Радиометр Крукса
Радиометр Крукса (также известный как легкая мельница ) состоит из герметичной стеклянной колбы, содержащей частичный вакуум , с набором лопастей, которые установлены на шпинделе внутри. Лопасти вращаются под воздействием света, причем более быстрое вращение обеспечивает более интенсивный свет, обеспечивая количественное измерение интенсивности электромагнитного излучения .
Причина вращения вызвала множество научных дискуссий в течение десяти лет после изобретения устройства. [1] [2] но в 1879 году было опубликовано общепринятое в настоящее время объяснение вращения. [3] [4] Сегодня устройство в основном используется в обучении физике как демонстрация теплового двигателя, работающего на энергии света.
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 вакуумированной камере, чтобы уменьшить влияние воздушных потоков, и заметил, что взвешивание нарушалось, когда на весы падал солнечный свет. Исследуя этот эффект, он создал устройство, названное его именем.
Его до сих пор производят и продают в качестве учебного пособия или ради любопытства.
Общее описание
[ редактировать ]
Радиометр частичный сделан из стеклянной колбы, из которой удалена большая часть воздуха, образовав вакуум . Внутри колбы на шпинделе с низким коэффициентом трения расположен ротор с несколькими (обычно четырьмя) вертикальными легкими лопатками, равномерно расположенными вокруг оси. Лопасти полированные или белые с одной стороны и черные с другой.
Под воздействием солнечного света , искусственного света или инфракрасного излучения (даже тепла руки, находящейся рядом), лопасти вращаются без видимой движущей силы, темные стороны отступают от источника излучения, а светлые стороны приближаются.
Охлаждение радиометра снаружи приводит к быстрому вращению в противоположном направлении. [5]
Наблюдения за эффектами
[ редактировать ]Эффект начинает наблюдаться при парциальном вакуумном давлении в несколько сотен паскалей (или нескольких торр ), достигает максимума около 1 паскаля (0,0075 торр) и исчезает к моменту достижения вакуума 1 × 10 −4 паскалей (7,5 × 10 −7 торры) ( см. пояснения к примечанию 1 ). При таком очень высоком вакууме влияние давления фотонного излучения на лопасти можно наблюдать в очень чувствительных аппаратах (см. Радиометр Николса ), но этого недостаточно, чтобы вызвать вращение.
Происхождение имени
[ редактировать ]Приставка электромагнитному « радио- » в названии происходит от сочетания латинского радиуса , луча: здесь он относится к излучению . Радиометр Крукса, соответствующий суффиксу « -метр » в названии, может обеспечить количественное измерение интенсивности электромагнитного излучения. Это можно сделать, например, с помощью визуальных средств (например, вращающегося диска с прорезями, который действует как простой стробоскоп ), не мешая самому измерению.
Радиометры сейчас широко продаются по всему миру как новое украшение; ему не нужны батарейки, а только свет, чтобы заставить лопасти вращаться. Они бывают различных форм, таких как изображенная на фотографии, и часто используются в научных музеях для иллюстрации «радиационного давления» – научного принципа, который они на самом деле не демонстрируют.
Термодинамическое объяснение
[ редактировать ]Движение с поглощением
[ редактировать ]Когда источник лучистой энергии направляется на радиометр Крукса, радиометр становится тепловой машиной. [6] 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 источника света нагревает черную сторону за счет поглощения быстрее, чем серебряная или белая сторона. внутреннего воздуха Молекулы нагреваются, когда они касаются черной стороны лопасти. На более теплую сторону лопасти 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 лопастей возникает разница температур. Белая или серебряная сторона лопастей немного теплее, чем температура внутреннего воздуха, но холоднее, чем черная сторона, поскольку некоторая часть тепла проходит через лопасть с черной стороны. Две стороны каждой лопатки должны быть в некоторой степени теплоизолированы, чтобы полированная или белая сторона не сразу достигла температуры черной стороны. Если лопасти металлические, то изоляцией может служить черная или белая краска. Температура стекла намного ближе к температуре окружающей среды, чем температура, достигаемая черной стороной лопастей. Наружный воздух помогает отводить тепло от стекла. [6]
Давление воздуха внутри колбы должно обеспечивать баланс между слишком низким и слишком высоким. Сильный вакуум внутри колбы не допускает движения, поскольку молекул воздуха недостаточно для создания воздушных потоков, которые приводят в движение лопасти и передают тепло наружу до того, как обе стороны каждой лопасти достигнут теплового равновесия за счет теплопроводности через материал лопасти. Высокое внутреннее давление препятствует движению, поскольку разницы температур недостаточно, чтобы протолкнуть лопасти через воздух с более высокой концентрацией: сопротивление воздуха слишком велико для возникновения «вихревых токов», и любое незначительное движение воздуха, вызванное разницей температур, демпфируется чем выше давление, прежде чем токи смогут «обернуться» на другую сторону. [6]
Движение с радиацией
[ редактировать ]Когда радиометр нагревается в отсутствие источника света, он поворачивается вперед (т.е. черные стороны тянутся за ним). Если руки человека положить на стекло, не прикасаясь к нему, лопасти будут вращаться медленно или вообще не будут вращаться, но если прикоснуться к стеклу, чтобы быстро его нагреть, они будут вращаться более заметно. Стекло, нагретое напрямую, излучает достаточно инфракрасного излучения, чтобы повернуть лопасти, но стекло блокирует большую часть дальнего инфракрасного излучения от источника тепла, не соприкасающегося с ним. Однако ближний инфракрасный и видимый свет легче проникают через стекло.
