Радиометр крукса для чего
Причина вращения была причиной многих научных дебатов в течение десяти лет после изобретения устройства, но в 1879 году было опубликовано принятое в настоящее время объяснение вращения. Сегодня устройство в основном используется в физическом образовании как демонстрация теплового двигателя, работающего на световой энергии.
Он был изобретен в 1873 году химиком сэром Уильямом Круксом как побочный продукт некоторых химических исследований. В ходе очень точной количественной химической работы он взвешивал образцы в частично откачанной камере, чтобы уменьшить влияние воздушных потоков, и заметил, что результаты взвешивания нарушались, когда на весы попадал солнечный свет. Исследуя этот эффект, он создал устройство, названное его именем.
Его до сих пор производят и продают в качестве учебного пособия или любопытства.
СОДЕРЖАНИЕ
Общее описание
Охлаждение радиометра вызывает вращение в обратном направлении.
Наблюдения за эффектами
Эффект начинает наблюдаться при парциальном давлении вакуума в несколько сотен паскаль (или несколько торр ), достигает пика примерно при 1 паскаль ( 7,5 × 10 −3 Торр ) и исчезнет к тому времени, когда вакуум достигнет 10 −4 паскаль ( 7,5 × 10 −7 Торр ) ( см. Пояснения примечание 1 ). В этих очень высоких вакуумах влияние давления фотонного излучения на лопатки можно наблюдать в очень чувствительных приборах (см. Радиометр Николса ), но этого недостаточно, чтобы вызвать вращение.
Происхождение названия
Термодинамическое объяснение
Движение с поглощением черного тела
Когда источник лучистой энергии направлен на радиометр Крукса, радиометр становится тепловым двигателем. Работа теплового двигателя основана на разнице температур, которая преобразуется в механическую мощность. В этом случае черная сторона лопасти становится более горячей, чем другая сторона, поскольку лучистая энергия от источника света нагревает черную сторону за счет поглощения черным телом быстрее, чем серебряная или белая сторона. Молекулы внутреннего воздуха нагреваются, когда они касаются черной стороны лопасти. На более теплую сторону лопатки действует сила, которая перемещает ее вперед.
Внутренняя температура повышается, поскольку черные лопасти передают тепло молекулам воздуха, но молекулы снова охлаждаются, когда они касаются стеклянной поверхности колбы, которая имеет температуру окружающей среды. Эта потеря тепла через стекло поддерживает постоянную температуру внутренней колбы, в результате чего на двух сторонах лопаток возникает разница температур. Белая или серебристая сторона лопастей немного теплее, чем температура внутреннего воздуха, но холоднее, чем черная сторона, так как некоторое количество тепла проходит через лопатку с черной стороны. Две стороны каждой лопасти должны быть в некоторой степени теплоизолированы, чтобы полированная или белая сторона не сразу достигла температуры черной стороны. Если лопатки металлические, то изоляция может быть черной или белой краской. Стекло остается намного ближе к температуре окружающей среды, чем температура, достигаемая черной стороной лопастей. Наружный воздух помогает отводить тепло от стекла.
Давление воздуха внутри колбы должно обеспечивать баланс между слишком низким и слишком высоким. Сильный вакуум внутри колбы не допускает движения, потому что не хватает молекул воздуха, чтобы вызвать воздушные потоки, которые продвигают лопатки и передают тепло наружу, прежде чем обе стороны каждой лопасти достигнут теплового равновесия за счет теплопроводности через материал лопасти. Высокое внутреннее давление препятствует движению, потому что разницы температур недостаточно, чтобы протолкнуть лопасти через более высокую концентрацию воздуха: слишком большое сопротивление воздуха для возникновения «вихревых токов», и любое небольшое движение воздуха, вызванное разницей температур, демпфируется более высокое давление до того, как токи смогут «обернуться» на другую сторону.
