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Anregungen und

Materialien

Beleuchtungssituationen untersuchen und bewerten

Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-NC-SA 3.0)

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Inhaltsverzeichnis

1 Einführung...................................................................................................................... 3

2 Fachliche Grundlagen .................................................................................................... 3

2.1 Bedeutung des Lichts für den Menschen ............................................................... 3

2.2 Beurteilung von Beleuchtungssituationen............................................................... 4

2.3 Lichttechnische Grundgrößen ................................................................................ 5

2.4 Normen für die Beleuchtung .................................................................................. 8

2.5 Lampen und Leuchten ........................................................................................... 9

3 Didaktisch-methodische Anregungen ............................................................................12

3.1 Projektgliederung ..................................................................................................13

3.2 Materialien und Hinweise zu den einzelnen Lernstationen ....................................14

3.3 Kerzen selbst hergestellt.......................................................................................30

3.4 Partybeleuchtung..................................................................................................34

Literaturhinweise ..................................................................................................................35

Abbildungsverzeichnis..........................................................................................................36

Impressum:

Autoren: Dr. Hans-Peter Pommeranz

Herausgeber: Landesinstitut für Schulqualität und Lehrerbildung von Sachsen-Anhalt (LISA)

Layout: Dr. Hans-Peter Pommeranz

Druck:

ISSN:

LISA Halle(Saale) 2014 - 1. Auflage


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1 Einführung Im Zentrum dieses Kompetenzschwerpunktes steht eine von den Schülerinnen und Schülern selbst gewählte Beleuchtungssituation, die analysiert und für die eine geeignete Leuchte entwickelt, gebaut und erprobt werden soll. Die Beleuchtungssituation und damit auch die zu entwickelnde Leuchte erfordern eine komplexe Betrachtungsweise unter physikalischen, physiologischen, technischen, wirtschaftlichen, ergonomischen, ästhetischen u. a. (z. B. haushaltsbezogenen) Aspekten, die beachtet und gegeneinander abgewogen werden müs-sen. Die dazu notwendigen fachlichen Grundlagen sollen sich die Schülerinnen und Schüler vor allem über die praktische Auseinandersetzung, die unmittelbare Erfahrung, das eigene Tun so aneignen, dass diese auch auf andere Beleuchtungssituationen anwendbar sind.

Exemplarisch soll den Schülerinnen und Schülern am Beispiel eines Beleuchtungsproblems verdeutlicht werden, dass es in Alltagssituationen nie reine technische Problemstellungen gibt, sondern vielfältige Bedürfnisse, Interessen und Möglichkeiten, aber auch gesetzliche Vorschriften die möglichen Lösungen eingrenzen. Gerade, weil als Lösung für ein bestimm-tes Beleuchtungsproblem auch bei Beachtung bestimmter Vorgaben (z. B. Nennbeleuch-tungsstärke) immer noch viele unterschiedliche Leuchten möglich sind, sollte eine zu starke Eingrenzung und Vereinheitlichung der Lösung (z. B. durch Materialzwänge) und damit eine Einschränkung der individuellen Entfaltungsmöglichkeiten der Schülerinnen und Schüler vermieden werden.

Auch bei diesem Kompetenzschwerpunkt ist gemeinsam zu entscheiden, ob die zu bauende Leuchte für den Eigenbedarf, als Auftragsarbeit (z. B. für den Diskokeller der Schule) oder für den Markt (z. B. Kerzen für den Weihnachtsbasar) gefertigt werden soll. Diese Entschei-dung hat nicht nur Einfluss auf die inhaltliche Gestaltung sondern auch auf die Finanzierung der benötigten Materialien.

Bei der Herstellung von Lampen und Untersuchungen des von ihnen untersuchten Lichtes sind die gesetzlichen Bestimmungen einzuhalten.

2 Fachliche Grundlagen 2.1 Bedeutung des Lichts für den Menschen Der Mensch nimmt über 80 % der Informationen über die Augen auf. Dazu benötigt er Licht. Das Licht dient aber nicht nur dem Sehen, sondern es beeinflusst Wohlbefinden, Arbeitsleis-tung und den Lebensrhythmus. Am angenehmsten empfindet der Mensch das Tageslicht, da sich die Augen über Jahrtausende dieser Strahlung angepasst haben. Eine gute Beleuch-tung mit künstlichen Lichtquellen sollte dieser Empfindung möglichst nahe kommen.

Licht kann aber auch als störend empfunden werden, denkt man nur an die Blendwirkung eines in der Nacht entgegenkommenden Autos, die „Lichtverschmutzung“ des Abendhim-mels über Städten, die kaum noch einen klaren Blick auf die Milchstraße ermöglicht, oder das störende Licht der Straßenbeleuchtung, das z. B. in Schlafräume fällt.

Die Wirkung des Lichtes auf den Menschen geht wesentlich über die reine Sehfunktion hin-aus. Die vom Auge aufgenommenen Strahlen bzw. die von der Netzhaut weitergeleiteten Nervensignale gelangen nicht nur zum Sehzentrum im Gehirn, sondern werden auch an das vegetative Nervensystem weitergeleitet. Hier erfolgt u. a. die Steuerung der Hormondrüsen und der Zell-Stoffwechsel. Damit hat Licht Einfluss auf das Wachstum (Größenzunahme in Europa in den letzen 100 Jahren um 9 cm), den Stoffwechsel, den Kreislauf und die Leis-tungsbereitschaft des Menschen. Erst bei annähernd gleichen Verhältnissen wie bei Tages-licht sind optimale Bedingungen für Aktivität und Vitalität gegeben. Lichtmangel (insbesonde-re im Winterhalbjahr) kann sich negativ auf die Gemütsverfassung auswirken, führt zu erhöh-ter Reizbarkeit, Mattigkeit und verminderter Konzentrationsfähigkeit


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2.2 Beurteilung von Beleuchtungssituationen Eine gute Beleuchtung in Wohnräumen, aber auch in zunehmendem Maße von Arbeitsstätten wird von den Kriterien Sehleistung, Sehkomfort und Ambiente bestimmt.

Sollen bestimmte Sehaufgaben (z. B. Lesen eines Buches, Montieren eines Gerätes) gelöst werden, so ist eine konkrete Sehleistung zu erbringen, die eine ganz bestimmte Beleuch-tungsstärke erfordert. Dafür wurden nationale bzw. internationale Normen festgelegt (vgl. S. 8).

Aber nicht nur die Helligkeit allein ist für das Wohlbefinden bei dieser Sehaufgabe aus-schlaggebend, sondern auch die Lichtfarbe, die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung (Hell-Dunkel-Kontraste), die Blendfreiheit oder die Farbwie-dergabe.

Schließlich spielt auch die Gestaltung der Leuch-ten selbst und der Beleuchtsituation des ganzen Raumes für die Stimmung, mit der eine Sehaufgabe bewältigt wird, eine bedeutende Rolle.

Merkmale für die Beurteilung einer Beleuchtungssituation:

• Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte (Beachtung der zeitlichen und räumlichen Verän-derungen)

Die Leuchtdichteverteilung ist entscheidend für die optische Kommunikation, für die Behaglichkeit und das Wohlempfinden. Ein ausgewogenes Verhältnis besteht, wenn die Leuchtdichte der Sehaufgabe 100 % und die der Umgebung 20 % bis 70 % be-trägt.

• Gleichmäßigkeit der Beleuchtung (z. B. bei Gehwegen)

• Blendungsbegrenzung

Diese Begrenzung ist insbesondere bei der Beleuchtung von Bildschirmarbeitsplät-zen wichtig, da durch Spiegelungen die Sehaufgabe erschwert werden kann.

• Lichtrichtung/Abschattung

Besonders bei Beleuchtung von Gebäuden oder besonderen Räumen (z. B. in Gast-stätten) wird durch die Lichtrichtung und Schattenbildung das körperliche Sehen, die Raumwirkung unterstützt. Bei Einzelplatzbeleuchtungen sollten keine störenden Halb-schatten auftreten.

• Lichtfarbe/Farbwiedergabe

Für normale Raumbeleuchtungen wird warmweißes (ww) oder neutralweißes (nw) Licht empfohlen, während tagesweißes (tw) Licht einen unangenehmen, farb- und leblosen Raumeindruck erzeugt (vgl. auch Tabelle S. 10). Die Farbwiedergabe ist bei Glühlampen und Leuchtstofflampen relativ gut, da die spektrale Zusammensetzung des von ihnen erzeugten Lichtes der des Sonnenlichts sehr ähnlich ist. Natrium-Hochdrucklampen haben eine schlechte Farbwiedergabe, da ihr Spektrum nur einen geringen Teil des Sonnenlichtes umfasst.

