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Kooldraadlamp
Zwei Kohlefadenlampen in einem E27-Sockel

Das Kohlefadenlampe war der erste elektrische die Glühbirne deren Langlebigkeit, Energieverbrauch und Lichtleistung für alltägliche Beleuchtungszwecke ausreichten. Glühlampen konnten mit diesem Lampentyp mit dem damals üblichen Kerzen- und Gaslicht konkurrieren. Als elektrischer Glühfaden wird ein abgewickelter Draht aus Kohl verwendet, die durch Verkohlen von Baumwollgarn oder Bambusfaser ist gewonnen.

Eigenschaften

Da ein Carbon-Filament vergleichsweise nur bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden kann, ist es Lichtspektrum von Kohlefadenlampen mehr im Infrarot Fläche als bei Glühlampen mit Wolframwendel. Diese besondere Farbtemperatur war jedoch mit der des Gaslichts vergleichbar, was die Einführung dieser neuen elektrischen Beleuchtung mit Einführung der Kohlefadenlampen förderte. Darüber hinaus sind Kohlefadenlampen stoßempfindlicher als Wolframglühlampen, verursachen jedoch keine Einschaltstromspitze, da Kohle bei niedrigen Temperaturen sehr beständig ist.

Seit 2012 dürfen Glühlampen und damit keine Kohlefadenlampen mehr in die Europäische Union für Haus-, Garten- und Küchenbeleuchtung importiert oder hergestellt werden. Da aufgrund der (niedrigen) Farbtemperatur und der allmählichen Helligkeitserhöhung beim Einschalten eine Nachfrage besteht, sind Kohlefadenlampen nur im Fachhandel erhältlich (oft Parallelimporte aus China).[1] Diese Lampen werden noch immer zu dekorativen Zwecken und als Stimmungslicht verwendet. Heutzutage werden Kohlefadenlampen auch gelegentlich als Wärmestrahlungsquelle verwendet, zum Beispiel in Lavalampen, Inkubatoren oder Terrarien.

Historische Bedeutung

Kohlefadenlampen waren die ersten elektrischen Produkte, die in den 1880er Jahren in privaten Haushalten verwendet wurden. Damit einher ging der Bau der Stromnetze. Damit markieren diese Produkte den Beginn einer umfassenden Elektrifizierung der kulturellen Entwicklung der Menschheit. Dadurch verloren Gaslampenhersteller und Gaslieferanten damals Marktanteile, während die Verbreitung des aufstrebenden Elektromarktes von neuen Herstellern hart erkämpft wurde.

Der Patentstreit im Zusammenhang mit Kohlefaser-Glühbirnen in Europa und den USA gehört zu den umfangreichsten Patentstreitigkeiten, die jemals eingereicht wurden. 's Patentfall Edison Electric Light Co. gegen die USA Electric Lighting Co. zum Beispiel dauerte es von 1885 bis 1892 und würde etwa 6.500 Seiten umfassen. Laut den Edison-Biografen Dyer und Martin wurden in den Vereinigten Staaten zwischen 80 und 90 Patentstreitigkeiten für Glühbirnenpatente und mindestens 125 weitere Patentstreitigkeiten für Glühlampenerfindungen eingereicht. 1889 musste Edison eine eigene Abteilung für die Kontrolle und Verwaltung der Verfahren einrichten.[2] Der Umfang der Akten und die Dauer dieser Patentstreitigkeiten resultierten aus den Strategien der Patentverletzer, die Rechtsstreitigkeiten zu verlängern. Im anhängigen Verfahren konnten sie weiter produzieren und offenbar hohe Gewinne abschöpfen, um die Anwaltskosten zu kompensieren. 1893 wurde der in Deutschland geborene Heinrich Göbel im Zentrum von Patentstreitigkeiten für die Kohlefadenlampe in den Vereinigten Staaten.

In Deutschland gab es, anders als in den USA und Großbritannien, keine umfangreichen Patentstreitigkeiten, weil die großen Elektrotechnik-Unternehmen Deutsche Edison-Gesellschaft (später AEG) und Siemens & Halske schloss 1883 eine Fertigungs- und Preisvereinbarung und teilte den Glühlampenmarkt unter sich auf. Begonnen im Jahr 1891 Philips in den Niederlanden mit der Montage der ersten Kohlefadenlampen.

