О Г Л А В Л Е Н И Е
ВВЕДЕНИЕ
1. Механические эффекты
1.1. Силы инерции.
1.1.1. Инерционное напряжение.
1.1.2. Центробежные силы.
1.1.3. Момент инерции.
1.1.4. Гироскопичекий эффект.
1.2. Гравитация.
1.3. Трение.
1.3.1. Явление аномально низкого трения.
1.3.2. Эффект безысносности.
1.3.3. Эффект Джонсона-Рабека.
2. Деформация.
2.1. Общая характеристика.
2.1.1. Связь электропроводности с деформацией.
2.1.2. Электропластический эффект.
2.1.3. Фотопластический эффект.
2.1.4. Эффект Баушингера.
2.1.5. Эффект Пойнтинга.
2.2. Передача энергии при ударах. Эффект
Ю.Александрова.
2.3. Эффект радиационного распухания.
2.4. Сплавы с памятью.
3. Молекулярные явления.
3.1. Тепловое расширение вещества.
3.1.1. Сила теплвого расширения.
3.1.2. Получение высокого давления.
3.1.3. Разность эффекта.
3.1.4. Точность теплового расширения.
3.2. Фазовые переходы. Агрегатное состояние вещества.
3.2.1. Эффект сверхпластичности.
3.2.2. Изменение плотности и модуля упругости при
фазовых переходах.
373. Поверхностные явления. Капиллярность.
3.3.1. Поверхностная энергия.
3.3.2. Смачивание.
3.3.3. Автофобность.
3.3.4. Капиллярное давление, испарение и конденсация
3.3.5. Эффект капиллярного подьема.
3.3.6. Ультразвуковой капиллярный эффект.
3.3.7. Термокапиллярный эффект.
3.3.8. Электрокапиллярный эффект.
3.3.9. Капиллярный полупроводник.
3.4. Сорбция.
3.4.1. Капиллярная конденсация.
3.4.2. Фотоадсорбционный эффект.
3.4.3. Влияние электрического поля на адсорбцию.
3.4.4. Адсорболюминесценция.
3.4.5. Радикально-рекомбинационная люминесценция.
3.4.6. Адсорбционная эмиссия.
3.4.7. Влияние адсорбции на электропроводность
полупроводников.
3.5. Диффузия.
3.5.1. Эффект люфора.
3.6. Осмос.
3.6.1. Электроосмос.
3.6.2. Обратный осмос.
3.7. Тепломассообмен.
3.7.1. Тепловые трубы.
3.8. Молекулярные неолитовые сита.
3.8.1. Цветовые эффекты в неолитах.
4. ГИДРОСТАТИКА. ГИДРО-АЭРОДИНАМИКА.
4.1.1. Закон Архимеда.
4.1.2. Закон Паскаля.
4.2. Течение жидкости и газа.
4.2.1. Ламинарность и турбулентность.
4.2.2. Закон Беркулли.
4.2.3. Вязкость.
4.2.4. Вязкоэлектрический эффект.
4.3. Явление сверхтекучести.
4.3.1. Сверхтеплопроводность.
4.3.2. Термомеханический эффект.
4.3.3. Механокалорический эффект.
4.3.4. Перенос по пленке.
4.4.2. Скачок уплотнения.
4.4.3. Эффект Коанда.
4.4.4. Эффект воронки.
4.5. Эффект Магнуса.
4.6. Дросселирование жидкостей и газов.
4.6.1. Эффект Джоуля-Томсона.
4.7. Гидравлические удары.
4.7.1. Электрогидравлический удар.
4.7.2. Светогидравлический удар.
4.8. Квитанция.
4.8.1. Гидродинамическая квитанция.
4.8.2. Акустическая квитанция.
4.8.3. Сонолюминесценция.
5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.
5.1. Механические колебания.
5.1.1. Свободные колебания.
5.1.2. Вынужденные колебания.
5.1.3. Явление резонанса.
5.1.4. Автоколебания.
5.2. Акустика.
5.2.1. Явление реверберации.
5.3. Ультразвук.
5.3.1. Пластическая деформация и упрочнение.
5.3.2. Влияние ультразвука на физико-химические свойства
металлических расплавов:
5.3.2.1. на вязкость
5.3.2.2. на поверхностное натяжение
5.3.2.3. на теплообмен
5.3.2.4. на диффузию
5.3.2.5. на растворимость металлов и сплавов
5.3.2.6. на модифицирование сплавов
5.3.2.7. на дегазацию расплавов.
5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект.
5.3.4. Некоторые возможности использования ультразвука.
5.3.5. Акустомагнетоэлектрический эффект.
5.4. Волновое движение.
5.4.1. Стоячие волны.
5.4.2. Эффект Допплера-Физо.
5.4.3. Поляризация.
5.4.4. Дифракция.
5.4.5. Интерференция.
5.4.6. Голография.
6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
6.1. Взаимодействие тел.
6.1.1. Закон Кулона.
6.2. Индуцированные заряды.
6.3. Втягивание диэлектрика в конденсатор.
6.4. Закон Джоуля-Ленца.
6.5. Проводимость металлов.
6.5.1. Влияние фазовых переходов.
6.5.2. Влияние высоких давлений.
6.5.3. Влияние состава.
6.6. Сверпроводимость.
6.6.1. Критические значения параметров.
6.7. Электромагнитное поле.
6.7.1. Магнитная индукция. Сила Лоренца.
6.7.2. Движение зарядов в магнитном поле.
6.8. Проводник с током в магнитном поле.
6.8.1. Взаимодействие проводников с током.
6.9. Электродвижущая сила индукции.
6.9.1. Взаимная индукция.
6.9.2. Самоиндукция.
6.10. Индукционные токи.
6.10.1. Токи Фуко.
6.10.2. Механическое действие токов Фуко.
6.10.3. Магнитное поле вихревых токов. Эффект Мейснера.
6.10.4. Подвеска в магнитном поле.
6.10.5. Поверхностный эффект.
6.11. Электромагнитные волны.
6.11.1. Излучение движущегося заряда.
6.11.2. Эффект Вавилова-Черенкова.
6.11.3. Бататронное излучение.
7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙТВА ВЕЩЕСТВА.
7.1.1. Изоляторы и полупроводники.
7.1.2. Сопротивление электрическому току.
7.1.3. Тепловые потери.
7.2. Диэлектрическая проницаемость.
7.2.1. Частотная зависимость.
7.3. Пробой диэлектриков.
7.4. Электромеханические эффекты в диэлектриках.
7.4.1. Электростракция.
7.4.2. Пьезоэлектрический эффект.
7.4.3. Обратный пьеэоэффект.
7.5. Пироэлектрики.
7.5.2. Сегнетоэлектрики.
7.5.3. Сегнетоэлектрическая температура Кюри.
7.5.4. Антисегнетоэлектрики.
7.5.5. Сегнетоферромагнетики.
7.5.6. Магнитоэлектрический эффект.
7.6. Влияние электрического поля и механических напряжений
на сегнетоэлектрический эффект.
7.6.1. Сдвиг температуры Кюри.
7.6.2. Аномалии свойств при фазовых переходах.
7.6.3. Пироэффект в сегнетоэлектриках.
7.7. Электреты.
8. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА.
8.1. Магнетики.
8.1.1. Диамагнетики.
8.1.2. Парамагнетики.
8.1.3. Ферсомагнетизм.
8.1.3.1. Точка Кюри.
8.1.4. Антиферомагнетики.
8.1.4.1. Точка Нееля.
8.1.5. Температурный магнитный гистерезис.
8.1.6. Ферромагнетизм.
8.1.7. Супермарамагнетизм.
8.1.8. Пьезомагнетики.
8.1.9. Магнитоэлектрики.
8.2. Магнитокалорический эффект.
8.3. Магнитострикция.
8.3.1. Термострикция.
8.4. Магнитоэлектрический эффект.
8.5. Гиромагнитные явления.
8.6. Магнитоакустический эффект.
8.7. Ферромагнитный резонанс.
8.8. Аномалии свойств при фазовых переходах.
8.8.1. Эффекты Гипокинса и Баркгаузена.
9. КОНТАКТНЫЕ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭМИССИОННЫЕ
ЯВЛЕНИЯ.
9.1. Контактная разность потенциалов.
9.1.1. Трибоэлектричество.
9.1.2. Вентильный эффект.
9.2. Термоэлектрические явления.
9.2.1. Эффект Зеебека.
9.2.2. Эффект Пельтье.
9.2.3. Явление Томсона.
9.3. Электронная эмиссия.
9.3.1. Автоэлектронная эмиссия.
9.3.2. Эффект Мольтере.
9.3.3. Тунельный эффект.
10. ГАЛЬВАНО- И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
10.1.1. Гальваномагнитные явления.
10.1.2. Эффект Хола.
10.1.3. Эффект Этиингсгаузена.
10.1.4. Магнитоопротивление.
10.1.5. Эффект Томсона.
10.2. Термомагнитные явления.
10.2.1. Эффект Нернета.
10.2.2. Эффект Риги-Ледюка.
10.2.3. Продольные эффекты.
10.2.4. Электронный фототермомагнитный эффект.
11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ.
11.1. Факторы, влияющие на газовый разряд.
11.1.1. Потенциал ионизации.
11.1.2. Фотоионизация атомов.
11.1.3. Поверхностная ионизация.
11.1.4. Применение ионизации.
11.2. Высокочастотный тороидальный разряд.
11.3. Роль среды и электродов.
11.4. Тлеющий разряд.
11.5. Страты.
11.6. Коронный разряд.
11.7. Дуговой разряд.
11.8. Искровый разряд.
11.9. Факельный разряд.
11.10. "Стекание" зарядов с острия.
12. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.
12.1. Электроосмос.
12.2. Обратный эффект.
12.3. Электрофорез.
12.4. Обратный эффект.
12.5. Электрокапиллярные явления.
13. СВЕТ И ВЕЩЕСТВО.
13.1. Свет.
13.1.1. Световое давление.
13.2. Отражение и преломление света.
13.2.1. Полное внутреннее отражение.
13.3. Поглощение и рассеяние.
13.4. Испускание и поглощение.
13.4.1. Оптико-акустический эффект.
13.4.2. Спектральный анализ.
13.4.3. Спектры испускания.
13.4.4. Вунужденное извлечение.
13.4.5. Инверсия населенности.
13.4.6. Лазеры и их применение.
14. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.
14.1. Фотоэлектрические явления.
14.1.1. Фотоэффект.
14.1.2. Эффект Дембера.
14.1.3. Фотопьезоэлектрический эффект.
14.1.4. Фотомагнитный эффект.
14.2. Фотохимические явления.
14.2.1. Фотохромный эффект.
14.2.2. Фотоферроэлектрический эффект.
15. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ.
15.1. Люминесценция, возбуждаемая электромагнитным
излучением.
15.1.1. Фотолюминесценция.
15.1.2. Антистокосовские ..............
15.1.3. Рентгенолюминесценция.
15.2. Люминесценция, возбуждаемая корпускулярным
излучением.
15.2.1. Катодолюминесценция.
15.2.2. Ионолюминесценция.
15.2.3. Радиолюминесценция.
15.3. Электролюминесценция.
15.3.1. Инжекцронная люминесценция.
15.4. Химилюминесценция.
15.4.1. Радикалолюминесценция.
15.4.2. Кандолюминесценция.
15.5. Механолюминесценция.
15.6. Радиотермолюминесценция.
15.7. Стимуляция люминесценции.
15.8. Тушение люминесценции.
15.9. Поляризация люминесценции.
16. АНИЗОТРОПИЯ И СВЕТ.
16.1. Двойное лучепреломление.
16.2. Механооптические явления.
16.2.1. Фотоупругость.
16.2.2. Эффект Максвелла.
16.3. Электрооптические явления.
16.3.1. Эффект Керра.
16.3.2. Эффект Поккельса.
16.4. Магнитооптические явления.
16.4.1. Эффект Фарадея.
16.4.2. Обратный эффект.
16.4.3. Магнитооптический эффект Зерра.
16.4.4. Эффект Коттона-Муттона.
16.4.5. Прямой и обращенный эффект Зеемана.
16.5. Фотодихроизм-
16.5.1. Дихроизм.
16.5.2. Естественная оптическая активность.
16.6. Поляризация при рассеивании.
17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.
17.1. Вынужденное рассеяние света.
17.2. Генерация оптических гармоник.
17.3. Параметрическая генерация света.
17.4. Эффект насыщения.
17.5. Многофотонное поглощение.
17.5.1. Многофотонный фотоэффект.
17.6. Эффект самофокусирования.
17.7. Светогидравлический удар.
17.8. Гистеризисные скачки.
18. ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА.
18.1. Радиоактивность.
18.2. Рентгеновское и -излучение.
18.2.1. адгезолюминисценция.
18.2.2. Астеризм.
18.3. Взаимодействие рентгеновского и -излучений с
веществом.
18.3.1. Фотоэффект.
18.3.3. Когерентное рассеяние.
18.3.4. Образование пар.
18.4. Взаимодействие электронов с веществом.
18.4.1. Упругое рассеяние.
18.4.2. Неупругое рассеяние.
18.4.3. Тормозное изучение.
18.4.4. Совместное облучение электрозами и светом.
18.5. Взаимодействие нейтронов с веществом.
18.5.1. Нейтронное распухание.
18.6. Взаимодействие -частиц с веществом.
18.7. Радиотермолюминесценция.
18.8. Эффект Месбауэра.
18.9. Электронный парамагнитный резонанс.
18.10. Ядерный магнитный резонанс.
18.11. Эффект Сверхаузера-Абрагама.
19. РАЗНОЕ.
19.1. Термофорез.
19.2. Фотофорез.
19.2.1. "Перпендикулярный" фотофорез.
19.3. Стробоскопический эффект.
19.4. Муаровый эффект.
19.4.1. Контроль размеров.
19.4.2. Выявление дефектов.
19.4.3. Конусные шкалы.
19.4.4. Измерение параметров оптических сред.
19.4.5. Контроль оптики.
19.5. Высокодисперсные структуры.
19.5.1. Консолидированные тела.
19.6. Эпекстрореологический эффект.
19.7. Ресалектрический эффект.
19.8. Жидкие кристалы.
19.8.1. Электрооптические эффекты.
19.8.2. Динамическое рассеяние.
19.8.3. Управление окраской кристаллов.
19.8.4. Визуализация ИК-изобретения.
19.8.5. Химическая чувствительность.
19.9. Смачивание (к 3.3.2)
19.9.1. Эффект ратекания жидкости под окисными пленками
металлов.
19.9.2. Эффект капиллярного клея.
19.9.3. Теплота смачивания.
19.9.4. Магнитотепловой эффект смачивания.
19.10. Лента Мебиуса.
19.11. Обработка магнитными и электрическими полями.
Приложение 1: Возможные применения некоторых физических
эффектов и явлений при решении
изобретательских задач.
В В Е Д Е Н И Е
- - - - - - - -
Вы держите в руках "Указатель физических эффектов и
явлений". Это не справочник, потому что он включает в себя
лишь незначительную часть огромного колличества эффектов и
явлений изученного окружающего нас мира. Это и не учебник.
Он не научит Вас эффективному использованию физики при ре-
шении головоломных технических задач. Роль "Указателя" зак-
лючается в том, что он поможет вам увидеть и ощутить одну
из важнейших тенденций развития технических систем -переход
от исследования природы и практического воздействия на нее
на макроуровне к исследованию к исследованию ее на микроу-
ровне и связанный с этим переход от макротехнологии к мик-
ротехнологии.
Микротехнология основывается на совершенно иных прин-
ципах, чем технология,имеющая дело с макротелами. Микротех-
нология строится на основе применения к производству совре-
менных достижений химической физики, ядерной физики,
квантовой механики. Это новая ступень взаимодействия чело-
века и природы, а самое главное - это взаимодействие проис-
ходит на языке природы, на языке ее законов.
Человек, создавая свои первые технические системы, ис-
пользовал в них макромеханические свойства окружаещего вас
мира. Это не случайно, так как научное познание природы на-
чалось исторически именно с механических процессов на уров-
не вещества.
Вещество с его внешними формами и геометрическими па-
раметрами является обьектом, непосредственно данным *
человеку в ощущениях. Это тот уровень организации материи,
на котором она предстает перед человеком как явление, как
количество, как форма. Поэтому каждый технологический метод
воздействия соответствовал (и во многих современных техни-
ческих системах сейчас соответствует) простейшей форме дви-
жения материи - механической.
С развитием техники все методы воздействия совершенс-
твуются, но тем не менее, в их соотношении можно проследить
известные изменения. Механические методы в большинстве слу-
чаев заменяются более эффективными физическими и химически-
ми методами. В добывающей промышленности, например, вместо
механического дробления руды и подьема ее на поверхность,
получают распространение методы выщелачивания рудного тела
и получением раствора металла с последующим его выделением
химическим путем. В обрабатывающей промышленности микротех-
нологии приводит к революционным преобразованием: сложные
детали выращивают в виде монокристалов, внутренние свойства
вещества изменяют воздействием сильных электрических, маг-
нитных, оптических полей. в строительстве использование
фундаментальных свойств вещества позволяет отказываться от
сложных и дорогих механизмов. Например: только одно явление
термического расширения позволяет создавать неломающиеся
домкраты, строить арочные мосты в 5 раз быстрее (при этом
отпадает необходимость в опалубке и подьемных механизмов).
Прямо на месте строительства можно сделать несущую часть
арочного моста высотой до 20 метров, а делается это сказоч-
но просто: два стометровых металлических листа накладывают
друг на друга, между ними помещают асбестовую прокладку.
Нижний лист нагревают токами ВЧ до 700 градусов, соединяют
его с верхним, а при остывании этого "пирога" получают ар-
ку.
Чем объяснить эффективность микротехнологии? Здесь
трудно различить вещество, являющееся орудием воздействия,
и вещество, служащее преом труда. Здесь нет инструмента не-
посредственного воздействия, рабочего оружия или рабочей
части машины, как это имеет место при механических методах.
Функции орудия труда выполняют частицы веществ-молекул,
атомы-участвующих в процессе. Причем сам процесс легко уп-
равляем, коль скоро мы можем легко воздействовать опреде-
ленными полями на части, создавая соответствующие условия и
тогда не только не нужно, но часто и не возможното есть ав-
томатически и непрерывно. В это проявляется, говоря словами
Гегеля, "хитрость" научно-технической деятельности.
Переход от механических и макрофизических методов воз-
действия к микрофизическим позволяет значительно упростить
любой технологический процесс, добиться при этом большего
экономического эффекта, получить безотходные процессы, если
вещества и поля на входе одних процессов становятся вещест-
вами и полями на выходе других. Надо только помнить, что
безграничность возможностей научно-технической деятельности
может успешно реализося лишь при соблюдении границ возмож-
ного в самой природе, а уж природа ведет свои производства
на тончайшем атомном уровне бесшумно, безотходно и пол-
ностью автоматически.
"Указатель" покажет Вам на примерах эффективности ис-
пользования законов природы проектировании новой техники
может быть подскажет решение стоящей пред Вами технической
задачи. В него вошли многие физэффекты, которые еще ждут
своего применения и своего "применителя" (не Вы ли им буде-
те?).
Но составителя нового сборника будут считать свою за-
дачу выполненной лишь в том случае, если помещенная в него
информация станет для Вас тем "зародышем", с помощью кото-
рого Вы "вырастите" для себя (и поделитесь с другими) мно-
гогранный кристалл физических эффектов и явлений, раство-
ренных в безграничном мире. И чем больше будет этот
"кристалл", тем будет проще заметить закономерности его
строения. Это интересует нас, надеемся, заинтересует и Вас
и, тогда следующий "Указатель" сможет стать настоящим лоц-
маном в необъятномморе технических задач.
ОБНИНСК, 1979 г. Денисов С.
Ефимов В.
Зубарев В.
Кустов В.
Несколько соображений об Указателе физэффектов.
--------- ----------- -- --------- -----------
Чтобы уверенно решать сложные изобретательские задачи,
нужна, во-первых, программа выявления технических и физических
противоречий. Во-вторых, нужен информационный фонд, включающий
средства устранения противоречий: типовые приемы и физические
эффекты. Разумеется, есть еще и "в-третьих","в-четвертых" и т.
д. Но главное - программа и информационное обеспечение.
Вначале была просто программа - первые модификации АРИЗ.
Путем анализа патентных материалов постепенно удалось соста-
вить список типовых приемов и таблицу их применения. В число
типовых приемов попали и некоторые физические эффекты. В сущ-
ности, все приемы прямо или косвенно "физичны". Скажем, дроб-
ление; на микроуровне этот прием становится диссоциацией-ассо-
циацией, десорбцией-сорбцией и т.п. Но в типовых приемах
главное - комбинационные изменения. Физика либо проста (тепло-
вое расширение, например), либо скромно держится на втором
плане.
К 1967-68 г.г. стало ясно, что дальнейшее развитие инфор-
мационного обеспечения АРИЗ требует создания фонда физических
явлений и эффектов. В 1969 г. за эту работу взялся студент-фи-
зик В.Гутник, слушатель Молодежной изобретательской школы при
ЦК ЛКСМ Азербайджана (в начале 1970 г. школа стала и "при РС
ВОИР";в 1971 г. была преобразована в АзОИИТ - первый в стране
общественный институт изобретательского творчества). В 1970 г.
была организовна Общественная лаборатория методики изобрета-
тельства при ЦС ВОИР. В план ее работы было включено создание
"Указателя применения физэффектов при решении изобретательских
задач".
За два года В.Гутник проанализировал свыше 5.000 изобрете-
ний "с физическим уклоном" и отобрал из них примерно 500 наи-
более интересных; эта информация положила начало картотеке по
физэффектам. К 1971 г. появились первые наброски Указателя. Но
В.Гутник ушел в армию, работа прервалась. С 1971 г. разработку
"Указателя" начал вести физик Ю.Горин, слушатель, а затем пре-
подаватель АзОИИТ ныне кандидат наук. К 1973 г. Ю.Горин подго-
товил первый "Указатель". В него были включены свыше 100 эф-
фектов и явлений и примеры их изобретательского применения.
Полный текст "Указателя" (300 машинописных страниц) в 1973 г.
