Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Радиометр Крукса

Радиометр Крукса (также известный как световой мельницы ) состоит из герметичной стеклянной колбы , содержащей частичный вакуум , с набором лопастей , которые смонтированы на шпинделе изнутри. Лопатки вращаются под воздействием света с более быстрым вращением для получения более интенсивного света, обеспечивая количественное измерение интенсивности электромагнитного излучения .

Причина вращения была причиной многих научных дебатов в течение десяти лет после изобретения устройства [1] [2], но в 1879 году было опубликовано принятое в настоящее время объяснение вращения. [3] [4] 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.

Общее описание [ править ]

Радиометр Крукса в действии

Радиометра изготовлен из стеклянной колбы , из которой большая часть воздуха была удалена , чтобы образовать частичный вакуум . Внутри колбы на шпинделе с низким коэффициентом трения находится ротор с несколькими (обычно четырьмя) вертикальными легкими лопастями, равномерно расположенными вокруг оси. Лопатки полированные или белые с одной стороны и черные с другой.

Под воздействием солнечного света , искусственного света или инфракрасного излучения (даже тепла руки поблизости может быть достаточно) лопасти вращаются без видимой движущей силы, темные стороны удаляются от источника излучения, а светлые стороны продвигаются вперед.

Охлаждение радиометра вызывает вращение в обратном направлении. [ необходима цитата ]

Наблюдения за эффектами [ править ]

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 [ править ]

Префикс « радио- » в названии происходит от сочетающей формы латинского радиуса , луч: здесь относится к электромагнитному излучению . Радиометр Крукса, в соответствии с суффиксом « -метр » в его названии, может обеспечить количественное измерение интенсивности электромагнитного излучения. Это можно сделать, например, с помощью визуальных средств (например, вращающегося диска с прорезями, который функционирует как простой стробоскоп ), не мешая самому измерению.

Радиометры сейчас широко продаются во всем мире как новинка; не нужны батарейки, а только свет, чтобы лопасти вращались. Они бывают разных форм, таких как изображенная на картинке, и часто используются в научных музеях для иллюстрации «радиационного давления» - научного принципа, который они фактически не демонстрируют.

Термодинамическое объяснение [ править ]

Воспроизвести медиа
Радиометр Крукса в действии с включенным и выключенным светом. (Обратите внимание, что объяснение, данное в подписи к ролику, не согласуется с современным объяснением.)

Движение с поглощением черного тела [ править ]

Когда источник лучистой энергии направлен на радиометр Крукса, радиометр становится тепловым двигателем. [5] 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.[5]

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. [5]

Движение с излучением черного тела [ править ]

Когда радиометр нагревается в отсутствие источника света, он поворачивается в прямом направлении (т. Е. Черными сторонами сзади). Если руки человека поместить вокруг стекла, 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 [ править ]

За прошедшие годы было много попыток объяснить, как работает радиометр Крукса:

Неправильные теории [ править ]

Крукс ошибочно предположил, что сила была вызвана давлением света . [6] Эта теория была первоначально поддержана Джеймсом Клерком Максвеллом , который предсказал эту силу. Это объяснение до сих пор часто встречается в листовках, прилагаемых к устройству. Первый эксперимент по проверке этой теории был проведен Артуром Шустером.в 1876 году, который заметил, что на стеклянную колбу радиометра Крукса действует сила, противоположная направлению вращения лопастей. Это показало, что сила, поворачивающая лопатки, создавалась внутри радиометра. Если легкое давление было причиной вращения, то чем лучше вакуум в колбе, тем меньше сопротивление воздуха движению и тем быстрее должны вращаться лопасти. В 1901 году Петр Лебедев с помощью более совершенного вакуумного насоса показал, что на самом деле радиометр работает только тогда, когда в колбе находится газ низкого давления, а лопатки остаются неподвижными в жестком вакууме. [7] Наконец, если бы движущей силой было световое давление, радиометр вращался бы в противоположном направлении, так как фотонына блестящей стороне, отражаясь, будет передан больший импульс, чем на черной стороне, где фотоны поглощаются. Это является результатом сохранения импульса - импульс отраженного фотона, выходящего на световой стороне, должен соответствовать реакции на лопасти, которая его отразила. Фактическое давление света слишком мало для перемещения этих лопастей, но его можно измерить с помощью таких устройств, как радиометр Николса .

