Leuchtstofflampe im Sachunterricht der Grundschule


Examensarbeit, 2007

68 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

I. Leuchtröhre – Gasentladungslampe
1. Geschichte der Gasentladungslampen Licht ist nicht alles: Die Gasentladungsröhre verändert unser Leben
2. Untersuchung der Gasentladungsröhre
1. Aufbau einer Leuchtstofflampe
2. Warum leuchtet eine LEuchtröhre ?
3. Fließt in der Glasröhre tatsächlich Strom?
4. Wie wird Luft elektrisch leitend gemacht?
5. Ist die Luft in der Glasröhre wirklich „verdünnt“?
6. Eigenschaften des Leuchtstromes in der Röhre – der Kathodenstrahl
7. Farbänderung beim Einleiten von Gas
8. Probleme beim Experimentieren mit der Selbstbau-gasentladungsröhre

II. Leuchtstoffe
1. Licht
Lichtwellen
Lichtstrahl
Prisma
Wellenlänge
Ultraviolettes Licht
2. Leuchtstoffe
Anregung und Umwandlung
Was sind und woraus bestehen Leuchtstoffe?
Beleuchtungsgrößen
3. Lumineszenz
Lumineszenzarten
Phosphoreszenz und Fluoreszenz
4. Versuche zur Lumineszenz
1.) Vergleich der Spektren einer beschichteten und einer unbeschichteten Leuchtstofflampe
2.) Untersuchung von 3 Leuchtstoffen im sichtbaren und im UV-Licht
3.) Textmarker auf weißem Papier
4.) Fluoreszierende Farbpasten
5.) Menschliche Zähne
6.) Geldscheine, Ausweise, EC-Karten, Briefmarken
7.) Waschmittel-Pulver

III. Toxikologie, Recycling, Zukunftsperspektiven
1. Toxikologie
Quecksilber
Elektrosmog
2. Recycling
3. Zukunftsperspektiven

Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

Die vorliegende Wissenschaftliche Hausarbeit greift einen Gegenstand des Alltags von Grundschülern auf: die Leuchtstofflampe (oder Gasentladungsröhre). Die Lampe wird mit einfachsten Mitteln nachgebaut und ermöglicht den Schülern, Physik am Beispiel der Lampe in unterschiedlichen physikalischen Gebieten verstehen zu lernen. Ein unglaubliches Phänomen – Luft leitet Strom – wird durch mehrere physikalische Aspekte erklärt, die von den Schülern im Experiment selbst nachvollzogen oder nach eigenen Ideen erweitert werden können. Die Schüler erleben dabei auch einen „Stromfluss“, der mit anderen Möglichkeiten schwerlich sichtbar gemacht werden kann. Die Leuchtstofflampe ist damit mehr als nur eine Lampe, sie kann der sinnvolle Einstieg in das Thema Elektrizität sein, und ermöglicht durch vielseitige Versuche einen Einblick in das Wesen des elektrischen Stromes.

Dabei stehen im ersten Kapitel Experimente mit der Selbstbau-Röhre im Vordergrund: die Verdünnung der Luft, Erzeugen eines (Gewitter-)Blitzes, Ablenken des Kathodenstrahls mit einem Magneten, Farbänderung des Kathodenstrahls durch Einleiten eines anderen Gases, Überprüfen der Vermutung, dass in der Glasröhre überhaupt Strom fließt. Die Schüler erfahren, wie sich die farbige, watteartig aussehende Gasfüllung in der Glasröhre bei stärkerer Verdünnung in kleine Farbwölkchen auflöst, und können mit der Influenzmaschine Funkenüberschläge durch eigene Kraft (Kurbeln mit der Hand) herstellen. Dabei werden verschiedene Sinne angeregt: die überraschende Farbigkeit der Säule in der Röhre ist mit dem Auge erfassbar und das Knistern und „Einschlagen“ eines Blitzes, das in der Glasröhre ein kurzes Aufleuchten erzeugt, lässt die Schüler „aufhorchen“.

Zu den wichtigen Themen „Vakuum“ und „Elektrostatik“ werden weitere Versuche vorgestellt, die nicht die Selbstbau-Röhre betreffen, sondern diese Themen selbst verständlich machen sollen. Diese Experimente könnten auch zu einem früheren Zeitpunkt im Unterricht behandelt werden, beispielsweise zum Thema „Elektrizität“.

Im zweiten Kapitel werden Leuchtstoffe und Lumineszenzerscheinungen untersucht. Die Schüler lernen den Unterschied zwischen Tageslicht und UV-Strahlung kennen und erfahren, dass sie manche Farben mit ihren Augen nicht sehen und auch nicht unterscheiden können. Ein Experimentierteil mit einfachen, meist leicht erhältlichen Leuchtstoffen untersucht die UV-Strahlung und „beleuchtet“ dabei alltägliche Gegenstände. Dieser Themenbereich kann auch unabhängig von der Röhre mithilfe einer UV-Lampe durchgeführt werden.

Die Leuchtstoffröhre muss in den Sondermüll gegeben werden, und wird dort zu einem erheblichen Anteil recycled. Die Schüler sollten darüber Informationen erhalten, um durch bewusstes ökologisches Verhalten das giftige Quecksilber, das auch auf absehbare Zeit in Leuchtstofflampen enthalten sein wird, nicht zu einer noch stärkeren Belastung für Mensch und Umwelt zu machen. Das dritte Kapitel behandelt kurz Risiken und Rückgewinnung der Leuchtstofflampen.

Einleitung oder Warum sollten sich Grundschüler mit dem Thema Leuchtstofflampe beschäftigen ?

Das Thema „Leuchtstoffröhren“, oder auch „Neonröhren“ (oder aber, physikalisch gesprochen: „Gasentladungsröhren“), hört sich nicht so spannend an. Mir wurde auch immer wieder die Frage gestellt, warum sich denn Grundschüler damit beschäftigen „sollen“. Keine ganz falsche Frage, wenn man eine Leuchtstoffröhre in der Hand hält und eigentlich gar nichts sieht oder fühlt – die Glühbirne dagegen ist durchsichtig, sie leuchtet an einer erkennbaren Stelle und wird heiß, ist damit doch viel „greifbarer“. Deshalb war es von Anfang an für mich eine große Herausforderung, die Leuchtstoffröhre „begreifbar“ zu machen, nicht nur für Grundschüler, sondern auch für mich.

In unserer Zeit ist sehr viel nicht mehr sichtbar und erkennbar. Die Frage „Wie funktioniert das?“ kann auch von Erwachsenen für viele Alltagsdinge nur noch mit einem vagen „also, ich weiß es nicht so genau, aber es könnte …“ oder „frag doch mal Deinen Vater/Lehrer“ beantwortet werden. Die oft unverständliche Technik lässt uns glauben, dass wir „das sowieso nicht kapieren“.

Dabei gibt es tatsächlich Erklärungen, die „einleuchten“, die auch Grundschülern und Erwachsenen vermittelbar sind. Und genau dies ist der Grund, warum das Thema „Leuchtstoffröhren“ nicht nur für die Oberstufe geeignet ist. Denn es ist ein wichtiges Element des Alltags – wir sitzen und bewegen uns tagtäglich unter Leuchtstofflampen in der Schule und im Büro, wir drehen Energiesparbirnen in die Nachttischlampe, wir leben einfach mit diesen Lampen. Wir müssen auch mit den Gefahren durch diese Lampen leben, zumindest bis zu einer Entwicklung, die das gefährliche Quecksilber darin durch ungefährliche Stoffe ersetzt. Mir selbst war dies bisher nicht bewusst gewesen, und ich meine, dass das auch vielen anderen nicht klar ist.

Leuchtstofflampen haben eine lange Vorgeschichte und setzten sich aus mehreren physikalischen Aspekten zusammen, denen wir täglich begegnen: Vakuum – Haltbarmachung unserer Lebensmittel. Elektrostatik – der „Schlag“, den wir beim Berühren der Türklinke manchmal erhalten. Leuchtstoffe – das Waschmittel ist „weißer als weiß“, in der Disco leuchten weiße T-Shirts auf. Gasentladung – faszinierende Gewitterblitze am nächtlichen Himmel.

Warum also sollte dieses Thema nicht in der Grundschule angesprochen werden?