был передан в ЦК ВОИР, но не был издан. В том же 1973 г. уда-
лось подготовить сокращенный текст "Указателя" (108 стр.) и
отпечатать его на рататоре (баку,150 экз.). Позже этот текст
печатался в Брянске и других городах. Всего было отпечатано
около 1000 экз.
Практика применения этого - еще во многом периодичного
"Указателя" свидетельствует, что разделы, оживляющие забытые
знания, в общем работают удовлетворительно. Однако большая
часть физики относится к тому, что раньше было мало известно
или вобще не известно человеку, пользующемуся указателем. Из-
ложенные, слишком кратко, сведения о "новых" эффектах практи-
чески не работают. Да исамих эффектов в первом выпуске Указа-
теля было слишком мало. Далеко не ко всем эффектам удалось
подобрать характерные примеры их изобретательского применения.
Нуждались в корректировке и таблицы применения физэффектов.
Несмотря на появление нового Указателя, изобретательские
задачи и физика по-прежнему оставались "на разных берегах ре-
ки": Указатель еще не стал мостом между техникой и физикой.
Однако работа продолжалась.
С января 1977 г. эта работа была перенесена в ОБНИНСК и
велась коллективом. За год С.А.Денисов, В.Е.Ефимов, В.В.Зуба-
рев, В.П.Кустов подготовили вторую модификацию Указателя: ох-
вачено 400 эффектов и явлений, подобраны характерные примеры
их изобретательского применения, изложение стало более точным
и насыщенным. Успешной работе способствовало содействие препо-
давателей теории решения изобретательских задач из многих го-
родов: в ОБНИНСК все время поступала информация по физэффек-
там.
Нынешний Указатель - это справочник, который следовало бы
издать массовым тиражом. В сущности, это настольная книга
изобретателя (даже, если он не работает в АРИЗ).
Как использовать указатель?
Прежде всего, его надо внимательно прочитать. Точнее про-
работать: прочитать и без спешки просмотреть примеры, каждый
раз обдумывая - почему использован данный эффект, а не ка-
кой-то другой. Эту работу следует сделать вдумчиво, неторопли-
во, потратив на нее месяц-полтора и осваивая разделы указателя
небольшими дозами. По ряду разделов (особенно по магнетизму,
люминесценции, поляризованному свету) необходимо дополнительно
посмотреть учебники и специальную литературу.
Прорабатывая указатель, желательно по каждому разделу за-
давать себе упражнения: как использовать эти эффекты в моей
работе, какие новые применения этих эффектов я мог бы предло-
жить? Допустим на этот эффект наложено "табу", применять эф-
фект нельзя; каким другим эффектом можно воспользоваться? Мож-
но ли построить игрушку применив данный эффект? Можно ли
данный эффект использовать в космосе и что при этом изменить-
ся? и т.д. Особое внимание следует обращать на всякого рода
аномалии,отклонения,странности, а также на различные переход-
ные состояния вещества и условия, при которых эти преходы осу-
ществляются. Если проработав таким образом указатель вы не
пришли ни к одной новой идее, значит что-то неладно; скорее
всего,проработка была поверхностной.
Когда занятия идут на семинарах, курсах, в общественных
школах и т.п. Преподаватель может использовать упражнения та-
кого типа: "придумать новый и интересный физический эффект.
Как его можно использовать в технике? Что изменится в природе,
если такой эффект станет реальностью? Подобные упражнения - на
стыке физики и фантастики - особенно эффективны для развития
творческого мышления. Вообще указатель надо, прежде всего, ис-
пользовать до решения задач, регулярно углубляя знания и тре-
нируя мышление. Желательно, в частности, пополнять указатель,
наращивая сильные примеры и включая новые физэффекты.
При решении задач применение указателя более регламенти-
ровано: таблица применения физэффектов в АРИЗ-77 дает название
эффекта, который надо использовать для устранения физического
противоречия. По указателю можно получить сведения об этом эф-
фекте, а затем обратиться к литературе, рекомендованной указа-
телем.
Мост между изобретательскими задачами и физикой еще не
достроен. работа над указателем продолжается. в первом полуго-
дии 1978 г. Должны быть подготовлены два выпуска сводной кар-
тотеки дополнительно к нынешнему тексту указателю. Подготовка
таких выпусков должны идти регулярно: здесь по-прежнему нужна
помощь всех преподавателей. Предстоит также разработать табли-
цы превращения полей (какие эффекты переводят одно поле в дру-
гое?). Но центральная на ближайшие годы проблема - как замк-
нуть мост между изобретательством и физикой? Здесь наметилось
несколько подходов. Можно перевести физэффекты на вепольный
язык, дать каждому эффекту его вепольную формулу. Для этого
надо развить вепольный язык, зделать его богаче,гибче. Но
принципиальных трудностей здесь пока невидно.
Другая возможность состоит в том, чтобы построить систему
эффектов например, по анологии с системой приемов (прос-
тые,парные,сложные...) По структуре нынешний Указатель все еще
привязан к структуре обычных курсов физики. Система физических
эффектов, видимо, должна выглядеть иначе: эффекты собираются в
группы, каждая из которых будет включать эффект, обратный эф-
фект, би-эффект (пример: интерференция), плюс - минус эффект
(сочетание эффекта и обратного эффекта), эффект сильно сжатый
по времени, эффект сильно растянутый по времени и т.д.
Вероятно, возможны и другие подходы. Так или иначе очн-
видно, что нельзя дальше ограничиваться чисто механическими
наращиваниями в память ЭВМ. А дальше что? Каждый эффект, без-
различно - записан он на бумагу или хранится в памяти ЭВМ -
придется извлекать и пробовать его "вручную"... Положение Ука-
зателя должно идти своим чередом. Но уже нынешний Указатель -
вполне достаточный фундамент для построения теории применения
физэффектов при решении изобретательских задач.
В журнале " " за 1975 г. т.24.н11, стр.512-515 (журнал
ГДР, реферат - см. реферативный журнал "Физика иа. Общие воп-
росы физики", 1976,н4,стр.25) сообщается о создании информаци-
онного каталога физических явлений для разработки технологи-
ческих методов. Это близко к идее Указателя, хотя в Указателе
уклон не в технологию, а в преодоление противоречий при реше-
нии изобретательских задач. Каталог выполнен ввиде папок, ко-
торые могут пополняться. Это примерно то, что у нас было до
составления первой модификации Указателя - папки по эффектам.
Но немцы - да и кто угодно - без особого труда могут нас наг-
нать, достаточно засадить за работу несколько десятков физиков
- и из малой "кучи эффектов" будет сделана "большая куча". На-
ше преимущество - в подходе к проблеме. Мы понимаем, что дело
не в том, чтобы набрать "большую кучу" информации и засунуть
ее в ЭВМ, которая сама разберется - что к чему. Мы понимаем,
что везде, в том числе и в данной проблеме - надо искать обь-
ективные законы. Технические системы развиваются закономерно,
поэтому применение физики в изобретательстве тоже должно под-
чиняться определенным законам.
На выявление этих законов и нужно напрвить основные усилия.
1978, январь Г.Альтшуллер
Механические эффекты
1.1.Силы инерции.
Силы инерции возникают при движении тел с ускорением,
т.е. в случаях, когда они изменяют свое количество движения.
1.1.1. Если на тело действует сила, приложенная к его по-
верхности, возникающая при этом сила инерции слагается из сил
инерции его элементарных частиц как бы последовательно; более
удаленные от места приложения действующей на тело силы частицы
"давят" на более близкие. Во всем обьеме тела возникают напря-
жения приводящие к смещениям частиц тела. Этот эффект исполь-
зуется в различных инерционных выключателях, переключателях и
акселерометрах.
А.с. 483 120: Переключатель для электромеханической иг-
рушки, содержащий корпус с контактами и установленный в нем с
возможностью ограниченного поворота диск с токосьемками и
прикрепленным к нему одним концом поводком, отличающийся тем,
что с целью реверсированияэлектродвигателя при столкновении
игрушки с препятствием,на свободном конце поводка укреплен
груз.
Силу инерции можно также использовать для создания допол-
нительного давления в различных технологических процессах.
А.с. 509 539: Способ получения карбонила вольфрама путем
обработки порошкообразного вольфрама окисью углерода при осу-
ществлении ее циркуляции и выводе конечного продукта из зоны
реакции с последующей его конденсацией, отличающийся тем, что
с целью упрощения процесса и обеспечения его непрерывности,
процесс ведут в измельчительном аппарате с инерционной нагруз-
кой 15-40 при давлении окиси углерода 0,9-10 ата и температуре
20-30 C.
1.1.2. Центробежная сила инерции возникает, когда тело
под действием центростремительной силы - причины изменяет нап-
равление своего движения, при этом сохраняется энергия тела.
Эта сила действует всегда только в одном направлении - от
центра вращения.
А.с. 518 322: Способ шлифования криволинейных поверхнос-
тей движущейся абразивной лентой, при котором ленту поджимает
к обрабатываемой детали контактным копиром, эквидестантным на
толщину ленты обрабатываемой поверхности, отличающийся тем,
что с целью обеспечения возможности обработки выпуклых поверх-
ностей, ленту прижимают к рабочей поверхности контактного ко-
пира центробежными силами.
Фактически, это есть сила взаимодействия между телами -
вращающимся и удерживающим его на окружности. В свою очередь,
вращающееся тело также воздействует на удерживающее. По треть-
ему закону Ньютона эти силы равны по величине ипротивоположны
по направлению в каждый момент времени. Взаимодействие двух
тел осуществляется через какие-либо связи - нитку, стержень,
электрическое и гравитационное поля и т.д. В случае разрыва
связей, соединяющих взаимодействующие тела, оторвавшееся тело
будет двигаться прямолинейно (по инерции).
Патент ФРГ 1 229 253: Способ изготовления листочков или
чешуек из стекла, отличающийся тем, что стекло, размягченное
при нагревании, наносят на стенку в форме круга, имеющего по
окружности закраину. Стенки для образованияпленки из стекла
приводят во вращение. Пленка размягченного стекла выбрасывает-
ся через закраину под действием центробежных сил. Затем пленка
затвердевает на некотором расстоянии от вращающейся стенки и
разбивается на листочки.
1.1.3. Чем больше масса вращающегося тела и чем дальше
она отнесенаот центра вращения, тем большим моментом инерции
обладает тело.
А.с. 538 800: Способ регулирования энергии ударов в куз-
нечно-прессовых машинах ударного действия, заключающийся в из-
менении момента инерции маховых масс, отличающийся тем, что с
целью повышения качества обрабатываемых изделий и долговечнос-
ти машин, момент инерции изменяют путем подачи или отвода жид-
кости во внутренние полости маховых масс.
А.с. 523 213: Способ уравновешивания сил инерции подвиж-
ных элементов машин, заключающийся в том, что уравношиваемый
элемент машины, соединяют с аккумулирующим телом и приводит их
во вращение, отличающийся тем, что с целью повышения эффектив-
ности уравновешивания, в качестве аккумулирующего тела исполь-
зуют маховик с изменяемым радиусом центра масс, например,
центробежный регулятор.
Силы, возникающие в процессе вращательного движения, мож-
но использовать для ускорения некоторых технологических про-
цессов.
А.с. 283 885: Способ деарации порошкообразных веществ пу-
тем уплотнения, отличающийся тем, что с целью интенсификации,
деарацию производят под воздействием центробежных сил.
