Lichtmühle

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Der Artikel Lichtmühle gehört zur Kategorie: Physik, Physikalisches Spielzeug

Eine Lichtmühle
Bildherkunft

Skizze einer Lichtmühle
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Eine Lichtmühle (auch als Licht-Windrad oder Radiometer bezeichnet) ist eine dekorative Glaskugel, in deren Inneren sich ein bei Lichteinfluss drehendes Flügelrad befindet, das aus meist vier Plättchen besteht, die auf einer Seite geschwärzt sind.

Der Name Lichtmühle kommt daher, dass sich der Rotor im Inneren bei einwirkender Licht- oder Wärmestrahlung in Richtung der hellen Seite der Plättchen zu drehen beginnt. Erfunden wurde die auch als "Licht-Windrad" bezeichnete Spielerei von William Crookes im Jahre 1873.

Aufbau

Meist besteht eine Lichtmühle aus einem vierarmigen Flügelrad, welches mittels eines Glashütchens auf einer Nadelspitze leicht drehbar gelagert ist. Jeder der aus Draht bestehenden Arme trägt an seinem Ende ein vertikal gestelltes Blättchen aus geglühtem Glimmer, dessen eine Seite mit Ruß geschwärzt ist, und zwar so, dass die berußten Flächen alle nach derselben Drehrichtung gewandt sind.

Der Aufbau ist in eine hohle Glaskugel von 5–6 cm Durchmesser eingeschlossen. Von oben her ragt eine Glasröhre in die Kugel hinein, welche das Herunterfallen des Flügelrades verhindert.

Die Glashülle wird auf ca. 5 Pascal (0,05 mbar) evakuiert und dann zugeschmolzen. (Lichtmühlen funktionieren weder im Hochvakuum noch bei Normaldruck!)

Setzt man die Lichtmühle Licht- oder Wärmestrahlung aus, so dreht sich das Rädchen mit einer von der Stärke der Strahlung abhängigen Geschwindigkeit, wobei die nicht geschwärzten Flächen vorangehen.

Um eine Drehbewegung zu beobachten, müssen Reibungs- und Luftwiderstand sehr gering sein. Dies wird durch den Unterdruck im Inneren der Glaskugel sowie durch die reibungsarme Lagerung des Rotors erreicht.

Eine Lichtmühle funktioniert nur, wenn die geschwärzte Seite Energie absorbieren kann, gut von der hellen Seite thermisch isoliert ist und sich somit aufheizt. Eine gute Lichtmühle dreht im Sonnenlicht schnell, bewegt sich aber auch in schwachem Tageslicht noch langsam, während eine Zimmerbeleuchtung aus z. B. Leuchtstoffröhren jedoch meist nicht ausreicht. Da die Empfindlichkeit im infraroten Bereich gross ist, reicht jedoch eine nahe Kerze, Taschenlampe oder ein nicht einmal sichtbar strahlender Heizkörper.

Historie der Erklärungsversuche der Funktion

Zur Erklärung der Ursache der Drehung wurden im Laufe der Zeit verschiedene physikalische Wirkprinzipien herangezogen.

Crookes glaubte anfänglich, dass die Drehbewegung aufgrund des unterschiedlichen Strahlungsdrucks der Photonen (an der hellen Seite werden sie reflektiert, an der dunklen absorbiert) entsteht. Eine genauere Analyse (unter anderem von James Clerk Maxwell) ergab allerdings, dass dieser Effekt zu gering ist, außerdem würde dies eine Drehung in Richtung der dunklen Seite (im Gegensatz zur beobachteten Richtung) bewirken.

