Os cientistas nos últimos anos têm tentado provar que uma pessoa não precisa depender de combustíveis fósseis.
Eles argumentam que continuamos lutando por fontes de energia, destruindo o meio ambiente e prejudicando a Mãe Terra. Continuamos a usar os mesmos métodos antigos que geram trilhões de dólares para aqueles que estão no topo da indústria de energia. A mídia corporativa continua promovendo a ideia de que estamos em uma crise de energia, que estamos nos aproximando de um grande problema por falta de recursos.
Conceito de energia de ponto zero
Alguns estudiosos argumentam que o mesmo grupo de acionistas que detém o setor de energia também possui a mídia corporativa. Esta parece ser outra tática de medo e outra desculpa para não usar energia livre. Por exemplo, é usado na prática.
Como pode haver escassez de recursos quando temos sistemas que podem fornecer recursos sem empréstimos externos? Isso significa que esses sistemas podem funcionar indefinidamente e fornecer recursos para todo o planeta sem queimar combustíveis fósseis. Isso eliminará grande parte da "conta" que as pessoas pagam pela vida e reduzirá o impacto nocivo que temos sobre a Terra e seu meio ambiente.
Mesmo que você não acredite no conceito de energia livre (também conhecida como energia do ponto zero), temos algumas fontes limpas que tornam toda energia obsoleta.
Este artigo se concentrará principalmente no conceito de energia livre, comprovado por pesquisadores de todo o mundo que experimentaram e publicaram seus trabalhos.
No entanto, se as novas tecnologias energéticas fossem gratuitas em todo o mundo, as mudanças seriam profundas. Afetaria a todos, se aplicaria a todos os lugares. Essas tecnologias são absolutamente a coisa mais importante que aconteceu na história do mundo.
Potência Energética Casimir
O efeito Casimir é a prova de um exemplo de energia livre que não pode ser refutado.
A energia foi prevista pelo físico teórico alemão Heinrich Casimir em 1948, mas não foi obtida experimentalmente devido à falta de tecnologia na época.
O efeito Casimir ilustra a energia do ponto zero ou estado de vácuo, que prevê que duas placas de metal próximas uma da outra se atraem devido a um desequilíbrio nas flutuações quânticas.
As implicações disso são de longo alcance e foram escritas extensamente em física teórica por pesquisadores de todo o mundo. Hoje estamos começando a ver que esses conceitos não são apenas teóricos, mas também práticos.
Os vácuos são geralmente considerados vazios, mas Hendrik Casimir acreditava que eles não continham oscilações de ondas eletromagnéticas. Ele sugeriu que duas placas de metal mantidas no vácuo poderiam absorver as ondas, criando energia de vácuo que poderia atrair ou repelir as placas.
Se você colocar duas placas no vácuo, elas se atraem e essa força foi chamada de efeito Casimir como a energia do vácuo (zero oscilações). Estudos recentes feitos na Universidade de Harvard e na Universidade de Amsterdã e em outros lugares confirmaram o efeito Casimir correto. 
No entanto, a força de Casimir é muito fraca e é detectada se os corpos estiverem separados por alguns mícrons e aumenta acentuadamente se os corpos se aproximarem a uma distância inferior a um mícron.
A uma distância de 10 nm (centenas do tamanho de um átomo típico), a força de Casimir é comparável à pressão atmosférica.
EFEITO CASIMIR, o nome geral para uma ampla gama de fenômenos causados por flutuações no estado de vácuo do campo (em particular, eletromagnético) na presença de limites ou mudanças na geometria (topologia) do espaço. A gama de áreas da física em que o efeito Casimir se manifesta é muito ampla - da física estatística à física de partículas elementares e cosmologia.
