Lem Andrew. Фотонный резистивный двигатель

СЛОВО О НЕБЕСНЫХ КОРАБЛЯХ. Глава 2. Двигатели без отброса масс. СКАЧАТЬ КНИГУ

2.5. Фотонный резистивный двигатель

"...или Лазерный двигатель".

Устройство лазера. Несмотря на большое разнообразие типов активных сред, и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.

Активная среда - вещество, в котором создается инверсная заселенность, - может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало ("глухое") отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве "глухого" зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см. ОПТИКА), в качестве полупрозрачного - стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что, лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Система накачки путем накачки создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники - электрическим током.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.

Из рисунка видно, что фотоны частично отражаются от зеркал резонаторов. От полупрозрачного частично, а от "глухого" зеркала почти полностью. При этом свет давит на зеркала резонатора, и возникают две разнонаправленные силы F1и F2. Причем F1 незначительно больше чем F2 (F1>F2). Вследствие того что, проходя через полупрозрачное зеркало фотоны, отражаются от него лишь частично, унося свою кинетическую энергию в пространство. Рис.2.

Отсюда следует вывод, что лазер при излучении луча испытывает определенный обратный силовой эффект. И если лазер разместить в невесомости он будет, стремится к движению под действием силы F1. Но сила эта чрезвычайно мала. И что бы эффективно использовать лазер как двигатель в межпланетном пространстве нужно уменьшить силу F2. И увеличить силу F1.

Можно рассмотреть несколько вариантов первый чисто механический заключается в том, что бы изготовить оба зеркала резонатора "глухими". И механически убирать одно из зеркал, когда между пластинами образуется достаточно мощный лазерный луч. Но делать это надо очень быстро и технически реализовать этот способ довольно сложно. Все-таки свет двигается очень быстро. Поэтому я предлагаю другой второй способ.

Многие знакомы с опытами Лебедева. В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал работать в Московском университете в должности лаборанта. Но у Петра Николаевича был уже большой план научной работы. Основные физические идеи легшие в основу его опытов были напечатаны П.Н. Лебедевым в Москве, в небольшой заметке "Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел". Начиналась она словами: "Максвелл показал, что световой или тепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него давление в направлении падения..." Исследование светового давления стало делом всей, к сожалению короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченная работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света.

Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. (При полном отражении давление будет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку - систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности температур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1- 0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давление света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков, а в 1901 г. в немецком журнале "Анналы физики" была напечатана его работа "Опытное исследование светового давления".

Но мало кто знает, что у этого опыта есть продолжение. Эффект Лебедева при освещении пластин с нанесенным с одной стороны резистом (МЛТ-Резистивный слой. Материал, с большим сопротивлением) плавно переходит в эффект Столетова (Фотоэффект). Это известно всем, но мало кто знает, что при этом исчезает давление света на крыльчатку. И она перестает крутится. Доcтаточно соединить цепи источника с крыльчаткой, и "давление света" улетучивается "со соростью света"... "Давление света вдруг, куда то улетучивается. Объяснения сему эффекту до сих пор никто не дал. Опыт этот провел Александр Комаров (Башилов)(Bushilow@lens.spb.ru)Рис.3

Как можно объяснить исчезновение силы F1? В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия. Это давление, по его мнению, обусловлено силами, действующими со стороны электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля волны на заряды в освещаемом теле.
Пусть свет падает на проводящую (металлическую) пластину. Электрическая составляющая поля волны воздействует на свободные электроны с силой F_эл =q"E, где q - заряд электрона. E - напряженность электрического поля волны. Электроны начинают двигаться со скоростью V (рис.4)

Так как направление Е в волне периодически меняется на противоположное, то и электроны периодически изменяют направление своего движения на противоположное, т.е. совершают вынужденные колебания вдоль направления электрического поля волны.
Магнитная составляющая В электромагнитного поля световой волны действует с силой Лоренца, направление которой в соответствии с правилом левой руки совпадает с направлением распространения света. Когда направления E и B меняются на противоположные, то изменяется и направление скорости электрона, а направление силы Лоренца остается неизменным. Равнодействующая сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое вещества, представляет собой силу, с которой свет давит на поверхность.

Давление света может быть объяснено и на основе квантовых представлений о свете. Как указано выше, фотоны обладают импульсом. При столкновении фотонов с веществом часть фотонов отражается, а часть поглощается. Оба процесса сопровождаются передачей импульса от фотонов к освещаемой поверхности. Согласно второму закону Ньютона, изменение импульса тела означает, что на тело действует сила светового давления F_дав. Отношение модуля этой силы к площади поверхности тела равно давлению света на поверхность: P = F_дав/S (5).

Исходя из этого можно предложить несколько теорий.

