- Glühlampe [1]
Glühlampe, elektrische Lampe, bei der ein faden- oder stäbchenförmiger Leiter von hohem Widerstande bei der Durchleitung des elektrischen Stromes in lebhaftes Glühen versetzt wird (s.a. Beleuchtung, elektrische, Bd. 1, S. 668).
Bis vor kurzem bestand der Leiter aus einem Kohlefaden, zu dessen Herstellung anfangs verschiedene Pflanzenfasern, wie Bambus, Piassava, Fiber, Baumwolle, Papier, Seide, später künstliche Produkte aus Gelatine und Cellulose, besonders Kollodium, verwendet wurden. Neuerdings benutzt man hierzu mit bestem Erfolge auch schwer schmelzbare Metalle (Osmium, Tantal u.s.w.) oder Stäbchen aus den feuerfesten Oxyden der seltenen Erden (Nernstlampe) (s. weiter unten).
Zur Herstellung des Kohlefadens gießt man Kollodium in dünner Schicht auf Glasplatten und schneidet daraus die Fäden oder man Hellt aus Cellulose und Zinkchlorid eine dickflüssige Masse her, die unter einem Druck von 2 Atmosphären durch eine seine Oeffnung in Alkohol gespritzt wird und hier in Fadenform erstarrt. Die dem Querschnitte nach sorgfältig sortierten und auf bestimmte Länge geschnittenen Fäden werden auf ein Graphitstück gewickelt, das die Form des späteren hufeisenförmigen Kohlebügels besitzt und mit demselben in Kohlepulver, das sich in feuerfesten Tiegeln befindet, verpackt (Formeln zur Bestimmung von Länge und Durchmesser des Fadens in bezug auf bestimmte Spannungen und Stromstärken findet man in [4]). In dem sogenannten Karbonisierungsofen werden dann die Tiegel einer ca. 10 stündigen Weißglut ausgesetzt, wodurch sich die Umwandlung des Fadens in harte Kohle vollzieht. Jetzt wird der Faden der sogenannten Präparatur unterworfen, um ihn durch einen Niederschlag von Kohlenstoff auf bestimmten Widerstand zu bringen und gleichzeitig zu egalisieren, d.h. seine Poren auszufüllen, damit er später an allen seinen Punkten gleichmäßig glüht. Zu diesem Zwecke kommt er in einen mit gasförmigem Kohlenwasserstoff, z.B. Leuchtgas, gefüllten Rezipienten, wobei er gleichzeitig durch einen elektrischen Strom zum Glühen gebracht wird. Hierbei bildet sich dann durch Zerlegung des Gases ein Niederschlag von Kohlenstoff auf der Fadenoberfläche. Da der Kohlefaden in freier Luft sofort verbrennt, wird er in eine luftleer gepumpte Hohlkugel aus Glas (Birne) eingeschlossen. Zur Beteiligung des fertigen Fadens in der Glasbirne verwendet man zwei Platindrähte, die in den Fuß der Birne eingeschmolzen sind und gleichzeitig zur Zuleitung des Stromes dienen. Da Platin ungefähr den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Glas besitzt, so ist bei der späteren Erwärmung kein Sprengen des Glases zu befürchten. (Ueber Versuche, das teure Platin zum Teil oder ganz durch andre Metalle zu ersetzen, s. [1], [5].) Für geringere Spannungen erhält der Faden einfache Hufeisenform; für höhere ist zur Unterbringung der größeren Fadenlänge ein Aufwickeln in Schleifen- oder Spiralform erforderlich [3].
Fig. 1 zeigt einen Glühlampenfuß a, in den unteren Teil der Birne eingeschmolzen. Die Platindrähte b sind an ihren Enden (bei c) löffelförmig gestaltet, um die Enden des Kohlefadens aufzunehmen. Letztere werden in diese Löffel eingeklemmt und durch Bildung eines sogenannten[577] Kittknotens aus einer Mischung von Graphit und Gummiarabikum oder durch einen Kohleniederschlag befestigt. Gewöhnlich wird die Glasbirne in der Form der Fig. 2 aus der Glashütte fertig bezogen und der eben erwähnte Fuß nebst Bügel bei a eingeschmolzen, nachdem vorher die Birne bei b geöffnet und das Entleerungsrohr c (Fig. 3) angeschmolzen ist.