А.с. 415 036: Способ приготовления сорбена для акстракци-
онной хромофотографии путем смещения жидкой фазы и твердого
носителя, отличающийся тем, что с целью повышения равномернос-
ти распределения жидкой фазы на твердом носителе и интенсифи-
кации процесса, удаления избытка жидкой фазы, смещение произ-
водят в центробежном поле.
а также для деформации:
А.с. 517 501: Способ отбортовки труб из термопластичного
материала, включающий опреации нагревания ее конца до размяг-
чения и последующей его деформации, отличающийся тем, что с
целью упрощения изготовления изделия и повышения его качества,
деформацию размяченного конца трубы осуществляют ее вращением.
Подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля
можно значительно увеличить производительность парогенераторов
т.к., если нагретую жидкость под давлением подавать по каса-
тельной к вращающемуся цилиндру, то жидкость закрутится. При
этом жидкост будет закручиваться с большего на меньший радиус,
а это в силу закона сохранения момента количества движения,
вазовет рост линейной скорости. Согласно закону Бернулли уве-
личение скорости приведет к падению давления в движущейся жид-
кости. Поэтому жидкость, недогретая до кипения, попав в зону
пониженного давления, закипит и сухой пар будет скапливаться в
центре цилиндра.
На каждый элемент обьема вращающейся вязкой жидкости
действуют две силы: центробежная, пропорциональная ее плотнос-
ти и сила тяжести, также пропорциональная той же плотности.
Поэтому на форму параболического мениска плотность не влияет,
т.е. любые жидкости будут иметь одинаковые формы.
А.с. 232 450: Способ изготовления изделий с параболличес-
кой поверхностью, основанный на использовании вращения резер-
вуара с жидкостью, отличающийся тем, что с целью снижения сто-
имости и повышения точности параболической поверхности, в
качестве формовочного элемента используют жидкость с большим
удельным весом, на которую наносят жидкость с меньшим удельным
весом, затвердевающую при вращении резервуара.
1.1.4. Отметим еще одну особенность вращающихся систем.
Вращающееся тело обладает гироскопическим эффектом - способ-
ностью сохранять в пространстве неизменное направление оси
вращения. При силовом воздействии с уелью изменить направление
оси вращения возникает процессия гироскопических систем. Ги-
роскопы широко применяются в технике: они являются одним из
основных элементов современных систем управления судами, само-
летами, планетоходами, космическими кораблями.
А.с. 474 444: Локомотив с электропередачей, содержащий
аккумулятор энергии ввиде вращающегося маховика, связанный с
преобразователем энергии, представляющий собой обратимую
электрическую машину, отличающийся тем, что с целью устранения
сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомо-
тива, маховик с преобразователем энергии смонтированы в обо-
лочке и помещены в гироскопический механизм с двумя степенями
свободы.
Измеряя процессию гироскопа, можно определить величину
внешних сил, воздейставующих на гироскоп.
А.с. 487 336: Устройство для определения силы трения, со-
держащее корпус, карданный подвес, ротор с приводом, установ-
ленные в карданном подвесе, держатели образца и контрообразца,
нагружающий механизм, взаимодействующий с держателем контроб-
разца, датчик угловой скорости процессии, связанный с рамками
карданного повеса, отличающийся тем, что с целью определения
силы трения при высоких, порядка сотен м/с скоростях вращения,
держатель образца установлен на роторе, нагружающий механизм с
держателем контробразца установлены на внутренней рамке кар-
данного подвеса, а датчик угловой скорости процессии связан с
внешней рамкой процессии.
Посколько при вращательном движении само тело остается на
одном месте, а только участки тела совершают круговые движе-
ния, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую
энергию, которую затем можно преобразовывать в кинетическую
энергию поступательного движения. На этом принципе работают
инерционные аккумуляторы, используемые, например, в гиробусах.
А.с. 518 302: Машины для инерционной сварки, трением, со-
держащая привод вращения и шпиндель с массой для накопления
энергии, отличающийся тем, что с целью уменьшения энергоемкос-
ти процесса, масса для накопления энергии выполнена ввиде
инерционного пульсатора.
А.с. 518 381: Привод кузнечно-прессовой машины, содержа-
щий электродвигатель и насос, соединенный трубопроводом через
распределительную систему с аккумулятором и рабочим цилиндром
машины, отличающийся тем, что с целью повышения КПД он снабжен
дополнительным аккумулятором энергии - маховиком, установлен-
ным в кинематической цепи, связывающей электродвигатель с на-
сосом.
Силы инерции проявляются при изменении скорости движуще-
гося тела или при появлении центростремительной силы; в этих
случаях всегда появляется реальная сила, которую можно исполь-
зовать в различных процессах и при этом совершенно "бесплат-
но".
1.2. Гравитация.
Кроме того, масса является мерой инертности тела, любая
масса является источником гравитационного поля. Через гравита-
ционные поля осуществляется взаимодействие масс. Гравитацион-
ные силы самые слабые из всех сил, известных науке; тем не ме-
нее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во
многом предопределяют поведение физических систем. Количест-
венно гравитационные взаимодействия описываются законом все-
мирного тяготения. Сила тяготения пропорциональна массе. Такая
пропорциональность приводит к тому, что ускорение, приобретае-
мое в данной точке гравитационного поля различными телами, для
всех тел одинаково (конечно, если на эти тела не действуют ни-
какие другие силы - сопротивление воздуха и т.д.). Если расс-
матривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то
это движение будет равноускоренным - ускорение будет постоянно
по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства
ускорения имеют те или иные конкретные причины - вращение Зем-
ли, ее несферичность, несимметричное распределение масс внутри
Земли, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электри-
ческих или магнитных полей и т.д. Постоянство ускорения - это
возможность измерять массы посредством измерения веса, это ча-
сы, датчики времени,- это бесплатные силы гравитации - точно
калиброванные.
Патент США 3 552 283: Устройство отмечающее положение
плоскости Земли при помощи устройства, отмечающего поожение
плоскости Земли, образуется изображение на экспонируемой фо-
тографической пленке, позволяющее определить на проявленном
негативе или на позитивном отпечатке положение плоскости Земли
независимо от положения камеры во время киносьемки. Устройство
содержит прозрачное тело с грузиком, смещаюшимся под действием
силы тяжести в самый нижний угол этого тела. Прозрачное тело
может располагаться внутри корпуса камеры или внутри кассеты
для роликовой пленки, причем единственным требованием к проз-
рачному телу является то, чтобы оно находилось на пути свето-
вых лучей, идущих от фотографируемого обьекта на пленку, уста-
новленную в камере. На краю кадра проявленного негатива или
позитивной пленки образуется метка ввиде стрелки, направленной
в сторону плоскости Земли. Метка ввиде стрелки может использо-
ваться для правильной ориентации пленки или диапозитива.
А.с. 189 597: Устройство для установления заданных проме-
жутков времени, отличающееся тем, что с целью повышения точ-
ности измерения при записи сейсмограмм, оно выполнено ввиде
стержня, с расположенным на нем грузом, замыкающим во время
свободного падения контакты, соединенные с электродетонатора-
ми.
1.3. Трение.
Трение представляет собой силу, возникающую при относи-
тельном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их
касания. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень
трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноме-
нологической теорией трения, описывающей в основном факты, а
не их обьяснения.
Различают трения качения и трения скольжения. Феноменологи-
ческая теория трения базируется, в основном на представлении о
том, что касание твердых тел имеет место лишь в отдельных пят-
нах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, ад-
гезии и т.п.; при скольжении каждое пятно касания (так называ-
емая фрикционная связь) существует ограниченное время. Сумма
всех сил, действующих на пятна касания, усредненая по времени
и по поверхности носит название силы трения. Продолжительность
существования фрикционной связи определяет такие важные вели-
чины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, ра-
боту по преодолению сил трения. Характерно,что при трении наб-
людаются значительные деформации пограничного слоя,
сопровождающиеся структурными превращениями, избирательной
диффузией: учет всех этих процессов затруднен из-за сильной
зависимости от температуры. Температура на пятнах касания воз-
растает очень быстро и может достигать несколько сот градусов.
Обычно трение качения, при котором основная работа затрачи-
вается на передеформирование материала при формировании валика
перед катящимся телом, много меньше трения скольжения. Но как
только скорость качения достигает скорости распространения де-
формаций, трение качения резко возрастает; поэтому при больших
скоростях качения лучше использовать трение скольжения.
Трение покоя больше трения движения, и этот факт снижает
чувствительность точных приборов. Заменить трение покоя трени-
ем движения - это значить уменьшить силу трения и как-то ста-
билизировать ее. Задачу можно решить, заставив трущиеся эле-
менты совершать колебания.
В патенте США 3 239 283: задача решается выполнением втулки
подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытием ее
электропроводящей фольгой. Пропуская переменный ток, под дейс-
твием которого пьезоэлектрик вибрирует, ликвидируют трение по-
коя.
1.3.1. Явление аномального низкого трения. Установлено, что
при достаточно сильном облучении одной из трущихся поверхнос-
тей ускоренными частицами (например, атомами гелия) коэффици-
ент трения падает в десятки и даже сотни раз, достигая сотых и
тысячных долей единицы (открытие-121). Для возникновения эф-
фекта сверхнизкого трения необходимо, чтобы процесс трения
осуществлялся в вакууме. Переход в состояние сверхнизкого тре-
ния может осуществляться далеко не всеми телами. Этой способ-
ностью обладают вещества со слоистой кристаллической структу-
рой. Исследования показали, что очень тонкий поверхностный
слой вещества при совместном действии трения и облучения испы-
тывает сильную ориентацию, благодаря чему его структурные эле-
менты располагаются параллельно плоскости контакта, за счет
чего сильно уменьшается способность вещества образовывать
сильные адгезионные связи. Роль облучения сводится к очень ин-
тенсивной очистке поверхности контакта от премисей и от моле-
кул воды, препяствующих ориентации. К тому же водная пленка
сама является источником довольно сильных адгезионных связей.
Явление аномально низкого трения можно использовать к примеру
в подшипниках:
А.с. 290 131: Подшипник скольжения, содержащий корпус, в
котором смонтирован вал посредством сегментов с металлической
рабочей поверхностью, расположенных равномерно по окружности,
отличающееся тем, что с целью уменьшения коэффициента трения
при работе в вакууме, он снабжен источником быстрых и нейт-
ральных молекул газа, например, инертного, встроенного в кор-
пус между сегментами и направляющим поток молекул на рабочую
поверхность вала, покрытую полимером, например, полиэтиленом.
1.3.2. Эффект безызиосности.
Всегда и везде ранее принималось, что трение и износ два
неразрывно связанных явления. Однако в результате открытия (нр
-41) Крагельского И.В. и Гаркунова Д.Н. удалось разьединить
это, хотя и традиционное, но невыгодное содружество. В их под-
шипнике трение осталось - износ исчез; за это исчезновение от-
ветственен процесс атомарного переноса. Самый опасный вид из-
носа - схватывание. В соответствии с принципом "обратить вред
в пользу" - схватывание входит как составная часть в атомарный
перенос; далее оно компенсируется противоположным процессом.
