1. тиск світла Подробиці Опубліковано 05.12.2014 12:08 Переглядів: 10691 Виявляється, тиск можуть...
2. досвід Лебедєва
3. сонячне вітрило

тиск світла

Подробиці Опубліковано 05.12.2014 12:08 Переглядів: 10691

Виявляється, тиск можуть створювати не тільки тверді тіла, рідини і гази. Пáдая на поверхню тіла, світлове електромагнітне випромінювання також надає на неї тиск.

Теорія світлового тиску

Йоганн Кеплер

Вперше припущення про те, що тиск світла існує, було зроблено німецьким вченим Йоганном Кеплером в XVII столітті. Вивчаючи поведінку комет, що пролітають поблизу Сонця, він звернув увагу на те, що хвіст комети завжди відхиляється в сторону, протилежну Сонцю. Кеплер припустив, що якимось чином це відхилення викликається впливом сонячних променів.

Теоретично існування світлового тиску було передбачене в XIX столітті британським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом, який створив електромагнітну теорію і який стверджував, що світло - це також електромагнітні коливання, і він повинен чинити тиск на перешкоди.

Джеймс Клерк Максвелл

Світло - це електромагнітна хвиля. Вона створює електричне поле, під дією якого електрони в тілі, зустрічається на її шляху, здійснюють коливання. У тілі виникає електричний струм, спрямований уздовж напруженості електричного поля. З боку магнітного поля на електрони діє сила Лоренца. Її напрямок збігається з напрямком поширення світлової хвилі. Ця сила і є сила світлового тиску.

За розрахунками Максвелла, сонячне світло виробляє на чорну пластину, розташовану на Землі, тиск певної величини (р = 4 · 10-6 Н / м2). А якщо замість чорної пластини взяти светоотражающую, то світлове тиск буде в 2 рази більше.

Але це було всього лише теоретичне припущення. Щоб довести його, потрібно було підтвердити теорію практичним експериментом, тобто виміряти величину світлового тиску. Але так як його величина дуже мала, то практично зробити це надзвичайно складно.

Петро Миколайович Лебедєв

На практиці це здійснив російський фізик-експериментатор Петро Миколайович Лебедєв. Досвід, проведений ним в 1899 р, підтвердив припущення Максвелла про те, що світлове тиск на тверді тіла існує.

досвід Лебедєва

Схематичне зображення експерименту Лебедєва

Для проведення свого досвіду Лебедєв створив спеціальний прилад, який представляв собою скляну посудину. Всередину судини містився легкий стерженёк на тонкій скляній нитки. По краях цього стерженька були прикріплені тонкі легкі крильця з різних металів і слюди. З судини викачували повітря. За допомогою спеціальних оптичних систем, що складаються з джерела світла і дзеркал, пучок світла прямував на крильця, розташовані з одного боку стерженька. Під впливом світлового тиску стерженёк повертався, і нитка закручувалася на якийсь кут. За величиною цього кута і визначали величину світлового тиску.

прилад Лебедєва

Але цей експеримент не давав точних результатів. При його проведенні існували свої складності. Так як вакуумних насосів в ті часи не існувало, користувалися звичайними механічними. А з їх допомогою в посудині неможливо було створити абсолютний вакуум. Навіть після відкачування в ньому залишалося деяку кількість повітря. Крильця і ​​стінки судини нагрівалися неоднаково. Сторона, звернена до світлового променя, нагрівалася швидше. І це викликало рух молекул повітря. Наверх піднімалися потоки більш нагрітого повітря. Так як абсолютно вертикально крильця встановити неможливо, то ці потоки створювали додаткові крутний момент. Крім того, самі крильця нагрівалися неоднаково. Сторона, звернена до джерела світла, нагрівалася сильніше. В результаті виявлялося додатковий вплив на кут повороту нитки.

Щоб зробити експеримент більш точним, Лебедєв взяв посудину дуже великого обсягу. Крильце він зробив з двох пар дуже тонких кружечків з платини. Причому товщина кружечків однієї пари відрізнялася від товщини кружечків іншої пари. По один бік стерженька кружечки були блискучими з обох сторін, по іншу - одну зі сторін покрили платинової черню. Пучки світла прямували на них то з одного, то з іншого боку, щоб врівноважити сили, що діють на крильця. В результаті тиск світла на крильця було виміряно. Результати досвіду підтвердили теоретичні припущення Максвелла про існування світлового тиску. А його величина була майже такою ж, як і передбачив Максвелл.

У 1907 - 1910 р.р. за допомогою більш точних експериментів Лебедєв виміряв тиск світла на гази.

Світло, як будь-який електромагнітне випромінювання, володіє енергією Е.

Його імпульс р = E v / c2,

де v - швидкість електромагнітного випромінювання,

c - швидкість світла.

Так як v = с, то р = E / с.

З появою квантової теорії світло стали розглядати як потік фотонів - елементарних частинок, квантів світла. Вдаряючись об тіло, фотони передають йому свій імпульс, тобто чинять тиск.

сонячне вітрило

Фрідріх Артурович Цандер

Хоч величина світлового тиску дуже мала, проте, воно може принести користь людині.

Ще в 1920 р радянський вчений і винахідник Фрідріх Артурович Цандер, один з творців першої ракети на рідкому паливі, висунув ідею польотів в космос за допомогою сонячного вітрила. Вона була дуже проста. Сонячне світло складається з фотонів. А вони створюють тиск, передаючи свій імпульс будь-освітленій поверхні. Отже, для того щоб привести в рух космічний апарат, можна використовувати тиск, що створюється сонячним світлом або лазером на дзеркальній поверхні. Таке вітрило не потребує ракетному паливі, і час його дії не обмежена. А це дозволить взяти більше вантажу в порівнянні зі звичайним космічним кораблем з реактивним двигуном.

сонячне вітрило

Але поки що це тільки проекти зі створення зорельотів з сонячним вітрилом в якості основного двигуна.