В каком случае тело нагревается вследствие излучения. Тепловое излучение длина волны. Закон поглощения лучистой энергии

Пропуская излучение какого-либо тела через прибор, осуществляющий его разложение в спектр, можно судить о присутствии в излучении волн той или иной длины, а также оценивать распределение энергии по участкам спектра. Такие спектры называют спектрами испускания. При этом оказывается, что пары и газы (особенно одноатомные) при их нагревании или при электрическом разряде дают (при низких давлениях, когда взаимодействие атомов практически незаметно) линейчатые спектры, состоящие из относительно узких «линий», т. е. узких частотных интервалов, где интенсивность излучения значительна. Так, водород дает в видимой части спектра пять линий, натрий - одну (желтую) линию. При использовании спектральной аппаратуры высокого разрешения у ряда линий обнаруживается сложная структура. При увеличении давления, когда сказывается взаимодействие атомов друг с другом, а также при сложном строении молекул получаются более широкие линии, переходящие в целые относительно широкие полосы сложного строения (полосатые спектры). Такие полосатые спектры, в частности, наблюдаются у жидкостей. Наконец, твердые тела при нагревании дают практически сплошные спектры, однако распределение интенсивности по спектру у разных тел различно.

Спектральный состав излучения зависит также от температуры тел. Чем выше температура, тем (при прочих равных условиях) больше преобладают высокие частоты. Так, по мере увеличения температуры спирали лампы накаливания, при изменений протекающего по ней тока цвет спирали меняется: сначала нить слабо светится красным светом, затем видимое излучение становится более интенсивным и коротковолновым - преобладает желто-зеленая часть спектра. Но, как это выяснится в дальнейшем, и в этом случае большая часть излучаемой энергии соответствует невидимому инфракрасному диапазону.

Если излучение со сплошным спектром пропустить через слой вещества, то возникает частичное поглощение, в результате чего на сплошном спектре излучения получаются линии с минимумом интенсивности. В видимой части спектра они по контрасту кажутся темными полосами (или линиями); такие спектры называют спектрами поглощения. Так, солнечный спектр, перерезанный системой тонких темных линий (линии Фраунгофера), является спектром поглощения; оно происходит в атмосфере Солнца.

Изучение спектров показывает, что с изменением температуры тела меняется не только испускание света, но и его поглощение. При этом было обнаружено, что хорошо излучающие тела обладают и большим поглощением (Прево), а поглощенные частоты совпадают сиспускаемыми (Кирхгоф). Здесь не принимаются во внимание явления, связанные с преобразованием частоты (люминесценция, эффект Комптона, комбинационное рассеяние), обычно играющие незначительную роль.

Особый интерес у физиков XIX в. вызывало излучение нагретых тел. Дело в том, что при электрическом разряде, при некоторых химических реакциях (хемилюминесценция), при обычной люминесценции требуется непрерывная затрата энергии, за счет которой и возникает излучение, т. е. процесс является неравновесным.

Излучение же нагретого тела при определенных условиях может быть равновесным, так как излучаемая энергия может поглощаться. В XIX в. термодинамика была разработана лишь для равновесных процессов; поэтому можно было надеяться на создание лишь теории излучения нагретого тела.

Итак, представим себе тело, имеющее внутри полость с зеркальными (т. е. полностью отражающими излучение любой частоты) стенками. Пусть в эту полость помещены два произвольных тела, дающих сплошной спектр излучения; их температура сначала может быть различной. Они будут обмениваться энергией излучения до тех пор, пока не установится равновесное состояние: энергия, поглощаемая в единицу времени элементом поверхности каждого тела, будет равна энергии, излучаемой тем же элементом. При этом вся полость заполнится излучением всевозможных частот. По мысли русского физика Б. Б. Голицына, этому излучению следует приписать ту же температуру, какая установится у излучающих тел после достижения равновесного состояния.

Для количественного описания введем функцию распределения е (ν,Т), называемую лучеиспускательной способностью тела. Произведение edν , где dν - бесконечно малый интервал частот (около частоты ν), дает энергию, испускаемую единицей поверхности тела в единицу времени в частотном интервале (ν, ν+dν ).

Далее назовем поглощательной способностью тела функцию а(ν,Т ), определяющую отношение энергии, поглощаемой элементом поверхности тела, к падающей на него энергии, заключенной в частотном интервале (v, ν + dν ).

Таким же образом можно определить и отражательную способность r (ν , Т) как отношение отражаемой энергии в интервале частот (ν, v+dν) к энергии падающей.

Идеализированные зеркальные стенки обладают отражательной способностью, равной единице во всей области частот - от самых малых до произвольно больших.

Допустим, что наступило состояние равновесия, при этом первое тело в единицу времени излучает с каждой единицы поверхности мощность

Если на эту единичную поверхность приходит из полости излучение, Описываемое функцией Ɛ(v, T ) dv , то часть энергии, определяемая произведением a 1 (v,T ) Ɛ(v , T ) dv , будет поглощена, остальное излучение отразится. В то же время единицей поверхности второго тела излучается мощность e 2 (v , T ) dv , а поглощается a 2 (v , T )Ɛ(v , T ) dv .

Отсюда следует, что при равновесии выполняется условие:

Его можно представить в виде

(11.1)

Эта запись подчеркивает, что отношение лучеиспускательной способности любого тела к его поглощательной способности при данной температуре в некотором узком интервале частот есть величина постоянная для всех тел. Эта постоянная величина равна лучеиспускательной способности так называемого черного тела (т. е. тела с поглощательной способностью, равной единице во всей мыслимой области частот).

Этим черным телом оказывается рассматриваемая нами полость. Поэтому, если сделать в стенке тела с полостью весьма малое отверстие, заметно не нарушающее теплового равновесия, то слабый поток излучения из этого отверстия будет характерен для излучения черного тела. В то же время ясно, что излучение, попадающее через такое отверстие внутрь полости, имеет ничтожно малую вероятность выйти обратно, т. е. полость обладает-полным поглощением, как это и должно быть у черного тела. Можно показать, что наши рассуждения сохраняют справедливость и при замене зеркальных стенок стенками с меньшей отражательной способностью; вместо двух тел можно взять несколько или одно или просто рассматривать излучение стенок самой полости (если они не зеркальны). Закон, выражаемый формулой (11.1), называют законом Кирхгофа. Из закона Кирхгофа следует, что если бы была известна функция Ɛ(v, Т), характеризующая излучение черного тела, то излучение любого другого тела можно было бы определить, измерив его поглощательную способность.

Отметим, что небольшое отверстие в стенке, например, муфельной печи при комнатной температуре кажется черным, так как, поглощая все попадающее-в полость излучение, полость почти не излучает, будучи холодной. Но при нагреве стенок печи отверстие кажется яркосветящимся, так как поток «черного» излучения, выходящий из него при высокой температуре (900 К и выше), достаточно интенсивен. По мере роста температуры интенсивность растет и красное вначале излучение воспринимается желтым, а затем - белым.

Если в полости имеется, например, чашка из белого фарфора с темным узором, то внутри горячей печи узор не будет заметен, так как его собственное излучение вместе с отраженным совпадает по составу с излучением, заполняющим полость. Если быстро вынести чашку наружу, в светлую комнату, то сначала темный узор светится ярче белого фона. После охлаждения, когда собственное излучение чашки становится исчезающе малым, в свете, заполняющем комнату, снова получается темный узор на белом фоне.

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

Электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, называют тепловым (температурным) излучением. Иногда под тепловым излучением понимают не только равновесное, но также и неравновесное излучение тел, обусловленное их нагреванием.

Такое равновесное излучение осуществляется, например, если излучающее тело находится внутри замкнутой полости с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела.

В теплоизолированной системе тел, находящихся при одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к нарушению термодинамического равновесия системы, так как это противоречило бы, второму началу термодинамики.

Поэтому для теплового излучения тел должно выполняться правило Прево: если два тела при одной и той же температуре поглощают разные количества энергии, то и их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.

Лучеиспускательной (излучательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Еn,т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела и интервале частот единичной ширины:

Где dW - энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени в интервале частот от v до v + dr.

Лучеиспускательная способность Еn,т, является спектральной характеристикой теплового излучения тела. Она зависит от частоты v, абсолютной температуры Т тела, а также от его материала, формы и состояния поверхности. В системе СИ Еn,т, измеряется в дж/м2.

Поглощательной способностью или монохроматическим коэффициентом поглощения тела называют величину Аn,т, показывающую, какая доля энергии dWпад, доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от v до v+dv, поглощается телом:

Аn,т - величина безразмерная. Она зависит, помимо частоты излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности.

Тело называется абсолютно черным, если оно при любой температуре полностью поглощает все падающие на него электромагнитные полны: Аn,т черн = 1.

Реальные тела не являются абсолютно черными, однако некоторые из них по оптическим свойствам близки к абсолютно черному телу (сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеют Аn,т, мало отличающиеся от единицы)

Тело называют серым,если его поглощательная способность одинакова для всех частот n и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела

Между лучеиспускательной Еn,т и поглощательной Аn,т способностями любого непрозрачного тела существует соотношение (закон Киргофа в дифференциальной форме):

Для произвольной частоты и температуры отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности en,т абсолютно черного тела, являющейся функцией только частоты и температуры (функция Кирхгофа Еn,т = Аn,тen,т = 0).

Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) тела:

представляет собой поверхностную плотность мощности теплового излучения тела, т.е. энергию излучения всех возможных частот, испускаемого с единицы поверхности тела за единицу времени.

Интегральная излучательная способность eТ абсолютно черного тела:

2. Законы излучения абсолютно черного тела

Законы излучения абсолютно черного тела устанавливают зависимость eТ и e n,Т от частоты и температуры.

Закон Cmeфана - Болъцмапа:

Величина σ- универсальная постоянная Стефана -Больцмана, равная 5,67 -10-8 вт/м2*град4.

Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, т. е. зависимость en,Т, от частоты при различных температурах, имеет вид, изображенный на рисунке:

Закон Вина:

где с - скорость света в вакууме, a f(v/T) - универсальная функция отношения частоты излучения абсолютно черного тела к его температуре.

Частота излучения nмакс, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности en,Т абсолютно черного тела, согласно закону Вина равна

Где b1 - постоянная величина, зависящая от вида функции f(n/T).

Закон смещения Buнa: частота, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности en,Т абсолютно черного тела, прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

С энергетической точки зрения черное излучение эквивалентно излучению системы бесконечно большого числа не взаимодействующих гармонических осцилляторов, называемых радиационными осцилляторами. Если ε(ν) – средняя энергия радиационного осциллятора с собственной частотой ν, то

ν= и

Согласно классическому закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы ε(ν) = kT, где k постоянная Больцмана, и

Это соотношение называют формулой Релея-Джинса. В области больших частот она приводит к резкому расхождению с опытом, носящему название «ультра-Фиолетовой катастрофы: en,Т монотонно возрастает с ростом частоты, не имея максимума, а интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела обращается в бесконечность.

Причина вышеуказанных трудностей, возникших при отыскании вида функции Кирхгофа en,Т, связана с одним из основных положений классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения.

По квантовой теории Планка энергия радиационного осциллятора с собственной частотой v может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число элементарных порций - квантов энергии:

h = б,625-10-34 дж*сек - постоянная Планка (квант действия). В соответствии с этим излучение и поглощение энергии частицами излучающего тела (атомами, молекулами или ионами), обменивающимися энергией с радиационными осцилляторами, должно происходить, не непрерывно, а дискретно - отдельными порциями (квантами).

Попытки описания:

Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862.

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики. Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея - Джинса.
На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.
Тем не менее закон излучения Рэлея - Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с Формулой Рэлея - Джинса.
Этот факт является прекрасной иллюстрацией действия принципа соответствия, согласно которому новая физическая теория должна объяснять всё то, что была в состоянии объяснить старая.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка.

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана-Больцмана. Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Винна. Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36°C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению).

Очень близко по своим свойствам к чернотельному так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон - заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

24) Элементарная квантовая теория излучения. Главное здесь (коротко): 1) Излучение это следствие перехода квантовой системы из одного состояния в другое - с меньшей энергией. 2) Излучение происходит не непрерывно, а порциями энергии - квантами. 3) Энергия кванта равна разности энергии уровней. 4) Частота излучения определяется известной формулой Е=hf. 5) Квант излучения (фотон) проявляет свойства как частицы, так и волны.Подробно: Квантовая теория излучения была использована Эйнштейном для интерпретации фотоэлектрического эффекта. Квантовая теория излучения дает возможность обосновать теорию Эйнштейна. Квантовая теория излучения (с учетом определенных предположений о перенормировке) достаточно полно описывает взаимодействие излучения с веществом. Несмотря на это, заманчиво доказать, что концептуальные основы квантовой теории излучения и понятие фотона лучше всего рассматривать через классическое поле и флуктуации, связанные с вакуумом. Однако успехи квантовой оптики выдвинули новые аргументы в пользу квантования электромагнитного поля, и вместе с ними возникло более глубокое понимание сущности фотонов. Квантовая теория излучения света существенно использует тот факт, что энергия взаимодействия между веществом (атомом, молекулой, кристаллом) и электромагнитным полем весьма мала. Это позволяет в нулевом приближении рассматривать поле и вещество независимо друг от друга и говорить о фотонах и стационарных состояниях вещества. Учет энергии взаимодействия в первом приближении обнаруживает возможность перехода вещества из одного стационарного состояния в другое. Эти переходы сопровождаются появлением или исчезновением одного фотона и представляют собой поэтому те элементарные акты, из которых слагаются процессы излучения и поглощения света веществом. Согласно квантовой теории излучения элементарный процесс фотолюминесценции следует рассматривать состоящим из акта электронного возбуждения молекул люминесцирующего вещества поглощенными фотонами и последующего излучения молекул при переходе их из возбужденного состояния в нормальное. Как показали экспериментальные исследования, элементарный процесс фотолюминесценции не всегда происходит в пределах одного излучающего центра. Для построения квантовой теории излучения оказалось необходимым учитывать взаимодействие электрона с вторично квантованным полем фотонов.
Начало развития квантовой теории излучения заряда, движущегося в электромагнитном поле плоской волны, было положено известной работой Клейна и Нишины, в которой было рассмотрено рассеяние фотона на покоящемся электроне. Планк выдвинул квантовую теорию излучения, согласно которой энергия излучается и поглощается не непрерывно, а определенными порциями - квантами, называемыми фотонами. Таким образом, квантовая теория излучения не только приводит к выводам, следующим из волновой теории, но и дополняет их новым предсказанием, нашедшим блестящее экспериментальное подтверждение. Волновой пакет с минимальной неопределенностью в различные моменты времени в потенциальном поле гармонического осциллятора (а. соответствующее электрическое поле (б. По мере развития квантовой теории излучения и с появлением лазера были в значительной мере изучены состояния поля, наиболее близко описывающие классическое электромагнитное поле. Со времени зарождения квантовой теории излучения черного тела вопрос о том, насколько хорошо уравнения Планка и Стефана - Больцмана описывают плотность энергии внутри реальных, конечных полостей, имеющих полуотражающие стенки, был предметом неоднократных обсуждений. Большинство из них имели место в первые два десятилетия нашего века, однако вопрос закрыт полностью не был, и в последние годы интерес к этой и некоторым другим родственным проблемам возродился. Среди причин возрождения интереса к этому старейшему предмету современной физики можно назвать развитие квантовой оптики, теории частичной когерентности и ее применение к изучению статистических свойств излучения; недостаточное понимание процессов теплообмена излучением между близкорасположенными телами при низких температурах и проблему эталонов далекого инфракрасного излучения, для которого длина волны не может считаться малой, а также ряд теоретических проблем, относящихся к статистической механике конечных систем. Он показал также, что в пределе больших объемов или высоких температур число Джинса справедливо для полости любой формы. Позднее на основании результатов работы Вейля были получены асимптотические приближения, где D0 (v) являлся просто первым членом ряда, полная сумма которого D (v) представляла собой среднюю плотность мод. Волна до Врой - Гося по круговой орбите, нужно, чтобы сум-ля, связанная с электро - мармя длина траектории Znr являлась кратном в гипотезе кругсшои. г г орбиты. Волны, разру - ной длине волны электрона. в противном шающиеся интерферен - случае волна будет разрушаться вследствие цией, изображены жир - интерференции (9. Условие существо-ной линией. вания устойчивой орбиты радиуса г вы. По аналогии с квантовой теорией излучения де Бройль предположил в 1924 г., что электрон и, более того, вообще всякая материальная частица одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Согласно де Бройлю, движущейся частице с массой т и скоростью v соответствует длина волны K h / mv, где h - постоянная Планка. В соответствии с квантовой теорией излучения энергия элементарных излучателей может изменяться только скачками, кратными некоторому значению, постоянному для данной частоты излучения. Минимальная порция энергии называется квантом энергии. Блестящее согласие между полностью квантовой теорией излучения и вещества и экспериментом, достигнутое на примере лэмбовского сдвига, обеспечило сильный довод в пользу квантования поля излучения. Однако подробный расчет лэмбовского сдвига увел бы нас далеко от главного направления квантовой оптики. Мессбауэровские переходы, наиболее удобные в экспериментальной. Эти данные подтверждают выводы квантовой теории излучения для гамма-диапазона.
Представив это краткое обоснование квантовой теории излучения, приступим к квантованию свободного электромагнитного поля. Масса покоя фотона в квантовой теории излучения считается равной нулю. Однако это лишь постулат теории, потому что ни один реальный физический эксперимент не может подтвердить этого. Остановимся кратко на основных положениях квантовой теории излучения. Если мы хотим на основе квантовой теории излучения понять действие светоделителя и его квантовые свойства, надо следовать указанному выше рецепту: сначала найти собственные моды, а затем проквантовать, как описано в предыдущей главе. Но каковы в нашем случае граничные условия, которые определяют эти моды. Во первых, необходимо расширить квантовую теорию излучения с тем, чтобы рассмотреть неквантовые стохастические эффекты, такие как тепловые флуктуации. Это является важной составляющей теории частичной когерентности. Кроме того, такие распределения делают понятной связь между классической и квантовой теориями. Книга является пособием для изучения курсов Квантовая теория излучения и Квантовая электродинамика. Принцип построения книги: изложение основ курса занимает малую часть ее объема, большая часть фактического материала приводится в форме задач с решениями, необходимый математический аппарат дан в приложениях. Все внимание сосредоточено на нерелятивистском характере излуча-тельных переходов в атомных системах. Теоретически определить AnJBnm в формуле (11.32) элементарная квантовая теория излучения черного тела не в состоянии. Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равноресие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равновесие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Штарк и Эйнштейн, исходя из квантовой теории излучения, в начале XX века дали формулировку второго закона фотохимии: каждая молекула, участвующая в фотохимической реакции, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Последнее связано с чрезвычайно малой вероятностью повторного поглощения кванта возбужденными молекулами, ввиду их низкой концентрации в веществе. Выражение для коэффициента поглощения получают на основе квантовой теории излучения. Для микроволновой области оно представляет сложную функцию, зависящую от квадрата частоты перехода, формы линии, температуры, числа молекул на нижнем энергетическом уровне и квадрата матричного элемента дипольно-го момента перехода

25 Теория излучения Эйнштейна и генерация света

Эйнштейн начинает с рассмотрения одной трудности в теории излучения черного тела. Если представить, что электромагнитные осцилляторы, которыми являются молекулы тела, подчиняются законам классической статистики Максвелла - Больцмана, то каждый такой осциллятор в среднем будет обладать энергией:

где R - постоянная Клапейрона, N - число Авогадро. Используя соотношение Планка между средней энергией осциллятора и объемной плотностью энергии, находящейся с ним в равновесном излучении:

где Eν - средняя энергия осциллятора частоты v, L - скорость света, ρ - объемная плотность энергии излучения, Эйнштейн пишет равенство:

Из него он находит объемную плотность энергии:

«Это соотношение, - пишет Эйнштейн, - найденное при условии динамического равновесия, не только противоречит опыту, но и утверждает, что в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом». В самом деле, суммарная энергия излучения оказывается бесконечной:

К аналогичному выводу в том же, 1905 г. пришли независимо друг от друга Рэлей и Джине. Классическая статистика приводит к закону излучения, резко противоположному опыту. Эта трудность получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Эйнштейн указывает, что формула Планка:

переходит для больших длин волн и больших плотностей излучения в найденную им формулу:

Эйнштейн подчеркивает, что значение числа Авогадро совпадает со значением, найденным другим способом. Обращаясь далее к закону Вина, хорошо оправдывающегося для больших значений ν/T, Эйнштейн получает выражение энтропии излучения:

«Это равенство показывает, что энтропия монохроматического излучения достаточно малой плотности зависит от объема так же, как энтропия идеального газа или разбавленного раствора».

