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Licht und elektromagnetische Wellen Druck

Licht und elektromagnetische Wellen Druck

Hintergrund und eigentliche Erklärung

Leichter Druck wurde aus lange Zeit in der Physik als Erklärung für Kometenschweife Bildung akzeptiert. Später Bartoli abgeleitet die Existenz von leichten Druck aus thermodynamischen Überlegungen und Maxwell vorhergesagten Wert von leichten Druck aus seiner Theorie der elektromagnetischen Erscheinungen .
Wissenschaftler wurden große Anstrengungen , um den Wert des Lichts zu messen , zu Beginn ohne Erfolg. Neben seiner geringen Wert , es gab auch andere Störeffekte , die Einfluss auf das Experiment haben . In der Tat die erste Erklärung von Crockes seiner leichten Mühle gegeben erfunden Gerät falsch war wegen dieser Fehler.
Licht Mühle besteht aus vier Flügeln , von denen jeder auf einer Seite geschwärzt ist und versilbert andererseits. Diese sind an den Armen eines Rotors, der an einem vertikalen Träger in einer Weise, dass sie mit sehr wenig Reibung wiederum ausgewogen befestigt ist. Der Mechanismus ist eingehüllt in einer klaren Glaskolben , die worden ist zu einem hohen , aber nicht perfekt , Vakuum gepumpt. Wenn Sonnenlicht auf der Licht- Mühle fällt , die Flügel mit den schwarzen Flächen ist offenbar weg vom Licht geschoben einzuschalten.
Maxwell nahm die anfängliche Erklärung von Crookes , die Rotation als Folge der Strahlung Druck erzeugt wird, als durch seine Theorie des Elektromagnetismus vorhergesagt.
Bald wurde klar ( Arthur Schuster ), die Mühle dreht sich nicht nach der Theorie Vorhersage , aber in entgegengesetzter Richtung . Licht fällt auf der schwarzen Seite sollte aufgenommen werden, während Licht, das auf die silberne Seite der Flügel sollte reflektiert werden. Das Nettoergebnis sollte zweimal viel Strahlung Druck auf die Metall- Seite wie auf dem Schwarzmarkt zu sein.
Andere Erklärungen wurden einige von ihnen vorgeschlagenen erklärt teilweise die Gesamtwirkung . Arbeiten bei Atmosphärendruck ansteigen Licht in Experiment verwendet , die Temperatur des Materials und der umgebenden Luft zu . Als Ergebnis der Luftheizung , gibt es ein Luftstrom und dies wirkt auf den Blättern wie ein Wind weht .
Die ungleichmäßige Erwärmung der Platten , da das Licht leuchten nur auf einer Seite der Blätter zu unterschiedlichen Mengen an Energie zum und auf Moleküle umgeben Luft .
Lebedev im Jahre 1901 gelungen, diese Schwierigkeiten zu überwinden und den Druck zu messen , dass Licht übt auf Körper . Der Hauptbestandteil von Lebedev Apparat war eine Reihe von flachen metallischen Platten, einige mit schwarzer Farbe ( so wurden sie vollständig absorbiert ) , während einige andere fast vollständig reflektiert wurden , fixiert auf einem leichten Stab wie in fig. 1 .

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Abbildung 1 . Schematische Vorrichtung zur Messung der Licht-und Mikrowellen- Druck verwendet

Das System wurde in eine Vakuumkammer gestellt .
Dadurch wird der Druck auf die reflektierenden Flächen das Doppelte auf schwarzen Flächen ausgeübt wird, und diese Differenz mit einem Drehmoment an der Stange so führen , daß die hängenden Feder des Stabes gedreht wird . Somit ist der Verdrehwinkel direkt an leichtem Druck zusammen.
Die Ergebnisse zeigten, dass Lebedev das Licht Druckwert mit Maxwells Theorie vereinbart .
Später wurde der Druck durch Licht ausgeübt berechnet unter Verwendung der Relativitätstheorie auf der Basis von E = mc2 , und die Dynamik ist p = E / c .