Es gibt noch einen ganz wesentlichen Grund dafür: Den grundsätzlichen Zugang zur Elektrizität. Wagenschein[1] sieht in der herkömmlichen Schulphysik zwei Möglichkeiten, die Elektrizitätslehre zu beginnen, zum einen die Elektrostatik (das wäre der historische Weg, zu dem auch ich einige Versuche vorschlage) und zum anderen das „Hineinstürzen“ in das Thema unter Voraussetzung der Begriffe „Strom“, „Stromfluss“ als bekannt, da diese im Alltag immer wieder erwähnt werden. Ein paar Vergleiche mit dem Wasser, und schon fließt der Strom munter dahin… Was ist aber ein „Stromfluss“ – wer fließt da, von wo nach wohin, was ist überhaupt „Elektrizität“, das wird recht schnell gezeigt, beschlossen und beendet. Tatsächlich sieht man aber – nichts. Kein einziges Elektron, das sich auf den Weg von der einen Elektrode zur anderen macht, nichts. Oder aber, und das ist die 3. Möglichkeit, die nur mit der Gasentladungsröhre durchführbar ist: Im Funken, der zwischen zwei Körpern zu sehen ist, in der Gasentladung zwischen den Metallelektroden ist das „Etwas“ eben doch zu sehen, indem es leuchtet.[2] Sogar die Richtung des Fließens kann man mit speziellen Gasentladungsröhren erkennen.[3] In der selbstgebauten Leuchtstoffröhre ist der Funkenüberschlag besonders eindrucksvoll mit einer Influenzmaschine zu erzeugen, und damit stellt sich sehr schnell die Analogie zum Gewitterblitz her, der den Schülern selbst bekannt ist, von dem sie schon berichtet bekommen haben; dass, wird jemand (Mensch oder Tier) davon getroffen, „ein Strom hindurch fließt“, in den Boden hinein. Die Verbindung mit einem Strommessgerät und die daraus resultierenden Feststellungen sind ein Hinweis auf einen Stromfluss in der Glasröhre. Die Ablenkbarkeit des Strahles in der Röhre durch einen Magneten zeigt, dass sich dort drin negative Elektrizität befindet – wieder ein Hinweis auf einen elektrischen Strom. Die Untersuchung der Leuchtstofflampe dient eben nicht nur dem Selbstzweck – was ist das für eine Lampe, wie funktioniert sie? – sondern bietet einen sinnvollen Einstieg in das Thema „Elektrizität“, zu dem dann auch sehr gut die Elektrostatik als Alltagserlebnis passt.

Mein Bestreben ging von Anfang an dahin, eine Leuchtstoffröhre selbst zu konstruieren, einen „Selbstbausatz“ zu erhalten (ich nenne sie daher im folgenden die Selbstbau-Röhre), der das kann, was auch die fertig gekaufte Röhre leistet – Licht zu erzeugen – aber als „offenes“ System, um jeden Schritt nachzuvollziehen, um die unterschiedlichen Elemente aufzuzeigen, um Schüler nicht zu verschrecken, sondern auch selbst experimentieren zu lassen, neugierig zu machen und mit der Frage „Was passiert, wenn ich das hier verändere?“ zum eigenen Tun anzuregen. Die Selbstbau-Röhre entspricht einer „echten“Neonröhre, mit Luft anstelle von Neon-Gas, zur Leuchtstofflampe fehlen noch Quecksilber und die Leuchtstoffe.

Die Arbeit beschäftigt sich mit diesen Experimenten, wobei der Aufbau einer funktionierenden Selbstbau-Leuchtstoffröhre an den Anfang des Experimentalkapitels gesetzt wurde und die einzelnen Komponenten Schritt für Schritt entwickelt werden.

Die Grundlagen der Leuchtstofflampe liegen Jahrhunderte zurück und basieren auf der Vakuumentwicklung und der Elektrostatik. Diese Zeitspanne umfasst die Entwicklung der heutigen Physik. Die Glühlampe wurde seit 1880 eingesetzt, die Leuchtstoffflampe erst 50 Jahre später. Und trotzdem:

Schon um 1675 leuchtete eine Glasröhre mit den Komponenten, die auch heute noch die Leuchtstofflampe ausmachen: Luftverdünnung, Quecksilber, Glasröhre, Elektrizität. Und was man damals zufällig zustande brachte, kann doch heute nicht so schwer zu erklären sein ?!

Thematische Gliederung

Woraus besteht eigentlich eine „Neonröhre“ oder, richtiger, eine Leuchtstofflampe, oder, genauso richtig, eine „Gasentladungslampe“? Wie funktioniert die Leuchtstoffröhre, warum leuchtet sie, was passiert in der Glasröhre? Diese einzelnen Themen werden in dieser Arbeit beschrieben und erklärt.

Ich verwende dabei die Begriffe Leuchtstofflampe, Leuchtstoffröhre, Gasentladungslampe gleichermaßen – sie sagen alle dasselbe aus: eine Lampe, die leuchtet, weil das in ihr befindliche Gas (auch Luft ist ein Gas) durch eine elektrische Entladung (vergleichbar einem Blitz) gezündet wird. Der Begriff Gasentladungsröhre (-lampe) war im 19. Jahrhundert gebräuchlich und wurde zur Leuchtstofflampe erweitert, als auf die Innenseite der Glasröhre noch Leuchtstoffe aufgebracht wurde, um die Lichtausbeute zu erhöhen. Manchmal verwende ich für meine „Selbstbau-Röhre“ auch den Begriff Leuchtröhre, weil „Gasentladungslampe“ doch etwas sperrig klingt, vor allem in der Grundschule.

Die Unterteilung der Kapitel richtet sich nach den Komponenten, die man für eine Leuchtstofflampe benötigt:

- eine Glasröhre mit Gas oder Luft
- eine sehr hohe Spannung
- eine Vakuumpumpe
- verschiedene Leuchtstoffe

An diese Themen schließt sich eine ökologische Betrachtung der Leuchtstofflampe an, die auch auf Zukunftsperspektiven eingeht.

Die einzelnen Kapitel behandeln jeweils Komponenten der Leuchtstofflampe und ergänzen sich zur Lampe, die wir dann nur noch einschrauben müssten. Die Entwicklung der Elektrizität und des Vakuums waren für die Entstehung der Leuchtstofflampe gleichermaßen wichtig und nahmen sogar (wie auch mit Einschränkungen) ihren Anfang in demselben Mann, dessen großer Fan ich im Verlauf der Arbeit wurde: Otto von Guericke.

Erst durch die Erzeugung eines Vakuums konnte ein elektrischer Effekt zur „Erleuchtung“ führen, und nur der gezielte Bau der „Geißlerröhren“ aus Glas erbrachte die „Leuchtröhre“. Die Leuchtstoffe kamen erst sehr viel später, im 20. Jahrhundert, dazu, als in dem Leuchten des Barometers von Picard im 17. Jahrhundert, dem Aufblitzen einer quecksilbergefüllten Glasröhre im 18. Jahrhundert – die als „Kuriosität“ in den Salons des Barocks für Belustigung sorgte - der wissenschaftlichen „Kathodenstrahlröhre“ des 19. Jahrhunderts dann endlich, im 20. Jahrhundert, eine wirtschaftliche Nutzung erkannt und möglich gemacht wurde. Aber leuchten konnte die Röhre schon Ende des 17. Jahrhunderts!

Zu jedem Thema stelle ich Versuche vor, die von mir zur Erarbeitung des Themas „Leuchtstofflampe“ selbst gemacht wurden und die den Grundschülern das Thema verdeutlichen sollen. Am Ende der Arbeit steht sie dann da, die Selbstbau-Leuchtstoffröhre, und versucht, einen fesselnden Eindruck auf Schüler und Lehrer zu machen – Licht aus und das Leuchten beginnt…

Eine Glasröhre, die nichts enthält – ist Luft etwa „Nichts“?

Die äußeren Bedingungen werden gegeben: Eine Vakuumpumpe pumpt die Luft oder das Gas ab. Eine Elektrisiermaschine oder ein Netzstromgerät liefert die Hochspannung. Der Strom kann fließen – aber nun braucht er noch das Gerät, in dem sich das Fließen, das Leuchten, das Abpumpen abspielt: die Röhre. Eine Glasröhre ist nicht nur leicht zu erhalten[4], sie ist auch, im Gegensatz zur „echten“ Leuchtstofflampe, durchsichtig, so dass die Vorgänge darin gut zu sehen sind. Sie kann mit Gummistopfen recht dicht verschlossen werden und ist in ihrer Länge sehr stark variabel, ohne an Wirkung zu verlieren. Kurzum: Bereits um 1850 bestand die Gasentladungsröhre aus Glas, und auch heute noch sind Leuchtstofflampen allesamt (Ausnahmen sind Quarzglaslampen für Solarien und Pflanzenlampen) aus Glas – der Werkstoff überzeugte.

