Lichtdruck durch Photonenimpuls?

Das ist ein Teil. Dass man den Strahlungsdruck hier messen kann, ist mir schon klar. 0,08 mbar. Und prinzipiell auch mit dem Radiometer.

Mir ist noch nicht klar, warum sich das Radiometer falsch rum dreht.

Und in der Atmosphäre kann man den Impuls eines Blitzgerätes wieder so messen, dass die silberne Fläche weggedrückt wird.

Aber der Bernd versteht ja nur ein bisschen Physik dahinter, anders als er mir unterstellt und kann das alles erklären. Darauf warte ich.

Zitat von Astro-BHO

Was gibt es dann da groß zu Verstehen?

Nur noch einmal zur Klärung... die Flügel bestehen aus Glimmer... Alu würde nicht funktionieren.

Die Lichtmühle würde sich auch im Dunklen drehen, wenn man z.B. einen heißen Gegenstand daneben stellt.

Die Bewegung der Flügel ist darauf zurückzuführen, dass sich die berußten Flächen bei Bestrahlung stärker erwärmen als auf der silbernen. Daher bewegen sich die Moleküle und Atome dort auch viel stärker als auf den hellen Seiten des Flügelrades.

Treffen nun Gasmoleküle auf die schnell schwingenden Teilchen der angerußten Seite, werden sie von diesen angestoßen und fliegen weg. Jede Kraft erzeugt jedoch eine gleich große Gegenkraft, so dass die schwarze Seite des Flügels eine Rückstoßkraft erfährt, und zwar in die entgegengesetzte Richtung der wegfliegenden Gasteilchen. Deshalb beginnt sich das Flügelrad mit den silbernen Flächen voran zu drehen. Man nennt dies auch das Rückstoßprinzip. Es folgt aus dem dritten Newtonschen Axiom.

Das Ganze funktioniert entsprechend nur dann, wenn im Glaskörper Unterdruck herrscht, jedoch kein Hochvakuum. Befände sich zu viel Luft in der Lichtmühle, wäre der Luftwiderstand zu groß. Ganz ohne Luft würden die Moleküle für die Stöße fehlen. Normalerweise herrscht ein Druck von ein bis zehn Pascal.

Auch die Umgebungstemperatur spielt eine Rolle. Ist es zu kalt, dann reicht die Energie der Lichtstrahlen nicht aus, um die Flügelräder in Bewegung zu versetzen. Ist es zu warm, kann dies ebenfalls zum Stillstand der Lichtmühle führen.

Wenn man die Lichtmühle plötzlich abkühlt (z.B. mit Kältespray)kann man feststellen, dass sich die Flügel plötzlich rückwärts drehen, denn die schwarzen Seiten geben die Wärme viel schneller ab, als die silbernen.

CS Bernd

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Hallo Bernd,

das geht mit Alublechen. Die meisten Radiometer haben Alu, die ersten vielleicht Silber.

siehe oben: Wie lange ist das 0,1 mm dicke Alublech auf der schwarzen Seite wärmer? Solange wie die Sonne strahlt? Glaubst du wirklich, dass so dünnes Alublech stundenlang messbar auf einer Seite wärmer ist? Und wenn sie untergeht, oder wenn man sie schnell abschattet, dreht es sich dann andersrum? Das hatte ich schon oben gefragt.

Und welcher Effekt bewirkt, dass beim Fotoblitz die Silberseite mehr Impuls kriegt?

Da reicht mir das bisschen Verstehen der Physik leider nicht. Da dürfte es ein bisschen mehr sein als nur die alte Lichtleier abermals abgespult

Stephan

Zitat von nemausa

Hallo Stephan,

Stathis hat sich vielleicht nicht deutlich genug ausgedrückt: Deine Umrechnung von Mikropascal in mbar liegt ein paar Größenordnungen daneben!

Den Strahlungsdruck mit dem Radiometer zu messen dürfte schwierig werden. Denn der Druck, mit dem die erwärmten Luftmoleküle die schwarze Platte anstubsen, ist deutlich größer als der Strahlungsdruck.

