Radiometer
Radiometer Ein Radiometer, oder auch Lichtmühle genannt (nicht zu verwechseln mit einer Feldmühle), ist ein sehr einfach aufgebauter Strahlungsmesser. In einer Glasbirne befinden sich 4 Flügel, die auf einer Spitze drehbar gelagert sind. Fällt Licht oder Wärmestrahlung auf die Flügel, so beginnen sie sich zu drehen. Doch nicht etwa durch den Lichtdruck, wie viele meinen. Dieser Effekt tritt zwar in Form des elektromagnetischen Strahlungsdrucks schon auf, erzeugt aber nur so minimale Kräfte, dass damit nicht die Rotation des Flügelrades erzeugt werden könnte.

Beobachtungen
Wenn man genauer hinsieht, bemerkt man, dass die Flügel auf einer Seite schwarz und auf der anderen weiß lackiert sind. Die Drehung erfolgt immer so, dass die weiße Fläche in Bewegungsrichtung zeigt. Die schwarze Fläche ist oft auch mit Ruß überzogen, um die wirksame Oberfläche etwas zu vergrößern.

Ionisiertes Radiometer Die nächste Frage die sich stellt, ist was sich in der Glasbirne befindet. Das kann man leicht herausfinden, indem man das Radiometer neben einen kleinen Teslatrafo stellt. Dann beginnt das gesamte Innere in einem schwachen Blau, ähnlich einer Geißler-Röhre, zu leuchten und die Flügel fangen an sich zu drehen.
Ein Edelgas, wie in einer Glühbirne würde in einer etwas rötlicheren Farbe leuchten. Unter nur leicht verminderten Druck würden dann auch nur kurze Pfade von Spitzen oder Kanten aus ionisiert. Das Radiometer leuchtet aber in seinem gesamten Inneren fast gleichmäßig schwach blau. Eine solche Entladung kann eigentlich nur in stark verdünnten Gasen, bei einem geschätzen Druck von etwa 10^-3 mbar entstehen. Für normale Luft ist die Farbe allerdings zu blau. Luft bzw. Stickstoff in einer Geißler-Röhre leuchtet in einem leicht rot bis violetten Farbton.

Funktion
Aus diesen Beobachtungen lässt sich auch schon die Funktion ableiten. Das einfallende Licht bzw. die entstehende Wärme im Gas erwärmt die schwarze Fläche. Die stark verdünnten Luftmoleküle werden von der schwarzen Fläche ebenfalls erwärmt und geraten dadurch in schnellere Bewegung. Da nur sehr wenig Gasmoleküle vorhanden sind, wird die Eigenbewegung nur schwach gebremst. Die Gasmoleküle prallen von der erhitzen Seite mit einer größeren Geschwindigkeit ab, als sie gekommen sind. Die Schaufel erhält so einen Impuls in der Gegenrichtung. Da dieser Effekt auf der weißen Seite nicht so stark auftritt, entsteht eine Vortriebskraft in Richtung der weißen Fläche. Vereinfacht kann man sich auch vorstellen, dass sich das erwärmte Gas ausdehnt, und so die schwarze Fläche von sich wegdrückt. Der geringe Luftwiderstand für das Rad wirkt sich zusätzlich positiv auf die Rotation aus, so dass sich das Rad mitunter sehr schnell drehen kann.

Umgekehrte Funktion
Ein anderer, interessanter Effekt tritt auf, wenn die Lichtquelle nach längerem Betrieb ausgeschaltet wird. Dann bleiben die Schaufeln zunächst stehen, beginnen aber dann wieder in umgekehrter Richtung, also mit der schwarzen Seite nach vorne zu laufen. Auch dieses, zunächst etwas seltsame Verhalten, ist auf die Wärmeverteilung an den Schaufeln zurückzuführen.
Über die schwarzen Flächen werden bei längerem Lichteinfall natürlich die gesamten Schaufeln erwärmt. Wird die Wärmequelle ausgeschaltet, so beginnen sich die Schaufeln wieder abzukühlen. Bedingt durch die verschiedenen Farben aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Eine schwarze Fläche strahlt wesentlich mehr Wärme ab, als eine weiße. Aus diesem Grund sind gute Kühlkörper ja auch immer schwarz eloxierd (nicht lackiert, denn das käme einer Wärmeisolierung gleich). Wenn sich demnach die schwarzen Flächen schneller abkühlen, tritt der oben beschriebene Effekt verstärkt auf den weißen Flächen auf, sodass die Schaufeln mit der schwarzen Fläche nach vorne laufen. Bei gleicher Temperatur beider Flächen heben sich die Kräfte auf und es tut sich gar nichts. Deshalb dauert es am Anfang ein wenig, bis sich die schwarze Fläche soweit abgekühlt hat, dass genügend Kraft für die Drehung erzeugt werden kann.

MPEG-Video 866kB Das Video zeigt das Radiometer in Betrieb. Es wird von einer 50W Halogenlampe angestrahlt, und dreht sich deshalb sehr schnell. Wichtig ist, dass ein Licht mit hohem infrarotem Anteil (=Wärmestrahlung) verwendet wird. Bei Anstrahlung mit einer Neon-Lampe funktioniert es deshalb, wenn überhaupt, nur sehr schlecht.

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