Переписав это выражение в виде:

и сравнивая его с законом Больцмана:

S-S0= (R/N) lnW,

Эйнштейн находит выражение вероятности того, что энергия излучения в объеме V0 сосредоточится в части объема V:

Три варианта генерации света

Принципиально различают три способа генерации света: термоизлучение, газовый разряд высокого и низкого давления.

· Термоизлучение - излучение нагреваемого провода до максимальной темпе­ ратуры при прохождении электрического тока. Образцом является солнце с температурой поверхности 6000 К. Лучше всего подходит для этого элемент вольфрам с наивысшей среди металлов температурой плавления (3683 К).

Пример: За счет термоизлучения работают лампы накаливания и галогенные лампы накаливания.

· Газовый дуговой разряд появляется в закрытой стеклянной емкости, наполненной инертными газами, парами металла и редкоземельными элементами при подаче напряжения. Возникающие при этом свечения газообразных наполнителей дают желаемую цветность света.

Пример: За счет газового дугового разряда работают ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы.

· Люминесцентный процесс. Под действием электрического разряда закаченные в стеклянную трубку пары ртути начинают излучать невидимые ультрафиолетовые лучи, которые, попадая на нанесенный на внутреннюю поверхность стекла люминофор, преобразуется в видимый свет.

Пример: За счет люминесцентного процесса работают люминесцентные лампы, ком­пактные люминесцентные лампы.

26) СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ - совокупность методов определения элементногои молекулярного состава и строения веществ по их спектрам. С помощью С. <а. определяют как осн. компоненты, составляющие 50- 60% вещества анализируемыхобъектов, так и незначит. примеси в них (до и менее). С. а. - наиб. распространённый аналитич. метод, св. 20- 30% всеханализов выполняется с помощью этого метода, в т. ч. контроль состава сплавовв металлургии, автомоб. и авиац. пром-сти, технологии переработки руд, <анализ экологич. объектов и материалов высокой чистоты, хим., биол. и мед. <исследования. Особо важное значение С. а. имеет при поисках полезных ископаемых.

Основа С. а.- спектроскопия атомов и молекул; его классифицируютпо целям анализа и типам спектров. В атомном С. а. (АСА) определяют элементныйсостав образцов по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения; вмолекулярном С. а. (МСА) - молекулярный состав вещества по молекулярнымспектрам поглощения, испускания, отражения, люминесценции и комбинационногорассеяния света. Эмиссионный С. а. проводят по спектрам испусканиявозбуждённых атомов, ионов и молекул. Абсорбционный С. а. осуществляютпо спектрам поглощения анализируемых объектов. В С. а. часто сочетают неск. <спектральных методов, а также применяют др. аналитич. методы, что расширяетвозможности анализа. Для получения спектров используют разл. типы спектральныхприборов в зависимости от целей и условий анализа. Обработка эксперим. <данных может производиться на ЭВМ, встроенных в спектральный прибор. Атомный спектральный анализ Различают два осн. варианта атомногоС. а.- атомно-эмиссионный (АЭСА) и атомно-абсорбционный (ААА). Атомно-эмиссионный спектральный анализ основан на зависимости 1 =f(с) интенсивности 1 спектральной линии испускания (эмиссии)определяемого элемента х от его концентрации в анализируемом объекте: где -вероятность квантового перехода из состояния q в состояние р,n q - концентрация атомов, находящихся в состоянии q висточнике излучения (исследуемом веществе), - частота квантового перехода. Если в зоне излучения выполняется локальноетермодинамическое равновесие,концентрация электронов п e 14 -10 15 и их распределение по скоростям максвелловское, <то где n а - концентрация невозбуждённых атомов определяемогоэлемента в области излучения, g q - статистический вес состояния q,Z - статистическая сумма по состояниям q, причём энергия возбуждения уровня q. Т. о., искомая концентрация n а - ф-ция темп-ры, к-рая практически не может строго контролироваться. Поэтомуобычно измеряют интенсивность аналитич. линии относительно нек-рого внутр. <стандарта, присутствующего в анализируемом объекте в известной концентрацииn ст. Если стандартная линия близка к аналитической, то (K - постоянная величина). Эта зависимость используется в С. а. в тех случаях, <когда отсутствует самообращение используемых линий.

В АЭСА применяются в осн. спектральные приборы с фоторегистрацией(спектрографы) и фотоэлектрич. регистрацией (квантометры). Излучение исследуемогообразца направляется на входную щель прибора с помощью системы линз, попадаетна диспергирующее устройство (призма или дифракц. решётка) и после монохроматизациифокусируется системой линз в фокальной плоскости, где располагается фотопластинкаили система выходных щелей (квантометр), за к-рыми установлены фотоэлементыили фотоумножители. При фоторегистрации интенсивности линий определяютпо плотности почернения S, измеряемой микрофотометром: где р - т. н. константа Шварцшильда, - фактор контрастности; t - время экспозиции. В АЭСА исследуемое вещество должно находиться в состоянии атомного газа. <Обычно атомизация и возбуждение атомов осуществляются одновременно - висточниках света. Для анализа металлов, сплавов и др. проводников чащевсего используют дуговой разряд или искровой разряд,гдев качестве электродов служат сами анализируемые пробы. Дуговой разряд применяетсяи для анализа непроводящих веществ. В этом случае порошкообразную пробупомещают в углубление в графитовом электроде (метод испарения) или с помощьюразл. устройств вводят порошок в плазму дугового разряда между горизонтальнорасположенными графитовыми электродами. Применяется также введение порошкообразныхпроб в дуговые плазмотроны. При АЭСА растворов в качестве источников возбуждающего света применяютпламя горючих газов (смеси ацетилен - кислород, ацетилен - закись азотаи др.). В качестве источников света начали использовать также безэлектродныйразряд и особенно индуктивносвязанную плазму. Во всех случаях растворв виде аэрозоля потоком аргона вводят в зону возбуждения спектра (темп-ра2500-3000 К в пламенах и 6000- 10000 К в плазме разряда), где происходитвысушивание, испарение и атомизация аэрозоля. Процесс атомизации в методах АЭСА обычно носит термич. характер, чтопозволяет сделать нек-рые обобщения. В реальных условиях, учитывающих кинетикупроцесса, для частиц, находящихся в зоне с темп-рой ТT кип (T кип - темп-pa кипения), зависимость кол-ва испарившихсячастиц от времени описывается ур-нием: где r - радиус частицы, D - коэф. диффузии, -поверхностное натяжение раствора, р- давление насыщенных паров, М- мол. масса, - плотность. Пользуясь этим ур-нием, можно найти кол-во вещества, испарившеесяза время t.

Если при этом молекула состоит из элементов п 1 и n 2 ,то степень атомизации может быть рассчитана по ур-нию: где М 1 и M 2 - ат. массы элементов п 1 и n 2 ; Z 1 и Z 2 - статистич. <суммы по состояниям этих элементов, M МОЛ - мол. массаатомизирующейся молекулы, Z 3 - статистич. сумма по еёсостояниям, -энергия диссоциации молекулы. Такого типа расчёты позволяют найти концентрациюатомов определяемого элемента п а в ур-нии (2) и определитьеё связь с интенсивностью аналитич. линии. Необходимость учитывать взаимодействиеопределяемого элемента с окружающей средой, др. компонентами анализируемоговещества, ионизацию атомов определяемого элемента и др. эффекты значительноусложняет картину испарения и атомизации исследуемого вещества. С цельюоблегчения С. а. создаются спец. программы расчёта на ЭВМ достаточно сложныхреакций в газовой и конденсированных фазах при заданных темп-ре идавлении. В источниках излучения чаще всего не соблюдается термодинамич. равновесие, <поэтому эти расчёты могут использоваться лишь при выборе оптим. условийанализа. В АЭСА применяют эмпирич. метод, заключающийся в эксперим. построениианалитич. ф-ции с помощью серии стандартных образцов анализируемого материала с заранееточно известными содержаниями определяемого элемента. Такие образцы либоизготовляют специально, либо заранее в неск. образцах устанавливают концентрациюэтого элемента точными методами. Измеряя затем аналитич. сигнал , находят содержание определяемого элемента в пробе. Структура и физ.-хим. свойства анализируемого и стандартного объектовмогут оказаться неадекватными (различны, напр., условия парообразованиястепени атомизации, условий возбуждения). Эти различия приходится учитыватьпри С. а. В таких случаях используют метод факторного статистич. планированияэксперимента. В результате экспериментов получают т. н. ур-ния регрессии, <учитывающие влияние на интенсивность аналитич. линий концентраций всехэлементов, составляющих пробу, и устанавливают концентрацию анализируемогоэлемента с помощью этих ур-ний. Совр. многоканальные квантометры позволяютодновременно измерять интенсивность большого числа спектральных линий. <На основе этих эксперим. данных с помощью ЭВМ можно решать довольно сложныеслучаи анализа, однако за счёт измерения неск. линий случайная погрешностьопределения С. возрастает. Атомно-абсорбционный анализ (ААА) основан на зависимости аналитич. сигнала(абсорбционности) (где - интенсивности падающего и прошедшего сквозь образец света) от концентрации(Бугера- Ламберта - Берa закон): где k v - коэф. поглощения на частоте v, l - эфф. <длина светового пути в области поглощения, п - концентрация атомованализируемого элемента в парах. Схема установки ААА включает: независимый источник излучения света счастотой v, равной частоте аналитич. линии определяемого элемента; атомизатор, <преобразующий пробу в атомарный пар; спектрофотометр. Свет, прошедший сквозьатомный пар, системой линз направляется на входную щель спектрофотометра, <интенсивность аналитич. спектральной линии на выходе регистрируется фотоэлектрич. методом. Поскольку естественнаяширина спектральной линии, постоянна, зависит только от времени жизнивозбуждённого состояния и обычно пренебрежимо мала, разница контуров линиииспускания и поглощения определяется в осн. допплеровским и лоренцевским уширениями: (здесь р - давление, с - скорость света, т - атомная, М- молекулярная массы, - эфф. сечение столкновений, приводящих к уширению, К -константа).Т. о., ширины контуров линий поглощения и испускания могут быть различнымив зависимости от давления, темп-ры и состава газовой фазы в источнике излученияи в поглощающей ячейке, что отразится на виде ф-ции и может привести к неоднозначности результатов С. а. До нек-рой степениэто удаётся устранить достаточно сложными приёмами. В методе Уолша применяютлампы с полым катодом (ЛПК), к-рые излучают спектральные линии значительноболее узкие, чем линии поглощения атомов определяемых элементов в обычныхпоглощающих ячейках. В результате зависимость в довольно широких пределах значений А (0 -0,3) оказывается простойлинейной ф-цией. В качестве атомизатора в ААА используют разл. пламена на основе смесейводород - кислород, ацетилен - воздух, ацетилен - закись азота и др. Анализуподвергают аэрозоль раствора пробы, вдуваемый в горящее пламя. Последовательноизмеряют интенсивности и I 0 света, прошедшего сквозь пламя во время подачи аэрозоляи без его подачи. В совр. приборах измерение автоматизировано. В нек-рых случаях процессы испарения и последующей атомизациипробы из-за низкой темп-ры пламён (Т ~3000 К) в газовой фазе происходятне полностью. Процессы испарения частиц аэрозоля и степень атомизации впламени сильно зависят также от состава пламени (соотношения горючего иокислителя), а также от состава раствора аэрозоля. Хорошую воспроизводимостьаналитич. сигнала (в лучших случаях S r составляет 0,01-0,02)удаётся получать, применяя в качестве источников ЛПК, излучение к-рогообладает высокой стабильностью, и осуществляя процессы испарения и атомизациив пламени.

27) Естественная ширина линии излучения. Доплеровское уширение линии излучения в газообразных средах .ЕСТЕСТВЕННАЯ ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ- ширина спектральной линии, обусловленная спонтанными квантовыми переходами изолированной квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.). Е. ш. с. л. наз. также радиац. шириной. В соответствии с принципом неопределённости возбуждённые уровни i энергии квантовой системы, обладающие конечным временем жизни t i , являются квазидискретными и имеют конечную (малую) ширину (см. Ширина уровня).Энергия возбуждённого уровня равна - суммарная вероятность всех возможных спонтанных квантовых переходов с уровня i (А ik - вероятность перехода на уровень k; см.Эйнштейна коэффициенты).Если уровень энергии j, на к-рый переходит квантовая система, также является возбуждённым, то Е. ш. с. л. равна (Г i +Г j ). Вероятность dw ij излучения фотонов в интервале частот d w при переходе i-j определяется ф-лой: Для резонансных линий атомов и ионов Е. ш. с. л. равна: где f ij - сила осциллятора перехода i-j , она очень мала по сравнению с частотой перехода w ij : Г/w ij ~ a 3 (z+1) 2 (здесь a=1/137 - постоянная тонкой структуры, z - кратность заряда иона). Особенно малой шириной обладают запрещённые линии. Естественная ширина линии классич. осциллятора с зарядом е , массой т и собств. частотой w 0 равна: Г= 2еw 2 0 /3mс 3 . Радиац. затухание приводит также к очень небольшому смещению максимума линии в сторону меньших частот ~Г 2 /4w 0 . Спонтанные квантовые переходы, определяющие конечную ширину уровней энергии и Е. ш. с. л., не всегда происходят с испусканием фотонов. Доплеровское уширение спектральной линии. Это уширение связано с эффектом Доплера, т. е. с зависимостью наблюдаемой частоты излучения от скорости движения излучателя. Если источник, создающий в неподвижном состоянии монохроматическое излучение с частотой, движется со скоростью в сторону к наблюдателю так, что проэкция скорости на направление наблюдения составляет, то наблюдатель регистрирует более высокую частоту излучения. где с - фазовая скорость распространения волны; 0 - угол между направлениями скорости излучателя и наблюдения. В квантовых системах источниками излучения являются атомы или молекулы. В газообразной среде при термодинамическом равновесии скорости частиц распределены по закону Максвелла- Больцмана. Поэтому и форма спектральной линии всего вещества – будет связана с этим распределением. В спектре, регистрируемом наблюдателем, должен быть непрерывный набор частиц, так как разные атомы движутся с разными скоростями относительно наблюдателя. Учитывая лишь проекции скорости в распределении Максвелла- Больцмана, можно получить следующее выражение для формы доплеровской спектральной линии: Эта зависимость является гауссовой функцией. Соответствующая значению ширина линии. С увеличением массы частиц М и понижением температуры Т ширина линии уменьшается. Вследствие эффекта Доплера спектральная линия всего вещества не совпадает со спектральной линией отдельной частицы. Наблюдаемая спектральная линия вещества представляет собой суперпозицию спектральных линий всех частиц вещества, т. е. линий с различными центральными частотами. Для лёгких частиц при обычной температуре ширина доплеровской линии в оптическом диапазоне может превышать естественную ширину линии на несколько порядков и достигать значения более1ГГц. Процесс, при котором форма спектральной линии всего вещества не совпадает с формой спектральной линии каждой частицы, называют неоднородным уширением спектральной линии. В рассмотренном случае причиной неоднородного уширения был эффект Доплера. Форма доплеровской спектральной линии описывается гауссовой функцией. Если распределение скоростей частиц отличается от максвелловского, то и форма доплеровской спектральной линии будет отличаться от гауссовой функции, но уширение останется неоднородным.

28 Лазеры: принципы работы, основные характеристики и применение

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча.

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, – это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно – периодического действия. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязненней, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов.

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов.

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ - Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

30 . Открытые оптические резонаторы. Продольные моды. Поперечные моды. Дифракционная устойчивость

В 1958 г. Прохоровым А.М. (СССР) и независимо от него Р.Дикке, А.Шавловым, Ч.Таунсом (США) была обоснована идея о возможности применения в оптическом диапазоне открытых резонаторов вместо объемных. Такие резонаторы называются открытыми оптическими или просто оптическими , L >> l

Если m = n = const, то

Полученный набор резонансных частот относится к так называемым продольным (или аксиальным) модам . Аксиальными модами называют колебания, распространяющиеся строго вдоль оптической оси резонатора. Они обладают наивысшей добротностью. Продольные моды отличаются одна от другой лишь частотой и распределением поля вдоль оси Z (т.е. разность между соседними частотами постоянна и зависит только от геометрии резонатора)

Моды с разными индексами m и n будут различаться распределением поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, т.е. в поперечном направлении.Поэтому их называют поперечными (или неаксиальными) модами . Для поперечных мод, отличающихся индексами m и n, структура поля будет различной в направлении осей x и y соответственно.

Разность частот поперечных мод с индексами m и n, отличающимися на 1, равна:

можно представить в виде:

где NF-число Френеля, .

Каждой поперечной моде соответствует бесконечное количество продольных, отличающихся индексом g.

Моды, характеризующиеся одними и теми же индексами m и n, но разными g, объединяются под общим названием поперечные моды. Колебание, соответствующее определенному g, называют продольной модой, относящейся к данной поперечной моде.

В теории открытых резонаторов принято обозначать отдельные моды как ТЕМmnq, где m, n –поперечные индексы моды, g- продольный индекс. Обозначению ТЕМ соответствует английское словосочетание Transvers Electromagnetic (Поперечные электромагнитные колебания, которые имеют пренебрежимо малые проекции векторов Е и Н на ось Z). Поскольку число g очень велико, часто индекс g опускают и моды резонатора обозначают ТЕМmn. Каждый тип поперечной моды ТЕМmn обладает определенной структурой поля в поперечном сечении резонатора и образует определенную структуру светового пятна на зеркалах резонатора (рис.1.8). В отличие от объемного резонатора моды открытого можно визуально наблюдать.

Дифракционные потери реальных мод оказываются существенно меньше благодаря тому, что при многократных проходах излучения между зеркалами происходит «естественный» отбор тех мод, у которых максимум амплитуды поля находится в центре зеркал. Таким образом, в открытом резонаторе при наличии дифракционных потерь не может существовать истинных мод, т.е. стационарных конфигураций электромагнитного поля типа стоячих волн, подобных существующим в объемном резонаторе. Однако имеется определенное число типов колебаний, обладающих малыми дифракционными потерями (их иногда называют квазимодами или модами открытых резонаторов). Поле этих колебаний (мод) сконцентрировано вблизи оси резонатора и практически спадает до нуля в его периферийных областях.

31 Модовый состав излучения лазерных генераторов. Режимы работы твердотельных лазеров

Модовой состав излучения существенно зависит от конструкции и размеров резонатора полупроводниковый лазер а также от величины мощности излучения полупроводниковый лазер испускает узкую спектральную линию, к-рая сужается с увеличением мощности излучения, если не появляются пульсации и многомодовые эффекты. Сужение линии ограничивается фазовыми флуктуациями, обусловленными спонтанным излучением. Эволюция спектра излучения с ростом мощности в инжекц. лазере показана на рис. 7. В од-ночастотном режиме наблюдают сужение спектральной линии до Гц; мин. значение ширины линии в полупроводниковый лазер со стабилизацией одночастотного режима с помощью селективного внеш. резонатора составляет величину 0,5 кГц. В полупроводниковый лазер путём модуляции накачки удаётся получить модулиров. излучение, напр. в форме синусоидальных пульсаций с частотой, достигающей в нек-рых случаях 10-20 ГГц, или в форме УК-импульсов субпикосекундной длительности Осуществлена передача информации с помощью полупроводниковый лазер. со скоростью 2-8 Гбит/с.