Glühlampen waren damals ein teurer Luxusartikel für Hotels, Büros, Theater und Reiche in den Großstädten. Glühlampenhersteller, wie z Edison Electric Light Co., erlaubte nur die Verwendung der von ihnen hergestellten Glühlampen in bestimmten Stromversorgungsnetzen und sicherte damit auch diesen Markt. Mitarbeiter der Glühbirnenhersteller untersuchten unter anderem Stromerzeuger in Hotels und Büros und führten Klagen wegen des Einsatzes nicht lizenzierter Glühbirnen mit Netzteil.

Nach 1900 wurden Kohlefadenlampen durch Glühlampen mit Glühfäden von . ersetzt Tantal und später Wolfram.

Erfindung

Titelseite der Patent für elektrische Lampen von 1880 das Basispatent für Edisons Entwicklung von Glühlampen.

Die Amerikaner Thomas Edison gilt als Erfinder der ersten wettbewerbsfähigen elektrischen Beleuchtung. Das Patent 223.898[3] wurde gewährt am 27. Januar1880. Da Edison bereits im Oktober 1879 Lampenpräsentationen mit umfangreicher Berichterstattung in der internationalen Presse hielt, gilt 1879 als das Jahr der Erfindung der Kohlefadenlampe.

Da dies der Beginn der Entwicklung von Glühlampen für alltägliche Beleuchtungszwecke war, wird die Erfindung der Kohlefadenlampe oft als Erfindung der Glühlampe schlechthin angesehen. Dies ist jedoch falsch. Seit 1841 wurden zahlreiche Patente für verschiedene Konstruktionen erteilt, die jedoch hinsichtlich Herstellungskosten, Lichtleistung und Energiekosten noch nicht mit der Gaslampe konkurrieren konnten. Sowohl Glühlampen mit Glühwendel als auch insbesondere solche mit Kohlewendel waren bekannt und bereits patentiert.

Ein Jahr vor Edison, der Brite Joseph Schwan hat bereits eine Kohlefadenlampe zum Patent angemeldet und sein Landhaus ist vollelektrisch beleuchtet. Da seine Lösung jedoch ein niederohmiger Kohlenstoffdraht war, wird die bahnbrechende Erfindung größtenteils Thomas Edison zugeschrieben.[4] Während niederohmige Kohledrähte einfacher herzustellen sind, müssen in elektrischen Netzen sehr dicke Kupferdrähte verlegt werden, um sie mit hohen Strömen bei niedrigen Spannungen zu führen. Auch die Probleme der Stabilität eines Stromversorgungsnetzes beim Ein- und Ausschalten von Stromverbrauchern konnte Thomas Alva Edison mit den hochohmigen Glühlampen überzeugender lösen, da es bei brennenden Glühlampen kein Flackern und keine Helligkeitsänderungen gab.

Ein anderer Brite, St. George Lane Fox-Pitt, neben Edison eine Kohlefadenlampe entwickelt. Wie Edison kannte er die genauen Anforderungen an Glühlampen für deren Betrieb in elektrischen Netzen und erwarb schon vor Edison 1878 Patente für parallel einsetzbare Glühlampen. Aus verkohltem Gras stellte er hochwiderstandsfähige Filamente her. St. George Lane Fox-Pitt war auch Philosoph und studierte nur wenige Jahre Glühbirnentechnologie. Später räumte er ein, dass Edisons Entdeckung und Lösung des Problems der im Kohlenstoffmaterial eingeschlossenen Gase wesentlich zur Entwicklung praktischer, langlebiger Glühlampen beigetragen hatte.[5]

