Radiometras

Radiometras: prietaisas, kuris paverčia šviesą matomu judesiu

Radiometras yra vienas iš nedaugelio mokslinių prietaisų, galinčių padaryti šviesos energiją matomą plika akimi, be elektronikos ir baterijų. Jį 1873 m. išrado britų fizikas William Crookes; dažniausiai jis atrodo kaip stiklinė kolba, išpūsta daliniame vakuume, kurios viduje keturios dviejų spalvų mentelės laisvai sukasi aplink ašį. Tamsioji ir sidabrinė pusės šviesą sugeria skirtingai: šios šiluminės asimetrijos, siekiančios keletą Kelvino laipsnių, pakanka, kad suktuvai pradėtų suktis. Kuo intensyvesnis šviesos šaltinis, tuo greitesnis sukimasis. Esant 30 cm atstumu esančiai 60 W lempai, suktuvai lengvai pasiekia 1 000–2 000 apsisukimų per minutę.

Priešingai nei manė Crookesas 1873 m., menteles sukasi ne dėl spinduliavimo slėgio. Maxwellas tai įrodė dar 1879 m.: tikrasis mechanizmas yra terminis prakaitavimas, šalutinis reiškinys, vykstantis tarp liekamųjų dujų molekulių ir skirtingos temperatūros paviršių. Šis skirtumas nėra nereikšmingas renkantis prietaisą: pernelyg didelis vakuumas (slėgis mažesnis nei 0,1 Pa) sustabdo sukimąsi, nes nebelieka pakankamai molekulių, kad perduotų impulsą.

Crookeso radiometras, saulės radiometras, piranometras: kuo jie skiriasi?

Terminas „radiometras“ apima labai skirtingus prietaisus, priklausomai nuo konteksto.

Crookeso radiometras: mokomasis ir dekoratyvinis objektas

Tai žinomiausia versija, parduodama kaip biuro dekoracija arba kaip mokymo priemonė, skirta paaiškinti spinduliavimo fiziką. Kolbos skersmuo, priklausomai nuo modelio, svyruoja nuo 6 iki 12 cm. Borosilikatinio stiklo (Pyrex tipo) versijos pasižymi geresniu atsparumu karščiui ir didesniu skaidrumu nei natrio-kalcio stiklo versijos, o tai pagerina judėjimo matomumą. Kai kurie gamintojai siūlo metalizuoto žėručio, o ne aliuminio plokšteles, kurios šiek tiek greičiau reaguoja esant silpnam apšvietimui. Pakankamos kokybės radiometras reaguoja į natūralią šviesą jau nuo 500 liuksų – tai yra, esant debesuotam, bet šviesiam dangui.

Moksliniai radiometrai: piranometras ir pirheliometras

Meteorologijos ir fotovoltinės energetikos srityse saulės radiometras matuoja krintančią spinduliuotę vienetais W/m². Piranometras fiksuoja bendrą pusrutulio spinduliuotę (tiesioginę + išsklaidytą), o pirheliometras matuoja tik tiesioginę normalinę spinduliuotę. Šie prietaisai naudoja termopilę (šilumos srauto jutiklį), kalibruotą pagal ISO 9060 standartus, o A klasės modelių tikslumas yra apie ±2 %. Jie visiškai nepanašūs į Krookso malūną ir skirti profesiniam naudojimui: meteorologinėms stotims, saulės baterijų veikimo stebėjimui, atmosferos fizikos tyrimams.

Kaip pasirinkti radiometrą pagal jo paskirtį

Dekoratyviniam ar mokomajam naudojimui iš tikrųjų svarbūs trys kriterijai:

• Dalinio vakuumo kokybė: netinkamai užsandarinta kolba palaipsniui praranda likutinį vakuumą, sulėtėja, o galiausiai visiškai nustoja veikti. Patikimi gamintojai nurodo vidinį slėgį nuo 1 iki 10 Pa. Be šių duomenų sunku įvertinti, ar vakuumas yra tinkamas.
• Ašies kokybė: rubino (sintetinio korundo) ašis užtikrina minimalų trintį ir žymiai ilgesnį tarnavimo laiką nei standartinė nerūdijančio plieno ašis. Tai reiškia sklandesnį sukimąsi esant silpnam apšvietimui.
• Lemputės skersmuo: 10 cm modelis matomas iš 2–3 metrų atstumo, todėl kaip eksponatas jis yra žymiai efektyvesnis nei 6 cm modelis.

Išsamiam moksliniam ar edukaciniam naudojimui – spinduliavimo kiekybiniam matavimui, šviesos šaltinių palyginimui, vidurinės mokyklos ar profesinio mokymo įstaigų praktiniams darbams – akivaizdžiai geriau tinka radiometras su skaitmenine išvestimi (USB arba RS-232). Šie modeliai leidžia registruoti duomenis ir sudaryti greičio ir apšvietos kreivę, ko vien akimis neįmanoma padaryti tiksliai.

Priežiūra ir tarnavimo laikas: ką reikia žinoti prieš perkant

Crookes radiometras nereikalauja jokios priežiūros. Vienintelė tikroji gedimo priežastis yra dalinis vakuumo praradimas: jei kolba įtrūkusi arba stiklo sandarinimas yra defektuotas, oras palaipsniui patenka į vidų ir sukimasis sustoja per kelias savaites. Tai negrįžtamas procesas. Venkite smūgių, staigių temperatūros svyravimų (nestatykite ant radiatoriaus) ir ilgalaikio buvimo intensyvioje šviesoje kartu su aukšta aplinkos temperatūra. Laikomas normalioje kambario temperatūroje, nuo 15 iki 25 °C, gerai pagamintas radiometras veikia kelis dešimtmečius.

Modeliai su masyviu mediniu arba marmuriniu pagrindu turi praktinį privalumą: jie neapsiverčia net nuo menkiausio oro srauto, todėl sukimosi ašis nepatiria šoninių apkrovų. Tai detalė, kuri retai minimama rinkodaros aprašymuose, tačiau yra svarbi ilgalaikėje perspektyvoje.

Dažnai užduodami klausimai apie radiometrą

Kodėl mano radiometras nebesisuka?

Dažniausia priežastis – dalinio vakuumo praradimas, dažnai dėl smūgio ar mikroplyšio. Jei kolba nepažeista, o sukimasis tiesiog sulėtėjo, pabandykite naudoti galingesnį šviesos šaltinį (halogeninę lempą arba didelio intensyvumo LED lempą, esantį mažiau nei 20 cm atstumu). Jei net esant tiesioginiams saulės spinduliams nieko neįvyksta, vakuumas yra pažeistas.

Ar radiometras veikia dirbtinės šviesos sąlygomis?

Taip, su sąlyga, kad šviesos intensyvumas yra pakankamas. 800 liumenų LED lemputė, esanti 15 cm atstumu, sukelia sukimąsi beveik visuose rinkoje esančiuose modeliuose. Infraraudonųjų spindulių šviesa (halogeninė lemputė, kaitrinė lempa) paprastai yra veiksmingesnė nei lygiavertės galios šaltoji LED lemputė, nes ji sukuria ryškesnį temperatūrų skirtumą ant mentelių.

Kuo skiriasi radiometras nuo solarimetro?

Žodis „solarimetras“ paprastai reiškia piranometrą, t. y. bendro saulės spinduliavimo jutiklį, kurio matavimo vienetas yra W/m². Tai tikslus, kalibruotas matavimo prietaisas, naudojamas meteorologijoje ir saulės energetikoje. Crookes radiometras yra demonstracinis prietaisas: jis parodo šviesos poveikį, bet jo neapskaičiuoja.