Рассмотрим пару сталь - бронза с глицериновой смазкой. Глице-
рин, протравливая поверхность бронзы способствует покрытию ее
рыхлым слоем чистой меди, атомы которой легко переносятся на
стальную поверхность. Далее устанавливается динамическое рав-
новесие - атомы меди летают туда и обратно, и износа практи-
чески нет, ибо медный порошок прочно удерживает глицерин, ко-
торый в свою очередь, защищает медь от кислорода. В авиации
уже испытаны бронзовые амартизационные буксы в стальной стойке
шасси самолета.
1.3.3. Эффект Джонсона-Рабека.
Если нагревать пару соприкасающихся трущихся поверхностей -
полупроводник и металл, то сила трения между этими поверхнос-
тями будет увеличиваться. Этот эффект используется в тормозах
и муфтах крутящего момента.
Патент США 3 343 635: Тормоз представляющий собой вал, пок-
рытый полупроводниковым материалом, охваченный металлической
лентой. Тормозной момент зависит от температуры полупроводни-
кового слоя и регулируется путем пропускания электрического
тока через вал и охватывающую его ленту.
Патент Англии 1 118 627: Устройство для передачи вращения
между двумя валами, состоящая из двух соприкасающихся дисков,
один из которых выполнен из полупроводникового материала, а
второй - металлический. Регулирование передаваемого момента
происходит при нагреве соприкасающихся упомянутых материалов
путем пропускания электрического тока между ними.
Интересное использование трения:
А.с. 350 577: Способ получения отливок, заключающийся в
пропускании расплавленного металла через каналы, выполненные в
теле оправки, отличающееся тем, что с целью совмещения процес-
са плавки и заливки металла, оправку поднимают к металлической
заготовке и вращают, расплавляя заготовку теплом, выделяющимся
в процессе трения.
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 1.2. Я.Н.Ройтенберг, Гироскопы, М., "Наука", 1975
В.А.Павлов, Гироскопический эффект, его проявление и
использование, Л., "Судостроение", 1972
Н.В.Гулия, Возрожденная энергия, "Наука и жизнь", 1975,
нр-7.
К 1.3. А.А.Силин, Трение и его роль в развитии техники,
М., "Наука", 1976.
И.В.Крагельский, Трение и износ, М., "машиностроение",1968
Д.Н.Гаркунов, Избирательный перенос в узлах трения,
М., "Транспорт", 1969.
2. Д Е Ф О Р М А Ц И Я .
-----------------------
2.1. Общая характеристика.
В самом общем случае под деформацией понимается такое
изменение положение точек тела, при котром меняется взаимные
расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся
изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить
механические силы, электрические, магнитные, гравитационные
поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.
В теории деформации твердых тел рассматриваются многие
типы деформаций-сдвига, кручения и т.д. Формальное описание
их можно отыскать в любом курсе сопромата.
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она
называется упругой, в противном случае имеет место пластичес-
кая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука,
согласно которому деформация пропорциональна механическому
напряжению.Если рассматривать деформации на атомарном уровне
то упругая деформация характеризуется,прежде всего практичес-
ки одинаковым изменением растояния между всеми атомами крис-
тала; при пластических деформациях возникают дислокации-ли-
нейные дефекты кристалической решотки.
Величина деформации любого вида определяется свойствами
деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следо-
вательно,имея данные о деформации, можно судить либо о свойс-
твах тела,либо о воздействиях; в некоторых случаяхи о том и о
другом, а в некоторых- о степени изменения свойств деформиру-
емого тела при том или ином внешнем воздействии.
А.с. 232571: Способ измерения спорных реакций машин и
станков в эксплуатационных условиях,отличающийся тем,
что,с целью определения реакций в спорах с резиновым
упругим элементом, измеряют величину деформации свобод-
ной поверхности резинового упругого элемента, по кото-
рой судят о величине опорной реакции.
2.1.1. С в я з ь э л е к т р о п р о в о д н о с т и
с д е ф о р м а ц и е й.
В 1975 году зарегистрировано открытие: обнаружена зави-
симость пластической деформации металла от его проводимости.
При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластич-
ность металла. Обратный переход понижает пластичность.
Напомним, что макроскопическая пластическая деформация
осуществляется перемещением большого количества дислокаций,
способность же кристалла оказывать сопротивление пластической
деформации определяется их подвижностью.
Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при раз-
личных способах механических испытаний. В экспериментах было
обнаружено значительное повышение пластичности металла /ра-
зупрочнение/ при переходе его в сверхпроводящее состояние.
Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких де-
сятков процентов.Детальное изучение явления разупрочнения
привело к выводу,что "виновником" его следует считать измене-
ние при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия
электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдель-
ной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко
уменьшаются при сверхпроводящем переходе.Таким образом, обна-
ружена прямая связь механической характеристики металлаего
пластичности с чисто электронной характеристикой-проводи-
мостью.
Главный вывод-электроны металлов тормозят дислокации
в с е г д а.Сверхпроводящий переход помог выявить роль элект-
ронов и позволил оценить электронную силу торможения. Но пе-
реход в сврхпроводящее состояние- не единственная возможность
влиять на электроны. Этому служит магнитное поле, давление и
т.д. Ясно, что такие воздействия должны изменять и пластич-
ность металла, особенно, когда электроны- главная причина
торможения дислокаций.
Магнитное поле в сочетании с низкой температурой спо-
собны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость,
теплопроводность,упругость,прочность и даже цвет. Появляются
новые электрические свойства. Превращения происходят практи-
чески мгновенно- за 10 в11-ой и 10 в12-ой сек. Исходя из экс-
периментов ожидают использования новых эффектов в обычных ус-
ловиях.
2.1.2. Э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й
э ф ф е к т в м е т а л л а х
Установлен электропластический эффект в металлах и до-
казана возможность его применения для практических целей. От-
крытие этого эффекта привело к более глубокому пониманию ме-
ханизма пластической деформации, расширило представление о
взаимодействии свободных электронов в металле с носителями
пластической деформации-дислокациями.
Появилась возможность управлять механическими свойства-
ми металлов, в частности, процессом обработки металлов давле-
нием. Например, деформировать вольфрам при температурах не
превышающих 200 гр.С и получить из него прокат с высоким ка-
чеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было
найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и
уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия
теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток
высокой плотности 10 в4-ой 10 в6-ой а/см./2 то величина эф-
фекта будет будет порядка десятков процентов. Электрический
ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений
в металле и оказывается удобным технологическим фактором для
снятия внутренних напряжений в металле. Электропластический
эффект также линейно зависит от плотности тока (вплоть до 10
в5-ой а/см./2 ) и имеет большую величину при импульсном токе,
а при переменном вообще не наблюдается.
Видна связь явления разупрочнения металла при сверхпро-
водящем переходе с электропластическим эффектом. В этом и
другом случае происходит разупрочнение металла. Однако, если
в первом случае в основе явления лежит уменьшение сопротивле-
ния движению и взаимодействию дислокаций при устранении из
металла газа свободных электронов,во втором случае причиной
облегчения деформации является участие самого электронного
газа в пластической деформации металла. Электронный газ из
пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую
направленный дреф и поэтому ускоряющую движение и взаимодейс-
твие дислокацийе (или снижающую обычное электронное торможе-
ние дислокаций) Этот эффект уже находит свое применение на
практике:
А. .. : "Способ снижения прочности металлов, напри-
мер,при пластической деформации при котором через заготовку
пропускают электрический ток отличающийся тем, что с целью
снижения прочности металла при сохранении его низкой темпера-
туры, к заготовке прикладывают импульсы тока плотностью преи-
мущественно 10 а/см./2, с частотой подачи 20-25Гц.
2.1.3. Ф о т о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т .
Естественно ожидать изменение пластических свойств и
при других воздействиях на электронную структуру образца.
Например, воздействие светового излучения на кристалы полуп-
роводника вызывает в них перераспределение электрических за-
рядов. Не будет ли свет влиять на пластические свойства по-
лупроводников? Советские ученые Осиньян и Савченко на этот
вопрос отвечают утвердительно. Их открытие зарегистрировано
под номером 93 в такой формулировке:
"Установлено ранее неизвестное явление,заключающееся в
изменении сопротивления пластической деформации кристаллов
полупроводников под действием света, причем максимальное из-
менение происходит при длинных волн, соответствующих краю
собственного поглащения кристаллов".
В их опытах образцы полупроводников сжимались и растя-
гивались до наступления пластической деформации. Затем обра-
зец освещался светом. Вызванное им перераспределение носите-
лей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации
носителей пластической деформации и тотчас прочность образца
увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как проч-
ность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначального
значения.
Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного
интересного явления - и н ф р а к р а с н о г о гашения фо-
топластического эффекта.
Эффект фотопластичности предполагается использовать для
разработки нового типа элементов автоматики, новой тех-
нологии полупроводнико,для создания качественно новых
приемников видимого светового и инфракрасного излуче-
ния.
2.1.4. Э ф ф е к т Б а у ш и н г е р а .
При упругих деформациях перемена знака внешнего усилия
вызывает только изменение знака деформации,без изменения ее
абсолютной величины. Если же под влиянием внешних усилий в
металле возникают дислокации,т.е. наступает режим пластичес-
кой деформации то упругие свойства металла изменяются и начи-
нает сказываться влияние знака первоначальной деформации. Ес-
ли металл подвергнуть слабой пластической деформации
нагрузкой одного знака,то при перемене знака нагрузки обнару-
живается понижение сопротивления начальным пластическим де-
формациям (эффект Баушингера). Возникшие при первичной дефор-
мации дислокации обуславливают появление в металле остаточных
напряжений, которые складываясь с рабочими напряжениями при
перемене знака нагрузки,вызывают снижение предела пропорцио-
нальности,упругости и текущести материала. С увеличением на-
чальных пластических деформаций величина снижения механичес-
ких характеристик увеличивается. Эффект Баушингера явно
проявляется при незначительном начальном наклепе.Низкий от-
пуск наклепанных материалов ликвидирует все проявления эффек-
та Баушингера. Эффект значительно ослабляется при многократ-
ных циклических нагружениях материала с наличием малых
пластических деформаций разного знака
2.1.5. Э ф ф е к т П о й н т и н г а .
Пойнтингом было установлено,что при закручивании сталь-
ных и медных проволок они не только закручиваются, но также
упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение прово-
локи примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при
заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату ра-
диуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, вели-
чина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату уг-
ла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом
было доказано,что удлинение при закручивании не связано с из-
менениями модуля ЮНГА -это позволяет предполагать,что свойс-
тва материала остаются без изменений.
Эффект Пойтинга нашел применение в машиностроении.
Пример тому А.с.546456: Способ демонтажа прессовых сое-
динений деталей типа вал-втулка путем воздействия на
охватываемую деталь усилием выпрессовки, отличающийся
тем, что с целью снижения усилия выпресовки, например,
подшипников качения с вала, перед выпрессовкой,охваты-
ваемую деталь,например,вал, скручивают.
Малая величина эффекта позволяет указать на возможность
его применения в некоторых областях измерительной техники.
Калиброванные изменения радиуса- это переменный калибр толщи-
ны: радиальное сжатие с одновременным удлинением -это измене-
ние (хотя и малое,но надежно калибрированное) электросопро-
тивления проволоки и т. д.