Die Wertigkeit dieser einzelnen Merkmale als Kriterien ist von der ganz konkreten Beleuch-tungsaufgabe abhängig, z. B.:

- Arbeitsplatzbeleuchtung in der Industrie, in der Schule oder im Haushalt zur Durch-führung einer bestimmten Tätigkeit,

gute

Beleuchtung

Sehaufgaben lösen

Wohlbefinden Stimmung Gefühl

Abb. 1: Kriterien für eine gute Beleuchtung


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- Straßenbeleuchtung zur Gewährleistung der Sicherheit,

- Gebäudebeleuchtung zur Unterstützung der architektonischen Wirkung.

Es ist damit immer zu unterscheiden, ob die Beleuchtung vorrangig zum Verrichten einer ganz bestimmten Tätigkeit oder zum Erzeugen einer besonderen Atmosphäre dienen soll. Dabei sind besonders zu untersuchen:

- die Lichtquelle (Quantität und Qualität des ausgesendeten Lichtes),

- die Leuchte (Erscheinungsbild, Art und Weise der Lichtverteilung),

- die Position der Leuchte.

2.3 Lichttechnische Grundgrößen Licht

Als Licht bezeichnet man nur diejenige Strahlung, die man „sieht“. Dagegen ist ultraviolette und infrarote Strahlung un-sichtbar, obwohl das Auge sie wahr-nimmt und von ihr geschädigt werden kann. Die Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges hängt sowohl von der in das Auge tretenden Strahlungs-leistung als auch von der Wellenlänge des Lichtes ab. So wird Licht der Wellen-länge λ = 555 nm (grün) deutlich heller wahrgenommen als gleichstarkes Licht der Wellenlängen λ = 420 nm (violett) oder λ = 750 nm (rot) (vgl. Abb. 2).

Lichtstrom Φ

Da die Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges von der spektralen Zusammen-setzung des Lichtes abhängt, ist die eigentliche Strahlungsleistung einer Lichtquelle wenig aussagefähig. Man führt deshalb die Größe Lichtstrom φ mit der Einheit Lumen (lm) ein. Un-ter dem Lichtstrom versteht man die gesamte von einer Strahlungsquelle abgegebene Strah-lungsleistung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.

Lichttechnische Vergleichsdaten

Lichtquelle Lichtstrom

in lm Leistung

in W Lichtausbeute

in lm/W

Wachskerze 10

Glühlampe 1380 100 13,8

Niedervolt-Halogenglühlampe 630 35 18

Kompakt-Leuchtstofflampe 1200 20 60

Tab. 1: Vergleich lichttechnischer Daten verschiedener Lichtquellen

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

400 450 500 550 600 650 700 750

Tagessehen Nachtsehen

Wellenlänge λ in nm

V(λ)

Abb. 2: Spektrale Empfindlichkeit V(λ) des menschli-chen Auges als Funktion der Wellenlänge


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Lichtmenge Q

Die Lichtmenge Q (Einheit slm ⋅ ) ist das Produkt aus dem Lichtstrom Φ und der Zeit t, in der beleuchtet wird:

tQ ⋅Φ= .

Die Lichtmenge ist u. a. ein wichtiges Kriterium bei der Berechnung der Beleuchtungskosten, bei Problemen im Zusammenhang mit der Beeinflussung von Materialien (z. B. das Ausblei-chen von Stoffen) oder bei der Belichtung von Filmen.

Lichtstärke I

Die Lichtstärke I (Einheit Candela cd) beschreibt die Lichtmenge, die in eine Richtung aus-gestrahlt wird:

Ω

Φ=I (dabei ist Ω der Raumwinkel).

Die Einheit Candela (Kerze) ist als Grundgröße der Beleuchtungstechnik eine der sieben SI-Einheiten. Eine normale Kerze, die ihr Licht gleichmäßig in den Raum abstrahlt, hat eine Lichtstärke von 1 cd.

Beleuchtungsstärke E

Die Beleuchtungsstärke E (Einheit Lux lx) ist der Quotient aus dem auf eine Fläche auftref-fenden Lichtstrom Φ und der beleuchteten Fläche A:

AE Φ

= .

Beispiele Sternennacht 0,01 lx

Vollmondnacht 0,25 lx

Baustellenbeleuchtung 20 lx

Bürobeleuchtung 500 lx

Fußballstadion 1000 lx

sonniger Sommertag 80 000 lx

Leuchtdichte L

Die Leuchtdichte L (Einheit Candela pro Quadrat-

meter 2m

cd ) ist ein Maß für den Helligkeitseindruck,

den das Auge von einer selbstleuchtenden oder beleuchteten Fläche hat. Sie ist die einzige licht-technische Größe, die man „sehen“ kann:

pAIL = .

Dabei ist Ap die Projektion der beleuchteten Fläche A in eine zur Blickrichtung senkrechte Ebene.

Die Leuchtdichte beschreibt die psychologische Wirkung des Lichts auf das Auge. Eine hohe Leuchtdichte (z. B. ungeschützte Blick in Niedervolt-Reflektorlampen, in Halogen-Glühlampen oder in die Sonne) verursacht Blendungen und kann das Auge schädigen.

I

Ap A

Abb. 3: Definition der Leuchtdichte


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Sonne 25

cm

cd105,1 ⋅

Glühlampe 23

cm

cd105,1 ⋅

Beispiele:

Kerze 2cm

cd8,0

Zusammenhang der wichtigsten Grundgrößen

Die Leuchtdichte wird nicht nur von der Licht-stärke der Lampe, sondern auch von den opti-schen Eigenschaften des Materials beeinflusst, welches das Licht zum Betrachter reflektiert (Abb. 4) oder teilweise absorbiert (z. B. Lam-penschirm). Deshalb sind im Folgenden einige dieser Materialeigenschaften aufgeführt:

Reflexionsgrade Transmissionsgrade*

Material Reflexionsgrad Material Transmissionsgrad

Spiegel (versilbert) 90 – 94 % klares Glas 90 – 92 %

Aluminium (glänzend) 80 – 85 % mattes Glas 60 – 80 %

weiße Wand, weiße Decke 70 – 80 % trübes Glas 30 – 60 %

weißes Zeichenpapier 70 – 85 % weißes Gewebe 40 – 60 %

helle Holzplatte 40 – 50 % graues Gewebe 20 – 40 %

heller Mörtel 40 – 50 % weißes Papier 80 – 85 %

Beton 20 – 30 %

roter Ziegelstein 15 – 25 %

schwarzer Samt 2 – 4 %

* Der Anteil des Lichtes, der jeweils durchgelassen wird, hängt in entscheidendem Maße auch von der Schichtdicke ab. So ist auch hinreichend dün-nes Gold (Blattgold) durchsichtig.

Tab. 2: Reflexions- und Transmissionsgrade verschiedener Materialien

Lichtstrom

Leuchtdichte

Reflexionsgrad

Abb. 4: Das Auge sieht Leuchtdichten, nicht Beleuchtungsstärken


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2.4 Normen für die Beleuchtung Im Folgenden sind lichttechnische Normen für alltägliche Beleuchtungssituationen aufge-führt, die entweder international gelten (ISO – internationaler Standard) oder empfohlen wer-den (CIE – Internationale Beleuchtungskommission) bzw. nur in Deutschland Gültigkeit ha-ben (DIN – Deutsches Institut für Normung). Die in diesem Zusammenhang wichtigste Norm (DIN 5034) ist die für die sogenannte Nennbeleuchtungsstärke En in Lux. Die Nennbeleuch-tungsstärke ist der örtliche Mittelwert der Beleuchtungsstärke, der bei einem mittleren Alte-rungszustand der Beleuchtungsanlage in einer Höhe von 0,85 m über der Oberfläche des Fußbodens (bei Straßen auf den Boden) erreicht werden muss.

Allgemeiner Bereich Nennbeleuchtungsstärke in lx

ISO 100 Korridore

DIN 50

ISO 150 Treppen

DIN 100

Umkleideräume ISO 100

ISO 150 Waschräume

DIN 100

ISO 150 Toiletten

DIN 100

Klassenräume

ISO 500 Allgemeinbeleuchtung

DIN 300...500

Tafelbeleuchtung ISO 500

Experimentiertisch ISO 750

Wohnungen/häusliche Tätigkeiten

Küche (Arbeitsbereich) CIE 300...500

Küchentisch CIE 100...200

Lesen CIE 200...300

Nähen, Handarbeit CIE 300...500

Badezimmer CIE 100...200

Wohnzimmer CIE 100

Straßenbeleuchtung (Kennwerte für Fußgänger)

Gehbahn DIN 4 Wohngebiete

Fahrbahn DIN 7

Stadtzentrum DIN 20

Vorstadt DIN 10

Geschäftsbereich

Dorfzentrum DIN 5

Tab. 3: Gesetzliche Vorschriften für Nennbeleuchtungsstärken (Auswahl)

Weitere in diesem Zusammenhang bedeutsame Normen sind die DIN 5031 (Strahlenphysik im optischen Bereich), DIN VDE 0710 (Vorschriften für Leuchten unter 1000 V), DIN VDE 0711 (Leuchten), DIN VDE 0715 (Lampen).


