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: Fachgebiet: Projektbetreuer: Schulklasse: Name: Schule: Straße: PLZ/Ort: Schulstufe: E-Mail: PLZ/Ort: Telefon: Kleingruppe: Weitere Gruppenmitglieder: Projektleiter (Vor-/Nachname) (Vor-/Nachname) Straße (Vor-/Nachname) PLZ/Ort (Vor-/Nachname) E-Mail (Vor-/Nachname) Telefon (Vor-/Nachname) Schule, Schulstufe (Vor-/Nachname) Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner T 5 9 9 5 DW 1231 und DW 1264 M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at
Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit) Seite 2/2 WKO.at/tirol/jufotech Kurzfassung unserer Arbeit: Eine Aktion der Kooperationspartner: Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner T 5 9 9 5 DW 1231 und DW 1264 M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at
Jugend forscht 16/17 Fachgebiet: Physik Projekttitel: Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Kleingruppe Realgymnasium Schwaz Simon und Tobias Eder März 17
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 2 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 3 Bau eines Spektrum-Analyse-Gerätes... 5 4 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... 4.9 RGB-LED... 4. Laserpointer... 5 Vergleich Effizienz vs. Lichtqualität... 11 6 Zusammenfassung... 12 7 Literaturverzeichnis... 12 1 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 Lichtaufspaltung durch Brechung an einem Prisma 2.2.2 Optisches Gitter - Lichtbeugung Man kann das Licht aber auch durch Beugung mit einem optischen Gitter in seine Spektralfarben aufspalten: Abbildung 2 Lichtaufspaltung durch Beugung an einem optischen Gitter Jugend forscht 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 Fertigstellung des Eigenbau-Spektrum-Analyse-Gerätes als Basis dient dazu Fischer Technik Jugend forscht 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 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung Analyse einer Feuerzeug-Flamme auffallend ist das kontinuierliche Spektrum mit einem Maximum im roten Bereich Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Seite 7
4.2 Glühbirne 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 11 Analyse einer Glühbirne auch hier fällt das kontinuierliche Spektrum auf 4.3 Kerze 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 12 Analyse einer Kerze hier ist der Blauanteil sehr gering 4.4 Sonne 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 13 Analyse der Sonnenstrahlung hier fällt auf, dass der gesamte sichtbare Strahlungsbereich vorhanden ist Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Seite 8
4.5 Energiesparlampe 9 8 7 6 5 4 3 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 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 15 Analyse einer Leuchtstoffröhre 4.7 LED kaltweiß 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 16 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 Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Seite 9
4.8 LED warmweiß 9 8 7 6 5 4 3 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 9 8 7 6 5 4 3 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. Laserpointer 9 8 7 6 5 4 3 Abbildung 19 Messung des Spektrums eines grünen Laserpointers hier fällt auf, dass nur ein ganz schmaler Wellenlängenbereich abgestrahlt wird Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Seite
Intensität 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 Kerze, Fackel, Glühbirne 1..9.8.7.6.5.4.3.2.1. 9 8 7 6 5 -- ++ 4 Energiesparlampe ++ - 3 9 8 7 6 5 4 LED kaltweiß ++ + 3 9 8 7 6 5 4 LED warmweiß ++ ++ 3 9 8 7 6 5 4 RGB - LED ++ - 3 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 (14.1.17) http://www.kids-and-science.de/wie-funktionierts/detailansicht/datum//2/22/licht-erzeugenvon-der-gluehlampe-zur-leuchtdiode.html (11.3.17) https://www.rieste.at/licht/technologien-licht/ (4.3.17) http://www.schulbiologiezentrum.info/ah%19.56%cd-spektroskop.pdf (.1.17) http://www.jeti.com/cms/index.php/instruments-55/radiometer/specbos/specbos-11 (.2.17) https://www.edmundoptics.de/optics/gratings/holographic-diffraction-grating-film/137/ (5.1.17) Faszination Licht: Eine Reise in die Welt des Lichts, Taschenbuch 16. Februar 4, Herausgeber VDI- Technologiezentrum Düsseldorf, ISBN 3--987- Beleuchtungstechnik Grundlagen, Roland Baer, 2. Auflage 1996, ISBN 3-341-1115-3 Jugend forscht Von der Fackel hin zur LED Lichtquellen im Vergleich Seite 12