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Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit) Seite 1/2 JUFOTech Jugend forscht in der Technik WKO.at/tirol/jufotech DATENBLATT Wir nehmen am Wettbewerb „Jugend forscht in der Technik – Auf den Spuren des kleinen Albert“ teil! Titel der Projektarbeit: Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Fachgebiet: Physik Projektbetreuer: Schulklasse: Mag. Karlheinz Eder Name: Buch 63h Schule: Straße: 6220 Buch in Tirol PLZ/Ort: Schulstufe: E-Mail: PLZ/Ort: [email protected] 0676/4931666 Telefon: Kleingruppe: Weitere Simon Eder Tobias Eder Projektleiter (Vor-/Nachname) (Vor-/Nachname) Straße (Vor-/Nachname) PLZ/Ort (Vor-/Nachname) E-Mail (Vor-/Nachname) Telefon (Vor-/Nachname) Schule, Schulstufe (Vor-/Nachname) Buch 63h 6220 Buch in Tirol [email protected] 0650/5736696 BRG Schwaz, Klasse 5s Gruppenmitglieder: Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected] Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit) Seite 2/2 WKO.at/tirol/jufotech Kurzfassung unserer Arbeit: Offenes Feuer dient der Menschheit schon seit Jahrtausenden als künstliche Lichtquelle. So richtig revolutioniert hat der elektrische Strom die Möglichkeiten der Lichterzeugung: Glühlampen, Leuchtstofflampen, Halogenlampen bis hin zu LED-Lampen. Wir stellen uns die Frage, was diese einzelnen Lichtquellen unterscheidet. Wie funktioniert die jeweilige „Lichtabgabe“? Wie effizient sind diese Lichtquellen? Gibt es verschiedene „Lichtqualitäten“? Anhand von Versuchen und Literaturrecherchen wollen wir "Licht ins Dunkel" bringen! Eine Aktion der Kooperationspartner: Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected] Jugend forscht 2016/2017 Fachgebiet: Physik Projekttitel: Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Kleingruppe Realgymnasium Schwaz Simon und Tobias Eder März 2017 Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 1 Einleitung .............................................................................................................................................. 2 Grundlagen ........................................................................................................................................... 3 2.1 Woher kommt das Licht? ............................................................................................................. 3 2.1.1 Temperaturstrahler .............................................................................................................. 3 2.1.2 Entladungslampen ................................................................................................................ 3 2.1.3 Halbleiter – LED-Lampen ...................................................................................................... 3 2.2 Erzeugung von Lichtspektren ....................................................................................................... 4 2.2.1 Prisma – Lichtbrechung ........................................................................................................ 4 2.2.2 Optisches Gitter - Lichtbeugung ........................................................................................... 4 Bau eines Spektrum-Analyse-Gerätes .................................................................................................. 5 Vermessung von verschiedenen Lichtquellen ...................................................................................... 7 4.1 Feuerzeugflamme......................................................................................................................... 7 4.2 Glühbirne ...................................................................................................................................... 8 4.3 Kerze ............................................................................................................................................. 8 4.4 Sonne ............................................................................................................................................ 8 4.5 Energiesparlampe......................................................................................................................... 