Die große Faszination, die mich packte, als plötzlich die Luft in der Glasröhre im Dunklen leuchtete, in einem überraschend kräftigen Rosa – das führte dazu, dass ich immer wieder das Licht ausschaltete, die Vakuumpumpe ein, und dann die Spannung hochdrehte – und wieder ein wunderbares Leuchten sah. Dann experimentierte ich mit dem Licht, hielt einen Magneten an die Röhre, einen Kompass (auch wenn ich damit keinen Experimentiererfolg hatte), dichtete die Röhre mal mehr, mal weniger ab: Mal hatte ich einen satten rosafarbenen Nebel in der Röhre, dann waren es nur noch wenige zartrosa Wölkchen. Ließ ich Argon-Gas einströmen, lief plötzlich ein zackiger weißer Strahl durch die Röhre und verschwand gleich wieder. Ich befand mich in der Situation der Zuschauer von Crookes, zurückversetzt in das Jahr 1879, als Crookes in England seine Versuche zu den Gasentladungen vorführte und ich diese nachahmen wollte (und manches sogar konnte).

Diese Faszination können Grundschüler nachempfinden, ohne zu wissen, was da vor sich geht. Sie können beschreiben, was sie sehen, und daraus schon viele Rückschlüsse ziehen. Und so werde ich im wesentlichen auch verfahren, um die Leuchtröhre zu untersuchen: Experimente beschreiben und so erklären, dass verständlich wird, wie die Lampe funktioniert, ohne allerdings in die Quantenphysik einzusteigen, die (nicht nur) von den Grundschülern nicht verstanden wird…

Aller Anfang war Guericke, und wie es danach weiterging bis zur heutigen Lampe, beschreibe ich in der „Geschichte der Gasentladungsröhren“. Dann steht sie vor uns, die Leuchtröhre, genau, noch ist es eine „Leuchtröhre“, es fehlt der „-stoff“ darin, der erst im nächsten Kapitel behandelt wird. Meine Experimente mit der „Selbstbau-Röhre“, wie ich sie nenne, und physikalische Hintergründe zum jeweiligen untersuchten physikalischen Aspekt können Grundlage für die Behandlung des Themas in der Grundschule bilden und stehen in „Untersuchung der Gasentladungsröhre“. Dabei werden auch Probleme beim Experimentieren benannt, um den Lehrern, die diesen Versuchen folgen, vielleicht manches zu erleichtern.

Vorsicht, Hochspannung: Elektrizität erzeugt Blitze

Erste Bedingung für das Leuchten der Leuchtstofflampe ist eine sehr hohe Spannung. Elektrizität – aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken – ist genauso wichtig wie das Vakuum. Durch das Gas (die Luft) fließt Strom – aber nur, wenn dieser eine ausreichend hohe Spannung hat. In diesem Kapitel beschäftige ich mich daher mit Elektrizität. Spannend war dieses Thema für mich, denn im Gegensatz zum Vakuum, das ich mit meinen Versuchen nicht ausreichend selbst herstellen konnte, ist die Erzeugung einer Hochspannung und eines starken Funkens praktisch „von Hand“ herstellbar. Einige Versuche zur Elektrostatik zeigen dies eindrucksvoll. Es blitzt, es kracht, und nicht nur Kinder können sich dafür begeistern…

Vor dem Anfang war das Nichts: Was hat es mit dem Vakuum auf sich?

Ohne Vakuum kein Leuchten[5], ohne Verdünnen der Luft keine Lampe, ohne Herauspumpen von Gas gibt es keine Leuchtstofflampe, keine Gasentladung. Was heißt eigentlich „Vakuum“ und warum ist es so bedeutend für diese Lampen? Versuche zum Vakuum zeigen, dass Luft einen erheblichen Druck auf einen Körper ausüben kann, und weitere Wirkungen des Vakuums.

Es wird hell – Leuchtstoffe machen aus der Gasentladungsröhre eine richtige Lampe

Die „Leuchtstofflampe“ hieße nicht so, wenn sie nicht auch Leuchtstoffe enthielte. Ohne diese hätte sie auch gar nicht Einzug in unsere Arbeits- und Lebenswelt gehalten, denn sehr viel Licht gibt die Lampe ohne Leuchtstoffe nicht ab – gerade mal 10% des erzeugten Lichtes ist sichtbar, der große Rest ist UV-Licht, und damit für uns praktisch unsichtbar. Die Leuchtstoffe wandeln das UV-Licht um, und, voilá, es strahlt hell von der Decke herunter. In diesem Kapitel lade ich herzlich zum Nachmachen ein, der Bastelladen hält dazu auch einiges bereit. Doch sollten vor dem Ausprobieren noch einige Grundlagen zum „Licht“ und den „Leuchtstoffen“ durchgelesen werden. Die „Versuche zur Lumineszenz“ sind zur Nachahmung wärmstens empfohlen und laden Schüler gerne zum Mitmachen ein.

I. Leuchtröhre – Gasentladungslampe

1. Geschichte der Gasentladungslampen

Otto von Guericke (1602-1686) – mit ihm fing um 1650 alles an! Vakuum, Elektrizität und auch noch die Gasentladung – vieles von dem, das unseren Alltag bestimmt, hat seinen Ausgangspunkt bei Guericke. Joseph Priestley [6], Universalwissenschaftler des 18. Jahrhunderts, schreibt, dass Guericke „einen vorzüglichen Platz unter den ersten Verbesserern der Lehre von der Elektricität mit Rechte verdienet“[7]. Die erste Reibungselektrisiermaschine, Guericke´s Schwefelkugel, erbrachte nicht nur neue Erkenntnisse zur Elektrostatik, sondern „erhellte“ auch den Beginn der Gasentladungslampen. Nur schwach, denn das Licht, das man sehen konnte, war vergleichbar mit dem, „wenn man Zucker im Finstern schlägt“[8], nur eine Glimmlichterscheinung. 1700 erzielte Dr. Wall eine kurz aufleuchtende Lichtflamme, als er einen Bernstein durch Wolle zog.[9]

Bedeutender für die späteren Leuchtstofflampen war Francis Hauksbee, der das elektrisch erzeugte Licht mit dem Vakuum zusammenbrachte. Er hatte von der Entdeckung Picard ´s 1675 gehört, die dieser zufällig beim Transport eines Barometers mit Quecksilber gemacht hatte: Schüttelte man das Barometer, sah man ein Aufleuchten im oberen, luftleeren Raum. Hauksbee baute sich eine Elektrisiermaschine nach Guericke´s Art, jedoch mit einer Glaskugel, pumpte die Luft heraus und drehte sie sehr schnell. Wenn er seine Hand an die Kugel legte, konnte er innen ein starkes Licht erzeugen.[10] Das Leuchten im Innern war so stark, dass Gegenstände in einer Entfernung von 3 m beleuchtet wurden.[11] 1706 wies Hauksbee, vollständiger 1745 Ludolff [12], nach, dass die Leuchterscheinung auf der Reibungselektrizität zwischen Glaswand und Quecksilber beruhte.[13]

Eine erste Gasentladungslampe ist das 1740 gezeigte „elektrische Ei“[14], das aus einem eiförmigen, luftleeren Glaskolben bestand, in das von oben und unten Metallstäbe eingeschmolzen waren, die an eine Elektrisiermaschine angeschlossen waren. Johann Heinrich Winkler entwickelte 1742 eine „richtige“ Leuchtröhre mit den drei Elementen, die auch heute noch Grundlage der Gasentladungslampen sind: Quecksilber, metallische Stromzuführung, Glasröhre.[15]

