Was ist Licht? Entwicklung und Definition von Licht und Beleuchtung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung (B. und Felix)

2 Ursprung und Entwicklung der Lichtquellen (B. und Felix)
2.1 Sonne (B.)
2.2 Feuer (B.)
2.3 Fett/Öl-Lampe (B.)
2.4 Kerze (B.)
2.5 Gaslampe (Felix)
2.6 Glühlampe (Felix)
2.7 Gasentladungslampe (B.)
2.8 Leuchtstofflampe (Felix)
2.9 LED (Felix)
2.10 OLED (Felix)

3 Was ist Licht überhaupt? (B. und Felix)
3.1 Lichtstrom (Felix)
3.2 Lichtstärke (Felix)
3.3 Beleuchtungsstärke (Felix)
3.4 Lichtfarbe (B.)
3.5 Farbwiedergabe (B.)
3.6 Wellenlänge und Strahlung-Spektralverteilung (Spektrum) (B.)

4 Der Werdegang des elektrischen Lichts und seiner Leuchten (B.)

5 Lebenszyklus einer Glühlampe vs. LED (Felix)

6 Praktische Anwendungsbeispiele des Lichts (B. und Felix)
6.1 Pflanzen/Tierzucht (B.)
6.2 Büro (Felix)
6.3 Öffentliche Straßenbeleuchtungen (B.)

7 Auswertung und persönliche Stellungnahme

8 Glossar (B. und Felix)

1 Einleitung (B. und Felix)

Licht kann ein interessantes Thema sein. Es ist für die meisten Menschen eher nebensächlich. Das Thema Licht ist aber sehr vielseitig. Wir können uns in unserer Projektarbeit nur auf wenige Punkte konzentrieren.

Wir haben uns überlegt, welches Thema uns in der Projektarbeit ansprechen könnte. Am Ende waren wir selbst überrascht, dass das Thema Licht sich gegen andere Themen, wie zum Beispiel Entwicklung von Computer-Spielen, durchgesetzt hat.

Unsere Forscherfrage ist: Was ist Licht?

Hierbei interessiert uns die Geschichte der gängigen Lichtquellen und die Entwicklung der künstlichen Beleuchtung bis in die Gegenwart.

Eigentlich besteht Licht nur aus Strahlen, die sich mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 300.000 Meter pro Sekunde bewegen. Licht ist z.B. die Basis, um die Entfernung von Sternen zu messen. Die Einheit nennt sich hierbei Lichtjahre. Ein Lichtjahr gibt die Entfernung an, wie weit ein Lichtstrahl in einem Jahr zurücklegt. Licht ist ebenfalls die Basis für einen Regenbogen, der die Menschen seit jeher begeistert. Die Beleuchtungstechnologie hat in den letzten Jahren einen deutlichen Fortschritt gemacht, was im Wesentlichen den energiesparenden LEDs zu verdanken ist.

Wir beginnen in Kapitel 2 mit der Geschichte der Lichtquellen. Anschließend erläutern wir die wichtigsten physikalischen Grundgrößen, da die nachfolgenden Abschnitte darauf aufbauen. In Kapitel 4 wird der kommerzielle Werdegang des Lichts beschrieben. Oft wird nur der aktuelle Stromverbrauch einer Glühlampe betrachtet. Spätestens beim Glühlampen-Vergleich muss der gesamte Lebenszyklus (Green Foodprint) einer Glühlampe unter die Lupe genommen werden. In Kapitel 5 gehen wir darauf näher ein. Anschließend stellen wir ein paar Anwendungsbeispiele aus dem heutigen Alltag vor.

2 Ursprung und Entwicklung der Lichtquellen (B. und Felix)

In diesem Kapitel beschreiben wir die Geschichte der wichtigsten Lichtquellen.

2.1 Sonne (B.)

Die Sonne ist ein Stern im Zentrum des Sonnensystems. Sie hat die 330.000-fache Masse der Erde. Unsere Sonne ist ein durchschnittlich großer Stern. Sie hat einen Durchmesser von 1.4 Millionen Kilometern. Das ist das 109-fache der Erde. Ihre Oberflächentemperatur beträgt um die 6000°C. Sie leuchtet mit einer Farbtemperatur von etwa 5800 Kelvin. Ihre Leuchtkraft ist so hoch, dass ein Quadratmeter von ihr heller leuchtet als eine Millionen Glühlampen. Unsere Sonne ist schon seit ca. 4,6 Milliarden Jahren am Scheinen und sie wird es auch noch sehr lange weiterhin tun, denn sie hat Wasserstoff-Vorrat für weitere 5 Milliarden Jahre. Sie versorgt uns mit Wärme, Licht, Tages- und Jahreszeiten. Ohne Sie wäre unser Überleben auf der Erde kaum möglich.