Движение с излучением черного тела
Когда радиометр нагревается в отсутствие источника света, он поворачивается в прямом направлении (т. Е. Черными сторонами сзади). Если руки человека обнять стекло, не касаясь его, лопатки повернутся медленно или не повернутся совсем, но если прикоснуться к стеклу, чтобы быстро нагреть его, они повернутся более заметно. Стекло с прямым нагревом излучает достаточно инфракрасного излучения, чтобы повернуть лопасти, но стекло блокирует большую часть дальнего инфракрасного излучения от источника тепла, не контактирующего с ним. Однако ближний инфракрасный и видимый свет легче проникает через стекло.
Если стекло быстро охладить в отсутствие сильного источника света, приложив лед к стеклу или поместив его в морозильную камеру с почти закрытой дверцей, оно повернется назад (т. Е. Серебряные стороны тянутся). Это демонстрирует излучение черного тела с черных сторон лопаток, а не поглощение черного тела. Колесо поворачивается назад, потому что чистый теплообмен между черными сторонами и окружающей средой первоначально охлаждает черные стороны быстрее, чем белые стороны. При достижении равновесия, обычно через минуту или две, обратное вращение прекращается. Это контрастирует с солнечным светом, при котором прямое вращение может поддерживаться весь день.
Пояснения к силе на лопатках
За прошедшие годы было много попыток объяснить, как работает радиометр Крукса:
Неправильные теории
Другая неверная теория заключалась в том, что тепло на темной стороне заставляло материал выделяться, что толкало радиометр. Позднее это было эффективно опровергнуто экспериментами Шустера (1876 г.) и Лебедева (1901 г.).
Частично верная теория
Правильная теория
Статья Рейнольдса какое-то время оставалась неопубликованной, потому что на нее ссылался Максвелл, который затем опубликовал собственную статью, в которой содержалась критика математики в неопубликованной статье Рейнольдса. Максвелл умер в том же году, и Королевское общество отказалось опубликовать критику Рейнольдса опровержения Максвелла неопубликованной статьи Рейнольдса, поскольку считалось, что это будет неуместным аргументом, когда один из причастных к этому людей уже умер.
Полностью черная светлая мельница
Горизонтальная лопаточная мельница
Тепловая ползучесть от горячей стороны лопатки к холодной стороне была продемонстрирована на мельнице с горизонтальными лопатками, которые имеют двухцветную поверхность с черной половиной и белой половиной. Такая конструкция называется радиометром Хеттнера. Было обнаружено, что угловая скорость этого радиометра ограничивается в большей степени поведением силы сопротивления из-за наличия газа в сосуде, чем поведением силы термической ползучести. Эта конструкция не испытывает эффекта Эйнштейна, потому что грани параллельны градиенту температуры.
Наноразмерная легкая мельница
Радиометр крукса для чего
Работа этого, почти вечного двигателя, до сих пор до конца не выяснена.
«Радио» в названии устройства происходит от латинского radius, что означает «луч»; в данном случае имеется в виду электромагнитное излучение.
Прошло уже более 100 лет, а наука до сих пор не может исправить ошибку Лебедева о давлении света, почему так произошло и продолжает происходить?
На мой взгляд, здесь вмешались две проблемы: 1-я – это непонимание как работает гравитация; 2-я – это изобретение Круксом радиометра.
С гравитацией, понятно, она не видима и действует на наше воображение только тогда, когда мы задумываемся над этим явлением. По гравитации мной разработана гипотеза (фотонно-квантовая гравитация), по ней уже достаточно опубликовано статей.
Теперь относительно изобретения Крукса, как оно могло повлиять на науку? Дело в том, что попытки выявить давление света предпринимались неоднократно еще до экспериментов П.Н. Лебедева. Один из таких экспериментов поставил англичанин Уильям Крукс в 1874 году. В ходе одного из опытов, при очень точном взвешивании вещества, он заметил, что в разреженной камере падающие солнечные лучи оказывали воздействие на баланс весов. Заинтересовавшись и изучив данный эффект, он создал устройство, названное, впоследствии, в его честь.
Радиометр состоит из стеклянной колбы, находящейся под частичным вакуумом. Внутри колбы установлена сбалансированная крыльчатка, обычно из четырех металлических лопастей легкого сплава, расположенных симметрично оси вращения. С одной стороны лопасти серебристого цвета, а с другой – зачернены. При попадании света на лопасти вертушки, она начинает вращаться.
