Огюстен Жан Френель, французский физик

Огюстен Френель и его линза

Огюстен Жан Френель, французский физик
     Огюстен Жан Френель родился во Франции ровно 230 лет назад – 10 мая у него юбилей. Он прожил очень короткую, но невероятно плодотворную жизнь и прославился прежде всего тем, что доказал волновую теорию света. Физика не была его специальностью, он был инженером.

Однако, увлекшись оптикой и проводя эксперименты, что называется, «на коленке», он перевернул научный мир своими работами о природе света, на что ему потребовалось менее 10 лет. Ученые, говоря о заслугах Френеля, обычно уделяют очень мало внимания его линзе, поскольку она имела прежде всего практическое значение, а не научное.

Мы же хотим рассказать, как она была изобретена, как устроена и что подарила миру.

ЯРКАЯ ВСПЫШКА НАД МОРЕМ

Итак, 1819 год. Френель, благодаря другу-ученому Франсуа Араго, приглашен во французскую Комиссию по маякам, которая в ту пору была озабочена слабым светом своих маяков. Во Франции их было 13, все освещались при помощи ламп с отражателями. Отражатель – это металлическая полусфера, посеребренная или покрытая кусочками зеркала, которая направляла свет от лампы в определенную сторону. Чтобы маяк мог осветить весь горизонт, нужно было располагать такие лампы по кругу, подчас по несколько десятков штук. Часто вся конструкция еще и вращалась, чтобы создавать проблески, различимые на фоне других огней. Эти ухищрения помогали мало, и по всему миру моряки жаловались на блеклый свет маяков. Кораблекрушения происходили с печальной регулярностью.

ФРЕНЕЛЬ СРАЗУ ПОНЯЛ: из отражателей не выжать больше света. К тому же они имеют недостатки. Во-первых, собирают лишь половину лучей. Во-вторых, их нужно постоянно чистить от копоти, отчего они быстро портятся. Свет от них часто неправильно сфокусирован истановится еще слабее. Линза послужила бы для этих целей лучше. 

www.cordouan.pagesperso-orange.fr Однако тут встал вопрос веса и размера. Требовалась очень большая линза (несколько метров в высоту), чтобы ее фокусное расстояние было маленьким и ловило как можно больше лучей. Но в этом случае из-за толщины стекла она поглощала бы больше света, чем усиливала. И установить такую на маяк было бы крайне сложно, а изготовить в те времена – попросту невозможно. А с маленькой линзой свет будет не намного ярче, чем от отражателей. Но скоро Френель нашел решение:
Набросок линзы, который Френель принес в Комиссию по маякам

«Если внешнюю поверхность линзы разделить на концентрические кольца и из маленькой центральной линзы и окружающих ее колец удалить всю бесполезную толщину, оставив только достаточную для прочного соединения на самых тонких краях, то лучи, параллельные оси линзы и падающие наружу, могут быть объединены в ее фокусе, если придать поверхности каждого кольца правильный наклон и кривизну». 

Линза в разрезе

ПУЗЫРЬКИ, СВИНЕЦ И РЫБИЙ КЛЕЙ

Однако одно дело – придумать и начертить, и совсем другое – воплотить на практике. Производство стекла тогда было весьма несовершенной технологией. Все механизмы на фабриках приводились в действие при помощи лошадей. Отливка больших, точно обточенных стеклянных деталей высокой прозрачности была чем-то на грани фантастики. Однако Френелю посоветовали обратиться к оптику Франсуа Солею, который делал приборы для Парижской Академии наук. Линза, которую хотел Френель, привела Солея в легкий ступор, однако он решил попытаться сделать ее. Для начала следовало подобрать стекло и решить – кремниевое или содовое. В первом было много свинца; его называют флинтглас, или хрусталь. Оно было крепким, с отличными преломляющими качествами, но очень тяжелым. Если вы держали в руках хрустальный бокал, то поймете, о чем речь. Так называемое содовое стекло (или кронглас) имело зеленоватый оттенок и тенденцию к появлению внутренних дефектов вроде полос и пузырьков, которые портили его оптические качества. Хрусталь, к слову, тоже не лишен этих дефектов, если говорить о крупных деталях. Френель и Солей выбрали кронглас, так как обрабатывать его легче, и сам вес такого стекла был меньше, что имело большое значение для всего маячного аппарата.

