Je leest:

Waardoor is een gloeilamp zo inefficiënt?

Waardoor is een gloeilamp zo inefficiënt?

Auteur: | 4 mei 2004

Het was een hele vooruitgang, van kaars naar gloeilamp. Minder omslachtig, minder brandgevaar, en een stuk meer licht. Hoewel? Zo efficiënt is die ouderwetse gloeilamp niet: hij gebruikt veel stroom en geeft weinig licht. Hoe zit dat eigenlijk?

De efficiency van een gloeilamp wordt vooral bepaald door de mate waarin de uitgezonden straling, de emissie, door ons oog kan worden waargenomen. We moeten dus eigenlijk het emissiespectrum van zo’n gloeilamp vergelijken met de ooggevoeligheidskromme.

Ooggevoeligheidskromme en het emissiespectrum van een gloeilamp. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Dat staat afgebeeld in bijgaand figuurtje. De linker curve laat zien dat ons oog gevoelig is voor golflengten ongeveer tussen 400 en 700 nanometer, de kleuren van de regenboog. De piek ligt rond 500 nm, in het geel. Rechts staat het spectrum dat door de gloeidraad in de lamp wordt uitgezonden. De piek dáárvan ligt bij 1000 nm, ofwel 1 micrometer. Die twee krommen vallen dus op geen stukken na samen. Veruit het grootste deel van de emissie valt buiten het bereik van het oog, en gaat verloren. We zouden dus graag die curve meer naar links schuiven.

De voor de hand liggende oplossing zou zijn de gloeidraad heter te maken dan de gebruikelijke 3000 K. We herinneren ons dat bij een hogere temperatuur niet alleen méér straling wordt uitgezonden, maar dat dit ook bij een kleinere golflengte gebeurt. Denk aan een ouderwetse pook waarvan de kleur, naarmate hij heter wordt, van rood naar oranje naar geel gaat, en dus opschuift naar links. Maar als we hoger willen dan die 3000 K, lopen we al gauw tegen het smeltpunt aan, in het geval van de gloeilamp dat van Wolfraam: 3650 K. Als we daar te dicht bij komen, neemt de levensduur van de gloeilamp dramatisch af. Met een halogeenvulling is daar nog wel iets aan te doen, maar dat smeltpunt stelt een harde limiet. Wat we zouden willen is een straler die zijn piek bij een 2 × zo korte golflengte heeft, namelijk daar waar het oog het gevoeligst is. Dan moet hij (volgens de wet van Wien) een 2 × zo hoge temperatuur hebben, dus zo’n 6000 K. De buitenkant van de zon heeft ongeveer die temperatuur, en het zonnespectrum piekt dus vrijwel precies bij dezelfde golflengte als de ooggevoeligheidscurve. En dat is niet toevallig, uiteraard.

Kortom: Voor hoge efficiëntie moeten we hoge temperaturen hebben. Dat kan met gloeiend gas, zoals in de zon, de TL-buis en de spaarlamp. Een metalen gloeidraad haalt die temperatuur gewoon niet. Maar het licht dat hij geeft is wel gezellig: zoals we uit het plaatje kunnen aflezen is de emissie in het rood-oranje 2 à 3 maal zo sterk als in het blauw. Dat geeft een warm soort licht. Nadeel daarvan is natuurlijk dat we daarmee blauwe voorwerpen slecht zien. We kennen dat verschijnsel uit de kledingwinkel: we moeten even naar buiten om te zien of iets blauw of zwart is.

Tot zover de spectrale verdeling van het licht van gloeilampen. Hoe zit het met de intensiteit? Die is, in normale huiskamer-omstandigheden, natuurlijk veel lager dan die van zonnestraling (ruim 1000 Watt per m2). Hoeveel lager? Zal het een factor 5 zijn, of 10, of 100 misschien? Dit is in principe gemakkelijk uit te rekenen. Als we aannemen dat een lamp naar alle richtingen evenveel uitstraalt, dan zal een lamp van 100 Watt op een afstand van 2 meter een denkbeeldige bol met een oppervlak van 4pi r2 ofwel 50 m2 verlichten. Dit is 2W/m2, een factor 500 lager dan de zon. Maar het is nog erger: omdat het licht van een gloeilamp zo slecht past bij de gevoeligheid van ons oog (zie het plaatje) is, in termen van licht, het verschil tussen de huiskamer en de volle zon nog groter, ongeveer een factor 3000 in dit voorbeeld. Toch kunnen we in de huiskamer net zo makkelijk lezen als in de volle zon. Kennelijk heeft het oog een groot bereik, een groot adaptatievermogen. Hoe groot eigenlijk? We kunnen dat mooi schatten door gebruik te maken van de constatering dat we de krant kunnen lezen in de volle zon, maar ook bij de volle maan –althans de jongeren onder ons. Nu kunnen we vrij gemakkelijk uitrekenen met welk percentage van het zonlicht die volle maan correspondeert. Uit de afmeting van de maan, zijn afstand tot de aarde en zijn gemiddelde reflectiecoëfficiënt (de “albedo”) vinden we dat het licht van de volle maan bijna een miljoen maal zwakker is dan van de volle zon. Kortom: als we het krant lezen als criterium hanteren, dan blijkt het adaptatievermogen van het oog ongeveer een factor 1 miljoen te bedragen, behoorlijk indrukwekkend. Het zal duidelijk zijn dat maar een klein deel daarvan op rekening komt van de veranderende pupildiameter. Die varieert immers maar een factor 3 à 4, en in oppervlak dus ruwweg een factor 10. De overige 105 in adaptatie komt dus op rekening van de fotoreceptoren in het netvlies.

Dit artikel is een publicatie van Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION).
© Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 mei 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.