크룩스 방사계

크룩스 방사계(Crookes radiometer) 또는 빛 수차는 스핀들에 장착된 날개가 내부에 있는 부분 진공 상태의 밀폐된 유리 전구로 구성된다. 날개는 빛에 노출되면 회전하며, 빛의 강도가 강할수록 더 빠르게 회전하여 전자기파 강도를 정량적으로 측정할 수 있다.

회전의 원인은 장치 발명 후 10년 동안 많은 과학 논쟁의 원인이었지만, 1879년에 현재 통용되는 회전 설명이 발표되었다. 오늘날 이 장치는 주로 물리학 교육에서 빛 에너지로 작동하는 열기관 시연에 사용된다.

이 장치는 1873년 화학자 윌리엄 크룩스 경이 일부 화학 연구의 부산물로 발명했다. 매우 정확한 정량 화학 작업 과정에서 그는 공기 흐름의 영향을 줄이기 위해 부분적으로 진공 상태인 챔버에서 샘플을 측정하고 있었는데, 햇빛이 저울에 비추면 측정이 방해받는다는 것을 알게 되었다. 이 효과를 조사하면서 그는 자신의 이름을 딴 장치를 만들었다.

이 장치는 여전히 교육 보조재 또는 호기심을 위해 제조 및 판매되고 있다.

 일반적인 설명 
방사계는 공기가 많이 제거되어 부분 진공이 형성된 유리 전구로 만들어진다. 전구 내부에는 마찰이 적은 스핀들 위에 축 주위에 동일한 간격으로 배치된 여러 개의(보통 4개) 수직 경량 날개가 있는 로터가 있다. 날개는 한쪽은 광택 처리되거나 흰색이고 다른 쪽은 검은색이다.

햇빛, 인공 조명 또는 적외선 복사(심지어 근처 손의 열만으로도 충분함)에 노출되면 날개는 명백한 동력 없이 회전하며, 어두운 면은 복사원으로부터 물러나고 밝은 면은 전진한다.

방사계 외부를 빠르게 냉각하면 반대 방향으로 회전한다.

 효과 관찰 
효과는 수백 파스칼 (또는 수 토르)의 부분 진공 압력에서 관찰되기 시작하여  주변에서 최고조에 달하며 진공이 에 도달할 때 사라진다 (설명 참조 주석 1). 이러한 매우 높은 진공에서는 광자 복사압이 날개에 미치는 효과를 매우 민감한 장치(참조: 니콜스 방사계)에서 관찰할 수 있지만, 이는 회전을 유발하기에 불충분하다.

 이름의 유래 
제목의 접두사 "radio-"는 라틴어 radius(광선)의 결합형에서 유래했으며, 여기서는 전자기파를 나타낸다. 크룩스 방사계는 제목의 접미사 "-meter"와 일치하게 전자기파 강도를 정량적으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 시각적 수단(예: 간단한 스트로보스코프로 작동하는 회전 슬롯 디스크)을 사용하여 측정 자체를 방해하지 않고 수행할 수 있다.

 열역학적 설명 
섬네일|280px|right|불을 켜고 끌 때 작동 중인 크룩스 방사계. (클립 캡션에 제공된 설명은 현대의 설명과 일치하지 않음에 유의하십시오.)

 흡수에 의한 움직임 
복사 에너지원이 크룩스 방사계에 향하면 방사계는 열기관이 된다. 열기관의 작동은 기계적 출력으로 변환되는 온도 차이에 기반한다. 이 경우 날개의 검은색 면은 다른 면보다 더 뜨거워지는데, 이는 광원으로부터 오는 복사 에너지가 은색 또는 흰색 면보다 흡수를 통해 검은색 면을 더 빠르게 가열하기 때문이다. 내부 공기 분자는 날개의 검은색 면에 닿을 때 가열된다. 날개의 더 따뜻한 면은 힘을 받는다는 점이 날개를 앞으로 움직인다.

