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Das Photon

* Wer sich jetzt noch für die "Ursuppe", also die Bestandteile des Lichts interessiert wird in diesem Kapitel einige Antworten finden.

Farbkugel In der Physik bezeichnet man mit Photon (Griechisch = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds.
Einfacher ausgedrückt sind Photonen die „Bausteine“ elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie „Lichtteilchen“.
Man muss aber beachten, dass alle bewegten (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen, dies nennt man Welle-Teilchen-Dualismus. Photonen unterscheiden sich von Elementarteilchen jedoch dadurch, dass sie keine(wahrscheinlich) Ruhemasse besitzen. Masse die sich mit Lichtgeschwindigkeit von 299.792 km/sec. bewegt, würde sich in´s Unedliche vergrößern. Die experimentell bestimmte und akzeptierte obere Massenschranke liegt bei etwa 10-47 kg

Deswegen wird die Ruhemasse eines Photons mit gleich Null angenommen.
Diese Tatsache ergibt sich zum einen aus der unendlichen Reichweite der elektromagnetischen Wechselwirkung und zum anderen aus der Lichtgeschwindigkeit, mit der Photonen im Vakuum unterwegs sind, worauf sich die spezielle Relativitätstheorie stützt.

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert.
Das bedeutet, die kleinste Menge an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist
ein Photon
.

Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden.

Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit.
In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit im Vergleich zur Vakuumlichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Spin:
Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken.
Johnstone Stoney Elekrtonenanordnung Das Elektron, das erstmals von George Johnstone Stoney 1891 beobachtet wurde, ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. In den bisher möglichen Experimenten zeigen Elektronen keine innere Struktur und können insofern als punktförmig angenommen werden. Die experimentelle Obergrenze für die Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10h-19 m.
In Atomen und in Ionen bilden Elektronen die Elektronenhülle. Die freie Beweglichkeit einiger der Elektronen in Metallen ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern.

Das plancksche Wirkungsquantum h ist eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik! Sie beträgt: 6,63 x 10h -34Js = 4,136 x 10h -15 eVs und hat demnach die Dimension von Energie mal Zeit, also einer Wirkung oder eines Drehimpulses.
Es tritt bei der Beschreibung von Quantenphänomenen auf, bei denen physikalische Eigenschaften nicht jeden beliebigen kontinuierlichen Wert, sondern nur bestimmte diskrete Werte annehmen können.
Das Planck’sche Wirkungsquantum verbindet Teilchen- und Welleneigenschaften. Es gibt das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Lichtquants an, aber auch das Verhältnis zwischen Masse, Geschwindigkeit und Wellenlänge eines beliebigen, wesentlich unterlichtschnellen, Teilchens.

Max Planck Bohrschen Atommodell(erweitertes Rutherfordsche Modell):

Electron Elektronen bewegen sich auf stabilen Kreisbahnen um den Atomkern.
Anders als es die Theorie der Elektrodynamik vorraussagt, strahlen die Elektronen beim Umlauf um die Kerne keine Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab, d.h. ohne Energieverlust. Je größer der Abstand der Bahnen vom Kern ist, um so größer ist das Energieniveau des Elektrons.
Der Radius der Elektronenbahn ändert sich nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft.

Bei diesem Quantensprung wird elektromagnetische Strahlung abgegeben (oder aufgenommen), deren Frequenz sich aus dem von Max Planck entdeckten Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz von Licht ergibt. Diese Energie wird dabei in Elektronenvolt (eV) angegeben.

Elektronenbahnen sind nur stabil, wenn der Bahndrehimpuls des Elektrons ein ganzzahliges Vielfaches des planckschen Wirkungsquantums ist.


Lumineszenz - Wie entsteht Licht?

Licht emittierende Halbleiter (LED) müssen den der gewünschten Lichtfrequenz entsprechenden Energieabstand, der bei der Rekombination überbrückt wird, haben.
Kurzwelliges Licht (blau oder UV) emittierende LED müssen also eine größere Energielücke bieten. Nach entsprechenden Halbleitern wurde in der Geschichte der LED lange geforscht.
Siehe Kapitel Halbleiter

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