Andere Erfinder und Patentinhaber für Glühlampen, wie William S. Sawyer of Hiram Stevens Maxim, beklagte eine ungenaue Definition des Durchmessers von Kohlenstofffilamenten und -stiften in Edisons Patent und seine Erfindung sei nicht innovativ genug, um patentierbar zu sein. Kohlefadenlampen wurden tatsächlich auf der Grundlage von Glühfadenpatenten hergestellt. Das USA Electric Lighting Co. wurde offenbar vor der Edison Society gegründet und kam fast zeitgleich mit Kohlefadenlampen auf den Markt. Ihr Hauptentwickler Hiram Maxim meldete zahlreiche Patente für die Glühbirnentechnologie an. Die Gerichte sahen jedoch Edisons hochohmige elektrische Netzwerklösung und die Überwindung der Schwierigkeiten bei der Herstellung und Handhabung zerbrechlicher Kohlefäden als grundlegende Innovation bei der Herstellung von Glühlampen an.

Technische Probleme bei der Erfindung der Kohlefadenlampe

Detailzeichnung aus dem US-Patent Nr. 503,670 von 1893. Die Lösung des komplexen Stopfens im Hals des Glaskörpers zum Vakuumversiegeln unterscheidet sich von der Edison-Lösungskonstruktion der versiegelten Glashülle mit in die Glashülle eingebetteten Einführungsplatindrähten geschmolzen.

Die Entwicklung von Kohlefadenlampen brachte eine Reihe von Problemen mit sich, die zunächst gelöst werden mussten, um ein zuverlässig funktionierendes Produkt herzustellen. Erst nach der Verbesserung der Vakuumtechnik 1879 begann die Entwicklung von Methoden zur präzisen Bauteilfertigung, der Durchbruch bei den notwendigen langen Nutzungszeiten für handelsübliche Lampen.

Mehrere Erfinder, darunter Edison, hatten es versäumt, dauerhafte Glühbirnen herzustellen Platindraht entwickeln. Eine ausreichende Lichtleistung konnte nur nahe dem Schmelzpunkt von Platin erreicht werden. Es war jedoch nicht möglich, die Temperatur in diesem Bereich konstant zu halten und ein Schmelzen zu verhindern. Metalle mit einem höheren Schmelzpunkt als Platin waren bekannt; die zur Lichterzeugung erforderliche hohe Schmelztemperatur machte jedoch eine Verarbeitung mit den damals bekannten metallurgischen Verfahren unmöglich. Erst durch spätere Entwicklungen in der Pulvermetallurgie konnten Filamente Wolfram und andere Metalle mit hoher Schmelztemperatur werden hergestellt. Als Ergebnis wurde versucht, Filamente aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoff mit hohem Schmelzpunkt herzustellen. Die Verarbeitung dieses Nichtmetalls zu Filamenten erforderte jedoch die Lösung zahlreicher Probleme:

