Lichttechnik - Überbegriff der Photometrie

3) Hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Kosten

Allgemein bezeichnet man Lampen als technische Ausführungsformen von künstlichen Lichtquellen, die leuchten und beleuchten sollen. Von den vielfältigen physikalischen Erscheinungen, in deren Folge Licht beobachtet wird, sind zwei Gebiete erschlossen worden. Erstens die Verbrennungslampen, die chemische Energie in Licht mit Hilfe von Verbrennung umsetzt. Zweitens die elektrischen Lampen, deren Licht durch Umsetzung von elektrischer Energie erzeugt wird. Nach dem Prinzip der Lichterzeugung im einzelnen läßt sich ein Gruppierungsschema für alle technischen Lampen aufstellen:

Aus der Abbildung auf der vorigen Seite ist zu entnehmen, dass elektrische Lampen die weitaus größere Bedeutung haben. Für die Lichttechnik sind vor allem Glühlampen und Entladungslampen sehr wichtig. Welche Lampe nun für welche Aufgabe geeignet ist, hängt vom Wirkungsgrad, Leistungsaufnahme, Energieverbrauch, Abmessungen und benötigte Zusatzgeräte ab. Das ausgestrahlte Licht wird wiederum nach den photometrischen Größen und Einheiten beurteilt.

Funktionsweise des menschlichen Auges:

Abb.: Auge des Menschen mit Augenmuskeln in Augenhöhle

Das Auge ist das wichtigste Instrument für die Lichttechnik, sowie im speziellen für die Photometrie. Ohne das Grundwissen über die Funktionsweise des menschlichen Auges gäbe es diese Wissenschaften wahrscheinlich nicht. Grundvoraussetzung ist deshalb, um die Funktionsweise des Auges bescheid zu wissen:

Die Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand in das Auge einfallen, werden durch den optischen Apparat (Hornhaut, Linse) so gesammelt, dass auf der Netzhaut ein umgekehrtes und verkleinertes Bild entsteht. In der Netzhaut dienen zur Reizaufnahme Stäbchen und Zapfen. Auf jedem Quadratmillimeter der Netzhaut sitzen durchschnittlich 400.000 Sehzellen, in der ganzen Netzhaut etwa 125 Millionen. Die Stäbchen sind viel lichtempfindlicher als die Zapfen. Da es nur eine Sorte von Stäbchen gibt, sind diese für das Schwarz - Weiß - Sehen zuständig. Von den Zapfen gibt es drei verschiedene Typen, die von jeweils unterschiedlichen Wellenlängen erregt werden. Das ,,Zapfen - Sehsystem" kann also Farben unterscheiden. Die

Zapfen sprechen wegen ihrer geringen Lichtempfindlichkeit in der Dämmerung nicht mehr an. Im Mondlicht kann man also keine Farben erkennen. Im hellen Licht sehen wir hingegen fast ausschließlich mit den Zapfen.

Hier sehen wird schon das Problem für die Lichtmessung (=Photometrie). Man kann geringen Intensitätsunterschied und Frequenzunterschied zwischen Lichtquellen nicht unterscheiden. Deshalb bedient man sich auch technischen Hilfsmitteln. (siehe Photometer).

Abb.: Spektrale Hellempfindlichkeit des Auges bei Tageslicht. Das Maximum der Empfindlichkeit liegt bei der Wellenlänge 555 nm (grüner Farbbereich).

Was ist Photometrie?

Photometrie ist ein Verfahren zum Messen der Lichteinheiten wie der Lichtstärke, der Leuchtdichte, der Beleuchtungsstärke und der Lichtmenge auf Grund der Helligkeits- empfindung des menschlichen Auges. Bei Verschiedenfarbigkeit des Lichtes muß die für die einzelnen Farben unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt werden. Die eigentliche Messung kann direkt mit dem Auge (subjektive oder visuelle Photometrie) oder mit lichtempfindlichen Meßgeräten (= Photometer) erfolgen (objektive oder physikalische Photometrie). Absolute Messungen sind mit dem menschlichen Auge nicht möglich (Grund bereits oben erwähnt); die Photometrie basiert deshalb auf Vergleichs- messungen. Von besonderer Bedeutung ist die Photometrie in der Astronomie: Vergleich der Schwärzungen, die vom Sternenlicht auf einer Photoplatte erzielt wurde.

Unterteilung der Photometrie:

Man unterteilt die Photometrie in die visuelle, die physikalische und die photographische Photometrie:

1) Bei der visuellen (=subjektiven) Photometrie erfolgt die Messung meist durch den Vergleich der auf einer Fläche hervorgerufenen Helligkeit der zu messenden Lichtquelle mit der einer Lichtquelle von definierter Stärke. Der Abstand von der beleuchteten Fläche wird so verändert, bis bei beiden Lichtquellen gleiche Helligkeit gesehen wird.

Hier kann man entweder einen Direktvergleich vornehmen oder eine Substitionsmethode verwenden. Beim Direktvergleich werden dem Auge die Leuchtdichten der definierten Lichtquelle bzw. des Prüflings unmittelbar zum Vergleich dargeboten. Bei der Substitionsmethode dagegen werden die definierte Lichtquelle und der Prüfling unmittelbar

hintereinander von der gleichen Meßanordnung unter gleichen Bedingungen gemessen. Diese Methoden werden vorwiegend bei gleichfärbigen Lichtquellen angewandt. Für verschiedenfarbige Lichtquellen wird das Flimmerprinzip verwendet. Dabei werden dem Auge periodisch nacheinander in passender Frequenz die Lichtqullen dargeboten.

