Ľahký tlak na úplne absorbujúci povrch. A. Ľahký tlak. Vzorce na určenie tlaku elektromagnetického žiarenia pri dopade pod uhlom
Jedným z experimentálnych potvrdení prítomnosti hybnosti vo fotónoch je existencia svetelného tlaku (Lebedevove experimenty).
Vysvetlenie vlnenia (podľa Maxwella): interakcia indukovaných prúdov s magnetickým poľom vlny.
Z kvantového hľadiska je tlak svetla na povrch spôsobený tým, že pri zrážke s týmto povrchom mu každý fotón odovzdá svoju hybnosť. Keďže sa fotón môže vo vákuu pohybovať iba rýchlosťou svetla, odraz svetla od povrchu telesa by sa mal považovať za proces „reemisie“ fotónov – dopadajúci fotón je povrchom absorbovaný a potom ním re-emitované s opačným smerom hybnosti.
Uvažujme svetelný tlak, ktorým pôsobí na povrch telesa tok monochromatického žiarenia dopadajúceho kolmo na povrch.
Nechajte za jednotku času spadnúť na jednotku povrchu tela P fotóny. Ak je koeficient odrazu svetla od povrchu telesa rovný R, To Rn fotóny sa odrážajú a (1 –R) p- absorbované. Každý odrazený fotón prenáša na stenu impulz rovný 2R f = 2 hv/c (pri odraze sa hybnosť fotónu zmení na – r f). Každý absorbovaný fotón prenáša svoju hybnosť na stenu rf = vv/c .Svetlý tlak na plochu sa rovná impulzu, ktorý všetky plochy prenesú za 1 s P fotóny:
, (11-12)
Kde I=nhv – energiu všetkých fotónov dopadajúcich na jednotkový povrch za jednotku času, teda intenzitu svetla a w=I/c – objemová hustota energie dopadajúceho žiarenia. Tento vzorec bol experimentálne testovaný a bol potvrdený v Lebedevových experimentoch.
4. Fotónový plyn. bozóny. Boseho-Einsteinova distribúcia.
Uvažujme svetlo ako súbor fotónov, ktoré sú vo vnútri uzavretej dutiny so zrkadlovými stenami. Tlak svetla na zrkadlovo odrážajúci povrch by mal byť rovnaký, ako keby sa fotóny zrkadlovo odrážali od povrchu ako absolútne elastické gule.
Nájdime tlak vyvíjaný na ideálne reflexné steny| uzavretá dutina.
Pre jednoduchosť predpokladáme, že dutina má tvar kocky. Vzhľadom na izotropiu žiarenia môžeme predpokladať, že všetky smery pohybu fotónov sú rovnako pravdepodobné. Medzi fotónmi nedochádza k interakcii (ich frekvencia sa pri zrážkach nemení). Preto sa fotóny pohybujú ako molekuly ideálneho monatomického plynu.
Tlak ideálneho plynu na stenách dutiny nájdeme zo základnej rovnice kinetickej teórie plynov:
Ale pre fotóny m=hvj/c2, υi=с a preto mυ i 2 = hv i.Takže
Kde W je celková energia všetkých fotónov v dutine a tlak na jej steny
Tu w- objemová hustota energie žiarenia. Ak majú fotóny vo vnútri našej dutiny frekvencie od 0 do ∞, potom w možno určiť podľa vzorca:
(11-14)
Tu ρ(ν) - objemová hustota energie žiarenia vo frekvenčnom rozsahu od ν do ν+dν.
Funkcia ρ(ν) sa nachádza pomocou špeciálneho kvantového rozloženia fotónov podľa energie (frekvencie), - distribúcia Bose-Einstein (B-E).
1. Na rozdiel od Maxwellovej distribúcie, ktorá charakterizuje distribúciu častíc v priestore rýchlosti (hybnosti), kvantová distribúcia popisuje energie častíc vo fázovom priestore tvorenom hybnosťou a súradnicami častíc.
2. Elementárny objem fázového priestoru sa rovná (vynásobme všetky súradnicové prírastky):
3. Objem na štát sa rovná h 3 .
4. Počet štátov dg ižiarenie nachádzajúce sa v objeme elementárnej fázy v kvantovej štatistike získame vydelením objemu (11-15) h 3:
5. Distribúcia B-E sústavy častíc s celočíselným spinom poslúchajú. Dostali meno bozóny. Medzi tieto častice patria aj fotóny. Ich rotácia nadobúda celočíselné hodnoty. Uhlová hybnosť fotónu nadobúda hodnotu mh/2π, Kde m = 1. 2,3… Bose-Einsteinova distribučná funkcia pre fotóny má tvar:
, (11-16)
Kde. ΔN – počet fotónov v objeme dV, n i - priemerný počet častíc v jednom energetickom stave s energiou W i ktorá sa volá k - Boltzmannova konštanta, T- absolútna teplota. Koeficient 2 sa objavuje v dôsledku prítomnosti dvoch možných smerov polarizácie svetla (ľavá a pravá rotácia roviny polarizácie).
Celkový počet stavov v objeme V(po integrácii cez objem a použití vzťahov medzi hybnosťou fotónov R a jeho energiu W, vR = vv/c, W = vv ):
kde ν je frekvencia, s - rýchlosť svetla vo vákuu.
Počet fotónov s energiou z W predtým W+dW v objeme V:
Hustotu energie objemového žiarenia vo frekvenčnom rozsahu od ν do ν +dν zistíme vynásobením (11-16) energiou jedného fotónu hν :
. (11-18)
Tlak žiarenia zistíme pomocou vzorcov (11-13), (11-14) a (11-18):
Stavová rovnica pre žiarenie:
Energia žiarenia z objemu V (Stefan-Boltzmannov zákon):
Vzťah medzi energetickou svietivosťou a objemovou hustotou energie žiarenia (vyplýva z porovnania Planckovho vzorca so vzorcom (11-18):
RE(ν,T)= (c/4)ρ(ν,T).
Dnes budeme venovať rozhovor takému fenoménu, akým je ľahký tlak. Pozrime sa na predpoklady objavu a dôsledky pre vedu.
Svetlo a farba
Záhada ľudských schopností znepokojovala ľudí už od staroveku. Ako vidí oko? Prečo existujú farby? Aký je dôvod, že svet je taký, ako ho vnímame? Ako ďaleko môže človek vidieť? Experimenty s rozkladom slnečného lúča na spektrum uskutočnil Newton v 17. storočí. Tiež položil prísny matematický základ pre množstvo rozdielnych faktov, ktoré boli v tom čase známe o svetle. A Newtonova teória predpovedala veľa: napríklad objavy, ktoré mohla vysvetliť iba kvantová fyzika (odklon svetla v gravitačnom poli). Ale vtedajšia fyzika nepoznala a nechápala presnú povahu svetla.
Vlna alebo častica
Odkedy vedci na celom svete začali chápať podstatu svetla, začala sa debata: čo je žiarenie, vlna alebo častica (telieska)? Niektoré fakty (refrakcia, odraz a polarizácia) potvrdili prvú teóriu. Ostatné (lineárne šírenie pri absencii prekážok, ľahký tlak) - druhé. Tento spor však dokázala upokojiť až kvantová fyzika spojením dvoch verzií do jednej spoločnej. uvádza, že každá mikročastica, vrátane fotónu, má vlastnosti vlny aj častice. To znamená, že kvantum svetla má charakteristiky, ako je frekvencia, amplitúda a vlnová dĺžka, ako aj hybnosť a hmotnosť. Okamžite urobme rezerváciu: fotóny nemajú žiadnu pokojovú hmotnosť. Keďže sú kvantom elektromagnetického poľa, nesú energiu a hmotu iba v procese pohybu. Toto je podstata pojmu „svetlo“. Fyzika to v týchto dňoch dosť podrobne vysvetlila.
