Physik für Maschinenbau. Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen

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1 Physik für Maschinenbau Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen Vorlesung 11

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12 Brechung b α a 1 d 1 x α b x β d 2 a 2 β

13 Totalreflexion

14 Glasfaserkabel sin 1 n 2 sin 2 n 1 c arcsin n 2 n arcsin ,8 Grad Luft n 2 =1 Glas n 1 =1.5

15 Dopplereffekt Veränderung der Frequenz von Wellen, während sich Quelle und der Beobachter relativ zueinander bewegen.

16 Dopplereffekt Ruhender Beobachter, bewegte Quelle: -: Quelle bewegt sich auf Beobachter zu, Frequenz wird höher +: Quelle entfernt sich vom Beobachter, Frequenz wird kleiner

17 Dopplereffekt Bewegter Beobachter, ruhende Quelle: B Q -: Beobachter entfernt sich von Quelle, Frequenz wird niedriger +: Beobachter nähert sich der Quelle, Frequenz wird höher

18 Mach Kegel v*t vt

19 Mach Kegel

20 Prisma A D B C E

21 Prisma n sin min 2 sin 2 min 2 *arcsin n()sin 2

22 Prisma

23 Dispersion n() A B 2 2

24 min 2 arcsin n()sin 2 n() A B 2 min () 2 arcsin A B 2 sin 2 Für =60 und Borsilikatglas, d.h. A= und B= m 2 ergibt sich:

25 Lichterzeugung, Lichtquellen: Wärmestrahlung Jeder Körper emittiert elektromagnetische Strahlung (Grund: thermische Bewegung seiner atomaren Bausteine) Temperaturstrahlung Energie aus Wärmeinhalt des Körpers; Strahlungsintensität und spektrale Verteilung abhängig von Temperatur und Beschaffenheit des Körpers. Jeder Körper absorbiert aus der Umgebung einfallende Strahlung Temperaturausgleich zwischen Körper und Umgebung, Strahlungsgleichgewicht (auch im Vakuum) Kirchhoff sches Gesetz (1860): Für alle Körper ist bei gegebener Temperatur das Verhältnis von spezifischer Ausstrahlung und Absorptionsgrad konstant. Ein Körper kann nur solche Wellenlängen aussenden, die er bei gleicher Temperatur auch zu absorbieren vermag und umgekehrt. 25

26 Lichtquellen: Wärmestrahlung Schwarzer Körper: Absorbiert einfallende Strahlung vollständig bei jeder Temperatur, unabhängig von der Wellenlänge (Absorptionsgrad 1). Realisierung (in guter Näherung): Hohlkörper mit kleiner Öffnung, Reflektion und Absorbtion der von außen eintretenden Strahlung im Inneren, Hohlkörper überall auf gleicher Temperatur T, homogen und isotrop mit Strahlung erfüllt, identisch mit der eines schwarzen Körpers bei Temperatur T Hohlraumstrahlung 26

27 Wärmestrahlung

28 Lichtquellen: Wärmestrahlung Raleigh-Jeans Strahlungsgesetz: Klassische Annahme: Jedes Teilchen kann jede beliebige Energie annehmen, d.h. die Energie von harmonischen Oszillatoren oder von stehenden EM-Wellen ist kontinuierlich i verteilt Ultraviolettkatastrophe Im UV-Bereich müsste Sonne mehr Energie abstrahlen 28

29 Wärmestrahlung Planck sches Postulat: Jeder harmonische Oszillator, (auch EM-Wellen), kann nur diskrete und quantisierte Energien annehmen. Nur diese Energiewerte sind erlaubt. Zwischen den einzelnen Energieniveaus gibt es einen konstanten Abstand: ΔE = h ν Energieniveau des Oszillators auf dem n-ten Niveau ist dann E n = nhν Planck sches Strahlungsgesetz: 29

30 Wärmestrahlung Wien sches Verschiebungsgesetz: Wellenlänge maximaler Strahlungsleistung verschiebt sich bei Temperaturänderung umgekehrt proportional: λ max T = b = 2, m K Stefan Boltzmann Gesetz: Integration von di/dλ I = ε σ T 4 gesamt abgestrahlte Intensität eines Körpers mit Fläche A, absoluter Temperatur T und Emissivität ε,, σ = 5, W/(m 2 K 4 ) Körper schwarz ε = 1 Körper verspiegelt ε = 0 Beispiele: ansonsten 0 < ε < 1 Versuch: 1) Schwarzer Körper (=1), Oberfläche A = 1 m 2 strahlt bei Leslie-Würfel, T = 500 K (227 C) eine Leistung P = AT T W ab (P: Energie/sec). 2) Sonne ( 1): r = 6, m Sonnenoberfläche A = 4 r 2 = 6, m 2 Lichtmühle T 5780 K P = A I = A T 4 = 3, W 30

31 Wärmestrahlung Glühfaden aus Wolfram (T= K), Schutzgas (N 2 2/ /Ar Gemisch), Lebensdauer ca. 1000h Versuch: Spektrum Glühlampe 31

32 Lichterzeugung: Spektrallampen Lumineszenz: en optische Strahlung eines physikalischen Systems, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand entsteht. Spektrallampen strahlen kein kontinuierliches, sondern diskretes Linienspektrum ab, Elektronen der Atome haben charakteristische Energien E n Energie einfallender Photonen E Licht = h ν absorbiert von Elektronen, Übergang von einem Energiezustand E n in Zustand E m, dabei Energieerhaltung: E m E n = E Licht = h ν Umgekehrt Emission: Bei Rückfall vom Energiezustand E m nach E n Abstrahlung eines Photons mit Frequenz ν = (E m E n ) / h 32

33 Lichterzeugung: Spektrallampen Technische Umsetzung (z.b. Hg-Lampe): Elektronstrom durch Gas + Anregung durch Stöße mit Elektronen der Gas-Atome Vakuum Abstrahlung der zugeführten elektrischen Leistung - e- durch Licht mit Frequenz ν = (E m E n ) / h Strom hoher Wirkungsgrad, aber Teil des Lichts im nichtsichtbaren Hg-Gas UV-Bereich Umwandlung vom UV-Licht in sichtbares Licht durch - Leuchtstoff auf Innenseite des Glaskolbens Leuchtstoff Abstrahlung von ca. 25% der zugeführten Leistung durch sichtbares Licht, z.b. Energiesparlampen, Lebensdauer ca h Versuch: Modell Gasentladungslampe 33

34 Lichterzeugung: Spektrallampen Versuch: Spektrum Energiesparlampe 34

35 Lichterzeugung: Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Erneut: Elektron kann im Atom verschiedene Energiezustände E n und E m (E n > E m ) besetzen, Licht mit passender Frequenz ν = (E m E n ) / h trifft Elektron 2 Möglichkeiten: 1. Elektron im Zustand E m, Absorption des Photons 2. Elektron im Zustand E n, Emission eines Photons stimulierte Emission E n E m Pumpen: z.b. Stöße von He-Atomen mit Ne-Atomen Besetzungsinversion spontane Emission in alle Richtungen 35

36 Lichterzeugung: Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Pumpen: z.b. Stöße von He-Atomen mit Ne-Atomen Besetzungsinversion spontane Emission in alle Richtungen Stehende EM-Welle zwischen Spiegeln, Abstand L zwischen Spiegeln: L = nλ Versuch: Modell Laser 36

37 Lichterzeugung: Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Vorteile Laser: Extrem hohe Leistungsdichte und Fokussierbarkeit Laserschweissen Extrem hochmonochromatisch Spektroskopie Kohärente Strahlung Interferenz Beugung 37

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