Hi,
mir ist gerade die Idee gekommen, mal die Lichtgeschwindigkeit zu Hause
zu messen. Wenn man die Signale mit ca. 200 MHz samplen kann, braucht
man ja nur ein paar Meter (theoretisch ca. 6, praktisch vielleicht
30-100) um Unterschiede zu erkennen.
Allerdings hab ich bei meiner Suche nach passenden Photodioden keine
gefunden die schnell genug sind.
Die OPT101, OPT301 und BPW21 haben alle Reaktionszeiten im
Mikrosekundenbereich (wenn ich die Datenblätter richtig lese) und
Photomultiplier erscheinen mir recht aufwendig.
Mir geht es nur darum eine logische 1 oder 0 zu erkennen, nicht um die
Intensität.
Hat dazu vielleicht jemand Vorschläge?
Ciao,
VA
Daniel H. schrieb:> Ich nehm dazu immer eine Stoppuhr und messe wie lange es nach Betätigen> des Lichtschalters dauert bis das Licht angeht.
Selten so gelacht ;)
Marvin B. schrieb:> Was stellst du dir für einen Versuchsaufbau vor ? grübel
Mir geht es weniger darum die Geschwindigkeit genau zu bestimmen,
sondern eher darum zu sehen, dass sie nicht unendlich ist.
Der Gedanke war eine gut fokusierte und gebündelte Lichtquelle zu haben,
die dann über ein paar Spiegel reflektiert wird:
Lichtquelle o------------------->| Spiegel
Sensor + Spiegel x<-------------------|
------------------>|
Sensor + Spiegel x<-------------------|
------------------>|
Sensor + Spiegel x<-------------------|
Der Abstand zwischen den beiden Seiten sollte ca. 7 Meter sein, was zu
42m Gesamtabstand führen würde und immerhin zu 140 ns Verzögerung führen
würde. Zwischen den jeweiligen Sensoren gäbe es eine Verzögerung von ca.
45 ns.
Die Sensoren sollten dann mit 200 - 300 MHz abgetastet werden, damit
sollten 45 ns zwar nicht groß herausstechen, aber immerhin noch sichtbar
sein.
Da es ja einige Möglichkeiten für Verzögerungen gibt (insbesondere beim
Anstellen des Lichtes) interessiert mich vor allem, ob ich eine
konstante und messbare Verzögerung zwischen den einzelnen Sensoren sehen
könnte.
Mir ist schon klar, dass ich mit vielen Ungenauigkeiten zu tun habe, und
das der letzte Sensor erheblich weniger Licht abkriegt, als der erste.
Aber ohne zu wissen, was für Sensoren das sind, kann ich schlecht
abschätzen, ob das funktionieren würde.
Verwirrter Anfänger schrieb:> Der Abstand zwischen den beiden Seiten sollte ca. 7 Meter sein, was zu> 42m Gesamtabstand führen würde und immerhin zu 140 ns Verzögerung führen> würde. Zwischen den jeweiligen Sensoren gäbe es eine Verzögerung von ca.> 45 ns.
Kann ich nicht rechnen oder hast du dich geirrt? Ich komme auf 140
PICOsekunden bei v=300.000km/s.
http://www.google.de/search?q=%2842%2F300000*10^3%29*1^9&btnG=Suche&hl=de
1234 schrieb:> Kann ich nicht rechnen oder hast du dich geirrt? Ich komme auf 140> PICOsekunden bei v=300.000km/s.
Ich muss zugeben, dass ich mir die Lichtgeschwindigkeit nie gut merken
konnte (vergess immer ob ich mir die in m/S oder km/s merke).
Deshalb hab ich einfach mal Wolfram Alpha benutzt:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=42m+%2F+speed+of+light+in+ns
Falls das natürlich nicht stimmt, nehm ich alles zurück, stelle mich in
die Ecke und fang an mich zu schämen ;)
Hier ist eine schnelle Photodiode.
http://de.farnell.com/hamamatsu/s5973/photodiode-760nm-1ghz/dp/1495575
Als Verstärker würde ich den LT6230-10 nehmen
http://de.farnell.com/linear-technology/lt6230cs6-10-trmpbf/op-amp-1-45ghz-uln-sot23-6/dp/1663846
(siehe Datenblatt letzte Seite). Hab damit selbst einen sehr schnellen
Photoverstärker aufgebaut. Er ist sehr einfach zu beschalten und Du
kannst alles auch auf Lochraster aufbauen.
Hier mein Aufbau:
http://sebulli.com/BlackBoard/bbforum/lochraster_smd.jpg
ganz links ist die erste Stufe. Ich hab anstatt den 200V "nur" 18V
genommen.
Anstatt der schnellen Photodiode habe ich 5 "langsame" BPW34 parallel.
Bandbreite ist bei 10k Verstärkung und 0.5pF Parallelkapazität ca.
20MHz.
Der Verstärker braucht keine -5V. Dann muss man den + Eingang aber auf
2.5V legen.
Tipp 1:
Wenn Du mit schnellen Verstärkern arbeitest:
Schalte immer einen 100R Widerstand nach, sonst reicht oft die
kapazitive Belastung des Tastkopfes, und der Verstärker schwingt.
Tipp 2:
Ich habe den Parallelkondensator mit ca. 1pF so gebaut:
Schnelle Lichtquelle.
2 Kuperlackdrähtchen verzwirbelt. Ca. 1cm lang. Diese haben dann
gegeneinander eine Kapazität von wenigen pF. Jetzt einfach abwzicken,
bis die Flanken ideal schnell sind, aber noch nichts überschwingt.
Bauteile bekommt man privat über www.hbe-shop.de/
Die einfachste Möglichkeit, um das zu erreichen was du willst, ist ein
Versuchsaufbau mit Laserdiode, Zahnrad und Spiegel.
Den Laserstrahl schickst du so zwischen den Zähnen des Zahnrads durch,
dass er bei Stillstand desselben nach der Reflexion am Spiegel genau auf
den Zahn neben der Lücke fällt, so dass du hinter dem Zahnrad nichts
siehst. Und nun lässt du das Zahnrad rotieren. Ab einer bestimmtem
Drehzahl wird der Lichtstrahl hinter dem Zahnrad wieder sichtbar. Aus
der Drehzahl und den Abmessungen kannst du die Lichtgeschwindigkeit
berechnen.
... schrieb:> Aus> der Drehzahl und den Abmessungen kannst du die Lichtgeschwindigkeit> berechnen.
Hallo,
Das ist bei weitem nicht so einfach, rechne mal nach. Richtig ist, dass
die bisherigen Ratschläge für einen schnellen Empfänger wohl nützlich
sind, aber das Problem nicht lösen, denn wesentlich schwieriger ist eine
entsprechend schnell schaltende Lichtquelle (dafür die Schreibtischlampe
einzuschalten ist völlig hoffnungslos - womöglich ist eine
Sparausführung drin, die 1 min braucht um hell zu werden).
Überschlagsrechnung zu deinem Vorschlag: nimm mal 3000 U/min und ein
Zahnrad mit 100 Zähnen, dann ist die "Zahnfrequenz" 5 kHz, und damit die
Zeitdauer von Zahn zu Lücke 100000 ns. Nach der Faustformel 1ns = 30 cm
sind das 30 km, du hättest also entweder einen Aufbau von 15 km Länge
oder du müsstest bei nur 15 m die Drehzahl auf 3 Mio U/min erhöhen oder
du nimmst ein Zahnrad mit 100000 Zähnen...
Bitte nachrechnen, ich kann mich ja auch vertun.
Gruss Reinhard
Ein schnell schaltende Lichtquelle ist nicht so schwer, da wüsste ich 2
Möglichkeiten:
1) eine Funkenentladung relativ dicht am Kondensator, bis hin zu einem
Aufbau so ähnlich wie die selbstbau Stickstofflaser.
2) Eine blaue LED zum entladen eine relativ kleinen Kondensators, der
mit z.B. 500 V geladen ist. Für das Einschalten braucht man ggf. relativ
schnelle Transistoren, mit viel Basisstrom, das Ausschalten geht einfach
über den Kondensator. Angeblich sind ein paar Russen damit auf unter 1
ps Zeit für den Blitz gekommen, mit einer kommerziellen LED.
Das Problem ist nur das Licht auch zu focusieren. Eine Laserdiode würde
auch schnell ansprechen, ist aber nicht leicht so schnell anzusteuern
ohne Gefahr zu laufen sie zu zerstören. Ich würde die Version mit der
LED vorziehen, und mit einer recht großen Linse / ggf. auch mit einem
Kosmetikspiegel fokussieren.
Um die Zeit im ns Bereich aufzulösen muss man nicht mal eine so schnelle
Fotodiode haben. Man kann auch eine 100 ns Flanke noch bis etwa 1 ns
Auflösen, wenn man nicht zu viel Rauschen hat. Die Messung macht man
wohl eher mit 2 Abständen, einmal mit wenig Abstand und ggf. Refelxion
an so etwas wie einer Glasscheibe um die Intensität zu reduzieren, und
dann noch mal mit viel Entfernung über einen Spiegel.
So kurz sind die Zeiten nun auch wieder nicht: für 1 m bekommt man rund
3.3 ns.
Als Photodiode würde ich z.B. die BPW24 vorschlagen. Die Ansprechzeit
ist mit 7 ns bei 850 nm angegeben, wird mit kürzerer Wellenlänge aber
eher kürzer. Das Problem ist da eher der Verstärker.
1234 schrieb:> Verwirrter Anfänger schrieb:>> Der Abstand zwischen den beiden Seiten sollte ca. 7 Meter sein, was zu>> 42m Gesamtabstand führen würde und immerhin zu 140 ns Verzögerung führen>> würde. Zwischen den jeweiligen Sensoren gäbe es eine Verzögerung von ca.>> 45 ns.>> Kann ich nicht rechnen oder hast du dich geirrt? Ich komme auf 140> PICOsekunden bei v=300.000km/s.> http://www.google.de/search?q=%2842%2F300000*10^3%29*1^9&btnG=Suche&hl=de
Bei uns alten Säcken mit der Steinzeit der PC-Technik (IBM PC, Apple II)
gab es eine Konstante: 1ns=30cm
Seht Euch die Dimensionen heutiger Mobos an und ihr wißt, warum da mal
Schlangenlinien in den Leiterbahnen sind (wegen der Signallaufzeit).
Die alten CARY-Sitzmöbel hatten auch so eine Vorgabe mit einer maximalen
Strippenlänge von 1,xxm wegen der Signallaufzeit. TTL-Gatter hatten
früher so einige ns Laufzeiten ;-)
Pico-Sekunden kamen nicht vor.
@Reinhard
Du hast recht. Das mit dem Zahnrad ist nicht so einfach wie es sich im
ersten Moment anhört. Ich hab mal überschlagsweise mit einem Zahnrad mit
200 Zähnen und 20000 U/min gerechnet. (Bei deinen Werten komme ich auf
die gleichen Ergebnisse wie du.) Ich komme da auf etwas über 1km Abstand
zum Spiegel. Mit mehreren Umlenkspiegeln könnte man zwar die Abmaße des
Aufbaus verringern, aber trivial ist das ausrichten der Spiegel nicht.
Ich hab genau den angesprochenen Versuch schonmal funktionsfähig
gesehen.
Es wird keine schnellschaltende Lichtquelle benötigt!
Teile einfach den Primärstrahl einer Laserdiode in zwei Strahlen auf
(Strahtteiler aus glasplättchen wie in der Mikroskopie). Der erste ist
dein Referenzstrahl der auf eine Photodiode geht und der zweite legt
eine lange Strecke zurück (bei mir waren es eher so 60m). Wenn du die
Laserdiode ausschaltest kannst du mit einem Oszilloskop leicht
feststellen, mit welchem zeitlichen Abstand die Signale auf 0 abgefallen
sind.
Was du brauchst ist also ein schnelles Oszi und die richtige Photodiode.
Welche in dem mir bekannten Versuchsaufbau verwendet wurde, weiß ich
leider nicht. Bei mir wäre die Signalverzögerung etwa 0,2µs.
Leichter als die Messung mit optischen Bauelementen ist die Messung der
Lichtgeschwindigkeit in Kabeln zu realisieren. Das Einfachste ist die
TDR-Messung.
Für die Messung brauchst du einen Pulsgenerator, ein Oszi, ein kurzes
und ein langes Koaxialkabel. Das Ausgangssignal des PG teilst du am
Ausgang mit einem T-Stück in ein Signal, dass zum Oszi (50Ω-Eingang)
geht und eins, dass in das lange Koaxkabel läuft. Auf dem Oszi siehst du
dann den eingespeisten Puls und den am Ende des langen Kabels
reflektierten Puls.
Verwirrter Anfänger schrieb:> Hi,> mir ist gerade die Idee gekommen, mal die Lichtgeschwindigkeit zu Hause> zu messen.
Gut, aber vergiss nicht, die Luft aus Deinem Zimmer zu pumpen, da
die Lichtgeschwindigkeit in Luft geringer als im Vaccuum ist. :-)
(siehe edlen formel)
Gruss
Harald
Bau doch einfach mit einem langsameren Empfänger und Sender einen
Ringoszillator "über alles", und füge noch weitere (elektrische)
Verzögerung in den Ring ein um die Frequenz niedriger zu bekommen. Dann
misst Du mit dem Frequenzzähler bei unterschiedlichen Abständen und
rechnest die Differenz entsprechend aus.
Oder einfach irgendein Signal von ein paar MHz auf den Sender modulieren
und die Phasenverschiebung am Empfänger mit dem Oszilloskop messen, auch
hier wieder mit zwei Strecken arbeiten und Differenz ausrechnen.
> Für die Messung brauchst du einen Pulsgenerator, ein Oszi, ein kurzes> und ein langes Koaxialkabel
Nicht unbedingt,
ein einfacher PC reicht, mit GigabitEthernet.
Durch passende Software, hier von Marvell,
kann man sich die Länge des eingestckten aber abgeschnittenen
Ethernet-Kabels zentimetergenau anzeigen lassen,
schliesslich enthält die Schnittstelle als was für TDR notwendig ist.
Ist als Kabelbruchpositionshilfe gedacht.
Reinhard Kern schrieb:> Bitte nachrechnen, ich kann mich ja auch vertun.
Du vertust Dich.
Das Experiment zur Lichtgeschwindigkeit ist seit Jahrzehnten
Standardstoff der Physikklasse in der gymnasialen Oberstufe.
Und es findet im Klassenraum mit max. 12m Länge statt .-))
Verwirrter Anfänger schrieb:> Mir geht es weniger darum die Geschwindigkeit genau zu bestimmen,> sondern eher darum zu sehen, dass sie nicht unendlich ist.
Dafür könntest du dir auch einfach einen Laser-Entfernungsmesser
kaufen: funktioniert er, ist die Lichtgeschwindigkeit endlich. ;-)
Jörg Wunsch schrieb:> Verwirrter Anfänger schrieb:>> Mir geht es weniger darum die Geschwindigkeit genau zu bestimmen,>> sondern eher darum zu sehen, dass sie nicht unendlich ist.>> Dafür könntest du dir auch einfach einen Laser-Entfernungsmesser> kaufen: funktioniert er, ist die Lichtgeschwindigkeit endlich. ;-)
Wenn sich der Thread so weiterentwickelt, sind wir bald an dem Punkt:
das die Schallgeschwindigkeit höher ist als die Lichtgeschwindigkeit.
So wie man das mit jedem Röhren-TV zu Hause nachweisen kann.
scnr.
>Dafür könntest du dir auch einfach einen Laser-Entfernungsmesser>kaufen: funktioniert er, ist die Lichtgeschwindigkeit endlich. ;-)
Dann kann man auch dieses Wellenlägenmessgerät kaufen. Funktioniert es,
ist die Lichtgeschwindigkeit auch engdlich.
http://www.aaronia-shop.com/produkte/hf-wellenlaengenmessgeraet.html
> Dafür könntest du dir auch einfach einen Laser-Entfernungsmesser> kaufen: funktioniert er, ist die Lichtgeschwindigkeit endlich. ;-)
Die arbeiten aber anders, nicht mit TDR sondern Modulation.
Wieso nutzt ihr nicht die Phasenverschiebung?
Einfach den Lichtstrahl modulieren und dann die Phasen von
Modulationssignal
und Photospannung vergleichen ....
MaWin schrieb:> Die arbeiten aber anders, nicht mit TDR sondern Modulation.
Funktioniert aber letztlich doch alles nur, weil die Lichtgeschwindig-
keit endlich ist.
@ Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
>Funktioniert aber letztlich doch alles nur, weil die Lichtgeschwindig->keit endlich ist.
Was ist schon unendlich?
"Es gibt zwei Dinge, die unendlich sind. Das Universum und die Dummheit
der Menschen. Beim ersten bin ich mir aber nicht ganz sicher."
A. Einstein
holger schrieb:>>mir ist gerade die Idee gekommen, mal die Lichtgeschwindigkeit zu Hause>>zu messen.>> Buhahahahahhahhhahhhahhha
Buahahahaha zurück, der TS hat recht, das ist zu Hause möglich,
allerdings nicht so, wie er sich das vorstellt.
Wir haben das in der 12. Klasse im Physikunterricht gemacht.
Man kann auch mit einem Laserpointer auf eine CD leuchten. Wenn die
Lichtgeschwindigkeit endlich ist, tritt Interferenz auf und zusammen mit
Beugung entsteht ein Gitterspektrum, bei dem die Lichtgeschwindigkeit
direkt aus der Ablenkung abgelesen werden kann.