Die Glühlampe ist nun zum Evakuieren fertig und gelangt in die Pumpstation. Letztere war früher ausschließlich mit automatisch betriebenen Quecksilberluftpumpen [1] ausgerüstet, weil man mit Maschinenpumpen das hohe Vakuum nicht erreichen konnte. Jetzt verwendet man vielfach mit Oelabsperrung arbeitende Maschinenpumpen und entfernt die letzten Luftreste durch ein chemisches Verfahren [6], das die komplizierte und zerbrechliche Quecksilberluftpumpe entbehrlich macht. Die Lampen werden bis auf 0,125 mm Quecksilbersäule (~1/6000 Atmosphärendruck) ausgepumpt, worauf man in ihnen Phosphor zur Verdampfung bringt, während gleichzeitig der Kohlebügel glüht. Die Phosphordämpfe bilden mit den Gasresten feste Verbindungen, die sich als unsichtbarer Belag an der Glaswand niederschlagen.
Nach der Fertigstellung werden die Lampen mittels eines Photometers auf die Spannung geprüft, die für eine bestimmte Leuchtkraft (Kerzenstärke) erforderlich ist, und danach eine Sortierung vorgenommen. Als Maßeinheit für die Leuchtkraft benutzt man die sogenannte Hefnerkerze (s. Amylacetatlampe, Bd. 1, S. 182) und stellt für die gewöhnlichen Beleuchtungszwecke Glühlampen von 5, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 50 und 100 solcher Kerzenstärken her. Für spezielle Zwecke kann man auch Lampen von 150, 300 und mehr Kerzen erhalten; die Edison-Swan-Co. in London hat sogar Glühlampen von 1000 und 2000 Kerzen hergestellt [5].
Außer nach Lichtstärke und Spannung unterscheidet man die Glühlampen auch nach der Anzahl der Watt, die sie pro Kerzenstärke verbrauchen. Brennt z.B. eine Glühlampe von 16 Kerzen in einem Beleuchtungsnetze, das 65 Volt Spannung führt, und verbraucht dabei einen Strom von 0,8 Ampère, so kommen 65 · 0,8 : 16 = 3,2 Watt auf jede Kerzenstärke. Die pro Kerzenstärke aufgewendete Wattzahl nennt man die Oekonomie der Glühlampe. Man stellt gewöhnlich Kohlefadenlampen von 21/24 Watt her. Bei geringer Wattzahl brennen die Lampen sehr sparsam, d.h. sie verbrauchen wenig Strom, jedoch ist ihre Brenndauer gering, bis zu 400 Brennstunden herunter; solche Lampen werden vorteilhaft bei sehr hohen Stromerzeugungskosten verwendet. Bei hoher Wattzahl ist der Stromverbrauch groß, dafür brennen die Lampen aber bis zu 1000 und mehr Brennstunden, ehe eine Zerstörung des Fadens und eine erhebliche Schwärzung der Lampe eintritt. Gewöhnlich verwendet man Lampen von 331/2 Watt. Die Lichtstärke nimmt mit der Brenndauer erheblich ab, während der Wattverbrauch pro Kerze gleichzeitig zunimmt; so hat z.B. eine 3-Watt-Lampe von 16 Kerzen nach 500 Brennstunden nur noch 14 Kerzen bei 3,4 Watt und nach 1000 Brennstunden nur noch 9 Kerzen bei 4,5 Watt.
Die Zeitdauer, in der die Leuchtkraft einer Glühlampe um nicht mehr als 20% sinkt, nennt man ihre Nutzbrenndauer; wenn diese erreicht ist, soll die Lampe ausgewechselt werden, da sie von da ab zu unökonomisch brennt. Ferner verursacht das zunehmende Zerstäuben des Kohlefadens einen schwarzen Belag der Glasfläche. Die Fabriken garantieren bei Kohlefadenlampen und bei mittlerer Spannung meistens für eine Nutzbrenndauer von 400 Stunden bei 21/2 Watt, von 600 bei 3 und von 800 bei 31/2 Watt.
