Thermospektrum einer Lampe

Thermospektrum einer Lampe
Titelbilder: Aufbau des Experimentes zur Aufnahme des Thermospektrums einer Glühlampe
Kurzbeschreibung
Nach spektraler Zerlegung des Lichts einer Glühlampe wird anhand der Thermospannungen einzelner Farben erkannt, dass Wärmestrahlung größtenteils im nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Der Versuch lässt sich auch quantitativ ergänzen.
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Klasse 7/8
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus	mittel
Informationen
Name:	Wolfram Troeder
Kontakt:	wolle1986@hotmail.de
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Franz Boczianowski

Dieses Experiment dient zur Veranschaulichung des Thermospektrums einer Glühlampe. Die Schüler und Schülerinnen sollen hierbei erkennen, dass Wärmestrahlung physikalisch gesehen das gleiche wie sichtbares Licht ist und dass Wärmestrahlung ebenfalls von einer Glühlampe emittiert wird. Weiterhin sollen sie lernen bzw. erkennen, dass die Wärmestrahlung im Spektrum sowohl direkt neben dem sichtbaren Licht im infraroten Bereich liegt, als auch im Bereich des sichtbaren Lichts.

Da Wärmestrahlung und Infrarotstrahlung fast immer synonym verwendet werden, wollen wir auch hier davon ausgehen.

Bei Wärmestrahlung handelt es sich, genau wie bei sichtbarem Licht, um elektromagnetische Wellen. Jedoch liegt ein Großteil der Strahlungsenergie, die beim Auftreffen auf ein Medium/ Material in Wärme umgewandelt wird, bei glühenden Objekten typischerweise im infraroten- und nicht im sichtbaren Spektralbereich. Der infrarote Bereich liegt in einem für das menschliche Auge nicht sichtbaren Bereich des Spektrums, der an den Bereich des roten sichtbaren Licht angrenzt. Um dies den Schülern zu veranschaulichen, werden sowohl der sichtbare als auch die direkt an den sichtbaren Bereich angrenzenden Bereiche mit einer Thermosäule abgetastet. Mit Hilfe dieser wird elektromagnetische Strahlung in eine Thermospannung umgewandelt, wobei die Strahlung im roten bis infraroten Bereich den größten Effekt wegen des Spektrums der Glühlampe aufweist. Die Spannung weist unterschiedliche Intensitäten, je nach Wellenlänge des Lichtes auf. Anhand der gemessenen Thermospannung, die im infraroten Bereich für Glühlampen am höchsten ist, wird ersichtlich, dass dies der Bereich der Wärmestrahlung sein muss und somit größtenteils außerhalb des sichtbaren Lichtes liegt. Dabei ist den Schülern und Schülerinnen bereits bekannt, dass Glühlampen größtenteils Wärme aussenden.

Didaktischer Teil

Häufig gehen Schüler und Schülerinnen davon aus, dass das sichtbare Licht einer Glühlampe ausschließlich die Ursache der Wärme ist. Sie vermuten z. B., dass sie das sichtbare Licht der Sonne wärmt und unterscheiden nicht zwischen sichtbarem Licht und Wärmestrahlung, welche einen größeren Spektralbereich als nur den des sichtbaren Lichts abdeckt. Außerdem verstehen Schüler und Schülerinnen oftmals nicht den Unterschied zwischen den drei Wärmeübertragungsarten Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Vor allem Konvektion und Wärmestrahlung werden häufig synonym verwendet. Da in diesem Experiment Konvektion nicht vorhanden ist, eignet es sich ebenfalls gut zur Veranschaulichung von Wärmestrahlung.

Das Experiment kann qualitativ und quantitativ durchgeführt werden. Je nach verfügbaren Zeitrahmen im Unterricht genügt entweder eine qualitative oder vollwertige quantitative Betrachtung. Bei der qualitativen Durchführung wird die Thermosäule kontinuierlich durch das Spektrum bewegt, wobei die Messwerte der Thermospannung direkt verfolgt und nicht schriftlich festgehalten werden. Der maximalen Thermospannung kann daher kein Wellenlängenbereich zugeordnet werden. Dennoch ist der Anstieg der Thermospannung vom ultravioletten hin zum infraroten Bereich erkennbar. Wenn der Zeitrahmen für den Unterricht es hergibt, sollte auf den quantitativen Versuch zurückgegriffen werden, da bei diesem der Extremwert der Thermospannung eindeutig im infraroten Bereich liegt, was bei dem qualitativen Versuch nicht immer deutlich wird. Bei dieser Durchführungsweise werden für mehrere Lichtfarben (sichtbar und nicht sichtbar) die dazugehörigen Thermospannungen erfasst. Somit kann der maximalen Thermospannung bei der quantitativen Durchführung auch ein Wellenlängenbereich zugeordnet werden.