Vlnová dĺžka a energia
Pojem „vlnová energia“ bol spomenutý vyššie. Einstein presvedčivo dokázal, že energia a hmotnosť sú totožné pojmy. Ak fotón nesie energiu, musí mať hmotnosť. Kvantum svetla je však „prefíkaná“ častica: keď fotón narazí na prekážku, úplne odovzdá svoju energiu látke, stane sa ňou a stratí svoju individuálnu podstatu. Okrem toho môžu určité okolnosti (napríklad silné zahrievanie) spôsobiť, že predtým tmavé a pokojné interiéry kovov a plynov vyžarujú svetlo. Hybnosť fotónu, priamy dôsledok prítomnosti hmoty, možno určiť pomocou tlaku svetla. vedci z Ruska presvedčivo dokázali túto úžasnú skutočnosť.
Lebedevova skúsenosť
Ruský vedec Pyotr Nikolaevič Lebedev vykonal v roku 1899 nasledujúci experiment. Hrazdu zavesil na tenkú striebornú niť. Vedec pripevnil na konce brvna dve platne tej istej látky. Patrili medzi ne strieborná fólia, zlato a dokonca aj sľuda. Tak vznikli akési váhy. Len merali hmotnosť nie záťaže, ktorá tlačí zhora, ale záťaže, ktorá tlačí zboku na každú z platní. Lebedev umiestnil celú túto konštrukciu pod sklenený kryt, aby ju vietor a náhodné výkyvy hustoty vzduchu nemohli ovplyvniť. Ďalej by som chcel napísať, že pod vekom vytvoril vákuum. Ale v tom čase nebolo možné dosiahnuť ani len priemerné vákuum. Povieme teda, že tvoril pod skleneným krytom silno a striedavo osvetľoval jednu dosku, druhú nechával v tieni. Množstvo svetla smerovaného na povrchy bolo vopred určené. Na základe uhla vychýlenia Lebedev určil, aký impulz prenáša svetlo na dosky.
Vzorce na určenie tlaku elektromagnetického žiarenia pri normálnom dopade lúča
Vysvetlime si najprv, čo je „normálny pád“? Svetlo dopadá na povrch normálne, ak je nasmerované presne kolmo na povrch. To obmedzuje problém: povrch musí byť dokonale hladký a lúč žiarenia musí byť nasmerovaný veľmi presne. V tomto prípade sa tlak vypočíta:
k je koeficient priepustnosti, ρ je koeficient odrazu, I je intenzita dopadajúceho svetelného lúča, c je rýchlosť svetla vo vákuu.
Čitateľ však pravdepodobne už uhádol, že takáto ideálna kombinácia faktorov neexistuje. Aj keď neberieme do úvahy ideálnosť povrchu, je dosť ťažké organizovať dopad svetla striktne kolmo.
Vzorce na určenie tlaku elektromagnetického žiarenia pri dopade pod uhlom
Svetelný tlak na zrkadlovom povrchu pod uhlom sa vypočíta pomocou iného vzorca, ktorý už obsahuje vektorové prvky:
p= ω ((1-k)i+ρi’)cos ϴ
Veličiny p, i, i‘ sú vektory. V tomto prípade k a ρ, ako v predchádzajúcom vzorci, sú koeficienty priepustnosti a odrazu. Nové hodnoty znamenajú nasledovné:
- ω - objemová hustota energie žiarenia;
- i a i‘ sú jednotkové vektory, ktoré ukazujú smer dopadajúceho a odrazeného lúča svetla (určujú smery, pozdĺž ktorých by sa mali sčítať pôsobiace sily);
- ϴ je uhol k normále, pod ktorým svetelný lúč dopadá (a teda sa odráža, pretože povrch je zrkadlový).
Pripomeňme čitateľovi, že normála je kolmá na povrch, takže ak úloha udáva uhol dopadu svetla na povrch, potom ϴ je 90 stupňov mínus daná hodnota.