검은 날개가 공기 분자에 열을 가하면서 내부 온도는 상승하지만, 분자는 주변 온도에 있는 전구의 유리 표면에 닿으면 다시 냉각된다. 유리창을 통한 이러한 열 손실은 내부 전구 온도를 일정하게 유지하여 날개 양쪽에 온도 차이가 발생한다. 날개의 흰색 또는 은색 면은 내부 공기 온도보다 약간 따뜻하지만 검은색 면보다는 차갑다. 일부 열이 검은색 면에서 날개를 통해 전도되기 때문이다. 날개의 양면은 광택 처리되거나 흰색 면이 검은색 면의 온도에 즉시 도달하지 않도록 어느 정도 단열되어야 한다. 날개가 금속으로 만들어진 경우 검은색 또는 흰색 페인트가 단열재 역할을 할 수 있다. 유리는 날개 검은색 면이 도달하는 온도보다 주변 온도에 훨씬 가깝게 유지된다. 외부 공기는 유리로부터 열을 멀리 이동시키는 데 도움이 된다.

전구 내부의 기압은 너무 낮지도 높지도 않은 균형을 이루어야 한다. 전구 내부의 강한 진공은 움직임을 허용하지 않는데, 이는 날개를 추진하고 날개 재료를 통한 열 전도로 날개 양면이 열평형에 도달하기 전에 외부로 열을 전달할 공기 분자가 충분하지 않기 때문이다. 높은 내부 압력은 움직임을 방해하는데, 이는 온도 차이가 더 높은 농도의 공기를 통해 날개를 밀어낼 만큼 충분하지 않기 때문이다. 즉, "와류"가 발생하기에는 공기 저항이 너무 크고, 온도 차이로 인한 미세한 공기 움직임은 전류가 다른 쪽으로 "감싸지기" 전에 더 높은 압력에 의해 감쇠된다.

 복사에 의한 움직임 
광원이 없는 상태에서 방사계가 가열되면 정방향(즉, 검은색 면이 뒤로 가는 방향)으로 회전한다. 사람이 유리를 만지지 않고 손을 유리 주위에 놓으면 날개는 천천히 회전하거나 전혀 회전하지 않지만, 유리를 만져 빠르게 가열하면 더 눈에 띄게 회전한다. 직접 가열된 유리는 날개를 회전시킬 만큼 충분한 적외선 복사를 방출하지만, 유리는 접촉하지 않는 열원으로부터 오는 많은 원적외선을 차단한다. 그러나 근적외선과 가시광선은 유리를 더 쉽게 통과한다.

강한 광원이 없는 상태에서 얼음을 유리 위에 놓거나 문을 거의 닫은 채 냉동고에 넣어 유리를 빠르게 냉각하면 역방향(즉, 은색 면이 뒤로 가는 방향)으로 회전한다. 이는 흡수보다는 날개 검은색 면에서 나오는 복사를 보여준다. 바퀴는 검은색 면과 주변 환경 사이의 순 열 교환으로 인해 초기에는 흰색 면보다 검은색 면이 더 빠르게 냉각되기 때문에 역회전한다. 일반적으로 1~2분 후에 평형에 도달하면 역회전은 멈춘다. 이는 하루 종일 정방향 회전을 유지할 수 있는 햇빛과는 대조적이다.

 날개에 가해지는 힘에 대한 설명 
오랜 세월 동안 크룩스 방사계가 어떻게 작동하는지 설명하려는 많은 시도가 있었다.

 잘못된 이론 
크룩스는 이 힘이 빛의 압력 때문이라고 잘못 제안했다.. 이 이론은 원래 이 힘을 예측했던 제임스 클러크 맥스웰이 지지했다. 이 설명은 여전히 장치와 함께 포장된 전단지에서 자주 볼 수 있다. 이 이론을 시험하기 위한 첫 번째 실험은 1876년 아서 슈스터에 의해 이루어졌는데, 그는 크룩스 방사계의 유리 전구에 날개 회전과 반대 방향으로 힘이 작용하는 것을 관찰했다. 이는 날개를 회전시키는 힘이 방사계 내부에서 발생한다는 것을 보여주었다. 빛의 압력이 회전의 원인이라면 전구 내부의 진공이 좋을수록 움직임에 대한 공기 저항이 줄어들고 날개가 더 빠르게 회전해야 한다. 1901년, 더 나은 진공펌프를 사용하여 표트르 레베데프는 사실 방사계는 전구 안에 저압 가스가 있을 때만 작동하며, 강한 진공에서는 날개가 움직이지 않는다는 것을 보여주었다. 마지막으로, 빛의 압력이 동력이라면 방사계는 반대 방향으로 회전할 것이다. 왜냐하면 반사되는 광택 있는 면의 광자는 광자가 흡수되는 검은색 면보다 더 많은 운동량을 전달할 것이기 때문이다. 이는 운동량 보존 법칙에 따른 것으로, 빛나는 면에서 반사되어 나가는 광자의 운동량은 이를 반사한 날개에 작용하는 반작용과 일치해야 한다. 빛이 가하는 실제 압력은 이 날개들을 움직이기에는 너무 작지만, 니콜스 방사계와 같은 장치로 측정할 수 있다. 사실 빛이 없는 상태에서 열을 가하거나 차가운 환경(냉동고 등)에 놓으면 검은색 면이 열복사로 인해 흰색 면보다 차가워지면서 방사계를 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.

