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Eine kleine Geschichte vom Licht

Licht ist eine der großen Einflussgrößen in unserem Leben, Licht lenkt unseren natürlichen Mehrstoffbrenner ÖlflammeRhythmus, Licht beeinflusst unsere Gefühle und unser Befinden. Licht stellt die Grundbedingung für die Existenz der meisten Lebewesen und Pflanzen dar. Licht begleitet uns rund um die Uhr und obwohl Licht so entscheidend für unsere Existenz ist wissen wir in der Regel recht wenig über das Licht. Wenn man sich näher mit Licht beschäftigt stellt man schnell fest wie komplex und interessant das Thema sein kann. Die Nutzung der Energie, welche im Sonnenlicht vorhanden ist, wird in der Zukunft wahrscheinlich die einzige Energiequelle sein, welche tatsächlich in der Lage ist die Umwelt zu schonen und es dem Menschen dennoch ermöglicht weiterhin seinen Konsum zu befriedigen. Welche Energie im Licht steckt kann jeder leicht mit einer Lupe herausfinden, hält man eine Lupe in das Sonnenlicht und stellt den Brennpunk des Lichtstrahls, so ein das die gesamten Lichtstrahlen, welche auf die Lupe treffen in einem kleinen Punkt gebündelt werden, so kann man im Brennpunkt enorm hohe Temperaturen erzielen (mehrere 1000°C). Die Energie der Sonne könnte Tagsüber in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden, und bei Bedarf nachts zur Verfügung stehen. Die Nutzung der Sonnenenergie ist simpel wie genial, würde man heute die Fläche der Sahara nutzen, um die Sonnenenergie in Strom umzuwandeln könnte der Energiebedarf der gesamten Welt gedeckt werden.

Die Grundlagen zum genaueren Verständnis, über die Entstehung von Farben und dem Licht entstanden in den ersten Jahrzehenten des 19. Jahrhunderts.

Also was ist nun Licht?

Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, welcher vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.

Was ist denn elektromagnetische Strahlung (EM)?

Hier erst einmal ein paar Beispiele aus dem Spektrum der elektromagnetischen Strahlungen:


• Radiowellen, Funk-, Fernsehsignale (ca.1m bis 1km Wellenlänge)

• Licht (390- 760 nm)

• Wärmestrahlung (10^-6 bis 10^-3 m)

• Röntgen Strahlung (10^-12 bis 10^-8m)

 

Radiowellen kann man nicht sehen, nicht riechen, nicht hören und nicht fühlen sie sind aber da. Wärmestrahlung können wir nicht hören, nicht schmecken, nicht riechen und nicht sehen, sie können wir fühlen. Sprache und Musik können wir hören.

Licht dient dem Menschen Bilder von seiner Umwelt zu erzeugen, um sich in seiner Welt zurecht zu finden dafür haben wir Augen, welche die EM Strahlung einfangen, umwandeln und an unser Gehirn weiterleiten. Es gibt Tiere die keine Augen brauchen, sie nutzen andere Frequenzbereiche und andere Organe zur Umwandlung der Signale, um sich in ihrer Umgebung zurecht zu finden. Fledermäuse nutzen fast ausschließlich Ultraschall zur Orientierung, viele Tiere Nutzen auch das irdische Magnetfeld zu Orientierung.

Jeder Teil der EM Strahlung des Spektrums besitzt spezielle Eigenschaften, welche der Mensch sich zu Nutzen macht. Eine der bahnbrechendsten Erfindungen ist die Nutzung der Röntgenstrahlen zum erstellen von Röntgenbildern.

Wie wir sehen ist für uns die Beherrschung der EM Strahlung, äußerst interessant, sie ermöglicht uns die Nutzung von Radio, Telefon, die Erforschung des Universums, Heilung von Krankheiten .................und und und .....

Zur Erzeugung und Nutzung von EM Wellen benötigt man das Wissen der Grundlagen des elektrischen magnetischen und elektromagnetischen Feldes.

Das elektrische Feld

Elektrische Felder sind überall da vorhanden, wo sich elektrische Spannungen befinden. Ein Beispiel aus der Natur ist ein Gewitter durch die Reibung der Teilchen in der Wolke laden sich die Teilchen in der Wolke elektrisch auf und positive geladene Teilchen trennen sich von negativen geladenen Teilchen und bilden Schichten in der Wolke. Zwischen den unterschiedlich geladenen Schichten bauen sich Spannungen auf, welche sich durch Blitze entladen können.

E-Feld

 

 

 

 

 

 

 

Das magnetische Feld

Magnetische Felder, wie jenes zwischen Nord- und Südpol entstehen ebenfalls durch zwei unterschiedlich geladene bzw. gepolte Schichten, welche sich gegenüber liegen.