2) Die physikalische (=objektive) Photometrie macht sich meist den Photoeffekt zunutze,

wobei die Licht- und Farbempfindlichkeit des Photoelements nach der des menschlichen Auges geeicht sein muß. Das bedeutet, dass der physikalische Empfänger an die Augenempfindlichkeit angeglichen werden muß, wenn Licht verschiedener spektraler Energieverteilung miteinander verglichen werden soll. Die Angleichung muß um so besser sein, je geringer die zugelassene Unsicherheit sein soll. Die Angleichung eines physikalischen Empfängers war früher eine umständliche Arbeit, da jeder Empfänger wegen der individuellen Verschiedenheiten einzeln angeglichen werden muß. Heute verwendet man dazu genaue Standarddaten. Bei genauen Messungen muß der Computer natürlich jede Verschiedenheit berücksichtigen und einzeln berechnen.

3) Bei der photographischen Photometrie dient als Empfänger die photographische Platte. Aus der Schwärzungskurve (= Zusammenhang zwischen entwickelter Schwärzung und Belichtung) kann auf die eingestrahlte Intensität geschlossen werden, die zu verschiedenen Schwärzungen geführt hat. Die photographische Photometrie wird hauptsächlich in Verbindung mit Spektographen angewendet.

Außerdem unterscheidet man noch zwischen isochromer (gleichfarbiger) und heterochromer (verschiedenfarbiger) Photometrie:

1) Bei der isochromen (gleichfarbigen) Photometrie kommt es nur darauf an, dass die Felder dem menschlichen Auge gleichfärbig erscheinen. Es ist nicht nötig, dass sie spektral gleich zusammengesetzt sind.

2) Als heterochrome Photometrie bezeichnet man den photometrischen Vergleich verschiedenfarbiger Lichtquellen. Es gibt hier wiederum visuelle und physikalische Meßmethoden. Doch wird hierbei vor allem das Flimmerprinzip angewandt. (siehe Flimmerphotometer)

Photoelement:

Ein Photoelement, das auch vielfach als Sperrschichtelement bezeichnet wird, ist ein lichtelektrischer Strahlunsempfänger, der ohne äußere Spannung bei Bestrahlung mit Licht Strom liefert. Dies funktioniert dadurch, das ein besonderer lichtelektrische Effekt genutzt wird - der Sperrschichteffekt. (Photoeffekt: siehe Anhang Seite 14)

a = Deckglas b = Deckelektrode c = Sperrschicht d = Halbleiter e = Elektrode

Erklärung:

Das Licht schlägt aus dem Halbleiter (d) durch Absorption Elektronen heraus. Dieses gelangen nun durch die Sperrschicht (c) hindurch zur Deckelektrode (b), die aus einer aufgedampften durchsichtigen Metallschicht und einem Sammelring aus massivem Metall besteht. Dadurch erzeugen die Elektronen in diesem äußeren Stromkreis Strom. Ebenfalls aus massivem Metall besteht die Elektrode (e). Zum Schutz der Sperrschicht und der aufgedampften Metallschicht gegen atmosphärische Einflüsse und mechanische Beschädigungen dient das Deckglas (a).

Der Lichtstrom ist dabei abhängig von der Beleuchtungsstärke und dem Widerstand des äußeren Stromkreises. Bei geringer Beleuchtungsstärke oder bei niedrigem Außenwiderstand ist der Photostrom allerdings proportional zur auffallenden Lichtintensität.

Verschiedene Photoelemente: Die Halbleiterschichten bestehen aus Selen, Silizium oder Germanium. Durch vorgeschaltene Filter kann man die spektrale Empfindlichkeit des Photoelements an die Augen- empfindlichkeit anpassen (Filterphotoelement) und damit ein künstliches Präzisionsauge schaffen. Siliziumphotoelemente finden vor allem als Leistungsquelle für Satellitensender ihre Anwendung. Die spektrale Empfindlichkeit des Germanium-Photoelements ist für Proben im Infrarotbereich günstig.

Die maximale spektrale Empfindlichkeit liegt bei Selen-Photoelementen bei 555nm, bei Silizium-Photoelementen bei 800 nm und bei Germanium-Photoelementen bei 1510 nm.

Photometer:

Ein Photometer ist eine Vorrichtung zur Lichtmessung. Beim Schatten-Photometer, Fettfleck- Photometer und Photometerwürfel ist die Genauigkeit der Messung von der subjektiven Beurteilung, ob zwei von den zu vergleichenden Lichtquellen beleuchtete Flächen gleich hell erscheinen, abhängig. Verwendet man ein nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges geeichtes Photoelement, sind Messungen auch bei geringsten Helligkeiten möglich. Solche Photometer können als Zeigerinstrumente ausgeführt werden (= Belichtungsmesser). Im Flimmer-Photometer werden beide Lichtquellen abwechselnd in raschem Wechsel sichtbar; bei gleicher Helligkeit verschwindet das Flimmern, und es entsteht eine einheitliche Mischfarbe. Dieses Verfahren ist deshalb auch bei verschiedenfarbigen Lichtquellen anwendbar.