Aufbau des Experiments

Abb. 1: Aufbau der Strahlungsquelle: Lampe, Kollimator und Prisma für spektrale Zerlegung

Abb. 2: Aufbau des Messplatzes

Abb. 3: Schematischer Aufbau der Strahlungsquelle

Materialien für den Aufbau:

• lichtstarke Glühlampe (1000 W)
• Thermosäule nach Moll
• Mikrovoltmeter
• lange optische Bank (1,2 m)
• mittellange optische Bank (0,8 m)
• kurze optische Bank (0,3 m)
• 6 Füße für die optische Bank
• Sammellinse 100 mm (transparent von Infrarot bis Ultraviolett)
• Spaltblende
• Einfassung für Prismen
• Prisma (kein Gradsichtprisma)
• Abschirmung für Lampenstreulicht
• 2 Kabel

Der Aufbau erfolgt gemäß den Abbildungen 1 bis 3.

Zunächst wird auf einem Tisch die lange optische Bank platziert. Unter Zuhilfenahme je eines Fußes werden der Blendschutz und direkt dahinter die Spaltblende auf der Bank montiert. Letztere wird auf den größtmöglichen Spalt eingestellt. In ca. 30 cm Entfernung zur Spaltblende wird die Sammellinse mit einer Brennweite von 100 mm mit einem weiteren Fuß auf der Bank platziert. Weitere 15 cm dahinter wird die Einfassung für Prismen auf der Bank wiederum mit einem Fuß angebracht. Das Prisma wird erst während der Durchführung in die Einfassung für Prismen eingesetzt. Um das Lichtspektrum später möglichst weit aufzufächern, muss die Einfassung für Prismen etwa 1,5 m von der Wand entfernt sein. Die kurze optische Bank wird quer zur langen optischen Bank angeordnet. Auf dieser wird die lichtstarke Glühlampe mit einem weiteren Fuß montiert.

Auf einem zweiten Tisch wird auf der mittellangen optischen Bank mithilfe eines Fußes die Thermosäule so befestigt, dass diese etwa 1,5 m vom Prisma entfernt ist und das Licht parallel einfallen kann. Anschließend wird die Thermosäule durch die beiden Kabel mit dem Mikrovoltmeter verbunden.

Die Abschirmung für das Lampenstreulicht am Prisma kann erst nach der Justierung des Prismas aufgestellt werden.

Durchführung

Sicherheitshinweise

Die lichtstarke Glühlampe kann sehr heiß werden, was durch den Blendschutz auch noch zusätzlich verstärkt wird. Dies könnte zu Verbrennungen führen. Nach dem Ausschalten der Glühlampe sollte darauf geachtet werden, dass diese nicht sofort von der Stromversorgung getrennt wird, damit das Kühlsystem an der Lampe diese noch abkühlen kann.

Außerdem muss beim Experimentieren darauf geachtet werden, dass die Beobachter nicht von Lichtstrahlen, die von Oberflächen reflektieren, geblendet werden. Solche Lichtstrahlen, die sich in Richtung der Schüler und Schülerinnen ausbreiten, müssen abgeschirmt werden.

Vorgehensweise

Zunächst muss der Raum, in dem das Experiment durchgeführt wird, verdunkelt werden. Auch etwaige im Raum befindliche Licht- oder Wärmequellen müssen ausgeschaltet werden, um einen möglichst genauen Messwert zu erhalten. Daher ist es auch ratsam, dass sich die Schüler und Schülerinnen und der Experimentator hinter der Thermosäule aufhalten.

Der Versuch wird in zwei Schritten durchgeführt. Bei einer rein qualitativen Betrachtung unterscheidet sich der zweite Schritt im Gegensatz zur quantitativen Betrachtung.