Eine weitere Widerlegung der Strahlungsdruck-Theorie gelang durch Versuche, die zeigten, dass zwischen Flügelrad und Glashülle eine Wechselwirkung stattfindet, sodass folglich die Bewegung nicht von einer äußeren Kraft herrühren könne:
Lässt man ein Radiometer, dessen Flügelrad mit einem leichten Magnetstäbchen versehen ist, in Wasser schwimmen und hält die Drehbewegung des Rades durch einen von außen genäherten Magnet an, so dreht sich bei Bestrahlung die Glashülle in die entgegengesetzte Richtung. Die Strahlungsdruck-Hypothese kann leicht widerlegt werden, indem man das Flügelrad im Vakuum lagert. Aufgrund der nun entfallenden Luftreibung wäre zu erwarten, dass sich die Flügel nun schneller drehen. Der Druck hat jedoch ein Optimum - bei zu geringem Innendruck findet keine Bewegung mehr statt.

Die Temperaturabhängigkeit der Drehbewegung ist ein weiteres Indiz gegen den Strahlungsdruck: Die Drehrichtung der Lichtmühle hängt vom Strahlungsgleichgewicht im Inneren und somit auch von der Temperaturdifferenz innen/außen ab: Eine unbestrahlte (stillstehende) Lichtmühle beginnt sich in umgekehrter Richtung (mit den schwarzen Flächen voran!) zu drehen, wenn man sie in ein Gefäß mit kaltem Wasser setzt - die meist mit Ruß geschwärzten Flächen nehmen aufgrund ihres auch in Mittleren Infrarot besseren Emissionsgrades dabei eine niedrigere Temperatur an als die hellen Flächen.

Eine weitere Erklärung der Funktionsweise wurde 1879 von dem englische Ingenieur Osborne Reynolds (1842-1912) veröffentlicht. Er erklärt die Bewegung mit einer Temperaturdifferenz zwischen der schwarzen warmen und der weißen kalten Fläche und dem damit verbundenen Gasfluss, welcher bei unbeweglichen Flächen zu einer Druckdifferenz führen würde. Wenn diese Luft in Richtung auf die Außenkanten der Schaufeln fließt, streichen die wärmeren, schnelleren Moleküle in einem größeren Winkel über die Kanten als die kühleren, was die Schaufeln in die der dunklen Fläche abgewandte Richtung treibe.

Es gibt eine Fülle weiterer Erklärungsversuche für die Drehbewegung, wobei einige davon zumindest einen Beitrag zur Bewegung liefern könnten, nicht jedoch deren Hauptursache sind.
Die dafür herangezogenen Effekte seien hier genannt:

das Ausgasen der schwarzen Überzüge
der photoelektrische Effekt
Konvektionsströmung

Heute akzeptierte Erklärung der Funktion

Der Gasdruck im Inneren der Glaskugel ist so gering – nur ein bis zehn Pascal –, dass die freie Weglänge, also die mittlere Distanz die ein Gasmolekül zwischen zwei Zusammenstößen zurücklegt, in der Größenordnung von Millimetern liegt. Für einen Druck von 5 Pascal beträgt die mittlere freie Weglänge immerhin 1,4 mm. Darum muss man das Verhalten der Gasmoleküle im Inneren eher mit dem Impulsgesetz statt mit Begriffen wie Strömung, Konvektion oder Expansion beschreiben. Die Wechselwirkung der Gasmoleküle untereinander ist für diese Phänomene einfach zu gering.

Die thermische Bewegung der Gasmoleküle im Inneren führt bei unbeleuchtetem Flügelrad und thermischem Gleichgewicht statistisch zu gleichvielen Stößen auf die hellen und die dunklen Flügelflächen sowie die Glaswand. Bei Bestrahlung erwärmen sich die berußten Flächen und deren Moleküle bzw. Atome führen eine stärkere Bewegung (Brownsche Molekularbewegung) aus. Treffen nun Gasmoleküle auf schnell schwingende Teilchen der warmen Seite, erhalten sie einen stärkeren Impuls beim Wegfliegen. Das Kraftgleichgewicht des Flügels ist nun nicht mehr gegeben - die schwarze Seite erfährt nach dem Impulserhaltungssatz eine Rückstoßkraft in der entgegengesetzten Richtung des wegfliegenden Gasteilchens.

Mit dieser Theorie lassen sich alle beobachteten Abhängigkeiten wie Optimum des Gasdruckes, möglichst schlecht wärmeleitende Plättchen wie auch der Gegenimpuls auf das Glasgefäß erklären.

