Радиометр Крукса - Crookes radiometer

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, 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.

Общее описание

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 лопатками, 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.

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

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

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

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 лопатки 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 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

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

Неправильные теории

Крукс ошибочно предположил, что сила была вызвана давлением света . Первоначально эту теорию поддержал Джеймс Клерк Максвелл , предсказавший 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. Наконец, если бы световое давление было движущей силой, радиометр вращался бы в противоположном направлении, так как фотоны на блестящей стороне, отражаясь, передавали бы больше импульса, 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 эффективно опровергнуто экспериментами Шустера (1876 г.) и Лебедева (1901 г.).

Частично верная теория

Частичное объяснение состоит в том, что молекулы газа , ударяющиеся о более теплую сторону лопасти, собирают часть тепла, отскакивая от лопатки с повышенной 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 создают большую силу, 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 Эйнштейн показал, 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.

Правильная теория

Осборн Рейнольдс правильно предположил, что причиной движения была термальная транспирация . 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 лопасть двигаться холодной (белой) стороной вперед из-за тангенциальной силы движения разреженного газа, движущегося от более горячего края к более холодному.

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

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 асимметричный эффект нагрева вызывает чистое движение газа через каждую лопасть, от вогнутой стороны к выпуклой стороне, как показано в моделировании методом прямого моделирования Монте-Карло, проведенном исследователями . 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.

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

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.

Смотрите также

использованная литература

Общая 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