Твердоте́льный ла́зер - лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Рабочие схемы активных веществ твердотельных лазеров подразделяются на трех- и четырехуровневые. По какой из схем работает данный активный элемент, судят по разности энергий между основным и нижним рабочими уровнями. Чем больше эта разность, тем при более высоких температурах возможна эффективная генерация. Так, например, у иона Сг3+ основное состояние характеризуется двумя подуровнями, расстояние между которыми составляет 0,38 см-1. При такой разности энергий даже при температуре жидкого гелия (~4К) заселенность верхнего подуровня только на ~13°/0 меньше нижнего, т. е. они заселены одинаково и, следовательно, рубин - активное вещество с трехуровневой схемой при любой температуре. У иона неодима же нижний лазерный уровень для излучения при =1,06 мкм расположен на 2000 см-1 выше основного. Даже при комнатной температуре на нижнем уровне ионов неодима в 1,4 -104 раз меньше, чем на основном, и активные элементы, у которых в качестве активатора используется неодим, работают по четырехуровневой схеме.

Твердотельные лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Различают два импульсных режима работы твердотельных лазеров: режим свободной генерации и режим с модулированной добротностью. В режиме свободной генерации длительность импульса излучения практически равна длительности импульса накачки. В режиме же с модулированной добротностью длительность импульса существенно меньше длительности импульса накачки.

32) Нелинейная оптика - раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии световых полей с веществом, у которого имеется нелинейная реакция вектора поляризации P на вектор напряженности электрического поля E световой волны. В большинстве веществ данная нелинейность наблюдается лишь при очень высоких интенсивностях света, достигаемых при помощи лазеров. Принято считать как взаимодействие, так и сам процесс линейными, если его вероятность пропорциональна первой степени интенсивности излучения. Если эта степень больше единицы, то как взаимодействие, так и процесс называются нелинейными. Таким образом возникли термины линейная и нелинейная оптика. Появление нелинейной оптики связано с разработкой лазеров, которые могут генерировать свет с большой напряженностью электрического поля, соизмеримой с напряженностью микроскопического поля в атомах. Основные причины, вызывающие различия в воздействии излучения большой интенсивности от излучения малой интенсивности на вещество: При большой интенсивности излучения главную роль играют многофотонные процессы, когда в элементарном акте поглощается несколько фотонов. При большой интенсивности излучения возникают эффекты самовоздействия приводящие к изменению исходных свойств вещества под влиянием излучения. Одним из наиболее часто используемых процессов с изменением частот является генерация второй гармоники . Это явление позволяет преобразовать выходное излучение лазера Nd:YAG лазера (1064 нм) или лазера на сапфире, легированного титаном (800 нм) в видимое, с длинами волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое), соответственно. На практике для реализации удвоения частоты света в выходной пучок лазерного излучения устанавливают нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом.

33) Рассеяние света - рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока. Пусть и - частоты падающего и рассеянного света. Тогда Если - упругое рассеяние Если - неупругое рассеяние - стоксово рассеяние - антистоксово рассеяние Рассеиваемый свет даёт информацию о структуре и динамике материала. Рэлеевское рассеяние - когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. mодель взаимодействия с осциллятором комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества. Выражение для интенсивности излучения имеет вид где P - индуцированный дипольный момент, определяемый как Коэффициент пропорциональности α в этом уравнении называется поляризуемостью молекулы. Рассмотрим световую волну как электромагнитное поле напряженности Е с частотой колебаний ν 0 : где E 0 - амплитуда, a t - время.

Поток излучения Ф  физическая величина, равная количест­ву энергии, излучаемой нагретым телом со всей поверхности в еди­ницу времени :

Энергетическая светимость (излучательность) тела R  энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади нагрето­го тела во всем интервале длин волн (0 < < ∞).:

Спектральная плотность энергетической светимости R  , T это энергия, излучаемая в интервале длин волн от  до +d в единицу времени с единицы площади

Энергетическая светимость R T , являющаяся интегральной характеристикой излучения, связана со спектральной плотностью энергетической светимости соотношением

Так как длина волны и частота связаны известным соотношением  = c /, спектральные характеристики излучения можно характеризовать также и частотой.

Радиационные характеристики тел

Рис. 3. Модель абсо­лютно черного тела

;  абсолютно белое тело,

;  абсолютно черное тело.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны и ха­рактеризуется спектральной поглощательной способ­нос­тью  безразмерной физической величиной, показывающей, какая доля энер­гии, падающей в единицу времени на единицу поверхности тела в интервале длин волн от  до + d, им поглощается:

Тело, для которого поглощательная способность одинакова для всех длин волн и зависит только от температуры, называют серым:

2. Законы теплового излучения

2.1. Между спектральной плотностью энергетической светимости и поглощательной способностью любого тела имеется связь, которая выража­ется законом Кирхгофа :

Отношение спектральной плотности энергетической светимости любого тела к его поглощательной способности при дан­ной длине волны и температуре является величиной постоянной для всех тел и равной спектральной плотности энергетической светимо­сти абсолютно черного тела r  , T при той же температуре и дли­не волны.

Здесь r  , T  универсальная функция Кирхгофа , при А  , Т = 1 , т.е.универсальная фун­к­ция Кирхгофа есть не что иное, как с пектральная плотность энер­ге­ти­ческой светимости абсолютно чер­но­го тела.

Следствия закона Кирхгофа:

Так как А  , Т < 1, то: энергия излучения любо­го тела всегда меньше энергии излу­че­ния абсолютно черного тела;

Если тело не поглощает энер­гию в некотором диапазоне длин волн (А  , Т = 0), то оно и не из­лучает ее в этом диапазоне ().

Интегральная энергетическая светимость

Для серого тела

т.е. коэффициент поглощения характеризует отношение излучательностей серого и черного тел . В технической литературе его называют степенью черноты серого тела.

2.2. Закон Стефана-Больцмана установлен Д.Стефаном (1879 г.) из анализа экспериментальных данных, а за­тем Л.Больцманом (1884 г.)  теоретическим путем.

 = 5,6710 -8 Вт/(м 2  К 4)  постоянная Стефана-Больцмана,

т.е. энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.

закон Стефана-Больцмана для серого тела

Закон смещения Вина установлен немецким физиком В.Вином (1893 г.)

, b = 2,910 -3 мK  постоянная Вина. (10)

Длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсо­лютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной темпера­туре этого тела, т.е. с увеличением температуры максимальное выделение энергии смещается в коротковолновый диапазон.

Для продолжения скачивания необходимо собрать картинку:

Тепловое излучение

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Рассмотрим случай, когда тело А расположено в полости Б, которая ограничена идеальной отражающей (непроницаемой для излучения) оболочкой С (рис.1). В результате многократного отражения от внутренней поверхности оболочки излучение будет сохраняться в пределах зеркальной полости и частично поглощаться телом А. При таких условиях система полость Б – тело А не будет терять энергию, а будет лишь происходить непрерывный обмен энергией между телом А и излучением, которое заполняет полость Б.

Равновесное тепловое излучение имеет такие свойства: однородное (одинаковая плотность потока энергии во всех точках полости), изотропное (возможные направления распространения равновероятны), неполяризованное (направления и значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках полости изменяются хаотически).

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:

Энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м2с)] = [Вт/м2] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.

Спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): Rλ, T = f(λ, T).

Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием Rλ, T = f(λ, T) для T = const:

Коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФпогл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФпр: α = dФпогл/dФпад.

Монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: αλ, T = f(λ, T)

Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами. Для них α =1.

Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0, 1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.

2. Законы теплового излучения

Следствия из закона Кирхгофа:

Систематическое изучение спектров ряда элементов позволило Кирхгофу и Бунзену установить однозначную связь между спектрами поглощения и излучения газов и индивидуальностью соответствующих атомов. Так был предложен спектральный анализ, с помощью которого можно выявить вещества, концентрация которых составляет 0, 1нм.

Распределение спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела, серого тела, произвольного тела. Последняя кривая имеет несколько максимумов и минимумов, что указывает на избирательность излучения и поглощения таких тел.

2. Закон Стефана-Больцмана.

Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λmax = в/t, где в = 2, 9*10-3 м·К- постоянная Вина.

Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.

Закон Вина применяется в оптической пирометрии - метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6, 63*10-34 Дж·с постоянная Планка.

Тепловое излучение и его характеристики

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тел, возникающее за счет изменения их внутренней энергии (энергии теплового движения атомов и молекул).

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн.

Инфракрасные лучи занимают диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 760 нм до 1-2 мм.

Источник теплового излучения : любое тело, температура которого превышает температуру абсолютного нуля.

Поток излучения (Ф) – количество энергии, которое излучается (поглощается) с выбранной площади (поверхности) по всем направлениям за единицу времени.

2. Интегральная излучательная способность (R)– поток излучения с единицы площади поверхности.

3. Спектральная излучательная способность () – интегральная излучательная способность, относимая к единице спектрального интервала

где интегральная излучательная способность;

– ширина интервала длин волн ().

4. Интегральная поглощательная способность (коэффициент поглощения) –отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии.

– поток излучения, который поглощается телом;

– поток излучения, что падает на тело.

5. Спектральная поглощательная способность – коэффициент поглощения, относимый к единичному спектральному интервалу:

Абсолютно черное тело. Серые тела

Абсолютно черное тело – это тело, которое поглощает всю падающую энергию.

Коэффициент поглощения абсолютно черного тела и не зависит от длины волны.

Примеры абсолютно черного тела: сажа, черный бархат.

Серые тела – тела, у которых.

Пример: тело человека считают серым телом.

Черные и серые тела – это физическая абстракция.

Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа (1859 г.): Отношение спектральной излучательной способности тел к их спектральной поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела и равно спектральной излучательной способности абсолютно черного тела при данной температуре:

где – спектральная излучательная способность абсолютно черного тела.

Тепловое излучение является равновесным – сколько энергии излучается телом, столько ее им и поглощается.

Рис. 41. Кривые распределения энергии в спектрах теплового излучения

различных тел (1 – абсолютно черное тело, 2 – серое тело,

3 – произвольное тело)

2. Закон Стефана – Больцмана (1879, 1884): интегральная излучательная способность абсолютно черного тела () прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры (Т).

где –постоянная Стефана – Больцмана

3. Закон Вина (1893):длина волны, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности данного тела, обратно пропорциональна температуре.

Где = – постоянная Вина.

Рис. 42. Спектры теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах

Тепловое излучение тела человека

Тело человека имеет постоянную температуру благодаря терморегуляции. Основной частью терморегуляции является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит с помощью таких процессов:

а) теплопроводность (0 %), б) конвекция (20 %), в) излучение (50 %), г) испарение (30 %).

Диапазон теплового излучения тела человека

Температура поверхности кожи человека: .

Длина волны соответствует инфракрасному диапазону, потому не воспринимается глазом человека.

Излучательная способность тела человека

Тело человека считается серым телом, так как частично излучает энергию () и поглощает излучение из окружающей среды ().

Энергия (), которую теряет человек за 1 секунду с 1 своего тела вследствие излучения составляет:

где температура окружающей среды: , температура тела человека: .

Контактные методы определения температуры

Термометры: ртутные, спиртовые.

Шкала Цельсия: t°C

Шкала Кельвина: T = 273 + t°C

Термография – это метод определения температуры участка тела человека дистанционно путем оценки интенсивности теплового излучения.

Приборы: термограф или тепловизор (регистрирует распределение температур на выбранном участке человека).

Лекция №16. Тепловое излучение

1. Понятие теплового излучения и его характеристики

Итак, что такое тепловое излучение?

Рис.1. Многократное отражение тепловых волн от зеркальных стенок полости Б

Если распределение энергии остается неизменным для каждой длины волны, то состояние такой системы будет равновесным, а излучение также будет равновесным. Единственным видом равновесного излучения является тепловое. Если по какой-то причине равновесие между излучением и телом сместится, то начинают протекать такие термодинамические процессы, которые вернут систему в состояние равновесия. Если тело А начинает излучать больше, чем поглощает, то тело начинает терять внутреннюю энергию и температура тела (как мера внутренней энергии) начнет падать, что уменьшит количество излучаемой энергии. Температура тела будет падать до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству энергии, поглощаемой телом. Таким образом, наступит равновесное состояние.

Коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ пр: α = dФ погл /dФ пад.

Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.

Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0,1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.

2. Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа. Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:

Указанное соотношение будет верным и тогда, когда одно из тел будет АЧ:

Это закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.

1. Спектральная энергетическая светимость АЧТ является универсальной функцией длины волны и температуры тела.

2. Спектральная энергетическая светимость АЧТ наибольшая.

3. Спектральная энергетическая светимость произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную энергетическую светимость абсолютно черного тела.

4. Любое тело при данной температуре излучает волны той же длины волны, которое оно излучает при данной температуре.

В 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λ max , на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λ max = в/t, где в = 2,9*10 -3 м·К- постоянная Вина.

Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*Дж·с постоянная Планка.

Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.

3. Излучение реальных тел и тела человека

Тепловое излучение с поверхности тела человека играет большую роль в теплоотдаче. Существуют такие способы теплоотдачи: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение, испарение. В зависимости от условий, в которых окажется человек, каждый из этих способов может иметь доминирующее значение (так, например, при очень высоких температурах среды ведущая роль принадлежит испарению, а в холодной воде – кондукции, причем температура воды 15 градусов является смертельной средой для обнаженного человека, и через 2-4 часа наступает обморок и смерть вследствие переохлаждения мозга). Доля излучения в общей теплоотдаче может составлять от 75 до 25%. В нормальных условиях около 50% при физиологическом покое.

Существуют особенности спектральной плотности энергетической светимости реальных тел: при 310К, что соответствует средней температуре тела человека, максимум теплового излучения приходится на 9700нм. Любое изменение температуры тела приводит к изменению мощности теплового излучения с поверхности тела (0,1 градус достаточно). Поэтому исследование участков кожи, через ЦНС связанных с определенными органами, способствует выявлению заболеваний, в результате которых температура изменяется довольно значительно (термография зон Захарьина-Геда).

4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода

Тело человека постоянно излучает и поглощает тепловое излучение. Этот процесс зависит от температур тела человека и окружающей среды. Максимум ИК-излучения тела человека приходится на 9300нм.

5. Физические основы термографии.Тепловизоры

Термография, или тепловидение - это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации ИК-излучения тела человека.

Многие копании в последнее время признают тот факт, что «достучаться» до потенциального клиента, порой, достаточно сложно, его информационное поле настолько загружено различного рода рекламными сообщениями, что таковые просто перестают восприниматься.

Активные продажи по телефону становятся одним из наиболее эффективных способов увеличения продаж в короткие сроки. Холодные звонки направлены на привлечение клиентов, которые ранее не обращались за товаром или услугой, но по ряду факторов являются потенциальными клиентами. Набрав телефонный номер, менеджер активных продаж должен четко осознавать цель холодного звонка. Ведь телефонные переговоры требуют от sales manager особого мастерства и терпения, а так же знание техники и методики ведения переговоров.

Характеристики теплового излучения

Основные вопросы темы:

1. Характеристики теплового излучения.

2. Законы теплового излучения (закон Кирхгофа, закон Стефана-Больцмана, закон Вина); формула Планка.

3. Физические основы термографии (тепловидения).

4. Теплоотдача организма.

Любое тело при температурах выше абсолютного нуля (0 К) является источником электромагнитного излучения, которое называют тепловым излучением. Оно возникает за счет внутренней энергии тела.

Диапазон длин электромагнитных волн (спектральный диапазон), излучаемых нагретым телом, очень широк. В теории теплового излучения часто считают, что здесь длина волны меняется от 0 до ¥.

Распределение энергии теплового излучения тела по длинам волн зависит о его температуры. При комнатной температуре почти вся энергия сосредоточена в инфракрасной области шкалы электромагнитных волн. При высокой температуре (1000°C) значительная часть энергии испускается и в видимом диапазоне.

Характеристики теплового излучения

1. Поток (мощность) излучения Ф (иногда обозначается буквой Р ) – энергия, излучаемая за 1 сек со всей поверхности нагретого тела по всем направлениям в пространстве и во всем спектральном диапазоне:

2. Энергетическая светимость R – энергия, излучаемая за 1 сек с 1 м 2 поверхности тела по всем направлениям пространстве и во всем спектральном диапазоне. Если S – площадь поверхности тела, то

3. Спектральная плотность энергетической светимости r λ - энергия, излучаемая за 1 сек с 1м 2 поверхности тела по всем направлениям на длине волны λ в единичном спектральном диапазоне , →

Зависимость r l от l называют спектром теплового излучения тела при данной температуре (при Т = const). Спектр дает распределение излучаемой телом энергии по длинам волн. Он показан на рис. 1.

Можно показать, что энергетическая светимость R равна площади фигуры, ограниченной спектром и осью (рис. 1).

4. Способность нагретого тела поглощать энергию внешнего излучения определяется монохроматическим коэффициентом поглощения а l ,

т.е. а l равноотношению потока излучения с длиной волны l, поглощенного телом, к потоку излучения той же длины волны, упавшему на тело. Из (3.) следует, что а l – величина безразмерная и.

По типу зависимости а от l все тела делятся на 3 группы:

а = 1 на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 1 ), т.е. абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение. “Абсолютно черных” тел в природе нет, моделью такого тела может являться замкнутая непрозрачная полость с маленьким отверстием (рис. 2). Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок будет практически полностью поглощен.

К абсолютно черному телу близко солнце, его Т = 6000 К.

2). Серые тела : их коэффициент поглощения а < 1 и одинаков на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 2 ). Например, серым телом можно считать тело человека в задачах теплообмена с окружающей средой.

для них коэффициент поглощения а < 1 и зависит от длины волны, т.е. а l = f (l ), эта зависимость представляет собой спектр поглощения тела (рис. 3 , 3 ).

Тепловое излучение длина волны

Законы теплового излучения. Лучистое тепло.

Может, для кого-то это будет новостью, но передача температуры происходит не только теплопроводностью через прикосновение одного тела к другому. Каждое тело (Твердое, жидкое и газообразное) испускает тепловые лучи определенной волны. Эти лучи, уходя от одного тела, поглощаются другим телом, и принимают тепло на себя. И я попытаюсь Вам объяснить, как это происходит, и сколько тепла мы теряем этим излучением у себя дома на отопление. (Я думаю, многим будет интересно увидеть эти цифры). В конце статьи решим задачку из реального примера.

Я не однократно в этом убеждался, что сидя у костра (обычно большого) мое лицо обжигали эти лучи. И если я закрывал костер своими ладонями и при этом руки были вытянуты, то получалось, что мое лицо переставало обжигать. Не трудно догадаться, что эти лучи прямые как световые. Меня обжигает не воздух, циркулирующий вокруг костра, и даже не теплопроводность воздуха, а именно прямые не видимые тепловые лучи, идущие от костра.

В космосе между планетами обычно вакуум и поэтому передача температур осуществляется исключительно тепловыми лучами (Все лучи - это электромагнитные волны).

Тепловое излучение имеет природу такую, как световые и электромагнитные лучи (волны). Просто, эти волны (лучи) имеют разную длину волны.

Например, длины волн в диапазоне 0,76 – 50 мкм, называется инфракрасными. Все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм.

