Glühbirne

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Hintergrund

Von den frühesten Epochen der Geschichte bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts war das Feuer die wichtigste Lichtquelle des Menschen. Dieses Licht wurde auf verschiedene Weise erzeugt – Fackeln, Kerzen , Öl- und Gaslampen. Neben der Gefahr einer offenen Flamme (insbesondere bei Verwendung in Innenräumen) boten diese Lichtquellen auch eine unzureichende Beleuchtung.

Die ersten Versuche mit elektrischem Licht wurden vom englischen Chemiker Sir Humphry Davy unternommen. 1802 zeigte Davy, dass elektrische Ströme dünne Metallstreifen zu Weißglut erhitzen und so Licht erzeugen können. Dies war der Beginn von Glühlampen (definiert als Glühen mit intensiver Hitze) elektrischem Licht. Die nächste große Entwicklung war das Bogenlicht. Dies waren im Grunde zwei Elektroden, meist aus Kohlenstoff, die durch einen kurzen Luftraum voneinander getrennt waren. Elektrischer Strom, der an eine der Elektroden angelegt wurde, floss zu und durch die andere Elektrode, was zu einem Lichtbogen über den Luftraum führte. Bogenlampen (oder Glühbirnen) wurden hauptsächlich in der Außenbeleuchtung verwendet; das Rennen unter einer großen Gruppe von Wissenschaftlern war noch im Gange, um eine nützliche Quelle für die Innenraumbeleuchtung zu entdecken.

Die Hauptschwierigkeit, die die Entwicklung einer kommerziell verwertbaren Glühlampe behinderte, war die Suche nach geeigneten glühenden Elementen. Davy fand heraus, dass Platin das einzige Metall war, das über einen längeren Zeitraum weiße Hitze erzeugen konnte. Es wurde auch Kohlenstoff verwendet, der jedoch an der Luft schnell oxidiert. Die Antwort war, ein Vakuum zu entwickeln, das die Luft von den Elementen fernhält und so die lichterzeugenden Materialien schont.

Thomas A. Edison, ein junger Erfinder, der in Menlo Park, New Jersey, arbeitet, begann in den 1870er Jahren, an seiner eigenen Form von elektrischem Licht zu arbeiten. Im Jahr 1877 engagierte sich Edison in der Eile nach einer zufriedenstellenden elektrischen Lichtquelle und widmete sein anfängliches Engagement der Bestätigung der Gründe für das Versagen seiner Konkurrenten. Er stellte jedoch fest, dass Platin einen viel besseren Brenner lieferte als Kohlenstoff. Edison arbeitete mit Platin und erhielt im April 1879 sein erstes Patent für eine relativ unpraktische Lampe, aber er suchte weiter nach einem Element, das effizient und wirtschaftlich beheizt werden konnte.

Edison bastelte auch an den anderen Komponenten des Beleuchtungssystems, einschließlich des Baus seiner eigenen Stromquelle und der Entwicklung eines bahnbrechenden Verkabelungssystems, das eine Reihe von gleichzeitig brennenden Lampen verarbeiten konnte. Seine wichtigste Entdeckung war jedoch die Erfindung eines geeigneten Filaments. Dies war ein sehr dünner, fadenförmiger Draht, der dem Durchgang von elektrischem Strom einen hohen Widerstand bot. Die meisten der frühen Glühfäden brannten sehr schnell durch, wodurch diese Lampen kommerziell unbrauchbar wurden. Um dieses Problem zu lösen, begann Edison erneut, Kohlenstoff als Beleuchtungsmittel auszuprobieren.

Als Filamentmaterial wählte er schließlich karbonisierte Baumwollfäden. Der Glühfaden wurde an Platindrähte geklemmt, die Strom zu und von dem Glühfaden führen würden. Diese Baugruppe wurde dann in einen Glaskolben gegeben, der am Hals verschmolzen wurde (als Sealing-In bezeichnet). Eine Vakuumpumpe entfernte die Luft aus der Glühbirne, ein langsamer, aber entscheidender Schritt. Zuleitungsdrähte, die mit dem elektrischen Strom verbunden waren, ragten aus dem Glaskolben heraus.