2.2 Feuer (B.)

Feuer übt seit Menschengedenken eine Faszination aus: Wir wärmen uns an ihm, es schenkt uns Licht in der Nacht und gibt Geborgenheit. Gleichzeitig aber kann es, sobald wir es nicht mehr unter unserer Kontrolle haben, sehr gefährlich werden. Feuer ist seit Millionen von Jahren sehr wichtig für uns Menschen. Schon die ersten archäologischen Funde von Feuernutzung gehen bis 4 Millionen Jahre in die Vergangenheit zurück. Die ältesten nachgewiesenen Feuerstellen stammen aus Südafrika und sind 1,7 Millionen Jahre alt. Danach wurde das Feuer ein wichtiger Bestandteil für die Herstellung von verschiedenen Dingen, wie zum Beispiel Töpferei oder für Schmelzöfen. Die Methode, Funken mit Eisen und Feuerstein zu erschaffen, war in der Neuzeit die am meisten genutzte Art Feuer zu machen, bis 1823 das erste Modell des Feuerzeugs erfunden wurde. Bis Mitte des 1900 Jahrhunderts wurde Feuer noch oft benutzt, ob zum Heizen oder Kochen. Irgendwann wurde die Wärme und das Licht des Feuers von modernen Geräten übernommen. Heute benutzt man es nur noch wenig, wie z.B. für das Grillen, ein gemütliches Lagerfeuer oder den Kamin.

2.3 Fett/Öl-Lampe (B.)

Die Öl-Lampe ist ein Beleuchtungskörper, der durch verschiedene Öle zum Brennen gebracht wird. Die ersten Öl-Lampen waren kleine Tonschalen, die mit Tierfetten befüllt wurden. Diese Vorläufer wurden schon seit zehntausend Jahren benutzt. Danach wurde die Öl-Lampe viele Jahrhunderte nicht weiterentwickelt, trotz neuer Formen und weiterer Brennstoffe. Nach der Erfindung der Petroleumlampe Mitte des 19. Jahrhunderts verschwanden die alten Öl-Lampen fast restlos, vor allem in Nordamerika und Europa. In anderen Regionen aber blieb die herkömmliche Öl-Lampe bis heute bestehen. ¹

2.4 Kerze (B.)

Die Kerze wurde vor mehr als 3000 Jahren erfunden. Sie bestand anfangs aus Materialien wie z.B. Stroh und Hanf als Dochte und wurde im Orient in Harze oder Fette getränkt und angezündet. Ihr Geruch soll entsprechend unerträglich gewesen sein. Viel später erst wurde das angenehmer riechende Bienenwachs verwendet. Im Mittelalter war Wachs so teuer, dass es sogar als Zahlungsmittel anerkannt war. Nur wohlhabende Leute sowie die Kirche konnten sich Wachskerzen leisten. Kerzen werden inzwischen aus Stearin hergestellt. Es gibt sie inzwischen in allen vorstellbaren Formen und Farben. Sie werden unterschiedlich genutzt, wie z.B. für romantische Beleuchtung oder für das Wärmen von Speisen.

2.5 Gaslampe (Felix)

In der Londoner Kirche St. Margareths wurden 1814 die Öl-Lampen durch Gas-Lampen ersetzt. Dies gilt als die erste öffentliche Gasbeleuchtung. Das Dorf Burgk in der Nähe von Dresden war 1828 weltweit das erste, das den Ort mit Gas-Lampen beleuchtet hat. Die neue Beleuchtungstechnik verbreitete sich schnell über die ganze Erde. Die Bevölkerung feierte dies als technischen Fortschritt. Am Anfang mussten die Gas-Laternen an den Straßen einzeln angezündet werden. Der Beruf des Laternenanzünders entstand.

In den 1960er-Jahren haben die meisten Städte in Deutschland die Gasbeleuchtung durch eine modernere elektrische Beleuchtungstechnik ersetzt. Noch heute wird die Gasbeleuchtungstechnik genutzt, um zum Beispiel Straßen zu beleuchten. 80.000 Gas-Lampen leuchten jede Nacht in 40 deutschen Städten. Abbildung 1 zeigt eine Nachkriegs-Gaslaterne, wie sie z. B. bis in die 2010er-Jahre in Frankfurter Wohnstraßen noch anzutreffen war. Heutzutage werden noch Gasleuchten in Bereichen genutzt, wo es keine oder eine schlechte Gas-Infrastruktur gibt. Zum Beispiel werden Propan- oder Butangas in Flaschen oder Kartuschen für Gas-Lampen genutzt. ²

2.6 Glühlampe (Felix)

Im Jahre 1801 entdeckte Louis Jacques Thénard, dass ein Metalldraht hell glüht, wenn ausreichend Strom durch den Draht fließt. 1835 zeigte der Schotte James Bowman Lindsay in einer öffentlichen Veranstaltung die erste Glühlampe, die auf einen glühenden Metalldraht basiert. Angeblich konnte er ein Buch im Abstand von eineinhalb Fuß lesen.

Thomas Alva Edison erhielt das Patent auf eine verbesserte Glühlampe im Jahr 1880. Er erfand eine Glühlampe mit einem Kohleglühfaden aus verkohlten Bambusfasern in einem luftleeren Glaskolben. Darüber hinaus gab es weitere Verbesserungen wie zum Beispiel die Präzisionsherstellung des Glühfadens. Damit hatte die Glühlampe von Edison eine bessere Haltbarkeit, Lichtausbeute und Energiekosten gegenüber den damals üblichen Gaslampen.

Ab 1880 wurden die ersten privaten Haushalte mit Kohlefadenglühlampen ausgestattet. Dazu wurde eine Strominfrastruktur benötigt, die im gleichen Zeitraum ausgebaut wurde. Das Café Bauer wurde 1884 mit Glühlampen beleuchtet und war damit das erste Gebäude in Deutschland, das mit Glühlampen beleuchtete wurde.

1893 gab Heinrich Göbel an, schon 1850 mit Kohlefadenglühlampen hantiert zu haben, jedoch konnte er seine Aussage nicht beweisen. Er galt im 20. Jahrhundert als Erfinder der Kohlefadenglühlampe in Deutschland. 1883 soll die erste Glühlampe in Deutschland hergestellt worden sein.

Carl Auer von Welsbach hat bei einem neuen Herstellungsverfahren von Drähten Osmium und Wolfram entscheidend beigetragen. Alexander Nikolajewitsch Lodygin patentierte mit Wolframglühfäden und stellt eine Wolframglühlampe in der Weltausstellung 1900 vor. Die General Electric Company kaufte 1906 dieses Patent für die Entwicklung von Wolframglühfäden. 1911 begann General Electric die Kommerzielle Herstellung von Wolframglühlampen. Noch heute werden Wolfram-Glühlampen weltweit genutzt. ³

2.7 Gasentladungslampe (B.)

Die in der professionellen Beleuchtung am häufigsten eingesetzte Lampe ist die Gasentladungslampe. Von ihrer Art gibt es eine Vielzahl von verschiedensten Ausführungen: Niederdruck-Entladungslampen (z.B. Leuchtstofflampen und Neon-Röhren) und Hochdruck-Entladungslampen (z.B. Halogen-Metalldampflampen), um nur die Gebräuchlichsten zu erwähnen. Die Funktionsweise der sogenannten Gasentladungslampen ist im Prinzip immer dieselbe. Das Licht entsteht durch einen elektrischen Entladungsvorgang zwischen einer in die Lampe eingebrachten Kathode (negativ geladene Elektrode) und einer Anode (positiv geladene Elektrode). Dieser Vorgang geschieht vorrangig in einer kleinvolumigen und geschlossenen Umgebung, meistens in einem Glaskörper (Glaskolben, Glasstangen o.ä.), der dann mit ionisierten Gasen (meistens Metallgase oder Edelgase) gefüllt ist.

Bei dieser Elektronen-Ionen- und Gasatomen-Reaktion entsteht eine Strahlung (z.B. gibt Neon ein vorwiegend rotes Licht ab, Natriumdampf überwiegend nur gelbes, Quecksilberdampf hauptsächlich blaues Licht und Xenon erzeugt weißes Licht), die unter anderem dann auch durch das Einbringen von Leuchtstoffen (meistens Oxide und Sulfide) eine für uns sichtbare Strahlung, nämlich das uns umgebende Licht, abgibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : Modell einer Gasentladungslampe⁴

2.8 Leuchtstofflampe (Felix)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Letzte Leuchtstofflampe bei mir zu Hause

1857 erfand Heinrich Geißler eine Leuchtstoffröhre. Sie besteht aus einer luftleeren Glasröhre mit Elektroden an den Enden. Die Röhre ist unter niedrigem Druck mit Gas gefüllt. Wird die Röhre unter Hochspannung gesetzt, leuchtet das Gas. Je nach Gasfüllung wird unterschiedliches Licht ausgegeben (emittiert). In den 1880er Jahren wurden diese Röhren in größeren Mengen produziert. Die Helligkeit der Röhre war allerdings sehr gering, deshalb wurden die Röhren eher zur Dekoration der Wohnungen genutzt.