Mit der Spannung geht man bei Kohlefadenlampen zurzeit bis zu 250 Volt, jedoch wird der Faden bei höheren Spannungen sehr lang, dünn und zerbrechlich, weshalb man ihn vielfach durch an die Birne angeschmolzene Glas- oder Platinstäbchen unterstützt. Auch ist wegen des geringeren Durchmessers sein Abkühlungsverhältnis und somit auch die Oekonomie ungünstiger; man muß einen Energieverbrauch bis zu 4 Watt zulassen, wenn die Nutzbrenndauer die üblichen 800 Stunden erreichen soll. Spannungsschwankungen erzeugen Schwankungen in der Lichtstärke und führen ein vorzeitiges Ende des Fadens herbei, wenn sie häufiger auftreten und 23% der Normalspannung übersteigen.
Um die Glühlampen bequem mit den Beleuchtungskörpern verbinden zu können, erhalten sie einen sogenannten Sockel, während der Beleuchtungskörper die zugehörige Fassung trägt. Die gebräuchlichste Fassung ist die von Edison (Fig. 4). Der Lampensockel besteht hierbei aus einer äußeren mit Gewinde versehenen Hülfe a und einem Kontaktplättchen b, die, mittels Gips voneinander isoliert, an der Glasbirne befestigt sind. Hülfe und Plättchen sind mit je einem der aus der Lampe herausragenden Drahtenden verlötet. Die Fassung enthält eine ganz ähnliche Anordnung, nämlich eine Gewindehülse c und ein Kontaktplättchen d, so daß beim Einschrauben der Lampe die Verbindung mit der an der Fassung angeschlossenen äußeren Leitung e und f hergestellt ist; g sind isolierende Porzellanscheiben. Weiteres über Fassungen s. [1], [9].
Die Glasbirnen werden aus gewöhnlichem, gut durchsichtigem Glase hergestellt, das mitunter durch Aetzung mattiert wird, um das für manche Zwecke zu grelle Licht des Kohlebügels etwas abzublenden. Für Illuminationszwecke stellt man durch Eintauchen der fertigen Lampen in Tauchlacke auch bunte Glühlampen her.
Ueber die historische Entwicklung der Kohlefadenglühlampe s. [1], [2].
[578] Steigert man die Spannung einer Glühlampe über die ihr zukommende normale hinaus, so wächst wegen der Zeigenden Fadentemperatur auch die Lichtstärke; letztere ist abhängig von der fünften Potenz der Temperatur [7]. Es genügt also bei einer an sich hohen Temperatur eine verhältnismäßig kleine Temperaturerhöhung, d.h. eine geringe Vermehrung der elektrischen Arbeit, um wesentlich mehr Licht zu erzeugen und die Oekonomie günstiger zu gestalten. Mit dem Kohlefaden ließ sich diese Steigerung nicht erreichen, da er sehr empfindlich gegen übernormale Spannungen bezw. Temperaturen ist und beispielsweise bei einer Spannungssteigerung um die Hälfte schon in einer Stunde durchbrennt. Man versuchte deshalb zunächst die schwer schmelzbaren Metalle und die feuerfesten Oxyde der Erdmetalle nutzbar zu machen und hat hiermit seit einigen Jahren die bellen Erfolge erzielt. Von Metallen kommt hierbei zurzeit besonders das zur Platingruppe gehörige Osmium in Betracht, ferner die Metalle Tantal, Zirkon, Wolfram und ähnliche, die alle weit höhere Temperaturen vertragen als Platin.
Den ersten Erfolg auf diesem Gebiete hatte der Erfinder des Gasglühlichts, Auer v. Welsbach, dem es Ende der neunziger Jahre gelang, das Osmium in eine für Glühlampen geeignete Form zu bringen [7], welche die günstige Oekonomie von ca. 1,5 Watt ergab, was gegenüber der Kohlefadenlampe eine Ersparnis von 56% bedeutete.
Zur Herstellung der Fäden der sogenannten Auer-Oslampe wird feinstverteiltes Osmium mit organischen Bindemitteln zu einer zähen Paste gemischt und durch Edelsteindüsen unter hohem Druck hindurchgepreßt. Die entstehenden und in die richtige Form gebogenen Fäden glüht man unter Luftabschluß, um das Bindemittel zu verkohlen, und unterwirft sie dann einem Formierungsprozesse, bei dem die Fäden in einem Gemisch von Wasserdampf und reduzierenden Gasen durch einen elektrischen Strom allmählich bis zur Weißglut erhitzt werden, so daß nach kurzer Zeit aus dem kohlenstoffreichen Rohosmiumfaden ein fast ganz kohlenstofffreier Reinosmiumfaden entsteht. Dieser wird in die Enden der Platinzuleitungsdrähte auf elektrischem Wege eingeschmolzen und in die Glasbirne eingesetzt.
