Wie wird Licht von einer Glühlampe abgegeben?

Ich suche nach einem besseren Verständnis dafür, wie Licht in einer Glühlampe erzeugt wird. Genauer gesagt: Wie wird die Bewegungsenergie von Elektronen in Licht umgewandelt?

  • Handelt es sich um Interband-Übergänge oder um Intraband-Relaxation mit Photonen? Ist das Bremsstrahlung (Elektronen verlieren ihre Energie als Licht, wenn sie mit Kristallverunreinigungen/Defekten kollidieren)? Oder ist dies eine thermische Strahlung, die durch Joulesche Erwärmung entsteht?
  • Wie wird die Emission durch das Vorhandensein von Verunreinigungen und Unvollkommenheiten des Kristallgitters beeinflusst? Spielen Phononen eine Rolle?
  • Welche Eigenschaften machen ein Material für den Einsatz als Filament besser geeignet: Soll es ein Metall sein? Soll es eine kristalline Struktur haben? Wird jedes Metall Licht erzeugen, wenn im Vakuum ein hoher Strom durch es geleitet wird?

Update
Der Begriff, der die Prozesse in der Glühlampe beschreibt, ist thermische Bremsstrahlung , siehe die Beiträge zu diesem Thema hier und hier .

Sie brauchen kein Metall für ein Filament. Lesen Sie weiter, welche Materialien Edison getestet hat. Wie Baumwolle. Es ist alles, was Schwarzkörperstrahlung verursacht, was meiner Meinung nach keine Elektronenübergänge sind, weil es ziemlich universell und materialunabhängig ist. Es scheint auf die Beschleunigung und Verzögerung von Ladungen zurückzuführen zu sein, wenn sie aufgrund der Temperatur oszillieren.
@DKNguyen mit anderen Worten, Sie schlagen vor, dass es sich um die Cherenkov-Strahlung / Bremsstrahlung handelt?
Was? Nein. Das hatte ich nicht vor. Es ist der Cherenkov-Strahlung, wie ich sie kenne, nicht ähnlich, aber wenn ich über Bremsstrahlung lese, scheint es dasselbe zu sein.
Sie haben Recht, Cherenkov bedeutet etwas anderes, ich habe einen falschen Begriff verwendet, da ich auf Russisch dachte.
@DKNguyen, zu "... wie Baumwolle." Baumwolle leitet keinen Strom und kann bei weißglühenden Temperaturen nicht existieren. Edison experimentierte mit Kohlenstofffilamenten , die er herstellte, indem er verschiedene organische Fasern (apokryphisch, darunter ein Haar aus dem Bart eines rothaarigen Schotten) in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzte, bis sie sich zu amorphem Kohlenstoff zersetzten.
@SolomonSlow Ja, aber immer noch kein Metall.
@uhoh danke, es war ein Rechtschreibfehler.
@uhoh für mehr Kontext: Bei LEDs ist das Licht auf die Interbsnd-Übergänge zurückzuführen, bei der Glühlampe ist dies jedoch unwahrscheinlich (obwohl man sich ein Szenario vorstellen könnte, bei dem ein starkes elektrisches Feld Elektronen über die Bandlücke anregt, wie beim Zener-Effekt) .
Die kanonische Frage (mit 8 Antworten) lautet: Was sind die verschiedenen physikalischen Mechanismen für die Energieübertragung auf das Photon während der Schwarzkörperemission? Ihre Frage ist viel spezifischer und kein Duplikat, aber die Antworten dort können hier einen guten Ausgangspunkt für eine spezifische Antwort darstellen, wobei (die 5 Antworten auf) die Quantenmechanik der Wärmestrahlung ebenfalls hilfreich sind.
@uhoh danke für die Links - sie beantworten viele der Fragen, die ich hatte. Der wichtigste Punkt, der meiner Meinung nach noch zu klären ist, ist, ob wir es hier wirklich mit Wärmestrahlung zu tun haben, dh ob der elektrische Strom nur dazu dient, das Material zu erwärmen (da der Stromfluss selbst kein thermischer Zustand ist).
@RogerVadim danke für die Annahme. Es ist natürlich Ihre Wahl, aber ich warte normalerweise (mindestens) ein paar Tage, um weitere Antworten, Kommentare und Einblicke zu ermöglichen. Ein weiterer Nebeneffekt der Verzögerung der Annahme ist, dass sie wieder in die aktive Warteschlange gestellt wird und im Allgemeinen von mehr Augen gesehen wird, was zu weiteren Antworten, Kommentaren und Einsichten führen kann. Aber ich sehe, du bist schon eine Weile dabei, also schätze ich, es ist nichts Neues für dich :-)
@R Außerdem habe ich die Antwort mit einigen Screenshots aktualisiert, die auf Videos basieren, die in Ruslans Kommentar verlinkt sind.
@uhoh du hast tatsächlich die Frage beantwortet, die mich gestört hat, und sie durch Beweise gestützt. Ich bin nicht gut darin, Fragen zu formulieren - die Hälfte der Zeit werden sie geschlossen, massiv herabgestimmt oder jemand versucht mich davon zu überzeugen, ihre Antwort zu akzeptieren, weil das, was ich gefragt habe, nicht das ist, was ich gemeint habe :)
@RogerVadim es kommt mit der Übung; Ich habe über 3.000 SE-Fragen gestellt und mit der Zeit wird es einfacher. Normalerweise warte ich, bis ich zum Posten bereit bin, bevor ich den Titel schreibe, und ich wiederhole oft die Frage am Ende, um sicherzustellen, dass mein Ende immer noch mit dem übereinstimmt, wo ich angefangen habe.

