В каком случае давление света больше
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
Световое давление
С какой силой свет давит на предметы, которые он освещает? Почему мы не чувствуем эту силу? Как её можно применить? За счёт чего возникает давление света? В этой статье вы найдёте ответы на эти вопросы.
Учёные в различных случаях описывают свет двумя разными моделями. При распространении свет представляют как электромагнитную волну, а при взаимодействии с предметами — как маленькие частицы (корпускулы). Эти частицы назвали фотонами. Различные интерпретации света назвали корпускулярно-волновым дуализмом. Это значит, что, если мы хотим описать как свет распространяется в пространстве (например, опыт Юнга с интерференцией света), то мы считаем свет электромагнитной волной. Но, если мы хотим описать взаимодействие света с веществом (например, внешний фотоэффект), то мы считаем свет потоком корпускул, а точнее фотонов.
А теперь представьте такую ситуацию: мячик для пинг-понга бросают сначала в бетонную стену, затем в стену, покрытую очень липким веществом. В первом случае мяч отскочит от стены почти с такой же скоростью, с какой об неё ударился, а во втором случае — прилипнет к стене. В каком из этих случаев стена «оттолкнёт» мячик с большей силой? Естественно, когда стена будет бетонной. Ведь в этом случае она не только должна остановить мячик, но и «запустить» его назад. Так как сила действия равна силе противодействия, то и мячик будет на бетонную стену действовать сильнее, чем на липкую.
Теперь проведём небольшой мысленный опыт. Представим перекладину, которая сможет вращаться вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости (смотрите рисунок).
На неё по бокам повесим две круглые пластины. Одна — бетонная, вторая — липкая. Бросим одновременно в эти пластины по мячику. Так как силы удара будут разные для пластин, перекладина начнёт вращаться вокруг вертикальной оси. По её скорости вращения и по веществу пластин можно будет судить о величине сил удара. Так же поступал и великий учёный П.Н. Лебедев в своём реальном эксперименте. Только вместо мячиков он использовал свет (при взаимодействии с веществом свет описывают как поток фотонов), вместо перекладины — очень лёгкое серебряное коромысло, вместо бетонной пластины — очень лёгкое зеркальное крылышко, а вместо липкой пластины — очень лёгкое матовое крылышко. Зеркальное крылышко отталкивало назад свет, а матовое — просто его останавливало. Зная коэффициенты отражения для двух поверхностей и скорость вращения коромысла, Лебедев оценил давление света. Давление света можно рассчитать по формуле:
где J — интенсивность света, r — коэффициент отражения света, с — скорость света в вакууме. Для зеркальных поверхностей r = 1, при полном поглощении (для абсолютно черного тела) r = 0.
Заметить в обычных условиях давление света невозможно, потому что оно слишком мало. Так, сила, с которой свет Солнца действует на всю освещаемую поверхность нашей планеты, в десять тысяч миллиардов раз меньше силы, с которой Солнце притягивает к себе Землю. Свет давит на нашу планету с силой тяжести 60000 тонн. Давление света на Землю (сила, приходящаяся на 1 метр квадратный в системе СИ) — одна миллионная Паскаля. Для сравнения, давление атмосферное = 101000 Паскаль.
Вы скажете: «Зачем тогда вообще измерять настолько малые величины? Как давление света можно применить?». С теоретической точки зрения факт существования давления света является доказательством истинности некоторых утверждений электромагнитной теории света, а также подтверждает существование релятивистской массы света. А вот применение давления света можно найти в космических перелётах. Оказывается, если космический корабль с солнечным парусом начнёт своё путешествие от нашей планеты, то за несколько месяцев он достигнет Марса и Юпитера. И всё это только за счёт Солнца. Для этого потребуется солнечный парус, квадратный метр площади которого должен весить меньше 1 грамма. Его общая площадь должна быть около 1 км квадратного. Тогда у паруса будет ускорение 1 мм на секунду в квадрате. Оно мало, но за полгода скорость паруса достигнет скорости Вояджера-1, а это 17 км/сек.
Таким образом, единственной проблемой применения солнечных парусов в качестве бесплатного космического транспорта является его большие размеры и маленькая масса. Нужны новые материалы, способные решить эту проблему. Если вместо света Солнца использовать свет искусственных мощных лазеров, можно достигнуть ещё больших скоростей паруса при больших значениях его массы. Именно поэтому солнечные паруса рассматриваются учёными как лучшее средство для путешествий в космосе.
© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Остались вопросы?
Задайте свой вопрос и получите ответ от профессионального преподавателя.
Источник
Оказывает ли свет давление? Как это доказать?
Независимо от того, с корпускулярной или волновой точки зрения рассматривать свет, вывод о давлении света на поверхность не вызывает сомнения. Я тоже уверен в том, что свет оказывает давление на облучаемую поверхность. Но я не знаю, как это доказать.
Самым надежным доказательством того, что свет имеет импульс, был бы звездолёт с фотонным двигателем. Но это дело далёкого будущего. В настоящее время можно построить только солнечный парус. Это лёгкая конструкция, имеющая отражающую поверхность большой площади. Такое устройство может применяться в качестве двигателя, использующего энергию Солнца. Но проблема заключается в том, что даже успешное применение солнечного паруса для передвижения космических аппаратов не доказывает давление света. Дело в том, что помимо светового излучения, Солнце излучает большой поток ионизированных частиц, в основном гелиево-водородной плазмы, истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/сек в окружающее космическое пространство (https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечный_ветер). Действие этого солнечного ветра может быть намного значительнее, чем световое давление. Это аналогично тому, что если парусник движется по морской поверхности кормой к солнцу, то это не означает, что он движется под воздействием солнечного света.
Солнечный парус
Солнечный парус
Но свет, безусловно, воздействует на поверхность тел. Если поверхность тела чёрная, то свет будет поглощаться этой поверхностью. Если поверхность зеркальная, то свет будет полностью отражаться от неё. Правильнее сказать, что всё происходит наоборот. Если свет поглощается, то поверхность будет называться чёрной. А если свет отражается, то она будет зеркальной. В любом случае, взаимодействие света с поверхностью будет зависеть от свойств этой поверхности. И это можно продемонстрировать экспериментально. В 1874 году английский химик и физик Уильям Крукс построил устройство, которое получило название радиометр Крукса. Это устройство представляет собой лёгкую четырёхлопастную крыльчатку, установленную на иглу в стеклянной колбе, в которой находится очень разряжённый воздух. Одна сторона лопасти зачернена, а другая имеет зеркальную поверхность. Поэтому при освещении колбы источником света лопасти приходят в быстрое вращение (https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиометр_Крукса).
Радиометр Крукса
Радиометр Крукса
Сам Крукс объяснял этот эффект давлением света на поверхность лопастей. Это объяснение первоначально поддерживал Джеймс Максвелл, который предсказал существование силы света. Я полагаю, что ему было очень приятно, что его теоретические предсказания получили наглядное и убедительное подтверждение. Но лишь спустя два (!) года, физики заметили, что лопасти в радиометре Крукса вращаются в направлении, противоположном тому, которое предсказывается теорией Максвелла. Действительно, луч света, падающий на чёрную поверхность, передаёт ей определённый импульс. Луч света, который падает на зеркальную поверхность и отражается от неё, передаёт ей двойной импульс. То есть на зеркальную поверхность свет давит вдвое сильнее. Поэтому лопасти должны вращаться тёмной стороной вперёд. Но на практике они вращаются зеркальной стороной вперёд. Это явление поставило физиков в тупик.
Многие известные физики предложили своё теоретическое объяснение этого явления. Всё дело в том, что кроме давления света, на работу устройства оказывают влияние более значимые эффекты. Они обусловлены наличием разряженного воздуха в колбе. Свет падает на лопасти и нагревает их в различной степени. Рейнольдс предположил, что существуют потоки частиц внутри пористой пластинки, у которой отличается температура поверхностей. Эти внутренние потоки газа вызывают вращение пластинок. Эйнштейн объяснял вращение тем, что молекулы газа, ударившиеся о темную сторону лопасти, будут забирать часть её тепла, отскакивая с увеличенной скоростью. Поэтому отражение частиц воздуха от чёрной поверхности будет отличаться от отражения частиц воздуха от зеркальной поверхности. Что приведёт к вращению лопастей. Безусловно, эти эффекты присутствуют. Но какой из них играет более важную роль? А может существуют другие, более существенные эффекты? Физики не ответили на эти вопросы до сих пор.
Русский физик Лебедев в 1901 году показал, что вращение лопастей вызвано наличием воздуха. Он применил более совершенные вакуумные насосы для откачивания воздуха. Оказалось, что в более разряженной среде лопасти не вращаются при облучении светом. Не вращаются совсем. То есть давления света не хватает для преодоления силы трения и заметного вращения лопастей. Лебедев смог усовершенствовать установку и провести эксперименты по изучению давления света.
Лебедев при помощи виртуозных, хотя и выполненных скромными средствами опытов подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света на твёрдые тела.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лебедев,_Пётр_Николаевич
Это окончательно убедило всех в том, что свет оказывает давление. Это настолько очевидно, что и проверять никто не стал. А нам остаётся ждать разработки фотонных двигателей для звездолётов.
Можно подвести итог, что:
1. Не все очевидные утверждения можно легко доказать.
2. Не всегда первое пришедшее в голову и очевидное объяснение является правильным.
3. Объяснить можно хоть что, если известен ответ.
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