Abb. 4: Schatten der Thermosäule im Lichtspektrum

1. Zunächst wird die Glühlampe eingeschaltet. Nun wird die Linse so auf der optischen Bank verschoben, dass der Spalt an der Wand, bzw. in einer Entfernung von 1,5 m zum Prisma, scharf abgebildet wird. Sollte kein Spalt erkennbar sein, muss die Lampe auf der optischen Bank nach links oder rechts verschoben werden. Im Brennpunkt der Linse wird nun das Prisma in der Einfassung für Prismen positioniert. Der gebrochene Lichtstrahl, der über Dispersion in seine Farbbestandteile aufgeteilt wird, kann nun zum Messen verwendet werden. Dazu wird die Thermosäule in ca. 1,5 m Abstand zum Prisma im ultravioletten Bereich aufgestellt und das Mikrovoltmeter eingeschaltet.
2. • In der qualitativen Beobachtung wird nun die Thermosäule kontinuierlich durch das Farbspektrum auf der optischen Bank bis in den infraroten Bereich verschoben. Dabei ist darauf zu achten, dass die längere Seite der Thermosäule stets parallel zum Licht ausgerichtet ist, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Abbildung 4 zeigt den Schatten der Thermosäule während der Durchquerung des Lichtspektrums. Beim Durchqueren des Spektrums muss die Spannung am Mikrovoltmeter beobachtet werden.
   • In der quantitativen Beobachtung wird ähnlich vorgegangen, nur dass hier für die unterschiedlichen Farben (inkl. Ultraviolett und Infrarot) die dazugehörigen Thermospannungen notiert werden. Die Thermosäule muss also immer nur ein Stück bis zur nächsten Farbe verschoben werden, bis die dazugehörige Spannung abgelesen wurde. Dabei ist darauf zu achten, dass immer erst ein paar Sekunden gewartet werden muss, bis sich der jeweilige Messwert eingependelt hat. Die Messwerte für Ultraviolett und Infrarot können durch äquidistantes Weiterführen der Thermosäule aufgenommen werden, sodass auch hier die dazugehörigen Wellenlängen geschätzt werden können. Nach Aufnahme der Messwerte müssen für eine grafische Veranschaulichungen die Farben in eine Wellenlänge umgewandelt werden. Für die Bestimmung der Wellenlänge aus der Lichtfarbe gib es verschiedene Tabellen.

Ergebnisse

In der qualitativen Beobachtung ist anhand des Verlaufs der Thermospannungen ersichtlich, dass diese immer mehr zunimmt, je weiter sich (vom ultravioletten Bereich aus) dem infraroten Bereich genähert wird. Im infraroten Bereich fällt die Spannung wieder ab.

In Abbildung 5 sind die gemessenen Thermospannungen, die in der quantitativen Beobachtung aufgenommen wurden, gegen die Wellenlänge aufgetragen. Die Wellenlänge wurde dabei aus der jeweiligen Farbe des Lichtes bestimmt und nicht gemessen. Den Messwerten sind unterhalb der Kurve die jeweiligen sichtbaren und für das menschliche Auge nicht sichtbaren Farben (Ultraviolett und Infrarot), die hier schwarz dargestellt sind, zugeordnet.

Abb. 5: Messkurve des Experiments mit dazugehörigem Lichtspektrum

Anhand der Messkurve lässt sich erkennen, dass die gemessene Thermospannung im ultravioletten Bereich bereits größer als Null ist und über die für das menschliche Auge sichtbaren Farben bis hin zum infraroten Bereich, in dem das Maximum gemessen wird, zunimmt. Danach fällt die Thermospannung wieder ab, bleibt jedoch auch hier größer als Null.

Auswertung

Die Thermospannung im ultravioletten Bereich ist größer als Null, da auch der Experimentator bzw. andere Wärmequellen Wärme ausstrahlen oder Streustrahlung der lichtstarken Glühlampe in die Thermosäule einfällt, was dazu führt, dass eine Thermospannung gemessen wird. Selbiges gilt für die gemessenen Spannungen im Bereich nach dem Spannungsmaximum, in dem die Messwerte gleiche Beträge wie im ultravioletten Bereich aufweisen. Dieser als gleichmäßig anzunehmende Strahlungshintergrund ist also vom gemessenen Spektrum als systematischer Fehler abzuziehen. Die Thermospannung nimmt in dem für das menschliche Auge sichtbaren Bereichen von Violett nach Rot hin zu. Dies liegt darin, dass der Glühfaden dem Planckschem Strahlungsgesetz unterliegt. Das Strahlungsgesetz ist auch die Ursache für den Verlauf der Messkurve. Bei einer blaueren Glühlampe, welche einen heißeren Glühfaden besitzt als eine rote, würde der Maximalwert der Thermospannung hin zu kleineren Wellenlängen verschoben werden. Ursache dafür ist die Strahlungsleistung für die jeweilige Temperatur des Strahlers. Aufgrund der Thermodiffusion in der Thermosäule wird somit eine größere Spannung bei zunehmender Strahlungsleistung erzeugt.

