxationszeit von 10-8 Sekunden fallen die Elektronen
wieder zurück und senden dabei ein ultraviolettes Photon der
Energie hf aus. Die milchige Spezialbeschichtung des Glaskolbens
wandelt diese UV Strahlung in sichtbares weißes Licht um. Diese
Lampen zeigen ein mehr oder weniger kontinuierliches Spektrum,
bedienen also »alle« Wellenlängen.
Das Halbleitermaterial von LEDs (light emitting diodes, dt.:
Leuchtdioden; Lumineszenzdioden) wird unmittelbar elektrisch
angeregt. Die abgestrahlten Photonen mit der Energie hf sind eng um
eine Frequenz bzw. Wellenlänge gruppiert, ca. ±10 nm bis
30 nm, sind also monochromatisch. Für weißes Licht muss man
entweder eine rote, eine grüne und eine blaue LED bündeln, entweder
als drei diskrete LEDs oder innerhalb eines LED Gehäuses. (Oft sind
es zwei blaue LEDs, da ihr Wirkungsgrad recht gering ist.) Das so
entstehende Spektrum ist diskontinuierlich.
Es besteht auch die vergleichbare Möglichkeit wie bei den
Leuchtstoffröhren. Eine effiziente meist blaue LED bestrahlt eine
spezielle Beschichtung, die dann weißes Licht mit einem halbwegs
kontinuierlichen Spektrum emittiert.
Für die Verschwörungsanhänger - ja, Industrie und Staat verdienen
an Energiesparlampen und LED Leuchten wesentlich mehr als an
Glühbirnen. Und der politische Druck angesichts der Tatsache,
dass in einem Privathaushalt weniger als 2% des Energiebedarfs auf
Beleuchtungszwecke entfällt, ist recht hoch. Doch unbestritten
weisen diese einen deutlich höheren Wirkungsgrad von über 20% als
die herkömmlichen Glühlampen auf, auch wenn manchmal die Vorteile
schön gerechnet werden.
Ganz banal vergleicht man gerne die schmale Taschenlampen ähnliche
Lichtkeule einer LED (u.U. nur ±6° Öffnungswinkel), daneben ist es
dunkel, mit der praktisch kompletten 360° Ausleuchtung einer
Glühbirne. Tut also so, als würde die LED auch 360° mit ihrer
vollen Intensität ausleuchten. Daneben wird noch verschwiegen, dass
die LEDs als Ersatz für Haushaltslampen einen Vorschalttrafo mit
Gleichrichter benötigen, da sie nicht mit der Netzwechselspannung
betrieben werden können. (LEDs leuchten nur in Flussrichtung je
nach Typ ca. 2 V bis 5 V.) Nahezu völlig geht unter, dass der
Einbau von hochenergetischen LEDs problematisch sein kann. Während
eine Glühbirne ihre Verlustleistung zu großen Teilen im Infraroten
abstrahlt, klappt das bei LEDs nur per Konvektion und Wärmeleitung.
Ein Kühlkörper oder Lüfter kann nötig werden.
Bei Energiesparleuchten übersieht man gerne das Füllgas (u.a.
Quecksilber), den Kunststoffanteil und die schwer verrottende
Leiterplatte mit der Elektronik. Leuchtstoffröhren und
Energiesparleuchten sind Sondermüll, Glühbirnen können in den
Hausmüll.
Fazit: LEDs als generellen 1:1 Ersatz für alle Glühbirnen zu
bezeichnen ist als würde man Brücken nach der Erfindung des Stahls
weiterhin aus Stahlblöcken statt aus Steinen schlichten.
Energiesparleuchten sind hier eher geeignet, oder eine
Halogenbirne. Als Spot oder großflächige (programmierbare?)
Leuchten machen LEDs eher Sinn.
©WP (1998 -) 2012
http://www.fen-net.de/walter.preiss/d/photo_hf.htm
Stand: V8.4, 2012-03-02