Antworten (4)

Ergänzende Antwort auf den klärenden Kommentar des OP :

Der wichtigste Punkt, der meiner Meinung nach noch zu klären ist, ist, ob wir es hier wirklich mit Wärmestrahlung zu tun haben, dh ob der elektrische Strom nur dazu dient, das Material zu erwärmen (da der Stromfluss selbst kein thermischer Zustand ist

Gute Frage und...

Ja, wir haben es hier wirklich mit Wärmestrahlung zu tun!

Die Erwärmung, die durch den Fluss von Leitungselektronen in der Masse des Filaments erzeugt wird, hängt nicht mit der Wärmestrahlung zusammen, die von den wenigen zehn Atomen in der Nähe der Metalloberfläche kommt, die die Photonen erzeugen, die wir sehen.

Wir wissen das, weil wir einige Experimente durchführen können:

  1. Wenn wir den Strom ein- oder ausschalten, steigt oder fällt das erzeugte Licht mit einer Strahlungszeitskala von Millisekunden. Dies ist die Zeit, die das Filament benötigt, um sich von seinem vorherigen Gleichgewicht „AUS“ oder „EIN“ zu erwärmen oder abzukühlen. Temperatur.
  2. Wir können versuchen, das 100/120-Hz-Flimmern der Glühbirne zu messen, und sehen, dass es vielleicht ein Prozent ist. Eine Glühlampe geht nicht 100 oder 120 Mal pro Sekunde aus. Sein Licht bleibt relativ konstant. Wir können Lichtspuren mit unseren Augen oder Kameras mit pulsierenden Lichtquellen wie LED-Leuchten einiger Marken (z. B. billige batteriebetriebene tragbare Geräte) oder Leuchtstofflampen oder einige Arten von Quecksilber- oder Natriumdampf-Straßenlaternen erzeugen, aber wir können diese Effekte damit nicht reproduzieren Glühlampen.

Nun, das bedeutet nicht, dass Elektronenkollisionen in Metallen kein sichtbares Licht erzeugen können, aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein Leitungselektron 2 oder 3 eV kinetische Energie erhalten kann, bevor es auf ein anderes Elektron trifft, und dass dies auch innerhalb von zehn Angström von der Oberfläche geschieht damit das Licht austritt ist extrem klein.

Grundsätzlich erledigt das Wolfram zwei völlig getrennte Aufgaben gleichzeitig:

  • wirkt als geeigneter temperaturabhängiger Widerstand so, dass er ein thermisches Gleichgewicht erreicht und 100 Watt oder die Leistung abstrahlt, die er haben soll
  • fungiert als thermischer Strahler und erzeugt Licht, wenn es erhitzt wird

Update: @Ruslans Kommentar verlinkt auf zwei hervorragende Videos!