Aplikácia tlakového javu elektromagnetického žiarenia
Študentovi, ktorý študuje fyziku, sa mnohé vzorce, pojmy a javy zdajú nudné. Pretože učiteľ spravidla hovorí o teoretických aspektoch, ale zriedka môže uviesť príklady výhod určitých javov. Neobviňme z toho školiteľov: počas hodiny sú veľmi limitovaní programom, musia prebrať rozsiahly materiál a ešte majú čas otestovať vedomosti študentov.
Napriek tomu má predmet našej štúdie mnoho zaujímavých aplikácií:
- Teraz takmer každý školák v laboratóriu svojej vzdelávacej inštitúcie môže zopakovať Lebedevov experiment. Ale potom bola zhoda experimentálnych údajov s teoretickými výpočtami skutočným prielomom. Experiment, ktorý sa prvýkrát uskutočnil s 20% chybou, umožnil vedcom na celom svete vyvinúť nové odvetvie fyziky – kvantovú optiku.
- Výroba vysokoenergetických protónov (napríklad na ožarovanie rôznych látok) urýchľovaním tenkých vrstiev laserovým impulzom.
- Zohľadnenie tlaku elektromagnetického žiarenia zo Slnka na povrch objektov v blízkosti Zeme, vrátane satelitov a vesmírnych staníc, umožňuje s väčšou presnosťou korigovať ich obežnú dráhu a zabraňuje pádu týchto zariadení na Zem.
Vyššie uvedené aplikácie už existujú v reálnom svete. Existujú však aj potenciálne príležitosti, ktoré ešte neboli realizované, pretože ľudská technológia ešte nedosiahla požadovanú úroveň. Medzi nimi:
- Solárna plachta. S jeho pomocou by bolo možné premiestňovať pomerne veľké náklady v blízkozemskom a dokonca blízkom slnečnom priestore. Svetlo dáva malý impulz, ale vzhľadom na požadovanú polohu povrchu plachty by bolo zrýchlenie konštantné. Pri absencii trenia stačí získať rýchlosť a doručiť náklad do požadovaného bodu v slnečnej sústave.
- Fotónový motor. Táto technológia môže človeku umožniť prekonať gravitáciu svojej rodnej hviezdy a letieť do iných svetov. Rozdiel je v tom, že slnečné impulzy bude generovať umelo vytvorené zariadenie, napríklad termonukleárny motor.
Správa od administrátora:
Chlapci! Kto sa už dlho chcel učiť angličtinu?
Prejdite na a získajte dve bezplatné lekcie v anglickej jazykovej škole SkyEng!
Študujem tam sám - je to veľmi cool. Existuje pokrok.
V aplikácii sa môžete učiť slová, trénovať počúvanie a výslovnosť.
Pokúsiť sa. Dve lekcie zadarmo pomocou môjho odkazu!
Kliknite
Prúd fotónov (svetla), ktorý pri dopade na povrch vyvíja tlak.
Tok fotónov dopadajúcich na absorbujúci povrch:
Tok fotónov dopadajúcich na zrkadlový povrch:
Tok fotónov dopadajúcich na povrch:
Fyzikálny význam tlaku svetla:
Svetlo je prúd fotónov, potom podľa princípov klasickej mechaniky musia častice pri dopade na teleso naň preniesť hybnosť, inými slovami, vyvinúť tlak
Zariadenie, merania ľahký tlak, bol veľmi citlivý torzný dynamometer (torzná stupnica). Toto zariadenie vytvoril Lebedev. Jeho pohyblivou časťou bol ľahký rám zavesený na tenkom lomovom závite s pripevnenými krídelkami - ľahké a čierne kotúče s hrúbkou do 0,01 mm. Krídla boli vyrobené z kovovej fólie. Rám bol zavesený vo vnútri nádoby, z ktorej sa odčerpával vzduch. Svetlo dopadajúce na krídla vyvíjalo rozdielny tlak na svetlý a čierny kotúč. V dôsledku toho na rám pôsobil krútiaci moment, ktorý skrútil závesný závit. Na určenie ľahkého tlaku sa použil uhol natočenia závitu.