Da das im kalten Zustande spröde Osmium in der Glühhitze sehr weich ist, können die Lampen bei der dem Kohlebügel mit oberer Verankerung nachgebildeten Form ihres Leuchtfadens nur in senkrechter Stellung brennen, da sich sonst die Drähte durchbiegen und berühren. Wegen der hohen Fadentemperatur müssen diese Stützen aus feuerfesten Oxyden hergestellt sein.
Die Osmiumfäden einer Lampe von 37 Volt und 25 Kerzen bei 1,5 Watt Oekonomie haben 0,087 mm Durchmesser und 280 mm Länge. Der Widerstandskoeffizient ist bei 20° C. = 0,095, in der Weißglut zirka achtmal so groß.
Infolge der Erhöhung des Widerstandes mit der Temperatur gibt eine Erhöhung der Spannung um 10% nur einen um 6% erhöhten Strom, während er bei der Kohlefadenlampe um 12% steigt. Spannungsschwankungen beeinflussen das Licht der Osmiumlampe daher weit weniger als das der Kohlelampe. Die Lebensdauer der Lampe ist sehr hoch, es sind vielfach Brennzeiten bis zu 5000 Stunden erreicht worden; demgemäß ist auch die Nutzbrenndauer hoch, sie geht mindestens bis zu 1000 Stünden.
Wegen des bei einem Metallfaden geringen spezifischen Widerstandes und der daraus resultierenden großen Länge machte es zunächst Schwierigkeiten, den Faden in der Birne unterzubringen. Die ersten Lampen konnten daher zunächst nur für Spannungen von 37 und 44 Volt hergestellt werden und mußten bei den üblichen Spannungen der Beleuchtungsnetze von 110 und 220 Volt zu je 3 bezw. 5 in Serie geschaltet brennen; neuerdings ist es jedoch gelungen, die Auer-Oslampe auch für höhere Spannungen (bis 77 Volt) benutzbar zu machen.
Das Vorkommen des Osmiummetalls ist zwar nicht häufig, soll aber doch auf längere Zeit für eine umfangreiche Fabrikation genügen.
Ungefähr zu gleicher Zeit wie Auer gelang es Professor Nernst in Göttingen, in seiner sogenannten elektrolytischen Glühlampe die große Feuerbeständigkeit der seltenen Erden, wie z.B. Zirkonerde, Thoroxyd, Magnesia, Porzellanerde, für die elektrische Beleuchtung nutzbar zu machen. Alle diese Stoffe (sogenannte Leiter zweiter Klasse) sind in kaltem Zustande Nichtleiter der Elektrizität, werden aber sofort zu guten Leitern, wenn man sie auf eine genügend hohe Temperatur (600700°) bringt.
Die Glühkörper der Nernstlampen, deren Fabrikation die Allgem. Elektr.-Gesellschaft, Berlin, übernommen hat, werden aus einer teigigen Mischung der genannten Stoffe mittels Durchpressens durch seine Oeffnungen hergestellt, getrocknet und zu porzellanartiger Härte gebrannt. Ein solches Glühstäbchen hat bei 110 Volt ca. 12 mm Länge und 0,6 mm Durchmesser, bei 220 Volt ca. 20 mm Länge und 0,3 mm Durchmesser. Die Stromzuleitung erfolgt durch auf die beiden Enden aufgewickelte und mit einer feuerfesten Kittmasse bedeckte Platindrähte.
Nach Vorwärmung des Glühkörpers auf ca. 700°, wozu ein Streichholz oder eine Spiritusflamme genügt, fließt der Strom hindurch und erhitzt ihn sofort bis zu heller Weißglut. Der Glühkörper eignet sich. ebensogut für Wechsel- wie für Gleichstrom, da die elektrolytische Wirkung des letzteren innerhalb der Nutzbrenndauer, die ca. 300 Stunden beträgt, nur eine minimale ist; er brennt frei ohne Luftabschluß. Die Oekonomie kommt der Auer-Oslampe nahe und beträgt 1,51,7 Watt.