Pela primeira vez, a influência das flutuações quânticas de um campo eletromagnético na interação de corpos macroscópicos eletricamente neutros foi prevista pelo físico teórico holandês H. Casimir (1948). Ele calculou que, devido a flutuações quânticas do campo no estado fundamental (vácuo), duas placas planas paralelas, idealmente condutoras não carregadas, separadas no vácuo por um intervalo de largura L, na temperatura de zero absoluto, deveriam ser atraídas com uma força F por area da unidade:
F = - 0,0065hc/L 4 , (*)
onde h é a constante de Planck, c é a velocidade da luz no vácuo. Uma fórmula mais geral para a força atrativa de duas camadas dielétricas, levando em conta a dependência da permissividade da frequência de campo, foi obtida por E. M. Lifshitz em 1954. A força de Casimir F é muito pequena para distâncias superiores a alguns micrômetros, no entanto, à medida que a distância diminui, ela aumenta rapidamente e para L = 0,01 μm (cerca de cem tamanhos atômicos) a pressão negativa efetiva F atinge quase 1,3 10 6 Pa (13 atmosferas). Portanto, levar em conta as forças de Casimir é importante no projeto de vários dispositivos eletromecânicos de micro e nano tamanhos. Às vezes as forças de Casimir são consideradas como uma manifestação das forças de atração de van der Waals a distâncias "grandes" (na escala atômica), quando o atraso na interação eletromagnética não pode ser desprezado.
Os primeiros experimentos para testar as fórmulas de Casimir e Lifshitz, estabelecidos na década de 1950, confirmaram qualitativamente a presença de uma força atrativa entre superfícies planas e esféricas feitas de quartzo (I. I. Abrikosov, B. V. Deryagin) e entre placas metálicas planas (M. Sparnay , Holanda). Melhorar significativamente a precisão e confiabilidade das medições de pequenas forças (até 10-12 N) e distâncias (na faixa de 0,1-6 μm) só foi possível no final da década de 1990 devido ao surgimento de novas ferramentas e tecnologias, como o microscópio de força atômica e sistemas microeletromecânicos. A melhor precisão alcançada é de cerca de 1%. Um acordo satisfatório foi obtido entre a teoria e o experimento, embora alguns detalhes (por exemplo, a dependência das forças da temperatura em distâncias superiores a alguns mícrons) requeiram esclarecimentos. A força real de interação depende significativamente das propriedades do material e da superfície, de modo que mesmo para bons condutores (ouro, cobre) seu valor pode diferir do valor calculado pela fórmula (*) em dezenas de por cento.
Em 1959, I. E. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshits e L. P. Pitaevskii previram a possibilidade do aparecimento de uma força repulsiva em estruturas em camadas com diferentes permissividades. Posteriormente, muitos outros modelos e configurações geométricas foram encontrados que permitem tal força, por exemplo, ao combinar um condutor ideal e ímã, ou várias estruturas feitas de metamateriais (meios artificiais com índice de refração negativo). No entanto, ainda não existem confirmações experimentais de resultados teóricos, embora esta questão seja relevante em relação ao desenvolvimento de dispositivos micro e nanoeletromecânicos.
O efeito Casimir desempenha um papel importante na cosmologia devido ao fato de que, no quadro da teoria quântica de campos, uma densidade de energia de vácuo diferente de zero surge à temperatura zero. Isso é de grande importância para resolver o problema da constante cosmológica e está relacionado ao modelo inflacionário do Universo. O efeito Casimir é muito significativo na física dos hádrons: ao calcular suas propriedades, deve-se levar em conta a energia Casimir dos campos de quarks e glúons. O efeito Casimir é levado em consideração em teorias de campo supersimétricas e modelos da teoria do tipo Kaluza-Klein ao analisar os mecanismos de compactação espontânea de dimensões extraespaciais.
Se as superfícies que limitam o campo se movem ou suas propriedades dependem do tempo, fala-se de um efeito Casimir não estacionário (ou dinâmico), cuja manifestação vívida poderia ser o nascimento de fótons do vácuo devido ao movimento dos limites de corpos macroscópicos eletricamente neutros. Esse efeito ainda não foi descoberto, pois o número previsto de fótons produzidos é proporcional ao quadrado da razão entre a velocidade característica do movimento e a velocidade da luz, ou seja, muito pequena. No entanto, esse número pode ser aumentado em muitas ordens de magnitude devido à interferência quântica, se o limite for feito para oscilar com amplitude suficiente e um período próximo à metade do período de oscilação do modo selecionado do campo eletromagnético, usando o efeito de ressonância paramétrica. Tal experimento é realista para frequências na região de vários gigahertz.
