Warum wird Wolfram als Glühwendel verwendet?
Warum wird Wolfram in Glühbirnen als Glühwendel verwendet? Ist dadurch die Lebenszeit der Glühbirne länger als bei anderen Metallen? Oder leuchtet sie heller?
3 Antworten
Wolfram hat einen hohen Anteil lokalisierter Elektronen und damit einen hohen Atombindungsanteil. Dieser bewirkt einen hohen Schmelzpunkt und wegen der geringeren Anzahl von delokalisierten Elektronen (oder Elektronen im Leitungsband) kaum Metallglanz, vor allem aber einen hohen Widerstand. Stellen Sie sich vor, dass sich die Elektronen durch das Gitter hindurchzwängen und dadurch eine Menge Energie abgeben, was sich durch Leuchten beim Stromfluss bemerkbar macht.
In fortgeschrittene Anorganik-Lehrbüchern (Holleman-Wiberg-Teil2, Cotton-Wilkinson, ... ) nach dem Stichwort Metall-Clustern suchen, die sich auch in Verbindungen wiederfinden; man spricht manchmal auch von Inselstrukturen; ich habe das früher meinen Schülern (Fachschule für Technik; Bereich Chemietechnik; Schwerpunkt Labortechnik) an einem hübschen Beispiel erklärt, dem Nb3Cl9. Dort bilden drei durch Atombindungen verbundene Nb-Atome gewissermaßen die Insel. An jeder Ecke des Dreiecks sitzen 3 Chlor-Liganden, als Beispiel für die neun Palmen unserer Insel. Mit Folie lässt sich das leicht farbig darstellen. Diese Verbindung ist technisch völlig bedeutungslos, gibt aber einen Motivationsschub im Abendunterricht.
Wolfram ist das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt.
Je heißer die Glühwendel werden darf, ohne dass sie wegschmilzt, um so höher ist die Lichtausbeute.
> Lebenszeit der Glühbirne länger als bei anderen Metallen?
Ja, wenn man bei gleicher Temperatur und damit gleicher Helligkeit arbeitet. Weil Wolfram so einen hohen Siedepunkt (6200 K) hat, verdampft der Draht bei Betriebstemperatur (2700 K) nur langsam.
> Oder leuchtet sie heller?
Bei gleicher Temperatur nicht. Aber man kann, bei gleicher Lebensdauer, den Wolframdraht bei höherer Temperatur betreiben als einen z.B. aus Kohlenstoff. Höhere Temperatur ergibt höheren Wirkungsgrad und blaueres (bzw. weniger rotes) Licht.
Fotolampen werden teilweise bei 3400 K betrieben, sind dabei sehr hell, und nach wenigen Stunden durchgebrannt.
Bevor das W siedet schmilzt es ... aber auch hier liegt die Temperatur bei ca. 3400 Grad Celsius knapp über der Betriebstemperatur
Dass die Schmelztemperatur höher als die Betriebstemperatur liegen muss, ist klar - Eisen wäre kein gutes Material für eine Glühlampe. Da reicht "knapp darunter".
Anders beim Siedepunkt, der sollte möglichst hoch liegen. Das Problem ist dabei nicht das Sieden, sondern das Verdunsten bzw. Sublimieren. Das erfolgt auch schon vor dem Schmelzen, und das erfolgt stärker, je näher die Temperatur am Siedepunkt liegt.
Die Auswirkung des sublimierten Wolframs siehst Du an jeder gebrauchten normalen (nicht Halogen) Glühlampe: Am Glaskolben hat sich Wolfram als schwarzer Schatten niedergeschlagen.
Das mit dem hohen Anteil lokalisierter Elektronen war mir so gar nicht bekannt. Obwohl, gewundert haben mich die hohen Schmelz- und Siedepunkte im Umfeld von Wolfram schon lange.
Hast du vielleicht einen Hinweis, wo ich das Thema vertiefen könnte? So auf Lehramtstudiumsniveau.