Da die Anwärmung des Brenners mittels Streichholz oder dergleichen in den meisten Fällen zu Unbequemlichkeiten führen würde, ist (seit 1900) jede Lampe mit einer selbsttätigen Heizvorrichtung versehen. Der Heizkörper besteht aus einem in Form einer Spirale oder einer flachen Schlange gebogenen 1 mm starken Stäbchen von porzellanartiger Masse, das mit einem seinen Platindraht spiralig umwickelt und dann mit feuerfestem Zement überzogen ist. Das Stäbchen des Leuchtkörpers befindet sich in der Spirale bezw. unterhalb der Heizschlange. Beim Einschalten des Stromes erwärmt dieser zunächst den Heizkörper, der seine Wärme dann so lange an den Brenner abgibt, bis letzterer leitend geworden ist und selbst glüht; in diesem Augenblick wird der Vorwärmer durch einen im Lampensockel befindlichen und vom Leuchtkörperstrom[579] erregten kleinen Elektromagneten ausgeschaltet. Der Anzündevorgang nimmt ca. 2030 Sekunden in Anspruch.
Für jeden Glühkörper gibt es eine bestimmte Spannung, bei der die Stromstärke ohne weitere Spannungserhöhung zuerst langsam, dann formeller so stark ansteigt, daß der Körper schmilzt [8], Da diese kritische Spannung sehr nahe der normalen liegt, genügen schon unbedeutende Spannungssteigerungen zur Zerstörung des Körpers. Diese Gefahr wird durch den Einbau eines Vorschaltwiderstandes (s. Widerstand, elektrischer) beseitigt. Hierzu ist ein Material mit hohem Temperaturkoeffizienten zu wählen, das bei normalem Strom nur wenig, dagegen schon bei geringer Zunahme der Stromstärke viel Spannung verzehrt, dessen Widerstand sich also bei Schwankungen im umgekehrten Sinne ändert wie der des Leuchtkörpers. Ein solches Metall ist z.B. das Eisen; sein Widerstand steigt bei Rotglut sehr stark an. Bei der Nernstlampe besteht der im Lampenfuß befindliche Vorschaltwiderstand, der bis 160 Volt Betriebsspannung für die Vernichtung von 15 Volt, darüber von 25 Volt bemessen sein muß, aus mehreren Spiralen dünnen blanken Eisendrahtes, die in eine luftleere Glaskapsel eingeschlossen sind.
Infolge des hohen Widerstandes des Leuchtstäbchens ist die Nernstlampe für höhere Spannungen sehr geeignet; sie wird zurzeit für Spannungen von 85300 Volt angefertigt, doch würden auch noch höhere Spannungen keine Schwierigkeiten bereiten.
Die untere Grenze der Stromstärke liegt bei 0,2 Ampère, die obere bei 11/2 Ampère. Die normalen Brenner werden zurzeit nur für die drei Stromstärken 0,25, 0,5 und 1 Ampère hergestellt. Gleichstromlampen sind bei der Einschaltung an ihre Polarität gebunden.
Um auch während der Anwärmeperiode bereits Licht zu haben, ist neuerdings die Heizvorrichtung bei dem Modell »Expreßlampe« mit einer gewöhnlichen Glühlampe kombiniert, so daß letztere beim Einschalten sofort brennt und sich zusammen mit dem Heizkörper automatisch ausschaltet, sobald das Leuchtstäbchen die erforderliche Temperatur erreicht hat. Eingehende Unterteilungen über Nernstlampen, insbesondere auch Vergleichsversuche mit Kohlefadenlampen hat Wedding in [9] veröffentlicht.
