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Heizen mit Lampen und Temperatur messen mit einem Laserstrahl

Messplatz, Instrumentierung

Die völlig berührungslose Temperaturmessung erfolgte mittels Ellipsometer. Gemessen wurde die temperaturabhängige Polarisationsänderung eines Laserstrahls. Er durchlief zweimal eine mit Halogenlampen aufheizbare 1 mm dünne Quarzglasplatte, deren Brechungswinkel der inneren Totalreflexion sich mit der Temperatur änderte. Die 180° Umlenkung nach dem ersten Durchgang durch die Glasplatte und die Einkopplung in den Detektor nach dem zweiten Durchgang auf dem Rückweg erfolgte über Prismen.
Eine Eichkurve mit Polarisationsänderung aufgetragen über Temperatur bzw. Zeit war das Ergebnis.

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Temperaturmessung mit einem Ellipsometer

Dieser Aufwand! - Warum? Thermoelemente benötigen einen guten Kontakt zur Oberfläche des Messobjekt. Schlecht also, wenn der Anpressdruck beschränkt ist. Bei geringem Wärmeleitvermögen des Messobjekts bzw. seiner Oberfläche (z.B. wegen Lackierung), wirkt das Thermoelement zudem als Kühlrippe oder bei schnellen Temperaturänderungen als thermische Last. Die Abweichung kann leicht einmal jenseits von ±10 °C oder im zweistelligen Prozentbereich liegen.
Und Pyrometer? Sie messen die Wärmestrahlung eines Objektes und errechnen daraus die Temperatur über das Stefan-Boltzmann Gesetz, siehe unten, und die Messfläche. Diese Abstrahlungseigenschaft ist aber massiv vom Objektmaterial abhängig und wird mit dem Korrekturfaktor Emissionsgrad 0 < ε ≤ 1 berücksichtigt. Bei glänzenden Metalloberflächen liegt ε deutlich unter 0,1, beim schwarzen Körper (in Näherung z.B. Ruß) bei 1. Üblicherweise ist mindestens 0,7 eingestellt. Daneben sollte man Verfälschungen durch Fremdeinstrahlung (z.B. Reflexionen und andere Quellen im Bildausschnitt analog wie bei einer Videokamera) und stehende Wellen in transparenten Schichten nicht unterschätzen.

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Die Glühbirne als Heizelement

Die Glühbirne - der bessere Ofen: Locker schaffen die sieben 500 W Halogenlampen innerhalb Sekunden 1 200 °C. In der Industrie und speziell der Halbleiterfertigung wird diese Möglichkeit gerne für rapid thermal processing oder annealing (dt.: schnelle thermische Behandlung, RTP, RTA) genutzt.

Den maßgeblichen Zusammenhang zwischen Strahlung und Wärme stellt das Plancksche Strahlungsgesetz her. In Wellenlängenform (Wellenlänge λ in m) liefert es für die temperaturabhängige spektrale Strahlungsenergiedichte eines schwarzen Körpers (den Körper mit der höchst möglichen Emissivität)

r(λ, T) dλ = 2 π h c²/λ⁵ (exp (h c / (k T) λ^-1) -1)^-1 dλ

mit
Plancksches Wirkungsquantum h = 6,6262 10^-34 Js
Lichtgeschwindigkeit c = 2,99792 10⁸ m
Boltzmann Konstante k = 1,3807 10^-23 J/K
Absolute Temperatur T in Kelvin

Wirkungsgrad von Sonne und Glühlampen im Vergleich

Im Diagramm aufgetragen ist die Strahlung eines schwarzen Körpers nach Planck mit der Temperatur der Sonnenoberfläche (ca. 6 100 °C), der Wendel einer normalen Glühbirne (ca. 2 800±200 °C) und der einer Halogenlampe (ca. 3 500±300 °C).
Der Bereich des sichtbaren Lichts ist gelb hervorgehoben.

Aufintegriert über alle Wellenlängen erhält man mit dem Stefan-Boltzmann Gesetz die temperaturabhängige Strahlungsstärke

R(T) = ∫ r(λ, T) dλ = σ T⁴

mit
Stefan-Boltzmann Konstante σ = 5,670 10^-8 W/(m² K⁴)
Absolute Temperatur T in Kelvin
(In obiger Formel die Fläche A [m²] des schwarzen Körpers als Multiplikator eingeführt, ergibt die Strahlungsleistung.)

