Световое давление

Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.

История

Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались поворотные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провел более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией^[1].

Физический смысл

Согласно сегодняшним представлениям, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть проявляет свойства частиц (фотонов) и свойства волн (электромагнитного излучения).

Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление. Такое давление иногда называют радиационным давлением.

Для вычисления давления света можно воспользоваться следующей формулой:

$p = \frac{W}{c} (1 + \rho),$

где $W\,\!$ — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с; $c\,\!$ — скорость света, $\rho\,\!$ — коэффициент отражения.

Если свет падает под углом $\theta\,$ к нормали, то давление можно выразить формулой:

$\vec p = w (\vec i - \rho\, \vec {i'}) \cos \theta,$

где $w\,$ — объёмная плотность энергии излучения, $\rho\,$ — коэффициент отражения, $\vec i$ — единичный вектор направления падающего пучка, $\vec {i'}$ — единичный вектор направления отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

${f{\tau}}\, = w (\sin \theta - \rho \sin \theta) \cos \theta = w (1 - \rho) {\sin \theta} {\cos \theta}.$

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

${f{n}}\, = w (\cos \theta - \rho (- \cos \theta)) \cos \theta = w (1 + \rho) \cos^2 \theta.$

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

$\frac{f{n}}{f{\tau}} = \frac{1 + \rho}{1 - \rho} ctg \theta.$

Применение

Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов^[1].

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Давление света // Физическая энциклопедия. — М., «Советская энциклопедия», 1988. — Т. 1. — С. 553-554.

См. также

• Давление звукового излучения

Литература

• Lebedew P., Untersuchungen liber die Dnickkräfte des Lichtes, «Annalen der Physik», 1901, fasc. 4, Bd 6, S. 433—458;
• Лебедев П. Н., Избр. соч., М. — Л., 1949
• Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957;