Der Photometerwürfel:

Dieser Photometerwürfel wird oft nach seinen Erfindern Lummer-Brodhun-Würfel genannt. Dieser hat die Aufgabe zwei Leuchdichten unmittelbar benachbart dem Beobachterauge darzubieten. Er besteht aus zwei rechtwinkeligen Glasprismen, die mit ihrer Diagonalfläche

zusammengelegt sind. Die Kontaktfläche ist so eingerichtet, dass sie teilweise optischen Kontakt liefert, teilweise aber auch total reflektiert. Die Totalreflexion wird durch Aussparungen im Glas erreicht (Abb. 1a, Feld a).

Moderne Photometer sind so gestaltet, dass sie zwei Trapezfelder bilden (Abb. 1b, rechts). Besonderer Wert ist darauf zu legen, dass die Trennungslinien nach erfolgtem Abgleich verschwinden, sonst geht die Einstellsicherheit herunter.

Dieses Grundprinzip bleibt bei allen restlichen Photometern gleich. Es gibt nur verschiedene Aufsätze, wie zum Beispiel den Aufsatz nach Lummer-Brodhun oder den Photometeraufsatz nach Bechstein.

Dieses waren alle feststehende Photometer, wie auch das Fettfleckphotometer. Der Photometerwürfel kann als technisch vollendete Form des Fettfleckes betrachtet werden und wird daher auch idealer Fettfleck genannt.

Tragbare Photometer:

Das erste Photometer dieser Art entstand bereits Ende des letzten Jahrhunderts und wurde nach seinem Erfinder Webersches Photometer genannt.

Die Grundidee dieses Photometers blieb bis zur heutigen Zeit erhalten und wird nur etwas verbessert. Grundsätzlich funktioniert dieses Photometer folgendermaßen: Abb.: Webersches Photometer

Die Vergleichslampe L beleuchtet die verschiebbare Milchglasplatte M1. Vom Okular O sieht der Beobachter über den Photometerwürfel W auf die beiden vom Licht der Vergleichslampe und Licht der zu messenden Lampe angestrahlten Milchglasplatten M1 und M2.

Photometrische Größen - Physikalische Größen:

Die photometrischen Größen sind alle auf Grund der Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges festgesetzt worden. Da das Auge auf die gleiche Lichtleistung (=Lichtenergie/Zeit) ganz anders reagiert, wenn es sich um rotes als wenn es sich um grünes Licht handelt, ist der Anschluß der photometrischen Größen an die üblichen physikalischen Maßsysteme nicht einfach durchzuführen. Es wird daher das photometrische Maßsystem mit dem dazugehörigen physikalischen Maßsystem gleichzeitig besprochen und dann ein Zusammenhang hergestellt. Die photometrischen Größen werden mit dem Index v bezeichnet, die physikalischen Größen mit dem Index e.

Diese beiden Größensysteme sind über die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges V(_) miteinander verbunden. Aus dieser Kurve (siehe Seite 2) geht hervor, dass das Auge bei der Wellenlänge __= 555 nm, das ist im grünen Farbbereich, am empfindlichsten ist. Zur absoluten Umrechnung von Strahlungseinflüssen in Lichteindrücke dient das energetische Lichtäquivalent M 0 . Es gibt denjenigen Strahlungsfluß _ e an, der bei der Wellenlänge 555 nm vom Auge als Lichtstrom ______Lumen bewertet wird. Deshalb gilt: _ e __ M 0 _ _ M 0 ___________w/lm) Der Kehrwert von M 0 ist das photometrische Strahlungsäquivalent K = 683lm/W Deshalb gilt: _ __ K _ e

a) Der Lichtstrom - Der Strahlungsfluß

Unter dem Lichtstrom __versteht man die mit dem Auge bewertete Lichtleistung. Man unterscheidet hier zwischen dem von der Lichtquelle abgegebenen Gesamtlichtstrom und den in den Raumwinkel _ abgestrahlten Teillichtstrom.

Die passende physikalische Einheit zum Lichtstrom ist der Strahlungsfluß. Dies gibt an, wieviel Energie eine Strahlungsquelle pro Zeiteinheit abgibt und hat daher die Dimension einer Leistung und wird daher in Watt angegeben.

photometrische Größe: Die Einheit des Lichtstromes __ist das Lumen: (_) = lm

Definition von 1 Lumen: Das Lumen ist jener Lichtstrom, den eine punktförmige (nach allen Richtungen gleichmäßig) mit der Lichtstärke von 1 Candela strahlende Lichtquelle in den Raumwinkel 1 Steradiant (sr) sendet. (Zur Erklärung: Der Raumwinkel __ist ein räumliches Winkelmaß. Er beschreibt die Fläche des Kugelsegments, das ein Kreis-Kegel mit dem Öffnungswinkel _ (bei 1 Steradiant: __= 32°) aus einer Kugel mit dem Radius 1 herausschneidet.)

b) Die Lichtstärke - Die Strahlstärke

Strahlt eine Lichtquelle den Lichtstrom __in einen Raumwinkel _, so nennt man das Verhältnis I = ___ die Lichtstärke in der Richtung der Raumwinkelachse. Die Lichtstärke ist die Grundgröße der Photometrie. Zwischen Lichtstärke und Lichstrom besteht folgende Beziehung: Die Lichtstärke 1 Candela strahlt in den Raumwinkel 1 Steradiant den Lichtstrom

1 Lumen. Mit Candela sind auch die photometrischen Größen an das internationale

Einheitssystem angeschlossen. Dieses besteht aus den Grundeinheiten: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol und Candela.