Всякое тело, если только температура его отлична от абсолютного нуля (-273,15 °С), способно посылать в окружающее пространство излучение. Поэтому любое тело излучает на окружающие его тела лучи и в свою очередь находится под воздействием излучения этих тел.

Тепловое излучение может поглощаться или проходить в сквозь тело, а также может просто отражаться от тела. Отражение тепловых лучей подобно тому, как если бы световой луч отражался от зеркала. Поглощение теплового излучения подобно тому, как черная крыша сильно нагревается от солнечных лучей. А проникновение или прохождение лучей подобно тому, как лучи проходят в сквозь стекло или воздух. Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение.

Очень близко по своим свойствам к черному телу относится так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон - заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

Вообще в науке теплотехнике, чтобы объяснить процессы тепловых излучений, удобно использовать понятие черного тела, для того чтобы качественно объяснить процессы тепловых излучений. Только черное тело способно в некотором роде облегчить расчеты.

Как было описано выше любое тело способно:

2. Поглощать тепловую энергию.

3. Отражать тепловую энергию.

Черное тело - это тело, которое полностью поглощает тепловую энергию, то есть оно не отражает лучи и в сквозь нее не проходит тепловое излучение. Но не забываем, что черное тело излучает тепловую энергию.

Какие возникают сложности при расчете, если тело не является черным телом?

Тело, которое не является черным телом, имеет такие факторы:

2. Отражает, какую-то часть теплового излучения.

Эти два фактора усложняют расчет на столько, что «мама не горюй». Очень сложно так считать. А ученые по этому поводу толком не объяснили, как рассчитать серое тело. Кстати серое тело - это и есть тело, которое не является черным телом.

Тепловое излучение имеет разные частоты (разные волны), и каждое отдельное тело может иметь разную волну излучения. К тому же при изменении температуры, эта длина волны может меняться, может меняться и ее интенсивность (сила излучения).

Рассмотрим изображение, которое подтверждает сложность вычисления излучательности.

На рисунке изображены два шарика, которые в себе имеют частички этого шарика. Красные стрелки это лучи испускаемые частичками.

Рассмотрим черное тело.

Внутри черного тела глубоко внутри расположены некоторые частички, которые обозначены оранжевым цветом. Они испускают лучи, которые поглощают рядом находящиеся другие частички, которые обозначены желтым цветом. Лучи оранжевых частичек черного тела не способны пройти в сквозь другие частички. И поэтому только наружные частички этого шарика испускают лучи по всей площади шарика. Поэтому расчет черного тела легко считается. Также принято считать, что черное тело испускает весь спектр волн. То есть испускает все имеющиеся волны различных длин. Серое тело может испускать часть спектра волн, только определенной длины волн.

Рассмотрим серое тело.

Внутри серого тела, имеющиеся внутри частички излучают какую то часть лучей, которые проходят в сквозь другие частички. И только поэтому расчет усложняется многократно.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, возникающее вследствие преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения. Именно тепловой характер возбуждения элементарных излучателей (атомов, молекул и т.п.) противопоставляет тепловое излучение всем другим видам свечения и обуславливает его специфическое свойство зависеть лишь от температуры и оптических характеристик излучающего тела.

Опыт показывает, что тепловое излучение наблюдается у всех тел при любой температуре, отличной от 0 К. Конечно, интенсивность и характер излучения зависят от температуры излучающего тела. Например, все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм, а Солнце излучает энергию, максимум которой приходится на 0,5 мкм, что соответствует видимому диапазону. При Т → 0 К тела практически не излучают.

Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии тела и, следовательно, к снижению температуры тела, к охлаждению. Нагретое тело за счет теплового излучения отдает внутреннюю энергию и охлаждается до температуры окружающих тел. В свою очередь, поглощая излучение, могут нагреваться холодные тела. Такие процессы, которые могут происходить и в вакууме, называют радиационным теплообменом.

Абсолютно черное тело - физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой.

(Температурный интервал в Кельвинах и их Цвет)

до 1000 Красный

5500-7000 Чисто белый

Наиболее черные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Глубокий черный цвет некоторых материалов (древесного угля, черного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно черного тела в наибольшей степени обладает Солнце. По определению Солнце практически не отражает никакого излучения. Термин был введен Густавом Кирхгофом в 1862.

По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за поглощения части спектра атмосферой Земли у поверхности нашей планеты этот свет приобретает жёлтый оттенок.

Абсолютно чёрное тела - 100% поглощает и при этом нагревается, так и наоборот! нагретое тело - 100% излучает это означает, что есть строгая закономерность (формула излучения абсолютно чёрного тела) между температурой Солнца - и его спектром - так как и спектр и температуру уже определили - да, у Солнца нет отклонений от этих параметров!

В астрономии есть такая диаграмма - «Спектр-Светимость», так вот наше Солнце принадлежит «главной последовательности» звезд, к которой принадлежат и большинство других звезд, то есть почти все звезды «абсолютно чёрные тела», как это не странно. Исключения - белые карлики, красные гиганты и Новые, Сверх-Новые.

Это кто-то физику в школе недоучил.

Абсолютно чёрное тело поглощает ВСЁ излучение и излучает больше всех остальных тел (чем больше тело поглощает, тем сильнее оно нагревается; чем больше оно нагревается, тем больше оно излучает).

Пусть у нас есть две поверхности - серая (с коэффициентом черноты 0,5) и абсолютно чёрная (коэффициент 1).

Коэффициент черноты - это коэффициент поглощения.

Теперь на эти поверхности направив одинаковый поток фотонов, допустим, 100 штук.

Серая поверхность поглотит 50 из них, чёрная - все 100.

Какая поверхность, испускает больше света - в которой «сидит» 50 фотонов или 100?

Излучение абсолютно чёрного тела впервые правильно рассчитал Планк.

Излучение Солнца примерно подчиняется формуле Планка.

И так начнем изучать теорию.

Под излучением (радиацией) понимают испускание и распространение электромагнитных волн любого вида. В зависимости от длины волны различают: Ренгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, световое (видимое) излучение и радиоволны.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Ангстрем. 10 Ангстрем = 1 нм. (0,нм)

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (10 - 380 нм).

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

Коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;

Средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;

Длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 терагерц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380-400 нм (750-790 ТГц), а в качестве длинноволновой - 760-780 нм (385-395 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Радиоизлучение (радиоволны, радиочастоты) - электромагнитное излучение с длинами волн 5 10−5-1010 метров и частотами, соответственно, от 6 1012 Гц и до нескольких Гц. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Возбудителями этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 °С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7÷50 мкм).

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций - квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения - фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, то есть имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы - объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн (от λ до λ+dλ) называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ∞, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q(Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м 2).

Чтобы понять эту формулу рассмотрим изображение.

Я не случайно изобразил два варианта тела. Формула справедлива только для тела квадратной формы. Так как излучающая площадь должна быть плоской. При условии, что излучает только поверхность тела. Внутренние частицы не излучают.

Q - энергия (Вт), излучаемая лучами со всей площади.

Зная плотность излучения материала, можно рассчитать, сколько энергии уходит на излучение:

Необходимо понимать, что лучи исходящие от плоскости имеют разную интенсивность излучения по отношению к нормали плоскости.

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности в направлении другого элемента, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали, на величину пространственного угла, составленного направлением излучения с нормалью

Интенсивность каждого лучика можно найти с помощью тригонометрической функции:

То есть - это своего рода коэффициент угла и он строго подчиняется тригонометрии угла. Коэффициент работает только для черного тела. Так как рядом находящиеся частички будут поглощать боковые лучи. Для серого тела, необходимо учитывать количество проходящих в сквозь частички лучей. Отражение лучей, тоже необходимо учитывать.

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при температуре°С. Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Немного об определениях. Определения пригодятся, чтобы правильно выражаться.

Отметим, что большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения. Это значит, что они обладают способностью излучать лучи всех длин волн.

Лучистым потоком (или потоком излучения) называют отношение лучистой энергии ко времени излучения, Вт:

где Q- энергия излучения, Дж; т - время, с.

Если лучистый поток, излучаемый произвольной поверхностью во всех направлениях (т.е. в пределах полусферы произвольного радиуса) осуществляется в узком интервале длин волн от λ до λ+Δλ, то его называют потоком монохроматического излучения

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным потоком излучения Ф

Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения или излучательности, Вт/м 2 ,

Формулу можно применять и при монохроматическом излучении. Если на поверхность тела падает тепловое монохроматическое излучение, то в общем случае часть, равная В λ этого излучения, поглотится телом, т.е. превратится в другую форму энергии в результате взаимодействия с веществом, часть F λ будет отражена, и часть D λ пройдет сквозь тело. Если принять, что падающее на тело излучение равно единице, то

где В λ , F λ , D λ - коэффициенты соответственно поглощения, отражения

и пропускания тела.

Когда в пределах спектра величины В, F, D остаются постоянными, т.е. не зависят от длины волны, то надобность в индексах отпадает. В этом случае

Если В= 1 (F = D = 0), то тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение независимо от длины волны, направления падения и состояния поляризации излучения, называется черным телом или полным излучателем.

Если F=1 (В=D=0), то падающее на тело излучение полностью отражается. В том случае, когда поверхность тела шероховатая, то лучи отражаются рассеянно (диффузное отражение), и тело называют белым, а когда поверхность тела гладкая и отражение следует законам геометрической оптики, то тело (поверхность) называют зеркальным. В том случае, когда D = 1 (В=F=0), тело проницаемо для тепловых лучей (диатермично).

Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (D = 0), т.е. атермичны. Для таких тел

Абсолютно черных, так же как и прозрачных или белых тел, в природе нет. Такие тела должны рассматриваться как научные абстракции. Но все же некоторые реальные тела могут достаточно близко подходить по своим свойствам к таким идеализированным телам.

Надо отметить, что некоторые тела обладают по отношению к лучам определенной длины волны одними свойствами, а к лучам другой длины - иными. Например, тело может быть прозрачным для инфракрасных лучей и непрозрачным для видимых (световых) лучей. Поверхность тела может быть гладкой по отношению к лучам одной длины волны и шероховатой - для лучей другой длины волны.

Газы, в особенности находящиеся под небольшим давлением, в противоположность твердым и жидким телам излучают линейчатый спектр. Таким образом, газы поглощают и излучают лучи лишь определенной длины волны, других же лучей они не могут ни излучать, ни поглощать. В этом случае говорят о селективном (выборочном) поглощении и излучении.

В теории теплового излучения важную роль играет величина, называемая спектральной плотностью потока излучения, или спектральной излучательностью, представляющей собой отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн от λ до λ+Δλ, к размеру этого интервала длин волн Δλ, Вт/м 2 ,

где E - поверхностная плотность лучистого потока, Вт/м 2 .

Почему нет такого справочника по материалам? Потому что теплопотери тепловым излучением очень маленькие, и я думаю вряд ли превышают 10% в наших бытовых условиях. Поэтому в расчет теплопотерь их не закладывают. Вот когда мы будем часто летать в космос, тогда и появятся все расчеты. Вернее в нашей космонавтике накопились данные по материалам, но в свободной доступности их пока нет.

Закон поглощения лучистой энергии

Если на какое-либо тело толщиной l, падает лучистый поток (смотри рисунок), то в общем случае при прохождении сквозь тело он уменьшается. Принимают, что относительное изменение лучистого потока на пути Δl прямо пропорционально пути потока:

Коэффициент пропорциональности b называется показателем погло-щения, зависящим в общем случае от физических свойств тела и длины волны.

Интегрируя в пределах от l до 0 и принимая b постоянным, получаем

Установим связь между спектральным коэффициентом поглощения тела В λ и спектральным показателем поглощения вещества b λ .

Из определения спектрального коэффициента поглощения В λ имеем

После подстановки в это уравнение значения получим соотношение между спектральным коэффициентом поглощения В λ и спектральным показателем поглощения B λ .

Коэффициент поглощения В λ равен нулю при l 1 = 0 и b λ = 0. При большом значении bλ достаточно весьма малого значения l, но все же не равного нулю, чтобы значение В λ было как угодно близко к единице. В этом случае можно говорить, что поглощение происходит в тонком поверхностном слое вещества. Только в этом понимании возможно говорить о поверхностном поглощении. Для большинства твердых тел благодаря большому значению показателя поглощения b λ имеет место в ука-занном смысле «поверхностное поглощение», в связи с чем на коэффициент поглощения большое влияние оказывает состояние его поверхности.

Тела, хотя и с малым значением показателя поглощения, как, например, газы, могут при их достаточной толщине обладать большим коэффициентом поглощения, т.е. делаются непрозрачными для лучей данной длины волны.

Если b λ =0 для интервала Δλ, а для остальных длин волн b λ не равно нулю, то тело будет поглощать падающее излучение только определен-ных длин волн. В этом случае, как было указано выше, говорят о селективном (выборочном) коэффициенте поглощения.

Подчеркнем принципиальную разницу между показателем поглоще-ния вещества b λ и коэффициентом поглощения В λ тела. Первый характе-ризует физические свойства вещества по отношению к лучам определенной длины волны. Значение В λ зависит не только от физических свойств вещества, из которого состоит тело, но и от формы, размеров и состояния поверхности тела.

Законы излучения лучистой энергии

Макс Планк теоретически на основе электромагнитной теории установил закон (носящий название закона Планка), выражающий зависимость спектральной излучательности черного тела Е 0λ от длины волны λ и температуры Т.

где E 0λ (λ,T) - излучательность черного тела, Вт/м 2 ; T - термодинамическая температура, K; C 1 и C 2 - постоянные; С 1 =2πhc 2 =(3,74150±0,0003) 10-16 Вт м 2 ; С 2 =hc/k=(1,438790±0,00019) 10 -2 ; м K (здесь h=(6,626176±0,000036) Дж с - постоянная Планка; с=(±1,2) м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве: k - постоянная Больцмана.)

Из закона Планка следует, что спектральная излучательность может равняться нулю при термодинамической температуре, равной нулю (Т=0), либо при длине волны λ = 0 и λ→∞ (при Т≠0).

Следовательно, черное тело излучает при любой температуре больше 0 К. (Т > 0) лучи всех длин волн, т.е. имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения.

Из выше указанной формулы можно получить расчетное выражение для излучательности черного тела:

Интегрируя в пределах изменения λ от 0 до ∞ получаем

В результате разложения подынтегрального выражения в ряд и его интегрирования получают расчетное выражение для излучательности черного тела, называемое законом Стефана-Больцмана:

где Е 0 - излучательность черного тела, Вт/м 2 ;

σ - постоянная Стефана Больцмана, Вт/(м 2 К 4);

σ = (5,67032 ± 0,00071) 10 -8 ;

Т- термодинамическая температура, К.

Формулу часто записывают в более удобной для расчета форме:

где E 0 - коэффициент излучения черного тела; С 0 = 5,67 Вт/(м 2 К 4).

Закон Стефана-Больцмана формулируют так: излучательность чер-ного тела прямо пропорциональна его термодинамической температуре в четвертой степени.

Спектральное распределение излучения черного тела при различных температурах

λ - длина волны от 0 до 10 мкм (нм)

E 0λ - следует понимать так: Как если бы в объеме (м 3) черного тела находиться определенное количество энергии (Вт). Это не означает, что оно излучает такую энергию только наружными частичками. Просто если собрать все частички черного тела в объеме и измерить каждой частички излучаетельность во всех направлениях и сложить их все, то мы получим полную энергию на объеме, которая и указана на графике.

Как видно из расположения изотерм, каждая из них имеет максимум, причем, чем больше термодинамическая температура, тем больше значение E0λ, отвечающее максимуму, а сама точка максимума перемещается в область более коротких волн. Перемещение максимальной спектральной излучательности E0λmax в область более коротких волн известно под названием

закона смещения Вина, по которому

T λ max = 2,88 10 -3 м К = const и λ max = 2,88 10 -3 /Т,

где λ max - длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной излучаетльности E 0λmax .

Так, например, при Т = 6000 К (примерная температура поверхности Солнца) максимум Е 0λ располагается в области видимого излучения, на которую падает около 50% излучательности Солнца.

Элементарная площадка под изотермой, заштрихованная на графике равна Е 0λ Δλ. Ясно, что сумма этих площадок, т.е. интеграл представляет собой излучательность черного тела E 0 . Следовательно, площадь между изотермой и осью абсцисс изображает в условном масштабе диаграммы излучательность черного тела. При небольших значениях термодинамической температуры изотермы проходят в непосредственной близости к оси абсцисс, и указанная площадь становится столь малой, что практически ее можно считать равной нулю.

Большую роль в технике играют понятия о так называемых серых телах и сером излучении. Серым называется неселективный тепловой излучатель, способный излучать сплошной спектр, со спектральной излучательностыо E λ для волн всех длин и при всех температурах, составляющей неизменную долю от спектральной излучательности черного тела Е 0λ т.е.

Постоянная ε называется коэффициентом черноты теплового излучателя. Для серых тел коэффициент черноты ε E - Излучательность, Вт;

B - Коэффициент поглощения;

F - Коэффициент отражения;

D - Коэффициент пропускания;

T - Температура К.

Можно положить, что все лучи, посылаемые одним телом, полностью попадают на другое. Примем, что коэффициенты пропускания этих тел D 1 = D 2 = 0 и между поверхностями двух плоскостей находится теплопрозрачная (диатермическая) среда. Обозначим через E 1 , B 1 , F 1 , T 1 , и E 2 , B 2 , F 2 , T 2 соответственно излучательности, коэффициенты поглощения, отражения и температуры пов ерхностей первого и второго тел.

Поток лучистой энергии от поверхности 1 к поверхности 2 равен произведению излучательности поверхности 1 на ее площадь А, т.е. Е 1 А, из которого часть Е 1 В 2 А поглощается поверхностью 2, а часть Е 1 F 2 А отражается обратно на поверхность 1. Из этого отраженного потока Е 1 F 2 А поверхность 1 поглощает E 1 F 2 B 1 A и отражает E 1 F 1 F 2 A. ИЗ отраженного потока энергии E 1 F 1 F 2 A поверхность 2 вновь поглотит E 1 F 1 F 2 B 2 A и отразит E 1 F 1 F 2 A и т.д.

Аналогично происходит передача лучистой энергии потоком Е 2 от поверхности 2 к поверхности 1. В итоге поток лучистой энергии, поглощенный поверхностью 2 (или отданный поверхностью 1),

Поток лучистой энергии, поглощенной поверхностью 1 (или отданной поверхностью 2),

В окончательном итоге поток лучистой энергии, переданной поверхностью 1 к поверхности 2, будет равен разности лучистых потоков Ф 1→2 и Ф 2→1 т.е.

Полученное выражение справедливо при всех значениях температур Т 1 и Т 2 и, в частности, при Т 1 = Т 2 . В последнем случае рассматриваемая система находится в динамическом тепловом равновесии, и на основании второго начала термодинамики необходимо положить Ф 1→2 = Ф 2→1 откуда следует

Полученное равенство носит название закона Кирхгофа: отношение излучательности тела к его коэффициенту поглощения для всех серых тел, находящихся при одной и той же температуре, одинаково и равно излучательности черного тела при той же температуре.

Если какое-либо тело имеет малый коэффициент поглощения, как например, хорошо полированный металл, то это тело имеет и малую излучательность. На этом основании для уменьшения потерь теплоты излучением во внешнюю среду теплоотдающие поверхности покрывают листами полированного металла для тепловой изоляции.

При выводе закона Кирхгофа рассматривалось серое излучение. Вывод останется справедливым и в том случае, если тепловое излучение обоих тел рассматривается только в некоторой части спектра, но однако имеет одинаковый характер, т.е. оба тела испускают лучи, длины волн которых лежат в одной и той же произвольной спектральной области. В предельном случае приходим к случаю монохроматического излучения. Тогда

т.е. для монохроматического излучения закон Кирхгофа должен быть сформулирован так: отношение спектральной излучательности какого-либо тела при определенной длине волны к его коэффициенту поглощения при той же длине волны одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно спектральной излучательности черного тела при той же длине волны и той же температуре.

