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Absolute Dunkelheit…. Chemie der Lichter und Lampen Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe.

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Präsentation zum Thema: "Absolute Dunkelheit…. Chemie der Lichter und Lampen Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe."—  Präsentation transkript:

1 Absolute Dunkelheit…

2 Chemie der Lichter und Lampen Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe

3 Übersicht 1.Was ist Licht? 2.Klassifizierung 3.Historische Entwicklung 4.Lichterzeugung heute 5.Grundlagen der Lichttechnik 6.Leuchtmittel im Vergleich 7.Schulrelevanz 0. Übersicht

4 Licht Allgemeine Definition: Licht ist eine Strahlung, die nach Eintritt ins Auge eine Helligkeitsempfindung auslöst. 1. Was ist Licht?

5 Physikalische Aspekte Licht: Elektromagnetische Strahlung; Photonen charakterisiert durch die Wellenlänge λ und Frequenz ν Energie eines Photons: abhängig von λ E = h ∙ c ∙ λ - 1 Sichtbares Licht: Elektromagnetische Strahlung ca. im Wellenlängenbereich λ = 380 – 700 nm

6 Lichtquellen: Natürliche Künstliche - Sonne - Fackeln - Sterne - Kerzen - Feuer - Glühlampen - Blitze - Leuchtstoffröhren 2. Klassifizierung

7 Lichterzeugungsarten: 2. Klassifizierung Künstliche Lichtquellen LED Entladungs- lampen Hochdruck Temperaturstrahler Glüh- lampen Halogen- lampen Lumineszenzstrahler Niederdruck

8 Anfänge der Lichterzeugung 3. Historische Entwicklung Vor Jahren: Beherrschung des Feuers durch Homo erectus „Das Licht brennt!“ Vor Jahren: Kienspan Vor Jahren: Öllampen Vor Jahren: Kerzen

9 Demo 1: leuchtende Flamme Leitfrage: Was leuchtet in der Flamme? Antwort: Bei Oxidationsvorgang entsteht Ruß Thermische Anregung der Rußpartikel Steigerung der Leuchtintensität durch Zugabe von Ruß 3. Historische Entwicklung

10 Lichterzeugung im 19. Jh. Kerzen und Öllampen Gasbeleuchtung Elektrische Leuchten 1800: 1. künstliche Stromquelle (Volta) 1808: Bogenlampe (Davy) 1815: 42 km Gasnetz in London 1854: Kohlefadenlampe (Göbel) 3. Historische Entwicklung

11 Versuch 1: Nachbau Kohlefadenlampe Baumwollgarn mit Graphit: Leitfähigkeit Stickstoffgas-Strom vertreibt entstehende Dämpfe/ Inertgas Durch Strom (400 mA) wird Kohlenstoff angeregt Baumwollfaden leuchtet! Problem: hoher Dampfdruck Kohlenstoff 3. Historische Entwicklung +-

12 Historische Kohlefadenlampen 1854: H. Göbel entwickelt die erste Kohlefadenlampe Glühfaden: verkohlte Bambusfasern „Lampenfüllung“: Vakuum 1879: Thomas Alva Edison; Verbesserung und Etablierung der Lampen; Bambusplantage in China für Glühspirale 3. Historische Entwicklung

13 Warum Kohlefaden? 1801: L.J. de Thenárd; Stromdurchflossene elektrische Leiter erwärmen sich 3. Historische Entwicklung Elektron Atom Bindungskräfte symbolisch Modell: Schwarzer Strahler Intensität Wellenlänge [nm] Smp. C: 3550°C

14 1902: Metallfadenlampen (Osmium/Wolfram) 1936: OSRAM Leuchtstoffröhren 1959: Halogenglühlampen 1962: 1. funktionsfähige LED 1980: Kompaktleuchtstoffröhre Lichterzeugung ab 20. Jh. 3. Historische Entwicklung

15 Die Glühlampe Wärmestrahler Erhitzte Stoffe emittieren elektromagnetische Strahlung Bsp.: Erst ab 2000°C angenehm helle Lichtempfindung Je höher Temperatur, desto mehr sichtbares Licht Ca. 5% der zugeführten Energie in sichtbares Licht umgesetzt 4. Lichterzeugung heute Herdplatte200°CIR (ggf. dunkelrot) Toaster700°CIR + dunkelrot

