Big Bang 7, Schulbuch

b9k8b2 26 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen Energieübertragung durch EM-Wellen 30 Eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung. Elektromagnetische Wellen werden zum Beispiel ausgelöst, indem Ladungen beschleunigt werden, wodurch das elektrische Feld gestört wird (Kap. 28.1). Diese Störung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Eine Welle ist aber auch die Ausbreitung von Energie, ohne dass dabei Materie transportiert wird. Ein sehr plastisches Beispiel dafür sind Erdbeben- wellen. Sie transportieren ungeheure Mengen an Energie, die noch an weit entfernten Orten enorme Schäden anrichten können (Abb. 30.1). Ganz komprimiert kann man also sagen: Eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung bzw. von Energie ohne Materietransport. In diesem Kapi- tel werden wir uns vor allem Phänomene der EM-Wellen ansehen, bei denen dieser Energieaspekt im Vordergrund steht. Abb. 30.1: Eine durch ein Erdbeben umgefallene 50-Tonnen- Lok (siehe auch Kap. 19, „Big Bang 6“) 30.1 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)? Lies nach in Kap. 11, „Big Bang 5“. Was versteht man unter einem idealen Gas und einem realen Gas? Lies nach in Kap. 14 „Big Bang 5“. Wenn man einen Eisenstab erhitzt (etwa einen Nagel im Trafo; siehe Abb. 27.29, S. 11), glüht er zuerst dunkel-, dann hellrot und schließlich 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 Reflexionen absieht, sind Fenster ohne Vorhänge am Tag viel dunkler als die Fassade (Abb. 30.2). Warum? Du bist irgendwo im Weltall, fern von Sternen und Planeten. Welche Temperatur hat es dort? Kann man im Weltall überhaupt von Temperatur sprechen? F1 W1 F2 W1 F3 S1 F4 E2 F5 S1 Abb. 30.2: Das Palais Epstein in Wien F6 S2 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 bedeutet, dass alle Teilchen des Gegenstandes, also auch Atome und Elektronen, thermische Schwingungen ausfüh- ren: je heißer, desto heftiger ( F1 ). Nun werden aber elek- tromagnetische Wellen durch beschleunigte Ladungen aus- gelöst, etwa durch Ladungsschwingungen (Kap. 28.1, S. 15). Wenn du beides zusammentust, ergibt sich etwas Verblüf- fendes: 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 Wärmestrah- lung. Genau genommen sind die „thermischen Schwingun- gen der Elektronen“ eigentlich Quantensprünge (siehe Kap. 35.1, S. 78), bei denen Photonen aufgenommen oder abgegeben werden. Abb. 30.3: Die Leuchtfarbe eines Wärmestrahlers hängt von seiner Temperatur ab: Herdplatte etwa 600 °C (links), Glühwendel 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 ent- stehenden Wellen 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. 30.3). Es gibt also einen Zusam- menhang zwischen Temperatur und Farbe. Wie kann man den 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 Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv