Quelltext der Seite Langmuir-Schicht (Glühlampe)

{{Dieser Artikel|behandelt einen Effekt im Zusammenhang mit der Glühlampe, zur Schicht aus einer oder mehreren Lagen organischer Moleküle siehe [[Langmuir-Blodgett-Schicht]].}}
Die '''Langmuir-Schicht''' bezeichnet einen Bereich um den Glühdraht oder die [[Glühwendel]], in dem praktisch keine [[Konvektion]] (Strömung) des Füllgases stattfindet. Ihre Entdeckung geht auf Beobachtungen von [[Irving Langmuir]] bei [[General Electric]] im Jahr 1912 zurück und war eine wichtige Erkenntnis zur Reduzierung des Energieverlusts durch Wärmeableitung.<ref name="Dohlus">Rainer Dohlus: ''Photonik: Physikalisch-technische Grundlagen der Lichtquellen, der Optik und des Lasers''. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2010, ISBN 978-3-486-58880-4, S.&nbsp;119 ({{Google Buch|BuchID=vfOFtVFZN2IC|Seite=119}}).</ref> Durch [[Helix|Wendelung]] des Glühdrahtes und Einführung eines [[Inertgas]]es konnten die Lichtausbeute und die Lebensdauer der Glühlampe gesteigert werden.

== Hintergrund der Forschung von Irving Langmuir ==
[[Datei:Carbonfilament.jpg|miniatur|Kohlefadenlampe mit langem Glühfaden und Schwärzung der Innenseite des Glaskolbens.]]
In einer [[Glühlampe]] sendet ein von Strom durchflossener [[Wolfram]]-Glühdraht Licht aus. Moderne Lampen, die mit [[Netzspannung]] von 230&nbsp;[[Volt|V]] betrieben werden, haben typischerweise einen sehr langen, dünnen Glühdraht – feiner als ein menschliches Haar und mit einer Länge von etwa 1150&nbsp;[[Millimeter|mm]]. In den ersten Glühlampen war der Glühdraht lose aufgehängt oder im Zickzackmuster gespannt.<ref name="GasFillingEffects">J. D. Hooker: [http://www.lamptech.co.uk/Documents/IN%20Atmosphere.htm ''Gas Filling Effects.''] Museum of electric lamp technology, abgerufen am 6. Januar 2014.</ref>

Um eine [[Oxidation#Oxidation durch Sauerstoff|Oxidation]] des Drahts durch [[Sauerstoff]] zu vermeiden, befand sich bei den ersten Glühlampen innerhalb des [[Glühlampe#Glaskolben|Glaskolbens]] ein [[Vakuum]]. Der [[Unterdruck]] hat jedoch den Nachteil, dass Wolframatome des Drahtes ungehindert verdampfen und sich auf der Innenseite des Glaskolbens als dunkler Belag niederschlagen. Die Lichtdurchlässigkeit des Glases reduziert sich. Gleichzeitig brennt der Draht durch den Materialabtrag schnell durch und begrenzt die [[Glühlampe#Lebensdauer|Lebensdauer]] der Lampe, insbesondere bei höherer [[Strahlungsleistung]].<ref name="Roy">Kamesh Roy: ''Illuminating Engineering''. Laxmi Publications, 2006, ISBN 978-81-7008-898-1, S. 19–25 (englisch, {{Google Buch|BuchID=htpNJwQbb3wC|Seite=19}}).</ref>

Langmuirs Aufgabe war anfangs, die Ursache der Bildung des dunklen Belags zu studieren und mögliche Einflussgrößen hierfür zu finden. Daraufhin experimentierte er mit zahlreichen ihm zur Verfügung stehenden Füllgasen unter Variation des Fülldrucks. Er fand heraus, dass insbesondere Spuren von Wasser im Restgas die Belagbildung deutlich erhöhen. Durch die Hitze wird das Wasser in der Nähe des Glühdrahtes in Sauerstoff und [[Wasserstoff]] aufgespalten. Das Wolfram reagiert mit dem Sauerstoff. Die entstehenden Moleküle werden nach außen beschleunigt und lagern sich als dünne [[Wolfram(VI)-oxid|Wolframoxidschicht]] auf der kälteren Innenseite des Glaskolbens ab. Der freie Wasserstoff reduziert das Oxid zu dunkel erscheinendem, metallischem Wolfram, wobei wiederum Wasser entsteht, das für eine erneute Reaktion am Glühdraht zur Verfügung steht. Selbst bei gutem Vakuum ließ sich der Effekt nur leicht reduzieren, aber nicht verhindern.<ref name="MIT">Arthur A. Bright Jr.: ''The Electric-lamp Industry: Technological Change and Economic Development from 1800 to 1947.'' Massachusetts Institute of Technology, The Macmillian Company, New York, 1947, S. 317–329 ([http://www.economics.rpi.edu/~simonk/pdf/bright1949.pdf Onlineversion] als PDF (15,5 MB)).</ref>