Lit.: Forças Barash Yu. S. Van der Waals. M., 1988; Mostepanenko V. M., Trunov N. N. O efeito Casimir e suas aplicações. M., 1990; Bordag M., Mohideen U., Mostepanenko V. M. Novos desenvolvimentos no efeito Casimir // Physics Reports. 2001 Vol. 353. Não. 1-3.
Há cerca de 50 anos, Heinrich Casimir descobriu que existe uma certa força no vácuo entre duas superfícies, que pode criar uma verdadeira revolução na ciência.
Se você pegar dois espelhos e colocá-los em um espaço vazio, a atração começa entre eles, pois há um vácuo entre eles. Esse fenômeno foi descoberto por Casimir em 1948, quando estudava no centro científico de Eindhoven. Esse fenômeno foi chamado de efeito Casimir, e a força que ocorre entre os dois espelhos é chamada de força Casimir.
Por muito tempo acreditou-se que o efeito Casimir nada mais era do que uma teoria divertida. No entanto, nos últimos anos tem havido um aumento do interesse por este fenómeno. Constatou-se que a força de Casimir afeta diretamente os mecanismos microscópicos e, graças aos avanços nos equipamentos técnicos, essa força pode ser medida com maior precisão.
Este efeito pode ser de algum interesse para a física fundamental. Existem muitas teorias segundo as quais existem dimensões extras estendidas em teorias de dez e onze dimensões. De acordo com essas teorias, há um certo desvio da gravidade newtoniana padrão em distâncias das menores frações de um milímetro. Portanto, medindo o efeito do efeito Casimir, é possível testar essas hipóteses.
O estudo de Casimir de soluções coloidais
Enquanto trabalhava no centro de pesquisa em Eindhoven, Casimir investigou as propriedades características dessas substâncias com alto índice de viscosidade, nas quais existem partículas de tamanho micrométrico. Suas propriedades são determinadas pelas forças de Van der Waals - são forças atrativas de longo alcance que surgem entre moléculas e átomos que são neutros.
Theo Overbeck, colega de Casimir, observou que a teoria de Fritz London para descrever as forças de van der Waals não pode dar uma avaliação correta dos dados experimentais. Ele pediu a Casimir para trabalhar nesse problema. Casimir descobriu que é impossível descrever corretamente a interação observada entre 2 moléculas neutras, com base no fato de que é constante.
Depois disso, o cientista observou que esse resultado pode ser descrito se as flutuações do átomo forem levadas em consideração. Flutuação é um termo que caracteriza todos os tipos de flutuações e mudanças periódicas. Então o cientista pensou que, em vez de duas moléculas, poderiam ser instalados dois espelhos, que seriam virados um para o outro pelos lados refletores. Então ele previu a força de atração que existe entre as placas refletivas.
Efeito Casimir Dinâmico
De acordo com a teoria quântica, um vácuo não é um vazio comum. As flutuações de energia são regularmente observadas nele - partículas virtuais e antipartículas nascem e morrem. Eles podem aplicar pressão. Este fenômeno é chamado de "efeito Casimir estático". Foi comprovado por experimentos. No entanto, teoricamente, há também um efeito dinâmico de Casimir - a transformação das flutuações do vácuo em partículas reais (por exemplo, fótons). Este efeito foi observado por cientistas.