Das „elektrische Licht“, das sich mit den Funkenentladungen verband, wurde schon seit der Mitte des 18. Jahrhunderts in Experimenten und Arbeiten vorgestellt, aber erst Humphry Davy (1778-1829) 1821 und De la Rive (1801-1873) 1820 erzeugten ein länger andauerndes Leuchten, so dass „die Augen der Zuschauer davon geblendet wurden“[16]. Wassilij Wladimirowitsch Petrow untersuchte seit Anfang des 19. Jahrhunderts Gasentladungen bei erniedrigtem Druck (etwa 10 bis 13 hPa) unter der Glocke einer Luftpumpe. Dabei erkannte er, dass die Zündung der leuchtenden Entladung durch das Vakuum erleichtert wurde.[17] Davy stellte die Notwendigkeit der Zündung der Lampe vor und bewerkstelligte dies über eine Abreißzündung mit Quecksilber, die später, um 1890, bei vielen Lampentypen gebräuchlich wurde: Quecksilber füllte das eine Ende der Glasröhre, eine Elektrode aus Platin oder Kohle wurde sehr nahe an dessen Oberfläche gebracht und konnte nach erfolgreicher Elektrisierung und Stromfluss erheblich vom Quecksilber weggezogen werden, ohne den Stromfluss zu unterbrechen.[18]

Michael Faraday (1791-1867) blieb leider 20 Jahre unbeachtet, hatte aber schon 1838 das merkwürdige Aussehen der elektrischen Entladung in verdünnter Luft und den Unterschied der Lichterscheinungen am negativen und positiven Pol des Rohres festgestellt. Er beschrieb die verschiedenen Entladungsformen (stille Entladung, Glimmentladung, Funken) und ihre Entstehungsbedingungen.[19] Faraday bemerkte auch, dass Gase unterschiedliche Farben zeigten, im luftverdichteten Raum war Stickstoff weiß glänzend, im verdünnten rot oder violett. Bereits 1857 schrieb Eisenlohr in seinem „Lehrbuch der Physik“, dass das violette Licht unsichtbare Strahlen enthält und fluoreszierende Körper dadurch hell und leuchtend werden.[20] Müller-Pouillet benutzte im „Lehrbuch der Physik und Meteorologie“ 1857 schon den Begriff „Ultraviolette Strahlen“ und erwähnte, dass Quarz im Gegensatz zu Glas durchlässig für diese Strahlen ist.[21]

Um 1850 begann eine neue Epoche in der Entwicklung von Gasentladungslampen. Warum gerade zu dieser Zeit? Zum einen durch ein neues Prinzip der Elektrizitätserzeugung. Reibungs- und Influenzmaschinen hatten zwar zur Erzeugung sehr hoher Spannungen geführt, doch nur mit geringer elektrischer Ladungsmenge. Daniel Ruhmkorff (1803-1877) stellte 1848 seinen Funkeninduktor vor, der zur Hochspannung eine konstante, etwas höhere, länger anhaltende elektrische Leistung erbrachte.[22] Zum zweiten durch die neue Quecksilber-Vakuumpumpe, die Heinrich Geißler (1814-1879) 1857 entwickelte und die er bei seinen berühmten „Geißler-Röhren“ zur Erzeugung eines bis dahin unglaublich niedrigen Druckes verwendete.[23] Es ist durchaus bemerkenswert, dass diese beiden Erfindungen nahezu zeitgleich erfolgten und damit den Anstoß zur Entdeckung des Elektrons 1897 durch J.J. Thomson gaben.[24]

Plücker, Hittorf, Goldstein, Crookes und Lenard erforschten zwischen 1858 und 1893 die Kathodenstrahlen[25]. Ihre Erkenntnisse gehören zu den physikalischen Grundlagen der Gasentladungsphysik und führten zu einer weiteren Grundlage der Gasentladungslampen, der Fluoreszenz von Festkörpern, die durch die Kathodenstrahlen hervorgerufen wird.[26]

Diese Epoche ist gekennzeichnet durch eine große Zahl von Arbeiten zu den Vorgängen der Gasentladung, die aber alle nicht in die Entwicklung einer Gasentladungslampe mündeten. Weder Davy´s Quecksilberzündung noch die Quecksilberbogenlampe von Way 1856[27] waren der Beginn einer neuen Lampen-Ära. Allerdings wurden Teilergebnisse der Forschungen zu Grundlagen der ab etwa 1880 erfundenen Entladungslampen.

Seit etwa 1880 wurden dann tatsächlich Lampen entwickelt, die auf der Gasentladung beruhten. Erstmals kam 1892 die Arons-Quecksilberdampflampe zur Anwendung, die aber nicht für die Beleuchtung genutzt wurde, sondern als Lichtquelle für wissenschaftliche Untersuchungen nach Spektralzerlegung des Lichts.[28]

Warum war es so schwierig, aus der Leuchtröhre eine Leuchtlampe zu entwickeln? Zwei Probleme standen im Vordergrund: Das Zünden der Entladung und die Aufrechterhaltung des Betriebes.[29] Zur Zündung wurde Ende des 19. Jahrhunderts Quecksilber verwendet, das durch Bewegen der Glasröhre einen Quecksilberfaden als Verbindung zwischen den Elektroden herstellte und durch langsames Wegziehen des Quecksilbers die Entladung in Gang setzte – nichts Neues also seit Davy. Das zweite Problem ließ sich dann etwa ab 1880 mit Vorwiderständen, die sich bei den Bogenlampen aus anderen Gründen eher zufällig ergeben hatten, lösen, und die Betriebsspannung der Entladung stabilisiert werden[30], weil nach Zündung des Gases der elektrische Widerstand verschwindend gering ist.

McFarlan Moore arbeitete in größeren Dimensionen, als dies die handliche Leuchtröhre hergab, er beleuchtete 1896 gleich einen ganzen Saal. Mithilfe eines Elektromagneten wurde kurzzeitig eine sehr hohe Spannung erzeugt, mit der die Röhren zum Leuchten angeregt wurden.[31] 1903 beleuchtete er einen Büroraum mit einem stickstoffgefüllten Vakuumrohr von 17,5 m Länge und Wechselspannung von 4 bis 5 kV.[32] Moore-Anlagen wurden noch bis in die dreißiger Jahre neu errichtet, zeigten ein angenehmes Licht und konnten 10.000 Stunden betrieben werden, mussten allerdings an Ort und Stelle durch Glasbläser zusammengeschmolzen werden.[33]

Peter Cooper-Hewitt konstruierte 1903 eine Quecksilberdampflampe, die eine neue Zündmethode verwendete und mittels Spannungsimpulsen genügend Ladungsträger erzeugte, um das Gas in der Röhre elektrisch leitfähig zu machen.[34]

Die „echte“, original Neonröhre wurde 1908 von Georges Claude zum Patent angemeldet, nachdem bereits 1904 Cooper-Hewitt ein Patent auf edelgas-gefüllte Entladungslampen erhalten hatte. Der Vorteil der Edelgase war die Herabsetzung der Zündspannung – Claude benötigte nur noch 800 V im Gegensatz zu 3.000 V für ein mit Stickstoff gefülltes Rohr. Rotleuchtende Neonröhren wurden schnell in Werbung verwendet, waren aber für eine allgemeine Raumbeleuchtung aufgrund der Farbe eher ungeeignet.[35] Wurde ein Tropfen Quecksilber in die Röhre gegeben, dann verdampfte das Queckilber und es erschien die Blau-Grün-Oramge-Strahlung des Quecksilberspektrums. Oder man färbte das Glas orange oder gelb ein, dann erhielt man grünes Licht.[36]

Könnte man nicht eine Entladungslampe bauen, die bei Netzspannung arbeitet? Dies war 1910 der Ansatz für die Glimmlampe, deren Elektroden sich nur wenige Millimeter voneinander entfernt befinden und nur das negative Glimmlicht zu sehen ist, wie eine Lichthaut, die die ganze Kathode überzieht, aber nur sehr schwach leuchtet.[37]

Eine Idee, die noch heute in den Leuchtstofflampen verwendet wird, ist der von Edison gefundene „glühelektrische Effekt“. Glüht ein Körper, dann sendet er negative Ladungsträger aus, verwendet man also Glühelektroden in Entladungsröhren, dann kann die Zündspannung sehr stark verringert werden, da die lichterzeugenden Vorgänge im Gas bereits begonnen haben.[38]

Im Jahre 1906 entwickelten Küch und Retschinsky die erste Quecksilberdampf-Hochdrucklampe mit höherer Lichtausbeute aufgrund der Verwendung von Quarzglaskolben anstelle von Glas.[39] Quarzglas lässt im Gegensatz zu Glas die UV-Strahlung durch, daher wurden Quarzglaslampen bald in der Medizintechnik eingesetzt.[40]

Alle Quecksilberlampen, die zwischen 1900 und etwa 1912 entstanden, leiten sich von den Arons- bzw. Cooper-Hewitt-Lampen oder den Quarzglaslampen nach Küch und Retschinsky ab. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal aber war die Methode der Zündung der Lampen.[41]