Andererseits ergab sich bei den Experimenten Langmuirs, dass sich die Verdampfung des Wolframs am Glühdraht deutlich reduziert, wenn der Glaskolben mit [[Stickstoff]] gefüllt ist. Dieses Inertgas selbst reagiert nicht mit dem Wolfram. Vielmehr stoßen viele der vom Glühdraht abgegebenen Wolframatome mit den Gasatomen zusammen und werden zum Draht reflektiert. Die Lebensdauer der Glühlampe erhöht sich. Andererseits leitet die Gasfüllung im Gegensatz zum Vakuum deutlich Wärme ab. Um den Glühfaden auf die gleiche Helligkeit wie im Vakuum zu bringen, ist eine deutlich höhere Energiezufuhr notwendig. Der [[Wirkungsgrad]] der Glühlampe ist reduziert. Anders als im Vakuum lässt sich dieser Effekt durch die Anordnung des Glühdrahtes in der Lampe beeinflussen.<ref name="Roy" />

== Die Langmuir-Schicht ==
[[Datei:Langmuir-Schicht für Glühdraht und Glühwendel2.svg|miniatur|Schematische Darstellung der Langmuir-Schicht (rot). Die Länge des Drahtes in den Bildausschnitten erhöht sich deutlich stärker als die Oberfläche der Langmuirschicht.]]
[[Datei:Electric bulb filament.jpg|miniatur|Glühwendel als Doppelwendel bei reduzierter Spannung. Die höheren Wärmeverluste im Bereich des Haltedrahtes (Einfachwendel) führen zu einem geringeren Leuchten.]]
Der Glühdraht gibt Wärme an die ihn umgebende Gasschicht ab. Diese Schicht wiederum erhitzt die nächste Schicht. Auf diese Weise wird die Wärme immer weiter nach außen geleitet.<ref name="Remane">{{Polytechnisches Journal|Dokumentencode=ar329013 |Autor=H. Remané |Titel=Die Osram-Halbwattlampe |Jahr=1914 |Seiten=53–56 }}</ref>

Mit Erhöhung der Temperatur steigt die [[Viskosität]] des Gases an. Der Viskositätseffekt bei Gasen entsteht durch den zunehmenden Impulsaustausch zwischen den Gasteilchen aufgrund erhöhter Molekularbewegung.<ref>Carl Kramer, Alfred Mühlbauer (Hrsg.): ''Praxishandbuch Thermoprozess-Technik: Grundlagen - Verfahren'', Vulkan Verlag, Essen 2002, ISBN 3-8027-2922-6, S. 182 ([http://books.google.de/books?id=cGDdtkxVE_IC&pg=PA182 eingeschränkte Vorschau] in der Google-Buchsuche).</ref> Bei den am Glühdraht vorherrschenden hohen Temperaturen kann von einer in erster Näherung statischen Gasschicht von 1–2&nbsp;mm Dicke ausgegangen werden, die sich in Form einer zylindrischen Hülle um den Glühdraht legt.<ref name="Roy" /> Diese Hülle wird nach ihrem Entdecker Langmuir-Schicht genannt.

Innerhalb der Langmuir-Schicht findet wegen der hohen Viskosität des Gases keine [[Wärmeübertragung]] durch Konvektion (Strömung) statt. Dadurch wird die [[Wärmeleitung]] –&nbsp;neben der dominanten, aber unvermeidlichen [[Wärmestrahlung]]&nbsp;– zum Mechanismus, über den der Glühdraht Wärme an das die Langmuir-Schicht umgebende Füllgas abgibt. Der Wärmeverlust <math>W</math> kann vereinfacht durch folgende Formel angenähert werden:
:<math>W\approx c \cdot l \cdot \sqrt[3]\frac{r}{R}</math>
wobei <math>c</math> eine Konstante, <math>l</math> die Länge des Drahts, <math>r</math> die Dicke des Drahts und <math>R</math> die Dicke der Langmuir-Schicht darstellt.<ref>Uni Bayreuth: [http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/gluehlampen/gluehlampen.htm ''Chemie in Glühlampen: 5. Die Lebensdauer von Glühlampen.''] 20. September 2010, abgerufen am 23. Dezember 2013.</ref>

Um den Wärmeverlust gering zu halten, muss folglich die Oberfläche der zylinderförmigen Hülle möglichst klein werden und damit vor allem ihre Länge möglichst gering sein.<ref name="Remane" /> Ist der Leuchtdraht –&nbsp;wie bis dahin üblich&nbsp;– lang und dünn, so wird über dessen gesamten Länge die Wärme nach außen abgeführt. Die Dicke des Leuchtdrahtes hat hingegen einen deutlich geringeren Einfluss auf die Größe der Langmuir-Schicht. Ersetzt man den Glühdraht durch eine feine, spiralförmige [[Glühwendel]], so überlagern sich die Langmuir-Schichten der einzelnen Drähte und für die gesamte Anordnung der Drähte kann vereinfacht ein Zylinder mit dem Außendurchmesser der Spirale angenommen werden. Auf diese Weise können große Fadenlängen bei niedrigem Wärmeverlust realisiert werden.<ref name="Dohlus" />