New vorgeschlagene Experiment

Die Idee des Experiments :
Original- Experiment wurde unter Verwendung von sichtbarem Licht . Was ist passiert , wenn anstelle von Licht , Mikrowellen verwendet werden ?
Auf Basis der speziellen Relativitätstheorie , sind die Energie von Photonen im sichtbaren und Mikrowellen: E = hv
Mit eigentliche Interpretation ein sichtbares Photon eine Frequenz νv ≈ 10exp15 und in der Mikrowelle bis νm ≈ 10exp13 damit die Strahlungsquelle zu 100 mal kräftig für Mikrowellen , um den gleichen Effekt zu erzielen .

Bis heute ist die Vakuum- Technik , Mikrowelle Generation und das Material hat die Wissenschaft große Fortschritte gemacht.
Das Experiment ist so konzipiert , um den Druck von der Mikrowelle auf eine ähnliche Einrichtung wie die von Lebedev , wie in Abb. verwendet ausgeübt messen. 1 .
Ein Blatt ist aus einem Material mit hoher Reflektivität Mikrowelle Koeffizienten ( hochdotierten Polypyrrolfilme verfügbar beschrieben bei bauen
http://www3.interscience.wiley.com/journal/104033896/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0 ) , und die andere Schicht aus einem Material mit einem hohen Extinktionskoeffizienten ( Mikrotubuli von Polyanilin als neue Mikrowellen absorbierenden Materialien beschrieben in
http://www3.interscience.wiley.com/journal/88513004/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0 ) .
Mit dieser Verbesserung und mit einer Mikrowellen-Quelle , ähnlich wie der Druck auf die reflektierenden Flächen das Doppelte auf saugenden Oberflächen ausgeübt wird, und dieser Unterschied sollte ein Drehmoment auf den Stab zu schaffen , so daß die hängenden Feder der Stange verdreht ist.
In der Praxis , für Mikrowellen-und terraherz u.e.m. der Stab nicht verdreht ist und das Experiment wird zu einem negativen Ergebnissen führen .
Die negative Ergebnisse aufgrund einer bestimmten Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und aufgrund der Differenz zwischen elektromagnetischen Wellen und Licht.
Maxwell vorhergesagt , dass, wenn elektromagnetische Wellen auf ein Objekt trifft und reflektiert wird , die Welle auf die Elektronen drückt in der Oberfläche des Objektes , der seinerseits auf dem Rest des Objekts zu drücken.
Ist die Erklärung zuverlässig?
Betrachten wir , dass elektromagnetische Wellen eine Elektronen getroffen , in dem ersten Halb Zeitraum , wenn das elektrische Feld E erhöht , wie in fig. 2 . In diesem Fall wird das Elektron in Richtung der Erhöhung des elektrischen Feldes angezogen werden.

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Nach einem halb Zeitraum wird das elektrische Feld seine Richtung ändert , und natürlich die Elektronen ändert seine Bewegungsrichtung , auch, wie in fig. 3 .

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Da die Änderung der Richtung des elektrischen Feldes ist umso dann 10exp8 mal pro Sekunde die Elektronen aufgrund seiner Trägheit nicht mehr bewegen .
Folglich eine elektromagnetische Welle nicht zu einem makroskopischen Druck bei Absorption oder Reflexion . Die detaillierte Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen und Materie wird in weiteren Studie beschrieben. Für den vorgeschlagenen Experiment ist zu betonen , dass im Falle von Mikrowellen , wobei der Stab nicht verdreht .
Ein anderer Fall ist für Licht, das eine korpuskularer Natur hat und Photonen verlassen ihre Dynamik bei Absorption oder Reflexion

Light and electromagnetic wave pressure

Background and actual explanation

Light pressure was accepted from long time in physics as an explanation for comet tails formation. Later Bartoli deduced the existence of light pressure from thermodynamic considerations and Maxwell predicted the value of light pressure from his theory of electromagnetic phenomena.
Scientists were making great efforts to measure the value of light pressure, at beginning without success. Besides its small value, there were other perturbing effects which have influence on the experiment. In fact the first explanation given by Crockes to its light mill invented device was wrong due to these errors.
Light mill consists of four vanes each of which is blackened on one side and silvered on the other. These are attached to the arms of a rotor which is balanced on a vertical support in such a way that it can turn with very little friction. The mechanism is encased inside a clear glass bulb which has been pumped out to a high, but not perfect, vacuum. When sunlight falls on the light-mill, the vanes turn with the black surfaces apparently being pushed away by the light.
Maxwell accepted the initial explanation of Crookes, that rotation is produced as result of radiation pressure as predicted by his theory of electromagnetism.
Soon was realised (Arthur Schuster) that mill is not rotating according to theory prediction, but in a contrary direction. Light falling on the black side should be absorbed, while light falling on the silver side of the vanes should be reflected. The net result should be twice much radiation pressure on the metal side as on the black.
Other explanations were proposed some of them explaining partially the overall effect. Working at atmospheric pressure, light used in experiment rise the temperature of material and surrounding air, too. As result of air heating, there is an air flow and this acts on the sheets like a blowing wind.
The non-uniform heating of the sheets, since the light shine only one side of the sheets, leads to different amounts of energy transfer to and up molecules of surrounded air.
Lebedev in 1901 managed to surpass these difficulties and to measure the pressure that light exerts on bodies. The main component of Lebedev's apparatus was a set of flat metallic sheets, some with black colour (so they were fully absorbing) while some others were almost fully reflecting, fixed on a light rod like in fig. 1.

pressure001


Figure 1. Schematic device used for measuring the light and microwave pressure

The system was put in a vacuum chamber.
As a result the pressure on the reflecting surfaces is twice that exerted on black surfaces, and this difference lead to a torque on the rod so that the hanging spring of the rod is twisted. Thus the twisting angle is directly related to light pressure.
The results obtained by Lebedev showed that the light pressure value agreed with Maxwell's theory.
Later, the pressure exerted by light was calculated using the relativity theory on basis of E=mc2, and the momentum is p=E/c.

New proposed experiment

The idea of experiment:
Original experiment was made using visible light. What’s happened if instead of light, microwaves are used?
On basis of special relativity, the energy of photons in visible and microwaves are: E = hν
With actual interpretation a visible photon has a frequency νv≈10exp15 and in microwave up to νm≈10exp13, consequently the source of radiation must be 100 times powerfully for microwave in order to get the same effect.

Up today the vacuum technique, microwave generation and the material science has made huge progress.
The experiment is designed to measure the pressure exerted by microwave on a similar device like the one used by Lebedev as in fig. 1.
A sheet is build from material with high microwave reflectivity coefficient (heavily doped polypyrrole films available described at
http://www3.interscience.wiley.com/journal/104033896/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0), and the other sheet is from a material with a high absorbance coefficient (Microtubules of polyaniline as new microwave absorbent materials described at
http://www3.interscience.wiley.com/journal/88513004/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0).
With this improvement and using a microwave source, similarly the pressure on the reflecting surfaces is twice that exerted on absorbing surfaces, and this difference should create a torque on the rod so that the hanging spring of the rod is twisted.
In practice, for microwave and terraherz u.e.m.  the rod is not twisted and the experiment is going to lead to a negative results.
The negative results are due to a specific propagation of electromagnetic waves and due to difference between electromagnetic waves and light.
Maxwell predicted that when electromagnetic waves hits an object and is reflected, the wave pushes on the electrons in the surface of the object, which in turn push on the rest of the object.
Is the explanation reliable?
Let’s consider that electromagnetic waves hit an electron, in the first semi period, when the electric field E increases, as in fig. 2. In this case the electron will be attracted toward the direction of increasing electric field.

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After a semi period, the electric field changes its direction, and of course the electron changes its direction of motion, too, like in fig. 3.

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Because the change of electric field direction is made more then 10exp8 times per second the electron due to its inertia does not move at all.
Consequently an electromagnetic wave can’t produce a macroscopic pressure at absorption or reflection. The detailed interaction between electromagnetic waves and matter will be described in further study. For the proposed experiment, it is necessary to emphasize that in case of microwaves, the rod does not twist.
Another case is for light which has a corpuscular nature and photons leave their momentum at absorption or reflection.

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