Vo vzorci sme použili:
Sila, ktorou fotón tlačí
Plocha povrchu, na ktorú pôsobí mierny tlak
Hybnosť jedného fotónu
Táto video lekcia je venovaná téme „Ľahký tlak. Lebedevove experimenty. Lebedevove experimenty urobili obrovský dojem vo vedeckom svete, pretože vďaka nim bol prvýkrát zmeraný tlak svetla a bola dokázaná platnosť Maxwellovej teórie. ako sa mu to podarilo? Odpoveď na túto a mnohé ďalšie zaujímavé otázky súvisiace s kvantovou teóriou svetla sa dozviete z tejto fascinujúcej hodiny fyziky.
Téma: Ľahký tlak
Lekcia: Ľahký tlak. Lebedevove experimenty
Hypotézu o existencii svetelného tlaku prvýkrát predložil Johannes Kepler v 17. storočí, aby vysvetlil fenomén chvostov komét, keď lietajú blízko Slnka.
Maxwell na základe elektromagnetickej teórie svetla predpovedal, že svetlo by malo vyvíjať tlak na prekážku.
Vplyvom elektrického poľa vlny elektróny v telesách kmitajú - vzniká elektrický prúd. Tento prúd smeruje pozdĺž intenzity elektrického poľa. Na riadne sa pohybujúce elektróny pôsobí Lorentzova sila z magnetického poľa, nasmerovaná v smere šírenia vĺn - to je ľahká tlaková sila(obr. 1).
Ryža. 1. Maxwellov experiment
Na preukázanie Maxwellovej teórie bolo potrebné zmerať tlak svetla. Tlak svetla prvýkrát zmeral ruský fyzik Pjotr Nikolajevič Lebedev v roku 1900 (obr. 2).
Ryža. 2. Petr Nikolajevič Lebedev
Ryža. 3. Lebedevov prístroj
Lebedevov prístroj (obr. 3) pozostáva zo svetelnej tyče na tenkej sklenenej nite, po okrajoch ktorej sú pripevnené svetelné krídelká. Celé zariadenie bolo umiestnené v sklenenej nádobe, z ktorej sa odčerpával vzduch. Svetlo dopadá na krídla umiestnené na jednej strane tyče. Hodnotu tlaku možno posúdiť podľa uhla natočenia závitu. Ťažkosti s presným meraním tlaku svetla boli spôsobené tým, že nebolo možné odčerpať všetok vzduch z nádoby. Počas experimentu sa začal pohyb molekúl vzduchu spôsobený nerovnomerným zahrievaním krídel a stien nádoby. Krídla nie je možné zavesiť úplne vertikálne. Prúdy ohriateho vzduchu stúpajú nahor a pôsobia na krídla, čo vedie k dodatočným krútiacim momentom. Tiež krútenie nite je ovplyvnené nerovnomerným zahrievaním strán krídel. Strana smerujúca k zdroju svetla sa zahrieva viac ako opačná strana. Molekuly odrazené od teplejšej strany dodávajú krídlu väčšiu hybnosť.
Ryža. 4. Lebedevov prístroj
Ryža. 5. Lebedevov prístroj
Lebedevovi sa podarilo prekonať všetky ťažkosti napriek nízkej úrovni experimentálnej technológie v tom čase. Vzal si veľmi veľké plavidlo a veľmi tenké krídla. Krídlo pozostávalo z dvoch párov tenkých platinových kruhov. Jeden z kruhov každého páru bol lesklý na oboch stranách. Ostatné strany mali jednu stranu pokrytú platinou niello. Okrem toho sa oba páry kruhov líšili hrúbkou.