intakter Glühfaden leuchtet

Dann bricht es, es fließt kein Strom und das Licht geht weiter, beginnt aber zu dimmen:

gebrochener Glühfaden leuchtet noch

Wenn es einen anderen Teil der Glühbirne berührt, kühlt dieser Teil durch Leitung schneller ab als durch Strahlung, sodass er dunkel wird. Aber das Bit auf der rechten Seite kann entlang des Filaments nicht leicht abkühlen, da seine Wärmeleitfähigkeit entlang des Drahts gering ist, sodass es immer noch ziemlich hell leuchtet:

gebrochener Glühdraht glüht noch, besonders Teile, die nicht durch Wärmeleitung abkühlen können

Tatsächlich können wir in diesem Video sehen, dass das Flimmern nicht 0 bis maximal ist, sondern etwa 90 % bis maximal. Und in diesem können wir sehen, dass selbst nachdem das Filament zusammenbricht (so dass kein Strom mehr fließt), es immer noch weiter leuchtet, obwohl es aufgrund der Abkühlung an Helligkeit verliert.
@Ruslan ausgezeichnet! Ich werde sie hinzufügen, wunderbarer Fund :-)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation

Abhängig vom verwendeten theoretischen Rahmen kann es auch als Bremsstrahlung bezeichnet werden (freie (-ish) Elektronen im Metall streuen ineinander)

Soweit ich mir vorstellen kann, werden Verunreinigungen und Kristallgitterfehler die elektrischen Eigenschaften in erster Linie beeinflussen.

Spielen Phononen eine Rolle? Ich bin mir nicht sicher, ich denke, Elektronen dominieren den Wärmeaustausch in Metallen. Man braucht einen Wärmeaustausch, um Wärme an die Oberfläche des Filaments zu bringen. Sie können auch an Phononen denken, die Elektronen streuen (mit anderen Worten, das Kristallgitter und das Elektronengas tauschen Wärme aus).

Soll es Metall sein? Nicht wirklich. Aber es sollte zumindest etwas leitfähig für den Strom sein.

Ja, jedes Metall (und jede feste Substanz im Allgemeinen) erzeugt Licht, wenn es im Vakuum (oder in einem transparenten Medium) erhitzt wird, solange es fest bleibt. Man braucht etwa 750 K, um ein schwaches sichtbares Licht zu erzeugen, oder ~ 3000, um wie eine normale Glühlampe auszusehen.

Das beste Material für einen Glühfaden ist:

  • mehr oder weniger leitfähig, sodass es elektrisch beheizt werden kann
  • absolut reflektierend oder transparent für nicht sichtbare elektromagnetische Wellen und schwarz für das sichtbare Spektrum sein.
  • stabil gegen Zersetzung, Schmelzen oder Verdampfen bei der gewünschten Temperatur (gleich der gewünschten Farbtemperatur der Lampe, für die meisten praktischen Zwecke 3000..6000K)

Da wir nicht das ideale Material haben, verwenden wir Wolfram und bemühen uns, es mit Edelgasen und Halogenen langsamer verdampfen zu lassen. Andererseits machen Gase Glühlampen weniger effektiv, da sie einen Teil der Wärme vom Glühfaden abführen. Deshalb haben wir bessere oder schlechtere Gase zum Befüllen der Glühbirnen.

In der Vergangenheit wurden andere Materialien verwendet oder in Betracht gezogen, wie Tantal oder karbonisierte Naturfasern wie Baumwolle und Wolle.

Als ich von Bremsstrahlung sprach, meinte ich, dass die durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen ihre Geschwindigkeit verlieren, indem sie auf Verunreinigungen treffen und bei diesen Stößen strahlen. Wärmestrahlung impliziert ein etwas anderes Szenario: Die Elektronenstreuung an Verunreinigungen führt zu einer Erwärmung, und die resultierende Strahlung unterscheidet sich nicht von der, die von einem erwärmten Objekt kommt (dh nicht unbedingt durch elektrischen Strom erwärmt wird).
Ich bin mir nicht sicher, wie Sie entschieden haben, dass es die Elektron-Elektron-Streuung (Bremsstrahlung) zwischen freien Elektronen ist, die die Photonen erzeugt, die wir als Glühlicht für Wolfram sehen, und nicht als Bandübergänge. Liegt es daran, dass es ein Metall ist und daher einen niedrigen Emissionsgrad hat? Was ist mit dunklen Isolatoren (hohes Emissionsvermögen) mit sehr wenigen freien Elektronen, wäre diese Emission eine andere Temperatur? Ich denke, diese Antwort braucht etwas Unterstützung, bis auf den ersten Satz hat das Ganze nichts mit der Photonenproduktion zu tun. Also ein temporäres, reversibel, -1bis dies definitiver angegangen wird. Danke!
@RogerVadim Das Filament strahlt unabhängig vom Heizmechanismus sehr viel Wärmestrahlung ab. Die Strahlung erfolgt an der Oberflächenschicht und die Erwärmung erfolgt im gesamten Volumen des Filaments - die Prozesse sind ziemlich unabhängig voneinander. Was Sie sich vorstellen (Streuung der durch das elektrische Feld beschleunigten Elektronen, um direkt Licht zu erzeugen), passiert ziemlich genau in Gasen (siehe zB Glimmentladung) und aufgrund dieses Mechanismus erhalten Sie weder ein thermisches Spektrum noch einen ohmschen Widerstand.
@uhoh deshalb sagte ich "abhängig vom verwendeten theoretischen Rahmen". Der Emissionsvorgang in einem Metall kann sowohl als Bremsstrahlung (Frei-Frei-Streuung) als auch als Bandübergänge angesehen werden. In einem Isolator, na ja ... Sie können den frei-freien (plasmaähnlichen) Ansatz nicht verwenden, weil Sie dort nichts haben, das Plasma ähnelt.
Ist es möglich, ein Zitat oder einen Link hinzuzufügen, der unterstützt, dass "... (t) der Emissionsprozess in einem Metall so ziemlich als Bremsstrahlung (frei-frei-Streuung) sowie als Bandübergänge angesehen werden kann." Das ist für mich nicht transparent (schräges Wortspiel beabsichtigt) und dies ist Stack Exchange, daher wäre eine Art zusätzliche Unterstützung durch Erklärung oder Quellenangabe, warum das so ist, sehr hilfreich. Danke!
Ich schätze, Strahlungsrekombination ist das Wort, das normalerweise für die Bandübergänge verwendet wird, die Licht erzeugen, aber ich frage mich, ob es als Elektron-Loch-Streuung und daher als Bremsstrahlungs-ähnlich angesehen werden könnte?
@fraxinus Ich habe die Antwort von at_uhoh akzeptiert, weil sie den spezifischen Punkt angesprochen hat, der mich am meisten gestört hat. Ich erkenne jedoch an, dass Ihre Antwort sehr vollständig ist und die meisten Fragen im OP abdeckt (und Sie haben auch den schwierigen Punkt im obigen Kommentar angesprochen). Vielen Dank.
@ohh Löcher? Welche Löcher in einem Metall? ps mea culpa, was ich meinte, ist ein Übergang INNERHALB des Leitungsbandes.
@fraxinus, es ist heißes Metall, kein absoluter Nullpunkt, also gibt es Löcher. Und wenn wir sagen, dass Inter- oder Intrabandübergänge (aus der Frage des OP) auf dem Tisch liegen, dann geht das Elektron besser in einen Zustand, in dem es noch kein Elektron gibt. Wenn Sie das Gefühl haben, dass heißes Metall keine Bänder mit Löchern haben kann, die 2-3 eV niedriger sind als einige Elektronen, dann können Sie die Inter- oder Intrabandübergänge sofort ausschließen.

Die einzige Voraussetzung für das Auftreten von Strahlung in Isolatoren oder Leitern ist die Beschleunigung von Ladungen oder Magnetfeldern. Gebundene Elektronen, die einen Kern umgeben, können durch thermische Bewegung des Kerns zur Strahlung angeregt werden. Rotationen, Vibrationen usw. Alle Atome haben entweder Dipol- oder Multipol-Magnetmomente, diese strahlen auch ab, wenn sie durch Wärme angeregt werden. Dies ist Wärmespektrumstrahlung, unter bestimmten Bedingungen kann sie ein "Schwarzkörperspektrum" haben. Offensichtlich wird ein Elektron, das von einem nicht strahlenden stabilen Atomzustand in einen anderen nicht strahlenden stabilen Atomzustand übergeht, auch kurz strahlen, diese Form der Strahlung ist die Quelle der Linienspektren.

Danke. Mit anderen Worten, Sie denken, dass die Rolle des elektrischen Stroms hier nur darin besteht, das Material zu erhitzen?
Das ist richtig. Eine Kerzenflamme strahlt, weil die bläuliche Flamme die Kohlenstoffpartikel fast weiß erhitzt.

Ich möchte etwas ansprechen, das die anderen Antworten nicht erwähnen, nämlich wie der elektrische Strom das Filament auf molekularer Ebene erwärmt und warum es diese Energie speichern kann und warum es weiter leuchtet, nachdem Sie es ausgeschaltet haben (kein Strom).

Ein Teil der Kollisionen führt zu einer Anregung der metallischen Elektronen auf höhere Energieniveaus, die bei Rückkehr auf das niedrigere stabile Energieniveau eine Lichtemission erzeugen können. Kontinuierliche Kollisionen zwischen Elektronen erzeugen einen Widerstand gegen den Fluss der beweglichen Elektronen, und Atome des Fadens werden durch die Wechselwirkung mit den sich bewegenden Elektronen zum Schwingen angeregt. Die Vibrationsenergie führt zur Erzeugung einer beträchtlichen Menge an Wärme, und ein Merkmal von Widerstandsglühlampen ist, dass nur etwa zehn Prozent ihrer zugeführten Energie in Licht umgewandelt werden, während der größte Teil des Rests als Wärme (elektromagnetische Infrarotstrahlung) abgegeben wird.

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lightsources/filament/index.html

Wie Sie sehen können, haben wir es mit thermischer Strahlung zu tun, und die kinetische Energie der Elektronen (im Strom, wenn sie an den Molekülen streuen / mit ihnen kollidieren) wird auf die Moleküle übertragen:

  1. Vibration (dies ist in Ihrem Fall das Wichtigste)

  2. rotierend

  3. translationale Energien.

Bitte beachten Sie, dass es auch elektronische Übergänge gibt, aber ich erwähne diese nicht.

Bei einem Molekül mit N Atomen hängen die Positionen aller N Kerne von insgesamt 3N Koordinaten ab, sodass das Molekül 3N Freiheitsgrade hat, einschließlich Translation, Rotation und Vibration.

https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_vibration

Wenn Sie jetzt die Lampe ausschalten (kein Strom), speichern die Moleküle immer noch die zusätzliche Energie, die ihnen von den Elektronen des Stroms (durch Streuung / Kollision) übertragen wurde, und während der Glühfaden versucht, ein thermisches Gleichgewicht mit zu erreichen der Umgebung (abkühlen), bewirkt diese zusätzliche Energie, dass sich die Moleküle im Filament weiter entspannen, indem sie Photonen emittieren (die Moleküle entspannen sich auf ein niedrigeres Energieniveau, indem sie Photonen emittieren, einschließlich des sichtbaren Bereichs).

Szendrei .... Ich glaube nicht, dass Strahlungsübergänge in einem Wolframfaden bei 3000 Grad auftreten. Wenn dem so wäre, würden wir Linienspektren in der Strahlung sehen. Das Spektrum ist ein kontinuierliches Schwarzkörperspektrum ohne erkennbare Schmalbandlinien. Die Strahlung wird durch mechanische, anharmonische, Newtonsche Bewegung induziert. Der Grund, warum das Filament leuchtet, nachdem der Strom ausgeschaltet ist, ist einfache thermische Trägheit. Während wir hier sprechen, gibt Ihre Haut derzeit durch diesen Mechanismus Schwarzkörperstrahlung ab, offensichtlich bei einer niedrigeren Temperatur. Sogar flüssiges Helium strahlt ein Schwarzkörperspektrum aus.
@barry richtig, danke, die Anregung ist (wie Sie sagen, induziert durch) die Streuung von Elektronen. Was ich beschreibe, ist die Relaxation der Moleküle, die als strahlender Übergang bezeichnet wird. Aber ich werde zur Verdeutlichung bearbeiten.
@ÁrpádSzendrei Vielen Dank für diese Ergänzung. Tatsächlich ist der Mechanismus der Energieübertragung zwischen dem Strom und dem Filament ein Teil meiner Frage. Was mich verwirrt ist, dass ich mir ein stromführendes Material als Metall, also als kristallinen Festkörper, vorstelle. Die Wärmeübertragung erfolgt also hauptsächlich durch die Elektronen, obwohl Gitterschwingungen eine Rolle spielen können, und es ist nicht ganz klar, was die "Moleküle" sind, die in diesem Fall Licht emittieren.
Wie wird Licht von einer Glühlampe abgegeben?
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