Die Strahlstärke gibt die Stärke einer Strahlungsquelle in der betrachteten Richtung an.

photometrische Größe: Die Einheit der Lichtstärke I ist die Candela: (I) = 1 cd

Definition von 1 Candela:

Ein Candela ist 1/60 jener Lichtstärke, mit der Schwarze Körper bei 2042,5 K (= Temperatur des errstarrenden Platins) je cm 2 normal zur Oberfläche strahlt.

c) Die Beleuchtungsstärke - Die Bestrahlungsstärke

Die Beleuchtungsstärke wird folgendermaßen definiert: E = ____=> (E) = 1 lm/m 2 = 1 Lux Hierbei eine kleine Skizze zur näheren Erklärung: Die Beleuchtungsstärke beträgt 1 Lux, wenn der Lichtstrom 1 lm auf die Fläche 1 m 2 trifft. Eine interessante Beziehung läßt sich hier

noch feststellen. Die Lichtstärken zweier Lichtquellen verhalten sich bei gleicher Beleuchtungsstärke wie die Quadrate ihrer Abstände von der beleuchteten Fläche. Die Bestrahlungsstärke gibt an, welche Strahlungsmenge die Oberfläche eines bestrahlten Körpers in einem Strahlungsfeld gegebener Stärke erhält.

photometrische Größe: Die Einheit der Beleuchtungsstärke E ist das Lux: (E) = 1 lx

Definition von 1 Lux:

Das Lux ist die Beleuchtungsstärke einer Fläche, die je Quadratmeter gleichmäßig einen Lichtstrom von 1 Lumen empfängt.

d) Die Leuchtdichte - Die Strahldichte

Die Leuchtdichte L ist folgendermaßen definiert: L = I / (cos __A) Ein Körper weist die Leuchtdichte 1 cd/m 2 auf, wenn er in eine bestimmte Richtung bei einer scheinbaren Fläche von 1 m 2 mit der Lichtstärke 1 cd strahlt. Die Strahldichte ist analog zur Leuchtdichte definiert. Das bedeutet, dass statt Lichtstärke Strahlstärke in die obere Gleichung eingesetzt wird.

photometrische Größe: Die Einheit der Leuchtdichte L ist die Candela je Quadratmeter: (L) = (I)/(A) = 1 cd/m 2 = 1 sb (=Stilb; alte Einheit) physikalische Größe: Die Einheit der Strahldicht ist: (L) = 1 W/m 2 Leuchtdichten L verschiedener Lichtquellen in sb:

Übersicht über alle Größen:

Strahlungsgesetze - Der Schwarze Strahler:

Unter Strahlungsgesetzen versteht man physikalische Gesetzmäßigkeiten. Diese geben bei Strahlungsquellen die Abhängigkeit ihrer abgegebenen Strahlungsleistung von ihrer an das Umfeld abgegebenen Temperatur an. Eine Sonderstellung in diesen Gesetzen nimmt der Schwarze Strahler (wird später genauer beschrieben) ein, da er einen Idealstrahler darstellt. Dies bedeutet, dass er bei jeder Temperatur das theoretische Höchstmaß an Strahlung abgibt. Daher ist bei jedem Strahlungsgesetz von der Schwarzen Strahlung (= Strahlung des Schwarzen Strahlers) die Rede.

Diese Strahlungsgesetze sind Grundvoraussetzung für die Optik und im speziellen für die Photometrie. Sie lauten im speziellen:

1) Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz:

Emission und Absorption von Strahlung hängen außer von der Wellenlänge der Strahlung _ in starkem Maße von der Temperatur T und von der Oberflächenbeschaffenheit der Körper ab. Es ist ja bekannt, dass dunkle Körper mit rauher Oberfläche mehr Strahlung absorbieren und sich dadurch schneller erwärmen als helle blanke Körper. Das unterschiedliche Verhalten der Körper gegenüber Absorption von Strahlung kennzeichnet man durch den spektralen Absorptionsgrad ____T), der das Verhältnis zwischen dem vom Körper in der Zeiteinheit absorbierten Strahlungsenergie _ a und dem auf den Körper auftreffenden Strahlungsenergie _ 0 der Wellenlänge __bei der Temperatur T angibt: ____T) = _ a / _ 0 So werden zum Beispiel von Ruß 99% der gesamten auftreffenden Strahlung absorbiert, nur

1% wird reflektiert.

Definition eines Schwarzen Strahlers: Einen Körper, der sämtliche auftreffende Strahlung vollständig absorbiert, dessen spektraler Absorptionsgrad ____T) also für alle Wellenlängen und Temperaturen 1 ist, bezeichnet man als schwarzen Körper".