Заключаем, что для серого тела В = ε, т.е. понятия «коэффициент поглощения» В и «коэффициент черноты» ε для серого тела совпадают. По определению коэффициент черноты не зависит ни от температуры, ни от длины волны, а следовательно, и коэффи-циент поглощения серого тела также не зависит ни от длины волны, ни от температуры.

Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Поглощение и излучение газов - селективное (выборочное). Газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных, довольно узких интервалах Δλ длин волн - так называемых полосах. В остальной части спектра газы не излучают и не поглощают лучистой энергии.

Двухатомные газы обладают ничтожно малой способностью поглощать лучистую энергию, а следовательно, и малой способностью ее излучать. Поэтому эти газы обычно считают диатермичными. В отличие от двухатомных газов многоатомные, в том числе и трехатомные газы, обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Из трехатомных газов в области теплотехнических расчетов наибольший практический интерес представляют углекислый газ (CO 2) и водяной пар (H 2 O), имеющие по три полосы излучения.

В отличие от твердых тел показатель поглощения для газов (конечно, в области полос поглощения) мал. Поэтому для газообразных тел уже нельзя говорить о «поверхностном» поглощении, так как поглощение лучистой энергии происходит в конечном объеме газа. В этом смысле поглощение и излучение газов называются объемными. Кроме того, показатель поглощения b λ для газов зависит от температуры.

По закону поглощения спектральный коэффициент поглощения тела может быть определен по:

Для газообразных тел эта зависимость несколько усложняется тем, что на коэффициент поглощения газа влияет его давление. Последнее объясняется тем, что поглощение (излучение) протекает тем интенсивнее, чем большее число молекул встретит луч на своем пути, а объемное число молекул (отношение числа молекул к объему) прямо пропорционально давлению (при t = const).

В технических расчетах газового излучения, обычно поглощающие газы (CO 2 и H 2 O) входят как компоненты в состав смеси газов. Если давление смеси p, а парциальное давление поглощающего (или излучающего) газа р i , то в необходимо вместо l подставить величину р i 1. Величина р i 1, представляющая собой произведение давления газа на его толщину, носит название эффективной толщины слоя. Таким образом, для газов спектральный коэффициент поглощения

Спектральный коэффициент поглощения газа (в пространстве) зависит от физических свойств газа, формы пространства, его размеров и температуры газа. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа спектральная излучательность

Излучательность в пределах одной полосы спектра

По этой формуле определяют излучательность газа в свободное пространство (пустоту). (Свободное пространство можно рассматривать как черное пространство при 0 К.) Но газовое пространство всегда ограничено поверхностью твердого тела, в общем случае имеющей температуру Т ст ≠ Т г и коэффициент черноты ε ст

Спектральный состав излучения отдельных возбужденных атомов представляет собой набор сравнительно узких линий. Это значит, что излучаемый разреженными газами или парами свет концентрируется в узких спектральных интервалах вблизи определенных частот, характерных для атомов каждого сорта.

Тепловое излучение. Совсем иной вид имеет спектр излучения твердых и жидких тел, нагретых до высокой температуры. В этом излучении, называемом тепловым, присутствуют электромагнитные волны всех частот из очень широкого диапазона, т. е. его спектр является сплошным.

Чтобы получить представление о характере теплового излучения, рассмотрим несколько тел, нагретых до различной температуры и помещенных в замкнутую полость, внутренние стенки которой полностью отражают падающее на них излучение. Опыт показывает, что такая система, в соответствии с положениями термодинамики, рано или поздно приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Так происходит и в том случае, если внутри полости будет абсолютный вакуум и тела могут обмениваться энергией только путем

излучения и поглощения электромагнитных волн. Это позволяет применить при изучении такой системы законы термодинамики.

В равновесии все тела в единицу времени поглощают столько же энергии электромагнитных волн, сколько излучают, а плотность энергии излучения, заполняющего полость, достигает некоторой определенной величины, соответствующей установившейся температуре. Такое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Не только плотность энергии, т. е. полная энергия единицы объема, но и спектральный состав равновесного излучения, заполняющего полость, зависит только от температуры и совершенно не зависит от свойств тел, находящихся в полости.

Спектральный состав теплового излучения. Универсальный характер спектрального состава равновесного излучения, как впервые показал Кирхгоф еще в 1860 г., непосредственно следует из второго закона термодинамики. В самом деле, предположим противное, т. е. что спектральный состав зависит от природы тела, с которым излучение находится в равновесии. Возьмем две полости, в которых излучение находится в равновесии с разными телами, имеющими, однако, одинаковую температуру. Соединим полости небольшим отверстием так, чтобы они могли обмениваться излучением. Если плотности энергии излучения в них различны, то возникает направленный перенос лучистой энергии, который приведет к самопроизвольному нарушению теплового равновесия между телами, т. е. к возникновению некоторой разности температур. Это противоречит второму закону термодинамики.

Для экспериментального изучения спектрального состава равновесного излучения можно проделать небольшое отверстие в окружающей полость оболочке. Излучение, выходящее наружу через отверстие, хотя и не является равновесным, обладает тем не менее в точности таким же спектральным составом, что и заполняющее полость равновесное излучение. Выходящее из отверстия излучение отличается от равновесного только тем, что оно не является изотропным, так как распространяется в определенном направлении.

Если увеличить температуру в полости, то будет возрастать уносимая выходящим из отверстия излучением энергия. Это означает, что объемная плотность энергии равновесного излучения растет с температурой. Этот рост происходит очень быстро, как мы увидим ниже, пропорционально четвертой степени термодинамической температуры. С увеличением температуры изменяется и спектральный состав излучения, причем таким образом, что максимум смещается в область более коротких волн: выходящий из отверстия в горячей печи свет имеет красноватый оттенок при сравнительно невысокой температуре и становится желтым и даже белым по мере ее роста.

Что можно увидеть, заглянув через отверстие внутрь полости, в которой излучение находится в равновесии с телами? Так как

свойства выходящего из отверстия излучения при тепловом равновесии не зависят от природы находящихся внутри полости тел, то излучение не может нести никакой информации об этих телах, кроме их температуры. И действительно, заглянув внутрь печи, мы не увидим ни предметов на фоне стенок полости, ни самих стенок, хотя в глаз будет попадать много света. Контуры предметов внутри полости не будут видны, все будет представляться одинаково светлым.

Возможность различать предметы появляется только при использовании неравновесного излучения. Если даже это излучение исходит от раскаленных тел и его спектральный состав близок к равновесному, температура излучающей поверхности должна быть выше температуры освещаемых предметов.

Все наблюдаемые на опыте закономерности черного излучения описываются формулой Планка, полученной на основе отказа о непрерывном характере процесса излучения.

Рис. 96. Распределение энергии по частотам в спектре равновесного излучения (а) и спектральная плотность равновесного излучения при разных температурах (б)

Даваемое формулой Планка распределение энергии по частотам в спектре равновесного излучения

показано на рис. 96а. На рис. 96б показана спектральная плотность равновесного излучения как функция длины волны при нескольких температурах.

Излучение как газ фотонов. Равновесное тепловое излучение можно рассматривать как газ, состоящий из фотонов. Фотонный газ является идеальным, так как разные электромагнитные волны в вакууме не взаимодействуют друг с другом. Поэтому установление теплового равновесия в фотонном газе возможно только при его взаимодействии с веществом.

Механизм установления теплового равновесия заключается в поглощении одних и испускании других фотонов веществом.

Возможность поглощения и испускания фотонов приводит к характерной особенности фотонного газа: число частиц в нем не является постоянным, а само определяется из условия термодинамического равновесия.

Представление о фотонном газе позволяет очень просто найти зависимость плотности энергии равновесного излучения от термодинамической температуры Т. Это можно сделать, воспользовавшись соображениями размерности. Энергию единицы объема излучения можно представить в виде произведения среднего числа фотонов в единице объема равномерно заполняющих полость, на среднюю энергию одного фотона

Величины, от которых может зависеть средняя энергия фотона и число фотонов в единице объема равновесного излучения, - это термодинамическая температура Т, постоянная Больцмана к, скорость света с и постоянная Планка Поскольку равновесное излучение в полости не зависит ни от размеров и формы полости, ни от природы тел, находящихся в полости, ни от вещества ее стенок, то такие параметры, как размеры тел и полости, и такие константы, как заряды и массы электронов и ядер, не могут фигурировать в выражениях для

Зависимость плотности энергии от температуры. Средняя энергия фотона теплового излучения по порядку величины равна Размерность числа фотонов в единице объема есть Из величин можно составить единственную комбинацию, имеющую размерность длины: это Поэтому концентрация фотонов пропорциональна величине Подставляя это выражение в (1), можем написать

где - некоторый безразмерный множитель.

Формула (2) показывает, что объемная плотность энергии равновесного излучения пропорциональна четвертой степени температуры в полости. Такой быстрый рост плотности энергии с температурой обусловлен не столько ростом средней энергии фотонов (которая пропорциональна Т), сколько увеличением числа фотонов в полости, которое пропорционально кубу температуры.

Если в стенке полости имеется небольшое отверстие, то поток энергии излучения у через единицу площади отверстия пропорционален произведению плотности энергии в полости на скорость света с:

где а - носит название постоянной Стефана-Больцмана. Точный расчет, основанный на применении статистической механики к фотонному газу, дает для нее значение, равное

Таким образом, полная интенсивность излучения из отверстия пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры в полости.

Излучение с поверхности нагретых тел отличается от излучения из отверстия в стенке полости. Интенсивность и спектральный состав этого излучения зависят не только от температуры, но и от свойств излучающего тела. Но во многих случаях при оценках можно считать, что эти отличия невелики.

Температура поверхности Земли. В качестве примера применения закона теплового излучения (3) рассмотрим вопрос о средней температуре земной поверхности. Будем считать, что тепловой баланс Земли определяется главным образом поглощением энергии солнечного излучения и излучением энергии в пространство, а роль процессов, идущих внутри Земли, невелика. Полный поток энергии, излучаемой Солнцем, в соответствии с (3) равен - температура поверхности Солнца, - его радиус. Будем считать, что вся энергия солнечного излучения, падающая на Землю, поглощается. С помощью рис. 97 легко понять, что количество поглощаемой Землей в единицу времени энергии равно

В заключение отметим, что спектр излучения нагретых тел является настолько широким, что коэффициент полезного действия ламп накаливания и других осветительных приборов, основанных на излучении раскаленных тел, совершенно ничтожен. Область видимого света соответствует лишь узкой полосе в спектре теплового излучения.

Почему плотность энергии и спектральный состав равновесного излучения, заполняющего полость, зависят только от температуры? Почему эти величины не могут зависеть от свойств тел, находящихся в полости, и от материала ее стенок?

Почему выходящее наружу из отверстия в полости излучение, не являясь равновесным, имеет тем не менее тот же спектральный состав, что и равновесное излучение внутри полости? Ведь молекулы газа, вылетающие наружу через отверстие в стенке сосуда, в среднем имеют большую энергию, чем молекулы в сосуде.

Почему, заглянув через отверстие внутрь раскаленной печи, мы не увидим четких контуров находящихся там предметов?

Почему излучение в полости, т. е. совокупность находящихся там фотонов, можно рассматривать как идеальный газ?

Почему для установления термодинамического равновесия в газе фотонов необходимо взаимодействие фотонов с веществом?

Как концентрация фотонов в равновесном излучении зависит от температуры?

Как с помощью соображений размерности показать, что испускаемая телом энергия теплового излучения пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры тела?

Если вся приходящая на Землю от Солнца энергия в конечном счете излучается в пространство, то какой смысл имеет утверждение, что Солнце дарует жизнь всему сущему на Земле?

Экспериментально обнаружено, что тепловое излучение от нагретого тела притягивает - а не отталкивает! - находящиеся поблизости атомы. Хотя явление основывается на хорошо известных эффектах атомной физики, оно долгое время оставалось незамеченным и было теоретически предсказано всего четыре года назад.

Сдвиг уровней энергии за счет теплового излучения

Недавно в архиве электронных препринтов появилась , сообщающая об экспериментальном подтверждении того, что тепловое излучение от горячего тела способно притягивать к телу находящиеся поблизости атомы. Эффект выглядит, на первый взгляд, противоестественным. Тепловое излучение, испущенное нагретым телом, улетает прочь от источника - так почему же оно способно вызывать силу притяжения ?!

Показать комментарии (182)

Свернуть комментарии (182)

В обсуждении, как это почти всегда сейчас происходит, постулирован один из вариантов "объяснения". На самом деле, его применимость нужно было обосновать.
Игорь! Вы очень хороший человек. Вот уже не один год Вы катите камень своей миссии.
Что есть гравитация? Разве её механическое рассмотрение опять стало научным?
В описанном эксперименте было зарегистрировано изменение инерции.
Остальное от лукавого, да?
Очень интересен ход мыслей о доске на волнах. (я сам из бывших).
Все же, там могут быть разные простые эффекты. Например, движение в сторону понижения дна. В этой ситуации каждая следующая волна может быть чуть ниже, и все еще имеет вертикальную компоненту.

Интересно, а добавление нанотрубок в асфальт никак не связано с премией за топологию?
Нет?
На плоскости ЭМ волны не рисуются?
Ну, да, ... да.
И опять эти вихри на уровне Декарта

Ответить

Основная ценность данной статьи – она рушит некоторые стереотипы и заставляет размышлять, что способствует развитию творческого мышления. Я очень рад, что такие статьи здесь начали появляться.

Можно немного пофантазировать. Если еще понижать энергию тела (объекта), включая энергию внутренних взаимодействий в элементарных частицах, то энергия объекта станет отрицательной. Такой объект будет выталкиваться обычной гравитацией и будет обладать свойством антигравитации. На мой взгляд, современный вакуум нашего Мира не обладает абсолютной нулевой энергией – т.к. он является хорошо структурированной средой, в отличии от абсолютного хаоса. Просто уровень энергии вакуума в шкале энергии принят равным нулю. Поэтому может существовать уровень энергии меньше уровня энергии вакуума - в этом ничего мистического нет.

Ответить

"Возвращаясь к исходной теоретической статье 2013 года, упомянем потенциальную важность этого эффекта не только для атомных экспериментов, но и для космических явлений. Авторы рассмотрели силы, действующие внутри пылевого облака плотностью 1 г/см3, нагретого до 300 К и состоящего из частиц размером 5 микрон."
Нет ли здесь ошибки? Уж больно велика плотность пылевого облака, как у верхнего слоя реголита.
И по самому явлению: а если взять более нетривиальный вариант задачи - действие теплового излучения на неполяризуемую частицу, например, электрон. Куда будет направлена сила? Нагреватель - 100% диэлектрик.

Ответить

• Да, это высокая плотность, на грани слипания пылинок.

  У изолированного электрона нет уровней энергии, ему нечего понижать. Ну и дипольный момент у него отсутствует, в пределах погрешностей (там в тексте как раз есть ссылка на поиски ЭДМ электрона). Поэтому на него эта сила не действует. К тому же он заряжен, на нем хорошо рассеиваются фотоны, так что в целом он будет просто отталкиваться за счет давления.

  Ответить

Дальний ИК спектр удобен тем, что энергии фотонов все еще малы, поэтому все требования выполняются. Более низкие температуры тоже подойдут, но там эффект уже очень слабый. При температурах в тысячи градусов рассеяние фотонов уже намного сильнее, и оно перебивает этот эффект.

Ответить

• Я не про нагретое тело говорил. А про другие излучатели и спектры.
  Все что мы тут обсуждаем это волновые эффекты. Значит они не могут быть ограничены только ИК диапазоном.
  Правильно ли я понимаю, что в зависимости от размера частицы нужно подбирать соответствующую длину волны?
  Для тяжелых атомов или атомов водорода надо подбирать свою частоту чтоб притяжение было максимальным?

  Сейчас в моей голове крутится прикольная идея как такое проверить например на волнах в бассейне или море.
  Т.е. сделать механическую игрушку, которая будет плыть против волн.
  Что думаете на счет такой возможности?

  Ответить

  • 1) Длина волны должна быть существенно больше размера частицы.
    2) Сама система не должна взаимодействовать с внешним воздействием как целое, взаимодействие осуществляется только за счет индуцированной поляризации.
    3) Должен быть дискретный спектр возбуждений, а энергии квантов должны быть существенно меньше расстояний между уровнями, иначе волны будут легко рассеиваться и оказывать тем самым давление. При выполнении этих условий эффект от длины волны уже не зависит.
    4) Сила должна быть векторной, а не скалярной, чтобы понижать энергию системы.

    А теперь представьте, можно ли это реализовать для волн на воде.

    Ответить

    • Частично этот эффект я хорошо наблюдаю в реальном мире. Я люблю гоняться на яхтах. И мастера спорта по яхтингу выигрывают регаты именно за счет умения правильно ходить против волны. Т.е. если все делать грамотно, то набегающие волны придают яхте дополнительную энергию.
      Фактически это парадокс. Но он хорошо заметен в гонках. Как только поднимаются волны, сразу же происходит "квантование" по уровням мастерства)) Любители затормаживаются, а профи наоборот получают дополнительное преимущество.

      Так что такая игрушка вполне реальна.
      Я настраивал свою яхту так, что она шла без управления и какого либо вмешательства против ветра и против волн без проблем.
      Если копать глубже, то именно такая настройка и дает максимальное преимущество.

      Скажем так, если представить себе точечный источник сильного ветра посередине озера, то моя яхта будет стремиться к нему и ходить кругами до бесконечности...
      очень красивая и реальная аналогия например движения земли вокруг солнца)))
      и создается впечатление что есть некая сила которая тащит яхту к источнику ветра.

      Кстати можно задачку вынести на элементы и оценить например минимальное расстояние на которое яхта может подойти к источнику ветра.

      Напомню что яхта под парусами ходит против ветра галсами, описывая подобие синусоиды. Поворачивает она только через нос. Ели ее развернет то магия исчезнет и она пойдет назад по ветру.

      Ответить

      Вы, на мой взгляд, немного запутались. В хождении галсом нет никаких похожих на описываемый эффектов. Там сложная сумма вполне определенных сил, которая дает результирующую силу, у которой есть ненулевая отрицательная проекция вдоль оси направления ветра.

      Ответить

  • На первый взгляд далекая...так как тут волны и ветер. Но на примере яхты все работает. Если она отбалансирована то стремится к источнику ветра галсами. Ты просто сидишь и наслаждаешься физикой процесса попивая коньячок. Особенно прикольно наблюдать моменты ускорения и динамику процесса в разных точках траектории. Руки не дошли правда оценить примерную функцию которая описывает траекторию.

    Мы строили похожие модели для частиц и гоняли их на компе.

    Я предлагаю другой эксперимент.
    Берем шарики или мячики разного размера и засовываем внутрь вибраторы с настраевоемой частотой.
    Бросаем их на гладкую поверхность воды и наблюдаем эффект волнового притяжения или отталкивания. Без ветра. Только за счет вибраций и интерференции волн на воде. Надо только подобрать частоту. Стоячие волны и резонанс сделают свое дело))
    Мне кажется где то я видел такое видео.

    Ответить

    • Я думаю, что волны тут не причем. И физика другая. Это наподобие реактивной тяги, которая действует перпендикулярно направлению ветра за счет паруса (парус разворачивает ветер). При этом, если яхту развернуть немного против ветра, то она туда и пойдет, т.к. сопротивление воды в этом направлении будет меньше, чем прямой снос яхты ветром. Желаю Вам хорошего отдыха, и побольше коньячка!

