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Thema: Gedankenexperiment Lichtdruck

  1. #1
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    Standard Gedankenexperiment Lichtdruck

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    Hallo Leute,

    was passiert eigentlich wenn Licht zwischen 2 Spiegeln hin-und-her wandert? Das es keine 100% reflektierenden Spiegel gibt ist klar aber immerhin kommt man mit bestimmten Metallen doch schon recht nah ran. Bei Silber ist es glaube bis über 99% bei bestimmten Wellenlängen. Dh. ein Photon würde ja, sagen wir mal, 100 mal reflektiert werden bevor es absorbiert wird.
    Dabei gibt es bei jeder Reflektion an den Spiegel einen doppelten Impuls ab soweit ich weis. Das drückt die Spiegel auseinander, um so effektiver, je öfter jedes Photon reflektiert wird.
    Angenommen es gäbe einen 100% reflektierenden Spiegel,oder man hat eine ausreichend starke Lichtquelle, so könnte man damit einen Spiegel in einem senkrechten Aufbau oben "schweben" lassen wenn sie sich außeinander drücken wie 2 Magnete die sich abstoßen.

    Wurde so etwas schon mal in einem Experiment versucht oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste bei gegebenem Reflektionsgrad usw.?

    Hoffe ihr könnt mir helfen!

    Stefan

  2. #2
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    Standard

    Hallo Sanitätsrat Meister,
    schön mal wieder von dir zu hören !

    danke dafür, daß Du diese Frage gestellt hast, dieses Problem hat mich auch schon einmal umgetrieben, ohne daß mir jemand eine zufriedenstellende antwort darauf geben konnte,

    lichtdrückende Grüße von Ispom
    Gruß von Ispom

  3. #3
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    Blinzeln "SR" = "synonym-rätselnd"?

    Hi ispom,

    "SR" heißt doch nicht "Sanitätsrat" sondern "Studienrat"!

    ----------------------------------------------------------

    Hallo Stefan,

    kannst Du unserem ansonsten lieben, netten, katergesichtigen ispom noch einmal für diesen Frevel verzeihen?


    So, nun aber mal zum Thema! Deine Frage ...
    Zitat Zitat von SRMeister Beitrag anzeigen
    Angenommen es gäbe einen 100% reflektierenden Spiegel,oder man hat eine ausreichend starke Lichtquelle, so könnte man damit einen Spiegel in einem senkrechten Aufbau oben "schweben" lassen wenn sie sich außeinander drücken wie 2 Magnete die sich abstoßen.

    Wurde so etwas schon mal in einem Experiment versucht oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste bei gegebenem Reflektionsgrad usw.?
    ... kann ich eindeutig mit "Ja!" beantworten! Vor etlichen Jahren schon hatte ich im Fernsehen ein Experiment gesehen, wo man im Labor wie auch im Freien Versuche mit einer konischen, zur Mitte und nach unten hin spitz zulaufenden, hochgradig spiegelnden Metallscheibe anstellte, die an mittig an einem senkrechten Metallband angebracht war, und sie mittels Laser-Impulsen nach oben geschossen und zeitweilig in Schwebe gehalten wurde. Dieses Experiment diente der Erforschung neuartiger Antriebe für Satelliten und Raumkapseln, die man mit dieser Technik ins All zu befördern gedachte.

    Ob man damit jedoch größere Lasten bewegen könnte, wie sie nun einmal Satelliten darstellen, bezweifelten sogar die daran beteiligten Ingenieure.

    Ich hoffe, Stefan, Du meintest solche Art von Experimenten? Berechnungen kann ich Dir dazu allerdings keine anbieten.

    Hoffentlich hilfreiche Laser-Grüße von
    Toni
    Alle Vermehrung unseres Wissens endet nicht mit einem Schlusspunkt, sondern mit vielen weiteren Fragezeichen.
    Hermann Hesse

  4. #4
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    Standard

    Hallo ispom
    Hallo Sanitätsrat Meister
    Also SR bedeutet 'Schweizer'. Und das weisst Du natürlich. Deshalb nehme ich an, dass Du offenbar farbenblind bist wie ich und nicht zwischen der Schweizer Flagge und jener der Sanität unterscheiden kannst.
    Auch ich sehe in der deutschen Flagge lediglich drei Streifen. Und die erinnern mich an adidas. Und das wiederum an die grammatikalisch wohl leicht südosteuropäisch eingefärbte Interpretation dieser Buchstaben:
    "Alle Deutschen immer denken an S.."
    Nein, 'Sieg' ist nicht gemeint, sondern etwas noch Lustvolleres.
    Gruss Orbit
    Geändert von Orbit (18.04.2007 um 08:05 Uhr)

  5. #5
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    Standard 3 Gigawatt pro Kilo

    Zitat von SRMeister
    oder hat jemand eine Rechnung wie Stark eine Lichtquelle sein müsste
    Hallo SRMeister,

    du brauchst rund 3 Gigawatt Lichtleistung um 1kg in der Schwebe zu halten. Berechnungen zum Lichtdruck findest du unter Wikipedia mit dem Suchbegriff "Strahlungsdruck" Mit der Gleichsetzung der Energie eines Photons mit der Energie eines Massenäquivalentes läßt sich der Impuls eines Photons ausrechnen

    E=h * ny ............ h = Plancksches Wirkungsquantum

    E=m*c^2 ............ p=m*c

    Einfacher und praktischer ist jedoch das Wellenmodell. Hier gibt es den Pointingschen Vektor der Strahlungsleistungdichte mit der Einheit Watt/Quadratmeter. Divididiert man die Strahlungsleistungsdichte durch die Strahlungsausbreitungsgeschindigkeit erhält man ganz einfach den Strahlungsdruck.

    Strahlungsdruck=Strahlungslungsleistungsdichte/Lichtgeschwindigkeit

    Integriert man anschließend über die gesamte Wirkungsfläche dann wird aus dem Strahlungsdruck eine Strahlungskraft und aus der Strahlungsleistungsdichte eine Strahlungsleistung (Einheit Watt)

    Kraft=Strahlungsleistung/Lichtgeschwindigkeit

    Möchtest du 1kg in der Schwebe halten dann berechnet sich die benötigte Lichtleistung zu

    P=9,81 (Ws/m) * 3*10^8 (m/s)= 2,94 Gigawatt

    Die Frage nach dem Reflexionsgrad eines Spiegels beantwortet sich dann fast von selbst. Wenn der Reflexionsgrad auch nur ein wenig von 100% abweicht, verdampft deine ganze Versuchsanordnung allein schon von der Verlustleistung. Auch die Stromrechnung möchte ich nicht bezahlen.

    Gruß SirToby
    Geändert von SirToby (18.04.2007 um 11:28 Uhr)

  6. #6
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    danke, Sir Toby!
    eine hochinteressante Rechnung!

    lichtdrückende Grüße von ispom
    Gruß von Ispom

  7. #7
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    Standard

    Hallöchen ispom, Tony, Orbit und SirToby !
    Danke erstmal für die Antworten

    Also auf was ihr alles so kommt bezüglich meines Namens erstaunt mich aber! Leider bin ich weder Schweizer, noch Studienrat oder Sanitätsrat. SR steht für .... ach nein, dazu später mehr!

    Von dem Experiment mit den Laserpulsen habe ich schonmal gehört. Es ist mir gestern bei meinen Überlegungen gar nicht eingefallen.

    Gibt es denn überhaupt einen 100% Spiegel? Ich meine es treten immer (Wärme)Verluste auf oder?
    Das was mir nur dabei Spanisch vorkommt ist, dass ein einzelnes Photon dann ja eigentlich unendlich viel Energie abgibt, es wandert ja immer weiter. Ich denke da immer an Perpetuum Mobile. Ich denke mal ich habe irgendwo etwas übersehen oder? Ein einzelnes Photon kann ja schließlich nicht "unendlich" Energie abzugeben. Oder ist es überhaupt soetwas wie Energie wenn es einen Impuls überträgt?

    Ich hoffe ich habe mich einigermaßen verständlich ausgedrückt

    Mit nachdenklichen Grüßen,
    Stefan R. Meister

  8. #8
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    Standard

    Auch meinerseits ein grosses Dankeschön an SirToby!
    Ihr habt schon richtig geraten, wenn ihr angenommen habt, dass ich mal ein wenig mit ispom rumgeblödelt hab, weil ich die Antwort nicht wusste.

    @ SRMeister: Beim Perpetuum mobile allerdings, das mir da beim Lesen Deiner Eingangsfrage auch kurz vorüber zu huschen schien, schüttelte mein Kopf schon damals das Haupt. Wie wär's, wenn das Photon bei jeder Reflexion ein wenig Energie abgäbe bis zur letzten Portion, die mindestens noch so gross wie das Plancksche Wirkungsquantum h sein müsste?
    Gruss Orbit

  9. #9
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    Standard

    von SRMeister
    Gibt es denn überhaupt einen 100% Spiegel? Ich meine es treten immer (Wärme)Verluste auf oder?
    Das was mir nur dabei Spanisch vorkommt ist, dass ein einzelnes Photon dann ja eigentlich unendlich viel Energie abgibt, es wandert ja immer weiter. Ich denke da immer an Perpetuum Mobile. Ich denke mal ich habe irgendwo etwas übersehen oder? Ein einzelnes Photon kann ja schließlich nicht "unendlich" Energie abzugeben. Oder ist es überhaupt soetwas wie Energie wenn es einen Impuls überträgt?
    Hallo SRMeister, hallo Orbit,

    ein einzelnes Photon hat nur endlich viel Energie. Seine Energie bereichnet sich aus dem Planckschen Wirkungsquantum mal die Frequenz des Lichtes. Somit ist mit der Farbe des Lichts auch schon der Energieinhalt eines Photons bestimmt. Wenn ein Photon nun an einem Spiegel reflektiert wird, so bleibt seine Bewegungsenergie zunächst voll erhalten, nur die Richtung ändert sich.

    Wenn nun dein Spiegel nur 99% reflektiert bedeutet das, dass jedes 100. Photon vom Spiegel "aufgefressen" als in Wärme verwandelt wird. Es ist verloren. Die anderen 99 behalten ihre Energie.

    Im gedanklichen Experiment willst du aber den Spiegel bewegen: Dann wird ein klitzekleiner Teil der Bewegungsenergie des Photons beim Reflexionsvorgang in Bewegungsenergie des Spiegels verwandelt, der überwiegende Rest bleibt im Photon erhalten und kann für nachfolgende Reflexionsvorgänge nach und nach aufgezehrt werden. Das hat auch Orbit schon richtig vermutet. Der Anteil der Bewegungsenergie, die auf den Spiegel übergeht berechnet sich überschlagsmässig aus dem Verhältnis relatistischer Photonenmasse:Spiegelmasse.

    In letzter Konsequenz bedeutet das, dass die relativistische Photonenmasse nach jedem Reflexionsvorgang kleiner wird. Dies ist gleichbedeutend mit einer Abnahme der Frequenz. Die Beschleunigungswirkung auf den Spiegel hält solange an, wie er für die beteiligten Wellenlängen noch ein Spiegel ist. Spätestens wenn die Wellenlängen die Spiegelabmessungen überschreiten, gibt es keine Reflexionen mehr.

    In einer praktischen Ausführung würden aber die Absorptionsverluste die Energie schneller aufzehren, als dass es zu nenneswerten Spektralverschiebungen infolge von Mehrfachreflexionen käme.

    Sollte wirklich einmal ein Antrieb auf dieser Basis aufgebaut werden (man sollte niemals nie sagen), dann kann man nur noch dafür sorgen, dass die enormen Verlustleistungen möglichst schnell unschädlich gemacht werden. Ein einfacher Rückstoß der relativistischen Photonenmasse als Stützmasse ist alles was man ausnutzen könnte. Spiegel verdampfen alle.

    Schaut man sich klassische Stautrahltriebwerke an, dann wird in der Startphase auch auf den Bodenabstützungseffekt verzichtet. Der Strahldruck wird an der Startrampe seitlich abgelenkt.

    Gruß SirToby

  10. #10
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    In einer praktischen Ausführung würden aber die Absorptionsverluste die Energie schneller aufzehren, als dass es zu nenneswerten Spektralverschiebungen infolge von Mehrfachreflexionen käme.
    In diesem Zusammenhang ist dieser Link vielleicht ganz interessant, in dem von sehr tief gekühlten mit Niob beschichteten Spiegeln die Rede ist:
    http://www.pro-physik.de/Phy/leadArt...id=0&laid=8988
    Gruss Orbit

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