Grundlagen der Lichttechnik

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Beleuchtungs- und Signalanlage

Grundlagen der Lichttechnik

zueltzt bearbeitet am 22.01.2004

Licht ist ein kleiner Teil aller elektromagnetischer Wellen.
Welche Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie gibt es?.
Ein paar Grundbegriffe zur Lichttechnik werden erläutert (Beispiele / Tabellen).

Spektrum

Licht und Materie

Licht ist ein kleiner Ausschnitt aus dem gesamten Bereich der elektromagnetischen Wellen.
Zu dieser "Familie" gehören ausser dem Licht noch folgende Mitglieder:

Fahrstrom der DB (16,67Hz,15kV)
technischer Wechselstrom (50 Hz Europa ,60Hz USA)
niederfrequente Wellen (Audio-Bereich 20Hz- 20kHz)
Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen u. UKW (Rundfunk)
VHF, UHF -Bereiche (TV)
Radar bzw. Microwellen (Küche / Flugsicherung, Abstandsmessung am Kfz)
Infrarot (Wärmestrahlung)
Licht
UV (Sonnenstudio, Sonne, Ozonschild)
Röntgen (Medizintechnik, Werkstoffprüfung)
Gammastrahlung (Kernversuche, Weltraumstrahlung)

Ein Prisma zerlegte das weisse Sonnenlicht in seine Spektralfarben. Diese beleuchteten eine Schrankwand und wurden dort abfotografiert.

Wellenlänge l, die Frequenz f und Lichtgeschwindigkeit c stehen in folgender Beziehung zueinander:

f * l = c.

Diese Wellen breiten sich im Vakuum etwa mit der Geschwindigkeit von c = 300000km/s aus. Z.B. benötigt das Licht für die Strecke von der Sonne zur Erde (ca 150 Mio km) ungefähr 8 Minuten.
In Luft, Wasser oder Glas ist Licht ist Licht langsamer.
Je kürzer die Wellenlänge (d.h. je höher die Frequenz), desto gefährlicher und durchdringender wird die Strahlung.
Das sichtbare weisse Licht (Tageslicht, Scheinwerferlicht, ...) ist eine Mischung aus vielen verschiedenen Wellenlängen, die man z.B. mit einem Prisma oder durch Regentropfen in die einzelnen Spektralfarben zerlegen kann.
Ein Farblaser oder eine Leuchtdiode erzeugen dagegen Licht in einem sehr engen Frequenzbereich, also monochromatisches (einfarbiges) Licht. Eine Glühlampe erzeugt ein Spektrum, das je nach Glühfadentemperatur von weitem Infrarot bis in den UV- Bereich hineinreichen kann.
Dabei wird der grösste Teil der elektrischen Energie in Wärmestrahlung und nicht in sichtbares Licht umgewandelt.
Farbfilter lassen nur einen eng begrenzten Ausschnitt aus dem Lichtspektrum hindurch. Denken Sie z.B. an die Streuscheiben der Blinklichter oder die Färbung der Glaskolben der Blinklampen.
Aufgaben

Licht und Materie

Lichtausbeute

Es gibt drei verschiedene Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie:

Transmission :

Licht durchdringt die Materie, z.B. Glas, Lichtwellenleiter, Wasser,...

Reflektion :

Licht wird an der Oberfläche der Materie gespiegelt
(Reflektoren im Scheinwerfer, Satelittenschüsseln, Rückspiegel,Schnee)

Absorption:

Licht dringt in die Materie ein, gibt aber dort seine Energie insgesamt oder teilweise ab
(Wasser, Wolken, Filter).

Häufig ereignen sich mehrere Prozesse an / in einem Bauteil gleichzeitig: So wird ein (kleiner) Teil des Lichts der Lampe beim Auftreffen auf das Scheinwerferabdeckglas an dessen Oberfläche reflektiert, der Rest tritt in das Glas ein.
Davon wiederum wird ein Teil im Glas absorbiert und erwärmt es.
Der verbleibenden Teil wird an der zweiten Grenzfläche (Glas/ Luft) z.T. ins Glas reflektiert oder tritt dort aus und beleuchtet die Strasse.

Der Satz von der Energieerhaltung bedeutet in diesem Fall, dass die Summe aus reflektiertem, absorbiertem und transmittiertem Licht gleich dem einfallenden Licht sein muss.
Die Koeffizienten für die Absorption a , Reflektion r und Transmission t werden in % angegeben und es gilt:

a + r + t = 1

Lichtausbeute

Die Lichtausbeute verschiedener Lichtquellen zeigt das Diagramm. Dieser Begriff ist zwar nicht dasselbe wie der Wirkungsrad, meint aber etwas ähnliches, denn schließlich ist das sichtbare Licht einer Lampe der Nutzen, während die in die Lampe hineingepumpte elektrische Leistung den Aufwand darstellt.