Am 19. Oktober 1879 führte Edison seinen ersten Test dieser neuen Lampe durch. Sie lief zwei Tage und 40 Stunden (21. Oktober – der Tag, an dem der Glühfaden endgültig durchgebrannt ist – ist das übliche Datum für die Erfindung der ersten kommerziell praktikablen Lampe). Natürlich wurde diese Originallampe mehrfach überarbeitet. Man errichtete Fabriken zur Massenproduktion von Glühbirnen und machte große Fortschritte bei der Verkabelung und elektrischen Stromsystemen. Die heutigen Glühbirnen ähneln jedoch den Originallampen von Edison stark. Die Hauptunterschiede sind die Verwendung von Wolframfilamenten, verschiedene Gase für eine höhere Effizienz und eine erhöhte Leuchtkraft durch auf höhere Temperaturen erhitzte Filamente.

Obwohl die Glühlampe die erste und sicherlich die günstigste Art von Glühbirne war, gibt es eine Vielzahl anderer Glühbirnen, die unzähligen Verwendungszwecken dienen:

• Wolfram-Halogen-Lampen
• Leuchtstofflampen sind Glasröhren, die Quecksilberdampf und Argon enthalten. Wenn Strom durch die Röhre fließt, gibt das verdampfte Quecksilber ultraviolette Energie ab. Diese Energie trifft dann auf Leuchtstoffe, die das Innere der Lampe beschichten und sichtbares Licht abgeben.
• Quecksilberdampflampen haben zwei Glühbirnen – die Bogenentladungsröhre (aus Quarz) befindet sich in einem schützenden Glaskolben. Die Bogenentladungsröhre enthält Quecksilberdampf mit einem höheren Druck als dem der Leuchtstofflampe, wodurch es der Dampflampe ermöglicht wird, Licht zu erzeugen, ohne die Phosphorbeschichtung zu verwenden.
• Neonlampen sind mit Neongas gefüllte Glasröhren, die leuchten, wenn in ihnen eine elektrische Entladung stattfindet. Die Farbe des Lichts wird durch das Gasgemisch bestimmt; reines Neongas gibt rotes Licht ab.
• Halogen-Metalldampflampen, die hauptsächlich im Außenbereich für Stadien und Straßen verwendet werden, enthalten chemische Verbindungen aus Metall und Halogen. Dieser Lampentyp funktioniert ähnlich wie Quecksilberdampflampen, außer dass Metallhalogenid bei Verwendung ohne Leuchtstoffe eine natürlichere Farbbalance erzeugen kann.
• Hochdruck-Natriumdampflampen ähneln auch Quecksilberdampflampen; die Bogenentladungsröhre besteht jedoch statt aus Quarz aus Aluminiumoxid und enthält eine feste Mischung aus Natrium und Quecksilber.

Thomas A. Edison (Mitte, mit Mütze) mit Arbeitern in seinem Labor in Menlo Park, New Jersey. Das Foto wurde 1880 aufgenommen.

Mehr als zwanzig Erfinder, die bis in die 1830er Jahre zurückreichen, hatten elektrische Glühlampen hergestellt, als Thomas Edison sich der Suche anschloss. Die 1870er Jahre waren das entscheidende Jahrzehnt, als die Produktionstechnologien und die Kräfte der Nachfrage zusammenkamen, um die Suche nach einem kommerziell machbaren elektrischen Licht zum High-Tech-Rennen der Ära zu machen. Edison hatte sein Forschungslabor im ländlichen Menlo Park, New Jersey, auf halbem Weg zwischen New York City und Philadelphia eingerichtet. Das Laborgebäude und mehrere Nebengebäude wurden 1876 mit Gewinnen gebaut, die Edison mit seinen Telegraphen-Erfindungen gemacht hatte. Er beabsichtigte zunächst, Projekte von jedem Investor, der seine Hilfe brauchte, anzunehmen und an seinen eigenen Ideen in Telegrafen- und Telefonanlagen weiterzuarbeiten. Er sagte, er glaube, das Labor könne alle zehn Tage eine neue Erfindung und alle sechs Monate einen großen Durchbruch hervorbringen.

1877 beschloss Edison, in das vielbeachtete Rennen um eine erfolgreiche Glühbirne einzutreten und erweiterte seine Laboreinrichtungen um eine Maschinenwerkstatt sowie ein Büro und eine Forschungsbibliothek. Die Belegschaft wuchs von 12 auf über 60, als Edison das gesamte Beleuchtungssystem in Angriff nahm, vom Generator über den Isolator bis zur Glühbirne. Auf dem Weg dorthin schuf Edison einen neuen Erfindungsprozess und orchestrierte einen Teamansatz, der Finanzierung, Materialien, Werkzeuge und Facharbeiter in einer "Erfindungsfabrik" zusammenführte. So zeigte die Suche nach der Glühbirne neue Formen der Forschung und Entwicklung auf, die später von General Electric, Westinghouse und anderen Unternehmen entwickelt wurden.

