Давление света ?

[мат-ламер]

Вот раскопал статью с описанием эксперимента: http://kvant.mccme.ru/pdf/2001/02/kv0201vasilyev.pdf

[wrest]

мат-ламер в сообщении #1580120 писал(а):

А мне интересно, в условиях университетской лаборатории при наличии нужных приборов, может ли студент повторить опыт Лебедева?

При наличии нужных - наверное может. При том что сейчас, в отличие от тогда, источники света могут быть практически любой разумной мощности, могут быть монохромными чтобы не надо было фильтровать ИК, а также могут быть импульсными. Тонкую фольгу найти проблем наверное нет ну и т.п.

[мат-ламер]

Dedekind в сообщении #1580121 писал(а):

Так через вектор Пойнтинга же.

Оно понятно. Непонятно, во времена Лебедева смог ли он правильно связать поток энергии с импульсом, который передаёт электромагнитная волна. В школьном учебнике физики есть соответствующая формула: $E=pc$ . Но была ли эта формула известна в его времена? И вообще, свет тогда объясняли колебанием эфира. И могло ли это колебание передавать импульс?

-- Пт фев 03, 2023 21:28:54 --

Вот ещё статью нашёл . Приведу цитаты:

Цитата:

В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики.

Цитата:

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.

Насчёт токов я не понял. А если лепестки сделать не металлическими, а из слюды? Что говорит теория в этом случае?

[Dedekind]

мат-ламер в сообщении #1580125 писал(а):

Оно понятно. Непонятно, во времена Лебедева смог ли он правильно связать поток энергии с импульсом, который передаёт электромагнитная волна. В школьном учебнике физики есть соответствующая формула: $E=pc$ . Но была ли эта формула известна в его времена? И вообще, свет тогда объясняли колебанием эфира. И могло ли это колебание передавать импульс?

Наверное мог. Как раз через колебания эфира. Про это еще Максвелл в своем "Трактате" писал (опуская обозначения):

Цитата:

... совместное действие электростатического и электрокинетического напряжений есть давление ... в направлении распространения волны. Но эта величина выражает также и полную энергию в единице объема. Следовательно, в среде, в которой распространяются волны, имеется давление в направлении, нормальном к этим волнам и численно равное энергии в единице объема.

Впрочем, хотя в Вашей статье и говорится, что формулу $E=pc$ ввел Максвелл, я при беглом просмотре ее не нашел, по крайней мере, в явном виде. Но может просто плохо искал:)

мат-ламер в сообщении #1580125 писал(а):

Насчёт токов я не понял. А если лепестки сделать не металлическими, а из слюды? Что говорит теория в этом случае?

Мне это объяснение тоже кажется не совсем подходящим. Я думал, что дело в поглощении и отражении волны материалом пластинки, и, соответственно, в передаче импульса, который несла волна, пластинке. Но, может более знающие люди тут поправят.

[warlock66613]

мат-ламер в сообщении #1580125 писал(а):

А если лепестки сделать не металлическими, а из слюды?

Электроны и в слюде прекрасно колеблются ("классическая" модель атома в виде электрона на пружинке), а этого достаточно.

[мат-ламер]

freeman88 в сообщении #1580079 писал(а):

Не так давно начал об этом задумываться.
И постоянно натыкался на этот эксперимент:

Это цитата из первого поста. Там на фото изображён радиометр Крукса. Он продаётся недорого как игрушка. Там вакуум несильный. К давлению света он отношения не имеет. Его не надо путать с радиометром Николса: https://en.wikipedia.org/wiki/Nichols_radiometer . Это серьёзный прибор для точного измерения давления света. Вакуум там существенно выше.

[мат-ламер]

warlock66613 в сообщении #1580140 писал(а):

Электроны и в слюде прекрасно колеблются ("классическая" модель атома в виде электрона на пружинке), а этого достаточно.

