Radiometrs

Radiometrs: instruments, kas pārvērš gaismu redzamā kustībā

Radiometrs ir viens no retajiem zinātniskajiem instrumentiem, kas spēj padarīt gaismas enerģiju redzamu ar neapbruņotu aci, neizmantojot elektroniku vai baterijas. To 1873. gadā izgudroja britu fiziķis Viljams Krouks, un visbiežāk tas ir izgatavots kā daļēji vakuumā izpūsta stikla spuldze, kuras iekšienē četras divkrāsainas lāpstiņas brīvi griežas ap asi. Tumšā puse un sudraba puse absorbē gaismu atšķirīgi: šī termiskā asimetrija, kas ir dažu Kelvina grādu apmērā, ir pietiekama, lai izraisītu rotāciju. Jo intensīvāks ir gaismas avots, jo ātrāka ir rotācija. 30 cm attālumā novietotas 60 W spuldzes gaismā lāpstiņas viegli sasniedz 1 000 līdz 2 000 apgriezienus minūtē.

Pretēji tam, ko 1873. gadā domāja Krooks, lāpstiņas griež nevis starojuma spiediens. Maksvels to pierādīja jau 1879. gadā: patiesais mehānisms ir termiskā iztvaikošana, blakus efekts starp atlikušā gāzes molekulām un virsmām ar atšķirīgu temperatūru. Šī atšķirība nav beznozīmīga, izvēloties mērinstrumentu: pārāk liels vakuums (spiediens zemāks par 0,1 Pa) aptur rotāciju, jo vairs nav pietiekami daudz molekulu, lai pārnestu impulsu.

Krooksa radiometrs, saules radiometrs, piranometrs: kādas ir atšķirības?

Termins „radiometrs” atkarībā no konteksta aptver ļoti atšķirīgus instrumentus.

Krooksa radiometrs: izglītojošs un dekoratīvs priekšmets

Tā ir vislabāk pazīstamā versija, ko pārdod kā biroja dekorāciju vai kā mācību līdzekli, lai izskaidrotu starojuma fiziku. Spuldzes diametrs atkarībā no modeļa svārstās no 6 līdz 12 cm. Borosilikāta stikla (Pyrex tipa) versijas izceļas ar labāku termisko izturību un lielāku caurspīdīgumu nekā nātrija-kalcija stikla versijas, kas uzlabo kustības redzamību. Daži ražotāji piedāvā metālizētas vizlas, nevis alumīnija, kas vājā apgaismojumā reaģē nedaudz ātrāk. Kvalitatīvs radiometrs reaģē uz dabisko gaismu jau no 500 luksiem — tas ir, apmākušā, bet gaišā debesīs.

Zinātniskie radiometri: piranometrs un pirheliometrs

Meteoroloģijas un fotovoltāikas jomā saules radiometrs mēra krītošo starojumu vienībās W/m². Piranometrs uztver kopējo puslodes starojumu (tiešo + izkliedēto), bet pirheliometrs mēra tikai tiešo normālo starojumu. Šie instrumenti izmanto termopili (siltuma plūsmas sensoru), kas kalibrēta saskaņā ar ISO 9060 standartiem, ar precizitāti aptuveni ±2 % A klases modeļiem. Tie nekādi neatgādina Krooka vējdzirnavas un ir paredzēti profesionālai lietošanai: meteoroloģiskajās stacijās, saules paneļu veiktspējas uzraudzībā, atmosfēras fizikas pētījumos.

Kā izvēlēties radiometru atbilstoši lietošanas mērķim

Dekoratīvām vai izglītojošām vajadzībām izšķirošus ir trīs kritēriji:

• Daļējā vakuuma kvalitāte: slikti noslēgta ampula pakāpeniski zaudē atlikušo vakuumu, palēninās un beigās pilnībā apstājas. Uzticami ražotāji norāda iekšējo spiedienu diapazonā no 1 līdz 10 Pa. Bez šiem datiem ir grūti noteikt, vai vakuums ir atbilstošs.
• Asi kvalitāte: rubīna (sintētiskais korindons) ass nodrošina minimālu berzi un ievērojami ilgāku kalpošanas laiku nekā standarta nerūsējošā tērauda ass. Tas nodrošina vienmērīgāku rotāciju vājā apgaismojumā.
• Spuldzes diametrs: 10 cm modelis ir redzams no 2 līdz 3 metru attāluma, kas to padara ievērojami efektīvāku kā eksponātu nekā 6 cm modelis.

Padziļinātai izmantošanai zinātniskos vai izglītības nolūkos — starojuma kvantitatīvai mērīšanai, gaismas avotu salīdzināšanai, praktiskajiem darbiem vidusskolā vai profesionālajā augstskolā — ir ievērojami ieteicams izmantot radiometru ar digitālo izeju (USB vai RS-232). Šie modeļi ļauj reģistrēt datus un izveidot ātruma/apgaismojuma līkni, ko ar acīm vien nevar precīzi izdarīt.

Apkope un kalpošanas ilgums: kas jāzina pirms iegādes

Crookes radiometram nav nepieciešama nekāda apkope. Vienīgais reālais bojājuma cēlonis ir daļēja vakuuma zudums: ja spuldze ir plaisājusi vai stikla blīvējums ir bojāts, gaiss pakāpeniski iekļūst iekārtā, un rotācija apstājas dažu nedēļu laikā. Šis process ir neatgriezenisks. Izvairieties no triecieniem, straujām temperatūras svārstībām (nelieciet to uz radiatora) un ilgstošas pakļaušanas intensīvam apgaismojumam apvienojumā ar augstu apkārtējās vides temperatūru. Glabājot normālā istabas temperatūrā, starp 15 un 25 °C, labi izgatavots radiometrs darbojas vairākus gadu desmitus.

Modeļiem ar masīvkoka vai marmora pamatni ir praktiska priekšrocība: tie neapgāžas pat pie vismazākās gaisa plūsmas, tādējādi pasargājot rotācijas asi no sānu slodzēm. Šī ir detaļa, ko mārketinga aprakstos reti piemin, bet kas ir svarīga ilgtermiņā.

Bieži uzdotie jautājumi par radiometru

Kāpēc mans radiometrs vairs negriežas?

Visbiežākā cēlonis ir daļēja vakuuma zudums, kas bieži rodas pēc trieciena vai mikroplaisas veidošanās. Ja spuldze ir neskarta un rotācija vienkārši ir palēninājusies, izmēģiniet izmantot spēcīgāku gaismas avotu (halogēnspuldzi vai augstas intensitātes LED spuldzi, kas atrodas mazāk nekā 20 cm attālumā). Ja nekas nenotiek pat tiešā saules gaismā, vakuums ir bojāts.

Vai radiometrs darbojas mākslīgā apgaismojumā?

Jā, ja vien gaismas intensitāte ir pietiekama. 800 lūmenu LED 15 cm attālumā izraisa rotāciju gandrīz visos tirgū pieejamos modeļos. Infrasarkanais gaismas avots (halogēnā spuldze, kvēlspuldze) parasti ir efektīvāks nekā aukstā LED ar līdzvērtīgu jaudu, jo tas rada izteiktāku temperatūras starpību uz lāpstiņām.

Kāda ir atšķirība starp radiometru un solarimetru?

Vārds „solarimetrs” parasti apzīmē piranometru, proti, kopējā saules starojuma sensoru, kas izsaka rezultātus W/m² vienībās. Tas ir precīzs, kalibrēts mērinstruments, ko izmanto meteoroloģijā un saules enerģētikā. Krooksa radiometrs ir demonstrācijas ierīce: tas parāda gaismas ietekmi, bet to nekvantificē.