ИМ ПОНАДОБИЛСЯ почти год, море терпения и изобретательности, чтобы изготовить опытный образец. Только в марте 1820 года первая квадратная линза со стороной в 55 см была готова.

Ее собрали из 97 кусочков, так как отлить ее целиком было невозможно. Каждое кольцо линзы имело даже не дугообразную, а многоугольную форму.

Чуть ли не каждый фрагмент Солею пришлось переплавлять заново в мастерской, поскольку с завода стекло приходило неточной формы, полным пузырьков и полосок. 

Маяку Кордуан посвящен специальный сайт, на котором множество материалов. Например, вот один из «экспонатов». Musée national de la Marine, www.cordouan.culture.fr Чтобы соединить кусочки без потери прозрачности, нужен был особый клей. Тут помогла случайность. Франсуа Араго как-то тщетно пытался разделить стеклянные детали, скрепленные рыбьим клеем. Он их даже кипятил, но клей стал только прочнее, о чем он и сообщил Френелю. Такая устойчивость к жару была важна для линзы, собирающей свет, а соответственно и тепло. Затем нужно было позаботиться о лампе. Самой прогрессивной считалась горелка Арганда с фитилем в виде полой трубки. Воздух поступал к пламени снаружи и изнутри, поэтому свет от лампы был ровнее и ярче, чем от обычной, с тканевым фитилем. Араго и Френель сделали свою лампу, свет которой превзошел обычную горелку Арганда в 25 раз благодаря четырем концентрическим фитилям. Наконец линзу и новую горелку представили Комиссии по маякам. Френель объяснил, что пробная линзовая панель – лишь часть задуманного аппарата. Линз должно быть восемь, расположенных вокруг источника света. Вся система линз должна вращаться, чтобы давать восемь лучей, проходящих через горизонт. Моряки будут воспринимать их как равномерные вспышки. Члены Комиссии одобрили создание пробного аппарата.

ТРИУМФ

Через год, когда аппарат был готов, Франсуа Араго задумал не просто тест, а настоящее представление, чтобы весь Париж увидел своими глазами разницу между отражателями и линзой Френеля. 13 апреля 1821 года на холме Монмартра собралась вся Комиссия по маякам, почтенные моряки, инженеры и лучшие изготовители отражателей во Франции. Вечер выдался темным и ясным. Отражатели и френелевскую линзу установили на другом конце Парижа – на крыше Обсерватории. Начались испытания. Линза вспыхнула так ярко, что не оставила отражателям никаких шансов. Наутро о ярком новшестве писали во всех парижских газетах, а Френель получил заказ на рабочий аппарат для старейшего французского маяка Кордуан. Он был готов к июлю 1822 года. Френель назвал его диоптрическим (преломляющим) и подробно описал в «Докладе о новом маячном освещении».

«Прибор состоит из восьми больших линз площадью 0,76 квадратных метра. Лампа закрепляется на столе, установленном на чугунном пьедестале, который также поддерживает вес линзового аппарата.

Этот аппарат можно легко поворачивать на колонне вокруг своей оси с помощью роликов, которые перемещаются по кругу; он приводится в действие с помощью часового механизма, который регулирует его скорость.

Таким образом, вращаясь вокруг центрального зафиксированного света, линзовое устройство последовательно выбрасывает во все точки горизонта восемь лучей, разделенных интервалами тьмы, давая удаленному наблюдателю регулярную последовательность вспышек и затмений». 