Im Jahre 1903 gelang es im Laboratorium der Firma Siemens & Halske nach längeren Vorarbeiten, das sehr schwer schmelzbare (bei 2300°) Metall Tantal rein darzustellen und zu Glühlampenfäden zu verarbeiten [10]. Da der Tantalfaden ebenso wie der Osmiumdraht bei der einer Belastung von 1,5 Watt pro Kerze entsprechenden Temperatur ziemlich weich wird, war die Verwendung der gewöhnlichen Bügel-(Hufeisen-) form für eine Lampe, die nicht nur in senkrechter Stellung, sondern in jeder Lage brennen sollte, ausgeschlossen. Es wurde deshalb eine eigenartige Befestigung des Drahtes mittels zweier Gruppen von Tragarmen gewählt, an deren Enden der Draht zickzackförmig aufgehängt wurde (Fig. 5). Bis vor kurzem wurde nur ein Typ für 110 Volt, 25 Hefnerkerzen und 1,5 Watt Oekonomie hergestellt, der einen Leuchtfäden von 650 mm Länge und 0,05 mm Durchmesser besitzt. Das Fadengewicht beträgt 0,022 g, so daß 1 kg Tantal für 45000 Lampen ausreicht. Seit 1906 werden jedoch bereits Lampen von 50120 Volt Spannung und 1250 Hefnerkerzen angefertigt mit einer Oekonomie von 1,51,7 Watt. Ihre Nutzbrenndauer beträgt 500 Stunden; die Lebensdauer erreicht das Doppelte. Die Lampen ersparen über 50% an Strom gegenüber den Kohlefadenlampen.
Als weiterer Vorteil der Tantallampe gegenüber der Kohlefadenlampe ist zu bezeichnen, daß das Tantal, wie alle Metalle, einen mit steigender Temperatur stark zunehmenden Widerstand (bis zum Fünffachen bei 1,5 Watt Belastung) besitzt, während der Widerstand der Kohle wie der eines Elektrolyten mit wachsender Erwärmung abnimmt (ca. bis zum halben Anfangswert bei 3,5 Watt Belastung). Es wird also bei zu- oder abnehmender Spannung die Stromstärke und damit auch die Lichtstärke bei den Kohlelampen rascher zu- und abnehmen als bei Tantallampen, was zur Folge hat, daß letztere gegen Spannungsschwankungen weniger empfindlich sind. Das Rohmaterial soll in hinreichender Menge vorhanden sein.
Von aussichtsreichen neueren Versuchen zur Verbesserung der Oekonomie der Glühlampe sind noch die Sandersche Zirkonlampe, die Wolframlampe von Kuzel und die Osramlampe der Auer-Gesellschaft zu erwähnen.
Für erstere wird ein Faden verwendet, der nach einem besonderen Verfahren [11] aus einem Oxyde des Zirkons (Zirkondioxyd) hergestellt wird. Die Oekonomie soll 2 Watt betragen.
Kuzel fertigt den Leuchtfäden aus kolloidalen (s. Kolloide) Lösungen hochschmelzender Metalle, z.B. des Wolframs, an und erreicht dadurch die günstige Oekonomie von ca. 1 Watt [12].
Die Osramlampe ist ebenfalls eine Metallfadenlampe und wird von der Deutschen Gasglühlicht-Aktiengesellschaft seit dem Frühjahr 1906 fabrikmäßig zunächst für 32 und 50 Kerzen und für 100130 Volt hergestellt. Der Effektverbrauch beträgt nach in der Physikalisch-technischen Reichsanstalt [13] vorgenommenen Dauerversuchen nur ca. 1 Watt für die Kerzenstärke; ihre Nutzbrenndauer ergab sich zu mindestens 1000 Stunden und die Ersparnis gegenüber Kohlefadenlampen zu 7075%.
Ueber die Quecksilberdampflampe s. Bogenlampen, Bd. 2, S. 173.
Literatur: [1] Krüger, Die Herstellung der Glühlampe, Leipzig 1894. [2] Pope, L., Evolution of the electric Incandescent-Lamp, Elizabeth 1889. [3] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, Leipzig 1903. [4] Grawinkel und Strecker, Hilfsbuch für die Elektrotechnik, Berlin 1900. [5] Zeitschr. für Beleuchtungswesen, Berlin 1894/95. [6] Elektrotechn. Zeitschr., Berlin 1904, S. 890. [7] Ebend. 1905, S. 83 und 198. [8] Ebend. 1903, S. 281. [9] Ebend. 1901, S. 620. [10] Ebend. 1905, S. 105. [11] Journ. s. Gasbeleucht., München 1905, S. 203. [12] Elektrotechn. Zeitschr., Berlin 1906, S. 367 u. 466. [13] Ebend. 1906, S. 749.
Holzt.
http://www.zeno.org/Lueger-1904.