Первая теория. Если убрать все свободные электроны в поверхностном слое вещества (пластины) то электромагнитной волне светового спектра не с чем будет взаимодействовать, и давление света сойдет на нет. При этом если следовать логике Максвелла, конечно, они не будут и отражаться. Не от чего будет отражаться. Да сложно доказать, что фотоэффект убирает из проводника электроны. Потом эта теория противоречит квантовым представлениям о свете. Фотон обладает импульсом. Когда фотон поглощается, то в соответствии с законом сохранения импульса, импульс фотона передается телу, поглотившему фотон. Если фотон отражается под прямым углом, то направление его импульса изменяется на противоположное, а телу передается импульс в два раза больший, чем при поглощении. И тут не важно есть кристаллическая диэлектрик это или метал.

Но все равно сформулируем эту теорию. Предположительно свободные электроны под действием ЭДС возникающей благодаря действию электромагнитной волны светового спектра стекают с освещаемой стороны пластины. При этом количество электронов в поверхностном слое крыльчатки уменьшается, и давление света на пластину исчезает.

Вторая теория. Если предположить, что давление света на поверхность, обусловлено исключительно нагреванием освещенного слоя. Атомы поверхности ускоряют частоту колебаний, что и приводит к возникновению момента. Пока существует нарастающий град. температур в пластинке - возникает сила (момент) "от горячего". Обратная задача, то есть отдача при излучении происходит наоборот: поверхностный слой охлаждается, то и тело тянется за собственным излучением. Так должно быть. Этакая антиотдача. Чистая механика.

Но в пластине протекает ток и возникает также частично и эффект Пельтье. (Эффект Пельтье? - процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда). При нагреве поверхности покрытой МЛТ возникает в цепи ток. И тепло при этом перемещается с освещенной поверхности на неосвещенную. А раз давление обусловлено нагревом освещенного слоя. То его интенсивное охлаждение и сводит на нет давление света.

Из этого следует, что мы можем в принципе убрать давление одним лишь охлаждением крыльчатки.

Но главное этот эффект можно использовать для уменьшения силы F2 рис.2. Понятно, что в зависимости от того, какая теория верна, а возможно они и дополняют друг друга, следует и создавать двигатель, использующий этот эффект.

Если верна первая теория. То нужно зеркала резонатора изготовить "глухими". Далее одно из зеркал нужно изготовить из металла, покрыть его МЛТ и подключить в цепь. Но через выключатель. И когда лазерный луч между зеркалами резонатора достигнет максимальной мощности. Замкнуть цепь. При этом в цепи возникнет ток. Начнется отток электронов с поверхностного слоя резонатора и сила F2 исчезнет. А почти вся кинетическая энергия лазерного луча преобразуется в поступательное движение всей лазерной установки. Если конечно лазерный луч достаточно эффективно отразится от включенного в цепь резонатора. Мы получим лазерный двигатель. Рис.5.

Очевидно, что даже если эта теория не верна, то, просто исходя из опыта проведенного Александром Комаровым (Башыловым). Этот двигатель должен заработать.

Если верна вторая теория. То можно просто использовать в качестве резонатора охлаждающий элемент Пельтье. И когда лазерный луч достаточно усилится между резонаторами подать к нему электрический ток. Что приведет к охлаждению одного из резонаторов, а значит и к уменьшению силы F2.Возможно эти две теории взаимосвязаны.

Эпилог

Из всего этого можно сделать очень интересный вывод о том, что силовое действие электромагнитных волн зависит от величины отражения их от поверхности вещества. А степень отражения зависит от количества электронов на поверхности вещества, от которых собственно и отражаются ЭМГ - волны. И чем больше будет электронов в веществе, с которым взаимодействует ЭМГ-волна, тем больше будет и силовое, пандемоторное воздействие ЭМГ-волн на вещество. И на основе этого можно создать силовой реактивный ЭМГ двигатель. В котором рабочим телом будет ЭМГ-волна, а соплом обкладки конденсаторов насыщенные электронами. Недаром же еще в 50-е годы даже направление было такое - приборы измерители мощности СВЧ на базе пандеромоторики - "шторка" из кварца, которая "отклонялась" потоком СВЧ. Это сейчас принят калориметрический (по нагреву нагрузки) способ измерения мощности, а тогда - даже приборы такие со шторками создавались.

-- Портал Естественных Наук

-- Энциклопедия Кругосвет

-- Научная сеть

Автор: Лемешко Андрей.

Комментарии: 37, последний от 29/12/2019. © Copyright Lem Andrew (biomarket@ukr.net) Размещен: 02/06/2007, изменен: 07/05/2020. 17k. Статистика. Статья: Изобретательство Двигатели Иллюстрации/приложения: 6 шт. Скачать FB2		Оценка: *3.424** Ваша оценка:
Аннотация: Новая версия статьи посвященной лазерному маршевому двигателю для межпланетных кораблей.

Lem Andrew : другие произведения.

Фотонный резистивный двигатель