Первая линза Френеля с маяка Кордуан. Находится в маячном музее на острове Уэссан, Франция. Musée des Phares et Balises de Ouessant www.cordouan.culture.frПОМИМО ВОСЬМИ ПАНЕЛЕЙ, собранных в медной раме, аппарат включал в себя некое подобие «крыши» из дополнительных трапециевидных линз и зеркал, расположенных под углом. Они собирали верхний свет и зрительно удлиняли вспышки основных панелей в два раза. Лучи, которые уходили ниже основных линз, Френель поначалу не стал перенаправлять к центру: «Я решил позволить им упасть прямо на море, где они не будут полностью бесполезны», освещая саму маячную башню. Позже он придумает, как собрать и их тоже с помощью системы зеркал, похожих на жалюзи. Лампа Френеля-Араго, установленная в центре, была снабжена насосом для откачки лишнего масла, которое тут же отправлялось обратно в резервуар для дальнейшего использования, и маленьким часовым механизмом. Гирьки опускались внутри чугунной колонны маячного аппарата и тянули за собой шестеренки механического насоса.

Самый забавный момент в «Докладе» – это предложения Френеля на случай, если в лампе кончилось масло и она погасла, а смотритель маяка уснул на посту.

Инженер предложил между горелкой и резервуаром, в который сливается излишек масла, поместить планку, подобную весам: на одном конце закрепить жестяную чашку, а на втором – противовес. Прежде чем вернуться в резервуар, масло будет попадать в эту чашку. В ее дне нужно пробить дырочку, чтобы через нее вытекало ровно столько же масла, сколько поступает в чашку, пока аппарат работает правильно. Иными словами, пока все хорошо, чашка всегда заполнена, и планка «весов» находится в равновесии. Если масло перестает поступать к горелке, а соответственно и в чашку, она вскоре опустеет, противовес упадет и освободит пружину будильника – зазвонит колокольчик, который разбудит смотрителя.

Лучи, создаваемые линзой Френеля. Darvin Atkeson, www.flickr.com

ВТОРОЕ ЗВЕЗДНОЕ НЕБО ДЛЯ МОРЯКОВ 

Ровно 195 лет назад первый френелевский аппарат вспыхнул на вершине маяка Кордуан. «Яркость света, которую дает новый прибор, удивила моряков», – скромно сообщал изобретатель в одном из писем. Еще бы! Теперь свет Кордуана было видно за 60 км! Но перед Френелем встала новая задача – превратить свое изобретение в систему. Он разработал аппараты трех разрядов: первый, самый большой, как на Кордуане, с внутренним диаметром 184 см. Линзы второго разряда (внутренний диаметр – 140 см) – с дальностью видимости до 40 км. Третий разряд (внутренний диаметр – 50 см) – до 28 км.

Чтобы в темноте отличать один маяк от другого, Френель придумал три варианта проблесковой характеристики. Первый – фиксированный, дававший постоянный свет по всему горизонту.

Второй, где было восемь линз, как на Кордуане, давал вспышки каждую минуту. Третий вариант состоял из 16 вращающихся полуразмерных линз, срезанных по вертикали с двух сторон до прямоугольника.

Такой аппарат вспыхивал каждые 30 секунд. 

Маяк Кордуан, www.lightstations.com Достигнуть более быстрых проблесков было невозможно из-за скорости вращения маячного аппарата вокруг своей оси – вес линз и механика вращательной машины не позволяли ему двигаться быстрее. Через пару лет у Френеля родилась идея опустить весь аппарат в резервуар с ртутью для уменьшения трения – так можно было бы достичь большей частоты проблесков. Но сделано это было только в самом конце XIX века.

ФРЕНЕЛЬ ИСКАЛ возможности убрать громоздкие зеркала и заменить их на что-то более практичное. Результатом стал аппарат полного отражения – катадиоптрический, где вместо зеркал были стеклянные дугообразные призмы.

В таких призмах луч входит в стекло, отчего меняет направление, а затем ударяется о внутреннюю поверхность и снова изгибается, выходя из треугольника уже под другим углом. Этот аппарат был гораздо прочнее, проще и изящней, ни один лучик в нем не пропадал зря. Но, увы, построить его в большом размере, подходящем для маяков, было еще невозможно.

Френель смог сделать лишь пробные линзы четвертого разряда (с внутренним диаметром 30 см) для освещения канала Сен-Мартен в Париже. 

Линза первого разряда. www.nps.gov Это было последнее его достижение. 14 июля 1827 года туберкулез оборвал жизнь Огюстена Френеля. Ему едва исполнилось 39 лет. Младшего брата изобретателя – инженера Леонора Френеля – назначили главой Комиссии по маякам, так что линза оказалась в надежных руках и совершенствовалась день ото дня. Франция стала мировым лидером по изготовлению маячных аппаратов. Первая большая катадиоптрическая линза была создана в 1854 году – для маяка Фар-де-Бален во Франции. А к концу XIX века линзы стояли более чем на ста маяках по всему миру и сияли, словно второе звездное небо для моряков. И это было только начало.  Линза четвертого разряда. www.nps.govОГЮСТЕН ФРЕНЕЛЬ сделал для физики очень много, но для простых людей он, пожалуй, сделал даже больше – ведь благодаря его линзе маяки загорелись как никогда ярко, и бесчисленное количество моряков и пассажиров вернулись из моря невредимыми. Линзу Френеля по-прежнему можно встретить практически на любом маяке. И даже если старые стеклянные аппараты заменены на современные светодиодные лампы, в каждой лампочке стоит крошечная линза Френеля. Поскольку для фокусировки света ничего лучше до сих пор не придумано. 

Источник: http://21mm.ru/news/izobreteniya/ogyusten-frenel-i-ego-linza/

Френель огюстен жан (1788-1827)

Огюстен Жан Френель, французский физик

Огюстен Жан Френель родился в 1788 году в местечке Брольи в Нормандии, в семье архитектора.

Здоровье мальчика было слабым, и по-видимому по этой причине он поначалу не отличался успехами в учебе и научился читать лишь к восьми годам.

Это, однако, не помешало ему интересоваться точными науками и выделиться среди товарищей искусством конструирования бузиновых пушек (они стреляли ягодами бузины) и луков.

В 1801 году Огюстен поступил в школу г. Кана (на севере Франции). После ее окончания он в 1804 году поступил в парижскую Политехническую школу, которая славилась своими преподавателями. Здесь Френель продемонстрировал неординарные математические способности. Он продолжил образование в Школе мостов и дорог, после окончания которой получил звание инженера.

Работая затем в течение ряда лет в провинции, он понял, что ремонт и прокладка дорог, связанные к тому же с хозяйственными и административными хлопотами, его мало интересуют и не удовлетворяют. В 1814 году в связи с краткосрочным возвращением Наполеона из ссылки (знаменитые «Сто дней») Френель лишился и этой работы.

Неудовлетворенность работой заставляет его искать другие направления приложения своих способностей: то философию и богословие, то химию и технику. Примерно с 1811 года, когда Френель прочитал работы французского физика Жана Батиста Био по поляризации света, он заинтересовался этим явлением и решил заняться оптикой.

Интересно, что, приступая к работе, Френель имел довольно слабое представление об оптике. В конце 1814 года он просит брата прислать из Парижа сочинения, по которым он смог бы составить представление о поляризации света.

И уже через восемь месяцев им были получены результаты, которые привлекли к работам Френеля внимание ученых.

Большую роль в формировании Огюстена Френеля как оптика сыграл секретарь Парижской Академии, талантливый экспериментатор и популяризатор научных идей Доминик Франсуа Араго, ставший впоследствии его соавтором при проведении некоторых экспериментов.

Френель начал свои исследования оптических явлений с изучения интерференции. Взяв за основу принцип Гюйгенса для построения фронта механических волн, он дополнил его принципом интерференции. Так в физике появился принцип Гюйгенса-Френеля.

Суть этого принципа состоит в том, что для определения освещенности какой-либо точки экрана надо светящуюся поверхность разбить на элементарные площадки и рассматривать их действие в данной точке экрана с учетом разности хода волн.

На основе этого принципа Френель объяснил прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления.