Конструктивно вертушка имеет разницу только в степени поглощения света поверхностями ее лопастей, вот все различия. Так за счет каких сил вращается эта, простая на первый взгляд, вертушка Крукса? Тем не менее, на много лет данная вертушка стала головоломкой для ученых. Причина вращения лопастей исторически вызывала множество научных дискуссий и толкований, вот некоторые из них [4].
Эксперимент, разрушивший данную теорию, провел А. Шустер в 1876 году, который обнаружил, что вертушка, вопреки давлению света, вращается в противоположную сторону. Посмотрите видео внизу данной статьи, и Вы заметите то же самое, вертушка вращается отражающей стороной вперед, а давление света должно действовать на отражающую поверхность в 2 раза сильнее. Как видим, данную ошибку обнаружили через два года, но давление света осталось, т.к. нашлись продолжатели данной идеи.
Такие вот объяснения принципа работы радиометра Крукса.
Наведу небольшую критику на вышеописанные теории объяснения вращения данного прибора. Как всегда в случаях, когда физика не находит прямой ответ, начинаются извороты и витиеватости. По притягиванию теоретических изысканий Рейнольдса для объяснения принципа работы, хочу сразу заметить, что для отождествления промежутков между стенками колбы и лепестками крыльчатки как отверстия в порах – это надо постараться. Потом, если молекулы газа перемещаются от холодной стороны лопасти к теплой, то вертушка должна вращаться в противоположную сторону, поэтому такое объяснение является не корректным.
По поводу «доказательства Эйнштейна», что температурная разность возникает только на краях пластинки, также следует усомниться. Разность температур (давлений) не избирательна и возникает по всей площади пластинки и ее близлежащего объема.
Как далее указывает тот же источник [4]: «предсказанные Эйнштейном и Рейнольдсом силы, по всей видимости, являются причиной вращения радиометра Крукса, хотя по-прежнему не ясно, какая из них оказывает большее воздействие». Могу добавить, что никакая!
На самом деле ситуация совершенно иная. Вращение происходит за счет дискретного дисбаланса давлений газа на лопасти с разной светоотражающей поверхностью. В момент старта поглощение света черной поверхностью выше, она быстрее нагревается и перед ней создается повышенное давление, что создает поворот крыльчатки. Уходя в тень, данная пластинка охлаждается, на смену ее приходит другая и также нагревается, перед ней также добавляется очередная порция избыточного давления газа.
По поводу препятствия молекул, по сути, имеется в виду выравнивание давления по всему объему колбы. Давление не может выровняться по причине малого количества газа в ограниченном объеме. За время одного оборота черная пластинка, вместе с ней молекулы газа, успевают, за счет краснофотонного излучения, частично охладиться. Высокое внешнее давление воздуха способствует быстрому отводу тепла от стекла. В результате, при подходе черной пластинки в зону освещения она вновь получает дискретную порцию энергии. По сути это самая простая тепловая машина. Работа теплового двигателя основана на разнице теплоты (температуры), которая преобразуется в механическое движение. Чем быстрее раскручивается вертушка, тем меньше времени и меньше энергии поступает на ее поверхность. Поэтому вертушка не может развить очень высокую скорость даже при освещении ее мощным прожектором или лазером.
Несмотря на указанные выше теории и объяснения, не дается главный ответ на вопрос вращения вертушки: как теплота вращает лопасти данного прибора. Понятно, что молекулы газа приобретают разную скорость, но как создается направленный импульс движения каждой молекулы? На это ни Рейнольдс, ни Эйнштейн – никто! не дает ясного ответа.
Собственно к чему мы пришли при объяснении вращения вертушки, а пришли опять к теплоте (разности температур), а теплота – порождает гравитацию. Каждая нагретая молекула газа приобретает импульс придачи (движения) в сторону гравитационного вектора [5]. Импульс придачи – это тот самый импульс «вперед за снарядом». Только нагретые частицы могут перемещаться по векторам отлета своих крафонов в пространстве, а нагревает их световая энергия.
