Glühlampe

Eine Glühlampe erzeugt Licht, indem sie Strom durch einen dünnen Faden schickt, bis er weiß glüht, in einem luftleeren Glaskolben, damit der Faden nicht verbrennt. Joseph Swan und Thomas Edison machten sie 1879 alltagstauglich, und über ein Jahrhundert lang beleuchtete sie Wohnungen und Straßen.

Was es ist

Die Glühlampe ist ein Glaskolben mit einem feinen Faden im Inneren, dem Glühfaden, der leuchtet, wenn elektrischer Strom hindurchfließt. Vor ihr wurden Wohnungen mit Flammen beleuchtet: Kerzen, Öllampen und Gasbrenner, die rußten und oft Brände verursachten. Elektrische Bogenlampen gab es zwar, doch sie waren für einen Wohnraum viel zu hell.

Die Lampe auf der Tafel entspricht dem Typ, den Edisons Fabrik Anfang der 1880er-Jahre herstellte. Ihre Nachfolger waren fast das ganze 20. Jahrhundert hindurch die übliche Haushaltslampe, bis Kompaktleuchtstofflampen und danach LED-Lampen ihren Platz einnahmen.

Wie es funktioniert

Jeder Stoff gibt Licht ab, wenn man ihn stark genug erhitzt. Der elektrische Widerstand wandelt die Energie des Stroms in Wärme um, und ein dünner Faden wird erst dunkelrot, dann orange, dann weißglühend. Je heißer er brennt, desto weißer und wirtschaftlicher ist das Licht, aber desto schneller verdampft der Faden.

An der Luft verbrennt ein weißglühender Faden aus Kohle oder Metall in wenigen Augenblicken. Deshalb wird der Kolben leergepumpt oder später mit einem Gas gefüllt, das nicht reagiert. Die Pumpe wird oben über ein enges Glasröhrchen angeschlossen, das man danach zuschmilzt; daher stammt die kleine Abschmelzspitze an alten Lampen.

In einer Sprengel-Pumpe schließt jeder fallende Quecksilbertropfen etwas Luft ein und trägt sie durch das Rohr nach unten.

Die Drähte, die den Strom zum Faden führen, müssen durch das Glas hindurch. Glas und Metall dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus, und eine schlecht abgestimmte Einschmelzung springt, sobald die Lampe warm wird. Platin dehnt sich fast genauso stark aus wie das Glas der frühen Kolben. Diese Lampen hatten deshalb kurze Platindrähte, die durch einen Glasfuß geführt und im Sockel mit billigerem Kupfer verbunden waren.

Edison entwarf die Lampe zusammen mit dem Versorgungsnetz. Ein Faden mit hohem elektrischem Widerstand nimmt bei rund 100 Volt wenig Strom auf. So lassen sich die Lampen parallel schalten, jede mit eigenem Schalter, an Kupferleitungen von vertretbarem Querschnitt.

Nur etwa 5 bis 10 % der elektrischen Energie in einer Glühlampe werden zu sichtbarem Licht; der Rest geht als Wärme ab.

Wie man sie baut

Eine haltbare Lampe erfordert einen Glasbläser, eine Vakuumpumpe, die einen sehr niedrigen Druck erreicht, und einen Faden, der zur Versorgungsspannung passt. Nur der erste Schritt ist ein sicherer Versuch für zu Hause; die übrigen beschreiben, wie die ersten Lampen in der Werkstatt entstanden.

Das Prinzip zeigen. Ein kurzes Stück dünne Bleistiftmine zwischen zwei Metallklemmen auf einer Keramikfliese festklemmen und ein umgedrehtes Glasgefäß darüberstülpen. Die Mine an ein Labornetzteil anschließen, auf etwa 12 Volt eingestellt und mit heruntergedrehter Strombegrenzung, dann die Begrenzung langsam erhöhen. Die Mine glüht orange und brennt schließlich im Sauerstoff unter dem Glas durch. Das zeigt, warum der Kolben luftleer sein muss.

Den Faden verkohlen. Die Werkstätten betteten Schlaufen aus Bambus oder Baumwollfaden in Holzkohlepulver, in einem Tiegel mit Deckel und Abzugsöffnung, und erhitzten ihn stundenlang rotglühend in einem Ofen. Ohne Luftzutritt wurde die Faser zu Kohle statt zu Asche; die entweichenden Gase sind brennbar und enthalten Kohlenmonoxid.