In Europa begann die technische Entwicklung der Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampe in den zwanziger Jahren, aufbauend auf den Erfahrungen mit Neon- und anderen Reklameröhren. Die Farbe der Lichtquelle war zunächst abhängig vom Gas in der Röhre. Edmund Germer schlug 1926 vor, die Röhre mit einem Leuchtstoff zu beschichten, der ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht umwandelte.[42] Aber erst nachdem Leuchtstoffe gefunden waren, die von der UV-Strahlung des Quecksilbers nicht zerstört wurden, konnten 1936 die ersten Weißlichtlampen angeboten werden. 1938 wurden dann die ersten am Stromnetz betriebenen Leuchtstofflampen in den USA vertrieben.[43]

Nach dem 2. Weltkrieg begann die industrielle Produktion der Leuchtstofflampen auch in Europa, Amerika produzierte 1946 bereits 50 Millionen Lampen. Daten und Abmessungen der Leuchtstofflampen waren schon international genormt. Veränderungen erfolgten in den folgenden Jahren vor allem bei der Lichtfarbe der Lampen und zusätzlichen Betriebsgeräten wie Zündern.[44]

Um die Lichtausbeute zu erhöhen und dadurch Energieeinsparungen zu erhalten, wurde seit den siebziger Jahren verstärkt an neuen Leuchtstoffen gearbeitet. Besonders die Seltenen Erden zeigten sich geeignet, um durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe mit bestimmten Spektren eine sehr hohe Lichtausbeute zu erreichen, ohne die Temperatur der Lampe zu erhöhen. Der sich daraus ergebende Vorteil war eine Energieeinsparung durch die Verringerung der benötigten Stromzufuhr, z.B. von 65 W auf 58 W.[45]

Mit den Kompakt-Leuchtstofflampen („Energiesparlampen“) kam um 1980 eine echte Konkurrenz zu den Glühlampen auf, denn die Leuchtstofflampe war dabei so sehr verkleinert worden, dass ihre Maße fast denen der Glühlampe entsprach, und der Sockel der Lampen wurde so ausgeführt, dass man dort noch das elektronische Vorschaltgerät unterbringen und die Leuchtstofflampen einfach in die Glühlampenfassung einschrauben konnte.[46]

Zukünftige Entwicklungen sind bestrebt, den gesundheitsschädlichen Quecksilberanteil nicht nur zu verringern, wie dies bereits erheblich erfolgt ist, sondern das Quecksilber ganz zu ersetzen. Projekte wie quecksilberfreie Xenon-Excimer-Niederdruckentladungslampen weisen zwar noch auf große Schwierigkeiten hin, die Ideen gehen aber in die richtige Richtung.[47]

Licht ist nicht alles: Die Gasentladungsröhre verändert unser Leben

Ein Gedankenspiel: Wie würden wir leben, wenn es die Gasentladungsröhre nicht gäbe? Ohne die Leuchtstofflampe beleuchten wir unsere Wohnung mit Glühlampen – daran sind wir durchaus gewöhnt. Aber was wäre ohne Rundfunk, Telefon, Fernseher, Computer? Ohne Röntgenstrahlen, um Krankheiten zu erkennen? Nicht nur unsere Freizeit, auch das heutige Arbeitsleben, die „Globalisierung“, wäre ohne die „Röhren“ so nicht denkbar (dann würden wahrscheinlich weiterhin Telefonistinnen die Kabel stecken).

All diese Errungenschaften der modernen Welt basieren auf der Gasentladung in einer luftentleerten Röhre, auch als Elektronenröhre bezeichnet. Im Innern der Röhre wird bei einem Stromfluss zwischen Kathode und Anode Strahlung erzeugt: Kathodenstrahlen[48] und auch eine zweite Strahlung, die sehr durchdringend ist, Glas, Aluminium und auch Fleisch durchdringt; eine fluoreszierende Substanz zum Leuchten bringt und nur von Blei aufgehalten wird – die Röntgenstrahlung. Benannt nach ihrem Entdecker, erstellte Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) an Weihnachten 1895 das erste Röntgenbild, auf dem die Handknochen seiner Frau deutlich abgebildet waren.[49]

Aber Röntgenstrahlen können noch viel mehr: Mit ihnen lassen sich Kernfusionsexplosionen erzeugen, deren Energieabgabe millionenfach geringer ist als die der Wasserstoffbombe und damit eine technisch kontrollierbare Anwendung ermöglicht wird[50] – die „Zähmung der Wasserstoffbombe“[51]. Die Apparatur, „Z-Pinch“ benannt[52], erzeugt einen hunderte von Milliarden Watt starken Puls von Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen können dazu benutzt werden, in kleinen Brennstoffkugeln (ein Gemisch aus Deuterium und Tritium) sehr hohe Dichten und Temperaturen zu erzeugen, die eine Kernfusion überhaupt erst in Gang setzen können.[53] In einer Wasserstoffbombe zündet chemischer Sprengstoff das Kernspaltungsmaterial, indem es dieses zur kritischen Masse verdichtet und die Kettenreaktion in Gang setzt, während der Z-Pinch durch Speicherung der Energie in einem Magnetfeld die Leistung des Röntgenstrahlenpulses so stark verstärkt, dass dieser für die Zündung von Fusionsreaktionen ausreicht.[54] 2006 wurde von den forschenden Sandia National Laboratories bekanntgegeben, dass eine Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt werden konnte, die über der im Inneren von Sternen liegt. Geplant ist der Bau einer Maschine mit Röntgenpulsen von bis zu 350 Terrawatt Leistung.[55]

Im Jahre 1901 wurde die erste telegraphische Nachricht über den Atlantik gesendet. Damit begann der stürmische Siegeszug der drahtlosen Telegraphie, des Radios und des Fernsehens. Zur Erzeugung elektrischer Wellen sind elektronische Bauelemente nötig, die Ströme fast augenblicklich ein- oder ausschalten können und die kleine Spannungsschwankungen verstärken. Die einfachsten derartigen Bauelemente sind Elektronenröhren mit beheizten Kathoden.[56]

Als Leuchtröhre wird die bei elektrischem Strom erzeugte Strahlung verwendet, um fluoreszierende Stoffe zum Leuchten anzuregen. Die Vakuumröhren für Radios benötigen dieses Leuchten nicht. Sie werden noch weiter ausgepumpt, auf weniger als Einmilliardstel hPa (Hochvakuum), bis auch das letzte Leuchten an der Kathode aufhört; ein zwischengeschalteter, empfindlicher Strommesser zeigt keinerlei Stromdurchgang mehr an. Die Röhre ist wieder zum Nichtleiter geworden. Bereits 1883 entdeckte Edison den „glühelektrischen Effekt“[57]: erhitzt man nun die Kathode, vermag erneut Strom zwischen den Elektroden zu fließen, allerdings nur noch in einer Richtung, von der geheizten Kathode zur kalten Anode. Der an die Röhre angelegte Wechselstrom wird so zum Gleichstrom umgeändert, die „Diode“ (Zweipol-Röhre) kann besonders zur Gleichrichtung von Hochfrequenz-Wechselstrom, z.B. eines mit Sprachbeeinflussung versehenen, von einem Radiosender herrührenden Hochfrequenzstromes dienen.[58]

Kurz nach der Erfindung der Diode 1904 durch J.A.Fleming bauten Robert von Lieben und Lee D. Forest zeitgleich 1906 ein Gitter zwischen Anode und Kathode ein, eine dritte Elektrode, und erschufen die „Triode“. Die Gitterelektrode erlaubt es, durch Änderung der ohnehin sehr geringen Gitterspannung 1. die Stärke des zur Anode fließenden Stromes außerordentlich zu verstärken, 2. lediglich mit Spannung einen fließenden elektrischen Strom zu steuern und 3. dies augenblicklich, d.h. trägheitslos zu erreichen.[59] Von Lieben entwickelte die Triode als Telefonverstärker, Forest sah ihren Hauptzweck in der Radioübertragung – berühmt geworden ist die erste öffentliche Opernübertragung von 1910 live aus der Met in New York.[60] Allerdings funktionierten die patentierten Prototypen erst richtig, nachdem 1913 ein Hochvakuum erzeugt werden konnte. Der Beginn des Rundfunkbetriebes seit 1920 bedingte schließlich eine Weiterentwicklung zu Mehrgitterröhren, die ein Höchstmaß an Verstärkung und Trennschärfe der Übertragung ergaben.[61]

