Bildquellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Peter_Debye und https://www.eduspb.com/node/3335
Im Jahre 1932 wurde von Peter Debye und Francis Sears erstmals gezeigt, dass Licht beim Durchgang durch eine zu hochfrequenten Schwingungen angeregte Flüssigkeit eine Beugung erfährt. Die Dichtemaxima und –minima einer stehenden Welle wirken dabei wie die Gitterelemente eines optischen Beugungsgitters. Der Abstand dieser Elemente entspricht dann der Wellenlänge des Ultraschalls und hängt damit von dessen Frequenz und der Schallgeschwindigkeit des durchschallten Mediums ab.
Der Debye-Sears-Effekt dient der genauen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit c im Medium. Für diese gilt:
Als günstige Ultraschallquelle kommt bei mir ein Ultraschallvernebler zum Einsatz. Diesen konnte ich günstig gebraucht erwerben.
Seine Frequenz beträgt 1.7 MHz. Damit lässt sich der Abstand der Beugungsmaxima abschätzen. Bei einem Schirmabstand von s = 6 m beträgt dieser lediglich 3.66 mm. Daran erkennt man, dass man einen möglichst großen Abstand Schirm-Ultraschallgitter benötigt.
Der Ultraschallvernebler ist heute angekommen und ich konnte einen ersten Versuch starten.
Den Aufbau habe ich noch ein wenig geändert. Nun zeigt der Nebler nach unten und wird mittels Magnete an seinem Platz gehalten.
Da die Beugungswinkel nur sehr gering sind, benötigt man wie schon gesagt eine relativ große Distanz zwischen Nebler und Schirm. In meinem Fall waren es s = 902 cm. Um auf diesen Wert zu kommen wird der Laserstrahl an der Balkontüre reflektiert. Dazu habe ich einen Oberflächenspiegel aufs Fensterglas geklebt.
Wenn man nun den Vernebler einschaltet erkennt man tatsächlich horizontale Streifen. Der Abstand von 10 Minima (n = 10) beträgt auf dem ausgewerteten Bild genau 160 Pixel. Für n = 1 folgen daraus dann 16 Pixel. Die Strecke von 50 mm umfasst im Bild 144 Pixel, das macht dann 0.3472 mm/Pixel. Bei 16 Pixel komme ich daher auf eine Strecke y = 5.56 mm. Setzt man dies in die Formel für die Schallgeschwindigkeit ein, erhalte ich cWasser = 1470 m/s.
Der Referenzwert beträgt laut Wikipedia 1484 m/s. Na da liege ich ja ganz schön knapp daneben, voila 😉
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit
Eine kurze aber wichtige Anmerkung: Beim Kundtschen Rohr besitzen die Flammen durch die stehende Welle alle λ/2 ein Maximum. Der Druckverlauf besitzt aber eigentlich nur alle λ ein Maximum und nach einer halben Periode τ/2 ist an jenem Ort, wo noch kurz zuvor ein Druckmaximum war nun ein Druckminimum. Druckmaximum und -minimum wechseln sich also alle λ/2 bzw. τ/2 sehr schnell ab. Durch die Trägheit der Flammen besitzen diese aber alle λ/2 ein Maximum!
Beim Debye-Sears-Effekt ist dies anders. Hier besitzt der Druckverlauf auch alle λ ein Maximum. Das Licht ist aber bildlich gesprochen nicht träge und so kommt es zu einem Beugungsgitter im Wasser mit der Gitterkonstante d = λ und nicht mit d = λ/2!
Das Youtube-Video liefere ich natürlich noch nach…