Auch die bei Abkühlen des Glasgefäßes stattfindende Umkehrung der Drehrichtung (mit den schwarzen Flächen voran!) der unbestrahlten Mühle lässt sich so erklären: Eine unbestrahlte stillstehende Lichtmühle beginnt sich in umgekehrter Richtung zu drehen, wenn man sie in ein Gefäß mit kaltem Wasser setzt.

Die meist mit Ruß geschwärzten Flächen nehmen dann aufgrund ihres nicht nur im sichtbaren Bereich des Lichtes, sondern auch in Mittleren Infrarot höheren Emissionsgrades eine niedrigere Temperatur an als die hellen Flächen. Sie verlieren Wärmeenergie durch Abstrahlung im gestörten Strahlungsgleichgewicht im Inneren der Kugel (die Glaswandung strahlt weniger zurück als sie absorbiert). Dadurch wird nun die hellere Seite des Flügels zur „Antriebsseite“, da diese nun eine höhere Temperatur hat und die Gasmoleküle nun dort einen stärkeren Impuls erhalten.

Weblinks

Diskussion der Autoren über den Artikel: Lichtmühle

Platindraht

"Jeder der aus Platindraht verfertigten Arme.."

warum sollte man für diesen Zweck Platin missbrauchen? schlage vor auf "Draht" zu verallgemeinern!

Würde ich auch so sehen. Ist Platin besonders leicht? Das wäre eine Erlärung, aber wirklich wichtig ist das nicht und trägt nicht zum Verständnis bei. Außer man will sowas nachbauen :)

Radiometer

Ich schlage vor diesen Artikel mit dem Artikel Radiometer zu vereinigen, da beide Artikel den selben Gegenstand beschreiben.

Ich würde es lieber bei 2 einzelnen Artikeln belassen, immerhin ist die Lichtmühle die Spielzeugvariante. --Joh3-16 14:51, 22. Okt 2005 (CEST)

falsche Erklärungen für die Funktionsweise

Ich bin dem Link auf der Seite zu der englischen Erklärung gefolgt (http://math.ucr.edu/home/ba... und dort wird die Erklärung Nummer 1 mit der schnelleren Bewegung der Atome auf der schwarzen Seite als FALSCH gekennzeichnet. Erklärung Nummer 2 ist auch unvollständig und nicht wirklich verständlich. Ich habe den englischen Text wie es nun wirklich funktioniert noch nicht verstanden, werde mich da aber nochmal ran setzen.

Quotes als Beweise: "As a variation on this theme, it is sometimes said that the motion of the hot molecules on the black side of the vane provide the push. Again this is not correct and could only work if the mean free path between molecular collisions were as large as the container, but in fact it is typically less than a millimetre." von der oben genannten Seite

Ich kann der Erklärung des Links nur teilweise folgen. Ich möchte davor warnen etwas nur deshalb als wahr anzunehmen, weil es im Internet steht, in Englisch verfasst wurde und den Anspruch der letzten Wahrheit zu vertreten vorgibt. Ich verzichte darauf hier gewisse fragwürdige Passagen aus dem verlinkten Text zu diskutieren. Ansonsten habe ich nach bestem Wissen und Gewissen das Wiki korrigiert.

--84.189.148.101 13:03, 14. Aug 2006 (CEST)

Ich habe vor ein paar Wochen von meinem Physiklehrer die hier als korrekt angegebene Version erklärt bekommen. Ein Physiklehrer an einem anderen Gymnasium in der Stadt meinte dazu, er hätte auch lange Zeit diese Version als richtig erachtet, bis er einer Vorlesung an der Augsburger Uni beiwohnte. Dort in der Uni sei man ausnahmslos der Meinung gewesen, dass die von Maxwell auf Basis von Reynold aufgebaute Theorie über den Gasfluss an den Flügelchen korrekt sei und die andere überholt ist. Wollte das nur anmerken, da wohl nicht nur das Internet der Meinung ist. <- -> Codingnoob 14:46, 23. Okt. 2006 (CEST)

Physik der Lichtmühle 3.