Karl Ferdinand Braun (1850-1918) entwickelte 1897 die „Braun´sche Röhre“ (oder Kathodenstrahlröhre), eine Vakuumröhre, die lange in der Fernsehtechnik eingesetzt wurde. Erste elektronische Übertragungen von Bildern und Filmen mit Elektronenstrahlröhren auf Sender- und Empfangsseite gelangen Vladimir K. Zworykin (1889-1982) 1923 mit seinem „Ikonoskop“[62]. In Deutschland präsentierte Manfred von Ardenne (1907-1997) das vollelektronische Abtast- und Wieder-gabesystem erstmals öffentlich auf der Funkausstellung 1931 in Berlin.[63] Die Braun´sche Röhre besteht aus einer Vakuumröhre mit Glühkathode, einem Fokussiersystem (dem Wehnelt-Zylinder), das auch die Intensität des Leuchtpunktes auf einem Bildschirm steuert, zwei Paaren von Ablenkplatten, die den Leuchtstrahl in vertikaler und horizontaler Richtung auf dem Bildschirm verschieben und dem Leuchtschirm.[64]

Aufgrund ihrer Strahlungsresistenz währte die Entwicklung von Verstärkerröhren auf dem Gebiet der Raumfahrt und des Militärs noch bis in die 70er Jahre. Mit der Entwicklung der Transistortechnik wurden die Röhren weitgehend durch Transistoren ersetzt, doch starke Sendeanlagen werden auch heute noch mit Elektronenröhren betrieben, auch Radaranlagen und Mikrowellengeräte verwenden weiterhin Vakuumröhren.[65] Die Röntgenröhre wird noch in der Medizin, Werkstoffprüfung, Warenabfertigung und teilweise in der Forschung eingesetzt. Nachteilig für die Röhren war der hohe Aufwand für Heizung und Anodenspannung, der tragbare Geräte fast unmöglich machte, sowie die entstehende große Abwärme und geringe Lebensdauer.[66]

Ein Einsatzgebiet der Elektronenröhren verzeichnete gerade wegen des charakteristischen „Klirrverhaltens“, der Verzerrungen, besonders seit den 60er Jahren einen Aufschwung: E-Gitarrenverstärker erzeugen damit den typischen „Sound“ des Rock´n´Roll und des britischen Beat, der die Musikgeschichte entscheidend beeinflusste.[67]

2. Untersuchung der Gasentladungsröhre

Crookes, Experimentator und Inszenator brillanter wissenschaftlicher Schauspiele mit Gasentladungsröhren, beschäftigte sich über Jahrzehnte mit den faszinierenden Phänomenen, die bei Verdünnung von Gasen in Glasröhren zu sehen sind. Crookes und Hittorf bereiteten mit ihrer Forschung den Weg zur Entdeckung des Elektrons.[68] Vielfältige Experimente und genaue Beobachtung führten die Forscher zu Kathodenstrahlen und deren Eigenschaften. Elektrische, magnetische und Lichteffekte wurden eingehend von ihnen beschrieben und dem staunenden Publikum präsentiert.[69] Die Röntgenstrahlen wurden 1895 mit der Gasentladungsröhre entdeckt – die Röhre, mit der die Röntgenstrahlen entdeckt wurden, hatte schon 1879 Crookes vorgelegt, der Zufall und das Glück waren dann mehr mit Röntgen.[70]

Im folgenden Kapitel werde ich meine Versuche beschreiben, die mit erheblich weniger Perfektion diese Effekte zeigen können und einfach nachzubauen sind.[71] Ich möchte damit Grundschüler „packen“ und sie für die kühlen, weißen, an der Decke hängenden Leuchtstofflampen faszinieren, diese in ihren Grundzügen erklären. Da die Arbeit im Bereich der Grundschule liegt, und da mir die Quantenphysik nicht vertrauter ist als den Forschern des 19. Jahrhunderts, werde ich die in der Literatur durchgehend zu findende Erklärung: „Anregung durch Elektronenübergänge“ auslassen und eher beschreiben, was zu sehen ist.

Um was geht es jetzt? Die „äußeren“ Bedingungen zum Betrieb einer Leuchtstoffröhre sind Elektrizität und Vakuum, und ich habe versucht, diese Themen auch für Grundschüler – mithilfe von einfachen Experimenten – verständlich zu machen. Jetzt könnten wir den Strom also anschalten, ein Vakuum erzeugen, und die Glasröhre leuchtete auf – und, tut sie das tatsächlich, und wenn, warum tut sie es? Eine einfache Glasröhre, gefüllt mit nichts weiter als Luft, sogar mit ganz wenig Luft, denn die Luft wurde mittels einer Vakuumpumpe verdünnt – Luft kann doch gar nicht leuchten. Zweifelsohne aber leuchtet meine luftgefüllte, luftentleerte Röhre, in einem strahlenden Pink. Das gilt es zu untersuchen und, vor allem, anschaulich zu zeigen.

Das Kapitel gliedert sich in

1. Aufbau einer Leuchtstofflampe
2. Warum leuchtet eine Leuchtröhre?
3. Fließt in der Glasröhre tatsächlich Strom?
4. Wie wird Luft elektrisch leitend gemacht?
5. Ist die Luft in der Röhre wirklich „verdünnt“?
6. Eigenschaften des Leuchtstromes in der Röhre – der Kathodenstrahl
7. Farbänderung beim Einleiten von Gas
8. Probleme beim Experimentieren mit der Selbstbau-Gasentladungsröhre.

1. Aufbau einer Leuchtstofflampe

Die Hauptbestandteile einer (im Handel erhältlichen) Leuchtstofflampe[72] sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Aufbau der Leuchtstofflampe www.efindon.de/efindon/html/Glossar_13_16_26.html

- Das Entladungsgefäß aus Glas. Glas hat einige Eigenschaften, die besonders geeignet sind, um sie als Lampen einzusetzen: eine hohe Lichtdurchlässigkeit, elektrische Isolationsfestigkeit, fast dauerhaft gasdicht (hält also das Vakuum sehr gut, sofern das Entladungsgefäß rundum zugeschmolzen ist), nahezu undurchlässig für schädliche UV-Strahlung.[73]
- Die Elektroden, die den Übergang des elektrischen Stromes in den Gasraum vermitteln. Meist werden Wolframwendeln verwendet und als Heizwendeln genutzt.
- Die Anschlussstifte, die die Stromdurchführungen durch die Glasgefäßwand sind und aus Metalldraht bestehen, dessen Ausdehnungsverhalten bei Erwärmung an das Glas angepasst ist.[74]
- Die Gasfüllung als Entladungsträger, die aus einem (oder mehreren) Edelgasen und einer kleinen Menge Quecksilber besteht und einen Druck von etwa 1 bis 5 mbar hat. Quecksilber wird verwendet, da es schon bei niedrigen Temperaturen verdampft und eine besonders hohe Menge an UV-Strahlung erzeugt.
- Der fluoreszierende Leuchtstoff auf der Innenseite des Glasrohres, der die UV-Strahlung in sichtbares Licht umwandelt.
- Der Sockel, der die Röhre in der Lampenfassung hält und an das elektrische Netz anschließt.

Die selbstgebaute Leuchtstoffröhre

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Selbstgebaute Gasentladungsröhre („Selbstbau-Röhre“)

Der Aufbau der käuflichen Leuchtstofflampen ist erst einmal ein Geheimnis. Die Lampe liegt vor mir, langweilig, weiß, undurchsichtig, glatt, rund, kalt. Sie benötigt eine spezielle Lampenfassung und ist meist gerade und lang. Ihr Licht wirkt oft kalt und gibt einem Raum nicht gerade Atmosphäre.

Das Innenleben kann man nicht sehen, da die Leuchtstoffe an der inneren Glaswand undurchsichtig sind. Schade, denn das Zünden meiner Röhre im Dunklen ergibt einen echten „Aha-Effekt“, wenn es plötzlich knallig pink leuchtet.

Kann eine solche langweilig-weiße Röhre Kinder zum Forschen und Experimentieren anregen? Zumal keine Möglichkeit besteht, sie zu öffnen und hereinzusehen.