Ich hab jetzt nicht alles gelesen, aber mein Vorschlag wäre die C
mithilfe der Frequenz zu ermitteln:
1.) uC schaltet Laser ein
2.) Laserstrahl trifft auf Photodiode
3.) uC schaltet Laser ab
4.) Laserstrahl verlöscht an Photodiode
5.) goto 1
Nun kann man das "Togglen" des Lasers als Frequenz messen, und somit
auch den Abstand gleich mitmessen. Falls man den Abstand kennt, kann man
nun auf die Geschwindigkeit kommen.
Wenn man beides hat, so kann man die Laufzeit der Signale in der
Schaltung ermitteln.
Andrew Taylor schrieb:>> Bitte nachrechnen, ich kann mich ja auch vertun.>> Du vertust Dich.
Zeig bitte genau auf, welcher meiner Rechenschritte falsch ist.
Gruss Reinhard
Die Idee mit dem den Laufzeitoszillator ist schon gut, um eine
hochauflösende Zeitmessung zu erreichen. Andere Elektronische
Laufzeiten sollte man aber vermeiden, die können nur driften. Wenn es
sein muss lieber ein Koaxkabel, das driftet recht wenig.
Einen kleinen Haken hat die Sache aber noch: man sollte aber schon
aufpassen, dass sie Intensität an der Photodiode sich nicht wesentlich
ändert, denn eine Variable Amplitude kann ein Variable Laufzeit
verursachen, wenn da was nicht ganz linear ist.
Alex W. schrieb:> Nun kann man das "Togglen" des Lasers als Frequenz messen, und somit> auch den Abstand gleich mitmessen.
Nur so interessehalber: Welche µC-Taktfrequenz gedenkst du für das
Verfahren zu verwenden? Bei 20 MHz würde das Licht immerhin 15 Meter pro
Taktzyklus zurücklegen.
Die Steuerung der LD durch die PD müßte schon direkt passieren, ohne das
der µC die Flanken mit dem Oszillatortakt synchronisiert.
Wolfgang schrieb:> Bei 20 MHz würde das Licht immerhin 15 Meter pro> Taktzyklus zurücklegen.
Also 7,5 m mit einem Spiegel. Das ist doch schon eine Relation,
die man zu Hause beherrschen kann.
Oder halt mit einem CPLD oder sowas mit entsprechend höherer Taktrate
sampeln.
Also was die ursprüngliche Frage nach schnellen Photodioden angeht, es
gibt recht schnelle Avalanche-Photo-Dioden, die sich im "Geiger-Modus"
betreiben ließen. Leider sind die jedoch teilweise extrem teuer (meist
einige hundert bis mehrere tausend Euro, je nach Ausführung) und möchten
zudem auch noch "intensiv" gekühlt werden.
Doch im Grunde sollte das sein, wonach Du ursprünglich suchtest, da
Avalanche-Photodioden je nach Betriebsart kaum Ansprechzeit aufweisen
können.
"Normale Photodioden" sind wegen ihrer Eigenträgheit beim Ansprechen auf
ein Lichtsignal für eine derartige Messung, wie die von dir geplante,
ehr ungeeignet; es besteht sonst die Gefahr, daß Du nicht die
Geschwindigkeit des Lichtes, sondern vielmehr die Ansprechzeit der
Photodiode misst!
Avalanche-Photodioden hingegen können je nach Betriebsart und
Empfindlichkeit auch schon beim Eintreffen eines einzelnen Photons
"losgehen" (Lawineneffekt).
(siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Avalanche-Photodiode )
Mit besten Grüßen aus Berlin, Armin.
Verwirrter Anfänger schrieb:> 1234 schrieb:>> Kann ich nicht rechnen oder hast du dich geirrt? Ich komme auf 140>> PICOsekunden bei v=300.000km/s.>> Ich muss zugeben, dass ich mir die Lichtgeschwindigkeit nie gut merken> konnte (vergess immer ob ich mir die in m/S oder km/s merke).
Ist aber eigentlich ganz einfach.
Du merkst dir die 300 tausend.
Wenn das m/s wären, dann wären das 300 KILO-Meter in einer Sekunde.
Und das ist ein wenig arg wenig. Dann wäre ein Lichtstrahl von der Erde
zum Mond und zurück rund 1000 Sekunden oder knapp eine Viertel Stunde
unterwegs. Und das wäre bei der Mondlandung dann doch fatal gewesen.
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