9 4.6 Leuchtstoffröhre........................................................................................................................... 9 4.7 LED – kaltweiß .............................................................................................................................. 9 4.8 LED – warmweiß ......................................................................................................................... 10 4.9 RGB-LED ...................................................................................................................................... 10 4.10 Laserpointer ............................................................................................................................... 10 Vergleich Effizienz vs. Lichtqualität .................................................................................................... 11 Zusammenfassung.............................................................................................................................. 12 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................ 12 Einleitung Da der Mensch zum Sehen Licht benötigt, war er schon immer auf künstliche Lichtquellen angewiesen. Zu Beginn der Menschheit diente wohl ein offenes Feuer als Lichtquelle; später Fackeln, Öllampen, Kerzen und auch Gaslampen. Mit der Entdeckung des elektrischen Stromes wurden auch neue Lichtquellen ermöglicht: Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Halogenlampen bis hin zu den aktuellen Leuchtdioden (LED). Wir stellen uns in diesem Projekt die Frage, was diese einzelnen Lichtquellen unterscheidet. Wie funktioniert die Lichterzeugung bei den verschiedenen Lichtquellen? Gibt es Unterschiede in der Effizienz – welche Quellen benötigen viel Energie und welche wenig? Warum wirken manche Lichtquellen sehr gemütlich und andere wiederum extrem „kalt“ und uneinladend – gibt es unterschiedliche Lichtqualitäten? Anhand von Versuchen und Literaturrecherchen wollen wir dazu "Licht ins Dunkel" bringen! Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 2 2 Grundlagen 2.1 Woher kommt das Licht? Wie schon in der Einleitung angesprochen, gibt es viele verschiedene Möglichkeiten der Lichterzeugung. Im Wesentlichen können wir aber die Wirkprinzipien auf drei Gruppen zusammenfassen: 2.1.1 Temperaturstrahler Man kennt dieses Prinzip von der Herdplatte: Wenn ein Gegenstand heiß wird, beginnt er zuerst rot zu glühen, wenn man die Temperatur immer mehr nach oben treibt wird er letztendlich „weißes Licht“ aussenden. Der Glühfaden einer Halogen- oder Glühlampe wird mittels elektrischem Strom aufgeheizt bis er glüht. Durch die hohe Temperatur sendet der Glühfaden neben einer großen Portion Wärmestrahlung eben auch Licht aus. Der Wirkungsgrad ist dabei sehr gering, da ein hoher Anteil an Wärme als "Abfall" mit entsteht. 2.1.2 Entladungslampen Entladungslampen sind immer mit einem Gas gefüllt, welches bei Stromzufuhr zu Leuchten beginnt. Das Füllgas bestimmt die Lichtfarbe: Quecksilber erzeugt Blau, Natrium erzeugt Gelb und wird oft in Straßenlaternen eingesetzt. Neon erzeugt Rot, Xenon erzeugt Weiß und kommt heutzutage oft in Autoscheinwerfern vor. Zu den Entladungslampen zählen also unter anderem die Leuchtstoffröhren und die Kompaktleuchstofflampen (Energiesparlampen). 2.1.3 Halbleiter – LED-Lampen LED-Lampen wandeln elektrische Energie direkt in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode", was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet. Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 3 2.2 Erzeugung von Lichtspektren Das weiße Licht ist in Wirklichkeit eine Mischung verschiedener Spektralfarben. Das sieht man sehr gut bei einem Regenbogen: Das Sonnenlicht wird von den Regentropfen in seine Spektralfarben aufgespalten. 