Gruß

Ronny

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0,08 mbar, messbar oder nicht? Wieviel mbar sind nach deiner Rechnung 8 Mikropascal?

Zitat von stefan-h

Darf ich lachen? Der durchaus starke bekannte Blitzgerät, der Metz 60-CT4, bringt gerade mal ca. 160J, der etwas kleinere Metz 45-CT4 kommt so auf ca. 90J und die meisten Blitzgeräte liegen da noch deutlich darunter (Quelle hierzu) Ein günstiger Studioblitz fängt so bei 100J an, die größeren gehen bis ca. 300J. Und das sind Brutto-Angabe, also verbrauchte Leistung, nicht das was an Licht tatsächlich rauskommt, der Wirkungsgrad ist nämlich nicht besonders gut.

Lachen ist immer gesund. Verbrauchte Leistung: 2000 mAH bei 1,2 V verteilt auf 20 Blitze. Da komm ich auf ungefähr 400 J. Wieviel errechnest du? Den Wirkungsgrad der Blitzröhre kenn ich nicht. Ist jedenfalls wesentlich mehr auf der Waage als Sonnenlicht.

Zitat von Kalle66

Wenn ich es richtig überschlage, hat so ein Gasmolekül etwa zehnmillionenfach mehr Impuls als ein Photon des sichtbaren Lichts.

p_photon= hf/c = ~ 1,3 E-27 kg m/s

h = Planckkonstante 6,626 E-34 kg m²/s,

f = Frequenz (grün) = 6E+14 1/s

c = 3 E+8 m/s

P_Stickstoff = mv = ~ 1,8 E-20 kg m/s

m = 28 u = 4,6 E-23 kg

v im Feinvakuum bei Zimmertemperatur so 400 m/s

Der Rest ist eine Frage der Teilchenzahlen und inwieweit die ihren Impuls übertragen können. Bei Reflexion wäre der für Photonen doppelt so groß als bei Absorption. Das Experiment zeigt, dass die Gasmoleküle den Wettbewerb hier gewinnen, so wie damals der Eisberg gegen die Titanic gewann: Masse gewinnt.

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Dann rechne weiter. Stoßzahl bei sagen wir bei 10 mbar und die multipliziert nicht mit Impuls der N2-Moleküle sondern nur mit der Impulsdifferenz bei delta T . Wieviel wärmer ist die schwarze Seite des dünnen Alubleches? V im Feinvakuum ist übrigens dieselbe wie bei Normaldruck. Jetzt müsste man rechnen: Sonnenstrahlung auf die schwarze Fläche von soundso, und Wärmeleitung durch 1 mm Alu. Auf der Silberseite gehts nicht weiter, weil ja Vakuum ist und die Luft kaum kühlt. Und die Silberseite des Alubleches strahlt auch kaum ab.

Genau wie die Wärme da steckenbleibt und nach meiner Vorstellung kein nennenswerter Temperaturunterschied dauerhaft entstehen kann, ist die ganze Erklärung eine Sackgasse.

Die ganze Rechnerei ist schon aufwendiger. Einfacher wäre es zu rechnen: Wieviel Photonen pro Zeit kommen auf die Fläche, wieviel Impuls haben die insgesamt.

Wieviel N2-Moleküle kommen pro Zeit auf dieselbe bei 10 mbar? Und wie hoch müsste die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Alubleches sein, damit derselbe Impuls entsteht?

Das mach ich auch wenns keiner schneller kann. Früher konnte ich sowas sofort, jetzt muss ich erst länger überlegen. Und wenn man dann noch mit falschen Drücken rechnet, siehe unten.

Zitat von stefan-h

8 Mikropascal [µPa] = 8,0×10-8 Millibar [mBar]

Rechnen mit Einheiten und physikalischen Zusammenhängen ist scheinbar nicht deine Stärke, das gilt auch für deine Berechnung der Blitzleistung

Oh ja, sorry. Echt, wie man sich so vertun konnte. Hab statt Mikro Milli genommen und noch die Hekto falsch rum gerechnet. 1 mbar ist 1 Hektopascal.

Inzwischen glaube ich auch, dass 1 Mikropascal 10 hoch -8 mbar sind.

