Ich hatte in zwei ersten Teilen zur Geschichte des Treibhauseffekts auf zwei französische Beiträge aufmerksam gemacht, nämlich den Beitrag Jean-Baptiste Joseph Fourriers und den Beitrag Claude Pouillets. Der erstere formulierte als erster das Konzept des “Treibhaus Erde” (das Wort “effet de serre”, also Treibhauseffekt, fiel allerdings nicht), indem er eine Analogie zwischen der “boite chaude” (einem Kästchen mit Glasabdeckung) und der Atmosphäre aufstellte. Er verstand die Umsetzung von solarer Einstrahlung in langwellige Wärmestrahlung ohne das Konzept eines elektromagnetischen Kontinuums gekannt zu haben. Diese Wärmestrahlung oder, wie wir heute auch sagen, Infrarot-Strahlung nannte sich dann auch etwas mystisch “la chaleur obscure”. Eine Analogie zwischen einem Kästchen mit Glasabdeckung und der Atmosphäre ist schön und gut, aber das musste natürlich in vieler Hinsicht quantifiziert werden.

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Bild 1: Samuel Pierpont Langley [1834-1906]

Claude Pouillet machte einen ersten wichtigen Schritt. Er masz mit einem unglaublich einfachen Instrument, dem Pyrhéliometer, die Solarkonstante, dass heisst die Strahlungsstärke der Sonne angegeben in Watt/m2. Mit diesen Messungen, die er im Hinterhof seines Instituts, dem “art et metiers“, durchführte, näherte er sich mit 1228W/m2 bis auf nur 10% dem heutigen Wert von 1367W/m2 an. Eine phantastische Leistung bei der auch damals schon arg verschmutzten Pariser Luft. Doch lange Zeit wurde dieser Wert nicht anerkannt und das lag an einem anderen Pionier des Treibhauseffekts, Samuel Pierpont Langley, um den es heute gehen wird.

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Bild 2: Das NASA Langley Centre bei Hampton in Virginia

Zur Erinnerung, wir befinden uns nach wie vor im 19ten Jahrhundert. Die Anfänge der Quantenphysik liegen immer noch verborgen in den heranwachsenden Hirnwindungen eines kleinen Jungen namens Max Planck. Und doch beschäftigten sich schon sehr viele Physiker mit den verschiedenen Typen von Strahlungen und ihren Brech- und Beugungsverhalten. Einer der gröszten Autoritäten auf diesem Gebiet wurde der 1834 in Massachusetts geborene Samuel Pierpont Langley. Er ist einer Väter der modernen Astrophysik und ein Luftfahrtpionier ganz im Stile der wackeligen Schwarz/Weiss Filmchen, bei denen sich immer irgendwelche Wagemutigen in Seifenkisten einen Abhang hinunterstürzen. Heute ist nach ihm das älteste NASA Labor, dem Langley Centre in Virginia, benannt.

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Bild 3: Das von Langley entworfene Bolometer, ein hochempfindlicher Licht/IR Strahlendetektor, der die Daten für Plancks Betrachtungen zur Strahlung eines schwarzen Körpers lieferte.

Langley wuchs in eher einfachen Verhältnissen Verhältnissen auf, die ihm unter anderem den College Besuch nicht gestatteten. Seine erste Ausbildung als Ingenieur und Architekt hatte daher auch einen sehr praktischen Aspekt. Zusammen mit seinem Bruder, der Chemiker wurde, blieb er aber immer an der Wissenschaft dran und hangelte sich langsam in der damaligen Wissenschaftshierachie nach oben. So war er Assistant Professor der Mathematik an der U.S. Naval Academy in Annapolis und Assistent am Harvard College Observatorium. Der entscheidende Moment kam, als die Western University of Pennsylvania (heute University of Pittsburgh) ausgerechnet in der meist industrialisierten Gegend der USA eine Erweiterung ihres astronomischen Allegheny Observatorium plante und dann eben auch einen neuen Chef suchte. Das Geld für all das kam von einem lokalen Mäzen namens William Thaw. Mit Samuel Langley wurde dann jemand gewählt, der den Rahmen der klassischen astronomischen Messungen deutlich erweitern wollte. Heute haben sich Astronomen und Astrophysiker ja ganz doll lieb und wissen gar nicht so recht, wer was macht und ist. Damals aber gab es doch ein arges Ringen um die wenigen verfügbaren Teleskope.

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Bild 4: Zentrales Element des Bolometers, eine Wheatstone Brücke. Drei elektrische Widerstände sind bekannt. Der vierte ist eine dünne Metallfolie, Rx, die durch Licht/IR Strahlungsabsorption erwärmt wird. Ihr sich dann ändernder Widerstand wird durch einen präzisen Abgleich mit den bekannten Widerständen bestimmt.