Nein, und das ist wieder schade, denn eine solche Röhre verbirgt unglaublich viele Geheimnisse und gibt viele Einblicke in ganz unterschiedliche Bereiche der Physik. Deshalb habe ich sie nicht einfach aufgeschnitten und hereingesehen, sondern nachgebaut. So einfach wie möglich. Aber mit allem, das nötig ist, um eine „erhellende“ Leuchte zu erhalten:

- Die Glasröhre, das Entladungsgefäß, eine einfache Glasröhre, ist an beiden Enden offen. Glasröhren sind im Internet leicht erhältlich[75].
- Die Elektroden aus haushaltsüblicher Aluminiumfolie. Aluminium[76] ist das Metall, das mit Vorliebe auch von Crookes 1879 verwendet wurde. Die in längliche Streifen geschnittene Alufolie verbindet das Gas in der Röhre mit den Stromzuführungen außerhalb der Röhre.
- Die Gasfüllung, die meist aus Luft besteht, in einigen Versuchen mit Edelgasen versetzt wird.
- Zwei Gummistopfen, die die Röhre gasdicht abschließen sollen, dies jedoch nur sehr eingeschränkt auch tun. Sie sind mit Hochvakuumfett eingerieben, um zu verhindern, dass Luft von außen in die Röhre gelangt und den niedrigen Gasdruck auf atmosphärischen Druck erhöht.
- Ein Glasröhrchen, das durch einen Gummistopfen gesteckt wird und über einen Schlauch mit der Vakuumpumpe verbunden ist.
- Eine Vakuumpumpe. Für die selbstgebaute Leuchtröhre wird eine externe Vakuumpumpe benötigt, da die Glasröhre immer wieder geöffnet und daher immer neu Luft aus der Glasröhre gepumpt werden muss.
- Zwei Krokodilklemmen, die die Aluminiumstreifen mit dem Hochspannungserzeuger verbinden.
- Ein Hochspannungsgerät, meist ein Netzgerät, das mit 230 V betrieben wird, und einen Vorwiderstand enthält; für Demonstrationszwecke auch eine Influenzmaschine, die jedoch nicht eine kontinuierliche Spannung erzeugt. Im Unterricht ist die Influenzmaschine sehr gut einsetzbar, um die Spannungserzeugung, Funkenüberschlag, das „Aufblitzen“ sehr anschaulich zu zeigen.
- Ein Stativ, um die Glasröhre in der Luft zu halten und den Abfluss von Elektrizität durch unsachgemäße Berührungen zu vermeiden.

Eigentlich doch gar nicht so kompliziert und, bis auf die Vakuumpumpe, auch im Grundschulunterricht nachbaubar.

2. Warum leuchtet eine LEuchtröhre ?

Dunkelheit, und plötzlich blitzt es leuchtend Pink in der Glasröhre auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Selbstbau-Röhre unter Hochspannung

Wie kommt das zustande? Eine Glasröhre wird auf beiden Seiten durch Gummistopfen sehr gut verschlossen. Ein dünnes Glasröhrchen, das durch einen Gummistopfen verläuft, ist mit einer Vakuumpumpe verbunden. Die Vakuumpumpe pumpt die Luft aus der Glasröhre, bis diese sehr stark verdünnt ist. Vom Gummistopfen eng an die Wand der Glasröhre geklemmt, liegen auf beiden Seiten Aluminiumstreifen, die über Krokodilklemmen mit den Polen eines Netzspannungsgerätes verbunden sind. Die Spannung wird erhöht, bis die Stärke erreicht ist, die als „Zündspannung“ bezeichnet wird – das Gas leuchtet!

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Selbstbau-Röhre mit Vakuumpumpe und Hochspannungs-Netzgerät

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5: stark erniedrigter Luftdruck in der Röhre

Je länger die Vakuumpumpe Gas aus der Röhre pumpen kann, desto stärker wird das Vakuum und desto faszinierender werden die Erscheinungen in der Röhre. Die beim Zünden des Gases die Röhre fast völlig ausfüllende watteähnliche Färbung wird mit zunehmender Verdünnung wölkchenförmig; wird noch mehr Luft aus der Röhre entfernt, ziehen sich auch die Wölkchen zurück und es bleibt – fast völlige Dunkelheit.

[...]


[1] Wagenschein (1), Martin: Die pädagogische Dimension der Physik. 4. Aufl., Braunschweig, 1976, S. 276

[2] Wagenschein (1), S. 279

[3] Wagenschein (1), S. 286

[4] in Kapitel I. werden Bezugsquellen genannt

[5] das gilt allerdings doch nur eingeschränkt: in der Natur gibt es Gewitterblitze, die durchaus ohne Vakuum erzeugt werden (durch einen enorm starken Stromfluss); und auch die Lichtbogenlampe leuchtet ohne Vakuum. Lichtbogenlampen sind eine sehr alte Technik. Sie bestehen lediglich aus zwei Elektroden (meistens aus Graphit), die sich zum Zweck der Zündung kurz berühren bzw. so nahe kommen müssen, daß ein Funke überspringt (es ist stattdessen auch eine Hochspannungszündung möglich). Dadurch kommt ein Stromfluß in Gange, der auch dann nicht abreißt, wenn man die beiden Elektroden ein wenig auseinanderzieht. Vielmehr bildet sich ein elektrisch gut leitender Lichtbogen aus, also die dauerhafte Version einer Funkens. Dieser Lichtbogen ist sehr heiß und strahlt sehr helles, sonnenlichtähnliches Licht ab. Eine Lichtbogenlampe ist daher eine Gasentladungslampe, die bei Umgebungsdruck und mit Luft als Leuchtgas arbeitet, allerdings das Elektrodenmaterial verbrennt und daher heute weitgehend als Metalldampfhochdrucklampen betrieben wird.

(www.elektronikinfo.de/strom/thermischelampen.htm)

[6] Joseph Priestley (1733-1804) war ein englisch-amerikanischer Theologe des Unitarismus, Philosoph, Chemiker und Physiker

[7] Priestley, Joseph: Geschichte und gegenwärtiger Zustand der Elekticität nebst eigenthümlichen Versuchen. 2. Ausgabe, Berlin/Stralsund, 1772, S. 6. Meine Begeisterung für alte Bücher hat mich hier dazu verleitet, einige Zitate zu übernehmen; ich bin fasziniert über die Erkenntnisse, die schon 1772 veröffentlicht wurden und noch heute in Lehrbüchern Geltung haben.

[8] Priestley, S. 7

[9] Priestley, S. 8

[10] Priestley, S. 12

[11] Iwanow, A.P.: Elektrische Lichtquellen – Gasentladungslampen. Berlin, 1955, S. 76

[12] Christian Friedrich Ludolff (1707-1763)

[13] Hoppe, Edmund: Geschichte der Elektrizität. Leipzig, 1884, S. 63

[14] Iwanow, S. 76

[15] Iwanow, S. 76

[16] Hoppe, S. 514; Iwanow erklärt Petrow zum Erfinder des Lichtbogens, bereits 1802; Petrow´s Arbeiten wären jedoch den „westeuropäischen Physikern“ unbekannt gewesen, S. 78

[17] Iwanow, S. 79

[18] Gurski, Walter: Zur Vor- und Frühgeschichte der Gasentladungslampen. Nach einem Vortrag vor der Lichttechnischen Gesellschaft 1960, erhältlich bei OSRAM, S. 4

[19] Iwanow, S. 81

[20] Eisenlohr in Gurski, S. 4; Eisenlohr, W.: Lehrbuch der Physik zum Gebrauche bei Vorlesungen und zum Selbstunterrichte. 7. Aufl., Stuttgart, 1857

[21] Müller-Pouillet in Gurski, S. 8; Müller-Pouillet´s Lehrbuch der Physik und Meteorologie. Bd. 3, 9. Aufl., Braunschweig, 1888-1890

[22] Gurski, S. 5. Funktionsweise nach http://de.wikipedia.org/wiki/Funkeninduktor: Auf einen Eisenkern werden wenige Wicklungen mit dickem Draht gewickelt (Primärwicklung), darauf kommt, zur Isolation, eine Lage paraffingetränktes Papier. Dann wird wieder gewickelt (Sekundärwicklung), diesmal mit dünnem Draht, etwa 10.000 Wicklungen. Von einer starken Batterie fließt Strom über den Unterbrecher durch die Primärspule; der Eisenkern wird dabei magnetisiert und stößt den stromzuführenden Unterbrecherkontakt ab. Damit ist die Stromzufuhr unterbrochen. In den beiden Spulen baut sich eine Gegenspannung auf. Dabei entsteht in der Sekundärspule eine sehr hohe Spannung, die zum Funkenüberschlag oder zum Betrieb einer Gasentladungsröhre genutzt werden kann.

