Давление ЭМВ. Опыты П.Н. Лебедева, подтверждающие электромагнитную природу света

Согласно теории Максвелла ЭМВ переносят энергию, а, следовательно, и импульс, вследствие чего они должны оказывать давление на поверхность.

Найдем формулу для давления ЭМВ при ее нормальном падении в вакууме на полностью поглощающую ЭМВ поверхность. Как известно давление Р равно отношению усредненной по времени силы давления к площади поверхности S.

Согласно второму закону Ньютона сила давления равна отношению импульса, переданного поверхности электромагнитной волной за промежуток времени Δ t, к этому промежутку времени. Учитывая, что - это объем электромагнитного поля, который поглощается поверхностью за время Δ t, а m и – масса и энергия электромагнитного поля объема , можно получить для давления ЭМВ следующую формулу

,

или в общем случае для поверхности, которая не только поглощает, но и отражает ЭМВ, запишем

, (6.62)

где введен коэффициент отражения R, он учитывает изменение давления ЭМВ на поверхность в случае частичного отражения ЭМВ от нее. При R =1 ЭМВ полностью отражается поверхностью.

Формула (6.62), полученная Максвеллом на основе его теории ЭМВ, была проверена экспериментально в опытах П.Н. Лебедева. Сначала в 1900 г. он определил давление света на твердые тела, а в 1910 г. – на газы.

Прибор Лебедева представлял собой крутильные весы, подвижной частью которых являлся легкий стержень с укрепленными на нем черными и светлыми дисками толщиной от 0, 1 мм до 0, 01 мм (рис. 6.17).

Если послать на такую установку ЭМВ, то тогда стержень будет поворачиваться, так как давление света на светлый диск в два раза превышает давление на черный диск. По углу поворота можно оценить вращающий момент, действующий на систему, и тем самым оценить давление. Угол поворота определяется с большой точностью отклонением по шкале прибора светового зайчика, отраженного от зеркальца. Объемную плотность энергии ЭМВ Лебедев измерял с помощью специального калориметра, он фиксировал повышение температуры калориметра, направляя на него в течение некоторого промежутка времени электромагнитное излучение.

Определяя независимо давление Р света и среднее значение объемной плотности ЭМВ, Лебедев показал справедливость формулы (6.62) и тем самым экспериментально доказал справедливость электромагнитной природы света.

 

Рис. 6.17

Уникальность опытов П.Н. Лебедева можно понять, если оценить давление, которое оказывает идущий от Солнца световой поток Ф (он равен 86 Вт на 1 ) на поверхность Земли

,

что значительно меньше атмосферного давления.

Также оказалось, что в опытах существенное влияние производит радиометрический эффект, в соответствии с которым освещенная сторона черного диска за счет поглощения света имеет более высокую температуру, чем неосвещенная. Вследствие этого скорости молекул вблизи этой стороны будут больше и при столкновениях с ней молекулы будут передавать этой стороне диска бо́ льший импульс. Это создает добавочное давление на черный диск и приводит к искажению результатов опыта. Для устранения этого эффекта опыты проводились в глубоком вакууме, а толщина дисков выбиралась достаточно малой (до 0, 01 мм).

Световое является одной из причин, обуславливающих появление хвостов у комет при значительном приближении их к Солнцу. В кометах из-за малых размеров частиц вещества их отталкивание световым давлением, пропорциональное площади поверхности частиц, превышает их притяжение гравитационным полем Солнца, пропорциональное объему частиц.