      Ответить

      • Нет никакой реактивной тяги конечно. Вернее ваша мысль понятна но это не корректное определение.
        Точно так же сказать что планер, которые летает за счет воздушных потоков создает реактивную тягу.
        Паруса против ветра работают как крыло самолета.
        Мастерство яхтсмена влияет на то как он настаивает парус и придает ему наиболее эффективную форму для создания тяги. Там все очень не тривиально. Иногда смещение на 1 см шкота (веревки) являет критичным. Поначалу я даже насечки рисовал чтоб не отставать от общей компашки.

        Что касается физики.
        Обычных волн без ветра не бывает. На этой идее мой коллега получил докторскую по физике. Кусочек докторской колбаски достался и мне как рабочей лошадке за программирование модели и оптимизацию. Но работа была интересная.
        Аналогия следующая. На заре освоения ветра и путешествий на парусных кораблях был только один путь - хождение по ветру. При боковом ветре без киля у корабля огромный снос. Отсюда и пошло выражение "ждать попутного ветра".
        Но потом появились киль и треугольные паруса и получилось ходить против ветра галсами.

        Тоже самое возможно и для хождения под солнечными парусами. Т.е. можно ходить не только по ветру но и галсами идти к источнику излучения, например звезде.
        Круто?

        Ответить

      • В реальном мире есть)) И вопрос в том, что является килем. Но это все запатентовано или закрыто NDA и я даже не имею право говорить и намекать на конкретные решения.
        А вот аналогии можно обсуждать открыто.
        Решите эту задачку и получите удовольствие. Денег не заработаете.
        Яхта с килем и парусами - это система на плоской поверхности с колебаниями в 3ем измерении. Она использует 2 среды.
        Когда мы переходим в космос, то все аналогично но плюс одно измерение.
        Если вы знакомы с ТРИЗом (теория решения изобретательских задач) то там есть четкие методы для решения таких задач. Вернее там есть подсказки как мыслить.

        Ответить

        • С галсирующей яхтой все банально: по ветру яхта набирает кинетическую энергию (паруса "раскрыты"), при движении против за счет взаимодействия с уже водной средой разворачивается против ветра (парус при этом ставится в положение минимального сопротивления ветру). После чего яхта реально может проехать гораздо дальше, чем на стадии разгона, постепенно теряя кинетическую энергию на трение (в жидком геллии можно было бы угнать хоть на бесконечность). Таким образом, в Вашей задаче единственный вопрос касается того, чем развернуть заведомо сложенный (или размещенный ребром к солнцу) парус. Вариантов, конечно, куча: гравитационное поле планеты, магнитное (или электромагнитное) поле от внешнего источника - и т. д. и т. п., но увы, все они требуют именно некоего внешнего источника. Если для решения конкретной навигационной задачи он у Вас есть - летите. Если нет... Силами самой установки Вы его не получите. Закон сохранения импульса, мать его))

          Ответить

          • Для того чтоб пойти против ветра яхте не надо идти по ветру. Все старты гонок идут против ветра.
            Повторюсь что треугольный парус - это крыло самолета с подъемной силой направленной под углом к корпусу лодки. И проекции это силы хватает чтоб идти под углом 30 градусов к ветру. Если ставить яхту еще острее, то встречный ветер уже тормозит ее и парус начинает колебаться и теряет аэродинамическую форму. И те кто лучше чувствуют этот предел выигрывают гонки.
            По ветру гоняться не интересно.

            Ответить

А вот простой эксперимент по нашей теме. Можете объяснить?


За счет чего кривая траектория оказывается быстрее чем путь по прямой?

Очевидно что если мы это наблюдаем в нашем масштабе то в квантовом мире будет точно так же. И в макро мире тоже.

Ответить

• Банальная школьная задачка по физике. Упрощаем модель до одной прямолинейной траектории с малым углом к горизонтали - и траектории в виде линии с изломом, где первый участок наклонен к горизонту значительно сильнее, а у второго наклон еще меньше, чем у первой траектории. Начало и конец траекторий один и тот же. Трением пренебрежем. И рассчитаем время прибытия к "финишу" для груза по одному и другому пути. 2-й з-н Н. (восьмиклассники знают, что это) даст, что время прибытия к финишу по второй траектории меньше. Если теперь дополните задачку второй частью установки, представляющую зеркальное отражение относительно вертикали в конце траектории, немного скруглите края, то получите свой случай. Банальщина. Уровень "С" на ЕГЭ по физике. Даже не олимпиадная задача по сложности

  Ответить

  • Ваша идея с упрощением мне нравится. Может это поможет детишкам. Дайте время мне подумать и попробовать поговорить с подростками.

    А если без упрощения и все так банально, то какая форма траектории наиболее быстрая?

    Ответить

"При температурах в тысячи градусов рассеяние фотонов уже намного сильнее, и оно перебивает этот эффект."...

Вот именно!!!
Предположительно этот эффект работает в ограниченной зоне и соответствующих видов энергетических взаимодействий. "Частотная дисперсия" и соответствующая ей динамика - превалируют в граничных зонах. Некоторые нюансы этих процессов в 1991 году пытался раскопать Володя Лисин, но так,
наверное и не успел. (просто я не смог до него дозвониться.). По-моему, этот эффект угасает по мере уменьшения температурных градиентов и (интенсивности конвекционных потоков) в анализируемой зоне.
http://maxpark.com/community/5302/content/3334997#comment-44 797112
#10 MAG » 04.09.2015, 22:02
http://globalwave.tv/forum/viewtopic.php?f=20&t=65
Пролетели столетия, но без чудес... - "ни туды и ни сюды": (Фильм 7. Теплота и температура)
https://www.youtube.com/watch?v=FR45i5WXGL8&index=7& list=PLgQC7tmTSjqTEDDVkR38piZvD14Kde
rYw

Ответить

Забавный эффект. Он может пролить свет на проблему первого грамма при образовании планет - как микроскопическая пыль может слипнуться в газо-пылевом облаке. Пока атом, положим, водорода, вдали от частиц, он находиться практически в изотропном тепловом излучении. Но если к нему ненароком приблизятся две пылинки, то, взаимодействуя своим излучением с атомом, получат импульс друг к другу! Сила-то во много раз больше гравитационной.

Ответить

• Для слипания пылинок не надо городить такой крутой физики. Да что "пылинки", мы же все понимаем, что речь скорее всего идёт про H2O, как основной твёрдый компонент во многих облаках? Соединения углерода с водородом чрезмерно летучи (до пентана), про аммиак вообще ничего не скажу, вещества кроме H, He, C, N, O - в меньшинстве, на сложную органику тоже мало надежд. Так что твёрдой будет в основном вода. Вероятно что в реальных облаках газа льдинки-снежинки движутся достаточно хаотично и относительно быстро, я полагаю что со скоростями самое меньшее, сантиметры в секунду. Подобный эффект, как в статье, просто не создаст такого потенциала, чтобы снежинки сталкивались - характерные относительные скорости снежинок слишком велики и снежинки проходят потенциальную яму друг-друга за доли секунды. Но не беда. Снежинки и без того часто сталкиваются и чисто механически на этом теряют энергию. В какой-то момент они слипнутся за счет молекулярных сил в момент контакта и останутся вместе, так что будут образовываться снежные хлопья. Тут, чтобы скатать небольшие и очень рыхлые снежки, не нужно ни тепловое, ни гравитационное притяжение - требуется только постепенное перемешивание облака.

  Также полагаю что расчет в статье имеет грубую ошибку. Учитывалось попарное притяжение пылинок. Но пыль в плотном облаке непрозрачна и даёт равномерный жар со всех сторон, т.е. имеем пылинку внутри тёплой полой камеры. И вот с чего бы она летела бы в область ближайшей пыльцы? Т.е. чтобы притяжение работало, нужен холодный космос, а в плотном облаке его не видно, а значит нет и теплового градиента.

  Ответить

  • >Также полагаю что расчет в статье имеет грубую ошибку. Учитывалось попарное притяжение пылинок. Но пыль в плотном облаке непрозрачна и даёт равномерный жар со всех сторон, т.е. имеем пылинку внутри тёплой полой камеры.

    Вот здесь не соглашусь. Тут можно провести аналогию с плазмой. В приближении идеальной бесстолкновительной плазмы всё примерно как вы говорите: рассматривается среднее поле, которое, в отсутствие внешних зарядов и токов, равно нулю - вклады от заряженных частиц полностью друг друга компенсируют. Тем не менее, когда мы начинаем рассматривать отдельные ионы, оказывается, что воздействие со стороны ближайших соседей таки присутствует, и его необходимо учитывать (что делается через столкновительный интеграл Ландау). Характерный расстояние, за которым о попарном взаимодействии можно забыть, - дебаевский радиус.

    Для рассматриваемого взаимодействия, полагаю, аналогичный параметр будет бесконечным: интеграл от 1/r^2 сходится. Для строгого доказательства надо бы построить кинетическое уравнение для "тумана" из капелек с таким взаимодействием. Ну, или воспользоваться уравнением Больцмана: сечение рассеяния конечное, значит, так изощряться, как в плазме, вводя среднее поле, не придётся.

    Ну вот, думал, интересная идея для статьи, а всё тривиально. :(

    А в обсуждаемой статье поступили очень просто: оценили общую потенциальную энергию сферического облака из микрочастиц с гауссовым распределением. Для гравитации есть готовая формула, для этого взаимодействия (на асимптотике r>>R) посчитали. И оказалось, что есть заметная область, где вклад гравитации много меньше.

    Ответить

    • > Для рассматриваемого взаимодействия, полагаю, аналогичный параметр будет бесконечным

      Может, нулевым? В целом я не очень понял ваш пост, в нём переизбыток математики которую я не знаю, когда тут проще - чтобы была неуравновешенная сила, нужен градиент плотности излучения, когда градиента нет, силы считай нет, т.к. она одинакова во все стороны.

      > И оказалось, что есть заметная область, где вклад гравитации много меньше.

      Нельзя ли чуть поконкретнее? Я не очень понимаю, как этот эффект может помогать образованию чего-либо в космосе, чтобы иметь хоть какое-то значение. По мне так вычислена бесполезная величина. Как всё равно что доказывать что эффект в более чем в 100500 раз сильнее чем гравитационное взаимодействие между соседними атомами в атмосфере Юпитера - я соглашусь, но это лишь потому что гравитационное взаимодействие отдельных пылинок в общем-то не интересно вообще. Зато гравитация хотя бы не экранируется.

      Эффект, полагаю, усиливается в ближнем поле, когда расстояние стремится к 0, но это уже описание как именно происходит столкновение пылинок, если они уже столкнулись.

      PS: потенциал пылинки в тепловом излучении, я так понимаю, по порядку величины не зависит от размеров облака - этот потенциал зависит лишь от плотности излучения, т.е. от температуры и степени непрозрачности облака. Степень непрозрачности по порядку величины можно взять 1. Получается, не важно какое у нас облако, значение имеет лишь средняя температура кругом. Насколько велик этот потенциал, если его выразить в величине кинетической энергии м/c? (посчитать может и могу, но может есть готовое решение?) Также если облако непрозрачно, то потенциал облака в целом будет функцией от площади поверхности облака. Любопытно, получили то же поверхностное натяжение, но чуть другим образом. А внутри облака пыль будет свободной.

      Ответить

Вы откройте статью 2013 года, посмотрите, там несложно, там все описано обычным человеческим языком.

Они для иллюстрации взяли облако конечного радиуса 300 метров и тупо подставили числа в формулы для ситуации внутри и снаружи облака. Главное замечание в том, что даже снаружи на расстоянии чуть ли километр от центра тепловое притяжение все еще сильнее гравитационного. Это просто для того, чтобы почувствовать масштаб эффекта. Они признают, что реальная ситуация куда сложнее, и моделировать ее надо тщательно.

Ответить

Пыль в основном представлена (при 400 °К) оливином, сажей и частичками кремния. Ими "коптят" красные сверхгиганты.
Пылинки перерабатывают кинетическую энергию в тепловую. И они взаимодействуют не друг с другом, а с оказавшимися поблизости атомами или молекулами, которые прозрачны для излучения. Поскольку r - в кубе, то пылинки, оказавшиеся в миллиметре, сантиметре от АТОМА, тянут его каждый на себя, при этом появляется результирующая сила, сближающая пылинки. При этом пылинки в метре - игнорируются из-за уменьшения силы взаимодействия в миллиарды (а то и триллионы) раз.

Ответить

«Это излучение расходится во все стороны, поэтому плотность его энергии падает с расстоянием как 1/r2. Атом, находясь поблизости, чувствует это излучение - ведь оно понижает его энергию. А поскольку атом стремится понизить свою энергию взаимодействия как можно сильнее, ему энергетически выгодно приблизиться к шару - ведь там понижение энергии наиболее существенно!»
Но, позвольте, если атом устремляется к нагретому шару, то он никак не понизит свою энергию, а, наоборот, только повысит ее. Полагаю, что это не корректное объяснение.

Ответить

Тут придумал задачу. Пусть есть термостабилизированная камера, составленная из двух черных полусфер различного радиуса, ориентированных в разные стороны, и дополнительного плоского кольца. Пусть левая полусфера имеет меньший радиус чем правая, плоская перегородка делает область камеры замкнутой. Пусть атом находится в центре кривизны каждой из двух полусфер и неподвижен. Пусть полусферы тёплые. Вопрос - будет ли атом испытывать тепловую силу в одну из сторон?

Тут я вижу 2 решения: 1) в такой камере быстро возникнет тепловое равновесие, т.е. плотность излучения будет одинаковой со всех сторон, причем одинаковой в любой из точек камеры. Если плотность теплового излучения в камере не зависит от выбранной точки, то и потенциал взаимодействия с излучением не меняется, а значит нет и силы.
2) Неверное решение. Разбиваем стенку на элементы поверхности равной площади и интегрируем силу взаимодействия атома с элементом поверхности. Получается, что плоское кольцо даёт нулевой вклад, а более близкая левая поверхность имеет квадратично меньше точек, каждая из которых тащит в куб раз сильнее - т.е. пылинка летит к ближайшей поверхности, т.е. налево.

Как видно, ответ совершенно разный.

Объяснение противоречия. Если у нас есть излучающий элемент несферической формы, то он светит не во все стороны одинаково. Как итог, имеем градиент плотности излучения, направление которого не направлено на излучатель. Далее получаем вот что - разбивать сложную поверхность на точки, и рассматривать их как КРУГЛЫЕ пылинки становится совсем уже некорректно.

Ответить

Тут ещё более интересная задача на ум пришла. Пусть у нас есть излучатель тепла в виде плоского черного кольца, радиусы которого внешний и внутренний равны R и r. И точно на оси кольца, на расстоянии h расположен атом. Считать h<

Решение 1 (неверное!). Разбить кольцо на "пылинки", далее брать интеграл силы притяжения атома и элементов кольца по поверхности. Расчет не интересен, т.к. так или иначе, получим, что атом втягивается в кольцо.
Решение 2. С торца кольцо светить не может или светит исчезающе мало, т.е. потенциал энергии атома в точках плоскости кольца обращается в 0 (максимум потенциала). Излучение кольца будет ненулевым в точках, высота которых h над плоскостью кольца отлична от 0, в этих точках будет ненулевой потенциал (меньше 0). Т.е. имеем градиент плотности излучения, который локально (при h~=0, h<

Сдаётся мне, что решение 1 содержит ошибку, я вроде бы понимаю где, но не могу объяснить простыми словами.

Эта задача показывает вот что. Атом не притягивается к излучающему тепло объекту, т.е. вектор силы не направлен на излучающую поверхность. Нам совершенно не важно ОТКУДА идёт излучение, нам важно СКОЛЬКО излучения в данной конкретно точке и какой градиент плотности излучения. Атом идёт в сторону градиента плотности излучения, а этот градиент может быть направлен даже в ту полуплоскость, в которой нет ни одной точки излучателя.

Задача 3. То же кольцо что в п.2, но атом изначально в точке h=0. Это состояние равновесно и симметрично, но неустойчиво. Решением будет спонтанное нарушение симметрии. Атом вытолкнется с точки положения центра симметрии, т.к. оно неустойчиво.

Также я обращаю внимание - не надо заменять облако на притягивающиеся пылинки. Получится плохо. Если 3 пылинки встанут на одной прямой, и будут слегка затенять одна другую, то симметрия спонтанно нарушится, этого нет в гравитационных силах, т.к. гравитация не экранируется.

Ответить

У меня вопрос (не только к Игорю, а ко всем). Как потенциальная энергия входит в гравитационную массу системы? Мне хочется разобраться с этим вопросом. Например, вселенная состоит из равномерно расположенных в пространстве пылинок, которые гравитационно друг с другом взаимодействуют. Очевидно, что такая система обладает большой потенциальной энергией, поскольку есть состояние системы, в которой эти пылинки сконцентрированы в галактики, каждая из которых обладает меньшей потенциальной энергией, в сравнении с разбросанными по пространству пылинками из которых они состоят. Конкретный вопрос заключается в следующем - входит ли потенциальная энергия этой системы в гравитационную массу вселенной?
Мне кажется, что этот вопрос имеет отношение к теме, которую поднял PavelS. В бесконечной вселенной нельзя выделить сферу, которая ее охватывает. А внутри любой другой сферы, например, охватывающей галактику, гравитационный потенциал, создаваемый материей, расположенной за сферой (расположенной на больших масштабах практически равномерно по пространству), не влияет на поведение тел внутри этой сферы. Поэтому, говорить о вхождении потенциальной энергии в гравитационную массу можно только по отношению к локальным неоднородностям распределения материи.

Ответить

• Я такой вопрос не поднимал. :) Также мне казалось, что расширение вселенной с учетом тёмной энергии и покраснением фотонов нарушает закон сохранения энергии, но при большом желании можно вывернуться и сказать, что полная энергия вселенной всё равно 0, т.к. вещество находится в потенциальной яме, и чем больше вещества, тем яма глубже. За что купил, за то продаю - сам в деталях не силён.

  Про потенциальную энергию, она как правило считается меньшей нуля. Т.е. свободные частицы - это нуль, связанные - это уже меньше чем 0. Так что отрицательная потенциальная энергия работает как отрицательная масса (дефект массы) - масса системы меньше чем масса отдельных компонент. К примеру, при коллапсе сверхновой потенциальная энергия уходит в большой минус, а разность масс того что было и стало - может излучиться вовне в виде фотонов (скорее, не фотоны а нейтрино на самом деле).

  Ответить

  • В статье идет обсуждение проявлений потенциальной энергии в системе. Если в системе есть градиент потенциала этой энергии, то возникает сила. Вы совершенно верно заметили, что в некоторых условиях градиента нет, ввиду полной симметрии (атом находится внутри сферы). Я продолжил аналогию применительно к вселенной, где в целом нет градиента потенциальной гравитационной энергии. Есть только локальные его проявления.

    Есть утверждение, что масса вещества в основном состоит из кинетической энергии кварков и глюонов плюс небольшая частичка за счет поля Хигса. Если считать, что в этой массе подмешана еще отрицательная потенциальная энергия, то данное утверждение не является верным.

    Масса протона 938 МеВ. Суммарная масса кварков, как ее определи физики – примерно 9,4 МеВ. Здесь дефекта массы нет. Я хочу понять, вообще, потенциальная энергия каким либо образом учтена общей теорий относительности, как генератор массы, или нет. Или там есть просто энергия – которая является суммой кинетической энергии и потенциальной.

    «К примеру, при коллапсе сверхновой потенциальная энергия уходит в большой минус, а разность масс того что было и стало - может излучиться вовне в виде фотонов (скорее, не фотоны а нейтрино на самом деле)».

    Ну и что - дыра от того, что вещество, которое, в нее попало и находится в глубокой потенциальной яме не становиться легче, разве, что на величину массы энергии - вещества, которое она назад вернула.