Die Schüler und Schülerinnen können anhand des Verlaufes der Thermospannung erkennen, dass es sich bei Wärmestrahlung teilweise um sichtbares Licht handelt, aber teilweise auch um nicht sichtbares Licht. Sie können aus den Messwerten auch schlussfolgern, dass der größte Teil der Wärmestrahlung im infraroten Bereich liegt. Demnach können sie feststellen, dass sichtbares Licht und Wärmestrahlung dem selben physikalischen Sachverhalt entspringen.

Messunsicherheiten

Im Experiment wird die Wellenlänge des Lichts nur anhand der Farbwahrnehmung geschätzt und nicht exakt gemessen. Es wird angenommen, dass dabei Wellenlängen auf 50 nm vom Experimentator genau geschätzt werden können. Daher kann als größte Messunsicherheit die Wellenlänge des Lichts angesehen werden:

• Messunsicherheit der Wellenlänge $u_{\lambda }=50nm$

Die Größe der Unsicherheit begründet sich vor allem in der Breite des jeweils aufgenommenen Farbspektrums (siehe Abb. 4). Da die einzelnen Farben eine Breite von bis zu ca. 70 nm (bei Rot sogar ca. 130 nm) aufweisen, kann den aufgenommenen Farben nicht eine exakte Wellenlänge zugeordnet werden. Anhand des Schattens der Thermosäule in Abbildung 4 ist erkennbar, dass mehr als nur eine Farbe aufgenommen wurde. Als gemessene Farbe wurde immer jeweils die in der Mitte des aufgenommenen Spektrums liegende gewählt, der dann eine geschätze Wellenlänge zugeordnet wurde.

Der Vollständigkeit halber werden hier noch die übrigen Messunsicherheiten angegeben bzw. abgeschätzt, die sich auf die gemessene Thermospannung beziehen:

• Messunsicherheit des Winkels der Thermosäule $u_{Winkel}=0,05\cdot U_{Thermo}$
• Messunsicherheit der Thermosäule $u_{Thermo}=0,01\cdot U_{Thermo}$
• Messunsicherheit des Mikrovoltmeters $u_{U}=0,1\cdot 10^{-10}V$

Abbildung 6 zeigt die Messkurve mit den Fehlerbalken.

Abb. 6: Messkurve mit Fehlerbalken für die Spannung und Wellenlänge

Experimentierverbesserungen

Dieses Experiment ist dem Experiment „Spektrum einer Kohlebogenlampe“ nachempfunden. Da diese häufig nicht vorhanden ist oder nicht genutzt werden kann, empfiehlt es sich stattdessen eine lichtstarke Glühlampe zu verwenden.

Die bestmöglichen Ergebnisse des Experiments könnten mit einer lichtstarken Glühlampe, die noch mehr als 1000 W hat, erzielt werden. Hier ist die emittierte Wärmestrahlung noch größer, weshalb die Messunsicherheit der Wellenlänge reduziert werden könnte. Dies ließe sich realisieren, indem der Abstand zwischen dem Prisma und der Thermosäule vergrößert würde und somit ein kleinerer Wellenlängenbereich von der Thermosäule erfasst werden könnte.

Außerdem könnten folgende Verbesserungen am Experiment vorgenommen werden:

Um eine höhere Genauigkeit des quantitativen Experimentes zu erreichen, könnte die Wellenlänge noch exakter bestimmt werden, indem ein Spektrometer verwendet würde. Möglich wäre ebenfalls ein zum Prisma gehöriges Datenblatt, mit Hilfe dessen aus dem eingeschlossenen Winkel des einfallenden und austretenden Lichtstrahls die jeweilige Wellenlänge bestimmt werden könnte.

Da beim Autorenexperiment die Verwendung einer Linse als Kollimator nicht zu vollster Zufriedenheit funktioniert hat, könnte durch die Verwendung mehrerer Linsen eine bessere Fokussierung des Lichtstrahls erreicht werden. Auf diese Weise kann das Verschmieren der einzelnen Wellenlängen reduziert werden, was sich wiederum positiv auf die Messunsicherheit der Wellenlänge auswirken würde. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass bei einer nicht so lichtstarken Glühlampe zu viel Wärmestrahlung von den Linsen absorbiert wird. Daher empfiehlt sich die gleichzeitige Verwendung einer lichtstärkeren Glühlampe.

Weiterhin können Prismen mit unterschiedlicher Winkeldispersion ausprobiert werden, um eine größere Auffächerung des Spektrums zu erreichen. Hierbei wäre ebenfalls die Verwendung einer lichtstarken Glühlampe mit mehr als 1000 W von Vorteil, da dann auch die Verwendung von Prismen mit größerer Lichtweglänge infrage käme.