Aby sa vylúčili konvekčné prúdy, Lebedev nasmeroval lúče svetla na krídla z jednej alebo druhej strany. Tým boli sily pôsobiace na krídla vyrovnané (obr. 4-5).
Ryža. 6. Lebedevov prístroj
Ryža. 7. Lebedevov prístroj
Tak bol dokázaný a zmeraný tlak svetla na pevné látky (obr. 6-7). Hodnota tohto tlaku sa zhodovala s Maxwellovým predpovedaným tlakom.
O tri roky neskôr sa Lebedevovi podarilo uskutočniť ďalší experiment – zmerať tlak svetla na plyny (obr. 8).
Ryža. 8. Zariadenie na meranie tlaku svetla na plyny
Lord Kelvin: "Možno viete, že celý život som bojoval s Maxwellom, nerozpoznal som jeho ľahký tlak, a teraz ma váš Lebedev prinútil, aby som sa vzdal jeho experimentom."
Vznik kvantovej teórie svetla umožnil jednoduchšie vysvetliť príčinu tlaku svetla.
Fotóny majú hybnosť. Keď ich telo absorbuje, prenesú do neho svoj impulz. Takúto interakciu možno považovať za úplne neelastický dopad.
Sila, ktorou na povrch pôsobí každý fotón, je:
Ľahký tlak na povrch:
Interakcia fotónu so zrkadlovým povrchom
V prípade tejto interakcie sa získa absolútne elastická interakcia. Keď fotón dopadá na povrch, odráža sa od neho s rovnakou rýchlosťou a hybnosťou, s akou dopadol na tento povrch. Zmena hybnosti bude dvakrát väčšia ako pri dopade fotónu na čierny povrch, tlak svetla sa zdvojnásobí.
V prírode neexistujú žiadne látky, ktorých povrch by úplne absorboval alebo odrážal fotóny. Preto na výpočet tlaku svetla na skutočné telesá je potrebné vziať do úvahy, že časť fotónov toto teleso pohltí a časť sa odrazí.
Lebedevove experimenty možno považovať za experimentálny dôkaz, že fotóny majú hybnosť. Hoci je svetelný tlak za normálnych podmienok veľmi nízky, jeho účinok môže byť významný. Na základe tlaku Slnka bola pre vesmírne lode vyvinutá plachta, ktorá im umožní pohybovať sa v priestore pod tlakom svetla (obr. 11).
Ryža. 11. Plachta vesmírnej lode
Tlak svetla podľa Maxwellovej teórie vzniká v dôsledku pôsobenia Lorentzovej sily na elektróny vykonávajúce oscilačné pohyby pod vplyvom elektrického poľa elektromagnetickej vlny.
Z pohľadu kvantovej teórie vzniká svetelný tlak ako výsledok interakcie fotónov s povrchom, na ktorý dopadajú.
Výpočty, ktoré vykonal Maxwell, sa zhodovali s výsledkami, ktoré vytvoril Lebedev. To jasne dokazuje kvantovo-vlnový dualizmus svetla.
Crookesove experimenty
Lebedev bol prvý, kto experimentálne objavil ľahký tlak a dokázal ho zmerať. Experiment bol neskutočne náročný, no existuje vedecká hračka – Crookesov experiment (obr. 12).
Ryža. 12. Crookesov experiment
Malá vrtuľa pozostávajúca zo štyroch okvetných lístkov je umiestnená na ihle, ktorá je pokrytá skleneným uzáverom. Ak túto vrtuľu osvetlíte svetlom, začne sa otáčať. Pri pohľade na túto vrtuľu pod holým nebom, keď na ňu fúka vietor, by jej rotácia nikoho neprekvapila, no v tomto prípade sklenený kryt bráni pôsobeniu prúdov vzduchu na vrtuľu. Preto je príčinou jeho pohybu svetlo.
Prvý náhodne vytvoril anglický fyzik William Crookes ľahká rotačka.