Die Quecksilberdampflampe wurde 1901 von Peter Cooper-Hewitt erfunden. Sie hatte eine hohe Effizienz und strahlte blaugrünes Licht aus. Sie wurde zum Beispiel in der Schwarzweißfotografie genutzt. Philipp Siedler erfand 1913 die Leuchtstoffröhren mit Edelgasfüllung. 1926 hatte Edmund Germer die Idee, die Röhre mit Leuchtstoffen zu beschichten und die Röhre unter höheren Druck zu setzten. Der Leuchtstoff wandelte das ultraviolette Licht in sichtbares Licht um. Das Unternehmen General Elektrik übernahm diese Idee und verkaufte 1938 die Leuchtstofflampen erfolgreich. In den 1980er Jahren verdrängte die Kompaktleuchtstofflampe mehr und mehr die traditionelle Glühlampe.

Wegen des geringen Drucks in der Lampe, wird die Leuchtstofflampe auch Niederdruck-Gasentladungslampe genannt. Wegen den Leuchtstoffen in den Gas-Gefäßen, wird die Leuchtstofflampe auch Fluoreszenzlampe genannt. Informationsquellen: ⁵ und ⁶

2.9 LED (Felix)

1907 beobachtete Henry Joseph Round, dass ein anorganischer Stoff unter elektrischer Spannung leuchten kann. Der russische Physiker Oleg Lossew entdeckte 1921 den gleichen Effekt. In den 1950er Jahren wurde ein Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht. Die Wissenschaftler konnten den Prozess der Lichtemission aufklären. Nick Holonyak erfand 1962 die erste rote Leuchtdiode, die damals noch eine schlechte Lichtausbeute hatte. Die amerikanische Chemiefirma Monsanto ging 1968 als erstes in die Massenproduktion von roten LEDs und verbesserte die LEDs immer weiter. Bevor die verbesserten LEDs in die Massenproduktion gingen, musste die Lichtausbeute der LEDs noch opB.iert werden. Mit der Massenproduktion war der Einsatz von LEDs nicht mehr zu bremsen und ein Hype entstand. Der Einsatz war noch begrenzt, da die Lichtausbeute mit 0,1 Lumen pro Watt recht gering war. Eine damalige ineffiziente Glühlampe war zu der Zeit hundertfach effizienter. Die Serienproduktion der LEDs ermöglichte, erste Taschenrechner und digitale Armbanduhren herzustellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Digitaluhr von 1978 mit LED-Anzeige

Weitere Halbleitermaterialien wurden gefunden, die 1971 rot-orange, gelbe und grüne LEDs ermöglichten. In den 1980er Jahre übertraf die Effektivität der farbigen LEDs die damals farbigen Glühlampen. In den kommenden Jahren wurde die Effizienz der LEDs gesteigert, jedoch fehlte noch die Möglichkeit weiße LEDs herzustellen. Für das kurzwellige Licht von blau bis zu ultraviolett gab es keine praktische Lösung. 1993 hatte Shuji Nakamura einen neuen Ansatz. Er mixte die erste Materialkombination. So konnten LEDs leuchtend blaues Licht aussenden. Jetzt konnte ebenfalls weißes Licht erzeugt werden, indem rote, grüne und blaue LEDs gleichzeitig leiteten. Die folgende Abbildung zeigt, dass diese drei Farben weißes Licht ergeben. 1995 gelang es, weißes Licht mit einer LED zu erzeugen. Die Kombination blaue LED mit gelbem Leuchtstoff ergab weißes Licht.

Die Verbreitung von LEDs war nicht mehr aufzuhalten, nachdem die weiße LED erfunden wurde. Eine handelsübliche LED hat über 100 Lumen pro Watt. Die LEDs werden immer weiter verbessert. In Laborbedingungen nähern sich die LEDs bereits der theoretischen Obergrenze von 350 Lumen pro Watt.

Die LED ist heute nicht mehr wegzudenken. Sie wird in fast allen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel in Verkehrsampeln, Straßenbeleuchtungen, Autoscheinwerfern, TV-Geräten, Taschenlampen und Smartphones.

Informationsquellen: ⁷, ⁸, ⁹, ¹⁰, ¹¹ und ¹²

2.10 OLED (Felix)

A. Bernanose entdeckte in den 1950er Jahren die Elektrolumineszenz in organischen Materialien. Chin Tang und Van Slyke entwickelten die ersten Leuchtdioden aus dünnen organischen Schichten in der Forschungsabteilung von Kodak. Das Unternehmen Pioneer beteiligte sich an der Forschung und erstellte 1988 das erste vollfarbige Display. 1990 wurden Polymermaterialien zum Leuchten gebracht. Die heutigen Leuchtschichten basieren auf diesen Polymermaterialien.