Com o efeito dinâmico Casimir, os espelhos devem oscilar, enquanto sua velocidade deve ser comparável à velocidade da luz. Para fazer isso, os físicos tiveram que instalar superfícies metálicas em um forte campo magnético. A velocidade de oscilação desse campo era de onze bilhões de vezes por segundo. As superfícies começaram a se deformar a uma velocidade de 5% da velocidade da luz, e o aparecimento de fótons foi registrado na saída. A julgar pelas propriedades dos fótons, pode-se argumentar que eles apareceram em pares.
Observação do efeito Casimir. Zero oscilações de campos quânticos
O efeito Casimir, como o deslocamento de Lamb, é uma manifestação da presença de um vácuo eletromagnético de campo quântico preenchido com flutuações de campo eletromagnético. No caso do deslocamento de Lamb, esse vácuo foi distorcido pelo campo de Coulomb do núcleo, que redistribuiu as energias de flutuação dependendo da distância do núcleo (a chamada polarização do vácuo). A polarização não homogênea do vácuo, por sua vez, levou à dependência do deslocamento de Lamb da energia do elétron em sua distância do núcleo. Os elétrons mais próximos do núcleo tiveram o maior deslocamento devido à interação com flutuações.
No caso do efeito Casimir, a não homogeneidade da flutuação é criada por um condutor (ou mesmo um dielétrico) colocado em um vácuo. Consideraremos um exemplo clássico do efeito Casimir - a interação de duas placas infinitas paralelas idealmente condutoras no vácuo. Devido à condutividade ideal dessas placas, o campo elétrico dentro delas deve estar ausente e em sua superfície deve ter apenas uma componente normal. Esses condições de fronteira para um campo elétrico são fisicamente devido à interação com elétrons de condução dentro das placas e ocorrem tanto para o campo elétrico clássico quanto para o campo de flutuações do vácuo - como se costuma dizer, campos de ponto zero. Como resultado, essas vibrações zero são redistribuídas no espaço entre as placas, bem como no espaço atrás das placas. O campo eletromagnético, como todos os campos materiais e partículas, tem energia, então as flutuações desse campo também têm energia. Acontece que a energia das oscilações do ponto zero do campo eletromagnético redistribuído no espaço depende da distância entre as placas! Em outras palavras, se mudarmos a distância entre as placas, também mudamos a energia das oscilações de campo nulas entre elas e nos lados externos das placas. Acontece que, ao alterar a distância entre as placas, fazemos um trabalho adicional para alterar a energia das flutuações (afinal, a energia dessas flutuações não é "energia do nada", como muitas vezes se afirma!). Para realizar tal trabalho, devemos aplicar uma força nas placas, tal que . Isso implica uma conclusão óbvia: como devemos aplicar uma força adicional a eles para mover as placas, então as placas são afetadas por A força de Casimiro igual a
contra o qual temos de trabalhar.
No caso de um campo eletromagnético, essa força é fácil de calcular e acaba sendo igual a
onde é a área das placas. O sinal de menos corresponde à atração das placas. Assim, o vácuo entre as placas tem uma pressão negativa (tensão), que atrai as placas umas para as outras.
O efeito Casimir foi previsto em 1948 pelo físico holandês Hendrik Brugt Gerhard Casimir (1909-2000) e o dinamarquês Dirk Polder (1919-2001) com base em outro modelo equivalente - ou seja, com base em analogias com o van der forças de Waals. Essas forças de atração de longo alcance entre os átomos levam à equação de van der Waals conhecida até mesmo no currículo escolar para um gás real e diminui com a distância como . A teoria final dessas forças foi criada apenas no século 20 com base na mecânica quântica. De acordo com essa teoria, a camada eletrônica de um átomo pode virtualmente se mover de modo que seu centro esteja a uma distância diferente de zero do núcleo. Nesse caso, os centros de cargas positivas e negativas no átomo não mais coincidirão, ou seja, terá um diferente de zero momento dipolar. Esse momento de dipolo virtual criará um campo elétrico virtual no espaço ao seu redor, que, por sua vez, causará a mesma polarização de dipolo de outros átomos - e, consequentemente, a interação entre eles. Na física clássica, para implementar esse mecanismo, é necessária uma fonte de energia, que às vezes transfere átomos para um estado polarizado de não equilíbrio. Por exemplo, o movimento térmico dos átomos pode servir como tal fonte. No entanto, experimentos mostram que as forças de van der Waals são praticamente independentes da temperatura - portanto, essa fonte de flutuações tem uma natureza diferente. Descobriu-se que as flutuações são de natureza quântica e se manifestam no que foi considerado a interação clássica de van der Waals.