Langleys wohl enscheidender Beitrag war die Konzeption und der Bau eines damals revolutionären Instruments zur Vermessung der IR Strahlung, ein Instrument mit dem schönen Namen Bolometer (ich konnte nicht so recht rauskriegen, wo der Name herkommt Aber Leser Sascha konnte. Es kommt aus dem Griechischen bolein, “werfen”, “strahlen”. Ein bolometer ist logischeweise also ein Strahlungsmesser.). Von aussen betrachtet ist das Bolometer ein relativ schmales Rohr mit einem Eintrittsspalt für das einfallende Licht. Im Inneren befindet sich eine sogenannte Wheatstone Brücke, eine ringförmig angebrachte Schaltung von vier elektrischen Widerständen. Drei dieser Widerstände sind sehr gut bekannt, der vierte Widerstand ist eine sehr dünne metallische Folie, die höchst sensibel auf Temperaturänderungen reagiert. Bekanntlich ist ja der elektrische Widerstand eine Funktion der Temperatur des leitenden Metalls. Das einfallende Licht/IR Strahlung wird also von diesem Metallstreifen absorbiert, dieser ändert die Temperatur, die wiederum den Widerstand ändert. Schwups haben wir ein potentiell höchst empfindlichen und kalibrierbaren Strahlungsdetektor.

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Bild 5: Das heutige Mount Wilson Observatorium. Langley führte auf dem 1740 Meter hohen kalifornischen Berg Messungen des solaren nahen IR Spektrums durch, damals noch ganz ohne Observatorium.

Die Schmerzen stecken auch hier im Detail. Die ganze Schaltung wurde damals von einer Batterie alimentiert, deren Spannung natürlich nicht so stabil war, wie man es eigentlich bräuchte. So driftete die abgelesene Stromstärke die ganze Zeit fröhlich herum (sie wird per regelbaren Widerstand immer auf null gebracht) und jede Messung musste x-Mal wiederholt werden. Der Metallstreifen absorbiert die einfallende Strahlung leicht frequenzabhängig, was einem, wenn man quantitative Messungen bis hinein ins ferne infrarote Spektrum unternehmen will, schonmal ein paar graue Haare kosten kann. Doch das Schlimmste war vielleicht, dass Langley ja den gesamten Spektralbereich eines strahlenden Körpers vermessen wollte. Das heisst, dass das einfallende Licht aufgespalten werden muss, Linie für Linie. Das tat man damals mit Prismen. Da klassische Glasprismen aber im wesentlichen nur das sichtbare Licht brechen, brauchte es anderer Materialien. Es stellte sich nun heraus, dass die Kristalle eines Minerals mit der chemischen Zusammensetzung NaCl Brecheigenschaften bis ins Infrarote hinein besassen. Ich möchte gar nicht daran denken, was es bedeutete Salz in Prismenform zu bringen.

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Bild 6: Aus einer Originalarbeit von Langley. Messung des Strahlungsspektrums der Sonne und eines auf ca 100°C erhitzten Körpers. Die Abzisse geht von 0 bis ca. 13 mikrometer. Solch präzisen Messungen bei solch niedrigen Temperaturen waren vor Langley nicht möglich.

Die ersten Bolometer baute Langley noch selber und arbeitete dann mit dem Instrumentenbauer William Grunow zusammen. Dieser verkaufte seine Instrumente später, als sie durch Langleys Messungen populärer wurden, auch an die damals führenden deutschen physikalischen Institute, unter anderem an Otto Lummer, der an Helmholtz’ Lehrstuhl arbeitete und der dann später die entscheidenen Messungen durchführte, die zu Plancks Strahlungsgesetz schwarzer Strahler führte. Dieser William Grunow nun schrieb an Samuel Langley in einem Brief einen der schönsten Sätze, die je die Leiden eines besessenen und schiesslich resignierenden Instrumentenbauers beschrieben haben.

I feel sorry to perceive my inability to follow up the making of bolometers, on account of the circumstances of my situation, the bad effect on my health (eyes and nerves) caused by the anxiety which the making of bolometers always creates on me, and by the knowledge that I should give up the making of them, rather then continue without being able to improve or perfect them.

Überflüssig zu erwähnen, dass es Langley war, der immer präzisere und empfindlichere Bolometer verlangte. Indem er den armen Grunow in den körperlichen und nervlichen Ruin trieb, gelang es ihm schliesslich, dass in Bild 6 gezeigte Spektrum zu messen.

Schade nur, dass die Messungen ursprünglich nicht die Wellenlänge der untersuchten Strahlung lieferten, sondern deren Brechungswinkel im Steinsalzprisma! Wie also an die physikalischen Einheiten Wellenlänge oder Frequenz kommen, wenn man im Infraroten arbeitet, wo die gängigen Prismenkalibrierungen nicht mehr funktionieren?
Er erzeugte dazu mit Hilfe eines Beugungsgitters aus dem Sonnenspektrum einen Strahl, der einer bekannten Fraunhofer Linie (die D Linie liegt im dritte Ordnungs Spektrum bei ca 0.6 Mikrometer) entsprach. Das zweite und erste Ordnungspektrum der Fraunhoferlinie konnte man dann mit der Formel für solche Beugungsgitter berechnen und Langley brauchte sie nur noch in seiner Prismazerlegung wiederfinden. Siehe für den Versuchaufbau auch Bild 7. So kam er an die Kalibrierung seiner Prismen (Wellenlänge in der Abhängigkeit des Brechungswinkels) bis tief ins Infrarote hinein. Genauer eben bis ca. 13 Mikrometer, dann war bei allen damals bekannten Prismen Feierabend.

Bild 6 zeigt nun einmal das von ihm auf dem Mount Wilson gemessene Sonnenspektrum, also das Spektrum eines schwarzen Strahlers bei einer Temperatur von ca. 5000 Grad, und das ebenfalls mit Langleys Bolometer gemessene Spektrum eines Körpers von nur 100 Grad. Eine absolute technisch-wissenschaftliche Meisterleistung zu seiner Zeit.

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Bild 7: Kalibrierung des Bolometers und insbesondere des vorgeschalteten Steinsalzprismas. Ein Beugungsgitter G liefert ein bekanntes Spektrum von Fraunhofer Linien, die dann im Spektrum des Prisma wiedergefunden werden müssen.
So konnte Langley die Aufspaltung eine IR Strahls im Prisma eichen.

Langley ist mehrmals auf den 1700 Meter hohen Mount Wilson gekraxelt, weil er sich dort fern der in der unteren Atmosphäre störenden Absorption (Verschmutzung, Wasserdampfs) der Sonnenstrahlung wähnte. Er fand in seinen Messungen dort eine Vielzahl der hauptsächlich dem Wasserdampf geschuldeten Absorptionslinien im nahen Infrarot des Sonnenspektrums, die bis dahin völlig unbekannt waren. Aus dem gesamten so gemessenen Sonnenspektrum berechnete er fälschlicherweise eine Sonnenkonstante von 2140W/m2, deutlich schlechter als unser Wissenschaftsheld aus dem zweiten Teil der Greenhouse-Saga, Claude Pouillet. Da er aber damals schon eine absolute Autorität in seinem Fach darstellte und unzweifelhaft seine Messungen deutlich aufwendiger als die Pouillets und, wie man heute sagen würde, technologisch “cutting edge” waren, galt dieser Wert der Solarkonstante für die nächsten 20 Jahre nach seiner Mount Wilson Expedition als Referenzwert.

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Bild 8: Von Samuel Langley gebautes Observatorium zur Messung des IR Spektrums des Mondes.

Damals konnte man noch Grossprojekte starten und am Ende resigniert die Schultern heben: Hat eben nicht funktioniert. Heute wollen wir Köpfe rollen sehen, wenn am CERN das LHC nicht innerhalb einer Woche nobelpreiswürdige Resultate liefert. Langley hatte ebenfalls solch ein für damalige Verhältnisse Grossprojekt gestartet. Der von ihm veranlasste Anbau an das Pittsburgher Allegheny Observatorium (siehe Bild 8) hatte beeindruckende Dimensionen. Sein Ziel war es, mit hochpräzisen IR Messungen das Spektrum des Mondes zu vermessen und daraus dessen Strahlungsfluss (die Mondkonstante sozusagen) zu bestimmen. Man kann sich sicher schon denken, dass es nicht so einfach ist, die Infrarotstrahlung eines fast eine halbe Millionen Kilometer entfertnen Objekts mit Temperaturen zwischen -150°C bis +120°C zu bestimmen, und nach nur 5 Jahren verbissener Arbeiten gab Langley schliesslich auf. Doch bei diesen Messungen produziert er sozusagen als Beiprodukt einen Datensatz von 24 Absorbtionsserien mit insgesamt 700 Linien, die das Absorptionsverhalten der terrestrischen Atmosphäre katalogisierten. Zwanzig Jahre später sollte dieses Nebenprodukt der gescheiterten Messung der Mondkonstante das Interesse eines schwedischen zukünftigen Nobelpreisträgers der Chemie namens Svante Arrhenius erregen. Aber das ist eine andere Geschichte.

PS. Schon beim letzten Posting zur Geschichte des Treibhauseffekts wurde bemängelt: Und wo bleibt John Tyndall? Über den gibt es für die ganz Neugierigen bereits sehr viel Material im Internet. Er war der erste, der Gasabsorptionsmessungen insbesondere mit CO2 durchgeführt hat. Ich lese gerade sein 1872 erschienenes “Radiant Heat”. Also noch etwas Geduld.

PPS. Genau wie die vorherigen “Historien Postings” wurde auch dieses von der tollen Habilitationsschrift von Jean-Louis Dufresne motiviert. Ferner sei noch auf einen Artikel der Wissenschaftshistorikerin Andrea Loettgers aufmerksam gemacht: “Samuel Pierpont Langley and his Contributions to the Empirical Basis of Black-Body Radiation” aus dem die meisten Abbildungen stammen..