8 davon sind schon schwerer zu messen.

Das ändert jedoch noch nichts an der Beobachtung mit dem Blitz.

Bei der Blitzenergie sehe ich noch keinen Fehler.

Die Rechnung ist ganz einfach, geht sogar im Kopp.

1 mbar ist 1 Hektopascal. 10 mbar sind ein Kilopascal. Eine Temperaturdifferenz von 0,3° (wahrscheinlich weniger) macht eine Druckdifferenz von einem Pascal. Also eine eigentlich nicht messbare Temperaturdifferenz macht viel mehr Druck als das Licht.

Da hab ich mich richtig verhauen, sorry nochmal. Wenn ich mich nicht wieder vertan habe

Den Versuch mit dem Blitzgerät versteh ich trotzdem nicht, weil da die reflektierende Seite mehr Impuls kriegt.

Zitat von Lucifugus

Servus quilty,

wie bereits geschrieben wurde: das "Knallen" ist nicht das Licht, sondern das Blitzgerät. Dass sich der "Knall" bei einer Lasagneform anders anhört als bei einer schwarten Fläche (eben? Lasagneform: mit Innenraum, Resonanzkörper usw.), kann ich mir vorstellen.

Dass du das klangliche Erlebnis mit einem haptischen verbunden hast, kann ein psychologischer Effekt sein. Könntest du mit einem Blitzgerät einen so großen Rückstoß auf ein so kleines Objekt erzeugen, dass man das "fühlen" kann, dann könntest du dem folgend einen Lichtsurfer für Sönnenlicht basteln. Zum Sonnenaufgang, wenn die Strahlung passend auf dein Sonnensegel fällt (z.B. großer Fallschirm, innen mit Alufolie ausgekleidet), dann müsstest du den nur festhalten,. dich auf Rollschuhe stellen und ab geht die Post.

Ich fürchte aber, dass das nich tklappen wird. Du kannst den Gesamtimpuls des Blitzlichtes ausrechnen. Du wirst sehen, der ist bei der geringen Lichtmenge auf eine so kleine Fläche wie eine Lasagneform sehr klein. Dass Photonen einen Impuls haben, ist aber völlig korrekt. Sie haben ja auch Masse, wenngleich ihre Ruhemasse gleich Null ist. Photonen ruhen aber eben nicht. Man kann also wirklich mit einem Sonnensegel beschleunigen. Das Segel muss aber sehr sehr groß sein und die Nutzlast, die man mit dem Segel beschleunigen will, sehr gering. Könntest du den Rückstoß des Lichts spüren, hätte man also schon längst solche Sonnensegel verwirklicht.

Liebe Grüße,

Christoph

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Hallo Christoph,

Da bin ich mir sicher. Das Blitzgerät knallt selbst auch. Aber vor allem das Blech und zwar mehr als die schwarze Seite, das hab ich damals oft ausprobiert. Und auch visualisiert. Für mich gibts da kein Vertun. Jeder, der son Gerät hat, kann es noch ausprobieren, meins ist leider kaputt. Es geht auch mit Leitzahl 15 ist aber viel schwächer, die Leitzahl geht, wenn ich mich richtig erinnere quadratisch mit der Blitzenergie. Und die ist auf dem kleinen Blech viel höher als durch die Sonnenstrahlung.

Was immer das für ein Effekt ist, er ist auf der Silberseite wesentlich größer.

Wenn jemand aus meinen 2 Ah bei 1,2 V für 20 Blitze eine andere Energie pro Blitz erhält, soll ers mir vorrechnen.

Gruß

Stephan

Zitat von Stathis

Oh, Mensch quilty, wie kann man sich nur so sehr selbst im Weg stehen. Bernd (Astro-BHO) hat doch längst in Beitrag #26 das Funktionsprinzip erklärt.

