Tlak elektromagnetskog zračenja

Tlak elektromagnetskog zračenja ili tlak svetlosti je tlak koji pritišće površinu izloženu elektromagnetskom zračenju. Svetlost vrši fizički pritisak na predmete na svom putu. Ovaj fenomen se može izvesti iz Maksvelovih jednačina, mada se može jednostavnije objasniti čestičnom prirodom svetlosti: fotoni se sudaraju sa materijom i prenose svoj momenat.

Komet Hale-Bopp: utjecaji tlaka elektromagnetskog zračenja i sunčevog vjetra na repove prašine i plina jasno se vide.

Sunčeva jedrilica je predlagan oblik pogona svemirskih letjelica, gdje bi tlak elektromagnetskog zračenja Sunca služio za pogon

Ako ga površina upije, onda je tlak svetlosti jednak snazi svetlosnog zraka podeljenoj sa c, brzinom svetlosti.  Ako je zračenje potpuno odbijeno (reflektirano), onda je tlak elektromagnetskog zračenja dvostruk. Tako na primjer, Sunčevo zračenje ima snagu 1370 W/m², pa je onda tlak elektromagnetskog zračenja 4,6 x 10⁻⁶ Pa (upijeno).

Usled velike magnitude brzine c, efekat pritiska svetlosti je zanemarljiv u kontekstu svakodnevnih objekata.  Na primer, laserski pointer snage jednog milivata vrši silu od oko 3,3 piko njutna na osvetljeni objekat; stoga je u principu moguće podignuti novčič od jedne US cente pomoću laserskih pointera, ali je za to neophodno upotrebiti oko 30 milijardi pointera snage 1 mW.^[1]  Za razliku od toga, u aplikacijama na nanometarskoj skali, kao što su nanoelektromehanički sistemi (NEMS), efekat pritiska svetla može da bude značajan, i stoga se istražuje moguća eksploatacija pritiska svetlosti kao pogonske sile NEMS mehanizama i fizičkih prekidača nanometarske veličine u integrisanim kolima.^[2]

Na većim razmerama, pritisak svetlosti može da uzrokuje ubrzavanje obrtanja asteroida,^[3] putem delovanja na njihove iregularne oblike poput lopatica na vetrenjači.  Mogućnost pravljenja solarnih jedara koja bi pokretala svemirske brodove se takođe istražuje.^[4][5]

Otkriće

Svetlosni pritisak je prvi opisao J. Kepler (1619.) tumačeći zašto je rep kometa uvijek usmjeren poprečno (radijalno) od Sunca.^[6] Efekat da elektromagnetsko zračenje vrši tlak na izloženu površinu je teoretski predvidio James Clerk Maxwell 1871. Ruski fizičar P. N. Lebedev prvi je pokusom dokazao postojanje postojanje tlaka zračenja (1899.) i izmjerio njegovo djelovanje na molekule plina (1909.),^[6] a potom i drugi znanstvenici.^[7] Tlak je jako slab, ali se može otkriti sa osjetljivim i uravnoteženim vjetrokazom, koji se sastoji od reflektivnog metala u Nicholsovom radiometru.

Mada je kretanje Kruksovog radiometra originalno pripisivano pritisku svetlosti, ta interpretacija nije korektna; karakteristična Kruksova rotacija je posledica nepotpunog vakuuma.^[8] S druge strane, kod Nikolsovog radiometra gde je je blago pomeranje uzrokovano momentom (mada je to nedovoljno za potpunu rotaciju uz prevladavanje sile trenja) je direktna posledica pritiska svetlosti.^[9]

Osnove formule

Kod toplinskog zračenja crnog tijela, kada je u ravnoteži sa ozračenom površinom, gustoća energije je prema Stefan-Boltzmannovom zakonu jednaka to 4σT⁴/c; gdje je 'σ - Stefan-Boltzmannova konstanta, c je brzina svjetlosti u vakuumu i T je apsolutna temperatura.