    Ответить

    • "разве, что на величину массы энергии - вещества, которое она назад вернула"

      Вот это "разве что" может быть сколь угодно большим. Так что скинув килограмм в ЧД, она будет массивней менее чем на 1 кг. На практике аккреционным диском излучается в виде рентгена до 30% падающей массы, но число падающих протонов при этом не уменьшается. Излучается не вещество, а рентген. Рентген не принято называть термином вещество.

      Читай новость про столкновение двух ЧД, так там тоже результат заметно худее чем исходные дырки в сумме.

      Ну и наконец, вопрос в том, ГДЕ ты находишься со своими весами. В какой системе отсчета и в какой точке? Метод измерения решает всё. В зависимости от этого ты намеряешь разную массу, но это ИМХО скорее терминологический вопрос. Если атом находится внутри нейтронной звезды, то ты не можешь измерить его массу кроме как сравнивая с соседним пробным телом, которое находится рядышком. В этом плане масса атома при падении в яму не уменьшается, но масса совокупной системы не равна сумме масс компонент. Я полагаю что это наиболее точная терминология. При этом масса системы всегда измеряется относительно наблюдателя вовне этой системы.

      Ответить

      • Термин «величину массы энергии - вещества» здесь означает «величину массы энергии и массы вещества». Рентгеновское излучение имеет массу покоя, если его запереть в ящик из зеркал или в черной дыре. Гравитационные волны также несут энергию, и должны учитываться в генераторе массы в ОТО. Прошу извинить за неточность формулировки.

        Хотя, как я знаю, само по себе практически стационарное гравитационное поле в ОТО в составе массы не учитывается. Поэтому потенциальная энергия поля также не должна учитываться. К тому-же, потенциальная энергия всегда относительна. Или я не прав? В связи с чем, утверждение, что масса вселенной равна 0 за счет отрицательной энергии (и массы) гравитационного поля – чушь.

        В примере с черной дырой, если считать, что в процессе падения в дыру, например, килограмма картошки, обратно нечего не вылетело, я думаю, что черная дыра увеличивает свою массу на этот килограмм. Если не учитывать в составе массы потенциальную энергию картошки, то арифметика выглядит следующим образом. При своем падении в дыру картошка приобретает большую кинетическую энергию. За счет чего увеличивает, если смотреть снаружи дыры, свою массу. Но в тоже время, при взгляде снаружи, все процессы в картошке замедляются. Если сделать поправку на замедление времени, то масса картошки при взгляде на нее из внешней системы отсчета не изменится. А черная дыра увеличит свою массу ровно на 1 килограмм.

        Ответить

"Например, вселенная состоит из равномерно расположенных в пространстве пылинок, которые гравитационно друг с другом взаимодействуют."

Ваша модель уже является противоречивой и не имеющей отношения к реальности. Таких примеров вы можете придумать кучу и каждый раз приходить к любым выводам.
И фактором упорядоченности вашей системы будет выступать энтропия. А потенциальная энергия не даст вам никаких интересных результатов, так как она относительна выбранной точки отсчета и Наблюдателя.

В реальном мире похожая модель - это кристалл. В нем атомы равномерно расположены в пространстве и взаимодействуют друг с другом.
Поправьте меня если я не прав.

Ответить

• «Ваша модель уже является противоречивой и не имеющей отношения к реальности.»

  В отношении противоречивости – это надо доказать. В отношении соответствия реальности - может быть. Это гипотетическая модель. Она немного упрощена для лучшего понимания.

  «И фактором упорядоченности вашей системы будет выступать энтропия…»

  Согласен.

  Ответить

  • Если вы получаете удовольствие от волновых физических теорий и вам нравится моделировать их, то попробуйте объяснить вот этот эффект в нашей удивительной вселенной.
    Он проявляется на всех масштабах.
    https://cs8.pikabu.ru/post_img/2017/01/30/0/1485724248159285 31.webm

    Я запостил это для ИИ выше тоже. Интересно будет увидеть его обоснование тоже.

    Ответить

    Извините за прямоту, но это банальная механика первого курса университета. Впрочем, само явление должно быть понятно и сильному школьнику. Поймите, я не могу тратить время на произвольные запросы. Вообще, лучше все же в комментариях к новостям придерживаться темы новости.

    Ответить

    • • Вы всерьез полагаете, что физика сводится к перечислению всех возможных задачи и списку решений к ним? И что физик, видя задачу, открывает этот магический список, ищет в ним задачу за номером миллион, и читает ответ? Да нет, понимать физику - это увидеть явление, понять его, написать формулы, его описывающие.

        Когда я говорю, что это банальная физика 1 курса, это значит, что студента физфака после нормального курса механики способен самостоятельно ее решить. Нормальный студент не ищет решения, он решает задачу сам.

        Извините за отповедь, но это распространенное отношение очень удручает. Это основа непонимания большинством людей, что и как вообще делает наука.

        Ответить

        • Я с вами абсолютно согласен. Нет большего удовольствия чем решить задачу самому. Это как наркотик))
          Я просто задавал вопрос по дружески.
          У меня средний уровень в целом по решению задач по физике. На всесоюзных олимпиадах по физике я был по середине. А вот по программированию и моделированию получилось забраться повыше. но тут другое мышление работает.

          Ответить

          • • Я не могу четко сформулировать суть данного явления простыми словами. (какой то ступор в голове). Именно суть. Чтоб перенести ее в другую модель а так же объяснить школьникам.

              
              Этот эксперимент можно рассмотреть как прохождение сигнала. И по кривой траектории он проходит быстрее.
              Откуда берется этот выигрыш во времени?
              Очевидно что форма траектории так же влияет на эту задержку. Если сделать очень глубокие ямы то шарик просто не преодолеет яму, потеряв энергию на сопротивлении воздуха при больших скоростях.

              Если поставить задачу как определения оптимальной формы траектории, то задачка вроде перестает быть школьной. Мы уже попадаем в множество разных функций и форм траектории.

              Может вынести эту задачку на элементы? Мне кажется многим было бы полезно судя по реакции людей. И эта задача хорошо отражает реальность.

              Ответить

              • Честное слово, я не понимаю, как, при участии во всесоюзных олимпиадах, вы не видите этого явления. Особенно вкупе с тем, что, по вашим словам, вы не можете четко сформулировать суть данного явления.

                Вы понимаете, что время прохождения траектории зависит не только от ее длины, но и от скорости? Вы понимаете, что внизу скорость больше, чем наверху? Вы можете соединить эти два факта в общее понимание, что более длинная траектория вовсе необязательно означает большее время? Все зависит от прироста скорости с увеличением длины.

                Достаточно понять вот это явление, чтобы перестать удивляться эффекту. А уж конкретный расчет для произвольной траектории уже потребует аккуратной записи интеграла (и именно здесь нужен 1 курс универа). Там, разумеется, будет по-разному для разных траекторий, но можно показать, что для достаточно _пологой_ траектории любой формы, идущей строго низе прямой, время прохода всегда будет меньше.

                > Я развлекаюсь сейчас с теорией Времени.

                Вот это очень опасная формулировка. Настолько опасная, что я превентивно прошу не писать в комментариях на элементах ничего на подобные темы. Спасибо за понимание.

                Ответить

                • Я вижу это явление, я его понимаю, и могу взять интеграл по любой форме траектории и легко написать программку для рассчета.
                  Но когда я иду с подростками в эксперементариум и объясняю им простым языком как все работает, то именно на этом явлении я проваливаюсь. Может это уже возраст сказывается))
                  А навык быстро и легко видеть конечный ответ уходит если постоянно не тренироваться. Наверное как в спорте. В 40 лет тяжело крутиться на турнике как в молодости... и делать сальто)))

                  Никогда не думал что обсуждение Времени это табу))). Тем более что это фундамент. Читая Хокинга и видя как они популяризируют эти идеи, я был уверен что они захватывают умы исследователей мира.
                  Может вы меня не правильно поняли?

                  Но это просто разговор... и конечно я не собираюсь нарушать правила и продвигать всякую ересь и необоснованные личные теории)) Это как минимум не прилично...

                  Но мозг требует еды и чего то новенького)))

                  Ответить

                  Что касается олимпиад. Мой опыт показал, что реально крутые ребята это не те кто решает новые задачки, а те кто их придумывает. Их единицы. Это другое измерение и взгляд на мир. Случайный 5ти минутный разговор с таким человеком на одной из олимпиад полностью поменял мою жизнь и вывел меня из глубоких иллюзий и фактически спас мне жизнь.
                  Он шутил, что "доктор наук" именно и получает свое звание за то, что лечит травмированных коллег, которые не смогли взобраться на одну из горок.

                  Этот человек утверждал, что топовые победители олипмиад потом растворяются в научной среде и не приносят новых открытий и результатов. Поэтому без постоянного широкого развития своих знаний и реальных навыков не будет виден путь к новому.
                  И в целом олимпиады это чистый спорт с везением, куражом, хитростями, с кучей травм и калечения психики детишек, включая меня. Но это жизнь)))

                  Ответить

Разрушители мифов и легенд уже опровергли ваше предположение.
https://www.youtube.com/watch?v=XsKhzk4gn3A

Эффект не зависит от материалов и трения.
Так же по вашей версии если мы заменим шарики на скользящие грузики то эффект пропадет.

Так же более быстрые шарики испытывают большее сопротивление воздуха. Лобовое сопротивление пропорционально квадрату скорости. И все равно им не мешает это приходить первыми.

Давайте более реалистичные идеи. Такие штуки напрямую отражают суть работы нашего мира.

Ответить

• • В общем трение качения тут не причем...))
    Эффект работает в моделях без трения и воздуха.
    Можно сделать магнитики и откачать воздух.

    А вот вычислить форму траектории которая самая быстрая - это вроде прикольная задачка.
    Профессионалы в классической механике наверное могут интуитивно предсказать ответ.

    Ответить

    • Меня тут осенило, что эксперимент на Вашем видео напоминает маятник Фуко. Очевидно, наиболее быстрой траекторией для шарика будет дуга окружности с наименьшим радиусом из возможных (вплоть до трассы в форме полукруга = 1 полуволна гребнем вниз). Для маятника парадокс более длинной траектории и при этом большей скорости решается за счёт меньшего радиуса описываемой дуги, т.е. длины плеча маятника, от которой зависит период его колебаний.
      При этом любое отклонение движения шарика от строго кругового нежелательно, поскольку должно бы отрицательно сказываться на его средней скорости. Прямолинейное же движение шарика на видео сродни колебаниям маятника с очень длинным плечом, имеющим, как понятно всем, наибольший период колебаний. Поэтому там наблюдается наименьшая скорость шарика.
      Вроде обошелся без интегралов;)
      Интересная задачка!

      Ответить

      • Надо доказать математически и проверить гипотезу. Но звучит интересно... одна из последних версий была что это циклоида перевернутая.

        У меня в запасе много всякого такого.

        Например:

        Самая вроде банальная задачка по сохранению энергии для школы, но показывает как раз то понимание потенциальной энергии и кинетической о которой говорил nicolaus. Задачка для него но сломала мозг многим, даже серьезным в физике дядькам.

        Берем машинку с заводной пружиной. Ставим на пол и отпускаем. Она за счет пружины разгоняется до скорости V. Записіваем закон сохранения энергии и вычисляем энергию пружины.
        0 + E(пружины) = mV^2/2

        А теперь внимание! Переходим в равноправную инерциальную систему которая движется навстречу машинке. Грубо говоря, идем навстречу машинке со скоростью V.
        Относительно нас в начале скорость машинки была V, после разгона будет 2V.
        Вычисляем энергию пружинки.
        E(пружинки) + mV^2/2 = m(2v)^2/2
        E(пружинки) = 3mV^2/2
        Энергия пружинки вдруг выросла относительно другой инерциальной системы отсчета.
        причем чем быстрее двигаться навстречу машинке то тем больше энергия пружинки.
        Как такое возможно?

        Nicolaus это для вас. Закон сохранения нарушен. Ура! свершилось!))))

        Это тоже фундаментальное понимание процессов и переноса энергии.
        Детишки любят подкинуть проблем)))

        Ответить

        У Вас некорректно выражение после "Вычисляем энергию пружинки".

        "А детишки которые задают вопросы - очень редки."
        Детишки, которые задают вопросы, не редки. У всех детей есть период "почемучек".

        Вообще, я воздержусь от дискуссии с Вами, чтобы Вас ненароком не обидеть. Я люблю отпускать шутки, которые могут быть непоняты.

        Ответить

Ответить

Нет, не так. Уровень энергии вакуума, т.е. пустого пространства, определяет динамику разбегания галактик. Разбегаются ли они с ускорением или наоборот, тормозятся. Это не позволяет слишком вольно двигать шкалу. Потенциал вакуума не может выбираться произвольно, он вполне измеряется.

Ответить

Уважаемый, Игорь! Я, конечно, понимаю, что Вас задолбали комментаторы после публикации каждой новостной статьи. Мы должны Вас благодарить за то, что даете информацию о зарубежных разработках, а не долбать, но мы такие, какие есть. Ваше право вообще отправлять к первоисточнику, т.к. это рерайт или Copy Paste с технически правильным переводом, за что еще раз отдельное СПС.
А теперь по теме, если атом, частица, любое тело без кинетики перемещено ближе к источнику электромагнитного излучения, то его общая энергия повышается. А как там она внутри тела перераспределяется (какая больше возрастает (снижается) кинетическая или потенциальная) это на конечный результат не влияет. Поэтому, я и высказался, что объяснение авторов статьи – не корректное. На самом деле никакой тепловой силы не существует – это сила гравитации. Как это происходит? Ответ в статье: «Гравитация Земли Фотонно-квантовая гравитация», опубликована в венгерском журнале (с. 79-94):
http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/11/VOL-1-No-5 -5-2016.pdf

Ответить

Игорь, уж не знаю, моветон ли это. Но, в свете многочисленных комментариев по данной тематике, мне кажется, назрела необходимость написать хороший научно-популярный текст, в том числе, о понятии потенциальной энергии. Ибо, на мой взгляд, люди немного путаются. Может быть, попробуете, если будет время, и научно популярно про Лагранжианы написать? Мне кажется, с вашим талантом и опытом будет очень нужная статья. Про такие фундаментальные понятия писать сложнее всего, понимаю. Но что, все-таки, думаете?

Ответить

Позволю себе ответить на ваш вопрос.

Вот что написано на википедии:
Публикация работы Eagleworks привела к тому, что иногда EmDrive описывается как «опробованный NASA», хотя официальная позиция агентства другая: «Это небольшой проект, который пока не привёл к практическим результатам»

Но по тексту очевидно что есть интерес к этому устройству и создатели смогли привлечь внимание. Иначе никто бы деньги не выделял. Что то там есть.
Предлагаю немножко подождать и увидеть конечные результаты. Это сэкономит ваше время и затраты сил. Но надеяться на чудеса и мечтать о том как рухнут устоявшиеся знания и опыт, не стоит)))
Лучше что то строить новое, чем пытаться поломать то что сделали наши предки.
Говоря простым языком, если их устройство заработает, то найдется человек который спокойно все опишет в рамках существующих теорий.

Ответить

• • Я хорошо понимаю ваши чувства. Среди моих друзей программистов, которые обладают развитым мышлением но без опыта работы с теорией физики, полно таких настроений. Откопать видео на ютюбе, найти какого то деда в гараже которые вечный двигатель построил и т.д их любимое занятие.
    Это всегда весело и хороший повод собираться на природе и жарить шашлыки.
    А для меня это возможность лишний раз проверять собственные знания и пробелы. (Они есть у всех. Некоторые правда стесняются и маскируют их.)

    Суть вашего вопроса лежит в основах физики. Если вы четко дойдете до основ теории физики, то вы поймете простую вещь.
    Как только будет доказан уникальный эффект емДрайва, и будет понятно что это не замаскированный набор уже известных эффектов, то любо грамотный физик придумает объяснение.
    Но доказательство эксперимента должно быть строгим и по всем процедурам отлаженным веками. Тут нет никаких препятствий. Просто надо следовать четким процедурам принятых в научном мире.

    Мир реальной физики - это огромные деньги. И они даются только под конкретный результат. Никто не любит тратить время зря и попадать в пустышки. Наказание за ошибки очень жесткие. На моих глазах люди просто умирали за несколько месяцев когда рушились их надежды. И я молчу про то сколько просто сходит с ума зациклившись на своих идеях в попытках "помочь всему человечеству".
    Это все не нормально.

    Вся физика строится на простейших нескольких идеях. Пока вы не разберетесь в ней досконально, то лучше не бороться с ветряными мельницами.

    Один из постулатов основ теории физики, следующий: мы можем делить пространство и время до бесконечности.
    А дальше включается математика. Вам понадобится еще монетка и карандаш.
    На одном листике с этой идеей вы можете вывести распределение Максвелла. И предсказать случайное распределение шариков в стандартном эксперименте и пойти гулять вверх по измерениям.
    Если вы спокойно делаете такое упражнение значит вы понимаете чем занимаетесь.
    Другими словами перед тем как сделать сальто на турнике, надо спокойно и не задумываясь подтягиваться любыми способами.

    В теории физики есть точка от которой все строится. Вы должны уметь от этой точки выстраивать все базовые формулы и теории.
    Как только пробежитесь по основным путям и тропкам несколько раз, то вы станете честным и реальным жителем этого мира.

    И именно тогда вы поймете что язык физики сможет описать любые явления.

    Мой знакомый лингвист, видит физику как именно язык описания реального мира. Он не верит даже в электрон))) И это его право...

    А знакомые математики говорят, что физика это математика в которую добавили капельку времени (dt)

    Начните с самих основ. Тут все четко и красиво)))

    Ответить

"В-третьих, существует еще одна сила притяжения - гравитационная. Она не зависит от температуры, но растет с массой тела."

Я бы не был так уверен в том, что гравитация не зависит от температуры. С температурой растёт динамика частиц, значит растёт масса (как минимум, релятивистская), значит растёт гравитация.
Вообще говоря, учитывая [на самом деле] динамический характер гравитационных сил, уже сам этот факт увязывает силу гравитации с температурой, как динамической характеристикой механических систем. Но это тема отдельного разговора, вернее сказать теории. ;)

Ответить

Насколько я понял, в "звуковом" поле сей эффект реализовать еще проще, если диполь заменить мембранкой (например, мыльным пузырем) с резонансом на частоте более высокой, чем та, на которую настроен звуковой генератор. Все-таки киловатт энергии в звук вложить как-то проще, чем в ЭМ излучение))

Забавно было бы: мыльные пузыри притягиваются к динамику...

Ответить

• Звук и музыка это вообще удобная штука для исследования волн. Это мое хобби.
  Если кому то интересно то вот мои попытки применить квантовую физику и резонанс Шумана в творчестве.
  https://soundcloud.com/dmvkmusic

  Это 3д музыка поэтому слушать ее надо только в наушниках либо на хороших колонках.

  У меня есть и динамики и целая студия и даже мыльные пузыри.
  Я проверю вашу идейку)))
  Спасибо!

  Давайте еще!)))

  Ответить

"А поскольку атом стремится понизить свою энергию взаимодействия как можно сильнее, ему энергетически выгодно приблизиться к шару - ведь там понижение энергии наиболее существенно!"
Хрень какая-то, а не объяснение, атом чего там хочет, чего-то ему выгодно. И самовольно, по своему хотению перемещается куда ему хочется.
Как жаль, что нет сейчас физиков способных объяснять.
Не говоря уже о том, что воздействие энергии по объяснению понижает энергетический уровень объекта. Второй закон термодинамики, видимо, истерично бьется в конвульсиях. Простите.

Ответить

К сожалению, по вопросу о потенциальной энергии в ходе дискуссии исчерпывающего ответа получить не удалось. Поэтому, попытался в нем разобраться сам (на что потребовалось время). Вот что из этого получилось.

Многие ответы удалось найти в изложении лекции замечательного российского физика Дмитрия Дьяконова “Кварки и откуда берется масса.” http://polit.ru/article/2010/09/16/quarks/ . Дмитрий Дьяконов имел один из самых высоких рейтингов цитирования, я думаю, что он входит число великих физиков.