Definition eines Grauen Strahlers:

Graue Strahler sind Körper, die zwar eine geringe Absorption und Emission haben als ein schwarzer Körper, die jedoch bei allen Wellenlängen im gleichen Verhältnis weniger absorbieren und emittieren.

Geschwärzte Oberflächen stellen daher nur näherungsweise einen schwarzen Körper im physikalischen Sinne dar. Praktisch realisierbar ist ein schwarzer Körper durch die Öffnung eines Hohlkörpers, der so konstruiert ist, dass die in die Öffnung eintretende Strahlung durch Mehrfachreflexion an den geschwärzten Innenwänden des Hohlraumes nahezu vollständig absorbiert wird. Die Öffnung hat dann nicht nur einen maximalen Absorptionsgrad, sondern

Abb.: Holraumstrahler als ,,schwarzer Körper"

gleichzeitig auch einen maximalen Emissionsgrad. Die aus der Öffnung tretende Strahlung, die schwarze Strahlung oder Hohlraumstrahlung, hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und ist unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Hohlraumes. Aus den genannten Eigenschaften das schwarzen Strahlers folgt seine Bedeutung bei der Formulierung

von Zusammenhängen zwischen Temperatur und Strahlung.

Abb.: Lichtmühle

Die obere Abbildung zeigt einen schwarzen Strahler für Temperaturen bis 1500° C. Er besteht aus zwei feuerfesten Zylindern, von denen der innere mit einer Platinfolie überzogen ist, die der Länge nach vom Heizstrom durchflossen wird. Die Lötstelle des Thermoelements liegt vor der Wand, die der Öffnung zustrahlt.

Anwendung: Die Lichtmühle

Ein leicht drehbares Flügelrad befindet sich in einem weitgehend evakuierten Glasgefäß. Die Flügel sind auf einer Seite geschwärzt, auf der Rückseite blank. Die geschwärzten Flächen werden durch die auffallenden Strahlung (Licht) stärker erwärmt als die blanken und reflektierten wegen der höheren Temperatur die auftreffenden Gasmoleküle mit höherer Geschwindigkeit. Durch den Rückstoß weichen die geschwärzten Flächen vor der Strahlung zurück, das Flügelrad dreht sich.

2) Das Planksche Strahlungsgesetz

Die Unabhängigkeit der spektralen Strahldichte der Hohlraumstrahlung von der Oberflächenbeschaffenheit des Hohlraumes legt es nahe, einen allgemeinen Zusammenhang zwischen spektraler Strahldichte, Wellenlänge und Temperatur zu suchen. Dieser tatsächlich existierende Zusammenhang entdeckte Planck und gab ihn in einer Formel an. Eine theoretische Begründung dieser Formel gelang ihm erst, nachdem er davon ausging, dass die einzelnen schwingenden Atome des Festkörpers bei Emission bzw. Absorption von Strahlung die Energie nicht kontinuierlich abgeben bzw. aufnehmen können. Der Energieaustausch erfolgt in diskreten ,,Portionen".

Dies führte zu folgender Aussage: Ein Oszillator kann nur Energieschübe aufnehmen, die ein ganzes Vielfaches der (mit einer Konstanten multiplizierten) Eigenfrequenz f des Oszillators sind. W = nhf (n = 1, 2, 3,....) Das h ist eine Konstante und wird heute als Planksches Wirkungsquantum bezeichnet. Aus dieser Quantelung der Energieschübe des Oszillators folgt, dass Die Strahlung ebenfalls gequantelt sein muß. Man spricht daher von Lichtquanten oder Photonen.

Folgerung: Das Stefan Boltzmannsche Strahlungsgesetz

Bei einer Temperatur von T Kelvin emittiert der schwarze Strahler in der Zeiteinheit (s) und je Flächeninhalt (cm²) die Gesamtstrahlung Q = __T 4

Die Gesamtstrahlung hängt als nur von der 4. Potenz der absoluten Temperatur ab. Sie hängt

damit weder von der Zeit noch von der Fläche ab. Die Konstante _ wird auch Stefan -

Boltzmann - Konstante genannt.

Lichtausbeute von Lichtquellen

Als Maß für die Wirtschaftlichkeit einer Lichtquelle definiert man mit dem abgegebenen

Gesamtlichtstrom __in lm und mit der gesamten der Lichtquelle zugeführten Leistung P inW

(= Wirkungsgrad):

Lichtausbeute:__________P in lm/W _

Vergleich der Funktionsweise verschiedener Lampen:

1) Glühlampen

Glühlampen sind elektrische Lampen, bei denen feste Stoffe durch Stromwärme, das heißt infolge Widerstanderhitzung, unmittelbar oder mittelbar so hoch erhitzt, dass sie Licht aussenden. Um die rasche Verdampfung und Oxydation der Festkörper zu verhindern, befinden sich diese als Draht oder Band in einem evakuierten Glasgefäß, das zur Erzielung höherer Lichtströme auch mit Gasatmosphäre gefüllt sein kann. Glühlampen sind Ohmsche Widerstände und können daher an Wechsel- und Gleichspannung ohne Vorschaltgerät angeschlossen werden.