Kommentare (32)

  1. #1 Sascha
    März 18, 2010

    Nun, wie sowoh die deutsche Wikipedia als auch Merriam-Webster wissen, kommt Bolometer von griechisch bole „Wurf“, „Strahl“ (from ballein to throw). Und schaut man mal in den Brockhaus (von 1911), siehe da:
    “Bolomēter (grch., »Strahlungsmesser«), 1857 von Svanberg vorgeschlagenes, 1881 von Langley ausgeführtes Instrument zum Messen äußerst geringer Temperaturunterschiede (bis 0,1° C.)”
    http://www.zeno.org/Brockhaus-1911/A/Bolometer

  2. #2 Ludmila
    März 18, 2010

    Glaub mir, nicht nur damals wurde um Teleskopzeit erbittert gerungen.

  3. #3 Georg Hoffmann
    März 18, 2010

    @Sascha
    Arrg. Auf wiki bin ich nicht gekommen. Was soll ich sagen.
    Danke, ist oben mit eingefuegt.

  4. #4 Franz Nörgel
    März 21, 2010

    gähn

  5. #5 Wolfgang Flamme
    März 24, 2010

    GH: “Die ganze Schaltung wurde damals von einer Batterie alimentiert, deren Spannung natürlich nicht so stabil war, wie man es eigentlich bräuchte. So driftete die abgelesene Spannung die ganze Zeit fröhlich herum und jede Messung musste x-Mal wiederholt werden.”

    Der Clou bei der Brückenschaltung ist eigentlich gerade, daß die Versorgungsspannung der Brücke gar nicht konstant sein muß. Es wird auch keine Spannung abgelesen; s. Deine Zeichnung mit ‘I=0’.

  6. #6 chlorobium
    März 26, 2010

    … aber sicher sollte die Spannungsquelle konstant sein, weil die Wheatstone-Meßbrücke im Ausschlagverfahren verwendet wurde. Das Abgleichverfahren macht hier doch keinen Sinn.

  7. #7 Georg Hoffmann
    März 26, 2010

    @Flamme,chlorobium
    Ich habe den Text nochmal nachgelesen, aus dem ich das habe. Einer der Widerstaende ist regelbar, ein Galvanometer misst den Strom. Der Widerstand wird so geregelt, dass der Strom null anzeigt. Dann kann man Rx ausrechnen. Ich korrigiere den Text oben.

  8. #8 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    @Georg

    Es ist wohl (trotz Chloros undokumentierter Hilfestellung) noch nicht richtig angekommen: Die Schwankungen der Versorgungsspannung sind für das Hin- und Hertanzen der Galvanometernadel nicht ursächlich, da sie sich auf den oberen und unteren Brückenzweig exakt gleich auswirken und sich somit gegenseitig stets kompensieren. Wäre die sinkende Batteriespannung die Ursache, so sollte man ja auch eher eine einseitige Drift feststellen können und kein Hin- und Herzucken der Nadel.

    Es sind tatsächlich nur winzige Widerstandsänderungen und Temperaturunsymmetrien, die für dieses Tanzen der Galvanometernadel verantwortlich sind. ZB Erschütterungen am Kontaktpunkt des veränderlichen Widerstandes, welche winzige Änderungen der Kontaktfläche und des Kontaktdrucks verursachen, Thermospannungen, Halbleitereffekte an Materialübergängen und Lötstellen etc.

  9. #9 Georg Hoffmann
    März 29, 2010

    @Flamme
    Ich bin Chlorobium genau so wie Ihnen natuerlich dankbar, moegliche Fehler und Ungenauigkeiten zu finden. Ich hatte wie gesagt die entsprechende Stelle im Paper Loettgers nochmal nachgeschlagen. Das steht dort:

    “The most serious
    were changes in the external temperature and variations in current supplied to the
    Wheatstone bridge by the battery connected to its terminals. These disturbances
    caused a continual wandering of the galvanometer needle during the measurements,
    which Langley called its ‘‘drift.’’”

    Und da dieses Paper von Frau LOettgers mir ansonsten sehr gut recherchiert scheint und die Autorin sich das sicher nicht einfach so hat einfallen lassen, weiss ich jetzt nicht so recht. Es ist ja nicht so, als haette ich ein Bolometer zu Hause herumstehen.

  10. #10 Ebel
    März 29, 2010

    Der Brückenabgleich hängt von der Versorgungsspannung ab. Die Widerstände R1 bis R3 sind stromunabhängig, der Widerstand Rx ist stromabhängig und darauf beruht ja die Kalibrierbarkeit. Durch Abgleich der Versorgungsspannung wird Rx so eingestellt, daß das Brückengleichgewicht erreicht wird. Fällt jetzt Leistung auf Rx ist die Versorgungsspannung zu reduzieren, um den Abgleich aufrecht zu erhalten. Da der Wert von Rx bekannt ist, ergibt sich aus dem Strom, wieviel elektrische Heizleistung durch die Einstrahlung ersetzt wird.

    Da die einfallende Strahlungsleistung schwankt, muß natürlich auch der Abgleich schwanken.