2.2.1 Prisma – Lichtbrechung Mit einem Prisma kann das Licht durch Brechung in seine Spektralfarben aufgespalten werden. Mit einem Diaprojektor kann man ein schmales Lichtbündel erzeugen und den Verlauf der Lichtstrahlen sichtbar machen: Abbildung 1 2.2.2 Lichtaufspaltung durch Brechung an einem Prisma Optisches Gitter - Lichtbeugung Man kann das Licht aber auch durch Beugung mit einem optischen Gitter in seine Spektralfarben aufspalten: Abbildung 2 Jugend forscht Lichtaufspaltung durch Beugung an einem optischen Gitter Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 4 3 Bau eines Spektrum-Analyse-Gerätes Mit Hilfe eines optischen Gitters lässt sich sehr gut ein Analyse-Gerät zur Darstellung des Spektrums von verschiedenen Lichtquellen zusammenbauen. Wir verwenden dazu ein Beugungsgitter von der Fa. Edmund Optics (siehe Abbildung 3). Abbildung 3 Optisches Gitter Abbildung 4 Lichteintrittsspalt – hergestellt aus 2 Rasierklingen Das Gitter wird in eine schwarz ausgekleidete Box eingebaut. Damit das Spektrum der zu untersuchenden Quelle gut analysiert werden kann, muss direkt beim Lichteinlass ein schmaler Spalt die Lichtmenge begrenzen. Bei einer breiten Lichtquelle ohne Spalt überlappen sich die einzelnen Farben im Spektrum und vermischen sich. Zum Einstellen der Spaltbreite haben wir zwei Rasierklingen in einen Diarahmen eingebaut. Die offenen Stellen wurden noch mit schwarzem Isolierband abgedeckt. Die Rasierklingenteile kann man verschieben und so die Spaltbreite einstellen (siehe Abbildung 4). Das gebeugte, aufgespaltene Licht wird auf einem Schirm (weißer Papierstreifen) sichtbar gemacht. Wie in Abbildung 2 ersichtlich ist, wird ein Teil des zu analysierenden Lichtes beim optischen Gitter direkt transmittiert. Ein weiterer Teil wird auf die andere Seite gebeugt. Diese beiden Anteile müssen mit einer Lichtfalle (siehe Abbildung 7) – wir haben dazu einen schwarzen Filz verwendet – aufgefangen werden. Dieses „Stör-Licht“ würde ansonsten das zu analysierende Licht am Streuschirm negativ überlagern! Die Beobachtung erfolgt über ein Sichtfenster auf der gegenüberliegenden Seite des Schirmes. Abbildung 5 Jugend forscht Fertigstellung des Eigenbau-Spektrum-Analyse-Gerätes – als Basis dient dazu „Fischer Technik“ Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 5 Schwarz ausgekleidete Schachtel Halterungen mit „Fischertechnik“ Öffnung für die zu analysierende Lichtquelle Sichtfenster Abbildung 6 Analyse des Lichtspektrums von einer LED-Taschenlampe Schirm zur Darstellung des Spektrums Optisches Beugungsgitter Schmaler Spalt Lichtfallen Abbildung 7 Strahlenverlauf im inneren des Spektrum-Analyse-Gerätes Abbildung 8 Beobachtung des Licht-Spektrums durch das Sichtfenster Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 6 4 Vermessung von verschiedenen Lichtquellen Mit dem Eigenbau-Spektrum-Analyse-Gerät kann man sehr gut die verschiedenen Lichtquellen beobachten und analysieren. Für einen direkten Qualitätsvergleich von verschiedenen Lichtquellen ist es aber weniger gut geeignet. Dafür gibt es spezielle Messgeräte – sogenannte Spektrometer – die dazu besser geeignet sind. Die Funktionsweise ist aber sehr ähnlich zu unserem Eigenbau-Spektrum-Analyse-Gerät: Anstelle des Schirmes wird hier ein Kamerasensor verwendet, der die einzelnen Wellenlängen direkt in ein elektrisches Signal umwandelt. Abbildung 9 Messung des Licht-Spektrums mit einem Spektrometer Mit so einem mobilen Spektrometer (Zur Verfügung gestellt von der Fa. Swarovski) haben wir die Spektren von verschiedenen Lichtquellen aufgenommen und ausgewertet. 4.1 Feuerzeugflamme 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 10 Jugend forscht Analyse einer Feuerzeug-Flamme – auffallend ist das kontinuierliche Spektrum mit einem Maximum im roten Bereich Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 7 4.2 Glühbirne 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 680 730 780 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 11 Analyse einer Glühbirne – auch hier fällt das kontinuierliche Spektrum auf 4.3 Kerze 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 Wellenlänge [nm] Abbildung 12 Analyse einer Kerze – hier ist der Blauanteil sehr gering 4.4 Sonne 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 Wellenlänge [nm] Abbildung 13 Jugend forscht Analyse der Sonnenstrahlung –hier fällt auf, dass der gesamte sichtbare Strahlungsbereich vorhanden ist Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 8 4.5 Energiesparlampe 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 14 Analyse einer Kompaktleuchtstofflampe: Man sieht hier sehr gut den typischen Verlauf einer Gasentladungslampe – das Spektrum ist nicht mehr kontinuierlich, sondern