V roku 1873 sa Crookes rozhodol určiť atómovú hmotnosť prvku Tália a odvážiť ho na veľmi presných váhach. Aby náhodné prúdy vzduchu neskresľovali obraz váženia, Crookes sa rozhodol zavesiť vahadlá do vákua. Urobil to a bol ohromený, pretože jeho najtenšie šupiny boli citlivé na teplo. Ak bol zdroj tepla pod objektom, znížil jeho hmotnosť, ak bol nad objektom, zvýšil ho.
Po zlepšení tejto náhodnej skúsenosti prišiel Crookes s hračkou - rádiometrom (svetlým mlynom). Crookesov rádiometer je štvorlopatkové obežné koleso vyvážené na ihle vo vnútri sklenenej banky pod miernym vákuom. Keď svetelný lúč zasiahne lopatku, obežné koleso sa začne otáčať, čo sa niekedy nesprávne vysvetľuje ľahkým tlakom. V skutočnosti je príčinou krútenia rádiometrický efekt. Vznik odpudivej sily v dôsledku rozdielu v kinetických energiách molekúl plynu dopadajúcich na osvetlenú (ohrievanú) stranu čepele a opačnú neosvetlenú (chladnejšiu) stranu.
- Tlak svetla a tlak okolností ().
- Piotr Nikolajevič Lebedev ().
- Crookesov rádiometer ().
Ukazuje sa, že tlak môžu vytvárať nielen pevné látky, kvapaliny a plyny. Ľahké elektromagnetické žiarenie, ktoré dopadá na povrch tela, naň tiež vyvíja tlak.
Teória ľahkého tlaku
Johannes Kepler
Prvýkrát sa predpokladalo, že existuje mierny tlak Nemecký vedec Johannes Kepler v 17. storočí. Pri štúdiu správania komét letiacich v blízkosti Slnka si všimol, že chvost kométy sa vždy odchyľuje v smere opačnom k Slnku. Kepler teoretizoval, že táto odchýlka bola nejako spôsobená vystavením slnečnému žiareniu.
Teoretická existencia ľahkého tlaku bola predpovedaná v 19. storočí Britský fyzik James Clerk Maxwell, ktorý vytvoril elektromagnetickú teóriu a tvrdil, že svetlo je tiež elektromagnetické vibrácie a malo by vyvíjať tlak na prekážky.
James Clerk Maxwell
Svetlo je elektromagnetické vlnenie. Vytvára elektrické pole, pod vplyvom ktorého oscilujú elektróny v tele, s ktorým sa stretnete na svojej dráhe. V tele sa objavuje elektrický prúd smerujúci pozdĺž intenzity elektrického poľa. Magnetické pole pôsobí na elektróny Lorentzova sila. Jeho smer sa zhoduje so smerom šírenia svetelnej vlny. Táto sila je ľahká tlaková sila .
Podľa Maxwellových výpočtov vytvára slnečné svetlo na čiernu platňu umiestnenú na Zemi tlak určitej hodnoty (p = 4 · 10 -6 N/m 2 ). A ak namiesto čiernej dosky vezmete reflexnú, potom bude svetelný tlak 2-krát väčší.
Ale to bol len teoretický predpoklad. Na dokázanie bolo potrebné teóriu potvrdiť praktickým experimentom, teda zmerať hodnotu tlaku svetla. Ale keďže jeho hodnota je veľmi malá, je veľmi ťažké to urobiť v praxi.
Piotr Nikolajevič Lebedev
V praxi sa to robilo Ruský experimentálny fyzik Piotr Nikolajevič Lebedev. Experiment, ktorý vykonal v roku 1899, potvrdil Maxwellov predpoklad, že na pevné látky existuje ľahký tlak.