    MfG

  11. #11 chlorobium
    März 29, 2010

    “Es ist wohl (trotz Chloros undokumentierter Hilfestellung) noch nicht richtig angekommen:”

    Doch doch. Im Abgleichverfahren spielt die Stabilität der Spannungsquelle wirklich keine Rolle, da könnte man bei Widerständen rein ohmscher Art auch eine Wechselspannung benutzen. Zwar wurde dieses Verfahren vor der Existenz billiger Digitalmeßgeräte zur Meßung von Widerständen benutzt, aber eben dieses Abgleichverfahren macht bei einer Meßung keinen Sinn, wie sie Langley durchgeführt hat. Und zwar deswegen nicht, weil ich im Moment des Abgleichs, wenn also der Stromfluß zwischen den Punkten C und D gleich Null ist, zwei Widerstände vorliegen habe, deren Wert ich nicht kenne … nämlich Rx und den regelbaren Widerstand. Und wenn ich eine Gleichung mit 2 Unbekannten habe, kann ich auch nichts berechnen.
    Deshalb wird Langley mit Sicherheit die Wheatstone-Meßbrücke im Ausschlagverfahren verwendet haben (… so wie heute auch die Dehungsmeßstreifen verwendet werden). Denn zum Einen ist dieses Verfahren sehr gut geeignet um kleine Widerstandsänderungen zu messen, und nichts andere würde ich hier auch erwarten, zum Anderen ist ein solches Verfahren auch viel schneller. Wollte man nämlich ein Spektrum wie in Abbildung 6 dargestellt vermessen, würde es Tage dauern.
    Aber beim Ausschlagsverfahren hat man eben den Nachteil, daß man eine konstante Spannungquelle benötigt. Und deswegen spricht Langley auch von einer Drift.

  12. #12 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    Chloro, an diese Interpretation glaube ich nicht, werde später noch begründen, wieso.

    Das mit der Wechselspannung ist definitiv Kappes, wegen der Trägheit des Galvanometers würdest Du den langfristigen Mittelwert des Wechselstromes I messen, und der wäre auch bei verstimmter Brücke immer Null.

  13. #13 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    PS: Es ginge natürlich mit einem Wechselstromgalvanometer, aber diese Geräte sind AFAIR vergleichsweise unempfindlich, was dem Sinn der Anordnung gerade zuwiederläuft.

  14. #14 Karl Mistelberger
    März 29, 2010

    Samuel Pierpont Langley hat “On the Thermal Balance” vorgetragen und die Reporter der New York Times haben darüber berichtet: http://query.nytimes.com/gst/abstract.html?res=9F06E3DF123FEE3ABC4152DFB767838B699FDE

  15. #15 chlorobium
    März 29, 2010

    “Das mit der Wechselspannung ist definitiv Kappes, wegen der Trägheit …”

    Stimmt.

    Ich habe ein kurzes Paper von P. Langle himself zu diesen Bolometern gefunden. Und wenn ich das richtig sehe, dann lag ich mit meiner Interpretation wohl doch richtig.

    http://ia311533.us.archive.org/1/items/bolometerlangley00langrich/bolometerlangley00langrich.pdf

  16. #16 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    Also mal eine kurze Analyse.

    Leerlaufspannung Ucd ergibt sich aus der Differenz der beiden Brückenspannungen mithilfe der Spannungsteilerregel. Für optimale Empfindlichkeit sollten wir Uc und Ud etwa bei U0/2 einstellen, dh R1~=Rx und R2~=R3.
    Das Galvanometer sieht einen Innenwiderstand der Schaltung von R1||Rx + R2||R3.

    Im Sinne optimierter Empfindlichkeit folgende Überlegungen: Das eigentliche Bolometer Rx legt ja R1 in der Größenordnung fest. Es macht keinen Sinn, den anderen Zweig der Brücke (R2, R3) hochohmig auszuführen, denn der hochohmige Brückenzweig würde den Meßstrom limitieren. Es macht auch keinen Sinn, ihn besonders niederohmig auszuführen, weil dann der Bolometerzweig und der Innenwiderstand des Galvanometers den Meßstrom limitieren. Damit sich Temperatureinflüsse möglichst gegenseitig aufheben würde ich die Schaltung sowieso symmetrisch aufbauen – gleiche Materialien, gleiche Abmessungen usw. Also iw drei temperierte Dummy-Bolometer und ein echtes, daß der Strahlung ausgesetzt ist.

    Jetzt denken wir uns noch das Bolometer aus einem konstanten und einem wärmeveränderlichen Anteil Rw zusammengesetzt und fügen bei R3 noch einen veränderlichen Widerstand Rv hinzu, der auf den Wert von Rw abgeglichen wird. Alle anderen Widerstände wollen wir möglichst gleich haben. Also R1=R, R2=R+Rv, R3=R, Rx=R+Rw.