Und jetzt bitte als Bettlektüre zusätzlich diesen detaillierten Wikiartikel Lichtmühle genau durchlesen incl. ausführlicher Erklärung und experimentellen Nachweisen. Im speziellen steht dort:

- Verantwortlich für den Antrieb ist der Teilcheninpuls durch die Brownsche Molekularbewegung und nicht der Strahlungsdruck

- Der optimale Innendruck im Glaskolben wurde zu 1,3 Pascal ermittelt

- Für einen möglichst starken Effekt sind die Flügel aus möglichst schlecht wärmeleitenden Glimmer und eben nicht aus Alu.

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Das Funktionsprinzip war mir schon immer klar, allein, ich hab nicht ganz dran geglaubt.

So Radiometer mit Alu (oder Silber?) Blättchen hab ich schon öfters gesehen. Bei dem Prinzip müsste aber die Wärmeleitung (durch eine Isoschicht?) entscheidend sein.

Wie gesagt, bei 1 Kilopascal gibt es bei 0,3° Unterschied (nun nicht mehr so gering) eine Druckdifferenz von 1 Pascal, bei 1 Hektopascal dann eben 0,1 Pascal = 0,1 N/m" = 1,6x 10 hoch -4 N, also grob 0,02 g auf einer Fläche von 4x4 cm bei 1,3 Pascal. Also durchaus messbar.

Gut. Der Radiometereffekt

Weil dus mit der Druckdifferenz am leichtesten ausrechnen kannst. Impuls durch die Teilchen, die machen den Druck. Und den braucht man am Ende, (Kraft pro Fläche) um auf die 0,02 g zu kommen. Damit man sich das vorstellen kann.

Du kannst auch die Teilchen einzeln nehmen mit ihren Geschwindigkeiten, ist aber komplizierter.*

Weiter in der Rechnerei: Hatte ich 400 J pro Blitz gesagt?

Nehmen wir mal einen Wirkungsgrad von 20% an, (den kenn ich wirklich nicht), hat jeder Blitz 100 J. Das gibt, bei 3 eV pro Photon 3,3 x 10 hoch 20 Photonen

Impuls pro Photon ca. 10 hoch -27 kg m/s. Damit komm ich auf 3,3 x 10 hoch -7 kgm/s Impuls des Blitzes.

Jetzt hab ich mal einen Heftzwecken (Masse 0,2 g) aus verschiedenen Höhen auf ein dünnes Blech fallen gelassen und versucht mich zu erinnern, aus welcher Höhe dieser Impuls dem erinnerten Blitzimpuls entsprach. Da kam ich so auf 1 cm. 0,44 m/s mal 0,2 g also ungefähr 10 hoch -4 kgm/s.

Da fehlen leider noch zweieinhalb Zehnerpotenzen zum Lichtimpuls.

Muss wohl auch beim Blitzgerät ein anderer Effekt sein als direkter Lichtimpuls. Wenn ich mich nicht verrechnet hab, was leider oft vorkommt

Dennoch ist der Impuls auf der reflektierenden Fläche stärker als auf der schwarzen. Das ist noch offen.

*Ich bin nicht ganz aber fast ganz sicher, dass diese Vorstellung richtig ist. Der Druck im Kolben ist irgendwas. Aber den Druck an der Oberfläche machen die Teilchen, die auf sie treffen und wieder zurück fliegen. Die mittlere freie Weglänge bei 1 Hektopascal ist ungefähr 0,1 mm, das heißt, in der Nähe der schwarzen Fläche kann sich ein Bereich mit erhöhter Temperatur ausbilden, sodass die Teilchen im Mittel sogar schneller auftreffen. So dass man einen Bereich mit höherer Temperatur (bei gleicher Teilchendichte) annehmen kann, in dem wirklich ein höherer Druck herrscht. Ob ein wesentlich höherer Druck nur deshalb ungünstig ist, weil die Luftreibung stört, muss ich noch überlegen.

Wenn man nur für das Zurückfliegen der Teilchen eine höhere Geschwindigkeit annimmt, träfe die obige Abschätzung noch immer zu, wenn man die Druckdifferenz halbiert (für geringere Drücke). Also 0,01 g auf der Fläche von 2x2 cm sind es allemal bei einem Hektopascal und 0,3° Differenz. Hängt aber ganz stark vom Druck ab und wahrscheinlich nicht ganz linear.