Если стекло быстро охладить в отсутствие сильного источника света, положив на стекло лед или поместив его в морозильную камеру с почти закрытой дверцей, оно повернется назад (т. е. серебряные стороны будут тянуться). Это демонстрирует излучение с черных сторон лопастей, а не поглощение. Колесо вращается назад, потому что чистый обмен тепла между черными сторонами и окружающей средой первоначально охлаждает черные стороны быстрее, чем белые стороны. При достижении равновесия, обычно через минуту-две, обратное вращение прекращается. Это контрастирует с солнечным светом, при котором вращение вперед можно поддерживать в течение всего дня.
Пояснения к силе на лопастях
[ редактировать ]На протяжении многих лет было предпринято множество попыток объяснить, как работает радиометр Крукса:
Неправильные теории
[ редактировать ]Крукс ошибочно предположил, что эта сила возникла из-за давления света . [7] Эту теорию первоначально поддержал Джеймс Клерк Максвелл , предсказавший эту силу. Это объяснение до сих пор часто можно увидеть в буклетах, прилагаемых к устройству. Первый эксперимент для проверки этой теории был проведен Артуром Шустером в 1876 году, который заметил, что на стеклянную колбу радиометра Крукса действовала сила, направленная в направлении, противоположном вращению лопастей. Это показало, что сила, вращающая лопасти, создавалась внутри радиометра. Если бы причиной вращения было легкое давление, то чем лучше вакуум в колбе, тем меньше сопротивление воздуха движению и тем быстрее должны вращаться лопасти. с помощью более совершенного вакуумного насоса В 1901 году Петр Лебедев показал, что на самом деле радиометр работает только тогда, когда в колбе находится газ низкого давления, а лопасти остаются неподвижными в условиях жесткого вакуума. [8] Наконец, если бы движущей силой было давление света, радиометр вращался бы в противоположном направлении, поскольку отражающиеся фотоны на блестящей стороне придавали бы больший импульс, чем на черной стороне, где фотоны поглощаются. Это является результатом сохранения импульса : импульс отраженного фотона, выходящего на светлую сторону, должен соответствовать реакции на лопасти, которая его отразила. Фактическое давление, оказываемое светом, слишком мало, чтобы сдвинуть эти лопасти, но его можно измерить с помощью таких устройств, как радиометр Николса . Фактически можно заставить радиометр вращаться в противоположном направлении, нагрев его или поместив в холодную среду (например, в морозильник) в отсутствие света, когда черные стороны из-за теплового излучения становятся холоднее белых.
