Tryk elektromagnetisk stråling

Elektromagnetisk strålingstryk , let tryk - tryk udøvet af lys (og elektromagnetisk generelt ) stråling, der falder ind på overfladen af et legeme .

Historie

Hypotesen om eksistensen af let tryk blev først fremsat af I. Kepler i det 17. århundrede for at forklare komethalernes opførsel under deres flyvning nær Solen. I 1873 gav Maxwell en teori om lysets tryk inden for rammerne af hans klassiske elektrodynamik . Eksperimentelt blev let tryk først undersøgt af P. N. Lebedev i 1899. I hans eksperimenter blev torsionsvægte suspenderet på en tynd sølvtråd i en evakueret beholder , til hvis bjælker tynde skiver af glimmer og forskellige metaller var fastgjort . Den største vanskelighed var at skelne let tryk på baggrund af radiometriske og konvektive kræfter (kræfter på grund af forskellen i temperatur af den omgivende gas fra de oplyste og uoplyste sider). Derudover, da andre vakuumpumper end simple mekaniske ikke blev udviklet på det tidspunkt, var Lebedev ikke i stand til at udføre sine eksperimenter under forhold med jævnt gennemsnit, ifølge moderne klassificering, vakuum .

Ved skiftevis at bestråle forskellige sider af vingerne udjævnede Lebedev de radiometriske kræfter og opnåede en tilfredsstillende (±20%) overensstemmelse med Maxwells teori. Senere, i 1907-1910, udførte Lebedev mere nøjagtige eksperimenter med lystrykket i gasser og opnåede også acceptabel overensstemmelse med teorien [1] .

Beregning

I mangel af spredning

For at beregne lystrykket ved normal forekomst af stråling og ingen spredning, kan du bruge følgende formel:

p={\frac {I}{c}}(1-k+\rho )

hvor er intensiteten af den indfaldende stråling; er lysets hastighed , er transmittansen , er refleksionskoefficienten . $jeg$ $c$ $k$ $\rho$

Presset af sollys på en spejloverflade vinkelret på lyset, placeret i rummet nær Jorden, kan let beregnes gennem fluxtætheden af solenergi (elektromagnetisk) i en afstand af en astronomisk enhed fra Solen ( solkonstant ). Det er omkring 9 µN/m² = 9 mikropascal eller 9⋅10 −11 atm [2] .

Hvis lyset falder i en vinkel θ til normalen, kan trykket udtrykkes med formlen:

{\vec {p}}=w((1-k){\vec {i}}-\rho \,{\vec {i'}})\cos \theta

hvor er den volumetriske strålingsenergitæthed , er transmittansen , er reflektionskoefficienten, er enhedsvektoren i retningen af den indfaldende stråle, er enhedsvektoren i retningen af den reflekterede stråle. $w$ $k$ $\rho$ ${\vec i}$ ${\vec {i'))$

For eksempel vil den tangentielle komponent af den lette trykkraft på en enhedsareal være lig med

{f_{\tau }}\,=w((1-k)\sin \theta -\rho \sin \theta )\cos \theta =w(1-k-\rho )\sin \theta \cos \theta

Den normale komponent af den lette trykkraft på en enhedsareal vil være lig med

{f{n}}\,=w((1-k)\cos \theta -\rho (-\cos \theta ))\cos \theta =w(1-k+\rho )\cos ^ {2}\theta

Forholdet mellem de normale og tangentielle komponenter er

{\frac {f{n}}{f{\tau }}}={\frac {1-k+\rho }{1-k-\rho }}{\rm {ctg\,}}\ theta

Når spredt

Hvis spredningen af lys fra en overflade både under transmission og refleksion adlyder Lamberts lov , vil trykket under normal indfald være lig med:

p={\frac {I}{c}}(1+{\frac {2}{3}}(AK))

hvor er intensiteten af den indfaldende stråling, er den diffuse transmittans og er albedoen . $jeg$ $K$ $EN$

Konklusion

Lad os finde momentum båret væk af den elektromagnetiske bølge fra Lambertian-kilden. Den samlede lysstyrke af en Lambert-kilde vides at være

E=\pi B_{n}

hvor er lysintensiteten i retning af normalen. $B_{n}$

Derfor er lysintensiteten i en vilkårlig vinkel til normalen ifølge Lamberts lov lig med $\theta$

B=B_{n}\cos \theta ={\frac {E}{\pi }}\cos \theta

Den energi, der udstråles ind i det solide vinkelelement, som har form af en sfærisk ring, er lig med

dE=Bd\Omega =({\frac {E}{\pi }}\cos \theta )d\Omega =({\frac {E}{\pi }}\cos \theta )(2\pi \sin \theta d\theta )=2E\cos \theta \sin \theta d\theta

For at bestemme det momentum, der føres bort af stråling, er det nødvendigt kun at tage hensyn til dens normale komponent, da alle tangentielle komponenter på grund af rotationssymmetri ophæver hinanden:

dp={\frac {dE}{c}}\cos \theta

Herfra

p=\int {\frac {dE}{c}}\cos \theta ={\frac {2E}{c}}\int \limits _{{0}}^({\pi /2}}\cos ^{2}\theta \sin \theta \,d\theta ={\frac {2E}{c}}\int \limits _{{\pi /2}}^{{0}}\cos ^{2 }\theta \,d\cos \theta ={\frac {2E}{c}}\int \limits _{{0}}^{{1}}x^{2}\,dx={\frac { 2}{3}}{\frac {E}{c}}

Til tilbagespredt stråling og . $E=AI$ $p={\frac {2}{3}}A{\frac {I}{c}}$

For stråling, der er gået gennem pladen, og (minus opstår på grund af, at denne stråling er rettet fremad). $E=KI$ $p=-{\frac {2}{3}}K{\frac {I}{c}}$

Tilføjelse af trykket skabt af hændelsen og begge typer spredt stråling opnår vi det ønskede udtryk.

I det tilfælde, hvor den reflekterede og transmitterede stråling er delvist rettet og delvist spredt, er formlen gyldig:

p={\frac {I}{c}}(1+\rho -k+{\frac {2}{3}}(AK))

hvor I er intensiteten af den indfaldende stråling, k er retningstransmittansen, K er diffus transmittans, ρ er retningsreflektionskoefficienten, og A er sprednings-albedo.

Foton gastryk

En isotrop fotongas med en energitæthed u udøver tryk:

p={\frac {1}{3}}u

Især hvis fotongassen er i ligevægt ( sort kropsstråling ) med temperaturen T , så er dens tryk:

p=\venstre({\frac {\pi ^{2}k^{4}}{45c^{3}\hbar ^{3}}}\right)T^{4}={\frac {4} {3c}}\sigma T^{4}

hvor σ er Stefan-Boltzmann konstanten .

Fysisk betydning

Trykket af elektromagnetisk stråling er en konsekvens af, at den, ligesom ethvert materialeobjekt med energi E og bevæger sig med en hastighed v , også har momentum p = Ev / c ² . Og da for elektromagnetisk stråling v \ u003d c , så p \ u003d E / c .

Inden for elektrodynamik er trykket af elektromagnetisk stråling beskrevet af energi-momentum-tensoren af det elektromagnetiske felt .

Korpuskulær beskrivelse

Hvis vi betragter lys som en strøm af fotoner , så skal partiklerne ifølge principperne for klassisk mekanik , når partikler rammer et legeme, overføre momentum til det, med andre ord udøve tryk.

Bølgebeskrivelse

Fra lysbølgeteoriens synspunkt repræsenterer en elektromagnetisk bølge svingninger af elektriske og magnetiske felter , der ændrer sig og er forbundet i tid og rum . Når en bølge falder på en reflekterende overflade, exciterer det elektriske felt strømme i det overfladenære lag , som påvirkes af bølgens magnetiske komponent. Let tryk er således resultatet af tilføjelsen af mange Lorentz-kræfter, der virker på kroppens partikler.

Sollystryk [3] [4]

Afstand fra solen, en. e.	Tryk, µPa (µN/m²)
0,20	227
0,39 ( kviksølv )	60,6
0,72 ( Venus )	17.4
1,00 ( Jorden )	9.08
1,52 ( Mars )	3,91
3.00 ( asteroidebælte )	1.01
5,20 ( Jupiter )	0,34

Ansøgning

Rummotorer

Mulige anvendelser er solsejl og gasseparation [1] , og i en længere fremtid fotonisk fremdrift .

Kernefysik

I øjeblikket[ hvornår? ] muligheden for at accelerere tynde (5 til 10 nm tykke ) metalfilm ved let tryk skabt af superstærke laserimpulser er bredt diskuteret for at opnå højenergiprotoner [5] .

Se også

Noter

↑ 1 2 Let tryk // Physical Encyclopedia. - M., "Soviet Encyclopedia", 1988. - T. 1 . - S. 553-554 .
↑ A. Bolonkin. Højhastigheds AB-Solar Sejl . - 2007. - arXiv : fysik / 0701073 .
↑ Georgevic, RM (1973) "The Solar Radiation Pressure Forces and Torques Model", The Journal of the Astronautical Sciences , Vol. 27, nr. 1, jan-feb. Første kendte publikation, der beskriver, hvordan solstrålingstryk skaber kræfter og drejningsmomenter, der påvirker rumfartøjer.
↑ Wright, Jerome L. (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers
↑ T. Esirkepov, M. Borghesi, S.V. Bulanov, G. Mourou og T. Tajima. Meget effektiv Relativistisk-Ion Generation i Laser-Piston Regime // Phys . Rev. Lett. . - 2004. - Bd. 92 . — S. 175003 .

Litteratur

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 ;
Lebedev P. N., Izbr. soch., M. - L., 1949
Landsberg G.S., Optik, 4. udg., M., 1957;
Lys, stof, elektromagnetisk felt, tyngdekraft [1]