На какую поверхность свет производит большее давление
Содержание статьи
Давление электромагнитного излучения
Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.
История[править | править код]
Схематическое изображение опыта Лебедева
Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролёте их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того, поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.
Путём попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907-1910 гг., Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией[1].
Вычисление[править | править код]
В отсутствие рассеяния[править | править код]
Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:
,
где — интенсивность падающего излучения; — скорость света, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения.
Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет около 9 мкН/м²=9 микропаскалей, или 9⋅10−11 атм[2].
Если свет падает под углом θ к нормали, то давление можно выразить формулой:
,
где — объёмная плотность энергии излучения, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения, — единичный вектор в направлении падающего пучка, — единичный вектор в направлении отражённого пучка.
Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна
.
Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна
.
Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно
.
При рассеянии[править | править код]
Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:
где — интенсивность падающего излучения, — коэффициент диффузного пропускания, — альбедо.
Вывод[править | править код]
Найдём импульс, уносимый электромагнитной волной от ламбертова источника. Полная светимость ламбертова источника, как известно, равна
,
где — сила света в направлении нормали.
Отсюда сила света под произвольным углом к нормали, по закону Ламберта, равна
.
Энергия, излучаемая в элемент телесного угла, имеющий вид сферического кольца, равна
.
Для определения импульса, уносимого излучением, нужно учитывать только его нормальную составляющую, так как в силу поворотной симметрии все тангенциальные составляющие взаимно компенсируются:
.
Отсюда
.
Для рассеянного обратно излучения и .
Для излучения, прошедшего сквозь пластинку, и (минус возникает из-за того, что это излучение направлено вперёд).
Складывая давление, создаваемое падающим и обоими видами рассеянного излучения, получаем искомое выражение.
В случае, когда отражённое и пропущенное излучение является частично направленным и частично рассеянным, справедлива формула:
где I — интенсивность падающего излучения, k — коэффициент направленного пропускания, K — коэффициент диффузного пропускания, ρ — коэффициент направленного отражения, A — альбедо рассеяния.
Давление фотонного газа[править | править код]
Изотропный фотонный газ, имеющий плотность энергии u, оказывает давление:
В частности, если фотонный газ является равновесным (излучение абсолютно чёрного тела) с температурой T, то его давление равно:
где σ — постоянная Стефана — Больцмана.
Физический смысл[править | править код]
Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.
В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.
Корпускулярное описание[править | править код]
Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.
Волновое описание[править | править код]
С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.
Применение[править | править код]
Космические двигатели[править | править код]
Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов[1], а в более отдалённом будущем — фотонный двигатель.
Ядерная физика[править | править код]
В настоящее время[когда?] широко обсуждается возможность ускорения световым давлением, создаваемым сверхсильными лазерными импульсами, тонких (толщиной от 5 до 10 нм) металлических плёнок с целью получения высокоэнергичных протонов[5].
См. также[править | править код]
- Давление звукового излучения
- Радиометр Крукса
- Пондеромоторная сила
Примечания[править | править код]
- ↑ 1 2 Давление света // Физическая энциклопедия. — М., «Советская энциклопедия», 1988. — Т. 1. — С. 553-554.
- ↑ A. Bolonkin. High Speed AB-Solar Sail (англ.). — 2007. — arXiv:physics/0701073.
- ↑ Georgevic, R. M. (1973) «The Solar Radiation Pressure Forces and Torques Model», The Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 27, No. 1, Jan-Feb. First known publication describing how solar radiation pressure creates forces and torques that affect spacecraft.
- ↑ Wright, Jerome L. (1992), Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers
- ↑ T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, G. Mourou, and T. Tajima. Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2004. — Vol. 92. — P. 175003.