2.2 Передача энергии при ударах. Эффект Александрова.
Коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к уда-
ряющему зависит от отношения их масс-чем больше это отноше-
ние,тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах удар-
ного действия всегда старались учесть это соотношение, по
крайней мере,до 1954 года,когда Е.В.Александровым было уста-
новлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи
растет лишь до определенного критического значения,определяе-
мого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел (удар упру-
гий) При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх
критического коэффициента передачи энергии определяется не
реальным соотношением масс а критическим значением этого от-
ношения.
Соответственно,коэффициент востановления определяется
формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энер-
гии. Очевидно,этот эффект обязательно должен учитываться при
проектировании машин ударного действия. Наглядная иллюстрация
к тому:
А.с.. 203557 Механизм для воздействия на твердое тело
ударной нагрузкой,содержит два или более соударяющихся
элементов,причем один из них является рабочим, непос-
редственно воздействующим на твердое тело, отличающийся
тем,что в нем предусмотрено средство для создания перед
каждым соударением элементов дополнительного зазора в
системе "соударяющиеся элементы-твердое тело" и один
или несколько из соударяющихся элементов, за исключени-
ем рабочего, выполнены из материала с меньшим модулем
упругости, чем материал элемента.
На основе открытия Александрова создан так называемый
механический полупроводник,в котором передача энергии практи-
чески осуществляется только в одном направлении, независимо
от жесткости опоры. На этой основе уже создан новый отбойный
молоток,который в два раза легче серийного и обладает большой
производительностью.Теоретически доказана возможность и целе-
сообразность бурения на глубинах до 100 м без погружения бу-
рильной машины в скважину.
А.с..447496: Наддолотный утяжелитель,состоящий из несо-
единенных между собой свободно установленных на буриль-
ной колонне грузовых трубчатых элементов, отличающихся
тем,что с целью усиления ударных нагрузок на доло-
то,каждый вышележащий грузовой трубчатый элемент имеет
большую массу по сравнению с нижележащими.
2.3. Эффект радиационного распухания металла.
Как бы не пытались исправить деформированную деталь,
она все равно вспомнит свойдефект,частично востановит прежнюю
покоробленность.Виной тому внутреннее напряжение в материа-
лах. Они существуют всегда.Отжиг ликвидирует их в металлах,
но при остывании, которое идет не равномерно,внутренние нап-
ряжения хотя и ослабленные,появляются вновь.С помощью холод-
ной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно.
Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.
При облучении нейтроны врываются в недра металла и,
сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов) выбивают их из узлов
кристалической решотки.Те,в свою очередь,ударяясь о другие
ионы, либо остаются на месте,либо оставляют эти места свобод-
ными. Большая же часть ионов внедряется в междоузлия.Обраба-
тываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем.
Так вот, если изогнутую деталь подвергнуть радиоактив-
ному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы,
расталкивая ионы и атомы кристаллической решотки, начнут раз-
гибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обыч-
ным измерительным прибором,следить за ней постоянно во время
правки и закончить процесс точно на "нуле". Причем править
можно в сборе, на готовой машине.
Действие радиации легко расчитать. Известно,что макси-
мальное изменение объема стали при нейтронном облучении сос-
тавляет 0,3% . Например,если подвергнуть облучению только
средний участок стальной детали длиной 1000мм и высотой 50мм
,то устраняется прогиб в 2,5мм.
Не металические и композиционные материалы при облуче-
нии изменяют свой объем еще сильней.Например,пластмассы - до
24% .
С помощью радиации мы не просто выпрямляем деталь, а
перераспределяем внутренние напряжения до нового равновесного
состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому изделие самоп-
роизвольно уже не разогнется. Этот способ защищен авторским
свидетельством . 395147 (см.18.5.1)
2.4. С п л а в ы с п а м я т ь ю .
Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий,
медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого
сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после
нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в
точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас
науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру
свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они
известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие
усилия при восстановлении своей формы.
Этим воспользовались в Институте металлургии им.
А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слеж-
ную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его
поверхность наносят обычными приемами - с помощью проката,
напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого дру-
гого металла или сплава.
Такой металлический слоеный пирог после нагревания
вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким спо-
собом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой
формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН
сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозмож-
ные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы
сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят виб-
рации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников.
В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места.
В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает слож-
нейшие формы, приданные ей еще на Земле.
При соединении полых деталей с каркасом заклепки из
сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с па-
мятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда
расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с
памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного
преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую
ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирь-
купружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропус-
тить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою
форму - гирька поползет вверх, выключаем ток - гирька вновь
спускается и т.д. По сути дела - это искуственный мускул. На
этом принципе можно делать двигатели нового типа, использую-
щие даровую энергию Солнца.
Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые:
тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термо-
упругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты,
напряженный железобетон и многое другое.
Л И Т Е Р А Т У Р А
- - - - - - - - - -
К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока-
цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.
К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор-
мация металлов, "Природа", 1977.
К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.
К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор-
циональности и текущести при повторном нагружении,
"Заводская лаборатория", 1950, н'4.
Ф.Ходж Теория идеально пластических тел, М.. "ИЛ", 1956
К 2.4. И.И.Карнилов и др., Никелид титана и другие сплавы с
эффектом "памяти", "Наука", 1977.
3.1. Тепловое расширение вещества.
Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атом-
но-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во
всем диапозоне температур находятся в непрерывном хаотическом
движении, причем, чем выше температура обьема вещества, тем
выше скорость перемещения отдельных атомов и молекул внутри
этого обьема (в газах и жидкостях) или их колебания - в крис-
таллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температу-
ры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекула-
ми, в результате чего газы, жидкости и твердые тела
расширяются - при условии, что внешнее давление остается пос-
тоянным. Коэффиценты расширения различных газов близки между
собой (около 0,0037 град в степени "-1"; для жидкостей они
могут различаться на порядок (ртуть - 0,00018 град в степени
"-1", глицерин - 0,0005 град в степени "-1", ацетон - 0,0014
град в степени "-1", эфир - 0,007 град в степени "-1"). Вели-
чина теплового расширения твердых тел определяется их строе-
нием. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдель-
ные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре,
рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному
расширению твердых тел (аллюминий, полиэтилен).
3.1.1. При температурном расширении или сжатии твердых
тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соот-
ветствующих технологических процессах.
Например, это свойство использовано в электрическом
домкрате для растяжения арматуры при изготовлении нап-
ряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к
растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла
с подходящим коэффициентом термического расширения. За-
тем его нагревают, током от сварочного трансформатора,
после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев.
В результате охлаждения и сокращения линейных размеров
стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн,
которое растягивает холодную арматуру до необходимой
величины.
Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он
практически не может сломаться.
3.1.2. С помощью теплового расширения жидкости можно
создать необходимые гидростатические давления.
А.с. н' 471140: Устройство для волочения металлов со
смазкой под давлением, содержащее установленные в кор-
пусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между
собой и корпусом камеру (в которой находится смазка).
Ред.(и средства для создания высокого давления, ОТЛИЧА-
ЮЩИЕСЯ тем, что с целью упрощения конструкции и повыше-
ния производительности средство для создания в камере
высокого давления выполнено ввиде нагревательного эле-
мента, расположенного внутри камеры.
3.1.3. Тепловое расширение может просто решить техни-
ческие задачи, которые обыными средствами расширяются с боль-
шим трудом. Напрмер, для того чтобы ступица прочно охватывала
вал, первую перед напрессовкой нагревают. После охлаждения
надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот
узел практически монолитным. Но как после этого разобрать
данное соединение? Механически - почти не возможно без риска
испортить деталь. Но достаточно сделать вал из металла коэф-
фицентом термического или, если это невозможно, ввести в соп-
рягаемое пространство прокладку из металла с меньшим термо-
расширением, как техническое противоречие исчезает.
Общеизыестные биметаллические пластинки - соединенные
каким-либо способом две металлические полоски с различным
терморасширением - являются отличным преобразователем тепло-
вой энергии в механическую.
А.с. н 175190: Устройство для учета колличества наливов
металла в изложницу, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что с
целью автоматизации процесса учета,оно выполнено ввиде
корпуса,прикрепленного,к изложнице,в полости,которого
расположено счетное устройство, состоящее из трубки с
шариками и биметаллической пластинки, на конце которой
укреплен отсекатель,пропускающий при нагреве пластинки
шарик,падающий в накопительную емкость.
Использование эффекта различного расширения у различных
металлов позволило создать т е п л о в о й д и о д .
А.с 518614: Тепловой диод,содержащий входной и выходной
теплопроводы,имеющие узел теплового контакта о т л и ч
а ю щ и й с я тем,что с целью упрощения конструкции,
узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розет-
ка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле
выходного теплопроводов.
2.Диод по пункту 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что
входной теплопровод выполнен из материала с высоким ко-
эффициентом линейного удлинения,например меди, а выход-
ной - из материала с малым коэффициентом линейного уд-
линения,например,инвара.
3.1.4. Тепловое расширение,как процесс обратимый и лег-
ко управляемый,применяется при проведении весьма филигранных
работ, таких,как микроперемещение объектов,например,в поле
зрения микроскопа или измерения с помощью тепловых электроиз-
мерительных приборов.
Патент США 3569707 Устройство для измерения импульсного
излучения при помощи теплодатчиков.Энергия,поглащаемая
материалом,на который воздействует импульсное ядерное
излучение,измеряется путем детектирования теплового
расширения этого материала тензодатчиками.
3.2. Фазовые переходы.Агрегатные состояния веществ.
При фазовых переходах первого рода скачком изменяются
плотность веществ и энергия тела; очевидно,при фазовых пере-
ходах первого рода в с е г д а выделяется или поглощается ко-
нечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах
второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а ска-
чок испытывает такие величины, как теплоемкость,теплопровод-
ность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются погло-
щением или выделением энергии. Примером фазового перехода
второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтеку-
чее состояние,переход форромагнетика в парамагнетик при точке
Кюри,переупорядочение кристаллов сплавов и др.
Характерным примером фазового перехода первого рода мо-
жет служить перход вещества из одного агрегатного состояния в
другое.
В физике рассматривают четыре агрегатных состояния:
твердое, жидкое, газообразное и плазменное.
При переходах из одного агрегатного состояния в другое,
как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается
тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упоря-
доченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах
выделяется такое же колличество тепла, которое поглощается
при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из
одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при
постоянной температурк, таким образом, фазовый переход явля-
ется источником Э или поглотителем тепла, работающим практи-
чески при постоянной температуре.
А.с.н 426030: Способ изолирования катушки индуктивности
в глубинном приборе путем заполнения диэлектриком каме-
ры, в которой расположена катушка, отличающийся тем,
что с целью упрощения конструкции прибора и повышения
его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика
используют вещество, температура плавления которого ни-
же минимальной температуры в зоне измерения и выше тем-
пературы корпуса прибора перед его спуском и в период
спуска в скважину.
Нередко изменения агрегатного состояния вещества позво-
ляет очень просто решать до этого почти неразрешимые техни-
ческие задачи. Например, как заполнить послойно емкость сме-
шивающимися между собой жидкостями?