16 Aufbau 4. Lichterzeugung heute

17 Glühfadenmaterialien Voraussetzungen: hoher Smp., niedriger Dampfdruck, Stabilität Am besten geeignet: Wolfram Herstellung W-Glühfaden: Wolframit (MnFeWO 4 ) Scheelit (CaWO 4 ) Tungstit (WO 3 ∙H 2 O) 4. Lichterzeugung heute C3550°C W3410°C Rh3180°C Os2996°C Smp. im Vergleich:

18 Versuch 2: Wolframnachweis Oxidationsschmelze: ± W (s) + Na 2 CO 3(s) + 3 NaNO 3(s) Na 2 WO 4(s) + CO 2(g) NaNO 2(s) Bildung einer Wolframbronze: ± ±0 Zn (s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2(nasc.) +6 ±0 +4/+6 WO 4 2- (aq) + H 2(nasc.) H x WO 3(s/aq) (nichtstöch.) mit x = 0,3 – 0,9 (blauviolett – goldgelb) 4. Lichterzeugung heute Δ - H 2 O

19 Versuch 2: Wolframbronze Verzerrte Perowskit-Struktur H x WO 3 (O 2- )/(H + ): fcc W 6+ in OL: KZ = 6 O 2- : KZ = 2 Farbigkeit: Gleichzeitiges Vorhandensein W 4+ / W 6+ Metall-Metall-CT 4. Lichterzeugung heute

20 Versuch 3: Durchbrennen Bei Kontakt mit Luftsauerstoff: Oxidation Heftige exotherme Reaktion ±0 ± W (s) + 3 O 2(g) 2 WO 3(s) Δ H = -764 kJ/mol Lebensdauer: 4. Lichterzeugung heute T [°C] Lebensdauer [h] Lichtausbeute [%] Δ

21 Problemorientierte Konstruktion 4. Lichterzeugung heute DampfdruckKolbenvolumen groß Reaktion mit Restgasen Getter: Alkali-/Erdalkalimetalle Evakuierung: Wendel- Verdampfung Füllgas: Überdruck / Unterdruck Inertgas Wärmeverlust: Wärmeleitung Doppelwendelung des Glühdrahtes Glühdraht Langmuir-Schicht

22 Versuch 4: Inertgasnachweis Verbrennung: CH 3 CH 2 OH (aq) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) ↑ + 3 H 2 O (g) Glühlampe enthält ca. 80% N 2(g) + 20% Ar (g) Wärmeleitfähigkeit Molekulargewicht Füllgas 4. Lichterzeugung heute Ar39,9 g/mol Kr83,8 g/mol Xe131,3 g/mol

23 Die Halogenglühlampe Erhöhte Lebensdauer: Halogen-Zusatz (meist I 2 ) Chemische Transportreaktion: Transportspezies: WO 2 I 2(g) 4. Lichterzeugung heute Quarzglas- Kolbenwand Temperatur 3000°C 600°C Wolfram- Wendel

24 kein Ausheilen der Wendel Gasförmiges Wolfram: Abscheidung an kältester Stelle Kälteste Stelle = dickste Stelle (Ω) Spaltung und Kondensationsprozess: WO (g) W (g) + ½ O 2(g) W (g) W (s)↓ Wolframkristalle: ungleichmäßige Wendel 4. Lichterzeugung heute Problem Δ

25 Die Leuchtstoffröhre Funktionsprinzip: Quecksilber-Dampf (0,5 Pa) + Ar/Ne ( Pa) Elektroden aus W-Draht: Stoßionisation Gas Elektronische Anregung der Hg-Atome 4. Lichterzeugung heute Glasröhre Leuchtstoff Hg-Dampf Glühwendel Starter: HV Vorschaltdrossel 230 V

26 Versuch 5: leuchtende Gurke Leuchten: elektronisch angeregte Na-Atome NaCl (aq) NaCl (g) Na (g) + Cl (g) Na (g) Na* (g) Na (g) (-ΔE) Rückkehr in Grundzustand: Emission von Licht 4. Lichterzeugung heute ΔΔ Δ 3 s 3 p ↑ ↑ h ∙ ν (Emission) Δ E E Na

27 Demo 2: Lumineszenz Fluoreszenz: Lichtemission nur während Anregung Phosphoreszenz: Lichtemission länger als Anregung Energieübergänge: Jablonski-Diagramm 4. Lichterzeugung heute E S0 S0 S1 S1 S0 S0 ↑↓ ↑ ↑ ↑ Fluoreszenz S0 S0 S1 S1 ↑↓ ↑ ↓ T 1 Phosphoreszenz IC ISC

28 Lumineszenz in Leuchtstoffröhren? 4. Lichterzeugung heute Lumineszenz-Kristalle = Modell für Leuchtstoff Anregung von Hg: UV-Strahlung Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung Hg UV VIS Anode Kathode Leuchtstoff

29 Demo 3: Energiesparlampe „Sparen“ von Energie durch: Höhere Lichtausbeute Längere Lebensdauer Geringere Wärmeverluste Glühlampe: bis zu 95 % Wärmeverlust 4. Lichterzeugung heute Gesamtkosten [€] Betriebsstunden 32,70 € 80,00 €

30 Photometrische Größen 5. Grundlagen der Lichttechnik Die gesamte von einer Lichtquelle in alle Richtungen abgestrahlte Lichtleistung Der in einer bestimmten Richtung abgestrahlte Lichtstrom Maß für das auf eine Fläche auftreffende Licht

31 Welches Leuchtmittel ist das beste? 6. Leuchtmittel im Vergleich TypLichtausbeute [lm/W] Lebensdauer [h] Glühlampe – Halogenlampe – Leuchtstoffröhre – Energiesparlampe – Weiße LED Bis Stand: Mai 2005

32 Leuchtmittel im Chemie-Unterricht 1.) Nicht alles Physik! ½ PSE bei Lichterzeugung/Herstellung der Leuchtmittel vertreten Edelgase: Schutzgaschemie Halogene: Chemischer Transport 2.) Allgemeines Ziel: hoher Alltagsbezug 3.) Projekttauglich (FÜU: Chemie/Physik) 4.) Lehrplan Chemie: Schüler sollen anhand chemischer Erkenntnisse Alltag verstehen können 7. Schulrelevanz

33 Ende

34 Mit Unterstützung von… Radium

35 Zusatzfolien: Übersicht Historie Farbempfindung Auge Modell Schwarzer Strahler Argand-Brenner 18. Jh. Lichtfarbe V6: bunte Flammen LED Lumineszenz-Bändermodell

36 Übersicht Historie 3. Historische Entwicklung 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert

37 Farbempfindung Auge Jede Wellenlänge subjektiv als bestimmte Spektralfarbe Weißes Licht: Überlagerung aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts 1. Was ist Licht? am hellsten: Tag: 555 nm (gelbgrün)

38 Lichtfarbe Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler 3. Historische Entwicklung sichtbarer Bereich UV λ [nm]IR Intensität Modell: Schwarzer Strahler

39 Lichterzeugung im 18. Jh. Verbesserung von Kerzen und Öllampen 1770: Verbrennung erfordert Sauerstoff (Lavoisier) 1783: Argand-Brenner - hohler Runddocht - Kamineffekt - erhöhte Verbrennungstemperatur - hohe Leuchtkraft 3. Historische Entwicklung

40 Lichtfarbe Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler Modell: Schwarzer Strahler Intensität Wellenlänge [nm] 3. Historische Entwicklung

41 Versuch 6: bunte Flammen 4. Lichterzeugung heute Cu 2+ Na + Sr 2+ Unterschiedliche Farbigkeit: charakteristische ΔE 3 s 3 p ↑ ↑ h ∙ ν (Emission) Δ E E Na

42 Demo 4: LED Äußere entgegengesetzte Spannung führt zu Rekombination in Grenzschicht (e - -Loch-Paare) unter Lichtemission 4. Lichterzeugung heute p-Schicht n-Schicht Anode Kathode GaAs GaP

43 Demo 2: Lumineszenz Fluoreszenz: Lichtemission bis zu s Phosphoreszenz: Lichtemission länger als s Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung 4. Lichterzeugung heute LB VB 1.Anregung 2.Therminalisierung 3.Rekombination (strahlend)


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