Литература[править | править код]
- Lebedew P., Untersuchungen liber die Dnickkräfte des Lichtes, «Annalen der Physik», 1901, fasc. 4, Bd 6, S. 433-458. DOI: https://dx.doi.org/10.1002/andp.19013111102;
- Лебедев П. Н., Избр. соч., М. — Л., 1949
- Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957;
- Свет, вещество, электромагнитное поле, гравитация [1]
Источник
Давление света
Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения звучит так: электромагнитное излучение (и в частности свет) — это поток частиц, называемых фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения взаимодействия, с = 3·108 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой
Обратите внимание: формула (2.7.1) связывает корпускулярную характеристику электромагнитного излучения, энергию фотона, с волновыми характеристиками — частотой и длиной волны. Она представляет собой мостик между корпускулярной и волновой теориями. Существование этого мостика неизбежно, так как и фотон, и электромагнитная волна — это всего-навсего две модели одного и того же реально существующего объекта — электромагнитного излучения. Всякая движущаяся частица (корпускула) обладает импульсом, причём согласно теории относительности энергия частицы Е и ее импульс p связаны формулой
где — энергия покоя частицы. Так как энергия покоя фотона равна нулю, то из (2.7.2) и (2.7.1) следуют две очень важные формулы:
Обратимся теперь к явлению светового давления. Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу (рис. 2.10).
Рис. 2.10 Вычислим величину светового давления. На тело площадью S падает световой поток с энергией , где N — число квантов (рис. 2.11).
Рис. 2.11 KN квантов отразится от поверхности; (1 — K)N- поглотится (рис. 2.10), K- коэффициент отражения. Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:
Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:
т.к. . В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:
Т.к. фотон обладает импульсом, то импульс, переданный телу за одну секунду, есть сила давления — сила, отнесенная к единице поверхности. Тогда давление , или где J — интенсивность излучения. Т. е. давление света можно рассчитать:
· если тело зеркально отражает, то K = 1 и · если полностью поглощает (абсолютно черное тело), то K = 0 и , т.е. световое давление на абсолютно черное тело в два раза меньше, чем на зеркальное. Итак, следующее из корпускулярной теории заключение, что световое излучение оказывает давление на материальные предметы, причем величина давления пропорциональна интенсивности излучения, прекрасно подтверждается в экспериментах. Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты» (рис. 2.12).
Рис. 2.12 Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке: Красная граница фотоэффекта. Фотоэффект. Распределение энергии в сплошном спектре. |
Источник
Солнечный парус. Давление света
Впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером в XVII веке.
Иоганн Кеплер (1571 — 1630)
Изучая поведение комет, пролетающих вблизи Солнца, он обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что каким-то образом это отклонение вызывается воздействием солнечных лучей.
Джеймс Клерк Максвелл (1831 — 1879)
Максвелл исходил из того, что свет — это электромагнитная волна. Она создаёт электрическое поле, под действием которого электроны в теле, встречающиеся на её пути, совершают колебания. В теле возникает электрический ток, направленный вдоль напряжённости электрического поля. Со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца. Её направление совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила и есть сила светового давления.
По расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину давление определённой величины (р = 4 ·10⁻⁶ Н/м²). А если вместо чёрной пластины взять светоотражающую, то световое давление будет в 2 раза больше.
Но это было всего лишь теоретическое предположение. Чтобы доказать его, нужно было подтвердить теорию практическим экспериментом, то есть измерить величину светового давления. Но так как его величина очень мала, то практически сделать это чрезвычайно сложно.
На практике этот сложный эксперимент осуществил русский физик-экспериментатор Пётр Николаевич Лебедев.
Пётр Николаевич Лебедев (1866 — 1912)
Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.
Схематичное изображение эксперимента Лебедева
Для проведения своего опыта Лебедев создал специальный прибор, который представлял собой стеклянный сосуд. Внутрь сосуда помещался лёгкий стерженёк на тонкой стеклянной нити. По краям этого стерженька были прикреплены тонкие лёгкие крылышки из различных металлов и слюды. Из сосуда выкачивался воздух. С помощью специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.
Лебедеву удалось измерить давление света и показать, что давление, оказываемое светом на блестящее крылышко, в два раза больше давления на черное крылышко. Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл.
Давление света одинаково успешно объясняется как волновой, так и квантовой теорией света.
С точки зрения квантовой теории световое давление объясняется передачей импульса фотона поглощающей или отражающей стенке. Пусть в единицу времени на единицу площади тела падает n фотонов. Если коэффициент отражения света от поверхности тела равен R, то Rn фотонов отражается, а (1 — R) n поглощается. Каждый отраженный фотон передает стенке импульс 2hν/с (при отражении импульс hν/с фотона меняется на -hν/с). Каждый поглощенный фотон передает стенке свой импульс hν/с. Таким образом, давление света на поверхность равно импульсу, который передают единичной площади в единицу времени все n фотонов:
р = 2hνRn/с + hν(1- R)n/с ,
или р = nhν (1+ R)/с = I (1+ R)/с = w (1+ R),
где I = nhν — интенсивность света; w = I/c — объемная плотность энергии падающего излучения.
Задача
Интенсивность солнечного излучения на земной орбите равна примерно
I = W/S ≈ 1.4 кВт/м². Какое давление создаёт свет Солнца, нормально падающий на зеркальную поверхность, на орбите Земли. Определить при этом силу давления F, испытываемую зеркальной поверхностью солнечного паруса площадью S = 200 м².
Несмотря на то, что величина светового давления очень мала, тем не менее, световое давление может принести пользу человеку.
Идея полётов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру.
Фридрих Артурович Цандер (1887 — 1933)
Фридрих Артурович Цандер, один из создателей первой ракеты на жидком топливе, выдвинул идею полетов в космос с помощью солнечного паруса. Она была очень проста. Солнечный свет состоит из фотонов. А они создают давление, передавая свой импульс любой освещённой поверхности. Следовательно, для того чтобы привести в движение космический аппарат, можно использовать давление, создаваемое солнечным светом или лазером на зеркальной поверхности. Такой парус не нуждается в ракетном топливе, и время его действия не ограничено. А это позволит взять больше груза по сравнению с обычным космическим кораблём с реактивным двигателем.
Солнечный парус
Несмотря на малую величину, давление света часто рассматривается в серьёзных и фантастических проектах, как движитель в космических полётах. Потенциальная выгода от такого движителя заключается в отсутствии необходимости расходовать ресурсы космического корабля — солнечный свет в этом смысле является «бесплатным» ресурсом, неограниченным во времени. Поэтому в некоторых случаях такой движитель представляет потенциальный интерес.
Советскими учёными в феврале 1993 года на корабле «Прогресс-М15» был проведен уникальный эксперимент «Знамя-2» по развертыванию крупногабаритного экрана, солнечного паруса. Проект «Знамя» решал две задачи: на время создать искусственное освещение для планеты и проверить работу солнечного паруса. «Знамя-2» мог стать прототипом фотонного двигателя — космического паруса.
Солнечный парус проекта «Знамя»
В 2012 году был проведён ряд опытов по развёртыванию «солнечного паруса» («Nanosail-D2» НАСА, запущен 20.11.2010). Давление солнечного излучения на солнечные батареи использовалось зондом «Messenger» (запущен 3 августа 2004) во время полёта к Меркурию для коррекции орбиты.
Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Космический аппарат IKAROS
IKAROS представляет собой космический парусник, который способен двигаться от давления солнечного света. Задачей-минимум миссии было развернуть в космосе гигантский парус, сторона которого равна 14 метрам, а толщина — 7,5 микрона — тоньше человеческого волоса. Задача-максимум состояла в том, чтобы научить парусник регулировать скорость и направление в зависимости от солнечного излучения. IKAROS успешно выполнил обе эти задачи.
Спасибо за внимание! Ставьте лайки и подписывайтесь 🙂
Источник