У меня тут всё равно непонятки. Возвращаясь к Максвеллу:

Цитата:

.. совместное действие электростатического и электрокинетического напряжений есть давление ... в направлении распространения волны. Но эта величина выражает также и полную энергию в единице объема. Следовательно, в среде, в которой распространяются волны, имеется давление в направлении, нормальном к этим волнам и численно равное энергии в единице объема.

Судя по тексту, Максвелл считал, что в среде имеется давление пропорциональное энергии электромагнитной волны. И тут у меня два возражения.
Первое. Волна колеблется то в одну, то в другую сторону. Следовательно, давление будет также то в одну, то в другую сторону. И каким образом тут будет переноситься импульс?
Второе. Допустим, электромагнитная волна более-менее свободно проникает через материал. И что тогда? Наверное для слюды можно подобрать две не сильно разные частоты излучения так, что излучение с первой частотой задерживается слюдой, а излучение со второй частотой (более низкой) проходит через слюду. (Во втором случае просто энергии фотонов не хватает, чтобы электрон перешёл на более высокий уровень). И что нам тут говорит теория Максвелла на счёт разницы этих случаев? Вроде ничего. Хотя интуитивно чувствуется, что импульс будет передаваться только в случае поглощения. То есть давление будет пропорционально не энергии электромагнитых волн, а пропорционально поглощению этой энергии.

[warlock66613]

мат-ламер в сообщении #1580201 писал(а):

Волна колеблется то в одну, то в другую сторону. Следовательно, давление будет также то в одну, то в другую сторону.

Так ведь и магнитное поле направлено то в одну, то в другую сторону. Минус на минус и опять получается плюс.

[мат-ламер]

Случайно Ютуб мне подсунул лекцию: https://www.youtube.com/watch?v=8qVLMHW5cbY . Лекция для школьников.

warlock66613 в сообщении #1580204 писал(а):

Так ведь и магнитное поле направлено то в одну, то в другую сторону. Минус на минус и опять получается плюс.

Лектор про направление действия полей в начале лекции рассказывает. Однако, формулу для давления света как-то сложновато выводит. У нас в школе ничего похожего не было. В университете вроде как импульс фотона выводился из формулы $E^2-p^2c^2=m^2c^4$ , где для фотона $m=0$ .

[pppppppo_98]

warlock66613 в сообщении #1580140 писал(а):

Электроны и в слюде прекрасно колеблются ("классическая" модель атома в виде электрона на пружинке), а этого достаточно.

если бы работала классическая модель атома - вы бы уважаемые до сих пор писали друг другу ваши сообщения грифельными карандашами, и отправляли их нарочным курьером для ускорения коммуникации... Ибо оказалось бы что все электроны давным давно упали на ядра, и никакая пружинка бы не помогла

[warlock66613]

мат-ламер в сообщении #1580243 писал(а):

В университете вроде как импульс фотона выводился из формулы $E^2-p^2c^2=m^2c^4$ , где для фотона $m=0$ .

Да, но если у нас не один фотон, а нормальный "макроскопический" луч, то должна работать классическая теория света. Поэтому и выводится "сложно", из уравнений Максвелла. Надо же проверить что всё сходится и ответ получается тот же в любом случае.

[sergey zhukov]

Вот так посмотришь на вертушку Крукса и думаешь: все ясно - давление света. Посветил - вращается. Выключил свет - не вращается. Очень убедительно. А чтобы повнимательнее посмотреть и увидеть, что она вращается не туда, куда должна - это не всегда и в голову придет. И если даже это заметить, все равно думаешь что-то вроде "Ну, как-то там значит наоборот все объясняется. Главное, что точно эффект со светом связан."

А оказывается, что практически не связан. Если просто нагреть черные поверхности лепестков (скажем, покрыть их краской, которая химически выделяет тепло), то можно будет увидеть все те же эффекты вращения даже в полной темноте.