    Die Leerlaufspannung Ucd beträgt dann nach der Spannungsteilerformel:
    Ucd= U0 * (R+Rw)/(R1+R+Rw) – U0 * (R+Rv)/(R+R+Rv)

    Der Innenwiderstand der Schaltung Ri aus Sicht des Galvanometers Rg:
    Ri=R*(R+Rv)/(R+R+Rv) + R*(R+Rw)/(R+R+Rw)

    Der durch das Galvanometer fließende Strom entspricht der Leerlaufspannung Ucd geteilt durch die Reihenschaltung von Ri und Rg:
    Ig=Ucd/(Ri+Rg)

    Das Ganze führt auf einen ziemlich nervigen algebraischen Ausdruck, der läßt sich aber vereinfachen, weil Rw, Rv deutlich kleiner sind als R und Rg:
    Ig~= (Rw-Rv) * U0 / (4 * R * (R + Rg))

    Das ist es, was ich an den Ausführungen dann auch nicht verstehe: Die Empfindlichkeit der Anordnung steigt und fällt mit U0. Klar, geht U0 in die Knie, gibt’s auch bei nicht abgeglichener Brücke kaum noch Ausschläge des Galvanometers. Welche Drift soll also einer abnehmenden U0 zugerechnet werden außer einer Drift gegen I=0 – einen Wert, den man aber auch bei voller Batterie und hoher Empfindlichkeit anstreben würde?

    Anders ausgedrückt: Hat man bei voller Batterie erstmal durch Abgleich ein I=0 erreicht, so wird man bei abnehmender Batteriespannung und Rückgang der Empfindlichkeit erst recht I=0 messen – und keine Drift auf einen Wert I!=0.

    Georg, es wäre wirklich schön, wenn ich mehr über die technischen Details erfahren könnte, als alten Bastler und Elektroniker reizen mich solche technischen Grenzen natürlich ungemein. Zusammenfassungen und Kompendien leiden ja immer etwas unter dem dumbing down und dem Unterschlagen der 99% Transpiration, auf der die eigentliche Arbeit ganz wesentlich beruht. Bist Du da bei Deinen Recherchen über eine Quelle gestolpert?

  17. #17 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    Danke Chloro, ich habe das PDF aufgemacht, jetzt ziehe ich mir erstmal Latexgloves und Mundschutz an, bevor ich weiterblättere 🙂

  18. #18 chlorobium
    März 29, 2010

    Ja, man kann selbst noch dem PDF einen Modergerucht entnehmen 😉

  19. #19 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    Chloro, das klingt eher wie eine Konzeptstudie. Also das ‘r’ in der Skizze hat sicher einige Bedeutung, wird aber weiter nicht erwähnt. Georg sprach auch von einer Abgleichmöglichkeit beim letztlich realisierten Instrument. Also ist da noch was unklar. Trotzdem Danke für den Hauch von Goldgräberstimmung und altägyptischen Schätzen.

    Spontaner Verbesserungsvorschlag für die Anordnung: Die beiden Teile der Meßbrücke werden symmetrisch ausgeführt und enthalten zwei ‘echte’ Bolometer und zwei Strahlengänge. Einer wird mit einem starren Prisma/Beugungsgitter, der andere mit dem variablen, zu vermessenden Teil des Spektrums bestrahlt, dh man könnte immer relativ zu einer Referenzgröße messen. Wenn es nun noch gelingt die Position der Bolometer im Strahlengang (durch Rotation) zu wechseln, so daß mal das eine, mal das andere als Referenz bzw. Messung dient, dann ließen sich auch die kriechenden Temperatureffekte (weitgehend) kompensieren, meine ich.

  20. #20 Ebel
    März 29, 2010

    Das Paper von Langley habe ich noch nicht studiert. Von der oben angegebenen Schaltung kann man ansetzen R1 = R2 = R3 = Rx = R. Damit ist auch die Galvanometerspannung = 0. Weiterhin ist I1 = U0/(2R). Die Leistung an Rx ist dann I1²*R oder U0²/(4R). Da nun der Widerstand Rx temperatur- bzw. leistungsabhängig ist, kann über die Speisespannung die Brücke abgeglichen werden. Die Brücke ist immer abgeglichen, wenn Rx eine bestimmte Temperatur hat – wodurch diese Temperatur erreicht wird (ob durch die elektrische Brückenheizung oder absorbierte Strahlung) ist ohne Bedeutung.

    Wenn also bei abgelichener Brücke zusätzliche Strahlung auf Rx fällt, muß die Speisespannung reduziert werden, um die Brücke weiter abgeglichen zu halten. Da bei abgeglichener Brücke Rx den Wert R hat, ist die Leistung an Rx durch U0 gegeben und die absorbierte Leistung ergibt sich durch Änderung von U0.

    MfG

  21. #21 Wolfgang Flamme
    März 29, 2010

    “(…) und die absorbierte Leistung ergibt sich durch Änderung von U0”

    … die man achzehnhundertebbes auf wieviele Mikrovolt genau absolut vermessen konnte?

  22. #22 Karl Mistelberger
    März 29, 2010

    Seit Langley gab es einige Fortschritte auf dem Gebiet der Bolometer:

    Langley konnte Temperaturerhöhungen um 0, 000 01 K nachweisen bzw. auf eine Viertelmeile die Infrarotstrahlung einer Kuh.

    Lummer schaffte 12 Jahre später immerhin schon 0, 000 000 1 K

    Und Ludmila berichtete 120 Jahre später, dass Planck die Wärmestrahlung eines Kaninchens im Abstand des Mondes von der Erde nachweisen könnte.