OLED wird schon heute in den ersten Bildschirmen in Smartphones, Table-Computern sowie grösser flächigen Fernsehern und Computermonitoren genutzt.

Informationsquellen: ¹³ und ¹⁴

3 Was ist Licht überhaupt? (B. und Felix)

Licht ist eine Form der elektromagnetischen Strahlung. Diese Strahlung hat ein großes Spektrum, das in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Wellenlängen des Lichts¹⁵

Das menschliche Auge kann nur die Wellenlängen zwischen 380-780 Nanometer (nm) wahrnehmen. Dieser Bereich liegt zwischen Infrarot und Ultraviolett. Jede Wellenlänge hat eine andere Farbe. Diese kann zum Beispiel beim Regenbogen gut beobachtet werden.

Licht allein ist nicht sichtbar. Das Auge kann nur die Reflektion von Gegenständen erkennen. Je dunkler ein Gegenstand ist, desto weniger Licht wird reflektiert. Das restliche Licht wird absorbiert. Licht ist lebensnotwendig für Menschen und Tiere. Pflanzen benötigen ebenfalls Sonnenlicht zum Wachsen und zur Photosynthese. Ohne Photosynthese gibt es z.B. keinen Sauerstoff für Lebewesen. Durch die Reflektion des Sonnenlichts vom Mond werden wir auch nachts mit Licht versorgt.

In den nächsten Abschnitten erläutern wir einige physikalische Eigenschaftes des Lichts.

3.1 Lichtstrom (Felix)

Eine Lichtquelle, zum Beispiel eine Glühlampe, sendet Licht in jede Richtung. Das gesamte Licht einer Lichtquelle stellt den Lichtstrom dar. Der Lichtstrom wird in der Maßeinheit Lumen (lm) gemessen. Mit Lumen wird die Helligkeit einer Lampe beschrieben.

Die meisten Glühlampen strahlen Licht in allen Richtungen. Die LEDs strahlen das Licht jedoch nur in eine Richtung. Mit Hilfe von Reflektoren kann das Licht der LEDs in verschiedene Richtungen gelenkt werden, um eine Streuung des Lichts zu erhalten. Dies reduziert ein wenig die Lichthelligkeit der LEDs.

Bei den Wolframglühlampen steht im Allgemenen de Wattangabe für de Hellgketsangabe. Des st technsch ncht ganz rchtg. Watt msst den Stromverbrauch ener Lampe und ncht de Hellgkeit. Noch genauer: Watt ergibt sich aus der Multiplikation von Volt und Ampere.

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¹ Öllampen: https://de.wikipedia.org/wiki/Öllampe (06.01.2019)

² Gasbeleuchtung: https://de.wikipedia.org/wiki/Gasbeleuchtung (28.12.2018)

³ Glühlampe: https://de.wikipedia.org/wiki/Glühlampe (28.12.2018)

⁴ Gasentladungslampe: http://www.el-gor.at/ECMS/page_view.php?Beruf=EIT&Seite=TE2f.php&Fach=TEC&Gebiet=EGT&Jahrgang=2&id=25# (01.02.2019)

⁵ Gasentladungsröhre: https://de.wikipedia.org/wiki/Gasentladungsr%C3%B6hre (28.12.2018)

⁶ Leuchtstofflampe: https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe (28.12.2018)

⁷ Ulrich Kilian und Rainer Aschemeier: Das große Buch vom Licht, Darmstadt: WBG 2012

⁸ Leuchtdiode: https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode (28.12.2018)

⁹ RGB-Verteilung: https://www.ontmoeting.nl/renderzone/03-spectral-1.html (28.12.2018)

¹⁰ Künstliches-Licht: https://www.licht.de/fileadmin/Publikationen_Downloads/1603_lw01_Kuenstliches-Licht_web.pdf (01.01.2019)

¹¹ Led-Historie: https://www.led.de/led-historie (06.01.2019)

¹² Digitaluhr: https://de.wikipedia.org/wiki/Digitaluhr (01.01.2019)

¹³ OLED-Technologie: http://www.oled-portal.com/technologie (06.01.2019)

¹⁴ Organische Leuchtdiode: https://de.wikipedia.org/wiki/Organische_Leuchtdiode (06.01.2019)

¹⁵ Wellenlänge des Lichts: http://www.seilnacht.com/Lexikon/Licht.htm (06.01.2019)