Aufbau
Für den Versuch benötigst du einen sog. LESLIE-Würfel, der zu Beginn des 19. Jh. vom englischen Physiker und John LESLIE (1766 - 1832) zur Untersuchung von Wärmestrahlung entwickelt wurde.
Der LESLIE-Würfel ist ein hohler Metallwürfel mit vier unterschiedlich beschaffene Seiten - schwarz, weiß, matt und spiegelnd - und kann mit warmen Wasser gefüllt werden. Er wird auf einem drehbaren Tischchen mittig positioniert.
Zur Messung der vom Würfel ausgehenden Wärmestrahlung wird ein Thermosäule genutzt. Diese wandelt thermische Energie in eine elektrische Spannung (Thermospannung) um. Da diese Spannungen sehr klein sind, wird ein Messverstärker (Verstärkung um den Faktor \(10^4\)) benötigt. An diesen ist ein Spannungsmesser angeschlossen. Für quantitative Versuche empfiehlt sich ein Messverstärker mit eingebauter Digitalanzeige.
Hinweis: Vor der Versuchsdurchführung muss das Schutzglas von der Thermosäule entfernt werden.
Durchführung (qualitativ)
Der LESLIE-Würfel wird mit warmem Wasser gefüllt. Nach kurzer Zeit haben alle Seiten des Würfels die gleiche Temperatur. Dann wird nacheinander jeweils eine Seite das Würfels in Richtung der Thermosäule gedreht und die sich ergebende Thermospannung am Spannungsmesser abgelesen.
Aufgabe
Stelle (wenn möglich begründete) Hypothesen auf, wie groß die sich ergebenden Thermospannungen der vier unterschiedlichen Seiten des Würfels im Vergleich miteinander sind.
Anregungen für Hypothesen: Welche der Seiten strahlt am stärksten ab und sorgt so für die höchste Thermospannung? Oder strahlen alle vier Seiten gleich stark ab und die Thermospannungen sind identisch?
Überprüfe deine aufgestellten Hypothesen (oder die beiden Hypothesen aus der vorherigen Lösung) mithilfe des Videos zur Versuchsdurchführung unterhalb des Aufgabenkastens.
Beobachtung
Die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten führen zu deutlich höheren Thermospannungen als die matte bzw. die verspiegelte Seite. Der Unterschied zwischen schwarz und weiß lackierter Seite ist nur minimal, ebenso der Unterschied zwischen matter und verspiegelter Seite.
Erklärung
Die sich ergebenden Thermospannungen sind ein Maß für die von den Würfelseiten in Form von Wärmestrahlung abgestrahlte Energie. Deshalb bedeutet die Beobachtung, dass bei gleicher Temperatur die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten deutlich mehr Energie in Form von Wärmestrahlung abstrahlen als die matte und die verspiegelte Seite. Für eine genauere Erklärung benötigen wir das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz.
KIRCHHOFFsches Strahlungsgesetz (qualitativ)
Je besser eine Oberfläche Strahlung aufnimmt (absorbiert), desto besser gibt sie auch Strahlung ab (emittiert).
Mithilfe des KIRCHHOFFschen Strahlungsgesetzes kannst du folgende Erklärung für die Beobachtungen geben:
Die schwarz bzw. weiß lackierten Seiten absorbieren Strahlung besser als die metallischen Seiten. Deshalb emittieren sie Strahlung auch deutlich besser als diese.
Die verspiegelte Seite reflektiert einen großen Teil der Strahlung und absorbiert nur einen geringen Teil. Deshalb emittiert sie aber auch besonders schlecht.
Auch auf die matte Seite treffende Strahlung wird zum Großteil reflektiert, allerdings diffus (in alle Raumrichtungen) und nicht regelmäßig wie bei der verspiegelten Seiten. Da diese Seite daher aber auch schlecht absorbiert, emittiert sie auch schlecht Wärmestrahlung und nur unwesentlich mehr als die verspiegelte Seite.
Warum emittieren schwarz und weiß Wärmestrahlung aber in nahezu gleicher Größenordnung?
Eine schwarze Fläche absorbiert Licht doch viel besser als eine weiße Fläche, die das Licht gut reflektiert. Wieso unterscheiden sich dann die Thermospannungen im Versuch kaum? Hier spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Ein Körper mit einer Temperatur von z.B. \(80\,^{\circ}\rm{C}\) strahlt Wärmestrahlung am intensivsten im Infrarotbereich (bei \(\lambda\approx 8\,\rm{\mu m}\)) ab und nicht im sichtbaren Bereich. Aus der Farben, mit der wir mit unseren Augen die Flächen sehen, kann daher kein direkter Rückschluss auf die Emissionsfähigkeit bei solchen Temperaturen geschlossen werden. Hier spielt die "Farbe" im infraroten Bereich die maßgebliche Rolle.
Weitere Versuche mit dem LESLIE-Würfel
Mit geeigneten Messungen können mit diesem Versuchsaufbau auch das KIRCHHOFFsche Strahlungsgesetz und das STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz bestätigt werden. Anleitungen hierzu bieten die Lehrmittelhersteller.
Weiter kannst du mit einem LESLIE-Würfel aber auch anschaulich zeigen, dass berührungslose Thermometer, die über Wärmestrahlung die Temperatur eines Körpers messen, nicht für metallische Oberflächen geeignet sind. Das Thermometer zeigt für die einzelnen Seiten unterschiedliche Temperaturen an, da es bei der internen Temperaturberechnung immer von einer typischen Absorptions- bzw. Emissionsfähigkeit ausgeht.