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2.5 Lampen und Leuchten Unter einer Lampe versteht man die technische Ausführung einer künstlichen Lichtquelle. Das zu Beleuchtungszwecken eingesetzte künstliche Licht wird im Wesentlichen durch Glüh-lampen oder durch Gasentladungslampen erzeugt. Daneben wird Licht auch beim Verbren-nen (z. B. Kerzen, Öllampen), durch Vorgänge in Halbleitern (z. B. LED, Laser) und durch Chemilumineszenz (z. B. Leuchtziffern des Weckers) abgestrahlt.

Temperaturstrahler

Normale Glühlampen, aber auch Halogenglühlampen gehören zu den Temperaturstrahlern, die ein kontinuierliches Spektrum aussenden.

Durch die Wärmebewegung der einzelnen Moleküle bzw. Atome geben diese (als beschleunigte Ladungen) elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellen-länge ab. Die Lage des Maximums der abgegebenen Strahlungsleis-tung verschiebt sich mit steigender Temperatur immer mehr vom infra-roten in den blauen Bereich. Da das Auge nur die Mischfarbe wahr-nehmen kann, erscheint das Son-nenlicht (mit dem Intensitätsmaxi-mum im Grünen) als weißes Licht.

Gasentladungslampen

Bei Gasentladungslampen gehören Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen, Halogen-Metalldampflampen, Natrium- und Quecksilberdampflampen und die sogenannten Energiesparlampen.

In einer mit Gasen oder Metalldämpfen gefüllten Glasröhre werden Elektronen beschleunigt und stoßen auf ihrem Weg von der Katode zur Anode auf die Atome der Gasfüllung. Beim Zusammentreffen werden diese ionisiert (Stossionisati-on) und angeregt. Das heißt, Elektronen springen auf ener-giereichere Außenbahnen. Beim Zurückspringen (siehe Abb. 6) wird Licht mit einer ganz bestimmten Wellenlänge (zu-meist im ultravioletten Bereich) frei. Durch die an der Innen-seite der Entladungsröhre angebrachte Leuchtschicht wird diese Strahlung teilweise in sichtbares Licht umgewandelt.

Leuchten sind Geräte, die zur Verteilung, Filterung oder Umformung des Lichtes von Lam-pen dienen. Man kann Leuchten nach dem Verwendungszweck einteilen in Leuchten für

- Beleuchtungszwecke zur Allgemeinbeleuchtung (z. B. Wohnraumleuchten, Straßen-leuchten) oder Arbeitsplatzbeleuchtung (z. B. Schreibtischleuchten),

- Leuchtzwecke (z. B. Werbeleuchten, Lichterketten).

Abb. 6: Abgabe eines Lichtquants beim Sprung eines Elekt-rons vom höheren zum niedrigeren Energieniveau

Abb. 5: kontinuierliches Spektrum eines Temperaturstrahlers

rotes Licht

blaues

Licht


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LED (light-emtting diode)

Eine LED ist vom Prinzip her eine in Durchlassrichtung geschaltete Halbleiterdiode. Diese besteht aus zwei mit unterschiedlichen Fremdmaterial versetzten Schichten:

- einer p-leitenden Schicht

In ein Halbleitermaterial, das aus Atomen mit jeweils vier Außenelektronen besteht (z. B. Germanium, Silizium), werden Atome mit jeweils drei Außenelektronen einge-baut (z. B. Indium). Dadurch fehlt im Kristallgitter jeweils ein Elektron für eine kom-plette, energiegünstige Achterschale. Man bezeichnet diese Fehlstelle als positives Loch. Wenn von außen Elektronen in diese Schicht gelangen, dann füllen sie das Loch. Damit wandert das Loch in entgegen gesetzter Richtung.

- einer n-leitenden Schicht

In ein Halbleitermaterial, das aus Atomen mit jeweils vier Außenelektronen besteht (z. B. Germanium, Silizium), werden Atome mit jeweils fünf Außenelektronen einge-baut (z. B. Indium). Dadurch ist für die komplette, energiegünstige Achterschale ein Elektron zuviel vorhanden. Dieses kann sich als negativer Ladungsträger frei bewe-gen.

Werden die beiden Schichten übereinander angeordnet, dann treten die freien Elektronen der n-Schicht in die p-leitende Schicht und füllen dort die Löcher. Dadurch wird Energie in Form von Licht frei. durch die von außen an-gelegte Spannung werden immer neue Elektronen in die n Schicht geleitet und können erneut die Löcher füllen (Abb. 7).

Das verwendete Halbleitermaterial bestimmt die jeweils frei werdende Energie und damit die Farbe des Lichts, z. B.:

Farbe Wellenlänge λλλλ Halbleitermaterialien

rot 610 nm < λ < 760 nm GaAs/AlGaAs

orange 590 nm < λ < 610 nm GaAsP/AlGaAsInP

gelb 570 nm < λ < 590 nm InGaN/GaN

grün 500 nm < λ < 570 nm AlGaP/AlGaP

blau 450 nm < λ < 500 nm SiC/ZnO

Tab. 4: Lichtfarben verschiedener LDE

Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar. Die Lichtstärke wächst proportional mit der Strom-stärke.

Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht, ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig. Dadurch wird das Licht gestreut. Durch das linsenförmige Ge-häuse wird das Licht gebündelt. So können Leuchtdioden schon mit wenigen geringen Stromstärken sehr hell leuchten.

Abb. 7: Aufbau einer Leuchtdiode

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Lampe Leistung Lichtausbeute Farbtemperatur1 Farbwiedergabe2 Lebensdauer3 Einsatzbereiche

Glühlampe 25 W – 150 W 10 – 20 lm/W 2800 K (ww) sehr gut 1000 h Wohnbereich

Halogenglühlampe 60W – 2000 W 25 lm/W 3100 K (ww) sehr gut 2000 – 3500 h Wohnbereich

2700 K (ww) sehr gut Wohnbereich

4200 K (nw) gut Arbeitsräume Leuchtstofflampe 18 W – 58 W 62 – 95 lm/W

6500 K (tw) schlecht

7500 h

Verkaufsräume/Krankenhaus

Kompaktleucht-stofflampe

(Energiesparlampe) 5 W – 55 W 28 – 74 lm/W 2700 K (ww) sehr gut 8000 h Wohnräume

2700 K (ww) b sehr gut LED 3 mW - 100 mW 100 lm/W

6000 K (tw) gut 15.000 h

Wohnbereich Fahrzeuge

Natriumdampf-Niederdrucklampe

18 W – 180 W 100 – 183 lm/W (nur gelbes Licht der Wellenlänge 589 nm)

schlecht 9000 h Straßen Großindustrie Gebäudeanstrahlung

Natriumdampf-Hochdrucklampe

50 W – 1000 W 60 – 150 lm/W 2000 K (ww) gut 16 000 h Straßen

2900 K (ww) sehr gut Quecksilberdampf-Hochdrucklampe

50 W – 1000 W 32 – 60 lm/W 4200 K (nw) gut

10 000 h Verkehrsanlagen Baustellen Gebäudeanstrahlung

Halogen-Metalldampf-Lampe

35 W – 3500 W 67 – 95 lm/W 3000 K (ww) sehr gut 6000 h Fußgängerzonen Sportplatz Museen

Tab. 5: Technische Parameter zu ausgewählten Lampen

1 Unter der Farbtemperatur einer Lichtquelle versteht man diejenige Temperatur, die ein schwarzer Körper haben müsste, um ein in der spektralen Zusammensetzung gleichartiges Licht auszu-

senden. 2 Eine Lichtquelle besitzt dann eine gute Farbwiedergabe, wenn die Körperfarben eines beleuchteten Objektes genauso wiedergegeben werden wie im Sonnenlicht. 3 Unter Lebensdauer einer Lampe wird die technisch sinnvolle Lebensdauer verstanden, d. h. die Zeit, in der die Lichtausbeute mindestens noch 80 % der Nennleistung beträgt. (Diese Zeit ent-

spricht ungefähr der mittleren Brenndauer einer Lampe.) Nach dieser Zeit ist die Lampe (wenn auch eingeschränkt) noch funktionstüchtig.


