Die Lichtmühle

Eine Lichtmühle bezeichnet man so, weil sich im Inneren bei einwirkender Licht- oder Wärmestrahlung ein Rädchen dreht. Erfunden wurde diese teilweise als "Licht-Windrad" bezeichnete Spielerei von William Crookes im Jahre 1873.

Aufbau

Normalerweise besteht eine Lichtmühle aus einem vierarmigen Flügelrad. Dieses ist mit Hilfe eines Glashütchens auf einer Nadelspitze leicht drehbar gelagert. Jeder der Arme aus Draht trägt an seinem Ende ein hochkant gestelltes Plättchen aus geglühtem Glimmer. Diese sind auf der einen Seite mit Ruß geschwärzt, und zwar so, dass die berußten Flächen alle in dieselbe Drehrichtung gerichtet sind.

Dieser Aufbau ist in eine hohle Glaskugel mit einem Durchmesser von 5 bis 12 cm eingeschlossen. Von oben her ist eine Glasröhre in der Kugel angebracht, die das Herunterfallen des Flügelrades verhindert.

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

Wird die Lichtmühle Licht- oder Wärmestrahlung ausgesetzt, so dreht sich das Rädchen mit einer von der Stärke der Strahlung abhängigen Geschwindigkeit. Dabei gehen die nicht geschwärzten Flächen voran.

Um eine Drehbewegung zu beobachten, ist es notwendig, dass Reibungs- und Luftwiderstand sehr gering sind. Dieses erreicht man durch den Unterdruck im Inneren der Glaskugel sowie durch die reibungsarme Lagerung des Rädchens.

Eine Lichtmühle funktioniert, weil die geschwärzten Seiten Energie absorbieren und gut von der hellen Seite thermisch isoliert sind und sich somit aufheizen. Eine gute Lichtmühle dreht sich im Sonnenlicht schnell. Sie bewegt sich aber auch in schwachem Tageslicht noch langsam. Dagegen reicht eine Zimmerbeleuchtung aus z. B. Leuchtstoffröhren üblicherweise nicht aus. Da die Empfindlichkeit im Infrarotbereich groß ist, reichen dagegen jedoch Taschenlampen, Kerzen oder sogar die Hände, um die Flügel langsam drehen zu lassen.

Historie der Erklärungsversuche der Funktionweise

Zur Erklärung der Ursache der Drehung wurden im Laufe der Zeit verschiedene physikalische Wirkprinzipien herangezogen. So glaubte Crookes am Anfang, dass die Drehung aufgrund des unterschiedlichen Strahlungsdrucks der Photonen (an der hellen Seite werden sie reflektiert, an der dunklen absorbiert) entsteht. Jedoch ergab eine genauere Analyse, bspw. von James Clerk Maxwell, dass dieser Effekt zu gering ist. Außerdem würde dieses eine Drehung der Lichtmühle in Richtung der dunklen Seite bewirken, das Gegteil wurde jedoch beobachtet.

Eine weitere Widerlegung der Strahlungsdruck-Theorie gelang durch Versuche, die zeigten, dass zwischen Flügelrädchen und Glashülle eine Wechselwirkung stattfindet. Folglich kann die Bewegung nicht von einer äußeren Kraft herrühren. Lässt man des weiteren einen Radiometer, so wie die Lichtmühle auch genannt wird, dessen Flügelrad mit einem leichten Magnetstäbchen versehen ist, in Wasser schwimmen und hält man dann 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 auch leicht widerlegt werden, indem man das Flügelrad im Vakuum lagert. Aufgrund der nun entfallenden Luftreibung wäre nun zu erwarten, dass sich die Flügel jetzt schneller drehen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Der Druck des Gases hat im Gegenteil ein Optimum, bei zu geringem Innendruck findet keine Bewegung mehr statt.

Die Abhängigkeit von der Temperatur der Drehbewegung ist ein weiterer Hinweis gegen den Strahlungsdruck: Die Drehrichtung der Lichtmühle hängt vom Strahlungsgleichgewicht im Inneren und somit auch von der Temperaturdifferenz innen und außen ab. Eine unbestrahlte und damit stillstehende Lichtmühle beginnt sich in umgekehrter Richtung, also mit den schwarzen Flächen voran, zu drehen, wenn man sie in kaltes Wasser setzt. Die meistens mit Ruß geschwärzten Flächen nehmen wegen ihres auch in mittleren Infrarotbereich besseren Emissionsgrads dabei eine niedrigere Temperatur an als die hellen Flächen.

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

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

- das Ausgasen der schwarzen Überzüge
- der photoelektrische Effekt
- Konvektionsströmung

Heute akzeptierte Erklärung der Funktionweise

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

Die thermische Bewegung der Gasmoleküle im Inneren der Lichtmühle führt bei unbeleuchtetem Flügelrad und thermischem Gleichgewicht statistisch zu gleichvielen Stößen auf die dunklen und die hellen Flügelflächen sowie die Glaswand. Bei Bestrahlung erwärmen sich die berußten Flächen und die sich davor befindlichen Moleküle bzw. Atome führen eine stärkere Bewegung aus. Treffen jetzt Gasmoleküle auf schnell schwingende Teilchen der warmen Seite, so erhalten sie einen stärkeren Impuls beim Wegfliegen. Das Kraftgleichgewicht des Flügels ist nun nicht mehr gegeben und 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 beim Abkühlen des Glasgefäßes der Lichtmühle stattfindende Umkehrung der Drehrichtung, also mit den schwarzen Flächen voran, der unbestrahlten Mühle lässt sich damit erklären.

Geschichte der Lichtmühle

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