А.с.н 509275: Способ послойного заполнения емкости сме-
шивающимися жидкостями путем последовательного анализа
их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса,
первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следу-
ющую жидкость наливают на верхний слой замороженной
жидкости, а затем последнюю размораживают.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются
электрические характеристики вещества. Так,если металл в
твердом или жидком виде-проводник,то пары металла-типичный
диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США
Прибор для измерения давления жидкого металла содержит
пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок
этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый
электрический ток. При определенной величине тока, тем-
пература взятой пробы жидкого металла возрастает до тех
пор,пока жидкий металл не перейдет в парообразное сос-
тояние, в результате чего ток прерывается. Период вре-
мени в течение которого через участок пробоотборной
трубки протекает ток,является функцией давления жидкого
металла в системе. Таким образом, период времени при
отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момен-
та испарения определяется давлением жидкого металла в
системе.
3.2.1. Как отмечалось выше,перекристаллизация металла
является фазовым переходом второго рода. В момент перекрис-
таллизации возникает э ф ф е к т с в е р х п л а с т и ч-
н о с т и металла.
В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверх-
прочную структуру,становится пластичным как глина.Но длится
это явление считанные мгновения и протекает в очень уз-
ком,причем непостоянном интервале температур.Непосредственно
подстеречь момент,когда начинается фазовое превращение, не-
возможно,но известно,что при перестройки кристаллической ре-
шотки металл начинает переходить из паромагнитного состояния
в феромагнитное,что сопровождается резким изменением его маг-
нитной проницаемости. Этим воспользовались авторы изобрете-
ния.
По А.С..207678 пусковое устройство пресса связано с
прибором улавливающим момент фазового перехода: заго-
товку,нагретую до температуры чуть выше интервала фазо-
вого превращения,кладут в матрицу пресса.Остывая металл
заготовки в момент перекристаллизации резко изменяет
свою магнитную проницаемость,что отмечается изменением
тока в измерительной обмотке прибора,который включает
пресс.
Чтобы продлить время сверхпластичности,датчик фазового
превращения связывают нетолько с пусковым устройством
прсса,но и с нагревательными элементами.Пилообразно гоняя за-
готовку вверх и вниз по всему интервалу температурфазового
превращения,можно поддерживать состояние сверхпластичности
сколь угодно долго. Ничто не мешает использовать датчики,ко-
торые реагировали бы на изменение других физических свойств
обрабатываемого материала, например,электросопротивления,теп-
лоемкости и т.д. Значит, принцип действия можно распростра-
нить и на немагнитные материалы. У сталей существует еще один
фазовый переход,идущий при очень низких температурах (ниже
минус 60 градусов С ), когда аустенит в стали переходит в
мартенсит. И в этот момент наблюдается эффект сверхпластич-
ности. Значит можно в принципе, отказаться от горячей штам-
повки, совместив процесс штамповки в сверхпластичном состоя-
нии с закалкой стали в жидком азоте.
3.2.2. Интересно,что мартенсит имеет меньшую плотность,
чем аустенит. Если к изогнутой деформацией части детали при-
ложить хотя бы кусок "сухого льда",температура которого минус
67 градусов С,то обрабатываемый участок расширится, распрямив
тем самым деталь. А поскольку фазовый переход необратим, то
самопроизвольного востановления кривизны в дальнейшем не про-
изойдет.Превращение десяти процентов аустинита в мартенсит
вызывает увеличение 100 миллиметрового диаметра изделия на
130 микрометров,а переход 40% аустенита в мартесит -400 мик-
рометров. К плюсам нового метранадо добавитьеще один: выдерж-
ка при низкой температуре в течение 5 минут и 5 часов дает
практически одинаковые результаты.Ну, и конечно, обработку
изогнутых деталей холодом, как и радиацией,можно вести в соб-
ранной,готовой машине (сравни с 2.3).
На этот способ выдано авторское свидетельство .414027.
Изменяется плотность при фазовых переходах и у других
веществ (например у воды и олова),что позволяет использовать
их для получения высоких давлений.
Прифазовых переходах второго рода также наблюдаются ин-
тересные изменения макроскопических свойств объектов(см.8.8)
У хрома есть любопытная температурная точка 37 градусов
С, в котором он претерпевает фазовый переход,при этом у него
скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основан
ряд изобретений.
А.С.266471: Двигатель,содержащий деформируемые при из-
менении температуры рабочего тела упругие элементы, ки-
нематически связанные с механизмом отбора мощности, от-
личающийся тем,что с целью получения полезной работы
при малых перепадах температур рабочего тела,упругие
элементы выполнены предварительно напряженными и изго-
товлены из материала со скачкообразно изменяющимся при
определенной температуре модулем упругости,например,
изчистого хрома.
В А.С. .263209 чувствительным элементом термометра яв-
ляется пружина из чистого хрома.
3.3. Поверхностное натяжение жидкостей.Капилярность.
Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделя-
ющими ее от какой-либо другой среды-вакуума,газа,твердого те-
ла,другой жидкости.Энергия поверхностных молекул жидкости от-
лична от энергии молекул внутри жидкости именно всилу того,
что те и другие имеют различных соседей - у внутренних моле-
кул все соседи одинаковы, у поверхностных - такие же молекулы
расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы
при заданной температуре имеют определенную энергию;перевод
этих молекул внутрь жидкости приведет к тому,что их энергия
изменится (без изменения общей энергии жидкости).
3.3.1. Разность этих энергий носит название п о в е р х
н о с т н о й э н е р г и и.
Поверхностная энергия пропорциональна числу поверх-
ностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит
от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно
характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения.
Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил
поверхностного нажатия,стремящихся сократить поверхность раз-
дела. Такое стремление есть следствие общего физического за-
кона,согласно которому любая система стремится свести свою
потенциальную энергию к минимуму.Жидкость,находящаяся в неви-
сомости,будет принимать форму шара,поскольку поверхность шара
минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданый
объем.
Конечно,поверхностные силы существуют и в твердых те-
лах, но относительная малость этих сил не позволяет им изме-
нить форму тела,хотя при определенных условиях поверхностные
силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.
3.3.2. При контакте жидкости с твердой поверхностью го-
ворят о с м а ч и в а н и и. В зависимости от числа фаз
участвующих в смачивании,различают имерсионное смачива-
ние(смачивание при полном погружении твердого тела в жид-
кость),в котором участвуют только две фазы,и контактное сма-
чивание ,в котором наряду с жидкостью с твердым телом
контактирует третья фаза - газ или другая жидкость. Характер
смачивания определяется прежде всего физико-химическими воз-
действиями на поверхности раздела фаз,которые участвуют в
смачивании.
При контактном смачивании свободная поверхность жидкос-
ти около твердой поверхности (или около другой жидкости) иск-
ривлена и называется мениском Линия,по которой мениск пересе-
кается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром
смачивания.Явление контактного смачивания характеризуется
краевым углом между смоченой поверхностью твердого тела(жид-
кости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачи-
вания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей
происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (вы-
пуклый мениск) поверхности жидкостью.
Автоматический дозатор из одной детали.Такой деталью
служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой
пленке всегда задерживается одинаковый по высоте стол-
бик жидкости. Фторопласт практически не смачивается -
поэтому скорость истечения через отверстие зависит
только от давления. Кроме отбора проб жидкости из пото-
ка , такой дозатор может служить для измерения коэффи-
циента поверхностного натяжения (ИР-6.5,С.33)
3.3.3. При растекании жидкости по ее собственному мо-
нослою адсорбированному на высокоэнергетической поверхности
наблюдается э ф ф е к т а в т о ф о б н о с т и.
Эффект заключается в том,что при контакте жидкости,
имеющей низкое поверхностное натяжение , с высокоэнергетичес-
кими материалами, происходит вначале полное смачивание, а за-
тем,через некоторый промежуток времени , условия полного сма-
чивания перестают выполняться. В результате изменится
направление движения периметра смачивания - жидкая пленка на-
чинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным
краевым углом.На ранее смоченных участках твердого тела оста-
ется прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект
используется для нанесения монослойных покрытий на твердые
материалы.
3.3.4. К а п и л я р н о е д а в л е н и е - появляется
из-за искривления поверхности жидкости в капиляре.Для выпук-
лой поверхности давление положительно, для вогнутой - отрица-
тельно. Эффект определяет движение жидкостей в порах,влияет
на кипение и конденсацию.
К а п и л я р н о е и с п а р е н и е - увеличение ис-
парения жидкости вследствие понижения давления насыщенного
пара над выпуклой поверхностью жидкости в капиляре; использу-
ется для облегчения кипения путем изготовления шероховатых
поверхностей.
К а п и л я р н а я к о н д е н с а ц и я - увеличение
конденсации жидкости вследствие понижения давления насыщенно-
го пара над вогнутой поверхностью жидкости в капиляре. Пар
может конденсироваться притемпературе выше точки кипения.
Используется для осушки газов, в хроматографии.
Течение жидкости в капилярах а также в полуоткрытых ка-
налах,например, в микротрещинах и царапинах.
А.С 279583. Распределитель жидкости,например, в колон-
нах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с ук-
репленной на ней трубкой для подачи жидкости,отличаю-
щийся тем,что с целью равномерного распределения
жидкости при малых расходах,трубки выполнены ввиде ка-
пиляров,нижние концы имеют косые срезы.
А.С..225284 Солнечный концентратор для термоэлектроге-
нератора отличающийся тем,что с целью сохранения высо-
кого коэффициента отражения в течение всего времени ра-
боты,егоотражающая поверхность выполнена ввиде сотовой
пористой или капилярной структуры,заполненной расходуе-
мым металлом или сплавом, поступающим благодаря капи-
лярным силам с тыльной стороны концентратора.
3.3.5. Эффект капилярного подъема (опускания) -возника-
ет из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в
капилярном канале.Связь между характером смачивания и капи-
лярным давлением оказывает большое влияние на возможность
проникновения жидкостей в поры и на их вытеснениеиз пор,что в
свою очередь играет важную роль в процессах пропитки,фильтра-
ции,сушки и т.д.
3.3.6. Открытие .109: У л ь т р а з в у к о в о й
к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - увеличение скорости
и высоты подъема жидкости в капилярах при непосредственном
воздействии ультразвука в десятки раз. Этот эффект реализован
в А.С.315224 "Способ ультразвуковой пропитки пористых матери-
аловв" в А.он применен для резкого повышения эффективности
тепловой трубы,для чего в зоне конденсации тепловой трубы
прикрепили через акустический концентратор излучатель магни-
тострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуко-
вой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль,спо-
собствует быстрейшему возврату конденсата в зону
испарения.При этом величина максимального удельного теплового
потока вырастает на порядок .
3.3.7. Т е р м о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - за-
висимость скорости растекания жидкости от неравномерности
нагрева жидкого слоя.Эффект объясняется тем,что поверхностное
натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. По-
этому приразличии температур в разных участках жидкого слоя
возникает движущая сила растекания,которая пропорциональна
градиену поверхностного натяжения жидкости.В результате воз-
никает поток жидкости в смачивающей пленке.Влияние неравно-
мерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов
(например,поверхностноактивных). У чистых жидкостей перетека-
ние происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ,
уменьшающих поверхностное натяжение,жидкость начинает перете-
кать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жид-
кости определяется тем,что как изменяется поверхностное натя-
жение в зоне нагрева от температуры и испарения какого либо
компонента.