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3 Didaktisch-methodische Anregungen Entsprechend den Zielstellungen des Kurslehrplanes sollte auch dieses Thema projektorien-tiert behandelt werden, d. h. mit den Schülerinnen und Schülern wird nicht nur die konkrete Variante der Gestaltung des Kompetenzschwerpunktes abgestimmt, sondern auch das un-terrichtliche Vorgehen geplant. Die im Abschnitt 3.1 dargestellte Projektgliederung ist eine Möglichkeit, den Unterrichtsverlauf entsprechend zu strukturieren:

Projektphasen (allgemein) Projektphasen (konkretisiert)

1 Projektinitiative Betrachtung einer gewählten Beleuchtungssituation und Finden geeigneter Fragestellungen und Lösungsansätze

2 Erarbeitung fachlicher Grundlagen in Lernstationen

3 Projektplanung Entwicklung einer Konstruktion und Technologie für eine technische Lösung

4 Projektbearbeitung Herstellung und Erprobung einer Leuchte

5 Abschluss des Projektes Präsentation bzw. Vermarktung und Auswertung der Vor-gehensweise

Tab. 6: Phasen des Projektes Licht

Die in die eigentliche Projektbearbeitung eingeschobene zweite Phase dient der konzentrier-ten Vermittlung der fachlichen Grundlagen, die über die einzelne, konkret ausgewählte Be-leuchtungssituation hinausreicht und damit die im Pflichtunterricht erworbene Allgemeinbil-dung vertieft und erweitert. Das in dieser Phase von den Schülerinnen und Schülern erwor-bene Wissen und Können kann auch zum Gegenstand eventueller schriftlicher Kontrollen gemacht werden.

Es wird vorgeschlagen, als methodische Gestaltung dieser Phase das „Stationenlernen“ zu wählen. Dafür werden im Abschnitt 3.2 Anregungen gegeben. Diese können aber auch für eine andere Unterrichtsgestaltung (z. B. Frontalunterricht, Gruppenexperimente in gleicher Front) genutzt werden.

Ebenfalls im Abschnitt 3.4 sind für zwei Varianten des Projektes (Kerzen, Partybeleuchtung) Hinweise zur Herstellung von Leuchten dargestellt. Weitere Varianten wären z. B. die Gestal-tung von Lampenschirmen oder die Herstellung von Lichteffekten für Wand- bzw. Deckenbe-leuchtung. Vielfältige Hinweise dazu finden sich in der angegebenen Literatur, insbesondere bei Pütz.


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3.1 Projektgliederung

Beleuchtungsproblem

Ziele Forderungen Wünsche

Fragestellungen

Erarbeitung fachlicher Grundlagen in

Lernstat ionen

Beleuchtung von Unterrichtsräumen

Licht und Zu wenig Licht (Arbeitsplatzbe-

leuchtung)

Bau eines Luxmeter

Lichtausbreitung Geschichte der Lichtquellen

Lichtquellen in der heutigen Zeit

Spiele, Rätsel

Präsentation oder Vermarktung

Installations-schaltungen

Entwicklung verschiedener technischer und

gestalterischer Varianten

Entscheidung für eine Variante

Entwicklung der Konstruktion

Entwicklung der Technologie

Herstellung

1. – 2. Stunde

23. – 26. Stunde

10. – 22. Stunde

3. – 9. Stunde


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3.2 Materialien und Hinweise zu den einzelnen Lernstationen In der Übersicht auf der folgenden Seite werden die an den einzelnen Stationen anzustre-benden Bildungsziele, die dazu notwendigen bzw. möglichen Aktivitäten sowie die benötig-ten Materialien angegeben. Die Stationen dienen als Anregung; sie können reduziert oder durch andere ergänzt werden. Die Anzahl der Stationen richtet sich neben der Größe des Kurses, den Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler mit dieser Art der Unterrichtsgestal-tung auch nach den bestehenden räumlichen Bedingungen. In jedem Fall ist zu prüfen, wel-che Stationen die Lernenden als Pflichtstationen durchlaufen sollten, damit sie sich grundle-gendes Wissen und Können über das Problem „künstliches Licht“ aneignen (z. B. Station 2, 5 und 6).

Aus Platzgründen wurden nur für einige Stationen Arbeitsblätter mit Aufträgen zum Bau, zur Messung, zur Erkundung beigelegt. Diese Aufträge dienen als Anregung, sie sollten jedoch bzgl. ihres Anspruchsniveaus (z. B. Art der Hilfestellungen) auf das jeweilige Kursniveau abgestimmt werden. Insbesondere ist mit den einzelnen Aufgabenstellungen darauf hinzu-wirken, dass ihre Bearbeitung in einer Unterrichtsstunde erfolgen kann.

Die Station 9 ist als zeitlicher Puffer für diejenigen Schülerinnen und Schüler gedacht, die für die Bearbeitung der Aufträge einer anderen Station weniger als 45 Minuten benötigen.

Zur Realisierung der Arbeitsaufträge bei den Stationen 3, 4 und 5 ist ein relativ dunkler Ar-beitsbereich (E < 50 lx) notwendig. Wenn im normalen Unterrichtsraum keine solchen „dunk-len Ecken“ vorhanden sind, ist es z. B. möglich, diese mit Hilfe von Decken unter zusam-mengestellten Tischen zu bauen.

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Lernstationen

Station Ziele Aktivitäten Materialien Bemerkungen

STATION 1 Geschichte der Lichtquellen

Verständnis der kultur-historischen Bedeutung von künstlichem Licht

Gestaltung einer Übersicht über historische Entwicklung der Beleuchtungstechnik

Text zur Geschichte der Beleuchtung, Bücher zur Technik-geschichte, Internet

STATION 2 Lichtquellen in der heutigen Zeit

Kenntnisse über Licht-quellen und deren Einsatz

Gestaltung einer vergleichen-den Übersicht, Messung der Lichtausbeute und der Zusammensetzung des Lichts

verschiedene Lampen, Luxmeter Nachschlagewerke, Internet, CD

STATION 3 Lichtausbreitung

Kenntnis des Einflusses verschiedener Materialien auf Lichtausbreitung

Experimente zu Reflexions- und Absorptionseigenschaften verschiedener Materialien

Lampe, Luxmeter, Lineal, verschiedene Materialien

dunkler Arbeitsbereich notwendig

STATION 4 Bau eines Luxmeters

Kenntnis über das Verfahren zur Eichung von Messgeräten

Bau, Eichung und Erprobung eines Luxmeters

Stromversorgungsgerät, Solarzelle, Spannungsmessgerät, Verbindungsleiter, Lampe, Luxmeter


STATION 5 Zu wenig Licht (Arbeitsplatzbeleuchtung)

Verständnis für gesetzliche Vorschriften und Veränderung von Verhaltensweisen

Sehtest für verschiedene Tätigkeiten mit unter-schiedlicher Beleuchtung

Sortier- und Bastelkram, Luxmeter, Lampe mit Dimmer, gesetzliche Vorschriften


STATION 6 Beleuchtung von Unterrichtsräumen

Kenntnis gesetzlicher Vorschriften, Übung des Meßverfahrens

Messung und Auswertung der Beleuchtung von Unterrichts-räumen mit natürlichem und künstlichem Licht

Luxmeter, Bandmaß

STATION 7 Installationsschaltungen

Kenntnis von Schaltungs-arten, Üben des Aufbaus von Schaltungen

Erkunden, Entwerfen und Erproben verschiedener Lampenschaltungen

Stromversorgungsgerät, Experimentierlämpchen, Verbindungsleiter, Schalter

STATION 8 Licht und Umwelt

Erkenntnisse über Zusam-menhänge Licht-Umwelt und Veränderung von Verhaltensweisen

Erkunden von Zusammenhängen Licht-Umwelt und Vorschläge für Verbessungen

verschiedene Lampen, Luxmeter, Leistungsmesser

STATION 9 Spiele und Rätsel

Festigung wichtiger Begrif-fe und Zusammenhänge

Knobeln, Raten, Spielen, Memory, Quiz, Kreuzworträtsel

Tab. 7: Übersicht zur inhaltlichen und didaktisch-methodischen Gestaltung von Lernstationen


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Station 1:

Kurze Geschichte der künstlichen Lichtquellen Öllampe

Die Menschen entdeckten vor 50 000 Jahren, dass ein faseriger Docht, mit heißem Talg oder Tran getränkt, stetig brannte. Ihre Lampen aus Stein waren dreieckig, wobei der Docht in einer Vertiefung mit schnabelartigem Vorsprung lag, die zugleich den stinkenden Talg oder Tran enthielt – ein Grundprinzip, das Jahrtausende unverändert blieb.

Um 1300 v. Chr. beleuchteten die Ägypter ihre Wohnungen und Tempel mit Öllampen. Jetzt be-stand der Dochtträger aus modellierten und ge-brannten Ton und war häufig verziert; der Docht wurde aus Papyrus gedreht, als Leuchtmaterial diente Pflanzenöl, das wesentlich angenehmer roch. Die Griechen und Römer bevorzugten später Lampen aus Bronze und Dochte aus Werg oder Flachsfasern.

Bevor das weitgehend geruchlose und bei der Verbrennung weniger stark blakende Petro-leum im 19. Jahrhundert aufkam, wurde alles, was billig und greifbar war, als Lampenöl be-nutzt. Rinder- oder Hammeltalg verbreiteten einen kräftigen Gestank; Fischtran ergab zwar eine hellere Flamme, strapazierte jedoch ebenfalls die Geruchsnerven.

Ein großes Problem bei Öllampen entstand dadurch, dass sich die Dochte beim Brennen nicht aufzehrten und regelmäßig ein Stück höher gezogen und gekürzt (geschneuzt) werden mussten.

Kerzen

Die erste Schilderung von Kerzen erscheint in römischen Schriften aus dem ersten vorchrist-lichen Jahrhundert, und die Römer betrachteten ihre neue Erfindung als minderwertigen Er-satz für Öllampen – die damals bereits ausgesprochen dekorative Kunstwerke waren. Die Kerzen wurden aus einem nahezu farb- und geruchlosen Extrakt von tierischem und pflanzli-chem Talg hergestellt.

Selbst die teuersten englischen Talgkerzen mussten regelmäßig alle halbe Stunde geschneuzt werden, ohne dass dabei die Flamme erlosch. Eine Kerze, deren Docht nicht beschnitten wurde, verlor nicht nur ein Gutteil ihrer potenziellen Leuchtkraft, sondern die niedrig brennende Flamme verzehrte außerdem innerhalb kurzer Zeit den noch übrigen Talg. Wenn eine Kerze nicht gekürzt wurde, so verbrannten lediglich fünf Prozent des Talgs; der Rest tropfte ungenutzt zu Boden. Ein Schloss, in dem Woche für Woche Hunderte von Talg-kerzen angezündet wurden, unterhielt immer eine Kolonne von „Schneuzern“.

Wenn das Feuer im Küchenherd erloschen war, konnte das Anzünden einer Kerze eine zeit-raubende Plackerei sein, da es damals noch keine Streichhölzer gab.

Die Kunst des Dochtputzens starb aus, als gegen Ende des 17. Jahrhunderts zunehmend aus Bienenwachs verwendet wurden. Bienenwachskerzen waren dreimal so teuer wie Ker-zen aus Talg und brannten mit einer helleren Flamme.

Bild 1:antike Öllampen


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Gaslicht

Zwar wurde Erdgas schon vor 3000 Jahren von den Chinesen als Energiequelle genutzt, doch die Beleuchtung von Innenräumen mit Gas gibt es erst seit dem 19. Jahrhundert – das heißt rund 200 Jahre nachdem der belgische Chemiker Helmont als erster Koh-legas dargestellt hatte. Seine Arbeit über Kohlegas regte den französischen Chemiker Lavoisier dazu an, eine Be-leuchtung der Straßen von Paris mit Gaslaternen zu pla-nen. Doch bevor seine Pläne Wirklichkeit werden konn-ten, fand er in der Französischen Revolution den Tod durch die Guillotine. Gaslampen in Wohnungen kannte man erst seit der Gründung des ersten Gasunternehmens der Welt im Jahr 1813 in London.

Der deutsche Naturforscher und Chemiker Bunsen ver-ringerte das lästige Flackern einer reinen Gasflamme, indem er dem Gas Luft beimischte. Der österreichische Chemiker Auer entwickelte 1885 den Glühstrumpf, mit dem die Leuchtkraft einer Gasflamme erheblich gesteigert werden konnte. Der Glühstrumpf besteht aus einem texti-len Gewebe, das mit Thor- und Cernitrat getränkt wurde. Wird er zum erstenmal entzündet, so verbrennt das Ge-

webe zu Asche, und zurück bleibt ein Gerüst aus den mineralischen Bestandteilen, das bei der Erhitzung durch die Flamme grünlichweiß leuchtet.

Bis zum Jahr 1860 waren zahlreiche Häuser, Fabriken und Straßenzüge mit Gasbeleuchtung ausgerüstet. Gas war eine saubere, wirksame und preiswerte Lichtquelle.

Glühlampe

Das Grundprinzip einer Glühlampe ist ein Glühfaden, der im Vakuum eines Glasbehälters weiß aufglüht, wenn er von einem Strom durchflossen wird. Die Erfinder Swan und Edison in den Vereinigten Staaten kamen unabhängig voneinander auf die Idee, als Material Kohlenstoff zu wählen. Swan ließ seine Lampe im Jahr 1878 patentieren, Edi-son folgte ihm ein Jahr später. Als eigentlicher Erfinder der Glüh-lampe gilt jedoch der Deutsch-Amerikaner Goebel, der bereits 1854 eine solche Lampe aus verkohlter Bambusfaser herstellte

Das Verdienst Edisons bestand darin, dass er ein Stromverteiler-netz errichtete und dadurch die Glühbirne aus dem Laboratorium auf die Straße und in die Haushalte brachte. Das Pearl-Street-Kraftwerk in New York City lieferte als erstes elektrischen Strom an interessierte Abnehmer. Bis zum Dezember 1882 waren be-reits 203 Wohn- und Fabrikgebäude in Manhattan an das Kraft-werk angeschlossen und wurden von insgesamt 3144 elektri-schen Glühbirnen erleuchtet.

Diese privilegierten Pioniere mussten sich allerdings mit der durchschnittlichen Lebensdauer von nur 150 Stunden (gegenüber heute 2000 Stunden) einer Glühbirne begnügen. Doch bereits im Jahre 1886 entwickelte Edison eine Glühlampe mit einer Brenndauer von 1200 Stunden.

Trotz ihrer enormen Vorteile stieß die Glühbirne zunächst nur auf geringe Resonanz, weil die Hausbesitzer wenig Interesse an einer Versorgung mit elektrischem Strom zeigten. Aber bereits um 1910 waren drei Millionen Haushalte mit elektrischem Licht ausgerüstet.

Bild 2: Auer-Glühstrumpf

Bild 3: Edison-Glühlampe


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Neonlicht

Neon, ein farb-, geruch- und geschmackloses Edelgas, dessen Bezeichnung sich aus dem griechischen neos (neu) ableitet, wurde im Jahr 1898 von den beiden englischen Chemikern

Ramsay und Travers entdeckt. Sie wunderten sich, dass das Gas bei elektrischer Gasentla-dung in einer Glasröhre orangenrot glühte, und versuchten, diese Farbe mit chemischen Mitteln zu ändern. Es blieb jedoch dem fran-zösischen Physiker Claude vorbehalten, die sogenannte Neonröhre zu vervollkommnen; ein Jahr später erleuchtete er damit den Grand Palais in Paris. Claude demonstrierte, dass die Verwendung von Gas anstelle eines starren Kohlefadens ein gleichmäßiges Leuchten unabhängig von der Länge und Form des Glaskörpers ermöglichte.

Der Wert der Neonröhre für Fassadenreklame wurde schnell erkannt. Im Jahre 1912 erstrahlte die erste Neonreklame, bei der die Glasroh-re als Buchstaben geformt waren, auf dem Boulevard Montmartre in Paris.

Erst später entdeckten die Wissenschaftler, dass sich durch geeignete Mischungen von Edelgasen alle Farben des Spektrums erzeugen ließen.

Leuchtstoffröhre

Der erste Versuch, Stoffe zum Leuchten (Fluoreszenz) anzuregen, wurde von dem französi-schen Physiker Becquerel, dem Entdecker der radioaktiven Strahlen, unternommen. Bereits im Jahr 1859 beschichtete er die Innenseite einer Glasröhre mit einer Chemikalie – einem Phosphor -, die aufleuchtete, wenn man einen elektrischen Strom durch die Röhre schickte.

Die erste funktionsfähige Leuchtstoffröhre wurde 1934 in den Vereinigten Staaten von dem Physiker Compton gebaut. Sie war wirtschaftlicher als eine Glühbirne, da sie einen wesent-lich höheren Prozentsatz der zugeführten Energie in Licht statt in Wärme umwandelt.

Viele Besucher der Weltausstellung von 1939 in New York bekamen dort zum erstenmal in ihrem Leben weiße und bunte Leuchtstoffröhren zu Gesicht. Innerhalb von 15 Jahren hatte die Leuchtstoffröhre in den USA die Glühbirne von ihrer beherrschenden Position als Haupt-beleuchtungsquelle verdrängt. Das galt weniger für die privaten Haushalte als für Unterneh-men, die sich von der Verwendung von Leuchtstoffröhren statt Glühbirnen beträchtliche Ein-sparungen erhofften.

(Quelle: stark gekürzt nach Panati, Charles: Erfindungen des Alltags. Weltbild Verlag Augsburg, 2000, S. 30 - 37)

Aufgabe:

Gestalte mit Hilfe des Textes eine Übersicht (z. B. in Form eines Zeitstrahls) über die histori-sche Entwicklung der Beleuchtungstechnik. Mache dabei auch die besonderen Vorteile und Einsatzgebiete der jeweiligen Lampen deutlich.