William S. Pretzer

Rohstoffe

Dieser sowie der folgende Abschnitt (Der Herstellungsprozess) konzentrieren sich auf Glühbirnen. Wie bereits erwähnt, wurden viele verschiedene Materialien für das Filament verwendet, bis Wolfram Anfang des 20. Jahrhunderts zum Metall der Wahl wurde. Obwohl sehr zerbrechlich, Einer der Hauptbestandteile einer Glühbirne, der Glühfaden, wird durch Mischen von Wolfram und Bindemittel und anschließendes Ziehen hergestellt die Mischung zu einem feinen Draht um einen Stahldorn herum. Nach dem Erhitzen des Drahtes und dem anschließenden Auflösen des Dorns mit Säure nimmt der Faden seine richtige gewickelte Form an. Wolframfilamente können Temperaturen von bis zu 4500 Grad Fahrenheit (2480 Grad Celsius) und mehr standhalten. Die Entwicklung der Wolframfilamente gilt als größter Fortschritt in der Glühbirnentechnologie, da diese Filamente kostengünstig hergestellt werden konnten und länger halten als alle bisherigen Materialien.

Die Anschluss- oder Anschlussdrähte bestehen typischerweise aus Nickel-Eisen-Draht (genannt Dumet weil es zwei Metalle verwendet). Dieser Draht wird in eine Boraxlösung getaucht, damit der Draht besser an Glas haftet. Die Glühbirne selbst besteht aus Glas und enthält eine Mischung aus Gasen, normalerweise Argon und Stickstoff, die die Lebensdauer des Glühfadens erhöhen. Luft wird aus dem Kolben gepumpt und durch die Gase ersetzt. Ein standardisierter Sockel hält die gesamte Baugruppe an Ort und Stelle. Der Sockel, bekannt als "Edison-Schraubsockel", bestand ursprünglich aus Messing und wurde mit Gips und später Porzellan isoliert. Heute wird außen Aluminium verwendet und Glas wird verwendet, um die Innenseite des Sockels zu isolieren, wodurch ein stärkerer Sockel entsteht.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Einsatzmöglichkeiten von Glühbirnen reichen von Straßenlaternen bis hin zu Automobilen Scheinwerfer zu Taschenlampen. Bei jeder Verwendung unterscheidet sich die einzelne Glühbirne in Größe und Wattzahl, die die Lichtmenge bestimmen, die die Glühbirne (Lumen) abgibt. Alle Glühbirnen bestehen jedoch aus den drei grundlegenden Teilen – dem Glühfaden, der Glühbirne und dem Sockel. Ursprünglich in Handarbeit hergestellt, ist die Glühbirnenfertigung heute fast vollständig automatisiert.

Filament

• 1 Das Filament wird durch ein Verfahren hergestellt, das als Ziehen bekannt ist bei dem Wolfram mit einem Bindermaterial vermischt und durch eine Matrize – eine geformte Öffnung – zu einem feinen Draht gezogen wird. Als nächstes wird der Draht um einen Metallstab gewickelt, der als Dorn bezeichnet wird um es in seine richtige gewickelte Form zu formen, und dann wird es in einem als Glühen bekannten Prozess erhitzt. Dieser Prozess macht den Draht weich und macht seine Struktur gleichmäßiger. Der Dorn wird dann in Säure gelöst.
• 2 Das gewendelte Filament wird an den Anschlussdrähten befestigt. Die Anschlussdrähte haben an ihren Enden Haken, die entweder über das Ende der Wendel gepresst oder bei größeren Glühbirnen punktgeschweißt werden.

Glaskolben

• 3 Die Glaskolben oder Gehäuse werden mit einer Bandmaschine hergestellt. Nach dem Erhitzen Nahezu der gesamte Herstellungsprozess von Glühbirnen ist automatisiert. Die Glaskolben werden von einer Bandmaschine geblasen, die mehr als 50.000 Glühbirnen pro Stunde produzieren kann. Nachdem die Glühwendel- und Schaftbaugruppe in die Glühbirne eingesetzt sind, wird die Luft im Inneren der Glühbirne evakuiert und ein Argon/Stickstoff-Gemisch wird eingepumpt. Schließlich wird der Sockel abgedichtet. einem Ofen bewegt sich ein endloses Glasband auf einem Förderband. Präzise ausgerichtete Luftdüsen blasen das Glas durch Löcher im Transportband in Formen, wodurch die Hüllen entstehen. Eine mit Höchstgeschwindigkeit fahrende Bandmaschine kann mehr als 50.000 Glühbirnen pro Stunde produzieren. Nachdem die Hüllen geblasen sind, werden sie abgekühlt und dann von der Bandmaschine abgeschnitten. Als nächstes wird das Innere der Glühbirne mit Siliziumdioxid beschichtet, um die Blendung durch einen glühenden, unbedeckten Glühfaden zu entfernen. Das Firmenemblem und die Wattzahl der Glühbirne werden dann auf die Außenseite jedes Gehäuses gestanzt.