[23] Gurski, S. 5

[24] eine interessante Antwort auf die Frage nach dem „Warum zu dieser Zeit“ findet sich in Fraunberger/Teichmann: Das Experiment in der Physik. Braunschweig/Wiesbaden, 1984, S. 203: „Wahrscheinlich war Anfang des 19. Jahrhunderts die „Forscherdichte“ noch zu niedrig, um allen möglichen Verknüpfungen neuen Wissens und neuer Apparate nachzugehen.“

[25] Kathodenstrahlung ist eine technisch erzeugte Elektronenstrahlung, die aus negativ geladenen Glühkathoden austritt (www.quantenwelt.de/elementar/elektronen.html)

[26] Gurski, S. 6; Iwanow, S. 81

[27] Gurski, S. 8, nach Czudnochowski, 1906

[28] Gurski, S. 10

[29] Lange (1), Horst: Eine Chronik der elektrischen Lichterzeugung (Teil I: 1879-1945). In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik, 3/40, Köln, 1991, S. 8

[30] Gurski, S. 9

[31] Gurski, S. 10

[32] Gurski, S. 13

[33] Gurski, S. 14

[34] Lange (1), S. 8

[35] Gurski, S. 14

[36] Köhler, Walter: Lichttechnik. Berlin, 1952, S. 154

[37] Köhler, S. 154

[38] Köhler, S. 155

[39] Lange (1), S. 8

[40] Gurski, S. 11

[41] Gurski, S. 12; die Zündmethoden basierten jedoch weitgehend auf einer Quecksilber-Abrisszündung oder elektromagnetischen Spannungsstößen und werden daher von mir nicht erklärt

[42] http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstoffröhre

[43] Lange (1), S. 9

[44] Lange (2), Horst: Eine Chronik der elektrischen Lichterzeugung (Teil II: 1945-1990). In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik, 3/40, Köln, 1991, S. 10

[45] Lange (2), S. 14

[46] Lange (2), S. 15

[47] www.fh-muenster.de/fb1/downloads/personal/AbschlussberichtVUV_Phosphore.pdf

[48] s. Kapitel „Kathodenstrahlen“

[49] Fraunberger/Teichmann, S. 225

[50] www.solidaritaet.com/fusion/1997/4/sandia.htm

[51] diese Bezeichnung erhielt ich von Herrn Prof. Dr. Fritz Siemsen

[52] auch „Z-Maschine“, „Z-Beschleuniger“; benannt nach a) nach der Austrittsrichtung der Röntgen-strahlen (entlang der Z-Achse des Koordinatensytems) bzw. b) den vertikal verlaufenden Drähten

[53] Bei der Kernfusion verschmelzen schwere Wasserstoffatome zu Helium. (…/sandia.htm)

[54] www.solidaritaet.com/fusion/1997/4/sandia.htm

[55] http://de.wikipedia.org/wiki/Z-Maschine - 1 Terrawatt sind 1 Milliarde Kilowatt

[56] Benz, Friedrich: Einführung in die Funktechnik. 4. Aufl., 1950, S. 198

[57] Ratheiser, Ludwig: Rundfunk-Röhren. Berlin, 1949, S. 8

[58] Thieme, B.: Die Radio-Röhre. Berlin, 1947, S. 4, S.8

[59] Thieme, S. 10

[60] www.heise.de/ct/06/06/067/

[61] Ratheiser, S. 7

[62] Bruch, Walter: Die Fernseh-Story. Stuttgart, 1969, S. 108: im Ikonoskop („Elektronenauge“) diente die Braun´sche Röhre als Abtaster für Filme und Diapositive; damit wurde der mechanische Bildabtaster, eine rotierende Scheibe, durch einen elektronischen ersetzt; dieses Verfahren wurde 1930 von Ardenne erstmalig in Betrieb gezeigt und noch Jahrzehnte verwendet

[63] Bruch, S. 90

[64] Benz, S. 276f.

[65] http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre

[66] www.htwm.de/grunewal/rohr.thm

[67] http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenröhre

[68] Müller, Falk: Gasentladungsforschung im 19. Jahrhundert. Berlin/Diepholz, 2004, S. 4

[69] Müller, S. 5

[70] Fraunberger/Teichmann, S. 221

[71] Stimmt, ganz ohne hilfsbereite Kontakte zu einem Physiklabor geht es nicht. Herr Professor Siemsen versicherte mir aber, dass die Universität Lehrern mit Geräten aushelfen kann, und ich hoffe sehr, dass sich Schulen auch gegenseitig unterstützen.

[72] nach: Hähnel, G.: Taschenbuch der Lampentechnik. Unveröffentlicht (einsehbar direkt bei OSRAM), München/Berlin, 1987, S. 118

[73] Für spezielle Lampen, beispielsweise in Solarien, verwendet man Quarzglas, das die UV-Strahlung nicht herausfiltert; es muss jedoch im Betrieb unbedingt beachtet werden, dass intensive Hautbestrahlung in der Umgebung der Lampe zu Hautschäden führen kann.

[74] Crookes, Hittorf: Ausprobieren verschiedener Elektrodenmaterialien, s.u.

[75] z.B. www.neubert-glas.de, auch Gummistopfen u.ä. erhältlich; www.laborbecker.at/laborglas.htm

[76] Bereits Hittorf verwendete 1869 als Elektrodenmaterial Aluminium (Hittorf, W.: Ueber die Elektricitätsleitung der Gase. In: Annalen der Physik und Chemie, Band 136, Leipzig, 1869, S. 4). Hittorf (S. 25f.) hatte Versuche mit einigen Metallen (Al, Pt, Ag, Zn, Fe) angestellt und festgestellt, dass „Platin und Silber (…) bekanntlich zu den Metallen [gehören], die vom negativen Lichte am stärksten zerstäubt werden (und sich auf der umgebenden Glaswand niederschlagen – Anm. d. Verf.), während Aluminium gar keine Absätze auf der umgebenden Glaswand giebt“. Eisen ergab „außerordentlich schwache Absätze“ (Hittorf, S. 26), die aber dennoch gegenüber Aluminium stärker waren. Puluj (Puluj, J.: Strahlende Elektroden-Materie und der sogenannte vierte Aggregatzustand. Wien, 1883, S. 7) experimentierte mit Elektroden aus Platin, Kupfer, Silber und Zink und stellte fest, das „sich die Glaswände schon nach einer halben Stunde mit Spiegeln vom betreffenden Material [überzogen]. (…) Das Aluminium ist das einzige mir bekannte Material, welches keine merklichen Spiegel am Glase liefert.“ Auch der Vergleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist für die Wahl des Kathodenmaterials entscheidend; heute gilt z.B. bei Halogen-Glühlampen, dass Metall-Glas-Einschmelzungen nur möglich sind, wenn sich die Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 20% unterscheiden (Hähnel, S. 108). Als Elektroden werden heute meist Wolframwendeln, überzogen von einem Gemisch aus Erdalkalioxiden, verwendet; die Stromdurchführungen durch die Gefäßwand bestehen aus Metalldrähten, die in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten und ihrer gasdichten Benetzbarkeit an das Glas angepasst sind (Hähnel, S. 118).

Ende der Leseprobe aus 68 Seiten

Details

Titel
Leuchtstofflampe im Sachunterricht der Grundschule
Hochschule
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main  (Institut für Didaktik der Physik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2007
Seiten
68
Katalognummer
V438934
ISBN (eBook)
9783668787780
ISBN (Buch)
9783668787797
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Für diese Arbeit wurde der Eugen-Hartmann-Didaktikpreis 2008 des Physikalischen Vereins Frankfurt/Main verliehen.
Schlagworte
Leuchtstofflampe Examensarbeit Physik Didaktik Gasentladung Sachunterricht Vakuum Lumineszenz Strom Elektronenröhre UV-Licht Gasentladungsröhre, Wissenschaftliche Hausarbeit Glitsch Neonröhre Eugen-Hartmann-Didaktikpreis, Grundschule, Leuchtstofflampe, Examensarbeit, Physik, Didaktik, Gasentladung, Sachunterricht, Vakuum, Lumineszenz, elektrischer Strom, Elektronenröhre, UV-Licht, Gasentladungsröhre, Wissenschaftliche Hausarbeit, Neonröhre, Glitsch, Eugen-Hartmann-Didaktikpreis, Primarschule
Arbeit zitieren
Christine Glitsch (Autor), 2007, Leuchtstofflampe im Sachunterricht der Grundschule, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/438934

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