Попробуем разобраться с работой радиометра с помощью рисунка.
1 – стеклянная колба, 2 – ось вращения, 3 – лопасти, 4 – молекулы газа, 5 – свет
Черная поверхность лопастей интенсивно поглощает фотоны света и от нее отстреливаются крафоны (красные фотоны), которые очень быстро (со скоростью света) «мониторят» пространство перед данной поверхностью. Соответственно они прицельно попадают в молекулы газа, те, в свою очередь, после получения квантов энергии, отстреливают свои крафоны (вторичные красные фотоны) с импульсами придачи, направленными на источник энергии, т.е. на черную поверхность крыльчатки. Под действием этих импульсов, молекулы устремляются к зачерненной поверхности и создают на нее давление. Почему так происходит можно понять, познакомившись со статьями: «Гравитационное излучение источника», «Сила гравитации» и др.. На светлую поверхность противоположной лопасти также создается давление, но в меньшей степени, т.к. перед ней меньшее количество энергонасыщенных молекул. На рисунке условно показано одинаковое количество молекул перед черной и светлой лопастями, но энергетически активных молекул перед черной поверхностью больше, что и создает избыточное давление и вращающий момент ротора радиометра.
У читателей может возникнуть вопрос: «Почему фотоны света не взаимодействуют напрямую с молекулами газа, через которые они собственно и пролетают, а используют в качестве посредника – зачерненную поверхность крыльчатки»? Ответ следующий. Световые фотоны проходят сквозь молекулярный газ, как рентгеновские лучи через мягкие ткани нашего организма и поглощаются только костной, более плотной тканью. Иначе фотоны света из-за разности в частотах практически не поглощаются молекулами газа, но зато они прекрасно поглощают инфракрасное излучение с черной поверхности крыльчатки и квантованно испускают свои крафоны в сторону источника – черной поверхности пластинки.
Вращение крыльчатки возникает только при определенных условиях разрежения газа в колбе. Давление газа внутри колбы не должно быть слишком низким и слишком высоким. При высоком вакууме маятник, как сказал бы Н.А. Козырев, «будет залипать», из-за недостаточного количества молекул воздуха. А при высоком давлении невозможно достичь разницы давлений в ограниченном объеме колбы. Из-за большого количества молекул газа возникает быстрая передача энергии друг другу, после чего наступает выравнивание температуры по всему объему, поэтому разности давлений не наступает.
Визуальное вращение крыльчатки в одну сторону создает иллюзию давления света. Мы не видим трансформации световой энергии в тепловую, а затем еще одной трансформации – в импульсы придачи, а видим только воздействие некой силы на крыльчатку, поэтому и воспринимаем ее как давление света.
Все это в купе – приборы Крукса и недостаточное знание физики, создают иллюзию присутствия давления света, которого в природе не существует!
Широкое распространение вертушки Крукса способствовало утверждению опыта Лебедева с «поимкой» давления света.
Наши школьные учителя, по мере накопленных знаний, стараются правильно объяснить ученикам принцип работы радиометра, но у школьников это сложное объяснение быстро забывается, а попросту не воспринимается. Зато прекрасно остается в памяти вращение данной вертушки в момент включения светильника. Поэтому в сознании остается ассоциация, что вертушка вращается давлением света.
В настоящее время радиометры Крукса широко продаются по всему миру как сувенирный прибор, которому для вращения не нужны батарейки или аккумуляторы, требуется только свет. Для обывателя становится ясно, что вертушку в радиометре Крукса вращает давление света!
Вертушка радиометра не избирательна к подводящей энергии, будь то солнечный свет, электрическая дуга, лазер, ионизатор (качер), или даже тепло рук.
Источники
[1] Такое объяснение ещё часто встречается в инструкциях, сопровождающих данный прибор при покупке.
Радиометр Крукса
Радиометр Крукса (или вертушка Крукса) — четырёхлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разрежением. При попадании на лопасть светового луча крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света.
На самом деле причиной вращения служит радиометрический эффект — возникновение силы отталкивания за счёт разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную. [1] Причина вращения лопастей исторически вызывала множество научных дискуссий. [2] [3]
Открыл этот эффект и построил радиометр (вертушку) в 1874 году английский физик и химик Уильям Крукс, который в ходе одного из исследований, требовавшего очень точного взвешивания веществ, заметил, что в частично разряженной камере падающие солнечные лучи оказывали воздействие на весы. Изучая этот эффект, он и создал устройство, названное в его честь. П. Н. Лебедев в 1901 году измерил силу давления света на твёрдое тело, сумев в ходе весьма тонких экспериментов избавиться от действия радиометрического эффекта.
Содержание
Общее описание
Радиометр состоит из стеклянной колбы, из которой удалена большая часть воздуха (находящейся под частичным вакумомвакуумом). Внутри колбы на шпинделе с малым трением установлено несколько (обычно четыре) вертикальных металлических лопастей из легкого сплава, расположенных на одинаковом расстоянии от оси вращения. С одной стороны лопасти или отполированы, или покрашены белой краской, с другой — черной. При воздействии солнечного света, искусственного освещения или инфракрасного излучения (даже тепла рук может быть достаточно) лопасти начинают вращаться без видимой движущей силы: темные стороны удаляются от источника излучения, а светлые стороны приближаются. Охлаждение радиометра вызывает вращение в обратном направлении. Эффект начинает появляться при парциальном давлении вакуума в несколько несколько сотен паскалей, достигает пика на уровне около 1 Па и исчезает, когда вакуум достигает 10 −4 Па. При таком высоком вакууме давление фотонного излучения на лопасти можно наблюдать у очень чувствительных приборов (см. радиометр Николса), но этого недостаточно, чтобы вызвать их вращение.
«Радио-» в названии устройства происходит от латинского radius, что означает «луч»; в данном случае имеется в виду электромагнитное излучение. Таким образом, радиометр Крукса может использоваться как прибор, измеряющий интенсивность электромагнитного излучения без вмешательства в само измерение. Такую функцию он может выполнять, например, если внутрь установить вращающийся диск с прорезями, работающий по принципу стробоскопа.
В настоящее время радиометры продаются по всему миру как интересный сувенир, которому для вращения не нужны батарейки. Они бывают различных форм и часто используются в научных музеях для иллюстрации давления света — физического явления, к которому они на самом деле не имеют отношения.
Термодинамические процессы в радиометре
Когда источник излучения направлен на радиометр Крукса, радиометр становится тепловым двигателем. Работа теплового двигателя основана на разнице температур, которая преобразуется в механическое движение. В нашем случае темная сторона лопасти нагревается сильнее, так как лучистая энергия, исходящая от источника света, нагревает ее быстрее, чем отполированную или светлую сторону. Когда молекулы воздуха касаются черной стороны лопасти, они «нагреваются», то есть увеличивают свою скорость. Подробное описание из-за чего светлые стороны лопастей вращаются первыми приведены ниже.
По мере того, как нагревшиеся лопасти отдают тепло молекулам воздуха, температура внутри колбы увеличивается. «Нагретые» молекулы отдают полученную энергию при соприкосновении со стеклянными стенками колбы, температура которых равна температуре окружающего воздуха. Потеря тепла через стенки колбы поддерживает внутреннюю температуру таким образом, что у двух соседних сторон лопастей создается разница температур. Светлая сторона лопасти холоднее, чем темная сторона, так как некоторое количество тепла передается от темного участка с обратной стороны лопатки. В то же время светлая сторона оказывается немного теплее воздуха внутри колбы. Две стороны каждой лопасти должны быть теплоизолированы так, чтобы светлая сторона лопасти не сразу нагрелась до температуры черной стороны. Если лопасти сделаны из металла, то изолирующим материалом может быть черная или белая краска. Температура стекла колбы остается практически равной температуре окружающей среды, в отличие от температуры темной стороны лопасти. Более высокое внешнее давление воздуха помогает отводить тепло от стекла.