Wie allgemein bekannt erfand Edison die Glühlampe. Damals war noch ein Kohlefaden der Lichtspender. Heute werden vor allem Wolframglühlampen verwendet. Dabei gibt es verschiedene Arten: die Vakuum-, die Einfachwendel- und die Doppelwendellampe. Kurz zur Erklärung: Die Vakuumglühlampen werden im evakuierten Glaskolben betrieben. Dabei ist der Wolframfaden gespannt (wie bei den Kohlefadenlampen von Edison). Die Steigerung der Temperatur und dadurch eine längere Lebensdauer wurde dadurch möglich, dass man den Wolframfaden wendelte und er dadurch weniger Verluste durch Abstrahlung aufwies. Eine weitere Temperatursteigerung ergab sich durch nochmalige Wendelung, die Doppelwendellampe.

Verwendung finden Glühlampen vor allem in Theatern zur Lichttechnik. Hier wäre zum Beispiel die Lichtwurflampe für Projektionen und Scheinwerfer mit hoher Leuchtdichte. Aber die Glühlampe wäre auch im Haushalt nicht weg zu denken. Natürlich gibt es noch zahlreiche andere Anwendungen , wie Lampen zur Bestrahlungstherapie aber auch Taschenampen u.s.w.

2) Metalldampflampen:

Neben der Leuchtstoffröhren sind die Metalldampflampen die zweitwichtigsten Entladungs- lampen. Hier gibt es verschieden Gruppen: die Quecksilberdampflampen, die Natriumdampflampen und Lampen mit restlichen Metallen.

a) Die Quecksilberdampflampe

Diese werden eingeteilt nach dem im Betrieb herrschenden Druck im Entladungsgefäß.

· Die Hg-Niederdrucklampe = Leuchtstoffröhre

Leuchtstoffröhren sind Quecksilber-Niederdrucklampen, die die intensive UV-Strahlung ihrer

Entladung ausnutzen, um Luminophore zur Aussendung von Licht anzuregen. Sie bestehen

aus einer langgestreckten Glasröhre, die an den Enden die Glühelektroden trägt. Die

Glasröhre ist evakuiert und mit etwas Argon und 30 bis 50 mg Quecksilber versehen. Im

Betriebszustand verdampft das Hg und es stellt sich ein Druck von 0,01 - 0,1 Torr ein. Unter

diesem Zustand werden praktisch nur die Hg-Atome zur Emission angeregt. Die Temperatur

und der Druck werden so eingestellt, dass etwa 90% der sich ergebenden Strahlung in die Hg-

Resonanzlinie von 253 nm konzentriert sind. Diese UV-Strahlung wird durch den Leuchtstoff

in sichtbare Strahlung umgewandelt. Die Wahl der Leuchtstoffe läßt verschiedenartige

spektrale Verteilung des Lichtes zu.

Diese Leuchtstoffröhren werden nicht nur in der Lichttechnik verwendet. Für die Medizin

werden zum Beispiel so genannte Lumineszenzlampen für Therapiezwecke eingesetzt. Diese

Lampen dienen allerdings nur als UV-Strahlungsquelle.

Der Betrieb der Leuchtstoffröhren erfolgt bei Netzspannung unter Vorschaltung einer Drossel

zur Strombegrenzung. In einer Parallelschaltung zur Lampe liegt der Glimmzünder, dessen

Aufgabe es ist, beim Start die Glühelektrode vorzuheizen, und der sich beim Ingangkommen

der Entladung selbst abschaltet.

·

Die Hg-Hochdrucklampe

Der Druck in dieser Hochdrucklampe beträgt 0,1 bis 10 at. Die Entladungsgefäße werden

wegen der thermischen Belastung aus Quarzglas gefestigt. Im Brenner befindet sich außer

Quecksilber ein Grundgas, meist Argon. Zuerst wird das Argon zwischen einer Elektrode und

der Zündelektrode gezündet. Das ermöglicht die Verdampfung des Quecksilbers und bringt

dessen Entladung in Gang. Nach 5 Minuten hat sich der erforderliche Dampfdruck eingestellt,

um die Entladung im thermischen Gleichgewicht vonstatten gehen zu lassen.

Der Betrieb erfolgt meist bei Netzspannung unter Einschaltung einer Drossel zur

Strombegrenzung.

· Die Hg-Höchstdrucklampe

Der Druck in dieser Höchstdrucklampe beträgt 10 bis 100 at. Die aus der

Hochdruckentladung weiterentwickelten Lichterzeugungsart zeichnet sich durch sehr hohe

Leuchtdichten aus, die zur Anwendung in Scheinwerfern und Bildwerfern geeignet sind.

Durch die hohen Stromdichten treten natürlich auch hohe Temperaturen auf, denen nur

Quarzglas gewachsen ist. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei der Hg-Hochdrucklampe.

b) Natriumdampflampen

Diese Lampen erzeugen durch Verdampfung von Natrium bei niedrigem Druck Licht. Im Glasrohr befindet sich als Grundgas Neon sowie Natriumdampf (Druck: 5 . 10 -6 at). Bei Inbetriebnahme, die mittels Neonentladung eingeleitet wird, stellt sich der Natriumdampf- druck innerhalb von 5 Minuten ein. Dann wird das Natriumspektrum, für das im sichtbaren Gebiet die Na-Doppellinie bei 589 nm charakteristisch ist, emittiert. Hier handelt es sich dann nahezu ausschließlich um monochromatisches Licht. Anwendung findet die Na-Dampflampe bei der Beleuchtung von Straßen, sowie bei der Flutlicht- und Werbebeleuchtung.

c) Sonstige Metalldampflampen

Die mit sonstigen Metallen hauptsächlich Cadmium, Zink, Rubidium, Cäsium und Thallium ausgerüsteten Metalldampflampen finden Anwendung als Spektrallampen, bei denen nicht die Lichtausbeute interessiert, sondern das von den Metallen emittierte Spektrum.