  23. #23 rolak
    März 29, 2010

    Mensch Flamme, damals waren die Fehlerbalken doch nicht nur deswegen größer, weil die Bleistifte dicker waren…

    ..und wie ich gerade lese, waren sie auch nur größer, nicht aber besonders groß.

  24. #24 Wolfgang Flamme
    März 31, 2010

    Karl,

    ich wüßte mal gerne, wer das wie errechnet hat. Denn die Aussage “Langley konnte Temperaturerhöhungen um 0, 000 01 K nachweisen” impliziert ja irgendwie, daß es Langley gelang, die Temperaturunterschiede der übrigen Anordnung zuverlässig in ähnlicher Größenordnung zu halten, während er den Abgleich durchführte.

  25. #25 Karl Mistelberger
    März 31, 2010

    ich wüßte mal gerne, wer das wie errechnet hat.

    Die Aussage macht Langley selbst an der von chlorobium gefundenen Stelle: http://ia311533.us.archive.org/1/items/bolometerlangley00langrich/bolometerlangley00langrich.pdf

    Goerg hat schon angedeutet, dass er zu Hause kein Bolometer herumliegen hat und so ist seine Beschreibung des Geräts äußerst grenzwertig.

    Der Nachweis so kleiner Temperaturdifferenzen ist nichttrivial, gibt es doch neben der eigentlich nachzuweisenden Strahlung viele Effekte, die eine Differenz in ähnlicher Größenordnung hervorrufen können.

    Will man damit tatsächlich etwas messen ist es unabdingbar, zwei möglichst identische Widerstände herzustellen, die in exakt gleicher Weise an ein Wärmebad (damals wurde Schiefer benutzt) angekoppelt sind. Nur Blogger und deren Leser haben ausreichend Zeit um abzuwarten, bis sich thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Der Physiker will aber viel eher Ergebnisse sehen und veröffentlichen.

    Die technische Herausforderung beschreibt Dieter Hoffmann in: Schwarze Körper im Labor. Experimentelle Vorleistungen für Planck’s Quantenhypothese. Physikalische Blätter 56(2000)12, 43-47.

    Zitat: “Im Langleyschen Bolometer fanden gewöhnliche Platindrähte Verwendung, deren Wärmekapazität aber noch relativ hoch und die zudem nicht immer identisch waren. Gemeinsam mit Ferdinand Kurlbaum entwickelte Lummer 1892 deshalb ein raffiniertes Herstellungsverfahren, das als frühes Beispiel der Mikrostrukturtechnik gelten kann. Die Platindrähte werden dabei zu dünnen Folien gewalzt, und mittels einer Teilmaschine erhielten sie eine mäanderförmige Struktur, sodass bei optimaler Wärmekapazität eine maximale Bestrahlungsfläche und Gleichheit garantiert war.”

  26. #26 Wolfgang Flamme
    April 1, 2010

    Karl,

    jaja, Langley sagt “I believe” und behauptet auch, er habe das überschlagen, das ist mir nicht entgangen. Aber ist das realistisch, hat das mal jemand überprüft oder wurde es einfach nur geglaubt? Das ist die Frage, die mich jetzt mal interessiert.

  27. #27 Wolfgang Flamme
    April 1, 2010

    Platin
    spez. Widerstand: 0,105 Ohm*mm²/m
    spez. Dichte: 21,46 g/cm³
    spez. Wärmekapazität: 0,13 J/g/K
    Temp.-Koeffizient: 3,88e-3/K

    Bolometer
    20 Streifen a …
    Länge: 5,5 mm
    Breite: 0,5 mm
    Dicke: 0,002 …0,004 mm (0,003 mm)
    … in Reihenschaltung

    R =~ 7,7 Ohm
    m =~ 2,4 mg

    Behauptete nachweisbares deltaT: 10 µK
    Rw= ~3e-7 Ohm

    Aus vorigem Posting:
    Ig =~ (Rw-Rv) * U0 / (4 * R * (R + Rg))

    Optimal wäre Rg nahe 0 Ohm
    Ig=~ (Rw-Rv) * U0 / (4 * R²)

    Ig=~ 1,27e-9 S * U0 (für Rg sehr viel kleiner als R)
    Ig=~ 0,63e-9 S * U0 (für Rg =~ R)

    Aber bei einer Spannung U0 von zB 1V beträgt P(R1, R2, R3, Rx) jeweils 30 mW. Das ist eine erhebliche Störgröße; Langleys Eisvergleich führt zB auf nachweisbare Strahlungsleistungen in der Größenordnung von 10 µW. Kann man unter einem potentiellen Störeinfluß, der etwa 3000 mal stärker ist als der nachzuweisende Effekt, diesen noch zweifelsfrei nachweisen? Und selbst wenn, so hätte Langley dafür Ströme von weniger als 1e-9 A nachweisen müssen. Zur Auflösung moderner Galvanometer vgl. :
    http://de.wikipedia.org/wiki/Galvanometer#Praktische_Ausf.C3.BChrungen

    Also das kommt mir doch etwas verdächtig vor. Mag ja sein, daß ich mich in der Eile verrechnet habe – falls jemand einen groben Fehler findet, bitte Laut geben.