Вот интересно: все экспериментальные проблемы у Лебедева были связаны с присутствием воздуха, от которого полностью избавиться нельзя. Но если даже воздух откачать полностью, то все равно остается такая проблема: зеркальное крылышко только отражает (не поглощает, не нагревается и не излучает), а черное - поглощает, нагревается и излучает. Если крылышко с одной черной и одной зеркальной стороной просто нагреть, то давление собственного излучаения с черной стороны будет выше, чем с зеркальной. Крылышко будет пытаться вращаться в ту же сторону, что и в вертушке Крукса (фотонный двигатель).

[мат-ламер]

sergey zhukov в сообщении #1580332 писал(а):

Если крылышко с одной черной и одной зеркальной стороной просто нагреть, то давление собственного излучаения с черной стороны будет выше, чем с зеркальной. Крылышко будет пытаться вращаться в ту же сторону, что и в вертушке Крукса (фотонный двигатель).

Пока прибор не включен, обе стороны крылышка находятся в энергетическом равновесии с окружающей обстановкой, т.е. энергия излучения равна энергии поглощения (в сумме по обеим крылышкам) . Включаем внешнее излучение (будем для простоты считать, что зеркальная сторона не освещается). Чёрная сторона сторона принимает на себя импульс света и крутильные весы закручиваются на некоторый угол. Энергетическое равновесие нарушено и чёрная сторона начинает постепенно разогреваться (нагрев передаётся и зеркальной стороне, но это особого значения не имеет). Если крылышко не расплавится от нагрева, то наступит момент, когда оно опять будет в состоянии энергетического равновесия с окружающей средой. Т.е. сколько энергии поглощает, столько и излучает. В этот момент крутильные весы вернуться в исходное состояние. Отсюда следует, что эксперимент не следует проводить слишком долго. Надо ловить момент максимального отклонения.

-- Вс фев 05, 2023 15:28:26 --

sergey zhukov в сообщении #1580332 писал(а):

Вот интересно: все экспериментальные проблемы у Лебедева были связаны с присутствием воздуха, от которого полностью избавиться нельзя.

Там ещё есть проблема с точной градуировкой прибора. Допустим, как максимально точно замерить, какая световая энергия падает на крылышки? Поскольку полностью от воздуха избавиться нельзя, то основная проблема в том, чтобы научиться жить с проблемами. То есть понять, что ошибки будут всегда. Но надо по возможности их компенсировать. А те ошибки, что не скомпенсированы, надо измерить и учесть.

-- Вс фев 05, 2023 15:41:56 --

мат-ламер в сообщении #1580340 писал(а):

То есть понять, что ошибки будут всегда. Но надо по возможности их компенсировать. А те ошибки, что не скомпенсированы, надо измерить и учесть.

И вот ещё какая проблема. Идеальных зеркал не бывает. Как идеально поглощающих тел. И надо как-то замерить это отклонение от идеала. Допустим. в момент максимального отклонения, какой процент энергии чёрная сторона крылышка излучает? Какой процент энергии зеркальная сторона поглощает?

[sergey zhukov]

мат-ламер в сообщении #1580340 писал(а):

В этот момент крутильные весы вернуться в исходное состояние.

Не вернутся (если мы рассматриваем освещение одного крылышка с одной стороны). Ведь черная сторона в тепловом равновесии становится по сути зеркальной, и на нее направлен истичник света. При ее разогреве она наоборот будет отклоняться все сильнее, т.к. становиться "все зеркальнее".

Нужно только еще учесть, что получает она направленное излучение, а излучает с поверхности изотропно. Так что это не совсем зеркало, несколько хуже. Горизонтальный импульс падающего излучения выше, чем уходящего. Т.е. нагретая черная пластинка в тепломом равновесии с падающим излучением - это все же не зеркальное, а скорее белое тело, отражающее диффузно.

[мат-ламер]

sergey zhukov в сообщении #1580345 писал(а):

Не вернутся

Да, согласен, недосмотрел. Но это говорит о том, что как много мешающих факторов пришлось учесть Лебедеву. Купить игрушку и показать студентам https://www.youtube.com/watch?v=OKWVYe1LWIc - это одно. А вот точно измерить давление света, это будет посложнее.