Vergleich der Funktionsweise verschiedener Lichtquellen

Die Lichtausbeute ist sicherlich abhängig von der Leistung einer Lampe. Wie aus den oberen Tabellen ersichtlich, steigt die Lichtausbeute mit zunehmender Leistung. Die durchschnittlichen Lichtausbeuten betragen: Glühlampe 15%, Leuchstoffröhre 40%, Hg- Hochdrucklampe 35%, Hg-Höchstdrucklampe 40% und Natriumdampflampe 55%. Warum werden allerdings in der Lichttechnik in Theatern vor allem Glühlampen verwendet?

1) Das hat denn folgenden Grund, dass Glühlampen innerhalb kürzester Zeit ein- und wieder ausgeschaltet werden können.

2) Entladungslampen brauchen, wie es der Name schon ausdrückt, eine gewisse Zeit zum entladen. Deshalb können sie im Theater nur für sogenannte Spots (Verfolger) verwendet

werden. Diese werden von den Beleuchtern dann bedient und rechtzeitig eingeschaltet.

3) Die Glühlampen haben einen Leistungsbereich von 20 bis 2000 Watt. Diesen Bereich erreicht keine andere Lichtquelle. Deshalb wird die Glühlampe auch nahezu überall eingesetzt.

Anwendungsgebiete der Entladungslampen:

Leuchtstoffröhren (Leistungsbereich: 15-60 Watt) werden in Haushalten und Büros zur Beleuchtung eingesetzt. Ihr Nachteil ist natürlich, dass sie zum Einschalten viel Strom benötigt, da sie sich erst entladen muß. Die anderen Hg-Drucklampen werden vor allem bei Scheinwerfern verwendet. Die Natriumdampflampe findet ihre Anwendung bei Straßen- lampen, bei Werbebeleuchtung oder Flutlichtanlagen.

Anhang: Photoeffekt (photoelektrischer Effekt)

Definition:

Der Photoeffekt ist das Freimachen von Elektronen durch Lichteinstrahlung.

Versuch:

·

Elektroskop wird negativ aufgeladen. Hg-Dampflampe sendet Licht aus (durch Glas) => Ausschlag am Elektroskop bleibt - auch bei intensivster Beleuchtung => Die überflüssigen Elektronen bleiben am Metall gebunden.

· Glasplatte weg => Elektroskop entlädt sich sofort => UV-Licht (wurde von der Glasplatte abgeschirmt) ermöglicht den Austritt der Elektronen.

· Hg-Lampe in größere Entfernung (d.h. schwächere Beleuchtung) => photoelektrischer Effekt (Entladung) geschieht langsamer

· Positiv geladene Zn-Platte => kein Effekt (Elektronen werden zwar losgelöst, aber wieder zur positiven Platte zurückgezogen)

Schlußfolgerungen: Licht kann von einem Metall Elektronen abtrennen (=Photoeffekt).

Der photoelektrische Effekt hängt nicht von der Beleuchtungsstärke ab, sondern nur von der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung. Nur Strahlung genügend hoher Frequenz kann die zur Loslösung von Photoelektronen nötige Energie liefern.

Der photoelektrische Effekt ist nicht mit dem Wellenmodell erklärbar.

Versuch: Man beleuchtet zwei weiße Flächen, die eine mit grünen, die andere mit rotem Licht, so dass die verschiedenfarbigen Flecke dem Auge gleich hell erscheinen. Man sagt dann, die beiden Flächen haben die gleiche Beleuchtungsstärke. Mißt man dann die Beleuchtungsstärke der beiden Flächen, so erhält man völlig verschiedene Werte. Die rote Fläche hat eine etwa 100mal so große Bestrahlungsstärke wie die grüne. Das Auge ist also für grünes Licht weit empfindlicher als für rotes.

Der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke in lx und Bestrahlungsstärke in W/m^2 für verschiedene Frequenzen wird durch die Kurve gegeben. Durch diese Kurve ist die Empfindlichkeit des helladaptierten menschlichen Auges charakterisiert.

A. Photometrie gerichteter Größen

Das menschliche Auge spielt eine herausragende Rolle bei der Bewertung optischer Strahlung. Seine spektrale Empfindlichkeit ist auf den Wellenlängenbereich 360 nm _ __ 830 nm, sichtbarer Wellenlängenbereich (VIS) genannt, beschränkt. Die mit der spektralen Augenempfindlichkeitsfunktion bewertete Strahlung wird Licht genannt.