Casimir sugeriu que exatamente o mesmo processo poderia ocorrer no caso de placas paralelas. De fato, uma placa solitária permanece neutra, pois a redistribuição de cargas sobre ela criará um campo elétrico que tende a devolvê-la a um estado de equilíbrio de completa neutralidade elétrica. No entanto, se houver uma segunda placa, a polarização da primeira encontrará sobre ela uma resposta na forma de atração - e essas respostas, somadas para todos os estados possíveis da polarização virtual da primeira placa, devem dar a força de sua atração. Isso pode ser demonstrado qualitativamente usando o método de reflexão. De fato, deixe uma excitação dipolar elementar aparecer na primeira placa na forma de duas cargas iguais em valor absoluto e opostas em magnitude (veja a Fig. acima). Let Ser o momento dipolar da configuração resultante. Então a força de interação deste dipolo com a segunda placa é calculada se cada uma das cargas é refletida em relação à última, enquanto muda seu sinal. Como resultado, obtemos um momento de dipolo localizado a uma distância do primeiro. A força de interação desses dipolos é facilmente calculada e sua componente normal às placas acaba sendo igual a
onde o sinal de menos é escolhido para enfatizar a atração pela segunda placa.
A propósito, um análogo do efeito Casimir é conhecido na navegação: se dois navios se aproximam o suficiente, o mar entre eles começa a ondular menos e a pressão das ondas dos lados externos dos navios começa a pregá-los um ao outro. O efeito quântico de Casimir contribui significativamente para os efeitos que ocorrem em um pequeno volume; em particular, deve ser levado em consideração no cálculo da energia dos núcleos. O efeito Casimir também afeta a física de soluções coloidais. O efeito Casimir também é interessante do ponto de vista de modelos com gravidade, pois o vácuo entre as placas tem uma densidade de energia de flutuação localmente negativa, o que significa que, em teoria, pode criar um efeito antigravitacional. Por esta razão, o vácuo de Kazimir é referido como o chamado matéria exótica. Tal matéria é necessária, por exemplo, para estabilizar buracos de minhoca(túneis no espaço-tempo), portanto, na teoria de tais formações, o efeito Casimir ocupa um lugar importante. A propagação superluminal de ondas eletromagnéticas (o chamado efeito Scharnhorst) também é prevista no vácuo de Casimir. No entanto, este efeito é muito pequeno e, portanto, ainda não foi observado experimentalmente.
As primeiras estimativas experimentais para o efeito Casimir, que tiveram uma precisão da ordem de , foram obtidas 10 anos após o surgimento de sua hipótese. Em particular, o primeiro experimento com placas paralelas foi realizado em 1958 por Markus Spaarney. Ele usou um condensador feito de duas placas paralelas, cuja parte superior estava suspensa por uma mola. Quando uma tensão é aplicada ao capacitor, uma carga é induzida em suas placas, e a mola é esticada até a força de Casimir, a força de atração eletrostática, a força de gravidade e a força de atração newtoniana entre as placas (sim, também deve deve ser levado em consideração!) Equilibre a força elástica da mola esticada. A equação correspondente para o ponto de equilíbrio tem a forma.
Casimir force Termo Casimir force Termo em inglês Casimir forces Sinônimos Casimir effect Abreviaturas Termos relacionados Definição força causada pela presença de condições de contorno para a segunda quantização de oscilações zero de um campo eletromagnético no vácuo. No caso particular de duas placas paralelas condutoras não carregadas é a força de atração entre elas.
