Gyorskeresés

Fénymalom 7608

Közismert játék/dekoráció a fénymalom, amit Crookes-féle radiométermek (sugártásmérőnek, fénymérőnek) is hívnak, hiszen a fényerő növelésétől egyre gyorsabban forog. Ablakba téve napsütésben az élet szüntelen körforgását szimbolizálja, elhozva a kiábrándult emberiségnek a reménysugarat, hogy lesz még holnap:

Nemcsak napfénytől, de már egy 10-20 mW-os lézertől is elkezd forogni:

Illetve egy gyertyától is:

Itt szépen látszik, hogy bár mindkét fénymalom kb. azonos távolságra van a gyertyától, de az üvegbúra alatt lévő gyorsabban forog. Ennnek az a magyarázata, hogy a búrából a gyártás során kiszivattyúzták a levegő nagy részét, így a forgó lapátkereket lassító légellenállás benne sokkal kisebb, mint a szoba levegőjében forgó (búra nélküli fénymalom) esetében.

De mitől is forog a fénymalom? Már Arisztotelész arra tanított minket, hogy éles szemmel figyeljük meg a dolgokat, és akkor felfedezhetjük az összefüggéseket. Az első ránézésre feltűnik a fénymalmokat figyelve, hogy a lapátaik egyik oldala mindig mattfekete, a másik viszont tükröző, fényesen csillogó (alufóliaszerű). 

Sokszor úgy szokás magyarázni a működését, hogy a mattfekete lapok elnyelik a fényt, ezáltal "átveszik" annak lendületét, ahogy egy ember átveszi a testébe hatoló, abban elnyelődő puskagolyó lendületét, és emiatt hátralendül, amikor belelőnek. Ezért a fénymalom olyan irányban jön forgásba, hogy a lapok mattfekete oldala távolodjon a fényforrástól.

Ez a magyarázat ugyan összhangban van a látottakkal (tényleg ilyen irányba forog a készülék), így nagyon sokan ezzel el is intézik a fénymalom működésének magyarázatát, de ez az érvelés téves. Ugyanis nemcsak az a fény ad lendületet a lapnak, ami elnyelődik a lapon, hanem az is, ami visszaverődik a lapról. Méghozzá a visszaverődő fény 2-szer nagyobb lendületet ad a lapnak, mint az elnyelődő fény. Miért 2-szer akkorát? Mert a visszaverődő fény lendülete az ellenkezőjére változik, ehhez (képzeletben) először az eredetiről nullára kell csökkennie, majd még egyszer ugyanekkora változással az ellentétes irányúra növekednie. Mint amikor \(+5\ {}^\circ C\)-ról \(-5\ {}^\circ C\)-ra változik a hőmérséklet, olyankor a változás \(2\cdot \left(-5\ {}^\circ C\right)=-10\ {}^\circ C\). Márpedig ha a fény lendülete megváltozik, akkor a lapát lendülete is meg kell változzon (méghozzá ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú változással), hiszen zárt rendszer összes lendülete állandó. Másképp fogalmazva: a fény lendülete amiatt változhat meg, mert valaki (a lap) erőt fejt ki rá, márpedig Newton III. törvénye szerint ilyenkor a fény is ugyanekkora, de ellentétes irányú erővel kell hogy hasson a lapra. Tehát a fényes, tükröző lap 2-szer akkora lendületváltozást szenved el, mint a mattfekete. Ez alapján (pusztán a fény által a lapoknak átadott lendületeket vizsgálva) a fénymalomnak úgy kellene forognia, hogy a fényes lapok távolodjanak a fényforrástól, de hát látjuk, hogy nem ezt teszik.

Mi lehet a kiút?

Talán hiba van az iménti gondolatmenetünkben? Nincsen, ez így rendben van. A magyarázat az, hogy van egy olyan effektus, amit eddig nem vettünk figyelembe, és az erősebb, mint az imént tárgyalt "a fény lendületet ad a lapoknak" effektus. A fénymalom üvegbúrája, bár vákuumszivattyúval "le van szívva", hogy a forgó lapátokra ható légellenállás kicsi legyen, acélból, hogy jól be tudjon pörögni a fényben (emiatt van az is, hogy tűállványra függesztik, hogy a felfüggesztésnél kicsi legyen a súrlódás, ne lassítsa a pürgést, hisz az a cél, hogy látványosan forogjon), de az üvegbúrában lévő vákuum nem tökéletes. Vagyis a lapok körül a búrában van egy kevés (kis nyomású) levegő. Amikor a fényes lapról a fény visszaverődik, akkor a lap nem nyeli el a fény energiáját, így a lap hőmérséklete nem növekszik meg. Ezzel szemben a mattfekete lap hőmérséklete megnövekszik, miközben elnyeli a fényt. A lap nagyobb hőmérséklete azzal jár, hogy a lap atomjai/molekulái nagyobb sebességgel végzik a hőmozgásukat, azaz a kristályrácsban a rezgőmozgásukat. Amikor a búrában lévő, szüntelenül repkedő gázmolekulák nekiütköznek egy lapnak, akkor a lap atomja/molekulája a saját rezgési sebessége miatt valamekkora "pofont ad" a gázmolekulának. A nagyobb hőmérsékletű lap (az intenzívebben rezgő részecskéi miatt) nagyobb pofont ad a nekiütköző gázmolekulának, vagyis nagyobb lendületet ad át neki. Newton III. törvénye alapján ő is pont ekkora nagy pofont kap a gázmolekulától, vagyis a melegebb lap jobban hátralökődése is nagyobb esz, mint a hidegebb lapé. Ez az effektus erősebb, mint a fent tárgyalt, a fény által átadott lendületen alapuló, így ez fog dominálni, ez határozza meg a forgás irányát.

Ha egy komoly vákuumgépben szinte teljesen eltüntetnénk a fénymalom körüli gázmolekulákat, akkor a fénymalom a szokásoshoz képest ellentétes irányba forogna, már ha a fény pici lendülete egyáltalán képes lenne forgásba hozni a tűállványnál ébredő súrlódás ellenében a szerkezetet.

Tehát igazából nem is jó a fénymalom elnevezés, hiszen a fénymalom nemcsak látható fénytől jön forgásba, hanem a láthatatlan infravörös sugaraktól is, hiszen azok is elnyelődnek, és felmelegítik a lapok fekete oldalát. Nem is olyan hülyék, akik radiométernek, sugárzásmérőnek hívják.

Típus: