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Warum ändert eine Krankenwagen Sirene beim Vorbeifahren ihren Ton?

Ein Krankenwagen kommt mit Sirene angefahren, alle fahren aus dem Weg und im Moment des Vorbeifahrens passiert etwas merkwürdiges. Der Sirenenton scheint sich zu verändern. Aber warum hört sich ein heranfahrender Krankenwagen mit Sirene anders an, als ein Wegfahrender?

In der Physik wird dieses Phänomen als Doppler-Effekt bezeichnet. Die Tonänderung beruht auf der Tatsache, dass die Wellenlänge eines Tons, der von einem bewegten Objekt aus geht, nicht in alle Richtungen gleich groß ist. In Fahrtrichtung wird die Schallwelle „zusammengestaucht“, entgegen der Fahrtrichtung „entzerrt“. Aber warum ist das so?

Man kann sich eine Schallwelle als eine auf und ab Schwingung vorstellen (wie z.B. ein auf und ab bewegtes Seil). Die Wellenlänge ist der Abstand zweier Hochpunkte bzw. Maxima (oder auch Tiefpunkte). Die Welle wird in ihrem Ursprung, im Falle des Krankenwagens an der Sirene, konstant erzeugt. Das Signal hat im Ursprung damit immer die gleiche Wellenlänge. Von Ursprung aus breitet sich eine Schallwelle bekanntermaßen mit Schallgeschwindigkeit aus. Das ist mit etwa 343 km/h zwar sehr schnell, aber eben nicht so schnell, dass die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs keinen Einfluss darauf hat. Ein fahrender Krankenwagen, und damit dessen Sirene, hat sich nämlich in der Zeit vom Aussenden eines Wellenmaximums bis zum nächsten ein kleines Stück vorwärts bewegt. In Fahrtrichtung ist der effektive Abstand der beiden Maxima, die sich in der Luft ausbreiten, dadurch etwas kleiner, als das ursprüngliche Signal. Entgegen der Fahrtrichtung ist es genau andersherum und der Abstand vergrößert sich. Die beiden nachfolgenden Bilder verdeutlichen diesen Effekt. Im ersten Bild der heranfahrende Krankenwagen, im zweiten Bild der Wegfahrende.

Doppler-Effekt heranfahrend Doppler-Effekt wegfahrend

Kürzere Wellenlänge bedeutet bei akustischen Signalen ein höherer Ton. Aus diesem Grund hört sich die Sirene des heranfahrenden Krankenwagens höher an, als die des wegfahrenden Autos. Im Zeitpunkt des Vorbeifahrens hört man dann den Übergang von hoch nach tief.

 

Quellen:

https://www.leifiphysik.de/akustik/akustische-wellen/doppler-effekt

Wie funktioniert eine Mikrowelle?

Vor ein paar Wochen ging es um die Funktionsweise eines Induktionsherdes. Schon viel länger Einzug in die meisten Haushalte hat die „Mikrowelle“ erhalten. Eigentlich muss man von einem Mikrowellenherd sprechen, da die Mikrowelle nur das physikalische Phänomen hinter dem Gerät ist. Aber wie genau erwärmt ein Mikrowellenherd eigentlich das Essen?

Wie der Name schon sagt, spielen hier die sogenannten Mikrowellen die entscheidende Rolle. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,1 bis 30 cm. In Mikrowellenherden werden Wellen mit etwa 12 cm Länge erzeugt. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 0,4 bis 0,7 mm, Radiowellen liegen im Bereich von Metern bis hin zu Kilometern. Aber was bewirken die erzeugten Mikrowellen in dem Essen?

Eine elektromagnetische Welle hat nur einen Einfluss auf ein Molekül, wenn dieses einen Dipol besitzt. Das heißt, dass eine Seite des Moleküls leicht positiv, die andere Seite negativ geladen ist. Wasser, das in jedem unserer Lebensmittel enthalten ist, weißt genau so einen Dipol auf. Wenn ein Wassermolekül sich nun in einem elektromagnetischen Feld aus Mikrowellen befindet, wird es durch die Schwingung der Wellen in Rotation versetzt. Die Moleküle fangen also an sich zu bewegen. Da sie aber in einer festen Mahlzeit oder auch einer Flüssigkeit sehr eng nebeneinander liegen, kollidieren die Moleküle und durch die auftretende Reibung entsteht Wärme. Diese Wärme sorgt dann für die Erhitzung der gesamten Speise.

Da der menschliche Körper auch zu einem Großteil aus Wasser besteht, sind Mikrowellen für Menschen nicht ganz ungefährlich. Denn das Selbe, was mit dem Essen passiert, kann auch mit menschlichem Gewebe passieren, wenn es Mikrowellen ausgesetzt wird. Aus diesem Grund sind Mikrowellenherde nach außen hin mit einem Metallgehäuse abgeschirmt. An Metall werden Mikrowellen nämlich reflektiert und bleiben so im Inneren des Herdes. Auch in die eigentlich für Mikrowellen durchlässige Glasscheibe ist ein Metallgitter eingebaut. Durch die Sicherheitsfunktion, dass der Herd nur eingeschaltet werden kann, wenn die Klappe geschlossen ist, geht von so einem Herd allerdings keine Gefahr für den Betreiber aus.

 

Quellen:

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/mikrowellenherd/

https://praxistipps.focus.de/wie-funktioniert-eine-mikrowelle-einfach-erklaert_45520

Warum werden schwarze Oberflächen heißer als weiße?

In den jetzt kommenden heißen Tagen merkt man es wieder extrem. Dunkle oder schwarze Oberflächen erwärmen sich in der Sonne viel stärker als helle. Das weiß eigentlich jeder aber hast du dich auch schon einmal gefragt warum das so ist?

Um das zu verstehen muss man erst einmal wissen, wie Farben überhaupt entstehen und warum ein Gegenstand schwarz oder vielleicht weiß ist.

Alles beginnt bei einer Lichtquelle. Diese Quelle sendet ein Lichtspektrum aus, also eine Überlagerung von elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Im besten Fall ist das die Sonne. Das Spektrum der Sonne deckt nämlich den ganzen sichtbaren Bereich des Lichts ab. Das bedeutet, dass das uns weiß erscheinende Licht der Sonne eine Überlagerung aller Farben ist (siehe auch „Wie entsteht ein Regenbogen„). Damit wissen wir schon einmal, dass die Farbe Weiß dann entsteht, wenn alle Farben überlagert unser Auge erreichen. Schwarz ist dann das genaue Gegenteil. Schwarz sehen wir wenn gar kein Licht bzw. keine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich in unser Auge fällt.

Von der Lichtquelle nun zu der Farbe eines Gegenstandes. Wenn beispielsweise Sonnenlicht auf eine uns rot erscheinende Oberfläche fällt, dann wird von dieser Oberfläche das Licht aller Wellenlängen absorbiert bis auf das rote. Absorbiert bedeutet, dass der Gegenstand die Energie des Lichts aufnimmt. Der in diesem Fall rote Teil des Lichts wird reflektiert und kann so unser Auge erreichen. Die Oberfläche sieht für uns also rot aus. Der zusätzliche Effekt der Absorption ist, das sich die Oberfläche durch die Aufnahme der Energie erwärmt. Je heller die Farbe, desto mehr wird von dem auftreffenden Licht reflektiert. Bis hin zu einer weißen Oberfläche, die alle Strahlung reflektiert und eine Überlagerung des kompletten Spektrums das Auge erreichen kann.

Mit diesem Wissen kann man sich auch erklären, warum ein schwarzer Gegenstand heißer wird als ein weißer. Der Schwarze absorbiert die komplette Strahlung, der Weiße reflektiert alles. Und nur durch die Absorption kann sich ein Gegenstand erwärmen.

Wie funktioniert eine LED?

Sie sind heutzutage nicht mehr weg zu denken – LEDs. LED steht für „light emitting diode“ und ist eine Diode, also ein elektrisches Bauteil, das Licht aussendet, wenn es von Strom durchflossen wird. Sie finden in allen Lebensbereichen ihren Einsatz und sind immer mehr dabei herkömmliche Leuchtmittel, wie Glühbirnen zu verdrängen. Aber wie funktioniert eine LED eigentlich und was macht sie besser als eine Glühbirne?

Eine LED besteht aus einem sogenannten Halbleitermaterial. Solche Halbleiter haben die Eigenschaft, dass sie aus einer Seite mit einem Elektronenüberschuss und einer Seite mit einem Elektronenmangel bestehen. Fließt nun Strom durch die Diode, können die Elektronen aus der Überschussseite in die Mangelseite übergehen. Bei diesem Übergang gehen die Elektronen in einen energieärmeren Zustand über. Die Differenz von höherem Energiezustand zum Niedrigeren wird bei diesem Vorgang als Licht abgegeben. Dieses Licht hat eine ganz bestimmte Wellenlänge, die vom verwendeten Material abhängig ist. Je höher der Energieunterschied, desto geringer ist die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts. Kleine Wellenlängen bedeuten bläuliches Licht bis hin zu ultraviolett, langwelliges Licht hingegen ist rot. Über das in der LED verwendete Halbleitermaterial kann somit die Farbe des Lichts eingestellt werden. Für weiße LEDs müssen viele verschiedene Wellenlängen überlagert werden. Je kontinuierlicher das Spektrum des Lichts ist, also je mehr Wellenlängenbereiche vorhanden sind, desto „wärmer“ wird das weiße Licht und desto angenehmer empfinden wir es.

LEDs sind deutlich effizienter als herkömmliche Glühbirnen. Das liegt daran, dass bei LEDs der größte Teil des Stroms tatsächlich in Licht umgewandelt wird. Bei einer Glühbirne wird ein Großteil einfach in Wärme umgewandelt. Das merkt man sehr schnell wenn man eine Glühbirne anfasst, die eine Zeit lang in Betrieb war. Außerdem haben LEDs in der Regel mit bis zu 100.000 Betriebsstunden eine deutlich höhere Lebenserwartung als Glühbirnen. Aus diesen Gründen sind LEDs immer mehr dabei in allen Bereiche des alltäglichen Lebens Einzug zu erhalten und werden auch weiterhin durch voranschreitende Entwicklung den Leuchtstoffmarkt erobern.

Quellen:

https://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/was-ist-eine-leuchtdiode.html

https://www.simplyscience.ch/energie-umwelt/articles/die-led-eine-clevere-technologie.html?_locale=de