Schule: Licht und Farben

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Vorbereitung

Wir definieren ein paar Kleinigkeiten. Wir brauchen nicht zu verstehen was das eigentlich ist. Es hilft uns weiter unten dass wir ein paar Experimente machen können.

import Fledex.Leds
import Fledex.Color.Names

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Einleitung

Das Thema Licht und Farben ist recht schwierig und sehr kompliziert. Selbst die Wissenschaft hat es noch nicht zu 100% entschlüsselt.

Es kann deshalb nicht innerhalb einer Stunde abgehandelt werden. Wir werden das Thema zwar richtig, aber stark vereinfacht abhandeln und uns vor Allem auf die Teile konzentrieren die für unsere Experimente wichtig sind.

Falls es Fragen gibt werden die aber gerne beantwortet.

Die Grundlagen - Was ist Licht?

Licht ist eine elektromagenetische Welle die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Wir werden diesen beschreibenden Satz in seine verschiedenen Element aufspalten und stellen uns die folgenden Fragen:

• Was ist eine Welle?
• Warum elektromagnetisch? Was ist das eigentlich?
• Und was ist eigentlich die Lichtgeschwindigkeit?

Welle

Wir kennen Wellen von Wasserwellen (wenn man einen Stein ins Wasser wirft) oder Schallwellen (wenn man einen Ton hört). Ihnen gemeinsam ist die Ausbreitung und die Auf- und Abbewegung des Mediums (Wasser oder Luft). Die Anzahl der Auf- und Abbewegungen pro Sekunde nennt man Frequenz (gemessen in Herz Hz) und ist eine Eigenschaft der Welle. Häufig misst man die Abstände zwischen den Bergen und Tälern und nennt sie Wellenlänge (gemessen in Metern m) Es ist erwähnenswert, dass es mehrerer Arten von Wellen gibt, nicht nur die die sich auf- und abbewegen. Das Prinzip ist aber das Gleiche.

Auch Licht kann als Welle beschrieben werden.

elektromagnetisch

Elektromagnetisch wird die Welle genannt weil sie aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern besteht.

Ein Draht, den man zu einer Spule formt und mit Strom speist, produziert ein magnetisches Feld (ein Magnet entsteht). Andererseits fliesst ein Strom in einem Draht wenn man einen Magneten über den Draht bewegt.

Sprich, der Strom kreiert einen Mageneten und der Magnet kreiert einen Strom, der wiederum einen Magneten kreirt, … . Dieses Wechselspiel lässt eine Elektromagnetische Welle entstehen.

Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit die das Licht (im Vakuum) hat, etwa 300 000 km/s (genau 299 792 458 m/s). Es ist eine physikalische Konstante und ändert sich nicht. Das resultiert in oft unerwarteten Effekten.

Wir kennen die Geschwindigkeit ganz genau, weil das Meter (m) als ein Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit definiert ist (seit 2019). Das Meter war bis dahin (seit 1791) so definiert dass der Äquator 40 000 km enspricht.

Grundlagen - Was ist das sichtbare Licht?

Als Licht wird die elektromagnetische Strahlung der Sonne bezeichnet, aber wir Menschen konnen nicht den gesamten Bereich sehen, sonder nur den bereich zwischen etwa 380 nm und 750 nm. Wellenlängen ausserhalb dieses Bereiches sind für uns nicht sichtbar, aber manche Tiere können sie wahrnehmen. Diese Bereiche nennen wir Ultraviolett und Infrarot:

Projektion einiger Farben und derer Spektralbereiche in den RGB Farbraum. (Wikipedia)

Farbname	Wellenlänge	Frequenz
violett	380–400 nm	749–789 THz
400–425 nm	705–749 THz
indigo	425–450 nm	666–705 THz
blau	450–460 nm	652–666 THz
460–465 nm	645–652 THz
465–470 nm	638–645 THz
470–475 nm	631–638 THz
türkis	475–485 nm	618–631 THz
485–500 nm	600–618 THz
grün	500–520 nm	577–600 THz
520–540 nm	555–577 THz
540–550 nm	545–555 THz
550–560 nm	535–545 THz
gelb	560–565 nm	531–535 THz
565–570 nm	526–531 THz
570–575 nm	521–526 THz
575–580 nm	517–521 THz
orange	580–590 nm	508–517 THz
590–595 nm	504–508 THz
595–600 nm	500–504 THz
rot	600–605 nm	496–500 THz
605–610 nm	491–496 THz
610–615 nm	487–491 THz
615–620 nm	484–487 THz
620–780 nm	384–484 THz

Anmerkungen:

• Ein Nanometer (1 nm) entspricht einem milliardstel Meter (0,000 000 001 m)
• Ein Teraherz (1 THz) entspricht einer Trillion Herz (1 000 000 000 000 Hz) oder Schwingungen pro Sekunde.

Grundlagen - Wie nehmen wir Licht war?

Natürlich nehmen wir Licht mit unseren Augen war, aber was passiert im Auge? Für’s “Farbsehen” braucht man mindestens 2 verschieden Rezeptoren die bei unterschiedlichen Wellenlängen auf das einfallende Licht reagieren.

Das menschliche Auge besteht (vereinfacht) aus sogenannten Stäbchen und Zäpfchen:

• Die Stäbchen sind sehr breitbandig und für das Nachtsehen verantwortlich (sie sind sehr empfindlich, können aber keine Farbe sehen).
• Die Zäpfchen gibt es in 3 Typen die auf unterschiedliche Wellenlängen ansprechen (L = rot, M = grün und S = blau). Sie erlauben unserem Gehirn das Farbsehen.

Hier die Empfindlichkeit der Stäbchen und Zäpfchen:

Der Mensch kann aber nicht nur die Regenbogenfarben (monochromatisches Licht) sehen, sondern auch Mischfarben. Magenta ist z.B. nicht im Regenbogen zu finden da es eine Mischfarbe aus Rot und Blau ist, die im Regenbogen nicht dicht beieinander liegen. Gelb ist auch eine Mischfarbe, allerdings von Rot und Grün welche nebeneinander liegen, weshalb man Gelb im Regenbogen sieht.

Farbmischung

Man unterscheidet von 2 Arten der Farbmischung: die additive und die subtraktive Farbmischung. Die Art hängt von der Farbmischung wie Lichtfarben (Wellenlängen) herausgefiltert (subtraktiv) oder kombiniert (additiv) werden.

Subtraktive Farbmischung

Wenn Licht auf ein Blatt Papier fällt wird das (weisse) Licht reflektiert. Wenn wir mit einem roten Stift eine Linie malen dann erscheint die Linie rot weil nur die Farbe reflektiert wird und alle anderen Farbanteile herausgefiltert werden. Malen wir jetzt mit einem Blauen Stift auf die Rote Linie, dann wird die Linie schwarz sein, da der Rote Stift alle Farbanteile ausser dem Roten absorbiert under der Blaue Stift alle Farbanteile ausser dem Blauen. Im Endeffekt bleibt kein Farbantail mehr übrig. Damit sieht es schwarz aus.

Das ist die subtraktive Farbmischung (wir fangen mit Weiss an und ziehen davon Farben ab).

Additive Farbmischung

Wenn wir eine rote Lampe haben dann wird nur das Licht mit der roten Wellenlänge ausgesendet. Wenn wir jetzt auch noch eine blaue Lampe haben und sie an auf die Rote legen (Ich weiss, das ist etwas schwierig, aber wenn man weit genug weg ist, reicht es wenn die Lampen dicht genug beieinander sind), dann werden sowohl die roten als auch die blauen Wellenlängen ausgesendet. Die zwei Farben mischen sich. Wenn man dann auch noch eine grüne Lampe hinzufügt, dann sieht es etwa wie folgt aus.

Das ist die additive Farbmischung (wir fangen mit Schwarz an und legen Farben drauf).

> [!NOTE] > Mit unserer Lichterkette wenden wir nur die additive Farbmischung an

Los geht’s!

In unserer Lichterkette haben wir 3 Grundfarben: Rot, Grün und Blau. Jede dieser Grundfarben kann eine Intensität von 0-255 annehmen das ergibt insgesamt $256^3 = 256 \times 256 \times 256 = 16 777 216 \approx 16,7$ Millionen Farben.

Wir können das gleich mal ausprobieren. Klicke dafür in jedem Code-Block auf Evaluate und das Ergenis erscheint darunter.

Wir definieren zuerst mal eine Sequenz bestehend aus 5 LEDs. Alle haben keine Farbe (schwarz).

leds(5)

Jetzt definieren wir die ersten 3 LEDs als rot (red), grün (green) und blau (blue)

leds(5) |> red() |> green() |> blue()

Wir können die Farben auch mit unseren 3 Grundfarben {r, g, b} und ihren Intensitäten (von 0 - 255) angeben. Bei Rot haben wir nur einen roten Anteil, die anderen Farben leuchten nicht. Wir definieren also: rot = {255, 0, 0}. Die anderen Farben werden entsprechend definiert: grün = {0, 255, 0}, blau = {0, 0, 255}.

leds(5) |> light({255, 0, 0}) |> light({0, 255, 0}) |> light({0, 0, 255})

Das erlaubt uns jetzt auch beliebige Mischfarben zu definieren indem wir die Intensitäten der 3 Grundfarben angeben. Unser Magenta kann also definiert werden als Mischung aus rot und blau {255, 0, 255}.

leds(5) |> light({255, 0, 0}) |> light({0, 255, 0}) |> light({0, 0, 255}) |> light({255, 0, 255})

Experimentiere!

So, jetzt bist du dran mit den Farben zu spielen. Welche interesanten Mischfarben kannst du entdecken?