Zur Verstärkung des Effektes wird, insbesondere bei Glühlampen mit höherer [[Betriebsspannung]], wie bei Betrieb an [[Netzspannung]] mit 230&nbsp;V, der Glühfaden in Form einer [[Doppelhelix|Doppelwendel]] ausgebildet. Der Übergang von einer Wolfram-Einfachwendel auf eine Doppelwendel ergibt einen Gewinn der Lichtausbeute um 20 % und wurde ab 1932 umgesetzt. Durch Verwendung von [[Krypton]] statt [[Argon]] als Füllgas kann der Wärmeleitungsverlust durch die höhere [[Atommasse]] weiter reduziert werden, so dass sich zusätzlich 7 % mehr [[Lichtausbeute]] bei gleicher Lebensdauer realisieren lassen.<ref>''Ullmans Encyklopädie der technischen Chemie.'' Urban und Schwarzenberg Verlag 1960, Abschnitt ''Lichterzeugung und Lichtmessung'', S. 709 und 717.</ref>

== Einfluss auf die Glühlampenherstellung ==

Langmuir reichte am 19. April 1913 in Amerika ein Patent mit dem Titel {{lang|en|''Incandescent electric lamp''}} (elektrische Glühlampe) ein, das am 18.&nbsp;April 1916 unter der Patentnummer 1180159 erteilt wurde. Es beinhaltet Glühlampen mit Wolframwendel, die mit einem Gas gefüllt sind, das eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt.<ref>{{Patent|Land=US|V-Nr=1180159|Titel=Incandescent electric lamp}}</ref> 

Die ersten Wolframlampen mit einer Gasfüllung aus Stickstoff mit annähernd Atmosphärendruck kamen 1913 als 1000-[[Watt (Einheit)|W]]- und 750-W-Varianten auf den Markt. Zur Unterscheidung von den Vakuumlampen erhielten sie in Amerika die Bezeichnung ''Mazda C''. Weitere Varianten mit einer Leistung bis hinunter zu 200&nbsp;W folgten 1914. Ab etwa 1918 wurde ein Teil der Gasfüllung durch Argon ersetzt und auch kleinere Lampen mit einer Leistung ab 40–50&nbsp;W als gasgefüllte Lampen angeboten.<ref name="MIT" />

Die Steigerung der Effizienz der Glühlampen war entscheidend von der Leistung abhängig. Während sich für die gasgefüllten Hochleistungslampen bei einer Lebensdauer von etwa 1000&nbsp;h die [[Lichtausbeute]] mit etwa 20&nbsp;lm/W ([[Lumen (Einheit)|Lumen]] pro Watt) gegenüber einer Vakuumlampe etwa verdoppelte, ließ sich bei einer 100-W-Lampe 1917 nur eine Steigerung von bis dahin etwa 10&nbsp;lm/W auf 12,5&nbsp;lm/W realisieren.<ref name="MIT" />

Ein Problem der damaligen Zeit war das Durchhängen des Wolframdrahtes während des Betriebs. Dieses begrenzte den minimalen Abstand zwischen den Wicklungen der Wendel. Erst als 1917 – ebenfalls von einem Mitarbeiter von General Electric – eine neue [[Legierung]] für den Draht entwickelt war, verhinderte eine veränderte Kristallstruktur im Metall eine gegenseitige Verschiebung innerhalb des Materials und sorgte somit für Stabilität. Diese Entdeckung ermöglichte erst die Entwicklung einer langzeitstabilen Doppelwendel im Jahre 1926. Ab 1936 konnten Standardglühlampen serienmäßig mit Doppelwendel hergestellt werden. Durch diese Umstellung von einer Einfachwendel auf eine Doppelwendel konnte die Temperatur des Drahtes bei gleicher Lebensdauer erhöht werden. Die Lichtausbeute steigerte sich bei einer 60-W-Lampe von 12,5&nbsp;lm/W auf 13,8&nbsp;lm/W, die einer 100-W-Lampe von 15,3&nbsp;lm/W auf 16,0&nbsp;lm/W.<ref name="MIT" />

== Literatur ==
*H. Schirmer, I. Stober, J. Friedrich: ''Über die Methode von Langmuir zur theoretischen Behandlung gasgefüllter Glühlampen.'' In: ''Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen der Osram-Gesellschaft.'' Volume 9, 1967, S.&nbsp;125–136 ([http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-52106-5_10#page-1 Vorschau]; zur theoretischen Berechnung der Langmuir-Schicht).

== Weblinks ==
*{{Internetquelle
| autor=J.D. Hooker
| hrsg= Museum of electric lamp technology
| url=http://www.lamptech.co.uk/Documents/IN%20Coiling.htm
| sprache= englisch
| titel=Filament Coiling Effects
| zugriff=2012-12-09
| kommentar=Darstellung des Kühlungseffektes in Abhängigkeit von der Wendelform
| zitat=
| offline=
}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Leuchtmitteltechnik]]
[[Kategorie:Thermodynamik]]

[[en:Incandescent_light_bulb#Reducing_filament_evaporation]]