  • Kohlenstoff hat einen hohen Dampfdruck. Bei hohen Temperaturen sublimiert (zerstäubt) das Material, wodurch das Carbonfilament bricht. Der verdampfte Kohlenstoff erzeugte zudem einen schwarzen Belag auf dem Glasmantel der Lampe, der die Leuchtkraft der Lampe deutlich reduzierte. Der Temperaturbereich für eine Nutzungsdauer mit ausreichender Lichtleistung ist klein und muss genau bestimmt werden.
  • Im Gegensatz zu Metall hat Kohlenstoff einen negativen Temperaturkoeffizienten. Je heißer das Material, desto geringer der Widerstand. Es fließt mehr Strom, was zu noch mehr Erwärmung und sogar Zerstörung des Filaments führt. Kohlefadenlampen müssen bei Raumtemperatur einen hohen Widerstand aufweisen, damit der Widerstand bei 1900 °C noch ausreichend ist.
  • Dünne Filamente aus karbonisiertem organischem Material sind schwierig herzustellen. Außerdem sind die Toleranzen gering. An seiner dünnsten Stelle wird der Kohledraht heißer und das Material verdampft. Dadurch wird der dünnere Bereich noch heißer und verdampft noch schneller, bis der Draht durchbrennt.
  • Carbonfäden reagieren schneller mit Sauerstoff als die bisher verwendeten Platinfäden. Kohlensäurehaltige Glühlampen benötigen daher ein höherwertiges Vakuum.
  • Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstofffilamenten sind schlechter als die der bisher verwendeten Platinfilamente. Das spröde Material ist weniger flexibel und empfindlicher gegenüber Stößen und Vibrationen. Eine Verbesserung der elastischen Eigenschaften erfordert spezielle Fertigungskenntnisse.
  • Das Kohlenstoffmaterial enthält eingeschlossene Gase, die den Draht bei Temperaturen um 1900 °C zerstören. Um diese Gase zu entfernen, muss während der Herstellung ein komplexer Prozess des allmählichen Erwärmens und Abkühlens des Glühfadens während der Belüftung des Glaskolbens verwendet werden.
  • Wenn ein Metalldraht in das von einer Glaskugel eingeschlossene Vakuum eingeführt wird, kommt es aufgrund unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten an der Durchtrittsstelle zu Luftleckagen. Nur Platin hat einen mit Glas vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten. Die Lösung, nämlich Platindrähte in den Glaskolben einer bei der Herstellung vollständig verschmolzenen Lampe einzubetten, wurde von Edison patentiert. Andere damals bekannte Lösungen hatten eine schlechtere Abdichtung, was die Lebensdauer der Lampen aufgrund der abnehmenden Vakuumqualität deutlich verkürzte. Die von Wettbewerbern verwendeten Konstruktionen zur Umgehung des Edison-Patents werden als "Bremsleuchten" bezeichnet. Die Glaskugel dieser Lösungen ist einseitig verengt und offen. In diesen Hals wird zur Abdichtung ein Stopfen gesteckt, der gleichzeitig den inneren Aufbau der Glühbirne unterstützt. Es gibt viele Varianten des Dübels, der in Material und Design aufgebaut ist. Die schlechte Qualität der „Bremsleuchten“ durch unvermeidbare Vakuumlecks und die daraus resultierende reduzierte Lebensdauer wurde teilweise dadurch ausgeglichen, dass bei einigen Produkten der Stecker entfernt und die Glühwendel ersetzt werden konnte. Das Erneuern, Entfernen der Sublimationsablagerungen und erneutes Staubsaugen war billiger als eine neue Lampe herzustellen.
  • Die notwendige, nicht lötbare Verbindung der stromführenden Metalldrähte muss mit einem sehr dünnen und zerbrechlichen Kohledraht mechanisch und elektrisch gesichert werden. Als Edison beispielsweise den Kohlefaden an die stromführenden Drähte drückte, verwendete Maxim Schrauben, um den Faden zu sichern (um von Edison nicht der Fälschung beschuldigt zu werden).
  • Um zu verhindern, dass ein 1900 °C heißes Kohlefilament den stromdurchflossenen Metalldraht mit niedrigerem Schmelzpunkt zerstört, ist eine elektrisch leitende Wärmebrücke notwendig.
  • Nur wenige Pflanzen eignen sich zur Herstellung langlebiger Carbonfilamente. Die Möglichkeit dünne Fäden aus Pflanzenfasern herzustellen und eine homogene Struktur dieser Fasern sind wichtige Kriterien. Bei nicht homogener Pflanzenstruktur variiert der elektrische Widerstand des Drahtes. An Gefügeschwächen treten hohe Temperaturen auf, die das Filament schnell zerstören. Amorphe Kohlenstoffdrähte der gleichen Größe wie z.B. verkohltes Holz haben einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand. So finanzierte Thomas Alva Edison eine Expedition, um eine geeignete Pflanze zur Herstellung von Filamenten zu finden, und fand japanischen Bambus, dessen Verwendung er 1881 patentieren ließ. Entwickelt mit Techniken aus der Textilindustrie Joseph Schwan andererseits Kunststoffe zur Herstellung von Filamenten auf Basis von Nitrozellulose. Edward Weston entwickelte die Technik 1884 weiter und vermarktete ein Filamentmaterial namens Tamidin, das verwendet wurde, um die Bambuspatente von Edisons zu umgehen.[6] Das Material bzw. Varianten davon gewannen später gegenüber Filamenten aus Pflanzenfasern die Oberhand. Ausschlaggebend waren hier die besseren elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie die geringeren Verarbeitungskosten.
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