Lichtmühle (Radiometer)

Was eine Lichtmühle ist, zeigt das folgende Bild:

Eine Lichtmühle, die man als Ziergegenstand in der Wohnung aufstellt, beginnt sich bei stärkerem Tageslicht geheimnisvoll zu drehen, immer in derselben Richtung.

Fragen

Die Fragen, die man sich dabei stellen kann, sind:

• Wie ist eine solche Lichtmühle aufgebaut?
• Welche Energie treibt das Flügelrad an?
• Welcher Luftdruck muss in dem Glaskolben eingestellt sein?
• Farbe der Flügelradflächen?
• Warum ist der englische Name „Radiometer“ der bessere?
• Wer hat‘s erfunden?
• Kann sich die Mühle auch in der Gegenrichtung drehen?

Versuche

Bevor wir uns den Antworten nähern, wollen wir einige Versuche mit verschiedenen Strahlungsquellen durchführen, Alle hier gezeigten Strahlungsquellen versetzen die Flügelräder der Lichtmühle in Drehung.

• Handy
• Infrarot-Taschenlampe
• UV-Taschenlampe
• Taschenlampe
• Laser-Pointer
• Infrarot-Strahler
• UV-Lampe
• Kühlbox
• Mikrowellen-Herd

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Die verwendete Strahlungsquellen liegen in einem weiten Frequenzbereich von 3 GHz (10 cm) bis 3 PHz (100 nm), das sind 6 Frequenz-Dekaden. 

Ein Versuch an einem Mittelwellensender wie seinerzeit am Bisamberg ist nicht mehr möglich.

Versuche

Handy, Amateurfunksender

Abstrahlung von Handy und UKW-Sendern versetzt die Flügelräder der Lichtmühle nicht in Drehung. Wir dürfen daraus aber nicht schließen, dass die Strahlung zu gering wäre, weil wir nicht wissen, wie sich das Absorptionsverhalten der beiden Flächen bei diesen tiefen Frequenzen ist (siehe auch beim Punkt „Mikrowelle“ weiter hinten.

Laserpointer

Das Licht eines grünen Laserpointers ist zu schwach, um die Lichzmühle deutlich zu drehen; ein Handy übrigens auch.

IR-, UV-, Weißlicht-Taschenlampe

Wärme

Mikrowellenherd

Es ist zunächst überraschend, dass wir beim Mikrowellenherd zusätzlich zur Drehung des Flügelrads auch ein extremes Leuchten der Glaskugel wahrnehmen, und die Frage ist, wie bisher

• Warum dreht sich das Flügelrad?
• Warum leuchtet die Glaskugel?

Während nämlich bei den höheren Frequenzen (Wärme, Infrarot, Licht, UV) die Absorption einer schwarzen Fläche bekannt ist, muss das bei der Mikrowelle nicht der Fall sein, wie Günter nach unserer Demonstration richtiger Weise angemerkt hat.

Leuchten der Glaskugel

Die freie Weglänge eines Luftmoleküls bei normalem Luftdruck beträgt nur wenige nm, daher kann das Mikrowellenfeld Luftmoleküle nicht ausreichend beschleunigen.

Aber bei dem niedrigen Luftdruck in der Lichtmühle ist die freie Weglänge im Zentimeter bis Dezimeterbereich. Auf dieser langen Strecke werden die Moleküle extrem beschleunigt und ionisiert. Bei der Rekombination an der Glaswand kommt es zu einem Leuchteffekt, ähnlich wie beim Polarlicht.

Drehung des Flügelrads?

Eine erste Antwort wäre: aus demselben Grund wie auch bei Wärme, Infrarot, Licht und UV-Licht, nämlich wegen der stärkeren Erwärmung der schwarzen gegenüber der verspiegelten Fläche.

Allerdings wissen wir nicht, ob die Absorptionseigenschaft der schwarzen Oberfläche auch für die Mikrowelle zutrifft, Es könnte sein, dass bei diesen tiefen Frequenzen sich die beiden Flächen in ihren Absorptionseigenschaften gar nicht unterscheiden. Dass wir selbst sie unterscheiden können, liegt ja an unserem optischen Sensoren, den Augen, die lichtempfindlich und nicht mikrowellenempfindlich sind.

Wäre das so, wären also die Absorptionseigenschaften der beiden Flächen im Mikrowellenbereich gleich, dann müsste das Flügelrad eigentlich stehen bleiben.

Aber warum dreht es sich dann?

Es könnte sein, dass die Drehung des Flügelrades bei der Mikrowelle ein Sekundäreffekt ist und sich das Rad nicht wegen der Mikrowellenstrahlung sondern wegen des Leuchtens der Kugeloberfläche in Bewegung setzt.

Danke, Günter für den Beitrag!

Anmerkungen

Die meisten technischen Strahlungsquellen bestehen nur aus Wellen einer einzigen Frequenz (Wellenlänge). Wärme und weißes Licht stellen ein kontinuierliches Spektrum das, meist mit einem Maximum. Für die Wärme ist das in dem dritten Bild eingezeichnet. Je wärmer ein Körper ist, desto höher liegt auch das Frequenzmaximum.