Magnetfeld

 

 

 

 

 

 

 

Elektromagnetische Felder

Elektromagnetische Felder treten an Stromdurchflossenen Leitern auf, sie werden unter anderem in elektrischen Spulen erzeugt und vom Menschen zum Senden und Empfangen von Radio, TV und zum Betrieb von Funktelefonen verwendet eine weitere wichtige Anwendung ist der Elektromotor.

EMF

 

 

 

 

 

 

 

 

Da das Wort Welle nun schon so oft gefallen ist und die Welle anscheinend mit unserer EM Strahlung zusammen hängt, wird es langsam Zeit sich zu Fragen was Wellen sind.

Was sind Wellen?

Jeder der schon einmal einen Stein ins stille Wasser geworfen hat und die Oberfläche genauer Hubblebildbeobachten konnte, kann sich schon ein genaueres Bild von Wellen verschaffen. Wirft man einen Stein ins Wasser, so überträgt dieser seine Energie an die benachbarten Teilchen, welche in Schwingung versetzt werden. Die Energie wird über einen Impuls von Teilchen zu Teilchen übertragen, wobei sich die Teilchen kaum von ihrem Ort bewegen. Trifft ein Photon auf ein Elektron, so wird ein Teil des Impulses auf das Elektron übertragen und ruft eine Richtungsänderung hervor das Photon verliert dadurch einen Teil seines Impulses, was eine Verringerung seiner Frequenz zur Folge hat, seine Geschwindigkeit bleibt jedoch im Betrag gleich.
Jede Welle besitzt eine Frequenz, welche sich antiproportional zu Wellenlänge verhält, misst man den Abstand zweier benachbarter Wellenberge, so erhält man die Wellenlänge.

Einheit der Frequenz ist das Hz, was soviel wie 1 Periode pro Sekunde bedeutet die Einheit der Wellenlänge ist das Meter

Eine Welle ist ein Schwingungsvorgang.

EM Wellen breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus und brauchen kein Medium zur Ausbreitung.

Schallwellen brauchen ein Medium und breiten sich im Vakuum nicht aus.

Wasserwellen breiten sich im Wasser aus.

Wellen besitzen Amplituden, welche der Wellenhöhe entsprechen, bei EM Wellen entspricht die Amplitude der Stärke des EM Feldes.

Die Energie einer EM Welle verteilt sich gleichmäßig auf das elektrische und auf das magnetische Feld.
Wellen mit hohen Frequenzen, wie UV-, Röntgen-, Gamma- und Höhenstrahlung können organisches Leben zerstören, oder ihm schaden zufügen.

Wellen haben die Eigenschaft bestimmte Stoffe zu durchdringen, andere Stoffe halten bestimmte Wellen auf. Licht wird z.B. von Wänden aufgehalten, Radio und Funkwellen können eine Mauer bedingt durchwandern. Die gefährliche Höhenstrahlung wird vom Magnetfeld der Erde abgehalten und UV Strahlung hat Probleme durch die Atmosphäre zu kommen, weshalb die UV Strahlung in Höhenlagen aggressiver, als in den Niederungen ist. Kurzwelliges (bläuliches) Licht durchdringt die Atmosphäre besser als langwellig rotes Licht, deshalb erscheinen ferne Objekte bläulich (Blauverschiebung).
Wellen entfernen sich mit einer Geschwindigkeit vom Erzeuger, die Ausbreitungsrichtung kann vorgegeben werden. Wellen können reflektiert (Reflektion), gebrochen (Brechung) oder gebeugt (Beugung) werden und somit von ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgebracht, in ihrer Wellenlänge geändert, oder in ihrer Intensität verändert werden.

Wellen können auch verstärkt, geschwächt, oder ausgelöscht werden (Interferenz).

Bei EM Wellen schwingen keine Teilchen, weshalb die Ausbreitung auch durch das Vakuum erfolgt, es sind elektro-magnetische Felder, welche periodische Änderungen vollziehen.

Nach dem ganzen vorangegangenen BlablaBla können wir nun langsam zu der Frage über gehen was Licht ist.

 

Die folgenden Berechnungen gelten für EM- Wellen. Als Grundlage wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Vakuum (c =299792458 m/s ) verwendet.

Umrechnung Wellenlänge nach Frequenz
Wellenlänge in Meter
Frequenz in Hz

Umrechnung Frequenz nach Wellenlänge
Frequenz in Hz
Wellenlänge in Meter

Licht

Also EM Wellen im Bereich von 380 - 760 nm werden als Licht bezeichnet. Dieser Bereich wirdWald von unseren Augen in Informationen umgewandelt, welche das Gehirn dann auswertet. Licht bewegt sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 000 km/s. Faszinierend ist die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, was bedeutet, dass wenn wir uns mit 100 000 km/s bewegen und einen Lichtstrahl mit 300 000 km/s, aus dem bewegten System senden sich die Geschwindigkeiten nicht addieren, sondern sich immer mit 300 000 km/s von uns weg bewegen.

1905 erkannte Einstein das ein Lichtstrahl aus einem Massestrom besteht die Masseteilchen wurden später Photonen genannt. Photonen haben weder Masse noch eine Ladung, Photonen sind elektrisch neutral, jedoch besitzen Photonen Energie. Wären sie nicht elektrisch neutral würde sich das Licht nicht geradlinig ausbreiten, sondern könnte sich ähnlich dem Nord- und Südpol eines Magneten anziehen, oder wie Nord- und Nordpol sich abstoßen. Jedes Photon enthält Energie, Photonen großer Wellenlängen enthalten kleinere Energien als Photonen kleiner Wellenlängen. Die Energie des Lichtes kann z.B. durch Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Wenn Licht also Energie enthält, so muss diese zur Erzeugung von Licht erbracht werden.
Im Haushalt wird das Licht durch künstliche Lichtquellen, wie Glühbirnen oder Leuchtstoffröhren erzeugt die dafür erbrachte Energie kann am Leistungszähler abgelesen werden und will entsprechend bezahlt werden (die Einheit für die Leistung ist das Watt). Nur etwa 5-15 Prozent der zugeführten Energie einer Glühbirne wird in Licht umgewandelt, die verbleibende Energie wird hauptsächlich als Wärmestrahlung abgegeben. Glühbirnen haben einen extrem schlechten Wirkungsgrad
(Wirkungsgrad = abgegebene Energie/ zugeführte Energie) der Wirkungsgrad ist stets kleiner als 1.
Ein Wirkungsgrad größer 1 wird auch als Perpetuum Mobile bezeichnet.
Ein natürlicher Lichterzeuger ist die Sonne, ein Glühender Gasball welcher durch Kernfusion ein breites Spektrum an EM Wellen erzeugt.
Lichtstrahlen sind im leeren Raum nicht sichtbar, sichtbar sind die Lichtquellen, sowie Materialien, welche die Strahlen reflektieren. Die Wellenstruktur von Licht kann durch Gase, feste-, oder flüssige Stoffe verändert werden. Durchsichtige Stoffe absorbieren immer einen Teil der Lichtenergie und bremsen innerhalb des Stoffs die Lichtgeschwindigkeit ab. Trifft ein Lichtstahl unter einem Winkel auf eine Grenzschicht eines durchsichtigen Stoffes, so wird er entsprechend seines Einfallwinkels gebrochen, er durchläuft das Material dann auf diesen Weg geradlinig und kann dann auf der Grenzfläche des Austritts nochmals gebrochen werden.
Eine Sammellinse z.B. Lupe konzentriert die Lichtstrahlen in einen Punkt, dem Brennpunkt. Diese Bezeichnung entstand wohl aus der Tatsache heraus, dass man durch das Bündeln der Lichtenergie eine derart hohe Energie erreichen kann, um damit ein Feuer zu entzünden und sogar Diamanten zu schmelzen.

 

Farben

Bis jetzt haben wir nur über das Licht und Wellen gesprochen die Farbe von neutralem Licht Planeten
(gleich große Energieanteile in allen Wellenlängen) ist weiß und enthält das gesamte Spektrum der Wellen zwischen 380- 760nm Wellenlänge.In dem Spektralbereich von Licht liegen alle natürlichen Farben, welche durch Brechung z.B. durch Wassertropfen, oder Prismen sichtbar werden können (siehe Regenbogen). Jede Farbe hat eine Wellenlänge und eine spezifische Energie und das menschliche Auge ist in der Lage Wellenlängen von 1- 2nm Unterschied zu unterscheiden, somit können wir bis zu 300 Spektralfarben sehen.