Другая неверная теория заключалась в том, что тепло на темной стороне вызывало газовыделение материала, что приводило в движение радиометр. Позже это было эффективно опровергнуто обоими экспериментами Шустера. [9] (1876 г.) и Лебедева (1901 г.) [8]
Частично верная теория
[ редактировать ]Частичное объяснение состоит в том, что молекулы газа , ударяясь о более теплую сторону лопасти, забирают часть тепла и отскакивают от лопасти с повышенной скоростью. Придание молекуле дополнительного импульса фактически означает, что на лопасть оказывается небольшое давление. Дисбаланс этого эффекта между более теплой черной стороной и более холодной серебряной стороной означает, что чистое давление на лопасть эквивалентно толчку на черную сторону, и в результате лопасти вращаются, а черная сторона следует за ней. Проблема с этой идеей заключается в том, что, хотя более быстро движущиеся молекулы производят большую силу, они также лучше предотвращают попадание других молекул в лопасть, поэтому результирующая сила, действующая на лопасть, должна быть одинаковой. Более высокая температура вызывает уменьшение локальной плотности, что приводит к одинаковой силе с обеих сторон. Спустя годы после того, как это объяснение было отвергнуто, Альберт Эйнштейн показал, что два давления не уравновешиваются точно на краях лопастей из-за разницы температур там. Силы, предсказанной Эйнштейном, было бы достаточно, чтобы сдвинуть лопасти, но недостаточно быстро. [10]
Принятая в настоящее время теория
[ редактировать ]Принятая в настоящее время теория была сформулирована Осборном Рейнольдсом , который предположил, что тепловая транспирация . причиной движения была [11] Рейнольдс обнаружил, что если одна сторона пористой пластины будет горячее, чем другая, взаимодействия между молекулами газа и пластинами будут такими, что газ будет течь от более холодной стороны к более горячей. Лопасти типичного радиометра Крукса не пористые, но пространство за их краями ведет себя как поры в пластине Рейнольдса. Когда газ движется от более холодной стороны к более горячей, давление на более горячей стороне увеличивается. Когда пластина зафиксирована, давление на более горячей стороне увеличивается до тех пор, пока отношение давлений между сторонами не станет равным квадратному корню из отношения абсолютных температур. Поскольку пластины радиометра не закреплены, разница давлений от более холодной к более горячей стороне приводит к перемещению лопасти. Более холодная (белая) сторона движется вперед, подталкиваемая более высоким давлением позади нее. С молекулярной точки зрения лопасть движется за счет тангенциальной силы разреженного газа, по-разному сталкивающегося с краями лопасти между горячей и холодной сторонами. [3]
Статья Рейнольдса некоторое время оставалась неопубликованной, поскольку ее рецензировал Максвелл, который затем опубликовал собственную статью, содержащую критику математики в неопубликованной статье Рейнольдса. [12] Максвелл умер в том же году, и Королевское общество отказалось опубликовать критику Рейнольдсом опровержения неопубликованной статьи Рейнольдса, поскольку считалось, что это будет неуместный аргумент, если один из участников уже умер. [3]
Полностью черный световой стан
[ редактировать ]Чтобы вращаться, легкая мельница не обязательно должна быть покрыта разными цветами на каждой лопатке. В 2009 году исследователи из Техасского университета в Остине создали одноцветную легкую мельницу с четырьмя изогнутыми лопастями; каждая лопасть образует выпуклую и вогнутую поверхности. Световая мельница равномерно покрыта нанокристаллами золота, которые являются сильными поглотителями света. При воздействии из-за геометрического эффекта выпуклая сторона лопасти получает больше энергии фотонов, чем вогнутая сторона, и впоследствии молекулы газа получают больше тепла с выпуклой стороны, чем с вогнутой. В условиях глубокого вакуума этот асимметричный эффект нагрева создает чистое движение газа через каждую лопасть, от вогнутой стороны к выпуклой, как показало прямое моделирование Монте-Карло , проведенное исследователями . Движение газа заставляет легкую мельницу вращаться, причем вогнутая сторона движется вперед, в соответствии с третьим законом Ньютона . Этот одноцветный дизайн способствует изготовлению световых мельниц микрометрового или нанометрового масштаба, поскольку трудно создать модель материалов с различными оптическими свойствами в очень узком трехмерном пространстве. [13] [14]
Горизонтально-лопастная легкая мельница
[ редактировать ]Термическая ползучесть от горячей стороны лопатки к холодной была продемонстрирована на мельнице с горизонтальными лопатками, имеющими двухцветную поверхность: черную половину и белую половину. Эта конструкция называется радиометром Геттнера. Было обнаружено, что угловая скорость этого радиометра ограничивается поведением силы сопротивления, обусловленной наличием газа в сосуде, а не поведением силы тепловой ползучести. В этой конструкции не наблюдается эффекта Эйнштейна, поскольку грани параллельны температурному градиенту. [15]
Наноразмерная легкая мельница
[ редактировать ]В 2010 году исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось построить наноразмерную световую мельницу, работающую по принципу, совершенно отличному от радиометра Крукса. Была построена золотая световая мельница диаметром всего 100 нанометров, которая освещалась настроенным лазерным светом. 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. [16]
См. также
[ редактировать ]- Трубка Крукса
- Эффект Марангони
- Радиометр Николса
- Фотофорез
- Солнечная энергия
- Солнечный ветер
- Термофорез
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уорролл, Дж. (1982). «Давление света: странный случай колеблющегося «решающего эксперимента» ». Исследования по истории и философии науки . 13 (2): 133–171. Бибкод : 1982SHPSA..13..133W . дои : 10.1016/0039-3681(82)90023-1 .
- ^ Инженер-электрик . Биггс и компания. 1888. с. 53.
