Miten valo-mylly toimii?

Original page: http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html

Alkuperäinen Philip Gibbs heinäkuuta 1996.

Vuonna 1873 tutkiessaan infrapunasäteilyn ja elementin tallium, etevä Victorian kokeen Sir William Crookes kehittänyt erityisen eräänlainen radiometri, se mittaa esimerkiksi säteilyenergiaa lämpöä ja valoa. Crookes n Radiometer on nykyään markkinoidaan keskustelun pala kutsutaan valoa mylly tai aurinko moottori. Se koostuu neljä siipeä, joista kukin on mustattu toisella puolella ja hopeoitu toisella. Nämä on kiinnitetty varsiin roottorin, joka on tasapainoinen pystysuoran tuen siten, että se voi kääntyä hyvin vähän kitkaa. Mekanismi on koteloitu sisällä kirkas lasi lamppu, joka on pumpattu ulos korkea, mutta ei täydellinen, tyhjiö.

Kun auringonvalo osuu valo-mylly, siipien pyöriä mustalla pinnalla ilmeisesti työnnetään pois valoa. Crookes aluksi uskottiin tämä osoittaa, että valoa säteily painetta musta siivet on kääntämällä se ympäri, kuten vesi veteen myllyssä. Hänen raportoivan artikkelin laite on vertaisarvioitu James Clerk Maxwell, jotka hyväksyivät selityksen Crookes antoi. Näyttää siltä, ​​että Maxwell oli iloinen huomatessani osoitus säteilyn vaikutusta paineen ennustivat hänen sähkömagneettinen teoria. Mutta on ongelma tämän selityksen. Valo sen laskiessa mustalla puolella olisi imeytynyt, kun taas valo sen laskiessa on hopea puolella siipien olisi otettava huomioon. Nettotulos on, että on kaksi kertaa niin paljon säteilyä paine metalli puolella on musta. Siinä tapauksessa tehdas pyörii väärään suuntaan.

Kun tämä toteutui, muita selityksiä radiometri vaikutuksen etsittiin ja jotkut ihmiset keksivät yhä virheellisesti lainataan oikeita. Se oli selvää, että musta puoli kunkin siiven absorboi lämpöä infrapunasäteilyn enemmän kuin hopean puolella. Tämä aiheuttaisi harvennetussa lämmitettävä kaasu on musta puoli. Siinä tapauksessa, ilmeinen selitys on se, että kaasun paine on tummempi puolella kasvaa sen lämpötilan, luo suurempaa voimaa pimeällä puolella siiven, joka työntää siten roottorin ympärillä. Maxwell analysoi tätä teoriaa huolellisesti — oletettavasti varuillaanolon noin valmistetaan toinen virhe. Hän havaitsi, että itse asiassa, lämpiminä kaasu yksinkertaisesti laajentaa siten, että ei olisi mitään ilman voimassa tätä vaikutusta, vain tasaisesti lämpöä koko siipien. Joten tämä selitys suhteen Lämmin kaasu on väärä, mutta myös Encyclopaedia Britannica antaa tämän väärän selityksen tänään. Muunnelma tästä aiheesta on se, että liike kuuma molekyylien musta puoli siiven tarjoavat push. Jälleen tämä ei ole oikea, ja voi toimia vain, jos keskimääräistä vapaata polkua, molekyyli- törmäysten oli yhtä suuri kuin säiliön, sen sijaan, että sen todellinen arvo on tyypillisesti alle millimetrin.

Ymmärtää, miksi nämä yhteiset selitykset ovat väärässä, ajattele ensimmäinen Yksinkertaisessa kokoonpanossa, jossa putki kaasua pidetään kuumassa toisesta päästä ja viileä toisessa. Jos kaasu käyttäytyy ideaalikaasun lakeja isotrooppinen paine, se tulee asettua vakaassa tilassa lämpötilagradientti pitkin putkea. Paine on sama kaikkialla, koska muuten resultantti häiritsee kaasu. Tiheys vaihtelee käänteisesti lämpötilan pitkin putkea. Tulee lämpövirta kuumasta päästä kylmässä päässä, mutta voima molemmissa päissä on sama, koska paineet päissä ovat yhtä suuret. Kaikki ehdotetun järjestelmän, joka tuottaa voimakkaamman kuumassa päässä, jossa ei ole tangentiaalisten voimien pitkin putken pituutta ei voi olla oikea, koska muuten ei olisi netto voima putkeen ilman vastapäätä reaktio. Radiometri on hieman monimutkaisempi, mutta sama ajatus olisi sovellettava. Ei netto voima voidaan synnyttää normaali voimat kasvot siipien, koska paine olisi nopeasti tasaamiseksi vakaaseen tilaan vain lämpövirta kaasun läpi.

Toinen umpikuja oli teoria, että lämpö haihtuu liuenneet kaasut musta pinnoite, joka sitten vuotaa ja kuljettamaan siipien ympäri. Itse asiassa, tällaisen vaikutuksen ei ole; mutta se ei ole todellinen selitys. Tämä voidaan osoittaa jäähdyttämällä radiometri, sillä silloin roottori pyörii toiseen suuntaan. Lisäksi, jos kaasu pumpataan ulos tehdä paljon suurempi alipaine, siivet lakkaa pyörimästä kokonaan. Tämä viittaa siihen, että sisäänlämpiävässä kaasu on mukana vaikutus. Vastaavista syistä teoria, että siivet jotka liikkuvat elektronit irtaantunut kautta valosähköilmiötä voidaan sulkea pois. Yksi viime virheellinen selitys annetaan joskus on se, että lämmitys asettaa konvektiovirtaukset jossa on vaakasuora komponentti, joka kääntää siipiä. Anteeksi, väärä uudelleen. Vaikutusta ei voida selittää tällä tavalla.

Oikea ratkaisu annettiin kvalitatiivisesti Osborne Reynolds, parempi muistetaan ”Reynoldsin luku”. Aikaisin 1879 Reynolds esitti paperin Royal Societyn, jossa hän katsoi, mitä hän kutsui ”lämmön kulkua”, ja keskusteltiin myös teorian säteilymittarin. Mukaan ”lämmön kulkua”, Reynolds tarkoitetaan kaasun virtaus huokoisen levyjen aiheuttaman lämpötilaero kahden puolen levyjen. Jos kaasu on aluksi sama paine kaksi puolta, se virtaa kylmempää ja kuumempi puolelle, jolloin suurempi paine on kuumempi puolella, jos levyt eivät voi liikkua. Tasapaino on saavutettu, kun suhde paineet kummallakin puolella on neliöjuuri suhde absoluuttinen lämpötila. Tämä counterintuitive tulos johtuu tangentiaalisten voimien välillä kaasun molekyylien ja sivut kapea huokoset levyt. Niiden vaikutukset thermomolecular voimien on hyvin samanlainen kuin termomekaanisen vaikutuksia supraneste nestemäistä heliumia. Tämä neste, joka puuttuu kaikki viskositeetti, nousee puolin sen säiliön kohti lämpimämpää alueella. Itse asiassa, tässä muodossa nestemäisen heliumin nousee niin nopeasti ylös puolin ohuen kapillaariputken upotetaan se, että lähde tuotetaan putken toiseen päähän.

Siivet on radiometri eivät ole huokoisia. Selittää radiometri Siksi täytyy kiinnittää huomiota ei kasvoilla siipien, mutta niiden reunat. Nopeampi molekyylejä lämpimämpi puolelta lakko reunat vinosti ja antaa suurempaa voimaa kuin kylmempi molekyylit. Nämä ovat jälleen samat thermomolecular voimat vastaa Reynoldsin lämmön kulkua. Vaikutus tunnetaan myös lämpö- viruminen, koska se aiheuttaa kaasujen valua pintaa pitkin, joka on lämpötilagradientti. Netto liikettä siiven johtuu tangentiaalisten voimien reunoilla on pois lämpimämpi kaasun ja kohti jäähdytin kaasua, kaasu kulkee reunan ympäri vastakkaiseen suuntaan. Käyttäytyminen on aivan kuin oli suurempi voima mustatulle puolella siiven (joka, kuten Maxwell osoitti ei ole);

Maxwell vertaisarvioitu Reynolds paper, ja niin tuli tietoiseksi hänen ehdotuksestaan. Maxwell kerralla tehnyt yksityiskohtaisen matemaattinen analyysi ongelmasta, ja esitti oman paperin, ”On jännitykset rarefied kaasut johtuvat epätasa lämpötilan”, julkaistavaksi filosofinen Liiketoimet; se ilmestyi vuonna 1879, vähän ennen kuolemaansa. Paperin otti asianmukaisesti luottoa Reynoldsin ehdotus, jonka vaikutus on reunoilla siipien, mutta arvosteli Reynoldsin matemaattinen käsittely. Reynoldsin paperi ei ollut vielä ilmestynyt (se julkaistiin vuonna 1881), ja Reynolds oli närkästynyt siitä, että Maxwellin paperi ei ollut pelkästään ilmestynyt ensimmäinen, mutta oli arvostellut hänen julkaisematon! Reynolds halusi protestin julkaisee Royal Society, mutta kun Maxwellin kuoleman tämän katsottiin sopimatonta.

On viime huomata, että on mahdollista mitata säteilyn paine käyttäen tarkemman laitetta. Yksi on käyttää paljon parempi tyhjiö, keskeyttää siipien päässä hienoja kuituja ja turkin siipien inertillä lasista, jotta kaasun vapautuminen. Kun tämä on tehty, siivet taipuvat toisinpäin & mdash kuten on ennustettu Maxwell. Kokeilu on erittäin vaikeaa; se tehtiin ensin onnistuneesti 1901 Pjotr Lebedev ja Ernest Nichols ja Gordon Hull.