Die Zuleitungen einschmelzen. Zwei kurze Platindrähte oder ein anderes, an das Glas angepasstes Metall wurden in einen Glasfuß eingeschmolzen, der Faden mit Kohlepaste an ihren Spitzen befestigt und der Fuß in den Hals eines geblasenen Kolbens mit dünnem Pumpstängel eingeschmolzen. Ein Faden für niedrige Spannung muss kürzer und dicker sein als einer für 100 Volt.

Pumpen und ausheizen. Während der Kolben an der Pumpe hing, trieb ein schwacher Strom durch den Faden Gase aus der Kohle und dem Glas. Fiel der Druck nicht weiter, wurde der Pumpstängel mit einer Flamme zugeschmolzen.

Den Sockel aufsetzen. Ein Schraubsockel aus Messing wurde mit Gips auf den Hals gekittet, ein Draht an die Hülse und der andere an den Mittelkontakt gelötet.

Sicherheit. Netzspannung kann tödlich sein: Versuche nur an einem strombegrenzten Labornetzteil unter 24 Volt durchführen, nie an einer Steckdose, und nie eine Auto- oder Lithiumbatterie direkt über einen Faden kurzschließen. Fäden, Glas und Klemmen werden so heiß, dass sie die Haut verbrennen und Papier entzünden; deshalb auf einer Fliese arbeiten, fern von allem Brennbaren. Ein luftleerer Kolben kann implodieren und Glassplitter schleudern: Schutzbrille tragen und hinter einer durchsichtigen Schutzscheibe arbeiten. Quecksilberdampf ist giftig: zu Hause keine Quecksilberpumpe bauen oder benutzen. Nie einen verschlossenen Behälter erhitzen: Beim Verkohlen entstehen brennbare Gase und Kohlenmonoxid, das gehört in einen belüfteten Ofen im Freien und nicht in eine Wohnung.

Geschichte und Entwicklung

Fasern aus verkohltem Bambus hielten weit länger als das Papier und die Fäden der ersten Lampen.

Humphry Davy brachte 1802 einen Platinstreifen mit dem Strom einer großen Batterie zum Glühen, und 1840 setzte Warren de la Rue eine Platinspirale in eine Vakuumröhre. Platin war zu teuer; Kohle war billig, verbrannte aber in der Luft, die die Pumpen jener Zeit zurückließen.

In England arbeitete Joseph Swan ab etwa 1850 an Fäden aus verkohltem Papier. Ein Versuch von 1860 in einem schlecht evakuierten Kolben scheiterte. Ab 1875 nutzte er die neue Sprengel-Quecksilberpumpe, und zwischen Dezember 1878 und Februar 1879 führte er in Newcastle upon Tyne funktionierende Kohlefadenlampen vor. Im Dezember 1880 stattete er Cragside mit Lampen aus, das Anwesen des Industriellen William Armstrong.

Um 1910 ersetzte gezogener Wolframdraht die Kohle und gab ein weißeres, wirtschaftlicheres Licht.

In Menlo Park in New Jersey entschied sich Thomas Edisons Labor für einen Kohlefaden mit hohem Widerstand. Am 22. Oktober 1879 brannte eine Lampe mit verkohltem Baumwollfaden 13,5 Stunden; dann erhöhte das Team den Strom, und etwa eine Stunde später überhitzte der Kolben und sprang. Am Abend des 31. Dezember 1879 beleuchtete Edison sein Labor und die Straße davor für Besucher, mit hufeisenförmigen Fäden aus verkohltem Karton. 1880 entschied er sich für Bambus, mit berichteten Lebensdauern um 1.200 Stunden, und 1882 begann die Pearl Street Station, Lampen in Lower Manhattan zu versorgen. Nach einem Patentstreit in Großbritannien schlossen sich die Firmen von Swan und Edison 1883 zu „Ediswan“ zusammen.

Um 1910 fand William Coolidge bei General Electric heraus, wie man sprödes Wolfram zu feinem Draht zieht. Bei Weißglut verdampft Wolfram viel langsamer als Kohle, sodass die Lampen heißer brennen konnten. Irving Langmuir füllte die Kolben dann mit einem inerten Gas, zunächst Stickstoff, das die Verdampfung weiter bremst, und wendelte den Faden. Ab 2009 begann die Europäische Union, gefolgt von vielen anderen Ländern, herkömmliche Glühlampen schrittweise vom Markt zu nehmen; an ihre Stelle traten Kompaktleuchtstofflampen und später LEDs.