또 다른 잘못된 이론은 어두운 면의 열이 물질을 탈기시켜 방사계를 돌게 한다는 것이었다. 이는 나중에 슈스터의 실험(1876년)과 레베데프의 실험(1901년) 모두에 의해 효과적으로 반증되었다.

 부분적으로 올바른 이론 
부분적인 설명은 날개의 더 따뜻한 면에 부딪히는 가스 분자가 열의 일부를 흡수하여 속도가 증가한 채로 날개에서 튕겨 나간다는 것이다. 분자에 이러한 추가적인 추진력을 부여하는 것은 날개에 미세한 압력이 가해진다는 것을 효과적으로 의미한다. 더 따뜻한 검은색 면과 더 차가운 은색 면 사이의 이러한 효과의 불균형은 날개에 가해지는 순 압력이 검은색 면에 대한 밀어내기와 같다는 것을 의미하며, 그 결과 날개는 검은색 면이 뒤로 가면서 회전한다. 이 아이디어의 문제는 더 빠르게 움직이는 분자가 더 많은 힘을 생성하는 동안, 다른 분자가 날개에 도달하는 것을 더 잘 막는다는 것이므로 날개에 가해지는 순 힘은 동일해야 한다는 것이다. 더 높은 온도는 국부 밀도를 감소시켜 양쪽에 동일한 힘을 가한다. 이 설명이 기각된 지 몇 년 후, 알베르트 아인슈타인은 날개 가장자리의 온도 차이 때문에 두 압력이 정확히 상쇄되지 않는다는 것을 보여주었다. 아인슈타인이 예측한 힘은 날개를 움직이기에 충분했지만, 충분히 빠르지는 않았다.

 현재 통용되는 이론 
현재 통용되는 이론은 오스본 레이놀즈가 정립했는데, 그는 열 증발이 움직임의 원인이라고 이론화했다.; Part 2. 레이놀즈는 다공성 판의 한쪽이 다른 쪽보다 뜨거울 경우, 가스 분자와 판 사이의 상호작용으로 인해 가스가 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 흐른다는 것을 발견했다. 일반적인 크룩스 방사계의 날개는 다공성이 아니지만, 가장자리 너머의 공간은 레이놀즈 판의 구멍처럼 작동한다. 가스가 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 이동하면 뜨거운 쪽의 압력이 증가한다. 판이 고정되어 있으면 뜨거운 쪽의 압력은 양쪽 압력의 비가 절대 온도의 비의 제곱근과 같아질 때까지 증가한다. 방사계의 판은 고정되어 있지 않으므로 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로의 압력 차이가 날개를 움직이게 한다. 차가운(흰색) 쪽은 뒤쪽의 더 높은 압력에 의해 밀려 앞으로 이동한다. 분자 관점에서 보면, 날개는 희박한 가스가 뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이의 날개 가장자리와 다르게 충돌하는 접선 방향의 힘 때문에 움직인다.

레이놀즈의 논문은 한동안 출판되지 못했는데, 이는 맥스웰이 심사위원을 맡았고, 그 후 맥스웰이 자신의 논문을 발표했는데, 여기에는 레이놀즈의 미출판 논문에 대한 수학적 비판이 포함되어 있었다. 맥스웰은 그해 사망했고, 왕립학회는 레이놀즈의 미출판 논문에 대한 맥스웰의 반박에 대한 레이놀즈의 비판을 출판하는 것을 거부했는데, 이는 관련 인물 중 한 명이 이미 사망한 상황에서 부적절한 논쟁이 될 것이라고 여겨졌기 때문이다.