Ich bin dafür, diesen Absatz weitgehend ersatzlos zu steichen:

Erstens liefert er keine Erklärung, sondern sagt nur, daß die von der Fachwelt akzeptierte Erklärung rechnerisch unrealistisch ist. Dazu werden Rechnungen angeführt, die - abgesehen von fehlenden Einheiten- und Bedingungsangaben - für mich nicht nachvollziehbar sind: "Nimmt man Alufolie an, dann liegen die Temperaturdifferenzen unter 5 * 10 hoch -5". Kelvin? Relativer Anteil? Alufolie ist in der Tat zu dünn, um nennenswerte Temperaturdifferenzen zuzulassen, aber das scheint mir selbst dafür deutlich zu wenig zu sein. Abgesehen davon besagt die in den Links stehende Quelle Wissenschaft-Online, daß solche Aluminiumfolien-Mühlen mal in die eine und mal in die andere Richtung rotieren und offensichtlich Aufwindturbinen darstellen, während richtige Lichtmühlen angeblich auch in der Schwerelosigkeit funktionieren, von daher ist es wohl nicht sinnvoll, eine solche Alu-Mühle als Referenzobjekt zu verwenden. Je nach Bedingungen wären meiner Meinung nach eher 5 K (~ 1,8%) realistisch.

Zudem ist der Abschnitt meiner Meinung nach auch sehr unenziklopädisch geschrieben ("Wieder so ein Fall der uns glauben machen könnte der zweite Hauptsatz sei falsch!"). Falls jemand Quellen vorweisen kann oder zumindest eine sinnvolle Erläuterung, weswegen die angegebenen Fakten richtig seien, sollten wir den Text zumindest umschreiben.

Schöne Grüße --RealZeratul 14:37, 5. Sep 2006 (CEST)

Überarbeitung

hallo, ich habe mir erlaubt, viele Doppelungen und umfangreiches Beiwerk zu beseitigen sowie die Gesamtstruktur auf die Füße zu stellen.
Ich hoffe auch, dass ich die mystischen nebeneinander bestehenden Erklärungen nun klar getrennt habe.
Einige hier vorgeschlagene Änderungen habe ich getan.
Vielleicht kann ein Kundiger aus dem Fach der Gasdynamik und Vakuumtechnik noch den Abgleich Innendruck-Optimum/Freie Weglänge führen und vielleicht einen Satz einfügen, warum es sich ausschließlich um elastische Stöße handelt.--Ulfbastel 11:36, 12. Sep 2006 (CEST)

Heute akzeptierte Erklärung der Funktion?

Diese Erklärung funktioniert nur bis sich ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt. Auf Dauer kann die schwarze Fläche nicht wärmer werden als die weiße. (Ein schwarzer Absorber auf dem Dach wird nur schneller warm als ein Weißer, nach einer entsprechenden Zeit weisen beide die gleiche Temperatur auf.) Die Lichtmühle funktioniert aber immer, solange eine Seite der Glaskugel ausreichend stärker "bestrahlt" wird als die Andere. --88.73.252.152 21:51, 16. Okt. 2006 (CEST)

Doch, die schwarze Fläche absorbiert dauernd mehr Energie als die helle Fläche - und diese auch selber wieder ab, aber in einer tieferen Wellenlänge. Deshalb kann die schwarze Fläche dauernd wärmer sein, trotz der auch stattfindenden Wärmeleitung durch das Material der Flügel. Ich habe übrigens ein Lichtmühle, die sehr gut geht, sogar mit Kerzen, Taschenlampen, in fahlem Tageslicht und mit einem nicht sichtbar glühenden Heizstrahler. Habe dies im Artikel (Aufbau) vermerkt. Theo Schmidt

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Diese Definition bzw. Erklärung des Begriff Lichtmühle und dessen Bedeutung wurde zuletzt am 25.7.2007 aktualisiert (Glossar Lexikon Enzyklopädie).