Что удивительно, если сравнивать с лекцией, я ничего не соврал в своих предположениях, когда писал о характере потенциальной энергии.

Вот что говорил Дмитрий Дьяконов.

«Теперь я хочу вас погрузить в глубокую мысль. Посмотрите на слайд 5. Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, а ей хоть бы хны. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой - за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, говорят, что сам электрический потенциал не имеет физического смысла, он, как мы любим говорить, не наблюдаем. Есть более точное высказывание, что наблюдаема напряжённость электрического поля. Напряжённость - кто знает - это градиент потенциала.»

Принцип - что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени - был открыт еще в ХIХ веке. Этот принцип распространяется на все фундаментальные взаимодействия и имеет название – «градиентная инвариантность» или (другое название) «калибровочная инвариантность».

«Я начал свой список с гравитационного взаимодействия. Оказывается, что оно тоже построено на принципе калибровочной инвариантности, только там независимость не от “цвета”, не от потенциала, а от чего-то другого. Попробую объяснить, от чего.
Представим себе, что где-то имеется большая масса. Например, Солнце. Солнце - это большая масса. Что оно делает? Оно как бы прогибает плоское пространство, и пространство делается искривлённым. Очень наглядно. Теперь мы помещаем поблизости Землю, она начинает крутиться вокруг Солнца. На самом деле, образ вполне геометрический: пространство продавлено и в этой лунке крутится наша планета Земля. Посмотрите на слайд - там исказились все координатные линии. И вот, что было самым главным достижением Эйнштейна, когда он выдвинул общую теорию относительности. Он сказал, что все наблюдаемые физические явления не должны зависеть от того, какую мы соизволим нанести координатную сетку и какими часами будем пользоваться.
Почему я это привёл здесь, потому что это тоже своего рода “калибровочная инвариантность”.

Кривизна есть наблюдаемая вещь, и в математическом смысле напряжённость электрического поля - это тоже своего рода кривизна. А потенциал не наблюдаем, птичка, сидящая на одном проводе, жива.»

Исход из этого можно сделать вывод, что потенциальная энергия не должна рассматриваться как источник массы, т.к. в противном случае масса и физические процессы будут зависеть от системы отчета, из которой производиться наблюдение.

Эту мысль подкрепляет ответ Дмитрия Дьяконова на вопрос по поводу массы электромагнитного поля.

«Дмитрий: Скажите, пожалуйста, а имеют ли массу силовые поля, например, электрическое и гравитационное поля?
Дмитрий Дьяконов: Если имеют, то очень малую, и conventional wisdom состоит в том, что они безмассовые.
Дмитрий: Я имел в виду немного другое. Допустим, если у нас есть конденсатор, между пластинами которого есть электрическое поле. Это поле имеет массу?
Дмитрий Дьяконов: Нет.
Дмитрий: А энергию оно имеет?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Дмитрий: А mc??
Дмитрий Дьяконов: Хорошо, состряпайте мне замкнутую систему, то есть, включая конденсатор, батарейку, гидроэлектростанцию, источник на солнце и так далее. Вот когда вы состряпаете замкнутую систему, то мы померяем её массу, и я скажу, что Е, которая есть mc? от этой массы - это есть энергия покоя данной замкнутой системы. Других утверждений я не делаю.
Дмитрий: То есть энергия поля, по сути, - это энергия батареи, проводов и пластин?
Дмитрий Дьяконов: Конечно. Нужно взять замкнутую систему, про неё можно сделать суждение.»

Так откуда же в нашем мире берется масса?

Дмитрий Дьяконов: «Как видите, вся история науки состояла в том, чтобы мы занимались самыми разнообразными связанными стояниями, и всегда сумма масс составляющих была больше, чем целого. И вот мы доходим до последнего связанного состояния - это протоны и нейтроны, которые сделаны из трёх кварков, и тут, оказывается, всё наоборот! Масса протона 940 МэВ - см. слайд 9. А масса составляющих кварков, то есть двух u и одного d, - складываем 4+4+7 и получаем всего 15 МэВ. Значит, сумма составляющих масс не больше целого, как привычно, а меньше, и не просто меньше, а в 60 раз меньше! То есть мы впервые в истории науки встречаемся со связанным состоянием, в котором всё наоборот в сравнении с привычным.

Оказывается, что пустое пространство, вакуум живёт очень сложной и очень богатой жизнью, которая здесь изображена. В данном случае это не карикатура, а самое настоящее компьютерное моделирование самой настоящей квантовой хромодинамики, и есть автор, мой коллега Дерик Лейнвебер (Derick Leinweber), который любезно предоставил мне эту картинку для демонстраций. Причем, что замечательно, наличие материи почти не влияет на вакуумные флуктуации поля. Это глюонное поле, которое таким вот странным образом флуктуирует всё время.
А теперь туда впускаем кварки, см. слайд 13. Что с ними будет происходить? Происходит довольно интересная вещь. Тут тоже мысль не поверхностная, попробуйте в неё вникнуть. Представьте два кварка или кварк и антикварк, которые оказываются одновременно в окрестности такой большой флуктуации. Флуктуация наводит между ними некую корреляцию. А корреляция означает, что они взаимодействуют.
Тут как раз я могу привести житейский образ. Вы спускаете воду из ванны, там образуется воронка, куда падают две спички, они затягиваются этой воронкой, и обе они крутятся одинаково. То есть поведение двух спичек скоррелированно. И вы можете сказать, что воронка навела взаимодействие между спичками. То есть внешнее влияние наводит взаимодействие между объектами, которые попадают под это влияние. Или, скажем, вы идёте по Мясницкой, и начинается дождь. И почему-то вдруг все поднимают какой-то предмет над головой. Это скоррелированное поведение, получается, что люди взаимодействуют, но они не непосредственно взаимодействуют, а взаимодействие навело внешнее влияние, в данном случае, дождь.
Все наверняка слышали про сверхпроводимость, а если в зале есть физики, они объяснят, что механизм сверхпроводимости - это конденсация так называемых куперовских пар электронов в сверхпроводнике. Здесь происходит аналогичное явление, только квантовый конденсат образуют не электроны, а пары кварков и антикварков.

Что же происходит, если кварк попадает в такую среду? Кварк летит, он может выбить один кварк, который уже организовался в такую пару, этот летит дальше, попадает случайным образом в следующую, и так далее, см. слайд 14. То есть кварк путешествует сложным образом по этой среде. И именно это даёт ему массу. Я могу объяснять это на разных языках, но лучше, к сожалению, не станет.

Математическая модель этого явления, которое носит красивое название “спонтанное нарушение киральной симметрии”, была впервые предложена ещё в 1961 г. одновременно нашими отечественными учёными Ваксом и Ларкиным и замечательным японским учёным Намбу, который всю жизнь прожил в Америке и в 2008 году, в весьма преклонном возрасте, получил за это дело Нобелевскую премию.»

В лекции был слайд 14, показывающий как путешествуют кварки. Исходя из этого слайда следует, что масса формируется за счет энергии именно кварков, а не глюонного поля. И эта масса является динамической – возникающей в результате потоков энергии (движения кварков), в условиях «спонтанного нарушения киральной симметрии».

Все что я здесь написал - это очень краткие выдержки из лекции Дмитрия Дьяконова. Лучше эту лекцию http://polit.ru/article/2010/09/16/quarks/ прочитать полностью. Там есть красивые слайды, поясняющие смысл.

Объясню почему в ходе дискуссии в этой ветке задал вопросы по потенциальной энергии. В ответах я хотел прочитать примерно тоже, что написано в изложении лекции Дмитрия Дьяконова, чтобы в дальнейшем опереться на эти высказывания и продолжить обсуждение. Однако, к сожалению, дискуссия не состоялась.

Это необходимо для усиления позиций гипотезы эволюции материи. Согласно гипотезы, масса в нашей вселенной возникает в результате структуризации материи. Структуризация – это образование порядка на фоне хаоса. Все, что написано в изложении лекции Дмитрия Дьяконова, на мой взгляд, поддерживает эту гипотезу.

Структуризация материи может идти в несколько этапов. Переходы между этапами сопровождаются революционными изменениями свойств материи. Эти изменения физики называют фазовыми переходами. В настоящее время принято считать, что фазовых переходов было несколько (Дмитрий Дьяконов также писал об этом). Последний из фазовых переходов мог иметь наблюдаемые явления, которые космологи предъявляют в качестве доказательства стандартной космологической теории. Поэтому наблюдения не противоречат этой гипотезе.

Здесь есть еще один интересный аспект. Чтобы произвести связанные с эффектом расчеты, измерять потенциал вообще не нужно. Для того, чтобы вычислить силу, которая действует на волосы и их дополнительную энергию, необходимо измерить электрический заряд (количество электронов), ушедший в тело мальчика, а также знать геометрические характеристики тела мальчика, включая характеристики его волос, размеры и расположение окружающих электропроводящих тел.

Ответить

• Если мальчик будет внутри клетки Фарадея, то насколько я понимаю, даже имея эл. контакт с ней, он никогда не получит на свою поверхность эл. заряд.
  При соединении клетки с заряженным шаром, весь заряд распределится по поверхности клетки. Внутри неё не будет ни эл. стат. поля, ни заряда. Потенциал на поверхности мальчика также будет нулевым и его волосы останутся на месте. Я думаю даже если он возьмёт при этом заземлённый провод в руки, ему ничего от этого не будет. Нет заряда, нет разности потенциалов, нет и тока.

  Т.е. если коротко, то поместив мальчика в клетку, Вы тем самым обнулите его эл. потенциал. Потенциал будет невиден, т.к. его там попросту нет. :-)

  Эффект с разностью потенциалов тоже можно наблюдать. Для этого достаточно поставить рядом с мальчиком ещё один шар, подключенный к другому источнику или просто заземлённому. Стоит теперь мальчику коснуться сразу обоих шаров, он на себе почувствует что такое разность потенциалов (дети, не делайте этого!).

  Эл. потенциал наблюдаем не только через волосы. Есть ещё один красивый эффект - огни святого Эльма или попросту - коронный разряд: http://molniezashitadoma.ru/ogon%20elma.jpg

  Ответить

> красивый эффект с волосами мальчика связан не с потенциалом электрического поля, а с разностью потенциалов между телом мальчика и окружающей средой (по другому - с напряженностью электрического поля)

Напряжённость эл. ст. поля это вовсе не разность потенциалов. ;-)
Это основная характеристика эл. ст. поля, которой характеризуется каждая его точка: https://ru.wikipedia.org/wiki/Напряжённость_электрического_п оля
_______________

Что касается Дмитрия Дьяконова, то его высказывания мне кажутся мягко говоря странными... Возможно он слишком увлёкся своими "кварками" и заметно оторвался от реального мира. :-)

А сколько лет было Бору, когда он спас физику от падения электрона на ядро своим утверждением о том, что падение идет скачками? Потому как орбиты можно поделить на чистые и нечистые!
Таки получилось и поделить!
Сколько лет было Максвеллу, когда он измыслил электромагнитное поле?
И многие ведь понимают - что есть поляризация!
Иногда мне кажется, что нам вбили очень много уважения в слишком раннем возрасте.
Был бы очень благодарен Игорю Иванову, если бы он сделал некий экскурс в возраст великих первооткрывателей.
Иногда мне еще кажется, что физика боится четких формулировок.
Или уклоняется?
....................
Не критиканство, но взвешенность.
Эге?

Ответить

Я верю что закон Авогадро выполняется для всех атомов (всех химических элементов) без исключений.
И я НЕ ЗНАЮ что такое вес одного атома.
В том опыте, который описан, НЕ проведено никакой параллели с условиями "испытаний по Авогадро". А ведь там были разные атомы?
Есть вероятность, что мы пытаемся понять совсем не то, что хотели выяснить экспериментаторы.
........................
и по сколько им лет, кстати?

Ответить

Задача движения планеты Земля относительно Солнца -- это задача трёх магнитов. Два магнита одинаковой полярностью направленных друг на друга -- это Земля в своей плоскости относительно оси Солнца. Солнце -- третий магнит, раскручивающий Землю и другие планеты относительно их осей пропорционально их массам. Эллиптическая орбита Земли указывает на то, что есть ещё какая-то сила, действующая со стороны "зимней" хорды эллипса. Холодные мелкие тела космоса так же движутся не свободно в космосе, у них есть приобретённое ускорение. Данное исследование может только подтверждать, что сила гравитаций планет возникает из-за достаточно нагретых оснований планет. То есть, любая планета Солнечной системы является горячей внутри.
Почему Земля и другие планеты не притянутся к Солнцу вплотную? Система динамическая, а не статическая, оси планет параллельны, поэтому получается много волчков. И смены полюсов у планет не может быть, так как это равносильно сходу с орбиты.

• • Вы считаете, что возможно движение тела, обладающего магнитным полем, имеющего спутник, по инерции бесконечно долго? В таком случае Луны у Земли должно быть две, расположенных симметрично. Поведение гироскопа объясняет момент инерции, и равновесное распределение массы относительно оси вращения. Если на диске волчка разбаланс относительно оси, то он начинает осью описывать спираль. К Земле это также применимо, она имеет один спутник, который должен был бы свести её с орбиты и унести в космос, если бы её движение относительно Солнца объяснялось только механическим моментом инерции. Здесь имеет место магнетизм со стороны Солнца настолько сильный, что способен компенсировать воздействие Луны на Землю.
    Ничем другим, как магнетизмом, объяснить упорядоченное движение планет и их спутников Солнечной Системы нельзя. Мы в виде Солнца имеем как бы статор, являясь ротором, но при этом являемся статором для Луны.

    Ответить

    • Магнитное и электрическое поля экранируются, Амвросий. Точнее - шунтируются. Но сейчас это несущественно.):
      Как Вы представляете пружинные весы с килограммовой гирей после накрывания их магнитным экраном? Стрелка побежит справа налево?
      Мне казалось, что гироскоп замечательный предмет для развития мышления. Даже китайцы так считают.
      Только вдумайтесь. Гироскоп можно свободно перемещать по любой из трех декартовых осей! Если не замечать наклона собственной оси гироскопа в её привязке к какой-то воображаемой базе.
      Например, можно удалять свой мысленный взор от волчка до тех пор, пока он не станет для наблюдателя таким маленьким, что и мыслей не будет возникать провести ось вращения через эту "точку".
      Кстати, Амвросий, у Вас не возникали соображения об осях вращения бесконечно малых точек?
      ............
      И вот, это исключительное свойство гироскопа побудило ученых искать специфическую только для гироскопа природу ЕГО инерции!
      Возможно, это был первый шаг "науки" назад - в будущее метафизики. Первый шаг, не вызвавший иммунного отторжения обществом. (мужики такой печали отродяся не видали)
      ....................
      Прошло сколько-то лет.
      Один гений предположил, что природа инерции материального тела находится не внутри тела, а в окружающем это тело пространстве.
      Этот вывод оказался настолько же прост, насколько и ошеломителен.
      Причем, в качестве модели для изучения природы инерции, гироскоп оказался самым удобным пособием. Ведь в лабораторных установках он легко доступен для наблюдения! В отличие, например, от потока снарядов. Даже если этот поток ограничить стальной трубой.
      Представляете, какой гигантский шаг сделала наука?
      .................
      Ну, да.
      И я не представляю.
      Думайте Амвросий.
      Думайте.

      Ответить

      • «Один гений предположил, что природа инерции материального тела находится не внутри тела, а в окружающем это тело пространстве.»
        Интересно, не о принципе маха Вы пишите?

        Но я о своем. То, что здесь (пост от 20.09.2017 08:05) написал, относится к «пространственной симметрии». (Не ищите этот термин в интернете в том понимании, как я его использую). Там в посте шла речь о 4D случае пространственной симметрии. (Четвертая пространственная координата направлена из точки наружу.) В общем целом направления пространственной симметрии не равноправны. И это можно показать с помощью волчка (гироскопа), для одной координаты. Возьмем числовую ось. Есть направление числовой оси в положительную сторону. И есть в отрицательную. Так вот – эти направления не равноправны. Если двигаться в отрицательную сторону, то на этой оси мы не встретим вещественных чисел, которые равны корень квадратный из координаты этой оси. Отрицательная ось получается разреженной. В пространстве нельзя в явном виде выделить, где положительное направление, а где отрицательное направление. Однако можно их разделить с использованием волчка. Волчек при своем движении в направлении вдоль оси волчка образует винт. Правый и левый. Направление правого винта примем за положительное направление, а левого за отрицательное. В этом случае положительное и отрицательное направления можно разделить. Так вот, в природе существуют процессы, которые чувствуют различие между движением в положительную и отрицательную стороны– или, по-другому, чувствуют разреженность отрицательной оси.

        Вот здесь http://old.сайт/nauchno-populyarnaya_biblioteka/43375 0/Mnogo_vselennykh_iz_nichego в комментарии к статье «Много вселенных из ничего» замечательного писателя фантаста Павла Амнуэля я написал точку зрения на движение матери в нашей вселенной с использованием «пространственной симметрии». Этот комментарий является продолжением поста от 20.09.2017 08:05. Там как раз это по теме обсуждаемой статьи. Мне бы хотелось знать Ваше мнение.

        Ответить

        • К сожалению, пока не нашел Вашего второго комментария к статье по мотивам Амнуэля. А только от 02.09.17. Возможно, я просто не так детерминирован?):
          Там было упоминание Планка (как космического аппарата... человека и парохода...)
          Вообще интересно. Когда я понял, что постоянную своего имени он высчитал элементарно поделив известный результат на формулу Рэлея, я чуть не лопнул от злости. Еще в бурсе я тоже откалывал нечто подобное. Оказывается, не так уж много людей могут видеть соотношение формул не затрудняя себя их точным моделированием. ... Как бы это еще на хлеб намазать?
          ):
          Там вообще интересная история была. Люди измыслили абстракцию абсолютно черного тела, которое не существует в природе.
          Таки она возьми, да и найдись!
          И что?
          Обозвали ученые пространство твердью небесной?
          - Фигушки! Да?
          А просто добавили в него материи, замесив её на энергии.
          Ну, хоть так.

          Еще в той статье предполагается возможность "столкновения вселенных".
          Это проще.
          -----------
          Сейчас я начну со второго "если", а первое упомяну потом.
          Можно?
          Если мы можем выделить две (несколько, сколько угодно) вселенных, то каждая из них должна обладать признаком, феноменологически допускающим таковое выделение.
          Ученые однажды пробовали перечислить такие признаки в тн "теории множеств".
          Мы поступим чуть проще.- Очевидно, что именно феноменологически (с точки зрения удобства описания "столкновения") каждую из вселенных мы можем описать просто как "оболочку перед столкновением".
          ЕСЛИ это так, то наш разум может оперировать
          СТОЛКНОВЕНИЕМ ОБОЛОЧЕК.
          А если это не так, то тот разум, который допустил столкновение вселенных пока что зрел, но недостаточно.

          ЕСЛИ сталкиваются две (несколько) оболочек, то...
          и вот теперь пойдет первое если:
          ЕСЛИ пространство исходных и результирующей оболочек ТРЕХ МЕРНО, то и образуется, в частности, плоскость.
          Например, плоскость эклиптики.
          Каковую мы и сподобились наблюдать.
          Все остальное для меня пока имеет меньшую значимость.

          Уже получается длинно, а еще на прямой вопрос не ответил. Так что прошу прощения заранее.

          Нет, я имел в виду основное положение ОТО.
          Про Маха и его мировой центр я впервые узнал от отца. Еще в школе. Кстати, согласен с Вами. - Идея, сформулированная Эйнштейном "витала в атмосфере", созданной, во многом, именно работами Маха. Жаль, что это не входит в школьную программу.

          Ответить

    Ответить

Ответить

Написать комментарий