 올블랙 라이트 밀 
회전하려면 라이트 밀이 각 날개에 다른 색으로 코팅될 필요는 없다. 2009년 텍사스 대학교 오스틴의 연구원들은 네 개의 곡선형 날개를 가진 단색 라이트 밀을 만들었다. 각 날개는 볼록한 표면과 오목한 표면을 형성한다. 라이트 밀은 강력한 빛 흡수제인 금 나노결정으로 균일하게 코팅되어 있다. 노출 시 기하학적 효과로 인해 날개의 볼록한 면이 오목한 면보다 더 많은 광자 에너지를 받고, 그 결과 가스 분자는 오목한 면보다 볼록한 면에서 더 많은 열을 받는다. 거친 진공 상태에서 이러한 비대칭적인 가열 효과는 각 날개에서 오목한 면에서 볼록한 면으로 순 가스 이동을 생성하며, 이는 연구원들의 직접 모의 몬테카를로 모델링으로 보여졌다. 가스 이동은 뉴턴의 제3법칙에 따라 라이트 밀이 오목한 면이 앞으로 움직이면서 회전하게 한다. 이 단색 디자인은 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 라이트 밀 제작을 촉진하는데, 이는 매우 좁은 3차원 공간 내에서 서로 다른 광학적 특성을 가진 재료를 패턴화하기 어렵기 때문이다.

 수평 날개 라이트 밀 
날개의 뜨거운 면에서 차가운 면으로의 열 크리프는 검은색 절반과 흰색 절반으로 구성된 두 가지 색상의 표면을 가진 수평 날개가 있는 밀에서 입증되었다. 이 디자인을 헤트너 방사계라고 부른다. 이 방사계의 각속도는 열 크리프 힘의 거동보다 용기 내 가스에 의한 항력의 거동에 의해 제한되는 것으로 나타났다. 이 디자인은 면이 온도 구배와 평행하기 때문에 아인슈타인 효과를 경험하지 않는다.

 나노스케일 라이트 밀 
2010년 캘리포니아 대학교 버클리의 연구원들은 크룩스 방사계와는 완전히 다른 원리로 작동하는 나노스케일 라이트 밀을 성공적으로 제작했다. 직경이 100나노미터에 불과한 금 라이트 밀이 제작되어 튜닝된 레이저 빛으로 조명되었다. 이 가능성은 1936년 프린스턴 물리학자 리처드 베스에 의해 제안되었다. 토크는 입사광과 금 구조의 표면 플라스몬 파동의 공명 결합에 의해 크게 향상되었다.

 실용적인 응용 
방사성 효과는 실제 응용 분야에 자주 사용되지 않았다. 마르셀 베트리세는 2001년에 빛으로 작동하는 두 가지 시계(르 크로놀리트와 콘티)를 만들었다. 이 시계의 추는 유리 돔 밖에 위치한 전구 램프를 가지고 있었고 4개의 운모 날개를 향했다. 1미터 추는 1초를 나타내고, 양쪽에 배치된 두 개의 램프는 번갈아 켜져서 4킬로그램 추를 매번 "밀어낸다". 내부가 진공 상태였기 때문에 정확도는 한 달에 2초 정도였다.

방사계는 현재 전 세계적으로 참신한 장식품으로 흔히 판매되고 있다. 배터리가 필요 없이 빛만 있으면 날개가 회전한다. 사진에 보이는 것과 같은 다양한 형태로 제공되며, 종종 과학관에서 "복사압"을 설명하는 데 사용된다. 하지만 실제로는 이 과학적 원리를 시연하지 않는다.

 같이 보기 
 크룩스관
 마랑고니 효과
 니콜스 방사계
 광영동
 태양 에너지
 태양풍
 열영동

 각주 

일반 정보
 Loeb, Leonard B. (1934) The Kinetic Theory of Gases (2nd Edition);McGraw-Hill Book Company; pp 353–386
 Kennard, Earle H. (1938) Kinetic Theory of Gases; McGraw-Hill Book Company; pp 327–337
특허


 외부 링크 

 크룩스 방사계 애플릿
 라이트 밀은 어떻게 작동하는가?-물리학 FAQ
 음극선관 사이트
 . 1933년 벨과 그린의 실험은 날개에 미치는 다양한 기압의 영향을 설명한다.
 방사계에서 가해지는 힘의 특성 보관됨
마르셀 베트리세가 만든 방사성 시계: "르 크로놀리트" 및 "콘티"

분류:에너지 전환
분류:영국의 발명품
분류:외연기관
분류:전열
분류:별난 물건
분류:19세기 발명품