In der photopischen Photometrie wird die absolute spektrale Empfindlichkeitsfunktion s(_) eines Empfängers durch die absolute spektrale Empfindlichkeit K (_) des Auges für das Tagessehen (photometrisches Strahlungsäquivalent) ersetzt. Die auf ihr Maximum K m normierte Funktion K (_) wird als spektraler Hellempfindlichkeitsgrad für photopisches Sehen V (_) = K (_) / K m bezeichnet. Die Werte von V (_) wurden

1982 vom Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie (CCPR) als Grundlage für die Realisierung photometrischer Einheiten angenommen. So gilt z. B. für den Lichtstrom:

wobei K m = 683 lm . W -1 durch die Definition der SI-Basiseinheit Candela gegeben ist

Die Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 THz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 W/sr beträgt.

Photometrische Größen kann man auf grundsätzlich zwei verschiedene Arten bestimmen:

1. Messung der entsprechenden spektroradiometrischen Größen und Berechnung der

photometrischen Werte durch Bewertung mit K (_)

2. Verwendung von Photometern mit V (_) -angepaßter Empfindlichkeit und sekundären

Lampennormalen für die direkte Messung der Werte

In der PTB basiert die Realisierung der Candela nach der Beziehung

auf der grundsätzlichen Messung der folgenden Größen für

(i) das Photometer:

· absolute spektrale Empfindlichkeit s (_ d ) (Bestrahlungsstärkemessung bei _ d )

· relative spektrale Empfindlichkeitsfunktion s r (_) (Vergleich mit Empfängernormalen)

· Ausgangssignal y (elektrische Messung)

(ii) die Lichtquelle:

· relative spektrale Strahlungsverteilung S (_) (Vergleich mit dem Schwarzen Strahler)

(iii) und ihrer Geometrie (_ 0 ist ein Raumwinkel der Größe 1 sr):

· Richtungseinstellungen und Abstand d von Lichtquelle und Photometer (Photometerbank)

In der PTB kann jede Lampe oder jedes Photometer, sofern als Transfernormal für Lichtstärke, Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, photometrische Empfindlichkeit bei vorgegebener Verteilungstemperatur geeignet, bis zu einem Beleuchtungsstärkeniveau von 10 klx kalibriert werden.

B. Photometrie räumlich verteilter Größen

Der Lichtstrom ist die technisch und wirtschaftlich wichtigste photometrische Größe. In der Praxis wird der Lichtstrom einer Lichtquelle als - in den vollen Raumwinkel ausgesandter - Gesamtlichtstrom durch Vergleichsmessungen in Ulbricht-Kugeln ermittelt.

Seine Realisierung erfolgt mit goniophotometrischen Methoden durch Summierung der zu allen Ausstrahlungsrichtungen der Lichtquelle gehörenden Teillichtströme. Führt man Polarkoordinaten ( r, ____) ein, so ergibt sich der Gesamtlichtstrom aus der mit dem Goniophotometer (Radius r) gemessenen Beleuchtungsstärkeverteilung E (____) und Integration:

Das PTB Goniophotometer (siehe nebenstehende Prinzipdarstellung) besteht aus drei kardanisch aufgehängten Rahmen, die Lampe L und Photometer P tragen. Äußerer Rahmen und Lampenhalter geben der Lampe die richtige Brennstellung (_, _). Die beiden anderen Rahmen (_, _) bewegen das Photometer auf der Oberfläche einer fiktiven Kugel. Der Radius von 2,5 m ist groß genug, um auch röhrenförmige Leuchtstofflampen bis 2,5 m Länge genau messen zu können.

In der PTB kann auch jeder andere Lampentyp (Glüh- oder Entladungslampe) bis 5 kW elektrischer Leistung als Transfernormal kalibriert werden.

Bei einem Vergleich verschiedener Lichtquellen sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen, wie wir im folgenden Kapitel sehen werden.

Dazu gehören Aspekte wie die Energieumwandlung der Lampe, die gesamte Lichtausbeute der Lampe, ihre räumliche Energieverteilung im Zusammenhang mit den Abmessungen des Gewächshauses und die besonderen Bedürfnisse der einzelnen Pflanze.

Theoretisch würde die Lampe die größte Wirksamkeit besitzen, die alle Energie bei der Wellenlänge (675 nm) ausstrahlt. Eine solche Lampe wäre zwar sehr leistungsstark in bezug auf die Photosynthese, würde aber ein exzessives Längenwachstum auf Kosten des Formenwachstums der Pflanze verursachen (Photomorphogenese). Außerdem wird, wie bereits früher erwähnt, die Gesamtwirksamkeit einer Lampe auch danach beurteilt, wieviel elektrische Energie sie in Strahlungsenergie umwandelt. Inder Praxis zeigt sich häufig, daß eine Verstärkung der photosynthetischen Wirkung häufig mit einer Verringerung der Energieumwandlung in der Lampe verbunden ist. Wichtiger ist jedoch die Tatsache, daß der Prozeß der Photosynthese sich über das gesamte sichtbare Spektrum erstreckt, wie die

Pflanzenempfindlichkeitskurve zeigt. Das bedeutet, daß trotz der Unterschiede zwischen Pflanzen und dem menschlichen Auge in Bezug die Empfindlichkeit gegenüber dem Spektrum, normale, für Beleuchtungszwecke entwickelte Lampen, insgesamt auch zur Steuerung des Pflanzenwachstums geeignet sind, wobei der Grad der Eignung der verschiedenen Lampentypen von der jeweiligen spektralen Energieverteilung abhängig ist.

-- Christian Filipp 1998/99