Eine Fläche erscheint rot, wenn neutrales Licht auf eine Fläche fällt, welche die roten (langwelligen) Strahlen reflektiert und die mittel- und kurzwelligen Strahlen absorbiert. Welche Wellenanteile eine Fläche reflektiert oder absorbiert häng von der chemischen- und atomaren Struktur der Fläche ab. Wieso ein Gegenstand eine bestimmte Wellenlänge absorbiert oder reflektiert hängt von den Energien der Atome und des Lichts ab. Wie Einstein 1905 erkannte, enthält Licht Teilchen die Photonen, sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und existieren im Ruhezustand nicht. Photonen sind elektrisch neutral und besitzen keine Masse, sie enthalten jedoch Energie, welche sich umgekehrt proportional zur Wellenlänge verhält.
Niels Bohr erschuf ein Modell über Atome, nach diesem Model sind Atome ähnlich wie unser Sonnensystem aufgebaut. Wie wir wissen liegt die Sonne im Zentrum von unserem Sonnensystem und ist das massereichste Objekt im Sonnensystem.
Die Planeten bewegen sich auf verschiedenen Umlaufbahnen, um die Sonne und benötigen verschiene Zeiten für einen Umlauf um die Sonne. Die Erde benötigt ein Jahr, weiter von der Sonne entfernte Planeten benötigen viel mehr Zeit, da ihre Umlaufbahnen länger sind. Nun ist es so, dass sich die auf einer Kreisbahn bewegenden Objekte, welche sich fest auf einer sich drehenden Kreisscheibe befinden sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, weiter vom Zentrum entfernte Objekte bewegen sich mit einer höheren Bahngeschwindigkeit, als sich nahe am Zentrum befindende Objekte. Da sich die Objekte bewegen enthalten sie Bewegungsenergie
(kinetische Energie = ½ Masse * Geschwindigkeit²).
Da sich Massen anziehen besteht eine Anziehungskraft zwischen den Planeten und der Sonne.
Da die Masse der Sonne viel, viel größer ist als die der Planeten ist die Kraft mit der die Sonne die Planeten anzieht viel größer, als jene mit der die Planeten die Sonne anziehen. Deshalb würden die Planeten auf die Sonne zuwandern, wäre da nicht die Zentrifugalkraft, welche die auf einer Kreisbahn bewegten Körper vom Zentrum wegtreibt.
Die Erde übt auch eine Anziehungskraft auf uns aus, befindet sich ein Mensch auf einer Höhe von 1km über der Erdoberfläche, so enthält sein Körper mehr Energie als auf der Erdoberfläche er besitzt potentielle Energie (potentielle Energie = Masse * Erdbeschleunigung *Höhe), springt er aus dieser Höhe, so wird sein Körper mit einer Beschleunigung von 9,81m/s² beschleunigt, trifft der Körper dann auf den Boden auf, so macht sich die potentielle Energie, welche in Bewegungsenergie umgewandelt wurde bemerkbar und wandelt sich in Verformungsenergie um.
Daraus erkennen wir, dass zwischen Massen Kräfte herrschen und wenn kein Kräftegleichgewicht herrscht auch eine Beschleunigung zwischen ihnen hervorgerufen wird .
Ähnlich verhalten sich Atome, im Zentrum liegt der Atomkern, welcher aus Protonen (positive Ladung) und Neutronen (neutrale Ladung) besteht, um den Kern (viel massereicher als die Elektronen) bewegen sich die Elektronen (negative Ladung). Der entscheidende Unterschied zwischen den zwei Systemen ist, dass man einem Planeten etwas mehr oder weniger Energie zuteilen könnte, je nachdem ob man ihn etwas weiter oder etwas näher an die Sonne setzt. Die Energieniveaus der Kreisbahnen kann als Summe der potentiellen und kinetischen Energie betrachtet werden.
Hingegen sind die Zustände von Atomen diskret das Elektron kann im Kernfeld nur bestimmte Energiestufen betreten. Als Bsp. nehmen wir die Stufe 1 mit dem Energieniveau 2 an, und Stufe 2 mit dem Energieniveau 4 usw. natürlich gibt es viele weitere Möglichkeiten der Stufungen. Um aus dem Grundzustand auf Stufe 1 zu springen, benötigt das Elektron eine Welle, welche in der Lage ist die exakte Menge an Energie zu liefern, um es auf Stufe 1 anzuheben.
Trifft eine solche Welle auf das Elektron, so kann es die Welle absorbieren und auf ein höheres Energieniveau springen. Springt das Elektron von einer Kernfernen Bahn auf eine nähere, so wird eine Strahlung abgegeben.
Die abgegebene Energie wird als Strahlungsquant (beim Licht, als Lichtquant) bezeichnet, seine Energie = Plank´sche Konstante * Frequenz der Strahlung.
Eines der Naturgesetze ist es mit möglichst wenig Energieaufwand zu existieren (faul sein ist also vollkommen normal), d.h. normalerweise trifft man die Elektronen eines Atoms auf dem niedrigsten Energieniveau an, d.h. dicht am Kern.
Nehmen wir eine Fläche bestehend aus Atomen an, welche die langwelligen Strahlen (rötlich) absorbiert und die mittel- und kurzwelligen Strahlen reflektiert und wird diese Fläche von weißem Licht angestrahlt, so sehen wir eine cyan- blaue Fläche.