Moderne (2009) LEDs schaffen 120 Lumen/Watt, 150 Lumen/Watt sind in der Entwicklung (BdW 10/09).

Lichtausbeute

Leuchtdichte

Beleuchtungsstärke

Leuchtdichten verschiedener Lichtquellen

Die Leuchtdichte ist eine Eigenschaft einer Lichtquelle. Sie wird gemessen in cd/m². Je punktförmiger eine Lichtquelle ist bei gleichem Lichtstrom, desto größer ist also ihre Leuchtdichte. Für Scheinwerferlampen strebt man möglichst große Leuchtdichten an, d.h. auch möglichst punktförmige Lichtquellen, da das so erzeugte Licht sich idealer durch Reflektoren und / oder Linsensysteme verteilen lässt.
Bremslicht oder Begrenzungslicht muss dagegen nicht unbedingt punktförmig sein. Für Betrachtungssgeräte von Filmnegativen, Dias oder Röntgenaufnahmen, bei Reklametafeln oder beleuchteten Hinweisschildern wählt man im Idealfall Lichtquellen, die groflächig und gleichmäßig ihr Licht abgeben, also verhältnismäßig kleine Leuchtdichten aufweisen.

Ein feines Glossar /Fachlexikon zur Lichttechnik findet man bei OSRAM. Aus dieser Quelle stammen auch die Abbildungen oben.

Leuchtdichte

Beleuchtungsstärke

Lichtstärke

Die Beleuchtungsstärke gibt an, wie hell eine Fläche ausgeleuchtet wird. So schreibt die StVZO z.B. für das Fernlicht z.B. Mindestbeleuchtungsstärken vor, bzw Höchstbeleuchtungsstärken beim Abblendlicht in bestimmter Höhe über der Fahrbahn.
Die Berufsgenossenschaften verlangen unterschiedliche Mindestbeleuchtungsstärken an den verschiedenen Arbeitsplätzen.

Beleuchtungsstärke in Lux	Situation
klare Neumondnacht, Orienterung möglich	0,01
Vollmond, lesen möglich	0,24
nächtliche Straßenbeleuchtung, Beginn der Farbunterscheidung	1 ... 50
gute Arbeitsbeleuchtung	200 ... 2000
trüber Wintertag	200 ... 4000
Sommertag, bedeckter Himmel	10000 ... 30000
Sommersonne mittgas, davon Sonne allein sonstiger klarer Himmel	bis 100000 80000 20000

Beleuchtungsstärke

Lichtstärke

Seitenende

Lichtstärke einige Kfz-Lampen in cd (Candela)
Lichtquelle	Lichtstärke (cd)
Kennzeichenbeleuchtung	>1
Bremsleuchten	40 ... 100
Nebelschlussleuchte	150 ... 300
gute Blinkleuchten	400 ... 700
Fernlicht	45000 ... 60000
Leuchtdioden, einzeln	0,001 ... 20 (Conrad-Katalog 2004)

Quelle : mot 25/2001

Die Lichtstärke ist eine Eigenschaft von Lichtquellen. Früher galt als Vergleichswert die "Helligkeit" eine Stearinkerze mit bestimmter Dochtlänge unter bestimmten Bedingungen. Von daher stammt auch noch der Name der Einheit candela (cd) =candle= Kerze). Diese Lichtstärke ist eine der sieben Grundgrößen der Physik / Technik/ des SI (Systeme international (der Einehiten)).

Heute gilt folgende Definition

Die Candela ist die Lichtstärke einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540*10¹²Hz in eine bestimte Richtung aussendet, in der die Strahlstärke 1/683 W/sr beträgt.

sr = Steradiant , der Raumwinkel, der als Kreiskegel mit der Spitze im Mittelpunkt einer Kugel mit Radius 1m aus der Kugeloberfläche eine Kalotte der Fläche 1m² ausschneidet.

Die Oberfläche einer Kugel ist 4 * Pi * r². Die Oberfläche einer Kugel mit 1m Radius beträgt also 12,57m².
Daher erzeugt eine in alle Richtungen gleichmäßig strahlende Punktlichtquelle von 1cd einen totalen Lichtstrom von 12.57 lm.
Da die meisten Lichtquellen keine Punktlichtquellen sind, kann man mit diesem Verhältnis nur sehr grobe Abschätzungen erzielen.

Licht mit der Frequenz 540*10¹²Hz hat die Farbe grün. Hier hat das menschliche Auge seine größte Empfindlichkeit.

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