LeuchtstoffröhreVortrag von Michaela Potche im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 08/09
Gliederung:
In Comics werden geniale Erfindungen und Ideen durch leuchtende Glühbirnen symbolisiert. Aber die Ära der Leuchtstoffröhre geht vorbei und das Zeitalter der Leuchtstoffröhre ist angebrochen. Jeder kennt die Leuchtstoffröhre und jeder hat schon mal eine gesehen. Aber die meisten wissen nicht wie diese Leuchttechnik funktioniert.
1 AufbauDie Leuchtstoffröhre besteht aus
einem Glasrohr. Dieses Rohr ist luftdicht abgeschlossen und auf der
Innenseite mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet.
Die Leuchtstoffröhren gehören im engeren Sinne zu den Heißkathodenlampen. An den Enden der Röhre ist eine Wolframwendel eingelassen. Diese fungiert als Heizwendel. Bei der Leuchtstoffröhre werden direkt-geheizte Oxidkathoden verwendet. Der Heizdraht wird mit einer Oxidschicht aus Bariumoxid (BaO) überzogen. Mit zunehmender Aufheizung der Glühwendel durch den Strom vergrößert sich die Schwingungsweite der Gitterbausteine. Die freien Elektronen nehmen an der Bewegung teil. Einige Elektronen an der Oberfläche des Metalls erhalten eine so starke kinetische Energie, dass sie aus dem Metall austreten. Durch diese Glühemission werden die Elektronen um die beheizte Kathode freigesetzt. Es bildet sich eine Elektronenwolke. Damit die Leuchtstofflampe zum Leuchten kommt, müssen die Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt werden. Trifft ein beschleunigtes Elektron auf ein Quecksilber-Atom, werden die Hüllelektronen angeregt. Durch die zugeführte Energie werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben. Die Elektronen verlassen nach wenigen Sekunden den angeregten Zustand. Beim Zurückkehren in den Grundzustand geben sie eine bestimmte Energiemenge in Form von Lichtquanten ab. Bei Quecksilber liegt dieses Licht im Wellenbereich 245 nm und somit im UV-Licht. Als Leuchtstoff werden allgemein feste Stoffe bezeichnet, die durch Anregung mit kurzwelligem Licht sichtbares Licht erzeugen können. Die Leuchterscheinungen beruhen auf der Fluoreszenz. Die verschiedenen Farben der Leuchtstoffröhren werden durch unterschiedliche Leuchtstoffe erzeugt. Schwarzlicht gehört zur Ultraviolettstrahlung und speziell zur UV-A Strahlung im Bereich 315 - 380 nm. Bei diesen Röhren wird eine Leuchtstoffschicht eingesetzt, die UV-Strahlung bei 350 nm oder 370 nm abgeben kann; so zum Beispiel Bariumsilikate mit Bleizusatz. Ein guter rot emittierender Leuchtstoff ist Ytrriumoxid Y2O3 mit Europium-Zusatz Eu3+ .
Für den Betrieb einer Leuchtstoffröhre wird ein Starter und eine Spule benötigt.
3.1 Glimmlampe Der Starter leitet die Zündung ein. Er ist parallel zur Lampe angeschlossen und enthält in seiner Ausführung das Prinzip einer Glimmlampe. Eine Glimmlampe ist ein gasgefülltes Rohr. Sie besitzt eine kalte Kathode und einen geringen Elektrodenabstand. Durch die angelegte Spannung werden die im verdünnten Gas bereits vorhandenen Ladungsträger beschleunigt. Die Energie der auftreffenden Ladungsträger auf die kalte Kathode reicht aus, um Elektronen herauszulösen. Es kommt zur Kathodenemission. Die heraus gelösten Elektronen werden wiederum im elektrischen Feld beschleunigt und sind in der Lage die im Gas vorhandenen Atome zur Lichtausstrahlung anzuregen. Durch das Leuchten erwärmt sich der Bimetallstreifen und verbiegt sich. Die Elektroden berühren sich und der Stromkreis wird geschlossen, das Glimmleuchten hört auf. 3.2 Demonstration Bimetall Ein Bimetall ist ein Metallstreifen aus zwei Schichten unterschiedlicher Materialien, die miteinander verbunden sind. Charakteristisch ist die Veränderung der Form bei Temperaturänderungen. Diese äußert sich in einer Verbiegung. Experiment: Verformung von Bimetall
Im Starter unterbleibt bei Kontakt der beiden Elektroden das Glimmleuchten. Der Bimetallstreifen kühlt wieder ab und biegt sich in seine Ausgangsstellung zurück. Der Stromkreislauf wird schlagartig unterbrochen. 3.3 Spule und Selbstinduktion Durch die schlagartige Unterbrechung des Stromflusses entsteht in der Spule durch Induktion ein Hochspannungsimpuls, der die Elektronen in der Röhre beschleunigt. Eine Spule ist ein Leiter der zu einer oder mehreren Windungen geformt ist. Die Leuchtstoffröhre wird mit Wechselspannung betrieben. Der zugehörige Wechselstrom baut in der Spule ein magnetisches Feld auf und ab. Wird der durch eine Spule fließende Strom abgeschalten, baut sich das Magnetfeld in der Spule rasch ab. Wenn diese Energie in Form von Strom nicht abfließen kann, dann entsteht kurzzeitig eine viel höhere Spannung als vorher an der Spule angelegt war. Diese Spannung wird Selbstinduktionsspannung genannt. Diese Spannung reicht aus, um die Elektronen in der Röhre zu beschleunigen. Der Strom fließt nun durch die Röhre und der Starter kann aus dem Aufbau herausgenommen werden.
Für jeden Haushalt, der sich auf die Fahne geschrieben hat, die Energiekosten zu senken, führt der Weg an Energiesparlampen nicht vorbei. Energiesparlampen sind eine Weiterentwicklung der Leuchtstoffröhren, damit man sie in jedem Haushalt einsetzen kann. Ein wesentliches Argument der Energiesparlampe gegenüber der herkömmlichen Glühlampe dürfte die Stromkostenersparnis sein. Rechenbeispiel: Geg: 100 W Glühbirne,
36 W Leuchtstoffröhre, 20 W Energiesparlampe Ges: Kosten Lös: Glühbirne 100 W
Leuchstoffröhre 36 W: 4 € Leuchtstoffröhren haben zudem eine höhere Lebensdauer gegenüber Glühlampen. Eine Leuchtstoffröhre lebt ca. 8.000 - 10.000 Stunden und eine Glühbirne ca. 1.000 Stunden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei Leuchtstoffröhren ein Lichtstrahl nicht auf dem Umweg über die Stromwärme, sondern durch direkte elektrische Anregung der Atome des Füllgases hervorgerufen wird. Für diesen Vorgang sind drei Hauptkomponenten wichtig; das Füllgas als Träger der elektrischen Leitung, die Wolframwendel für die Erzeugung der Ladungsträger und die Leuchtstoffschicht für die Verstärkung entstehender Lichteffekte.
5 Literatur:
E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10 |