Давление воздуха внутри колбы не должно быть слишком низким и слишком высоким. Высокий вакуум внутри лампы будет препятствовать вращению, потому что не будет достаточного количества молекул воздуха, чтобы образовать воздушные потоки, которые вращают лопасти и передают тепло наружу, прежде чем обе стороны каждой лопасти достигнут теплового равновесия за счет теплопроводности через их материал. А при высоком давлении разницы температур будет не достаточно, чтобы поворачивать лопасти, так как увеличится сопротивление воздуха — воздушный поток затормозится прежде, чем достигнет противоположной стороны соседней лопасти.
Теории, объясняющие причину вращения лопастей
Предсказанные и Эйнштейном, и Рейнольдсом силы по всей видимости являются причиной вращения радиометра Крукса, хотя по-прежнему не ясно, какая из них оказывает большее воздействие.
Радиометр с полностью темными лопастями
Чтобы вращаться, лопасти вертушки Крукса не обязательно должны быть покрыты различными цветами с каждой стороны. В 2009 году исследователи из Техасского университета в Остине создали одноцветный радиометр, который состоит из четырех изогнутых лопастей, каждая из которых образует выпуклые и вогнутые поверхности. Вертушка равномерно покрыта золотыми нанокристаллами, которые являются сильными поглотителями света. Под воздействием света из-за необычной геометрии выпуклая сторона лопасти получает больше энергии фотонов, чем вогнутая сторона; при этом молекулы газа также получают больше тепла от выпуклой стороны, чем от вогнутой. При низком вакууме этот асимметричный нагрев вызывает движение газа у каждой лопасти, от вогнутой стороны к выпуклой стороне, что было продемонстрировано с помощью метода Монте-Карло нестационарного статистического моделирования (ММКНСМ). Движение газа приводит к тому, что радиометр вращается вогнутой стороной вперед, в соответствии с третьим законом Ньютона.
Благодаря появлению радиометра с одноцветными лопастями стало возможно создать микро- или нанорадиометр, поскольку при таких малых размерах трудно сымитировать материалы с различными оптическими свойствами в очень небольшом трехмерном пространстве. [7] [8]
Нанорадиометр
В 2010 году исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось создать нанорадиометр, который работает на совершенно отличном от радиометра Крукса принципе. Золотая вертушка в форме свастики, всего 100 нанометров в диаметре, была построена и освещена лазером, который был настроен так, чтобы придавать ей угловой момент. Впервые возможность создания нанорадиометра с подобным принципом работы была предложена физиком Принстонcкого университета Ричардом Бетом в 1936 году. Вращающий момент был значительно увеличен за счет резонансной связи падающего света и плазмонных волн в металлической решетке. [9]
Радиометр крукса для чего
Практическое применение радиометра Крукса для определения светового давления
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Цель и задачи научно-исследовательской работы
Выяснить, каким образом свет оказывает давление.
Вычислить давление света, оказываемое на «крылышки» в приборе Крукса, с помощью второго закона Ньютона.
Оценить практическую значимость результатов исследования.
Актуальность темы исследования :
Теоретический материал. Радиометр Крукса
Наблюдая за поведением комет, пролетающих вблизи Солнца, Кеплер обратил внимание на то, как хвосты кометы отклонены в сторону, противоположную Солнцу. Объяснений этому Кеплер предположил о существовании светового давления, при попадании солнечных лучей. Естественно, доказательство предположениям Кеплера, не нашлось.
Вычислить на практике давление света удалось русскому физику-экспериментатору Пётру Николаевичу Лебедеву. Проведенный им в 1899 г. опыт подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует. Для проведения своего опыта Лебедев использовал стеклянный сосуд, из которого тщательно был выкачан воздух. Внутри баллона висело на очень тонкой стеклянной нити маленькое горизонтальное коромысло, на конце которого были прикреплены крылышки в пять миллиметров в диаметре, изготовленные из платины, алюминия, никеля или слюды. При помощи специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света дуговой лампы направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления. Однако Лебедев, проделывая данный опыт, столкнулся с побочными явлениями. В частности, наблюдался радиометрический эффект: под действием света крылышки нагреваются и при этом черное крыло нагревается сильнее блестящего. Так как температура черного крылышка выше температуры блестящего, то черное крылышко передает молекулам окружающего воздуха больший суммарный импульс, чем блестящее, и по закону сохранения импульса само получает больший импульс противоположного направления. В результате возникает закручивающий момент примерно в 1000 раз больше закручивающего момента, обусловленного световым давлением. Чтобы устранить радиометрический эффект, Лебедев поместил прибор в сосуд с вакуумом и взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки.
Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство существования давления света и того, что фотоны обладают импульсом. Результаты, полученные Лебедевым в 1900 году, совпали со значением светового давления, полученным теоретически, и подтвердили расчеты Максвелла. Расчеты силы давления света на основе фотонной и электромагнитной теорий света дали одинаковые результаты.
Радиометр Крукса (или вертушка Крукса) — четырёхлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разрежением. При попадании на лопасть светового луча крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света. На самом деле причиной вращения служит радиометрический эффект — возникновение силы отталкивания за счёт разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную. Обычно, эта вертушка, помещенная в откачанную колбу, используется для демонстрации давления световой волны на препятствии. Логика очень простая: одна поверхность каждой лопасти « зачернена », другая же почти идеально белая. При падении электромагнитной волны на отражающую (белую) поверхность, вклад в давление дает как падающая, так и отраженная волна. При падении электромагнитной волны на чёрную поверхность, отраженной волны попросту нет, а значит и давление на « чёрную » поверхность в два раза меньше, чем давление на « белую ». Но не стоит забывать о том, что электромагнитная волна несёт не только импульс, но и энергию. При попадании на отражающую поверхность фотоны не отдают эту энергию, оставляя её при себе. Поэтому эта поверхность не нагревается. Черная же поверхность эту энергию перенимает, оттого и нагревается.
Вследствие этого возникают два противоположный эффекта:
Давление на отражающую поверхность в 2 раза больше
Около черной поверхности, вследствие передачи энергии, газ более нагрет, а значит, и его давление также больше.
Поэтому, в какую сторону будет крутиться вертушка, зависит от свойств газа в колбе.
Рассмотрим в начале действие электромагнитной волны на положительный заряд. Какие силы будут действовать на заряд?
Электрическая сила F=qE будет действовать в сторону вектора напряженности электрического поля. Значит, в ту же сторону начнет смещаться заряд под действием электрической силы. Но эта сила не совпадает по направлению с силой светового давления. Так как заряд под действием электрической силы начнет двигаться, то наго будет действовать магнитное поле волны. Возникает сила Лоренца. Чтобы определить направление силы Лоренца, надо левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены в сторону движения частицы, тогда отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца. Значит, сила Лоренца направлена внутрь тела, а световое давление представляет собой сумму Лоренцовых сил, действующих на все положительные заряды, находящиеся в теле. Но в теле есть и отрицательные электроны.
Пусть n- концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма.
Их число равно: N=nV=nSct
При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается. Пусть r — коэффициент отражения света;
Суммарный импульс, полученный телом от N падающих фотонов, равен:
Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:
Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.
r – коэффициент отражения(поглощения)
S- площадь платины, которую находим измерением с помощью линейки сторон пластины из прибора Крукса.
Таким образом, свяжем электродинамику Максвелла с механикой Ньютона:
T- период вращения пластины в приборе Крукса, при освещении светом, вычислили по формуле: T= t / N
источники света(лампа накаливания, сухой спирт и естественный свет)
1. В качестве источника света я использовал лампу накаливания
2. Измерил радиус вращения пластины в приборе Крукса
3. Измерил массу пластины в приборе Крукса
4. Измерил площадь поверхности пластины в приборе Крукса
5. Измерили число оборотов за 60с пластин
1. В качестве источника света я использовал горящий сухой спирт
1. В качестве источника света я использовал естественный солнечный свет
1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 564-566.
3. Лебедев П. Н., Избр. соч., М.— Л., 1949
4. Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957; Свет, вещество, электромагнитное поле, гравитация