- ^ Перейти обратно: а б с Гиббс, Филип (1996). «Как работает легкая мельница?» . math.ucr.edu/home/baez/physicals/index.html . Usenet Часто задаваемые вопросы по физике . Проверено 8 августа 2014 г.
- ^ «Дискуссия Light-Mills; Кафе n-категории» . Проверено 29 апреля 2017 г.
- ^ Огайо, Университет Акрона. «Радиометр, использующий исследование для обучения преобразованию энергии» . Университет Акрона, штат Огайо . Проверено 10 октября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Крафтмахер, Яаков (29 августа 2014 г.). Эксперименты и демонстрации по физике (2-е изд.). Сингапур: World Scientific. п. 179. ИСБН 9789814434904 .
- ^ Крукс, Уильям (1 января 1874 г.). «О притяжении и отталкивании, возникающем в результате радиации» . Философские труды Лондонского королевского общества . 164 : 501–527. дои : 10.1098/rstl.1874.0015 . S2CID 110306977 . .
- ^ Перейти обратно: а б Лебедев, Петр (1901). «Исследования сил давления света» . Анналы физики . 311 (11): 433–458. Бибкод : 1901АнП...311..433Л . дои : 10.1002/andp.19013111102 .
- ^ Кисть, СГ; Эверитт, CWF (1969). «Максвелл, Осборн Рейнольдс и радиометр». Исторические исследования в физических науках . 1 : 105–125. дои : 10.2307/27757296 . JSTOR 27757296 .
- ^ Калаприс, Алиса; и др. (27 октября 2015 г.). Энциклопедия Эйнштейна . Издательство Принстонского университета. п. 190. ИСБН 978-0691141749 .
- ^ Рейнольдс, Осборн (1 января 1879 г.). «О некоторых размерных свойствах вещества в газообразном состоянии…». Философские труды Лондонского королевского общества . 170 : 727–845. дои : 10.1098/rstl.1879.0078 . ; Часть 2.
- ^ Максвелл, Дж. Клерк (1 января 1879 г.). «О напряжениях в разреженных газах, возникающих из-за неравенства температур» . Философские труды Лондонского королевского общества . 170 : 231–256. дои : 10.1098/rstl.1879.0067 .
- ^ Хан, Ли-Синь; Шаоминь Ву; Дж. Кристофер Кондит; Нейт Дж. Кемп; Томас Э. Милнер; Марк Д. Фельдман; Шаочэнь Чен (2010). «Световой микромотор, приводимый в движение за счет геометрического асимметричного фотонного нагрева и последующей конвекции газа» . Письма по прикладной физике . 96 (21): 213509(1–3). Бибкод : 2010ApPhL..96u3509H . дои : 10.1063/1.3431741 . Архивировано из оригинала 22 июля 2011 года.
- ^ Хан, Ли-Синь; Шаоминь Ву; Дж. Кристофер Кондит; Нейт Дж. Кемп; Томас Э. Милнер; Марк Д. Фельдман; Шаочэнь Чен (2011). «Световой микромотор: проектирование, изготовление и математическое моделирование». Журнал микроэлектромеханических систем . 20 (2): 487–496. дои : 10.1109/JMEMS.2011.2105249 . S2CID 11055498 .
- ^ Вулф, Дэвид; Ларраса, Андрес (2016). «Горизонтальный лопастной радиометр: эксперимент, теория и моделирование». Физика жидкостей . 28 (3). Алехандро Гарсия: 037103. arXiv : 1512.02590 . Бибкод : 2016PhFl...28c7103W . дои : 10.1063/1.4943543 . S2CID 119235032 .
- ^ Яррис, Линн. «Легкая мельница наноразмера приводит в движение диск микроразмера» . Физика.орг . Проверено 6 июля 2010 г.
- Общая информация
- Леб, Леонард Б. (1934) Кинетическая теория газов (2-е издание) ; McGraw-Hill Book Company; стр. 353–386
- Кеннард, Эрл Х. (1938) Кинетическая теория газов ; Книжная компания Макгроу-Хилл; стр. 327–337
- Патенты
- США 182172 , Крукс, Уильям, «Усовершенствование устройства для индикации интенсивности излучения», опубликовано 12 сентября 1876 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Апплет Радиометра Крука
- Как работает легкая мельница?-Часто задаваемые вопросы по физике
- Сайт электронно-лучевой трубки
- Белл, Мэри; Грин, ЮВ (1933). «О действии радиометра и давлении радиации» . Труды Физического общества . 45 (2): 320–357. Бибкод : 1933PPS....45..320B . дои : 10.1088/0959-5309/45/2/315 . . 1933 г. Эксперимент Белла и Грина, описывающий влияние различного давления газа на лопатки.
- Свойства силы, действующей в радиометре, заархивированы.