Другая неверная теория заключалась в том, что тепло на темной стороне заставляло материал выделяться, что толкало радиометр. Позднее это было опровергнуто обоими экспериментами Шустера. [8] (1876 г.) и Лебедева (1901 г.) [7]

Частично верная теория [ править ]

Частичное объяснение состоит в том, что молекулы газаУдар по более теплой стороне лопатки будет собирать часть тепла, отскакивая от лопатки с увеличенной скоростью. Придание молекуле этого дополнительного ускорения эффективно означает, что на лопатку оказывается незначительное давление. Дисбаланс этого эффекта между более теплой черной стороной и более холодной серебряной стороной означает, что чистое давление на лопатку эквивалентно толчку на черной стороне, и в результате лопатки вращаются, а черная сторона остается позади. Проблема с этой идеей заключается в том, что, хотя более быстро движущиеся молекулы производят больше силы, они также лучше останавливают другие молекулы от достижения лопатки, поэтому итоговая сила на лопатке должна быть такой же. Более высокая температура вызывает уменьшение локальной плотности, что приводит к одинаковой силе с обеих сторон. Спустя годы после того, как это объяснение было отклонено, Альберт Эйнштейнпоказали, что два давления не компенсируются точно на краях лопаток из-за разницы температур там. Силы, предсказанной Эйнштейном, было бы достаточно, чтобы переместить лопасти, но недостаточно быстро. [9]

Правильная теория [ править ]

Осборн Рейнольдс правильно предположил, что причиной движения была термальная транспирация . [10]Рейнольдс обнаружил, что если пористая пластина остается более горячей с одной стороны, чем с другой, взаимодействия между молекулами газа и пластинами таковы, что газ будет течь от более горячей стороны к более холодной. Лопатки типичного радиометра Крукса не пористые, но пространство за их краями ведет себя как поры в пластине Рейнольдса. В среднем молекулы газа движутся от горячей стороны к холодной, когда степень давления меньше квадратного корня из (абсолютного) отношения температур. Разница давлений заставляет лопатку двигаться холодной (белой) стороной вперед из-за тангенциальной силы движения разреженного газа, движущегося от более холодной кромки к более горячей. [3]

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. [11] 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 участников уже умер. [3]

Мельница черного света [ править ]

Для вращения легкая мельница не должна иметь разного цвета для каждой лопасти. В 2009 году исследователи из Техасского университета в Остине создали одноцветную легкую мельницу с четырьмя изогнутыми лопатками; каждая лопасть образует выпуклую и вогнутую поверхность. Световая мельница равномерно покрыта нанокристаллами золота , которые являются сильным поглотителем света. При экспонировании из-за геометрического эффекта выпуклая сторона лопасти получает больше энергии фотонов, чем вогнутая, и, следовательно, молекулы газа получают больше тепла с выпуклой стороны, чем с вогнутой стороны. В условиях грубого вакуума этот эффект асимметричного нагрева вызывает чистое движение газа через каждую лопасть, от вогнутой стороны к выпуклой стороне, как показали исследователи.Прямое моделирование Моделирование методом Монте-Карло . Движение газа заставляет легкую мельницу вращаться, при этом вогнутая сторона движется вперед в соответствии с третьим законом Ньютона . Эта одноцветная конструкция способствует производству световых мельниц микрометрового или нанометрового масштаба, поскольку трудно моделировать материалы с различными оптическими свойствами в очень узком трехмерном пространстве. [12] [13]

Горизонтальная лопаточная мельница [ править ]

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. [14]

Наноразмерная легкая мельница [ править ]

В 2010 году исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось построить наноразмерную осветительную мельницу, которая работает по совершенно иному принципу, чем радиометр Крукса. Золотой свет мельница, всего 100 нанометров в диаметре, была построена и освещена лазерным светом , который был настроен. Возможность сделать это была предложена физиком из Принстона Ричардом Бетом в 1936 году. Крутящий момент был значительно увеличен за счет резонансной связи падающего света с плазмонными волнами в структуре золота. [15]

См. Также [ править ]

  • Трубка Крукса
  • Эффект Марангони
  • Радиометр Николса
  • Фотофорез
  • Солнечная энергия
  • Солнечный ветер
  • Термофорез

