Big Bang HTL 3, Schulbuch

80 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) Energieübertragung durch EM-Wellen 9 Eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung. Elektromagnetische Wellen werden zum Beispiel ausgelöst, indem Ladungen beschleunigt werden, wodurch das elektrische Feld gestört wird (Kap. 7.1, S. 66). Diese Störung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Eine Welle ist aber auch die Ausbreitung von Energie, ohne dass dabei Materie transportiert wird (Kap. 12.1, NAWI 1). Ein sehr plastisches Beispiel dafür sind Erdbebenwellen. Sie transportieren ungeheure Mengen an Ener- gie, die noch an weit entfernten Orten enorme Schäden anrichten kön- nen (Abb. 9.1). Ganz komprimiert kann man also sagen: Eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung beziehungsweise von Energie ohne Materietransport. In diesem Kapitel werden wir uns vor allem Phäno- mene der EM-Wellen ansehen, bei denen dieser Energieaspekt im Vordergrund steht. Abb. 9.1: Umgefallene 50-Tonnen-Lok nach einem Erdbeben 9.1 Vom Backofen zum Kosmos Schwarzer Strahler, schwarze Körper Jedes Objekt sendet zu jedem Zeitpunkt elektromagneti- sche Wellen aus, auch dieses Buch und der Tisch, auf dem es liegt. Das liegt an den thermischen Schwingungen der Atome. Was versteht man unter thermischer Bewegung? Welcher Zusammenhang besteht zwischen ihr und der Temperatur eines Objekts? Was besagen der 1. und der 2. Hauptsatz der Wärmelehre (Thermodynamik)? Recherchiere im Internet! Was versteht man unter einem idealen Gas und einem realen Gas? Recherchiere im Internet! Wenn man einen Eisenstab erhitzt (etwa einen Nagel im Trafo; siehe Abb. 6.29, S. 62), glüht dieser zuerst dunkel- und hellrot und dann gelb, je mehr sich seine Temperatur erhöht. Wieso ist das so? Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 6000K. Woher weiß man das? Wenn man von Reflexio- nen absieht, sind Fenster ohne Vorhänge am Tag viel dunkler als die Fassade. Warum? Du bist irgendwo im Weltall, fern von Sternen und Planeten. Welche Temperatur hat es dort? Kann man im Weltall überhaupt von einer Temperatur sprechen? F1 A1 F2 A1 F3 A2 F4 A2 F5 A2 Abb. 9.2: Das Palais Epstein in Wien F6 A2 Um zu verstehen, was ein schwarzer Strahler ist, müssen wir etwas ausholen. Es gibt kein Objekt im Universum, dessen Temperatur exakt 0 Kelvin beträgt. Temperatur zu haben be- deutet, dass alle Teilchen des Gegenstandes, also auch Ato- me und Elektronen, thermische Schwingungen ausführen: je heißer, desto heftiger ( F1 ). Nun werden aber elektroma- gnetische Wellen durch beschleunigte Ladungen ausgelöst, etwa durch Ladungsschwingungen (Kap. 7.1, S. 66). Wenn du diese Informationen verbindest, ergibt sich etwas Verblüffendes: Jeder Körper in diesem Universum sendet auf Grund seiner Temperatur elektromagnetische Wellen aus. Auch dieses Buch, der Sessel und du selbst. Weil die Temperatur der Grund der Strahlung ist, spricht man von Wärmestrahlung. Genau genommen sind die „thermischen Schwingungen der Elektronen“ eigentlich Quantensprünge (NAWI IV), bei denen Photonen aufgenommen oder abgegeben werden. Abb. 9.3: Die Leuchtfarbe eines Wärmestrahlers hängt von seiner Temperatur ab: Herdplatte etwa 600 °C (links), Glühwendel einer alten Glühbirne etwa 2700 °C (rechts). Bei Zimmertemperatur haben die EM-Wellen eine niedrige Frequenz, die du nicht sehen kannst. In heißen Gegenstän- den sind die Schwingungen aber so heftig, dass die entste- henden Wellen als Licht sichtbar werden. Das ist etwa bei einer Herdplatte oder dem Glühdraht einer Lampe der Fall. Die kühlere Herdplatte leuchtet dunkelrot, die wärmere Glühwendel orange (Abb. 9.3). Es gibt also einen Zusam- menhang zwischen Temperatur und Farbe. Wie kann man diesen quantitativ beschreiben? Die Natur ist sehr kompliziert, aber in vielen Fällen kann man vereinfachen. Das ideale Gas, mit dem man innerhalb gewisser Grenzen reale Gase gut beschreiben kann, ist ein Beispiel dafür ( F2 ). AB PF Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv