Crookes radiometri

Crookes-radiometri (tai Crookes-spinner ) - nelilapainen juoksupyörä, joka on tasapainotettu neulan päällä lasipullon sisällä pienellä tyhjiöllä. Kun valonsäde osuu terään, juoksupyörä alkaa pyöriä, mikä joskus selittyy väärin kevyellä paineella .

Itse asiassa syy pyörimiseen on radiometrinen vaikutus  - hylkivän voiman esiintyminen, joka johtuu terän valaistulle, lämmitetylle puolelle ja vastakkaiselle, kylmemmälle puolelle osuvien kaasumolekyylien kineettisten energioiden eroista. [1] Terien pyörimisen syy on historiallisesti ollut paljon tieteellisen keskustelun aiheena. [2] [3]

Englantilainen fyysikko ja kemisti William Crookes havaitsi ja rakensi tämän vaikutuksen radiometrillä (levysoittimella) vuonna 1874 , joka eräässä aineiden erittäin tarkkaa punnitsemista vaatineesta tutkimuksesta huomasi, että osittain harvinaisessa kammiossa tuleva auringonsäteet vaikutti tasapainoon. Tätä vaikutusta tutkiessaan hän loi hänen mukaansa nimetyn laitteen. P. N. Lebedev mittasi vuonna 1901 kevyen paineen voiman kiinteään kappaleeseen, kun hän onnistui pääsemään eroon radiometrisestä vaikutuksesta erittäin hienovaraisten kokeiden aikana.

Yleinen kuvaus

Radiometri koostuu lasikumpusta, josta suurin osa ilmasta on poistettu ( osityhjiössä ). Pullon sisällä matalakitkaisella karalla on useita (yleensä neljä) pystysuoraa kevytmetalliterää , jotka sijaitsevat samalla etäisyydellä pyörimisakselista. Toisaalta terät on joko kiillotettu tai maalattu valkoisella maalilla, toisaalta - mustalla. Altistuessaan auringonvalolle, keinovalolle tai infrapunasäteilylle (jopa käsien lämpö saattaa olla riittävä), terät alkavat pyöriä ilman näkyvää käyttövoimaa: pimeät puolet siirtyvät pois säteilyn lähteestä ja vaaleat puolet lähestyvät. Radiometrin jäähdyttäminen aiheuttaa pyörimisen vastakkaiseen suuntaan.

Vaikutus alkaa ilmaantua useiden satojen pascalien tyhjiön osapaineessa , huipussaan noin 1 Pa :ssa ja häviää, kun alipaine saavuttaa 10 -4 Pa. Näin suurella tyhjiöllä fotonisäteilyn painetta teriin voidaan havaita erittäin herkissä instrumenteissa (katso Nicholsin radiometri ), mutta ei tarpeeksi saamaan ne pyörimään.

Laitteen nimen "radio-" tulee latinan sanasta radius, joka tarkoittaa "sädettä"; tässä tapauksessa tarkoitamme sähkömagneettista säteilyä . Näin ollen Crookes-radiometriä voidaan käyttää laitteena, joka mittaa sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta häiritsemättä itse mittausta. Se voi suorittaa tällaisen toiminnon esimerkiksi, jos sisään on asennettu pyörivä uralevy, joka toimii stroboskoopin periaatteella .

Tällä hetkellä radiomittareita myydään ympäri maailmaa mielenkiintoisena matkamuistona, jonka pyöriminen ei vaadi paristoja. Niitä on eri muodoissa, ja niitä käytetään usein tiedemuseoissa havainnollistamaan valon painetta, fyysistä ilmiötä, johon ne eivät oikeastaan ​​liity.

Termodynaamiset prosessit radiometrissä

Kun säteilylähde kohdistetaan Crookes-radiometriin, säteilymittarista tulee lämpömoottori . Lämpökoneen toiminta perustuu lämpötilaeroon, joka muuttuu mekaaniseksi liikkeeksi. Meidän tapauksessamme terän pimeä puoli lämpenee enemmän, koska valonlähteestä tuleva säteilyenergia lämmittää sen nopeammin kuin kiillotettu tai vaalea puoli. Kun ilmamolekyylit koskettavat terän mustaa puolta, ne "lämpenevät", eli lisäävät nopeuttaan. Alla on yksityiskohtainen kuvaus siitä, miksi terien vaaleat sivut pyörivät ensin.

Kun kuumennetut siivet luovuttavat lämpöä ilmamolekyyleille, sipulin sisälämpötila nousee. "Lämmitetyt" molekyylit luovuttavat saamansa energian joutuessaan kosketuksiin pullon lasiseinien kanssa, joiden lämpötila on yhtä suuri kuin ympäröivän ilman lämpötila. Lämpöhäviö pullon seinämien läpi ylläpitää sisälämpötilaa siten, että siipien kahdelle vierekkäiselle puolelle syntyy lämpötilaero. Terän vaalea puoli on kylmempää kuin pimeä puoli, koska terän alapuolen pimeältä alueelta siirtyy jonkin verran lämpöä. Samaan aikaan vaalea puoli on hieman lämpimämpi kuin pullon sisällä oleva ilma. Kummankin terän kaksi sivua on lämpöeristettävä, jotta terän vaalea puoli ei heti saavuta mustan puolen lämpötilaa. Jos terät on valmistettu metallista, eristemateriaali voi olla mustaa tai valkoista maalia. Lampun lasin lämpötila pysyy lähes ympäristön lämpötilan tasolla, toisin kuin terän pimeän puolen lämpötila. Korkeampi ulkoinen ilmanpaine auttaa poistamaan lämpöä lasista.

Ilmanpaine pullon sisällä ei saa olla liian alhainen tai liian korkea. Lampun sisällä oleva suuri tyhjiö estää pyörimisen, koska siellä ei ole tarpeeksi ilmamolekyylejä muodostamaan ilmavirtoja, jotka pyörittävät siipiä ja siirtävät lämpöä ulospäin, ennen kuin kummankin siiven molemmat puolet saavuttavat lämpötasapainon johtamalla materiaalinsa läpi. Ja korkeassa paineessa lämpötilaero ei riitä terien kääntämiseen, koska ilmanvastus kasvaa - ilmavirtaus hidastuu ennen kuin se saavuttaa viereisen terän vastakkaisen puolen.

Teorioita, jotka selittävät siipien pyörimisen syyn

  1. Crookes itse oletti virheellisesti, että teriin vaikuttavat voimat johtuivat kevyestä paineesta. Tätä teoriaa tuki alun perin James Maxwell , joka ennusti valovoiman olemassaolon. Tämä selitys löytyy edelleen usein laitteen mukana tulleista ohjeista. Ensimmäisen kokeen tämän teorian kumoamiseksi suoritti Arthur Schuster vuonna 1876, jolloin hän huomasi, että Crookes-radiometrin lasikupuun vaikutti voima, joka oli vastakkainen terien pyörimissuuntaan. Tämä osoitti, että voima, joka käänsi teriä, muodostui radiometrin sisällä. Jos pyörimisen syynä olisi valon paine, niin mitä suurempi tyhjiö polttimossa olisi, sitä pienempi olisi ilmanvastus liikkeelle ja sitä nopeammin siipien täytyisi pyöriä. Vuonna 1901 venäläinen tiedemies Pjotr ​​Lebedev osoitti parempaa tyhjiöpumppua käyttämällä, että radiometri toimii vain, kun pullossa on matalapainekaasua; korkeassa tyhjiössä terät pysyvät paikallaan. Todellakin, jos valopaine olisi käyttövoima, niin radiometri pyörisi vastakkaiseen suuntaan, koska terän valopuolen heijastuma fotoni siirtää siihen enemmän vauhtia kuin pimeän puolen absorboima fotoni. Itse asiassa on liian vähän kevyttä painetta terien saattamiseksi liikkeelle.
  2. Toinen virheellinen teoria oli, että terän pimeällä puolella oleva lämpö aiheutti kaasun muodostumista, joka sai radiometrin liikkeelle. Se kumottiin käytännössä Lebedevin ja Schusterin kokeilla.
  3. Osittainen selitys pyörimiselle on se, että terän pimeälle puolelle osuvat kaasumolekyylit ottavat osan sen lämmöstä pomppien pois suuremmalla nopeudella. Jos molekyyli saa tällaisen nopeuden lisäyksen, tämä tarkoittaa itse asiassa sitä, että teriin kohdistuu vain vähän painetta. Tämän vaikutuksen epätasapaino lämpimän pimeän puolen ja viileämmän vaalean puolen välillä tarkoittaa, että teriin kohdistuva kokonaispaine vastaa pimeän puolen painetta, ja seurauksena terät pyörivät vaalean puolen ollessa eteenpäin. Tämän teorian ongelmana on, että vaikka nopeammin liikkuva molekyyli kohdistaa enemmän voimaa, se myös estää paremmin muita molekyylejä liikkumasta terää kohti, joten terään kohdistuvan nettovoiman tulisi pysyä täsmälleen samana - mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi lasku molekyylien paikallisessa tiheydessä. Vuosia sen jälkeen, kun tämä selitys todettiin virheelliseksi, Albert Einstein osoitti, että nämä kaksi painetta eivät kumoaneet toisiaan terien reunojen lämpötilaeron vuoksi. Einsteinin ennustama voima riittäisi liikuttamaan teriä, mutta vain pienellä nopeudella.
  4. Lämpötranspiraation , [4] tämän palapelin viimeisen palan, ennusti teoriassa Osborne Reynolds , [5] mutta se mainittiin ensimmäisen kerran James Maxwellin viimeisessä julkaistussa teoksessa hänen elinaikanaan. [6] Reynolds havaitsi, että jos huokoinen levy pysyy lämpimämpänä toiselta puolelta kuin toinen, kaasumolekyylien välinen vuorovaikutus on sellainen, että kaasu virtaa kuumalta kylmälle puolelle. Crookes-radiometrin terät eivät ole huokoisia, mutta niiden reunojen ja pullon seinämien välinen tila toimii täsmälleen kuten Reynolds-levyn huokoset. Keskimäärin kaasumolekyylit siirtyvät kuumalta puolelta kylmälle puolelle, kun painesuhde on pienempi kuin niiden absoluuttisen lämpötilasuhteen neliöjuuri. Paine-ero saa terät liikkumaan kylmällä (kevyellä) puolella eteenpäin.