Basis

• 4 Der Sockel der Glühbirne wird ebenfalls mit Formen hergestellt. Es ist mit Vertiefungen in Form einer Schraube versehen, so dass es leicht in die Fassung einer Leuchte passt.

Montage

• 5 Sobald Glühfaden, Sockel und Glühbirne hergestellt sind, werden sie maschinell zusammengefügt. Zuerst wird das Filament an der Vorbaubaugruppe montiert, wobei seine Enden an den beiden Einführungsdrähten festgeklemmt werden. Als nächstes wird die Luft im Inneren des Kolbens evakuiert und das Gehäuse wird mit einem Argon-Stickstoff-Gemisch gefüllt. Diese Gase sorgen für eine längere Lebensdauer des Filaments. Das Wolfram wird schließlich verdampfen und brechen. Beim Verdampfen hinterlässt es eine dunkle Ablagerung auf der Glühbirne, die als Glühbirnenwandschwärzung bekannt ist.
• 6 Schließlich werden der Sockel und die Glühbirne versiegelt. Der Sockel gleitet auf das Ende des Glaskolbens, sodass kein weiteres Material benötigt wird, um sie zusammenzuhalten. Stattdessen ermöglichen ihre konformen Formen, dass die beiden Teile fest zusammengehalten werden, wobei die Anschlussdrähte die Aluminiumbasis berühren, um einen ordnungsgemäßen elektrischen Kontakt zu gewährleisten. Nach dem Test werden die Glühbirnen in ihre Verpackungen gelegt und an die Verbraucher versandt.

Qualitätskontrolle

Glühbirnen werden sowohl auf Lampenlebensdauer als auch auf ihre Stärke getestet. Um schnelle Ergebnisse zu erzielen, werden ausgewählte Glühbirnen in Lebensdauertestgestelle eingeschraubt und weit über ihrer normalen Brennstärke entzündet. Auf diese Weise können Sie genau ablesen, wie lange die Glühbirne unter normalen Bedingungen hält. Die Tests werden in allen Produktionswerken sowie in einigen unabhängigen Testeinrichtungen durchgeführt. Die durchschnittliche Lebensdauer der meisten Haushaltsglühbirnen beträgt je nach Wattzahl 750 bis 1000 Stunden.

Die Zukunft

Die Zukunft der Glühbirne ist ungewiss. Das Erhitzen eines Glühfadens bis zum Glühen ist sicherlich ein zufriedenstellender Weg, um Licht zu erzeugen, ist jedoch äußerst ineffizient:Etwa 95 Prozent des Stroms, der einer typischen Glühbirne zugeführt wird, wird in Wärme und nicht in Licht umgewandelt. In einer Welt mit schwindenden Ressourcen, in der Energieeinsparungen immer wichtiger werden, kann diese Ineffizienz die Glühbirne schließlich unpraktisch machen.

Es sind bereits andere Lichtquellen im Einsatz, die die Glühbirne ersetzen könnten. Leuchtstoffröhren beispielsweise dominieren bereits heute den Industriemarkt und werden zweifellos auch als Haushaltslichtquelle zunehmend Verwendung finden. Leuchtstofflampen verbrauchen mindestens 75 Prozent weniger Energie als Glühlampen und können zwanzigmal länger halten. Die jüngste Entwicklung von "kompakten" Leuchtstofflampen, die sich im Gegensatz zu Standardleuchtstoffröhren in eine typische Haushaltslampe einschrauben lassen, kann den heimischen Markt für Leuchtstofflampen erweitern.

Eine andere neuere Entwicklung ist die "Radiowellenbirne", eine Glühbirne, die Licht erzeugt, indem sie Energie von einem Radiowellengenerator an eine Quecksilberwolke überträgt, die wiederum ultraviolettes Licht erzeugt. Eine Phosphorbeschichtung auf der Glühbirne wandelt dann das ultraviolette Licht in sichtbares Licht um. Solche Glühbirnen verbrauchen nur 25 Prozent so viel Energie wie Glühbirnen und können ein Jahrzehnt oder länger halten. Sie sind auch vollständig gegen Glühbirnen austauschbar.