Tlak u međuplanetarnom prostoru

Tlak elektromagnetskog zračenja je oko 4,6 x 10⁻⁶ Pa, na udaljenosti Zemlje od Sunca i smanjuje se kvadratom udaljenosti od Sunca. Iako je taj tlak vrlo malen u usporedbi sa kemijskim raketnim pogonima, on se ipak može primjeniti i nije potrebno gorivo. Ako bi se primjenio na putovanju od Zemlje do Plutona, trebalo bi samo 25 – 50 % više vremena od kemijskih svemirskih letjelica.

Tablica tlaka elektromagnetskog zračenja

AJ = Astronomska jedinica	µPa (µN/m²)	N/km²	lbf/mi²
0,10 AJ = Blizu Sunca	915	915	526
0,46 AJ = Merkur	43,3	43,3	24,9
0.72 AJ = Venera	17,7	17,7	10,2
1,00 AJ = Zemlja	9,15	9,15	5,26
1,52 AJ = Mars	3,96	3,96	2,28
5,22 AJ = Jupiter	0,34	0,34	0,19

Tablica pokazuje da je sila ubrzanja dosta velika u blizini Sunca, a u blizini Jupitera vrlo slaba. Većina sondi koje su putovale u blizinu Sunca su bile gurane prema vani zbog tog tlaka. Osim toga, smatra se da je tlaka elektromagnetskog zračenja dosta utjecao na razvoj vanjskih prstenova na Saturnu.

Iznos tlaka elektromagnetskog zračenja

Prosječni iznos elektromagnetskog zračenja ${\displaystyle \langle \mathbf {S} \rangle }$ na neku površinu, podijeljen sa brzinom svjetla daje iznos tlaka elektromagnetskog zračenja:

${\displaystyle P_{rad}={\frac {\langle S\rangle }{c}}}$

U unutrašnjosti zvijezda

U jezgri zvijezda superdivova je temperature oko 1 GK, pa tlaka elektromagnetskog zračenja je prilično značajan za oblikovanje zvijezda.^[10]

Sunčeva jedrilica

Sunčeva jedrilica je predlagan oblik pogona svemirskih letjelica, gdje bi tlak elektromagnetskog zračenja Sunca, služio za pogon. Ideju je predlagao ruski znanstvenik Friedrich Zander 1924. Svemirska letjelica Cosmos 1 je trebala koristiti taj pogon. Japanska svemirska agencija JAXA je uspjela razviti Sunčevo jedro i koristila ga je na letjelici IKAROS.

Izvori

1. Tang, Hong (1 October 2009). „May The Force of Light Be With You”. IEEE Spectrum 46 (10): 46–51. DOI:10.1109/MSPEC.2009.5268000.
2. See, for example, nano-opto-mechanical systems research at Yale University.
3. Kathy A. (2004-02-05). „Asteroids Get Spun By the Sun”. Discover Magazine.
4. „Solar Sails Could Send Spacecraft 'Sailing' Through Space”. NASA. 2004-08-31. Arhivirano iz originala na datum 2012-10-21. Pristupljeno 2020-08-25.
5. „NASA team successfully deploys two solar sail systems”. NASA. 2004-08-09. Arhivirano iz originala na datum 2012-06-14. Pristupljeno 2020-08-25.
6. radijacijski tlak (svjetlosni tlak), "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.
7. P. Lebedev, 1901, "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes", Annalen der Physik, 1901
8. P. Lebedev, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes, Ann. Phys. 6, 433 (1901).
9. Nichols, E.F; Hull, G.F. (1903). „The Pressure due to Radiation”. The Astrophysical Journal 17 (5): 315–351. Bibcode 1903ApJ....17..315N. DOI:10.1086/141035.
10. Dale A. Ostlie i Bradley W. Carroll, An Introduction to Modern Astrophysics (2. izd.), Pearson, San Francisco, 2007, str. 341.

Povezano

• Svetlost
• Elektromagnetsko zračenje