  28. #28 Karl Mistelberger
    April 2, 2010

    This is Volume 1 of the Annals of the Astrophysical Observatory of the Smithsonian Institution. The book is the result of research originally due to the discovery, made in 1881 with the newly invented bolometer, of solar heat in spectral region now known as the lower infra-red spectrum.

    Annals of the Astrophysical Observatory of the Smithsonian Institution Volume I

  29. #29 Wolfgang Flamme
    April 3, 2010

    Danke, Karl, das hatte ich gestern auch schon aufgetrieben – leider komme ich nicht an die Illustrationen ran 🙁 Ohne Illustration bin ich mit der sehr detaillierten Aufbaubeschreibung allerdings überfordert.

    Im Vorbeilesen habe ich allerdings was von R=4,4Ohm und Rg=21 Ohm gelesen… also dann doch eher der zweite, unempfindlichere Wert für Ig.

    Interessant wird es auch auf S 63/64 (battery). Langley schreibt, daß ein Strom von 50 mA durch die Brückenwiderstände dort erfahrungsgemäß eine Temperaturerhöhung von 1..2K verursacht. Er gibt weiterhin an, den Gesamtstrom durch Vorwiderstände auf 100mA begrenzt zu haben. Daraus kann man U0=~0,5V ableiten und für eine Temperaturänderung von 10µK (Rw=3e-7Ohm) einen Galvanometerstrom von 0,3..0,4 nA.

  30. #30 Karl Mistelberger
    April 10, 2010

    leider komme ich nicht an die Illustrationen ran

    Das Faszinierende an Langleys Bolometer ist der äußert einfache Aufbau der Apparatur: http://ads.harvard.edu/cgi-bin/bbrowse?book=saoann&part=1&page=43

    Die Tücken manifestierten sich im Alltag: Es war nicht so einfach, das Observatorium auf genau 20 Grad zu halten. Die damals gerade modernen Elektroautos verursachten im Vorbeifahren Störungen, die ziemlich ärgerlich und nur mühsam zu bekämpfen waren usf. … . Auch wenn die eine oder andere Seite mit einer Abbildung schwer zu entziffern ist lohnt sich die Lektüre auf jeden Fall.

  31. #31 Wolfgang Flamme
    April 12, 2010

    Karl, lachen Sie mich jetzt bitte nicht aus, aber seit ich es vor etwa einer Woche mit dem DL probiert habe, hatten die heruntergeladenen TIFF-Dateien allesamt noch exakt 0kB Größe. Und jetzt geht es! … Vielen Dank für den Hinweis.

    Die Frage, der ich nachgehen möchte, ist, ob Langley da nicht damals etwas auf den Putz gehauen hat, was die Empfindlichkeit und Genauigkeit seines Instruments betrifft. Wie kann man sich mit einem angeblich so präzisen und empfindlichen Instrument so gravierend vertun, daß sogar eine Art ‘rußiger Becher voll Wasser’ (siehe Georgs voriger Beitrag der Serie) deutlich bessere Meßergebnisse liefert? Das wäre angesichts der von Georg erwähnten, zahlreichen Vielfachmessungen ja nur dann plausibel, wenn (unbemerkt) ein entsprechend großer systematischer Fehler bei der Apperatur bestanden hätte. Dann aber könnte man den Einzelmessungen erst recht nicht trauen.

    Dazu noch ein höchstempfindliches Galvanometer, was nur etwa 20Ohm Innenwiderstand gehabt haben soll, mit dem sich aber dennoch Ströme <0,5nA zuverlässig hätten auflösen lassen müssen…

    Naja, ich gucke mir die Zeichnungen dann mal an. Aber ehrlich gesagt, an den schädlichen und systematischen Einfluß von Elektrofahrzeugen mag ich spontan auch nicht so recht glauben.

  32. #32 Karl Mistelberger
    April 16, 2010

    Die Frage, der ich nachgehen möchte, ist, ob Langley da nicht damals etwas auf den Putz gehauen hat, was die Empfindlichkeit und Genauigkeit seines Instruments betrifft.

    Hallo Wolfgang, ich bin Physiker und glaube gar nichts. Dennoch scheint mir dein Verdacht ziemlich unbegründet. Möglicherweise bin ich hier im Vorteil, denn ich habe ganz zu Beginn meiner Karriere in 1969 die Erde gewogen: http://webdoc.sub.gwdg.de/univerlag/2004/schaaf.pdf

    Der Versuch war äußerst lehrreich, zumal die Messung mit zwei nominell identischen Gravitationswaagen erfolgte. Ein geeignetes Experiment sagt eben mehr aus als ein Googol von Worten.

    Aber ehrlich gesagt, an den schädlichen und systematischen Einfluß von Elektrofahrzeugen mag ich spontan auch nicht so recht glauben.

    Bevor der LHC gebaut wurde lief im selben Tunnel der LEP: http://cdsweb.cern.ch/record/43323/files/poster-2000-063.pdf?version=1