Bild 4: Neonreklame


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Station 2:

Lichtquellen in der heutigen Zeit V o n d e n f o l g e n d e n A u f g a b e n s i n d z w e i z u b e a r b e i t e n .

Aufgabe 1:

Welche Lampe ist die beste?

Vergleiche zur Beantwortung dieser Frage die Angaben der Hersteller für verschiedene Lampen miteinander. Fülle dazu die Tabelle aus und werte sie aus. Die Angaben können der Verpackung der einzelnen Lampen ent-nommen werden.

Bezeichnung der Lampe Leistung Lichtstrom Lebensdauer Preis

Abb. 1: Verpackung einer Energiesparlampe


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Aufgabe 2:

Lohnen sich Energiesparlampen?

Untersuche zur Beantwortung dieser Frage den Energieverbrauch und die Beleuchtungsstärke eine normale 60 W-Glühlampe und eine 11 W – Ener-giesparlampe. Berücksichtige für deine Untersu-chung auch die Lebensdauer und den Anschaf-fungspreis dieser Lampen.

Als Hilfsmittel stehen dir neben den Lampen ein Kilowattstunden-Zähler und ein Luxmeter zur Ver-fügung.

Fertige für deine Untersuchung ein Protokoll an.

Aufgabe 3:

Geben verschiedene Lampen unterschiedliches Licht?

Wenn Licht einer Lichtquelle auf eine CD fällt, so kann man auf dieser ein Spektrum (farbiges Band) beobachten (vgl. Abb. 3). Zeichne dieses Spektrum für unterschiedlicher Lichtquellen

(z. B. Sonne, Kerze, Glühlampe, Leuchtstoffröhre). Welche Unterschiede zwischen den Spektren einzelner Lampen stellst du fest? Wie empfindest du das Licht der jeweiligen Lichtquelle?

Lichtquelle Spektrum Wirkung

Sonne

Kerze

Glühlampe

Leuchtstoffröhre

Erkundige dich, welche Ursachen die Unterschiede in den Spektren hervorrufen. Nutze dazu auch das Internet, z. B.:

http://www.cwaller.de/licht.htm oder http://www.led-info.de/grundlagen

Überlege, bei welchen Beleuchtungssituationen diese Unterschiede beachtet werden müs-sen.

Abb.2: Energiesparlampe

Abb.3: Spektrum auf einer CD


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Aufgabe 4:

Warum gibt es so viele verschiedene Lampen?

Für unterschiedliche Beleuchtungssituationen (z. B. Straßenbeleuchtung, Schule, Wohnzimmer, Bar, Mo-delleisenbahn) werden unterschiedliche Lampen ver-wendet.

Gestalte ein Poster mit wichtigen Beleuchtungssitua-tionen und den jeweils typischen Lampen. Dein Pos-ter soll auch über Besonderheiten der einzelnen Lampen informieren.

Abb. 4: Abendliche Beleuchtung eines öffentlichen Raumes


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Station 4:

Bau eines Luxmeters Aufgabe: Zur Messung der Beleuchtungsstärke verwendet man Luxmeter. Da die-

se relativ teuer sind, soll ein solches mit Hilfe einer Solarzelle selber ge-baut und geeicht werden.

Vorgehen:

1 Baue zur Eichung der Solarzelle einen elektrischen Stromkreis nach folgender Schal-tung auf.

2 Lege das Luxmeter genau neben die Solarzelle und beleuchte beide mit Hilfe eine Lampe gleichmäßig. Verändere die Beleuchtungsstärke entsprechend folgender Tabel-le und miss jeweils die in der Solarzelle erzeugte Spannung.

Beleuchtungsstärke E in lx 0 50 100 150 200 250 300

Spannung in mV

Hinweis: Die Beleuchtungsstärke kann zum Beispiel durch Veränderung des Abstan-des zwischen der Lampe und dem Luxmeter verändert werden.

3 Stelle deine Messwerte in einem Beleuchtungsstärke - Spannung - Diagramm grafisch dar.

4 Erläutere, wie man nun mit Hilfe der Solarzelle und diesem Diagramm eine unbekannte Beleuchtungsstärke ermitteln kann.

V

U in mV

E in lx 200 U in V

100 0 300


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Station 5:

Zu wenig Licht (Arbeitsplatzbeleuchtung) Aufgabe: Untersuche den Einfluss der Beleuchtungsstärke auf die Schnellig-

keit und Qualität der Erledigung von Arbeitsaufträgen

Zu Untersuchung sollen die Aufträge einmal in relativer Dunkelheit (z. B. in einem abgedun-kelten Raum) und zum anderen bei vorschriftsmäßiger Beleuchtung ausgeführt werden. Stoppe jeweils die Zeit und zähle (falls es möglich ist) die Anzahl der Fehler. Erkundige dich, welche Beleuchtungsstärken für bestimmte Tätigkeiten bzw. Räumlichkeiten vorgeschrieben sind. Formuliere die Ergebnisse deiner Untersuchung.

Auftrag 1:

Suche so schnell wie möglich die Unterschiede zwischen den beiden Bildern heraus.

Auftrag 2:

Fädle in eine Nähnadel einen Faden ein.

Sortiere die roten und die grünen Mensch-ärgere-dich-nicht-Steine nach ihrer Farbe.


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Auftrag 3:

Der folgende Text enthält viele Druckfehler. Unterstreiche sie. Wie viel Fehler hast du gefun-den?

Äsop

Der Fuchs und der Rabe

Ein Fωchs spähte auf einem Baume einen Rχben, mit einem Bissen im Schϒabel, aus, der ihm das Maul sehr wä&srig machte; allein die FrΦge war, wie er ihn weτkriegen wollte. O dν glücksεliger Vogel, spracφ er, du Lust πer Götter und Menschen! - - und so ließ er sich weitläufig über die rΞizende Gestalt des Rabens, über die Schö∝heit seiner Federn, über

seine wunderbare Gabe der Proph#zeiung und dergleichen aus. Wenn du, fµgte er endlich hinzu, eine Stimme hättest, die sich zu δeinen übrigen vortrefflichen Eigenιchaften schickte, so würdest du χas vollkommenste Γeschöpf unter der Sonηe sein. Diese unverschämte Schmeichelei machte, dass der Rabe seinen Schnabel so weit aufgesperrt, als er konnte, um so deη Fuchse eine robe von seiner holdseligen Stimme zu gεben.

In dem Aufsperren aber entfiel ihm sein Früκstück, welches der Fucψs sogleich aufraffte und dem Raben zωrief: Erin-nere dich, Freund, dass ich wohl viel von deiner Schönheit, aber nicht ein Wort von deinem Verstαnde gesagt habe.

Hinweise für einzelne Aufträgen:

Auftrag 1: Im linken Bild fehlen: Wasserflöhe zwischen der linken Wasserpflan-ze, kleiner Fisch in der Bildmitte.

Im rechten Bild fehlen: kleiner Fisch links unterhalb der Bildmitte, kleine Fische am unteren Bildrand.

Vier der großen sowie drei der kleineren Fische weisen deutliche Unterschiede in Form und Musterung auf. Die Zahl der Luftblasen und ihre Anordnung sind auf beiden Bildern verschieden.

Auftrag 3: Es wurden 25 lateinische durch griechische Buchstaben ausge-tauscht.


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Station 6:

Beleuchtung von Unterrichtsräumen Aufgabe: Untersuche, unter welchen Bedingungen die Arbeitsplätze in einem Un-

terrichtsraum zusätzlich künstlich beleuchtet werden müssen. Unter-scheide dabei zwischen Plätzen, die sich direkt am Fenster befinden und solchen, die weiter entfernt liegen.

Vorgehensweise:

1 Fertige für den Raum eine Skizze an. Trage dazu den Umriss sowie die Lage der Schü-lerarbeitstische und der Tafel in den Messplan ein.

2 Trage zehn Messpunkte (Schülertisch, Tafel) in den Plan ein, ermittle für jeden Mess-punkt die Beleuchtungsstärke und trage den Messwert ein. Beachte die Hinweise zur Messung auf der Rückseite. Berechne den Mittelwert für diesen Raum.

3 Beantworte die einzelnen Fragen der Kurzcheckliste zur Raumbeleuchtung.

Messplan:

Raumbreite in Metern

1 2 3 4 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Rau

mlä

nge

in M

eter

n

15


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Checkliste für Raum

Wie viel Lampen sind im Raum?

In wie viel Lichtreihen sind diese angeordnet?

Wie viel Lichtschalter sind vorhanden?

Wie stark sind die Lampen verschmutzt?

Wie viel Lampen sind defekt?

Sind die Lampen mit Reflektoren ausgestattet?

Besitzen die Lampen eine Abdeckung?

Gibt es eine extra Tafelbeleuchtung?

Gibt es Einzelplatzbeleuchtungen für Schülerarbeitsplätze?

Ist der Raum mit Jalousien ausgestattet?

Ist der Raum mit Vorhängen zur Verdunklung ausgestattet?

Auswertung: Schätze die Beleuchtungssituation für den von dir untersuchten Raum ein. Beachte für deine Einschätzung die Vorschriften für die Beleuchtung von Räumen. Welche Veränderungen würdest du vor-schlagen?

Hinweise zur Beleuchtungsmessung

• Miss zuerst die Beleuchtungsstärke ohne künstliche Beleuchtung.

Orientiere dich an den Stellen, die nach Augenschein unterschiedlich beleuchtet sind.

Ermittle die Messwerte in Tischhöhe (bzw. in Fluren 20 Zentimeter über dem Fußbo-den).

• Wiederhole die Messung mit eingeschalteten Lichtquellen.

• Nimm für die Messung die Haltung ein, die ein Schüler am Arbeitsplatz normalerwei-se einnimmt. Vermeide weiße Kleidung beim Messvorgang.


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Gesetzliche Vorschriften für die Beleuchtungsstärke in Schulen

Folgende Beleuchtungsstärken müssen nach der deutschen (DIN) bzw. internationalen Norm (ISO) in einer Höhe von 0,85 m über der Oberfläche des Fußbodens mindestens erreicht werden.

Allgemeiner Bereich Nennbeleuchtungsstärke in lx

ISO 100 Korridore

DIN 50

ISO 150 Treppen

DIN 100

Umkleideräume ISO 100

ISO 150 Waschräume

DIN 100

ISO 150 Toiletten

DIN 100

Klassenräume

ISO 500 Allgemeinbeleuchtung

DIN 300...500

Tafelbeleuchtung ISO 500

Experimentiertisch ISO 750


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Station 9:

R Ä T S E L Begriffe rund um das Licht

Beleuchtungskörper in Schottland Es gibt tropfende und rußende Geh mir nicht auf den ... Erhellt den König Blick ihr nie ins Angesicht Leuchtendes Obst In der Nacht gibt es gelbe, rote und blaue

Der Anfang von Luxus Nimmt ab und zu Gegenteil von dunkel Dadurch kann man in die Ferne sehen und hören

Wegweiser am Meer Tragbares Licht Er erfand so manches, guckte aber auch ab

Wenn du die erratenen Begriffe waagerecht in die grauen Felder eingetragen hast, dann ergibt sich in den markierten Feldern senkrecht eine Lichtquelle, die im 19. Jahrhundert benutzt wurde.


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R Ä T S E L Begriffe rund um das Licht (LÖSUNGEN)

Beleuchtungskörper in Schottland S P A R L A M P E Es gibt tropfende und rußende K E R Z E N Geh mir nicht auf den ... D O C H T Erhellt den König K R O N L E U C H T E R Blick ihr nie ins Angesicht S O N N E Leuchtendes Obst G L Ü H B I R N E In der Nacht gibt es gelbe, rote und blaue S T E R N E

Der Anfang von Luxus L U X Nimmt ab und zu M O N D Gegenteil von dunkel H E L L Dadurch kann man in die Ferne sehen und hören L I C H T L E I T K A B E L

Wegweiser am Meer L E U C H T T U R M Tragbares Licht T A S C H E N L A M P E Er erfand so manches, guckte aber auch ab E D I S O N

Wenn du die erratenen Begriffe waagerecht in die grauen Felder eingetragen hast, dann ergibt sich in den markierten Feldern senkrecht eine Lichtquelle, die im 19. Jahrhundert benutzt wurde.


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3.3 Kerzen selbst hergestellt Material

Bienenwachs - Ausscheidungen aus der Wachsdrüse der Bienen – Material zum Aufbau der Waben

- Schmelztemperatur 61 °C – 68 °C

- anfangs weiß, später (im Bienenstock) gelblich

- Kosten: 12,5 €/kg

Stearin - weiße Masse aus tierischen und pflanzlichen Fetten (Palmitin)

- Schmelztemperatur 50 °C – 60 °C

- brennt gut ab, bei Wärme formstabil

- zum Ziehen wenig geeignet

- Kosten: 4,5 €/kg

Paraffin - aus Erdöl gewonnen, aber geringer Ölgehalt

- Schmelzpunkt je nach Länge der Kohlenstoffketten 56 °C bis 110 °C

- Preis: 5 €/kg

Docht

Faustregel: Je dicker die Kerze, umso dicker der Docht

Material: - imprägnierte Baumwollfäden

- Fadenzahl für eine Kerze aus 90% Parafin und 10% Stearin

Kerzendurchmesser in mm Fadenzahl 8 – 12 24

15 – 18 32 22 – 26 46 32 – 40 57 45 – 52 64 80 - 90 125

Tab. 8: Dochtstärken

Der Docht wird geflochten und brennt nur in einer Richtung gut. Das obere Ende ist bei ge-kauften Dochten deshalb oft markiert. Ein zu langer und zu dicker Docht lässt die Kerze ru-ßen; ein zu dünner Docht erzeugt nur eine kleine Flamme und kann ertrinken.

Regeln zur Verhütung von Unfällen

• Wachs ist ein brennbarer Stoff, der sich ab 150 °C selbst entzündet. Deshalb sollte die Erwärmung nur im Wasserbad erfolgen.

• Nach langer Standzeit vor dem Gießen, sollte die Oberfläche mit einem Messer auf-gelockert werden, um de sich beim Erwärmen aufbauenden Innendruck abzubauen.

• Wenn heißes Wachs auf die Hand getropft ist, dann ist diese mit kaltem Wasser ab-zuspülen. Neben dem Kühleffekt wird das schnelle Erstarren des Wachses erreicht und es kann abgezogen werden.

• Zum Löschen von brennendem Wachs kein Wasser (Spritzgefahr) sondern ein Hand-tuch oder einen Deckel verwenden.


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Abb. 8: Drehkreuz zum Kerzenziehen

Arten der Kerzenherstellung

• Das Ziehen (die edelste Art)

Das Kerzenziehen ist seit dem Altertum bekannt. Dabei wird der Docht wiederholt in flüssi-ges Wachs getaucht und wieder herausgezogen.

Zum Kerzenziehen im Unterricht kann man ein hohes, schmales Gefäß (z. B. eine Würst-chenbüchse) verwenden. Diese wird zum Schmelzen des Wachses in ein Wasserbad ge-stellt. Dabei sollte das Wasser eine Temperatur von 75 °C bis 80 °C haben.

Ziehvorgang:

- Docht eintauchen und voll saugen lassen

- Herausziehen und Straffziehen des Dochts bis zum Steifwerden und Erkalten des Wachses

- wiederholtes Eintauchen (Tauchvorgang ca. 2 Sekunden), Herausziehen und Abküh-len (ca. 10 Sekunden)

- Tropfnasen mit einer Schere oder einem Messer abschneiden

Praktische Tipps

- Für gute, duftende Kerzen sollte eine Wachsmischung aus 80% Parafin, 10% Stearin und 10% Bienenwachs verwendet werden.

- Zur Zeitersparnis kann man Doppelkerzen (mit einem gemeinsamen Docht) ziehen, die man zum Abkühlen über einen Be-senstiel hängt, der quer über zwei Stuhllehnen gelegt wird.

- Das Wasserbad muss nicht ständig auf dem Ofen erwärmt werden. Nach dem einmaligen Erwärmen wird die Tempe-ratur ungefähr 20 Minuten auf dem notwendigem Niveau gehalten.

- Sollen relativ viele Kerzen (z. B. für den Verkauf auf dem Schulbasar) herge-stellt werden, lohnt sich der Bau und der Einsatz eines Drehkreuzes (vgl. Abb. 33/1).

Färben

Zum Färben eignen sich Fettfarben, aber auch Perlglanzpigmente. Beides ist im Fachhandel oder über Bastlerversand erhältlich.

Die Fettfarben werden als Pulver in das geschmolzene Wachs gegeben. Dabei reicht eine Messerspitze pro 100 g Wachs.

Da Pigmente nicht brennbar sind, gelangen sie beim Abbrennen der Kerze alle in den Docht. Deshalb sollte die eingesetzte Menge auf etwa einen Messlöffel auf 25g Hartwachs (anrüh-ren) beschränkt werden.

Es ist natürlich auch möglich, Kerzen farbig zu überziehen, zu marmorieren oder mehrfarbige Kerzen herzustellen. Am einfachsten gelingt das durch Ziehen in verschiedenfarbigem Wachs.


