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Glühlampe
Werden Glühlampen an einen elektrischen Strom angeschlossen, fängt ein Metallfaden in der Lampe an, zu glühen. Dabei werden Wärme und Licht abgegeben. Glühlampen spenden somit Licht, während sie Wärme ausstrahlen. Sie sind also Temperaturstrahler.
Wolframfaden
Der Metallfaden in Glühlampen besteht aus dem chemischen Element Wolfram, einem Metall. Wolfram wird verwendet, weil es von allen chemischen Elementen die höchste Schmelztemperatur (3683 K) hat.
Außerdem verdampft Wolfram nur sehr langsam. Von allen Metallen, die im Periodensystem zu finden sind, verdampft Wolfram sogar am langsamsten. Es hat somit die geringste Verdampfungsrate der Metalle.
Darüber hinaus ist reines Wolfram nicht spröde und verformt sich erst plastisch unter Belastung. So zieht sich Wolfram erst in die Länge, bevor es reißt. Diese Eigenschaft nennt man Duktilität. Wolfram hat also eine gute Duktilität.
Kohlefaden
Früher wurde das Element Kohlenstoff für den Glühfaden der Glühlampen genutzt.
Bei Erwärmung wird der feste Kohlenstoff nicht flüssig, sondern direkt gasförmig. Diese Veränderung des Zustands von fest zu gasförmig heißt Sublimation. Kohlenstoff hat also keinen Schmelzpunkt wie Wolfram, sondern einen Sublimationspunkt.
Bei normalem Luftdruck ist der Sublimationspunkt von Kohlenstoff höher als der Schmelzpunkt von Wolfram. Im Vakuum hingegen sublimiert Kohlenstoff schon bei 2000 K. Daher eignet sich Wolfram deutlich besser als Glühfaden.
Lebensdauer und Lichtausbeute
Die maximal nutzbaren Glühtemperaturen für Wolfram liegen bei ungefähr 3000 K. Je höher die Temperatur des Glühfadens ist, desto mehr Licht gibt die Lampe ab. Die Lichtausbeute ist höher. Jedoch verringert eine höhere Temperatur die Lebensdauer. Die Lampe geht dann schneller kaputt.
Der Wolframfaden verdampft durch die Erhitzung. Dadurch befindet sich gasförmiges Wolfram im Glaskolben der Lampe. Sobald es auf der Innenseite des Glaskolbens auftrifft, wird es abgekühlt und wieder fest; es kondensiert. Der Glaskolben wird dadurch von innen geschwärzt, sodass weniger Licht aus dem Glaskolben austreten kann, obwohl weiterhin genauso viel Licht wie vorher vom Glühfaden abgegeben wird. Der Lichtstrom der Lampe sinkt. Je höher das Wolfram erhitzt wird, desto schneller verdampft es. Gleichzeitig reißt der Glühfaden durch die hohen Temperaturen auch schneller, sodass die Lebensdauer sinkt.
Es muss also ein Kompromiss zwischen der Lichtausbeute und der Lebensdauer gefunden werden.
Doppelwendelung
Der Glühfaden ist spiralförmig aufgewickelt, also gewendelt. Daher wird er auch Glühwendel genannt. Aber er ist nicht nur einfach aufgewickelt, sondern doppelt. Diese Doppelwendelung wird erzeugt, indem der Faden zunächst gewendelt wird, bevor der gewendelte Draht erneut gewendelt wird.
Durch diese Doppelwendelung erreicht beispielsweise der Glühfaden einer 100 W Glühlampe die Länge von einem Meter. Das der Glühfaden trotzdem so dünn aussieht, liegt am Durchmesser des Drahtes, der für die Wendel verwendet wird. Der Draht hat einen Durchmesser von 45 µm (Mikrometer). Das sind 0,045 mm, also ungefähr die Dicke eines Haares (~50 µm).
Die Doppelwendelung wird eingesetzt, da sie die Verdampfungsrate des Wolframs verringert.
Allgebrauchsglühlampe
Glühlampen, die zu Hause ganz normal in Leuchten genutzt werden bzw. früher dafür genutzt wurden, werden Allgebrauchsglühlampen genannt.
Glaskolben
Der Glaskolben der Allgebrauchsglühlampen ist häufig mit einem Gemisch aus Gasen gefüllt, die chemisch nur wenig oder gar nicht mit anderen Stoffen reagieren. Die Gase sind reaktionsträge (inert). Meistens besteht dieses Inertgas-Gemisch aus Stickstoff und dem Edelgas Argon gefüllt.
Ein inerter Stoff heißt so, weil er sich an bestimmten chemischen Vorgängen nicht beteiligt und dadurch chemische Reaktionen verhindert. In der Glühlampe führt das Argon dazu, dass der Wolframfaden nicht zu schnell verdampft und entweder die Lebensdauer (bei gleichbleibender Temperatur) oder die Lichtausbeute (bei höherer Temperatur) gesteigert werden kann. Der Stickstoff wird hinzugegeben, um die Bildung eines Lichtbogens zu verhindern.
Das Füllgas wird mit einem Druck von 80 % des Umgebungsdrucks in den Kolben gefüllt. Dieser Druck steigt bei Betrieb und der daraus resultierenden Temperaturerhöhung auf 100 % des Umgebungsdrucks an.
Glühlampen mit kleinen Leistungen (kleiner 30 Watt bei 230 V Betriebsspannung) haben jedoch einen höheren Wirkungsgrad, wenn sich statt des Inertgases ein Vakuum im Kolben befindet.
Grundsätzlich sollte der Kolben frei von Wasser und Sauerstoff sein. Sauerstoff führt zu Oxidationen und Wasser, das meistens über die Glaskolbenwand bei der Produktion eingeschleppt wird, ist die Ursache für die Ablagerungen des Wolframs auf der Glasinnenseite.