Der Mikrowellen-Herd steht mit Absicht am Ende der Liste, denn auch auf der Auftau-Stufe ist die Energie so groß, dass sich das Rad sehr schnellt zu drehen beginnt und man Angst um die Lichtmühle bekommt. Dazu kommt, dass es offenbar zu einer Ionisation der Luftmoleküle im Glaskolben kommt, weil das Innere der Kugel zu leichten beginnt. Um die Lichtmühle nicht zu beschädigen, wurde der Versuch nach wenigen Sekunden abgebrochen.

Funktionsweise

Die Energie zur Drehung des Rades ist elektromagnetische Strahlung, egal, ob es sich um Licht, Wärme oder Mikrowelle handelt.

Die schwarzen Flächen bewegen das Rad, wenn die Anordnung von der Umgebung Energie aufnimmt. Die verspiegelten Flächen bewegen das Rad, wenn die Umgebung der Anordnung Energie entzieht.

Die Bewegung entsteht durch den Impuls, den die Luftmoleküle von den schwingenden Molekülen der Flügelräder erfahren, wenn die beiden Seiten verschiedene Absorptionsraten haben.

Aufbau

Die Lichtmühle besteht aus einem evakuierten Glaskolben mit 1..10 Pa (Feinvakuum!). Zum Vergleich: der atmosphärische Druck beträgt 1.013 hPa oder 101.300 Pa. Die Luft im Glaskolben ist schon ganz schön dünn. Die vier Plättchen bestehen meist aus meist Glimmer, und müssen wenig wärmeleitend sein. Die Lagerung erfolgt über Nadeln mit möglichst wenig Reibung. Eine Seite eines Flügels ist schwarz, die andere verspiegelt.

Luftdruck im Kolben

Der Rückstoßimpuls der Luftmoleküle reicht nicht aus, um das Rad gegen den normaler Luftdruck zu bewegen. Würde man die Luft vollständig aus dem Glaskolben entfernen (Hochvakuum), gäbe es zu wenige Luftmoleküle und daher zu wenig Antriebskraft. Zwischen diesen beiden Extremfällen gibt es im Bereich von 1…10 Pa einen Punkt der höchsten Empfindlichkeit (Feinvakuum).

Die für die Funktion wesentliche Größe ist die mittlere freie Weglänge, die ein Luftmolekül bis zu einem Zusammenstoß zurücklegen kann. Diese Größe muss größer sein als der verwendete Glaskolben.

Stillstand

Atome und Moleküle bewegen sich bei Temperaturen über Null K (-273° C). Im festen Körper schwingen sie (sie haben eine Temperatur und geben diese in Form thermischer Strahlung an die Umgebung ab, in Gasen und Flüssigkeiten bewegen sie sich regellos („Brownsche Molekularbewegung“). Luftatome stoßen zufällig auf beide Seiten der Flügelräder und werden im thermischen Gleichgewicht von den schwingenden Molekülen des Festkörpers an beiden Seiten gleich stark zurückgeworfen. Das Rad dreht sich nicht

Drehung

Wird die Lichtmühle bestrahlt, absorbiert die schwarze Fläche die Strahlung, die verspiegelte reflektiert sie- Die schwarze Fläche erwärmt sich mehr als die verspiegelte, daher ist es wichtig, dass das Material wenig wärmeleitend ist, damit der Temperaturunterschied einige Zeit bestehen bleibt. Die Moleküle der schwarzen Fläche schwingen mehr, weil die Fläche wärmer ist. Die Luftmoleküle werden wegen der intensiveren Molekülbewegung von der schwarzen Fläche stärker reflektiert als von der verspiegelten Fläche. Das Rad dreht sich.

Stillstand

Wenn die äußere Strahlung konstant bleibt, gleicht sich der Temperaturunterschied zwischen den beiden Flächen nach einiger Zeit aus. Das Rad bleibt stehen.

Drehung verkehrt

Bei einem Absinken der Umgebungstemperatur wird die schwarze Fläche rascher kühl als die verspiegelte. Das Rad dreht sich verkehrt.

William Crookes

William Crookes hat das Readiometer im Zuge von Experimenten mit evakuierten Glaskolben 1873 erfunden. Die Funktionsweise war damals keineswegs klar. Crookes vermutete, dass die Bewegung vom Strahlungsdruck herrühren könnte und bat seinen berühmten Kollegen James Clerk Maxwell um eine Berechnung. Es stellte sich heraus, dass der Strahlungsdruck viel zu gering ist, um das Rad in Bewegung zu versetzen. 

Diese Einrichtung war eine Vorstufe in der Entwicklung der Elektronenröhre, die dann 1906 erfunden und 1912 erstmals in einem Verstärker eingesetzt wurde.

Links

• https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtm%C3%BChle
• https://de.wikipedia.org/wiki/Radiometer
• https://de.wikipedia.org/wiki/William_Crookes