Прочитав работу Френеля, Араго написал ему о том, что принцип интерференции ранее уже был сформулирован Томасом Юнгом.

В ответном письме в сентябре 1815 года Френель сообщил, что, совершенно не зная английского языка (и, следовательно, не читая работ Юнга), он заново «открыл» закон интерференции, добавив к опытам английского ученого несколько новых и среди них — опыт с «бизеркалами Френеля».

В начале 1817 года Парижская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу по дифракции. Френель долго не решался принять участие в конкурсе, но, в конце концов, под нажимом Араго и Ампера согласился и приступил к интенсивным исследованиям, в которых ему помогал брат, Леонор.

По результатам исследований Френель написал работу «Заметка о теории дифракции» и в апреле 1818 года представил ее в Академию. Работа поступила под девизом: «Природа проста и плодотворна», написанном на конверте.

Когда комиссия рассматривала ее, знаменитый математик и физик Пуассон заметил, что из предлагаемой теории должен следовать странный вывод: в центре тени от непрозрачного круглого препятствия должно быть светлое пятно! Чтобы проверить этот неожиданный вывод, Араго тут же поставил опыт, и предсказание подтвердилось.

Этот опыт вошел в историю науки как «пятно Пуассона». Так предубеждение Пуассона против теории Френеля превратилось в одно из доказательств ее справедливости. Волновая теория одержала большую победу: явление дифракции было объяснено.

Кроме того, в этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы — так называемую бипризму Френеля. С помощью этого опыта Френель определил длину волны для красного света, и она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

Совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что, несмотря на то, что большинство членов комиссии придерживалось ньютоновских взглядов на природу света, комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и присудила ему премию.

Еще в 1816 году Френель писал, что для объяснения явления поляризации света волновая теория должна быть видоизменена; это видоизменение состоит в принятии предположения о поперечном направлении движения световых волн.

К такому же мнению в последние годы жизни пришел и Юнг, что отражено в его письмах к Френелю. Однако Френель не торопился публиковать это мнение, предвидя большие трудности согласования его с механикой упругих сред.

Он создает свою теорию поляризации и двойного лучепреломления.

Предвосхищая многие идеи теории упругости, Френель смог благодаря своей физической интуиции дать теорию явлений отражения, преломления и полного внутреннего отражения, объяснив эмпирически найденные законы Малюса и Брюстера. Он предложил фундаментальные идеи в области кристаллооптики, которые используются и сейчас.

Среди важнейших результатов, полученных Френелем, редко упоминается работа по созданию новой оптической системы маяка со ступенчатыми линзами.

Линза, предложенная в 1819 году Френелем, не имела таких недостатков обычных линз, как: поглощение света массой стекла, неправильное преломление лучей вследствие неравномерной плотности оптического стекла, значительный вес (для маяка).

Линза Френеля состояла из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые имели в сечении форму призм специального профиля. Благодаря конструкции система в целом даже при большом угле охвата имела небольшую толщину, а, следовательно, небольшой вес и малое поглощение.

Следующим шагом было создание вращающейся системы линз, для получения «проблескового характера маячного огня». Первый аппарат такого типа был установлен Френелем 23 июля 1823 года на Кордуанском маяке. Мореплаватели всех стран спешили рассказать всему миру о новом маяке. Имя Френеля как автора системы получило широкую известность.

Постепенно к Френелю пришла мировая слава. В 1823 году его избрали в Парижскую Академию наук, в 1825 году он становится иностранным членом Лондонского Королевского общества, которое отметило выдающиеся открытия в области оптики Френеля медалью Румфорда.

Напряженная исследовательская и расчетная работа окончательно подорвала и без того слабое здоровье Френеля. Усовершенствованием системы маячного освещения, которое имело большой успех и привело к созданию так называемых ступенчатых линз, ученый занимался, будучи уже сильно больным.

Умер Френель 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет.

Источник: https://fizikaklass.ru/interesnoe-o-fizike/uchenie-fiziki/2367.html

Booksm
Добавить комментарий