Lebedevova skúsenosť
Schematické znázornenie Lebedevovho experimentu
Na vykonanie svojho experimentu Lebedev vytvoril špeciálne zariadenie, ktorým bola sklenená nádoba. Vo vnútri nádoby bola umiestnená svetelná tyč na tenkej sklenenej nite. Na okraje tejto tyče boli pripevnené tenké, ľahké krídelká z rôznych kovov a sľudy. Z nádoby bol odčerpaný vzduch. Pomocou špeciálnych optických systémov pozostávajúcich zo zdroja svetla a zrkadiel smeroval svetelný lúč na krídla umiestnené na jednej strane tyče. Pod vplyvom ľahkého tlaku sa tyč otočila a závit sa skrútil pod určitým uhlom. Veľkosť tlaku svetla bola určená veľkosťou tohto uhla.
Lebedevov prístroj
Tento experiment však nepriniesol presné výsledky. Jeho realizácia mala svoje ťažkosti. Keďže vákuové pumpy v tých časoch neexistovali, používali obyčajné mechanické. A s ich pomocou nebolo možné vytvoriť v nádobe absolútne vákuum. Aj po odčerpaní v ňom zostalo trochu vzduchu. Krídla a steny nádoby boli vyhrievané rôzne. Strana smerujúca k svetelnému lúču sa zahrievala rýchlejšie. A to spôsobilo pohyb molekúl vzduchu. Prúdy teplejšieho vzduchu stúpali nahor. Pretože nie je možné inštalovať krídla absolútne vertikálne, tieto prúdy vytvárali dodatočné krútiace momenty. Okrem toho sa samotné krídla nezahrievali rovnako. Strana smerujúca k zdroju svetla sa zohriala. V dôsledku toho došlo k dodatočnému vplyvu na uhol natočenia závitu.
Aby bol experiment presnejší, Lebedev vzal veľmi veľké plavidlo. Krídlo vyrobil z dvoch párov veľmi tenkých kruhov platiny. Okrem toho sa hrúbka kruhov jedného páru líšila od hrúbky kruhov druhého páru. Na jednej strane tyče boli kruhy z oboch strán lesklé, na druhej strane bola jedna strana pokrytá platinovým niellom. Z jednej alebo druhej strany na ne smerovali lúče svetla, aby vyvážili sily pôsobiace na krídla. V dôsledku toho sa meral ľahký tlak na krídla. Experimentálne výsledky potvrdili Maxwellove teoretické predpoklady o existencii ľahkého tlaku. A jeho veľkosť bola takmer rovnaká, ako predpovedal Maxwell.
V rokoch 1907-1910 Pomocou presnejších experimentov Lebedev meral tlak svetla na plyny.
Svetlo, ako každé elektromagnetické žiarenie, má energiu E .
Jeho hybnosť p = E v / c 2 ,
Kde v - rýchlosť elektromagnetického žiarenia,
c - rýchlosť svetla.
Pretože v = s , To p = E/s .
S príchodom kvantovej teórie sa na svetlo začalo pozerať ako na prúd fotónov – elementárnych častíc, kvanta svetla. Pri dopade na teleso naň fotóny prenášajú svoju hybnosť, čiže vyvíjajú tlak.
Solárna plachta
Friedrich Arturovič Zander
Aj keď je miera ľahkého tlaku veľmi malá, napriek tomu môže byť pre človeka prínosom.
Späť v roku 1920 Sovietsky vedec a vynálezca Friedrich Arturovič Zander, jeden z tvorcov prvej rakety na kvapalné palivo, predložil myšlienku letu do vesmíru pomocou solárna plachta . Bola veľmi jednoduchá. Slnečné svetlo sa skladá z fotónov. A vytvárajú tlak a prenášajú svoj impulz na akýkoľvek osvetlený povrch. Preto sa na pohon kozmickej lode môže použiť tlak vytvorený slnečným žiarením alebo laserom na zrkadlovom povrchu. Takáto plachta nevyžaduje raketové palivo a jej trvanie je neobmedzené. A to umožní prepraviť viac nákladu v porovnaní s bežnou kozmickou loďou s prúdovým motorom.
Solárna plachta
Ale zatiaľ ide len o projekty na vytvorenie hviezdnych lodí so solárnou plachtou ako hlavným motorom.