32

• Das Kerzengießen

Das Gießen kann in verlorenen Formen (z. B. in Joghurtbechern) oder in wieder verwendba-ren Formen (z. B. in Puddingformen, Schüsseln oder Trinkgläsern) erfolgen.

Praktische Tipps:

- Bei der Verwendung wieder verwendbarer Formen: Damit sich das erkaltete Wachs aus der Form nehmen lässt, ist darauf zu achten, dass konische Formen (oben brei-ter) verwendet werden, die vorher gründlich mit Fett oder Öl eingerieben wurden. Lässt sich die Kerze trotzdem nur schwer herausnehmen, Form verkehrt herum unter heißes Wasser halten oder für 15 bis 20 Minuten in einen Kühlschrank (nicht in das Gefrierfach – Gefahr von Rissbildung) stellen.

- Bei Plastgefäßen darauf achten, dass Temperatur des flüssigen Wachses unter 80 °C beträgt, da sich sonst das Gefäß verformen kann.

- Beim Erkalten von dicken Kerzen bilden sich in der Mitte Mulden. Diese sollten nach einer Weile ausgegossen werden.

- Damit der Docht in der gegossenen Kerze gerade steht, kann man entweder eine Haushaltskerze in die Form stellen (meist wird dabei der Docht aber zu gering ausfal-len), mit einer Stricknadel nach dem Gießen ein Loch formen und den präparierten Docht einziehen oder Docht durch ein Loch im Boden des Gießgefäßes ziehen, fest-knoten, die Stelle z. B. mit Wachs abdichten und Docht nach oben spannen.

Hinweise zu ausgewählten Techniken:

• Bunte-Schicht-Kerzen

- Wachs aus 10% Stearin und 90% Parafin mischen

- im Wasserbad mehrere Behälter (z. B. Coladosen) mit unterschiedlich angefärb-ten Wachs erwärmen

- Schicht um Schicht gießen, mit jeweils 30 Minuten Wartezeit (deutliche Hautbil-dung)

• Klumpenkerzen

- in Eiswürfelbehälter werden Klumpen mit unterschiedlichen Farben aus Kerzen-resten gegossen

- als Bindemittel reines Parafin verwenden

- in die Gießform eine erste Schicht Klumpen (2 bis 3 Zentimeter), mit Parafin (75 °C) verbinden, zweite Schicht Klumpen usw.

- der Docht wird am Schluss eingezogen


33

• Sandkerzen (besonders für Party im Freien geeignet)

- Sand in verschiedenen Tönungen und Körnungen (z. B. aus Tierhandlungen oder aus der Natur) bereitstellen

- zum Gießen werden zwei Gefäße benö-tigt: das erste für die äußere Form, das zweite für den Sand – das Formgefäß (vgl. Abb. 35/11).

- Vorgehensweise:

in äußere Form 2 cm feuchten Sand füllen

Formgefäß hineinstellen

mit Sand Zwischenräume auffüllen und mit einem holz festdrücken

Herausnehmen (Drehen) des Formgefäßes

Trocknen der Sandform (die Sandschicht an der Kerze wird um so dicker je trockener der Sand ist)

Wachs mit einer Temperatur von 65 °C bis 90 °C (hängt von der Dicke der gewünschten Sandschicht ab) eingießen

Herausnehmen der Kerze und Entfernen des lockeren Sandes unter einem Wasserstrahl

Sand

Formgefäß

Abb. 9: Herstellung von Sandkerzen


34

3.4 Partybeleuchtung

Eine von vielen Möglichkeiten eine Partybeleuchtung nach den individuellen Vorstellungen selbst zu gestalten bietet sich durch die Verwendung von Plexiglas an, da dieses durch To-talreflexion Licht in verschiedene Positionen leiten kann.

Für die in Abbildung 10 gezeigte Leuchte wurde aus Sperrholz ein Kasten als Sockel gebaut und anschließend schwarz lackiert. In diesen Kasten wurden dann drei LED eingesetzt und fest arre-tiert. Der Kasten sollte lichtdicht verschraubt, aber nicht verklebt werden. Durch Auskleidung des Kastens mit Aluminiumfolie wird die Leuchtkraft verstärkt.

Auf die Angabe der genauen Abmessungen des Kastens wurde bewusst verzichtet, weil sie tech-nisch nur von der Größe der aufzunehmenden Lampe bestimmt werden und damit weitgehend vom Geschmack des jeweiligen Nutzers abhän-gen. Die Schülerinnen und Schüler sollten inner-halb einer mengenmäßigen Materialvorgabe selbst eine entsprechende Konstruktion entwi-ckeln.

Das Plexiglas, welches bei verschiedenen Bas-telmaterialanbietern auch in unterschiedlichen Farben gibt, wurde auf Länge gesägt und, damit das Licht gut eindringen kann, die Sägeflä-chen mit sehr feinen Sandpapier poliert (SICHERHEITSBESTIMMUNGEN beachten). Wenn die einzelnen Plexiglasstücke in einem Backofen bei ungefähr 120 °C einige Minuten erhitzt werden, so lassen sie sich in gewünschter Weise mit Hilfe von Besenstielen oder Flaschen in die gewünschte Form biegen. Sie müssen ungefähr zehn Minuten in der Endposition gehal-ten werden, dann sind sie so erkaltet, dass sie ihre Form nicht mehr ändern.

Die größte Schwierigkeit besteht im genauen (lichtdichten) Einpassen der einzelnen Plexi-glasstücke in den Deckel des Kastens. Mit einer Laubsäge und Holzkitt sollte das aber zu schaffen sein.

Die Kosten für diese Leuchte (Sperrholz, LED mit Vorwiderstand, Schalter, Zuleitung, Plexi-glas, Farbe) betragen ungefähr 5 €.

Abb. 10: Partylampe mit Plexiglas


35

Literaturhinweise Zur Vertiefung sind folgende Bücher und Internetseiten geeignet:

/1/ Baer, Roland (Hrsg.): Beleuchtungstechnik – Anwendungen. – Technik Berlin, 1993

/2/ Buschendorf, Hans-Georg (Hrsg.): Lexikon Licht und Beleuchtungstechnik. – Tech-nik Berlin, 1998

/3/ Eckert, Martin: Außenbeleuchtung – Sicherheit und Effektivität. – Verlag moderne industrie Landsberg/Lech, 1996

/4/ Gerster, Wilhelm: Moderne Beleuchtungssysteme für drinnen und draußen. – Com-pakt München, 1997

/5/ Myerson, Jeremy: Kreatives Einrichten – Licht im Raum. – Mosaik Stuttgart, 1985

/6/ Pehle, Tobias: Lichteffekte für Partys in Haus und Garten. – Falken Verlag Niedern-hausen, 1997

/7/ Pütz, Jean / Rydl, Vladimir: Lampen und Kerzen (Hobbythek). – vgs verlagsgesell-schaft Köln, 1991

/8/ Richter, Hans-Joachim: Licht im Büro – Ergonomie und Wirtschaftlichkeit. – Verlag moderne industrie Landsberg/Lech, 1993

/9/ Ris, Hans: Beleuchtungstechnik für Praktiker. – vdg-verlag Berlin, 1992

/10/ Seymour, John: Vergessene Haushaltstechniken. – Urania Berlin, 1999

/11/ Weis, Bruno: Beleuchtungstechnik. – Pflaum Verlag München, 1996

/12/ http://www.licht.de/de/

Hier können u. a. 21 Broschüren zu verschiedenen Themen rund um das Licht kos-tenlos herunter geladen werden.

/13/ http://www.cwaller.de


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Abbildungsverzeichnis

Deck-blatt

Straßenlampe http://koenigstuhl.geog.uni-heidelberg.de/teaching-giscience/ws1112/usermaps/maps/lichtkarte/Zebrastreifen.jpg

S. 9 Spektrum http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Sonne_Strahlungsintensitaet.svg/800px-Sonne_Strahlungsintensitaet.svg.png

S. 15 Öllampe http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/DiwaliOilLampCrop.JPG/722px-DiwaliOilLampCrop.JPG

S. 16 Gasbeleuch-tung

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Interior_Gas_Lighting_%2C_3_Light_Swan_neck_bracket..jpg

S. 17 Edison http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/Carbonfilament.jpg

S. 18 Neonreklame ttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/02/Times_Square%2C_January_08.jpg/800px-Times_Square%2C_January_08.jpg

S. 19 Verpackung Hans-Peter Pommeranz, Halle

S. 20 Energiespar-lampe

Hans-Peter Pommeranz, Halle

S. 21 Spektrum CD http://www.groell.org/Atmosphare___Physik/Physikalische_Grundla-gen/Die_Farbe_des_Lichts/200311030001_Spektrum_CD_mittel.JPG

S. 22 Platz lichtwissen16_Stadtmarketing_mit_Licht.pdf, S. 6

S. 34 Partyleuchte Hans-Peter Pommeranz, Halle

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