Descrição
Pelos padrões macroscópicos, a força de Casimir é insignificante. No entanto, para objetos com tamanho de vários nanômetros e tendo, portanto, uma massa extremamente pequena, a força de Casimir torna-se muito perceptível e deve ser levada em consideração ao projetar dispositivos nanoeletromecânicos (NEMS).
Como parte dos cálculos originais realizados pelos cientistas holandeses Hendrik Casimir e Dirk Polder em 1948 (), assumiu-se que havia duas placas de metal condutoras idealmente descarregadas localizadas à distância uma de um para o outro. Neste caso, a força F por unidade de área MAS, pode ser calculado como:
A presença da constante de Planck ( ? \u003d 1,05 * 10 -34 J * s) no numerador desta fração e causa sua extrema pequenez.
Para explicar o significado físico dessa força, deve-se lembrar que, de acordo com os postulados da mecânica quântica, os valores estáveis da energia das partículas são determinados pela equação estacionária de Schrödinger:
Se a partícula está em um campo de potencial arbitrário e é capaz de realizar oscilações livres (oscilações), e o potencial da força restauradora é descrito por uma função de potência com um expoente par (ou seja, uma parábola), a solução da equação dá os seguintes autovalores de energia E:
Onde ? é a frequência de oscilação natural do oscilador, e ?? - um quantum igual à diferença entre as energias dos níveis com os números de quanta n e n-1. Essa expressão é chamada de solução da equação de Schrödinger para um oscilador harmônico. Pode-se ver a partir desta solução que, mesmo que o número de quanta de energia no oscilador n=0, a energia do oscilador harmônico não é igual a zero, mas ??/2 . O valor que ??/2 chamado flutuações zero oscilador harmônico.
Se estendermos essa lógica para quanta - fótons de radiação eletromagnética (e usarmos a abordagem segunda quantização, que usa os operadores de criação e aniquilação de fótons), então em alguma aproximação o surgimento da força de Casimir pode ser explicado da seguinte forma: na ausência de quaisquer objetos, todo o espaço do vácuo físico é preenchido com um número infinito de harmônicos de oscilações zero do campo eletromagnético (mesmo na ausência de fótons, como mostrado acima, a energia do vácuo não será zero) com um conjunto de comprimentos de onda correspondentemente infinito.
A presença de duas placas condutoras limita o espaço de tal forma que em sua superfície a componente transversal do campo elétrico e a componente normal do campo magnético se tornam iguais a zero. Ou seja, uma onda estacionária surge entre as placas com um comprimento de onda 2a/ k, onde k- número harmônico (1, 2, 3, etc.). Ao mesmo tempo, fora das placas, o espaço físico do vácuo permaneceu imperturbável, e é esse espaço que exerce pressão sobre as placas, tentando aproximá-las umas das outras.
Os primeiros experimentos para detectar a força de Casimir foram realizados já em 1958 (), porém, sua precisão era muito baixa. Mais precisamente, a força de Casimir foi medida em Steve Lamoreaux em 1997 ().
- Lurie Sergey Leonidovich, Ph.D.
- Casimir H. B. G., e Polder D. The Influence of Retardation on the London-van der Waals Forces//Physical Review - 1948. vol. 73(4). - pág. 360–372
- Sparnaay M.J. Medição de forças atrativas entre placas planas//Physica - 1958. vol. 24 (6-10) - pág. 751 - 764
- Lamoreaux S. K. Demonstração da Força Casimir na Faixa de 0,6 a 6 µm//Phys. Rev. Lett. - 1997.vol. 78 (1) - pág. 5–8
Dicionário Enciclopédico de Nanotecnologia. - Russo. 2010 .
Veja o que é a "força Casimir" em outros dicionários:
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Forças de Casimiro
A totalidade do corpo físico fenômenos devido à polarização específica do vácuo de campos quantizados devido a uma mudança no espectro de oscilações de ponto zero em regiões com limites e em espaços com topologia não trivial. Previsto por X. Casimir em 1948... Enciclopédia Física
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