besteht aus einzelnen „Peaks“ 4.6 Leuchtstoffröhre 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 15 Analyse einer Leuchtstoffröhre 4.7 LED – kaltweiß 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 Wellenlänge [nm] Abbildung 16 Jugend forscht Analyse einer kaltweißen LED: Auch hier ist kein kontinuierliches Spektrum vorhanden. Am meisten Licht wird im blauen Wellenlängenbereich abgestrahlt – daher wirkt diese Lampe auch sehr „kaltweiß“ Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 9 4.8 LED – warmweiß 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 17 Analyse einer warmweißen LED: Bei dieser Variante liegt das Maximum im orange/roten Bereich – daher wirkt diese Lampe „warmweiß“ 4.9 RGB-LED 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 18 Analyse einer RGB-LED: – Diese Lampe besteht aus 3 einzelnen LEDs mit den Farben Rot, Grün und Blau – zusammen ergeben sie dann wiederum Weiß 4.10 Laserpointer 100 90 80 Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Abbildung 19 Jugend forscht Messung des Spektrums eines grünen Laserpointers – hier fällt auf, dass nur ein ganz schmaler Wellenlängenbereich abgestrahlt wird Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 10 5 Vergleich Effizienz vs. Lichtqualität Lichtquellen die aufgrund von Hitze Licht erzeugen sind sehr ineffizient, da sie sehr viel Energie als Wärmestrahlung abgeben – dafür tragen sie aber stark zum Wohlbefinden bei, weil sie sehr an eine Lagerfeuer-Stimmung erinnern. Energiesparlampen und LEDs erzeugen hingegen nur Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und sind daher sehr effizient. Hier eine Zusammenfassung der untersuchten Lichtquellen mit einer Bewertung der Lichtqualität und der Effizienz: Quelle Spektrum Effizienz Lichtqualität -- ++ ++ - ++ + ++ ++ ++ - 1.0 0.9 0.8 Kerze, Fackel, Glühbirne Intensität 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] 100 90 80 Energiesparlampe Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] 100 90 80 LED – kaltweiß Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] 100 90 80 LED – warmweiß Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] 100 90 80 RGB - LED Intensität [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge [nm] Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 11 6 Zusammenfassung Wir haben im Laufe unseres Projektes die Spektren von vielen verschiedenen Lichtquellen analysiert. Uns ist aufgefallen, dass die verschiedenen „weißen Lichtquellen“, aufgespalten in die Spektralfarben, doch sehr unterschiedlich zusammengesetzt sein können! Das hängt im Wesentlichen von der Lichterzeugung ab: Durch Hitze entstehendes Licht (Sonne, Kerze, Glühbirne) besteht durchgehend aus allen Spektralfarben. Dagegen sind im Licht aus modernen Lichtquellen (Energiesparlampe, Leuchtdiode) die verschiedenen Spektralfarben sehr unterschiedlich stark vertreten. Die sogenannten thermischen Strahler (Glühbirne, Halogenlampe) benötigen wesentlich mehr Energie als die modernen Lichtquellen wie Kompaktleuchtstofflampen oder LED-Lampen. Damit Licht weiß erscheint, müssen nicht alle Spektralfarben vorhanden sein. Es reicht, wenn blaue, grüne und rote Anteile in etwa gleicher Stärke vorhanden sind. Fehlt einer dieser Bereiche oder ist einer nur schwach vertreten, so erscheint das Licht farbig 7 Literaturverzeichnis https://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Beleuchtung (14.1.2017) http://www.kids-and-science.de/wie-funktionierts/detailansicht/datum/2010/02/22/licht-erzeugenvon-der-gluehlampe-zur-leuchtdiode.html (11.3.2017) https://www.rieste.at/licht/technologien-licht/ (4.3.2017) http://www.schulbiologiezentrum.info/AH%2019.56%20CD-Spektroskop.pdf (20.1.2017) http://www.jeti.com/cms/index.php/instruments-55/radiometer/specbos/specbos-1201 (10.2.2017) https://www.edmundoptics.de/optics/gratings/holographic-diffraction-grating-film/01307/ (5.1.2017) Faszination Licht: Eine Reise in die Welt des Lichts, Taschenbuch – 16. Februar 2004, Herausgeber VDITechnologiezentrum Düsseldorf, ISBN 3-00-010987-0 Beleuchtungstechnik – Grundlagen, Roland Baer, 2. Auflage 1996, ISBN 3-341-01115-3 Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED – Lichtquellen im Vergleich Seite 12
