Radiometer nach Crookes (Lichtmühle)

Kurzbeschreibung

Das Gerät, auch als Radiometer bekannt, besteht aus einer wenig Luft enthaltenden Glaskugel und ähnelt auf den ersten Blick einer aufrecht stehenden Glühbirne. In ihrem Inneren befindet sich ein leichter vierflügliger Rotor, welcher mit einer gläsernen Pfanne auf einer Nadelspitze leicht drehbar gelagert ist. Die quadratischen Flügel des Rotors bestehen normalerweise aus Glimmer oder Aluminium und sind auf der Vorderseite weiß oder glänzend und auf ihrer Rückseite schwarz gefärbt oder berußt. Im Sonnenlicht oder dem Schein einer Lampe dreht sich der Rotor dergestalt, dass die schwarzen Flächen in Drehrichtung gesehen hinten sind. Je heller der Strahl der gleichen Lichtquelle ist (bei intensivem Sonnenlicht dreht sich eine Lichtmühle erheblich schneller als bei sehr hellem Neonlicht), desto schneller dreht sich das Rad. Der Effekt erklärt sich durch den größeren Impuls, den auftreffende Luftmoleküle von der schwarzen (heißeren) Fläche mitnehmen. Das Ganze wird mit der Fernsehanlage gezeigt.

Der Physiker Augustin Fresnel, entdeckte 1825 die Radiometerkraft. Mit der Physik seiner Zeit konnte er sie aber nicht verstehen, nur durch Versuche bei verschiedenen Drücken einige denkbare Erklärungen ausschließen. Als William Crookes 1873 versuchte, das Atomgewicht von Thallium zu bestimmen und dazu mit einer Vakuumwaage Substanzproben mit einer höheren Temperatur als der Umgebung abwog, bemerkte er eine anscheinend verminderte Gravitationskraft. Auf diese Weise hatte er die Radiometerkraft wiederentdeckt und bezog sich in seiner wissenschaftlichen Arbeit auf Fresnel. Er deutete die Kraft aber bereits als eine Wärmewirkung.

Die genaue Wirkungsweise bereitete mehrere Jahrzehnte lang namhaften Physikern wie James Maxwell oder Albert Einstein Kopfzerbrechen. Dass die Drehung des Rotors nicht auf den Effekt des Lichtdruckes zurückzuführen ist, zeigt folgendes Beispiel. Am einfachsten ist die Theorie, wenn wir annehmen, dass die glänzenden Flächen der Flügel die einfallende Strahlung wie vollkommene Spiegel reflektieren, während die schwarzen Flächen vollkommen absorbieren. Unter dieser Voraussetzung müsste die Strahlung nach dem Impulserhaltungssatz auf den weißen Seiten den doppelten Druck ausüben. Dann müsste der Lichtdruck den Rotor aber anders herum drehen als in dem oben beschriebenen käuflichem Radiometer. Als weiterer Aspekt ist zu bedenken, dass die Druckkraft der Sonnenstrahlen viel zu klein wäre, um die Reibung im Nadellager zu überwinden. Da es sich beim Radiometereffekt also nicht um den Lichtdruck handeln kann, betrachten wir als nächstes die Molekülströmung. Der Einfachheit halber nehmen wir einen Gasdruck im Radiometer an, bei dem die mittlere freie Weglänge der Moleküle eine Größe besitzt, welche die Wechselwirkung der Luftmoleküle untereinander vernachlässigbar werden lässt. Durch ihre Wärmebewegung treffen die Luftmoleküle auf beide Seiten der Rotorblättchen, verlassen die heißere schwarze Seite aber mit einer im Mittel höheren Geschwindigkeit. Durch die geringfügig höhere Rückstoßkraft setzt sich der Rotor mit der weißen Seite voraus in Bewegung. Der Radiometereffekt wird außerdem durch Moleküle verstärkt, die über den Rand der Flügel von der kälteren zur wärmeren Seite wandern (thermisches Kriechen). Kommt die Radiometerkraft mit der Reibungskraft im Nadellager ins Gleichgewicht, stellt sich eine konstante Rotationsgeschwindigkeit ein.
Die Drehzahl des Lichtmühlenrotors ist nun aber nicht nur von der Intensität der infraroten Strahlung abhängig, sondern auch vom Druck in der Kugel. Es gibt einen idealen Gasdruck für Lichtmühlen, und dieser ist keineswegs so niedrig wie möglich. Bei Atmosphärendruck wäre die Gasreibung für eine Rotation der Plättchen in der Lichtmühle zu hoch. Mit sinkendem Druck in der Kugel wird die Gasreibung zwar geringer, aber bei einem Druck niedriger als 10^-5 mbar bleibt der Rotor stehen, da nicht mehr genügend Gasmoleküle vorhanden sind, um ein entsprechendes Drehmoment für den gesamten Rotor aufzubringen. Höherer Druck heißt zwar höheres Drehmoment, aber auch höhere Gasreibung. Der optimale Betriebsdruck liegt bei 0,05 mbar.
Die Abhängigkeit der Radiometer- oder Lichtmühlendrehzahl vom Druck ist so gut reproduzierbar, dass bereits Überlegungen angestellt wurden, auf dieser Basis Vakuummessgeräte zu bauen.

Nun möchten wir noch einige Bemerkungen zu Rückdrehungen machen. Kollegen von uns haben berichtet, dass man Lichtmühlen durch Einsatz eines Kältesprays auf die Glasoberfläche problemlos gegensinnig drehen lassen kann. Nach dem Erwärmen der Glasoberfläche setzt sich der Rotor wieder mit der weißen Seite voraus in Bewegung. Bei den uns zur Verfügung stehenden Lichtmühlen kann ich diesen Effekt jedoch nicht bestätigen.

Betriebsanleitungen: Lampen, Elektrogeräte

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