Класс!ная физика
Занимательные фишки - 7 класс Занимательные фишки - 8 класс Занимательные фишки - 9 класс 10-11 класс Диафильмы по физике

Знания нельзя купить, здесь их дают бесплатно!



Световая мельница или радиометр Крукса. Научные игрушки

01.2015


Это не мельница времен Дон Кихота! Ей не нужен ветер! Ей нужно только ласковое солнышко!
В настоящее время по всему миру можно увидеть в продаже сувениры-игрушки «световые мельницы», которым для вращения не нужны батарейки. Это и настольные сувениры, и подвесные вращающиеся шары различных форм и расцветок.

Их «серьезных» собратьев показывают в технических музеях, а многих используют в качестве измерительных приборов в научных целях.

Световая мельница, вертушка Крукса или радиометр Крукса – столько названий у одного изобретения! Это и научный прибор, и одновременно эффектная игрушка.

Устройство было придумано в 1875 году британским физиком Уильямом Круксом.
Внутри стеклянного сосуда, из которого частично откачан воздух, на острие иголки, как стрелка компаса, уравновешена легкая вертушка из четырех лопастей-лепестков, расположенных крест-накрест. У лепестков световой мельнички одна сторона черная, а другая – светлая.

Вертушка начинает вращаться, если на нее направить солнечный свет или свет от лампы, или просто обхватить ладонью, мельница «машет крыльями» - вертится!



Что же давит на лепестки?
Какой «ветер», какая сила заставляет мельничку вращаться?
Может быть, это сказывается давление света?

Именно так и думал изобретатель У. Крукс, а первоначально его поддерживал и сам Дж. Максвелл.
Да, действительно, давление света существует, но оно слишком мало, чтобы привести мельничку в движение. Здесь причина в другом.

В результате большего поглощения света темная сторона лепестка нагревается сильнее, чем светлая.
При столкновении с лепестком молекулы газа в сосуде нагреваются и отскакивают от темной стороны лепестка с большей скоростью, чем от светлой. В результате, темная сторона лепестка, повернутая к источнику света, получает больший импульс движения, чем лепесток, обращенный к свету светлой стороной. Возникает разность давлений молекул газа на нагретую (темную) и более холодную (светлую) стороны лепестков мельнички.

Таким образом, причиной вращения световой мельнички является радиометрический эффект, который достаточно сильно проявляется в разреженном газе.
Радиометрический эффект, это пример применения кинетической теории газов, которая говорит о том, что средняя кинетическая энергия частиц с повышением температуры увеличивается. Молекулы газа, ударяясь о темную поверхность, отскакивают от нее с большей скоростью чем, если бы они сталкивались со светлой поверхностью. Сила, заставляющая лепестки поворачиваться, возникает из-за разницы величины импульсов движения, которые передаются молекулами газа светлым и темным сторонам лепестков световой мельнички.

Радиометрический эффект не будет возникать, если давление газа в колбе очень низкое (ведь требуется известное число молекул газа) или, наоборот, высокое (близко к атмосферному давлению), т.к. в этом случае молекулы газа, получив дополнительную энергию при отскоке от темных сторон лепестков, тут же передадут ее светлым сторонам лепестков, и в итоге результирующая сила, разворачивающая лепестки, уменьшится.

При действии излучения на лепестки темные стороны удаляются от источника излучения, а светлые стороны приближаются. Охлаждение радиометра вызывает вращение световой мельнички в обратном направлении.
Интересно, что в 2009 году в США был создан радиометр, лопасти-лепестки которого одинакового цвета, но образованы выпукло-вогнутыми поверхностями и покрыты сильно поглощающими свет золотыми нанокристаллами. Выпуклая сторона лепестка получает больше энергии, чем вогнутая, а молекулы газа - больше тепла от выпуклой стороны, чем от вогнутой. В результате, радиометр вращается вогнутой стороной вперед.





Устали? - Отдыхаем!

Вверх