Integriert man (numerisch) über den sichtbaren Wellenlängenbereich 380 bis 780 nm für die Glühbirne (Temperatur der Glühwendel 2 500 K) kommt man auf einen Wirkungsgrad von ca. 6%. Bei der Halogenbirne (Temperatur der Glühwendel 3 200 K) liefert diese Rechnung einen Wirkungsgrad von ca. 16%. Unter Berücksichtigung der geringeren Empfindlichkeit des Auges an den Grenzen des Wahrnehmungsbereichs, hier dem Infraroten, sind die »Literaturwerte« von ca. 3% bei einer 100 Watt Birne bzw. maximal 8 bis 10% bei Halogenbirnen nachvollziehbar.

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Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und LEDs

Die Lichterzeugung bei den Gas Leuchtmitteln geschieht nicht durch eine aufgeheizte Quelle, sondern durch elektrische Anregung, siehe Franck-Hertz-Versuch. Bei den vom Prinzip her gleichen Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen stoßen durch die Netzspannung beschleunigte freie Elektronen auf die um die Atomkerne kreisenden Elektronen des Füllgases und heben diese bei genügender Energie auf ein höheres Orbital. Nach der Relaxationszeit von 10^-8 Sekunden fallen die Elektronen wieder zurück und senden dabei ein ultraviolettes Photon der Energie hf aus. Die milchige Spezialbeschichtung des Glaskolbens wandelt diese UV Strahlung in sichtbares weißes Licht um. Diese Lampen zeigen ein mehr oder weniger kontinuierliches Spektrum, bedienen also alle Wellenlängen.

Das Halbleitermaterial von Leuchtdioden (Lumineszenzdioden, engl.: light emitting diodes, LEDs) wird unmittelbar elektrisch angeregt. Die bei Rekombination abgestrahlten Photonen mit der Energie hf sind eng um eine Frequenz bzw. Wellenlänge gruppiert, ca. einige zehn Nanometer, sind also monochromatisch.

Gemessenes Spektrum einer roten superhellen LED

Das Intensitätsspektrum der 640 nm GaAlAs superhellen (engl.: super-bright) Kingbright L-53SRC-E LED gemessen mit einem Gittermonochromator in willkürlichen Einheiten (engl: arbitrary units) zeigt gute Übereinstimmung mit den Datenblattwerten - u.a. befindet sich das Maximum bei ca. 660 nm. (Vielleicht auch wegen des nicht gut kalibrierten Messaufbaus ;-)
Der komplette gezeigte Ausschnitt liegt monochromatisch im Roten. Das ist dann auch die Wirkungsgradverbesserung gegenüber Glühbirnen (inkl. Halogen) mit ihren oben dargestellten sehr weit ausladenden Spektren.
Übrigens: Das Spektrum einer Laser-LED würde in diesem Diagramm zu einer einzelnen schmalen (aber sehr hohen ;-) Impulszacke anstatt der Glockenkurve degenerieren.

Für weißes Licht muss man eine rote, eine grüne und eine blaue LED bündeln, entweder als drei diskrete LEDs oder innerhalb eines LED Gehäuses. (Oft sind es zwei blaue LEDs, da ihr Wirkungsgrad vergleichsweise gering ist.) Das so entstehende Spektrum ist diskontinuierlich.
Es besteht auch die vergleichbare Möglichkeit wie bei den Leuchtstoffröhren. Eine effiziente meist blaue (UV) LED bestrahlt eine spezielle gelbliche Beschichtung, die dann zusammen weißes Licht mit einem halbwegs kontinuierlichen Spektrum emittieren. Die gerne kolportierten »Ausläufer« in den UV Bereich sind dann nicht per se von der Hand zu weisen.

Die Technik bleibt nicht stehen. Immer leistungsfähigere, geschickt angesteuerte und interessant gestaltete LED-Leuchten sind erhältlich. Und fürs Auto gibt es ja schon Laser LED Scheinwerfer.