Lichtmühle, Radiometer

Copyright © experimentis. Alle Rechte vorbehalten.

Eine Lichtmühle besteht aus einer evakuierten Glaskugel. Sie besitzt in ihrem Innern ein Flügelrad mit vier Flügeln. Diese haben eine berußte und eine reflektierende Seite und beginnen sich zu drehen, sobald sie vom Licht beschienen werden. Auch unter Einwirkung von Wärmestrahlung können sie sich in Bewegung setzen. Hierzu reichen ein oder zwei Tassen heißen Kaffees, die man direkt neben das Radiometer stellt.

Lichtmühlen sind auch bekannt unter der Bezeichnung Solarradiometer, Lichtrad oder einfach Radiometer und tragen manchmal den Beinamen Crooksche Lichtmühle oder Crooksches Radiometer, da der britische Naturwissenschaftler William Crooks dieses Gerät erfunden hat. Am 7. April 1875 stellte er es erstmals der Royal Society vor, einer Art Akademie der Wissenschaft.

Die Lichtmühle: Ein Forschungsprojekt

Das Radiometer sollte beweisen, so die Hoffnung ihres Erfinders, dass Licht bzw. Strahlung Druck ausüben kann. Tatsächlich drehte sich seine zu diesem Zweck 1873 entwickelte Lichtmühle auf wundersame Art und Weise und der von Crookes erdachte „Lichtdruck“ schien eine plausible Erklärung für dieses Verhalten zu sein. Crookes machte sogar Versuchsreihen, für die er unterschiedliche Licht- bzw. Strahlungsquellen einsetzte, um herauszufinden, wann die Bewegung der Lichtmühle am stärksten ist (Quelle s. unten).

Erst später kam man dahinter, dass Crookes Theorie vom Lichtdruck in Hinblick auf die Lichtmühle falsch war. Die Bewegung der Flügel ist darauf zurückzuführen, dass sich die berußten Flächen bei Bestrahlung erwärmen. Daher bewegen sich die Moleküle und Atome dort 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.

Auf den Luftdruck und die Temperatur kommt es an

Das Ganze funktioniert entsprechend nur dann, wenn im Glaskörper Unterdruck herrscht, aber 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. Im Video unten wird gezeigt, was passiert, wenn man eine Lichtmühle abkühlt (bei Minute 1:39). Bei diesem Physik Experiment kann man sehen, dass sich die Flügel dann nämlich rückwärts zu drehen beginnen, denn die schwarzen Seiten geben die Wärme viel schneller ab, als die silbernen.

Die Flügel der Lichtmühle bestehen aus Glimmerplättchen. Sie werden verwendet, weil sie sehr leicht sind und dazu Wärme ganz besonders schlecht leiten. Dadurch wird gewährleistet, dass der Wärmeunterschied zwischen der hellen und der dunklen Seite der Flügel maximal ist.

An dem eben Gesagten kann man erkennen, dass Glasbläser, die Lichtmühlen herstellen, nicht nur eine hohe Fertigkeit im Glasblasen mitbringen müssen, sondern auch ein entsprechendes Wissen um die beteiligten Materialien sowie die physikalischen Wirkprinzipien.

YouTube

Mit dem Laden des Videos akzeptieren Sie die Datenschutzerklärung von YouTube.
Mehr erfahren

Video laden


Quelle:

Die Geschichte des Radiometers kann man in dem Buch „Crookes’s radiometer : an instrument which revolves continuously under the influence of radiation“ aus dem Jahr 1876 nachlesen.

Das Buch steht hier zur Verfügung zum Download als PDF.