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уорролл, J. (1982), "Давление света: Странный случай колеблющегося 'решающего эксперимента ' ", Исследования по истории и философии науки , 13 (2): 133-171, DOI : 10.1016 / 0039- 3681 (82) 90023-1
  2. ↑ Инженер-электрик , Лондон: Biggs & Co., 1884, стр. 158
  3. ^ a b c Гиббс, Филипп (1996). "Как работает световая мельница?" . math.ucr.edu/home/baez/physics/index.html . Часто задаваемые вопросы по Usenet Physics . Проверено 8 августа 2014 года .
  4. ^ "Обсуждение Light-Mills; Кафе n-категории" . Проверено 29 апреля 2017 года .
  5. ^ a b c Крафтмахер, Яаков (29 августа 2014 г.). Эксперименты и демонстрации по физике (2-е изд.). Сингапур: World Scientific. п. 179. ISBN. 9789814434904.
  6. ^ Крукс, Уильям (1 января 1874 г.). «О притяжении и отталкивании в результате излучения» . Философские труды Лондонского королевского общества . 164 : 501–527. DOI : 10,1098 / rstl.1874.0015 . S2CID 110306977 . .
  7. ^ a b Лебедев, Петр (1901). "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes" . Annalen der Physik . 311 (11): 433–458. Bibcode : 1901AnP ... 311..433L . DOI : 10.1002 / andp.19013111102 .
  8. ^ Кисть, SG; Эверитт, CWF (1969). «Максвелл, Осборн Рейнольдс и Радиометр». Исторические исследования в физических науках . 1 : 105–125. DOI : 10.2307 / 27757296 . JSTOR 27757296 . 
  9. ^ Калаприс, Алиса; и другие. (27 октября 2015 г.). Энциклопедия Эйнштейна . Издательство Принстонского университета. п. 190. ISBN 978-0691141749.
  10. ↑ Рейнольдс, Осборн (1 января 1879 г.). «О некоторых размерных свойствах вещества в газообразном состоянии…». Философские труды Лондонского королевского общества . 170 : 727–845. DOI : 10,1098 / rstl.1879.0078 .; Часть 2.
  11. ^ Максвелл, Дж. Клерк (1 января 1879 г.). «О напряжениях в разреженных газах, возникающих из-за температурных неравенств» . Философские труды Лондонского королевского общества . 170 : 231–256. DOI : 10,1098 / rstl.1879.0067 .
  12. ^ Хан, Ли-Синь; Шаомин Ву; Дж. Кристофер Кондит; Нейт Дж. Кемп; Томас Э. Милнер; Марк Д. Фельдман; Шаочен Чен (2010). «Микромотор с приводом от света, управляемый геометрией, асимметричным фотонным нагревом и последующей газовой конвекцией» . Письма по прикладной физике . 96 (21): 213509 (1–3). Bibcode : 2010ApPhL..96u3509H . DOI : 10.1063 / 1.3431741 . Архивировано из оригинального 22 июля 2011 года.
  13. ^ Хан, Ли-Синь; Шаомин Ву; Дж. Кристофер Кондит; Нейт Дж. Кемп; Томас Э. Милнер; Марк Д. Фельдман; Шаочен Чен (2011). «Микромотор с питанием от света: проектирование, изготовление и математическое моделирование». Журнал микроэлектромеханических систем . 20 (2): 487–496. DOI : 10.1109 / JMEMS.2011.2105249 . S2CID 11055498 . 
  14. ^ Вулф, Дэвид; Ларраса, Андрес (2016). Алехандро Гарсия. "Радиометр с горизонтальной крыльчаткой: эксперимент, теория и моделирование". Физика жидкостей . 28 (3): 037103. arXiv : 1512.02590 . Bibcode : 2016PhFl ... 28c7103W . DOI : 10.1063 / 1.4943543 . S2CID 119235032 . 
  15. ^ Яррис, Линн. «Легкая мельница нанометрового размера приводит в движение диск микрометра» . Phys.org . Проверено 6 июля 2010 года .
Основная информация
  • Лоеб, Леонард Б. (1934) Кинетическая теория газов (2-е издание) ; Книжная компания Макгроу-Хилла; стр. 353–386
  • Кеннард, Эрл Х. (1938) кинетическая теория газов ; Книжная компания Макгроу-Хилл; стр. 327–337
Патенты
  • US 182172 , Крукс, Уильям, «Улучшение устройства для определения интенсивности излучения», опубликовано 12 сентября 1876 г. 

Внешние ссылки [ править ]

  • Апплет Crooke's Radiometer
  • Как работает легкая мельница? - FAQ по физике
  • Сайт катодно-лучевой трубки
  • Белл, Мэри; Зеленый, SE (1933), "О радиометра действий и давления радиации" , Труды физического общества , 45 (2): 320-357, Bibcode : 1933PPS .... 45..320B , DOI : 10,1088 / 0959 -5309/45/2/315. 1933 г. Эксперимент Белла и Грина, описывающий влияние разного давления газа на лопатки.
  • Свойства силы, действующей в радиометре, из архива