Sekä Einsteinin että Reynoldsin ennustamat voimat näyttävät aiheuttavan Crookes-radiometrin pyörimisen, vaikka ei ole vieläkään selvää, kummalla on suurempi vaikutus.

Radiometri täysin tummilla terillä

Pyörimistä varten Crookes-spinnerin teriä ei tarvitse peittää eri väreillä kummaltakin puolelta. Vuonna 2009 Texasin yliopiston Austinissa tutkijat loivat yksivärisen radiometrin, joka koostuu neljästä kaarevasta terästä, joista jokainen muodostaa kuperat ja koverat pinnat. Tappipyörä on päällystetty tasaisesti kultaisilla nanokiteillä , jotka ovat voimakkaita valoa vaimentavia. Epätavallisen geometrian vuoksi terän kupera puoli vastaanottaa valolle enemmän fotonienergiaa kuin kovera puoli; tässä tapauksessa kaasumolekyylit saavat myös enemmän lämpöä kuperalta puolelta kuin koveralta. Alhaisessa tyhjiössä tämä epäsymmetrinen kuumennus saa aikaan kaasun liikkeen jokaisessa terässä koveralta puolelta kuperalle puolelle, mikä on osoitettu käyttämällä Monte Carlon ei-stationaarisen tilastollisen simulaation (MSTSM) menetelmää. Kaasun liike saa radiometrin pyörimään koveralla puolellaan eteenpäin Newtonin kolmannen lain mukaisesti .

Yksiväristen terien radiometrin tulon ansiosta oli mahdollista luoda mikro- tai nanoradiometri, koska niin pienissä kooissa on vaikea simuloida materiaaleja, joilla on erilaiset optiset ominaisuudet hyvin pienessä kolmiulotteisessa tilassa. [7] [8]

Nanoradiometri

Vuonna 2010 Kalifornian yliopiston Berkeleyssä tutkijat onnistuivat luomaan nanoradiometrin, joka toimii täysin eri periaatteella kuin Crookes-radiometri. Hakaristin muotoinen kultainen väyläpyörä , jonka halkaisija oli vain 100 nanometriä, rakennettiin ja valaistiin laserilla, joka oli viritetty antamaan sille kulmamomentti. Princetonin yliopiston fyysikko Richard Beth ehdotti ensimmäistä kertaa mahdollisuutta luoda nanoradiometri samanlaisella toimintaperiaatteella vuonna 1936. Vääntömomenttia on lisännyt huomattavasti metalliritilässä tulevan valon ja plasmoniaaltojen resonanssikytkentä. [9]

Muistiinpanot

  1. ↑ Skulachev D.P. He olivat ensimmäiset. "Tiede ja elämä" nro 6, 2009.
  2. ↑ J Worrall, Valon paine: Outo tapaus horjuvasta "ratkaisevasta kokeesta". Studies in History and Philosophy of Science, 1982. Elsevier.
  3. ↑ Sähköinsinööri. (1884). Lontoo: Biggs &. Co. Sivu 158 .
  4. ↑ Karniadakis G. et ai. Mikrovirrat ja nanovirrat: perusteet ja simulointi (Springer, 2005)
  5. ↑ "Aineen tietyistä mittaominaisuuksista kaasumaisessa tilassa" Osborne Reynolds, Royal Society Phil. Käännös, osa 2, (1879)
  6. ↑ "Lämpötilojen epätasaisuudesta aiheutuvista jännityksistä harvinaisissa kaasuissa" James Clerk Maxwell, Royal Society Phil. Trans. (1879)
  7. ↑ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu, J. Christopher Condit, Nate J. Kemp, Thomas E. Milner, Marc D. Feldman, Shaochen Chen (2010). "Kevytkäyttöinen mikromoottori, jota ohjaa geometria-avusteinen, epäsymmetrinen fotonilämmitys ja myöhempi kaasukonvektio" Arkistoitu 22.7.2011 . . Applied Physics Letters 96: 213509(1-3).
  8. ↑ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu, J. Christopher Condit, Nate J. Kemp, Thomas E. Milner, Marc D. Feldman, Shaochen Chen (2011). "Kevytkäyttöinen mikromoottori: suunnittelu, valmistus ja matemaattinen mallinnus" . Journal of Microelectromechanical Systems 20(2): 487-496.
  9. ↑ Yarris, Lynn. "Nano-kokoinen kevyt tehdas ajaa mikrokokoista levyä" Arkistoitu 19. syyskuuta 2011 Wayback Machinessa . Physorg. Haettu 6. heinäkuuta 2010.