Was ist eine Sammellinse?

Stellen wir uns ein durchsichtiges Material vor (Glas), welches durch zwei konvexe (nach außen gebogen) Flächen vor. Nun nehmen wir drei Strahlen. Der erste Strahl trifft auf die Mitte der ersten Grenzfläche und wird nicht gebrochen, da er im rechten Winkel auf diese trifft, er durchläuft das Material mit gedämpfter Geschwindigkeit und braucht die längste Zeit, da das Glas in der Mitte am dicksten ist und tritt in seiner Richtung unabgelenkt, an der zweiten Grenzschicht aus. Da das konvexe Glas in der Mitte den längsten Weg hat, bräuchte dieser Strahl länger als die Strahlen am Rande des konvexen Gebildes. tatsächlich werden die Strahlen die links und rechts von der Mitte verlaufen und auf die erste Grenzfläche treffen gebrochen und verändern ihre Richtung derart, dass sie sich auf die Mitte hinbewegen.

Dadurch wird ihr Weg etwas länger die Linse sollte annähernd so gebaut sein, dass alle Strahlen zur selben Zeit im Brennpunkt eintreffen (die äußeren Wege im Glas müssen etwas kürzer als der mittlere Weg sein, da die äußeren Strahlen nach dem Austreten aus der Linse, sich zur Mitte ( dem Brennpunkt ) hin bewegen und dieser Weg länger ist als der mittlere Weg und sie dafür mehr Zeit (welche ausgeglichen werden soll) benötigen). Beim Auftreffen auf die zweite Grenzschicht werden die außerhalb der Mitte verlaufenden Strahlen nochmals gebrochen und nochmals zur Mitte hin abgelenkt. Somit sollten sich die Strahlen zur selben Zeit am selben Ort treffen, obwohl sie unterschiedlich Wege zurückgelegt haben. Am Treffpunkt liegt der Brennpunkt, hier kreuzen sich die Lichtstrahlen und bewegen sich in ihrer Richtung weiter, ab hier erscheint das Bild spiegelverkehrt (schauen Sie durch eine Glaskugel, hier liegt der Brennpunkt in der Mitte das Bild wird spiegelverkehrt gesehen).
Nach diesem Prinzip funktionieren auch unsere Augen, sowie die Linsen im Fotoapparat.
Wie schon einmal erwähnt absorbiert jeder durchsichtige Stoff einen Teil der Energie des Lichts durch Streuung, Ziel der Hersteller von Optiken ist es chemische Verbindungen herzustellen die möglichst wenig Licht absorbieren und streuen, damit die Objektive oder Ferngläser möglichst viel der Licht Energie einsammeln und auch noch bei Dämmerung Bilder wiedergeben.

Lichttechnische Größen

Als Einheit der Lichtstärke wird Candela [cd] verwendet. Beobachtet man verschiedene Lichtquellen aus derselben Entfernung, so erscheinen diese dem Betrachter unterschiedlich hell. Die Lichtstärke ist eine Eigenschaft der aussendenden Lichtquelle.
In der Beleuchtungstechnik beurteilt man Lichtquellen nicht nach ihrer Lichtstärke, sondern nach dem Lichtstrom (Lumen), welcher die Empfindlichkeit unserer Augen berücksichtigt.
Ein Lumen ist derjenige Lichtstrom, den eine punktförmige Lichtquelle von der Lichtstärke 1 cd auf 1m² einer Kugelfläche vom Radius 1m aussendet, wenn die Lichtquelle im Mittelpunkt der Kugel steht.
Um den gesamten Lichtstrom der von einer Lichtquelle ausgeht zu erhalten, muss man die einzelnen Anteile, unter Berücksichtigung der räumlichen Lichtstärkeverteilungen summieren.
Die Beleuchtungsstärke [lux] (1 lux = 1cd/m²) hängt von der vom Licht getroffenen Fläche ab. Die Beleuchtungsstärke = Lichtstärke / (Abstand zur Lichtquelle)², Beleuchtungsstärke = Lichtstrom/ Flächeninhalt der Beleuchteten Fläche, bei senkrecht einfallendem Licht.
Ein Lux entspricht der Beleuchtungsstärke, welche auf einer Fläche von 1 m², bei senkrecht einfallendem Licht einer Lichtquelle mit der Lichtstärke von 1 cd aus 1m Meter erzeugt.

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