Demonstrační experiment pro výuku využívající Crookesův radiometr

Transkript

1 David Černý TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ , který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Cíle práce: příprava podrobné rešerše na téma radiometr se zaměřením na radiometr Crookesův kritické zhodnocení využití radiometru k měření tlaku záření rozšíření přípravku o zdroj s regulovatelnou intenzitou, alternativní zdroj světla s dominantní infračervenou složkou příprava demonstračního experimentu s kompletní dokumentací, která podrobně popisuje funkci radiometru a veličiny, které je jimi možné měřit, nebo na nich demonstrovat

3 Rešerše: Sir William Crookes ( ) Významný chemik, fyzik a spiritualista 1861 objev nového prvku Thalium (Tl) 1873 Objev Crookesova radiometru 1879 identifikoval čtvrté skupenství hmoty -plazmu 1895 první známý vzorek hélia 1903 Spintariskop studium radioaktivity Spintariskop Thalium Crookesova trubice

4 Radiometry: Nicholsův radiometr vynalezen roku 1901 E.F.Nicholsnem a G.F.Hullem přesná konstrukce regulovatelný tlak možnost vytvořit vakuum stříbrné zrcátka měří tlak dopadajícího záření na zrcátka Mikrovlnný radiometr (MWR) funguje na frekvencích GHz (mikrovlny) měření atmosférického a pozemního záření součást vybavení družic, kosmických lodí MEMS radiometr mikroelektromechanický radiometr vyráběný pomocí nanotechnologie velikost 0,001 0,1 mm měří skutečný tlak dopadajícího záření

5 Crookesův radiometr objeven roku 1873 Williamem Crookesem náhodný objev při vážení velmi malých vzorků patentován pod číslem 182,172. někdy nazýván jako sluneční mlýnek mnoho mylných informací Konstrukce 1. otočná část jehlového ložiska 2. lopatky radiometru 3. jehlové ložisko 4. uchycení ložiska 5. skleněná baňka 6. uzávěr baňky 7. podstavec

6 Princip funkce Crookesova radiometru: Historický přístup William Crookes Domníval se, že lopatkami otáčí tlak dopadajícího záření. J. C. Maxwell Roku 1876 vyjádřil teorii, ve které popsal působení síly na okrajích lopatek. O. Raynolds a G. Hettner Popsali závislost proudění tepla na gradientu teploty a výslednou sílu působící proti směru teplotního gradientu. A. Einstein Roku 1824 v rámci svého studia fotoelektrického jevu popis celé plochy na lopatce radiometru. Nesprávné principy - tlak plynu, proudění vzduchu, tlak záření, fotoelektrický jev - mnoho mylných principů napříč různými zdroji

7 Měření tlaku záření pomocí Crookesova radiometru: Pomocí jednoduchého příkladu výpočet tlaku dopadajícího záření, zdrojem záření je Slunce: - přepočet na plochu jedné lopatky Teorii o tlaku záření, lze jednoduše vyvrátit pomocí jednoduchého myšlenkového experimentu. Stačí se zaměřit na odraz fotonů od světlejší strany lopatky a na tmavé straně by byly pohlcovány. Radiometr by se tedy točil světlejší stranou napřed, ve skutečnosti tomu tak není. => Pomocí Crookesova radiometru nemůžeme měřit tlak záření!

8 Skutečný princip funkce Crookesova radiometru: Základem principu funkce jsou odlišné barvy na jednotlivých stranách lopatek. Absorbční schopnosti jednotlivých stran se liší. - vytvoření gradientu teploty, dlouhá střední volná dráha -> molekuly se nemohou vzájemně srážet v prostoru baňky radiometru - hromadění molekul u chladnější strany, jev podobný tepelné transpiraci - molekuly proudí podél hran lopatky ve směru působení tepelného toku, srážky molekul s teplejší stranou lopatky, srážky vyvolají pohyb lopatky teplejší stranou napřed - síla působí na ploše určené A.Einsteinem, na okrajích lopatky

9 Stávající přípravek: Podoba stávajícího přípravku Materiál přípravku: dýhovaná dřevotříska - dvoudílná konstrukce - polohovatelný zdroj světla Rozměry: A = 40cm B = 13cm C = 14cm D = 28cm E = 13cm

10 Rozšíření stávajícího přípravku: Triakový regulátor výkonu - napájení 230V AC - max. regulovatelný proud 12A - max. proud bez použití chladiče 3A - regulace bez zpětné vazby Alternativní zdroj záření s dominantní infračervenou složkou - infračervená žárovka - EXO terra heat glo 50W - možnost regulace

11 Prezentace celého experimentu: přípravek s klasickou žárovkou (40W)

12 Příprava experimentu, dokumentace, podmínky: sestavení experimentu světelné podmínky bezpečnostní opatření údržba přípravku obsluha změřeny otáčky radiometru možnost vytvoření laboratorní úlohy

13 Děkuji za pozornost

14 Otázky vedoucího bakalářské práce: Jaký je mechanismus přenosu tepla na lopatky radiometru, když víme, že běžné sklo je pro infračervené záření téměř neprostupné? Infračervené světlo ohřívá celou baňku radiometru a tím i zředěný vzduch uvnitř. Jak vyplývá z práce, princip Crookesova radiometru nemá nic společného se Jak vyplývá z práce, princip Crookesova radiometru nemá nic společného se zářením ale s jeho tepelnými účinky působícími na celý radiometr. Pří experimentu se proto uplatňuje ohřev celé baňky radiometru a jejího okolí, nikoliv dopad záření na lopatky radiometru. Navzdory skutečnému principu otáčení lopatek je Crookesův radiometr někdy nazýván jako sluneční mlýnek, což vede ke scestným teoriím popsaných v práci (kapitola 3).

15 Napadají vás ještě jiné další metody kromě již použité žárovky a IR žárovky, kterými by bylo možné uvést lopatky radiometru do pohybu? Zcela jistě ano, mimo již použité žárovky by zajisté šlo využít k roztočení lopatek radiometru například horkovzdušnou pistoli nebo obyčejný vysoušeč vlasů. Pro jednoduchou verzi experimentu stačí baňku radiometru uchopit do dlaní, lopatky radiometru se vlivem tělesné teploty začnou otáčet. Během přípravy experimentu, jsem vyzkoušel umístit radiometr do vyhřáté trouby, lopatky radiometru se také roztočily.

16 Otázky oponenta bakalářské práce: Při provádění a prezentaci experimentu je přednášející odkázán jen na vizuální vyhodnocení míry a vlivu tepelné transpirace. Je dle Vás možné rozšířit přípravek o měřicí nástroj? Lze poté alespoň poměrnou metodou určit míru tepelné transpirace? Přípravek lze rozšířit o měřící nástroj, jediným problémem je vyřešení snímání otáček lopatek radiometru. V rámci práce jsem vyzkoušel naměřit otáčky radiometru pomocí jednoduché fotozávory. Míru tepelné transpirace nelze určit poměrnou metodou, protože tepelná transpirace není jedinou příčinou otáčení lopatek radiometru.

17 Naměřené hodnoty zarovka 40W infra zarovka 100W Otáčky radiometru (ot/min) Vstupní napětí U (V)