3.3.8. Э л е к т р о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т -
-зависимость поверхностного натяжения на границе раздла твер-
дых и жидких электродов с растворами электролитов или распла-
вами ионных соединений от элетрического потенциала. Эта зави-
симость обусловлена образованием двойного электрического слоя
на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осущест-
вить инверсию смачивания - переход от несмачивания к смачива-
нию и наоборот.
3.3.9. К а п и л я р н ы й п о л у п р о в о д н и к.
Капиляры обладают способностью избирательной проницаемости.
Шейки пор капиляров затрудняют движение только смачивающей
жидкости и способствуют продвижению несмачивающей (биологи-
ческие мембраны).
3.4. Сорбция.
Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, любая по-
верхность, вещества обладает свободной энергией поверхности
(СЭП).
Все поверхностные явления сводятся к взаимодействию
атомов и молекул,которые происходят в двумерном пространстве
при непосредственном участии СЭП. Любую твердую поверхность
можно представить себе как "универсальный магнит", притягива-
ющий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: по-
верхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" моле-
кулами воздуха и воды. Опыт показывает ,что чем выше степень
дисперсности данного тела, тем больше количество частиц дру-
гого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.Процесс
самопроизвольного"сгущения" растворенного или парообразного
вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости но-
сит название с о р б ц и и . Поглащоющее вещество называется
с о р б е н т о м , а поглощаемое с о р б т и в о м .
Процесс , обратный сорбции называется д е с о р б ц и
е й. В зависимости от того насколько глубоко проникают части-
цы на адсорцию,когода вещество поглощается на поверхности те-
ла, и абсорцию,когда вещество поглощается всем объемом тела.
В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и
сорбтива, сорбция физическая (взаимодействие обусловлено си-
лами когезии и адгезии т.е. силами Ван-дер-Ваальса) и хими-
ческая,или ее еще называют, хемосорбция;
3.4.1. Особое положение занимает сорбционный процесс,
называемый к а п и л л я р н о й к о н д е н с а ц и е й.
Сущность этого процесса заключается не только в погло-
щении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, напри-
мер, активизированным углем газов и паров.
Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наиболь-
шее значение для практики имеет адсорбция. Чем менее энерге-
тичны молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой по-
верхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа)
адсорбация увеличивается, а с увеличением температуры -
уменьшается.
При адсорбации молекулы газа, сталкиваясь с поверх-
ностью прекращают движение. Значит: они теряют энергию, а
"лишняя" энергия должна выделяться. Вот почему при физической
адсорбации выделяется тепло. Причем: последний процесс, если
он идет в закрытом обьеме, сопровождается понижением давления
газа. При десорбации же давление газа - сорбтива увеличивает-
ся, при этом идет поглощение энергии. Это свойство используют
в некоторых теплосиловых установках.
А.с. Н 224743: Двухфазное рабочее тело для компрессора
теплосиловых установок, состоящее из газа и мелких час-
тиц твердого тела, отличающееся тем, что с целью допол-
нительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и
дополнительного расширения в нагревателе в качестве
твердой фазы использованы сорбенты с общей или избира-
тельной поглотительной способностью.
Очень интересные явления и эффекты происходят при ад-
сорбции на поверхности полупроводников.
3.4.2. Ф о т о а д с о р б ц и о н н ы й э ф ф е к т -
Это зависимость адсорбционной способности адсорбента - полуп-
роводника от освещения. При этом эта способность может увели-
чиваться положительный и уменьшаться (отрицательный фотоад-
сорбционный эффект). Эффект можно использовать, например, для
регулирования давления в замкнутом обьеме.
3.4.3. Влияние э л е к т р и ч е с к о г о п о л я
на а д с о р б а ц и ю. Это зависимость адсорбционной способ-
ности от величины приложенного электрического поля. Влияет на
фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно по-
верхности полупроводника - адсорбента.
3.4.4. А д с о р б л ю м и н е с ц е н ц и я -
Это люминесценция, возбуждаемая не светом, а самим актом ад-
сорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс ад-
сорбции, и погасает, коль скоро адсорбция прекращается. Яр-
кость свечения пропорциональна скорости адсорбции. Цвет
свечения при адсорблюминисценции, как правило, тот же, что и
при фотолюминесценции, т.е. определяется природой активатора,
введенного в полупроводник, и вовсе не зависит от природы ад-
сорбируемого газа. Адсорболюминесцеция является одним из ви-
дов х е м о л ю м и н е с ц е н ц и и (15.4).
3.4.5. Р а д и к а л о - р е к о м б и н а ц и о н н ая
л ю м и н е с ц е н ц и я (Р-РЛ).
На поверхности полупроводника могут рекомбинировать
приходящие из газовой фазы радикалы, напрмер, атомы водорода.
При этом происходит свечение полупроводника, которое длится
до тех пор, пока на поверхности идет реакция рекомбинации.
При Р-РЛ, как и при адсорболюминесцеции, испускаются те же
частоты, что и при фотолюминесценции. Они образуют полосу,
которую называют обычно основной полосой. Следовательно, цвет
обминесценции меняется при смене активатора, не зависит от
природы активатора, но меняется при смене газа, участвующего
в реакции.(например, при замене водорода кислородом). Обе по-
лосы в известной мере накладываются друг на друга.
Мы видим на примерах адсорболюминесценции и радикалоре-
комбинационной люминесценции, как электронные процессы в по-
лупроводнике оказываются связанными с химическими процессами,
протекающими на его поверхности.
В результате адсорбции поверхность полупроводника заря-
жается. При адсорбции акцепторов она заряжается отрицательно,
а доноров - положительно.
3.4.6. А д с о р б ц и о н н а я э м и с с и я.
Работа выхода электрона может изменяться под действием
адсорбции. Это зависит от того, заряжается ли поверхность при
адсорбции положительно или отрицательно, т.е. от природы ад-
сорбируемого газа. В первом случае работа выхода снижается,
во втором - возрастает. По тому, как она изменяется, часто
можно судить о составе газовой фазы. Давление газовой фазы
также влияет на работу выхода.
3.4.7. В л и я н и е а д с о р б ц и и н а
э л е к т р о п р о в о н о с т ь п о л у п р о-
в о д н и к а.
Электропроводность поверхности полупроводника монотонно
изменяется по мере хода адсорбции, но не достигает некоторого
постоянного значения. Часто за процессом можно следить по из-
менению электропроводности. Адсорбция вызывает увеличение или
уменьшение электропроводности полупроводника в зависимости от
того, какой газ (акцепторный или донорный) адсорбируется и на
каком полупроводнике (электронном или дырочном).
Напрмер, кристаллы двуокиси олова изменяют свою прово-
димость в присутствии водорода, окиси углерода, метана,
бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагре-
вание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это
колличественное различие может быть зафиксировано чувс-
твительным прибором. Можно представить себе аппарат, в
котором изменение электрических свойств кристалла при
появлении в воздухе искомого вещества дает импульс сиг-
нальному устройству отградуированному определенным об-
разом в зависимости от назначения.
3.5. Диффузия.
Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то
тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравни-
ванию концентрации каждой компоненты во всем обьеме. Такой
процесс называется диффузия. при протекании процесса диффузии
всегда имеются так называемые диффузионные потоки вещества,
величина и скорость которых определяется свойствами среды и
градиентов, концентрации. Скорость диффузии в газах увеличи-
вается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение
температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкос-
тях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, возникно-
вению диффузионных потоков приводит наличие температурных
градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад температур в
однородной по составу смеси вызывает появление разности кон-
центрации между областями с различной температурой, при этом
в газах более легкая компонента газовой смеси скапливается в
области с более низкой температурой. Таким образом, явление
термодиффузии можно использовать для разделения газовых сме-
сей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.
3.5.1. При диффузионном перемещении двух газов, находя-
щихся при одинаковой температуре, наблюдается явление, обрат-
ное термодиффузии: в смеси возникает разность температур - эф-
фект Д ю ф о р а . При диффузионном смешивании газов,
составлящих воздух возникающая разность температур составляет
несколько градусов.
Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе
работы диффузионных вакуумных насосах (пароструйные насосы);
термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возмож-
ность надежной работы так называемых диффузионных камер -
приборов для наблюдения ионизирующих частиц.
Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к одно-
родности сплава. Для ускорения диффузии применяется длитель-
ный нагрев сплава (отжиг); уничтожение внутренних напряжений
при отжиге металла также есть следствие процессов диффузии и
их ускорения при повышении температуры.
Создание больших концентраций газа на границе с метал-
лом при создании условий, обеспечивающих некоторое "разрыхле-
ние" поверхностного слоя металла, приводит к диффузии газа
внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе про-
цесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных сло-
ев металла различными элементами позволяет получать самые
различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фак-
тически процессы цементации, алитирования, фосфатирования
есть процессы диффузии углерода, аллюминия, фосфора внутрь
структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулиру-
ется с помощью различных режимов термообработки.
А.с Н 461774: Способ производства изделий из низкоуле-
родистых сталей путем отжига заготовки и холодного вы-
давливания отличающийся тем, что с целью улучшения ус-
ловий выдавливания, перед отжигом заготовку подвергают
термодиффузионной обработке, преимущественно цемента-
ции.
3.6. О с м о с.
Осмосом обычно называют диффузию какого-либо вещества
через полупроницаемую перегородку. Основное требование к по-
лупроницаемым перегородкам - обеспечение невозможности проти-
водиффузий. Так, если два раствора разной концентрации разде-
лить перегородкой, задерживающей молекулы растворенного
вещества, но пропускающего молекулы растворителя, то раство-
ритель будет переходить в концентрированный раствор, рабавляя
его и создавая там избыток давления, называемый обычно осмо-
тическим давлением. Питание ратений водой, явление диализа,
явление гиперфильтрации, наконец, обычное набухание - все это
типично осмотические эффекты.Величина осмотического давления
клеток многих растений состовляет 5-10 ат, а осмотическое
давление крови человека доходит почти до 8 атм.
Энергию осмотического давления предложили использовать
авторы английского п а т е н т а Н 1343891 : "Способ
генерации механической энергии и устройство реализующее этот
способ. Конструкция по патенту Н1343891 представляет собой
открытую сверху трубу, погруженную в замкнутую полость, куда
налита вода. Трубка сделана из прочного металла, в ней нас-
верлено множество мелких отверстий, закрытых полунепроницае-
мой оболочкой, например, из ацетатцеллюлозы. Труба заполнена
концентрированным рассолом и в нее начинает просачиваться во-
да, т.е. происходит осмос. Создается повышеное давление, под-
нимающее плунжер, связанный с массивным подпруженным поршнем.
Поршень сжимает в цилиндре воздух. Можно создать давление до
трех тысяч атмосфер. Сжатый воздух можно использовать для
вращения воздушной турбины. Изобретатели утверждают, что их
"осмотический двигатель", состоящий из нескольких плунжеров и
поршней, будет генерировать мощность достаточную для движения
автомобиля.
Теория осмотических явлений описывается в курсах термо-
динамики и статистической физики. Огромна роль осмотических
явлений в работе кровеносных систем человека и животных.
3.6.1. Осмос можно усилить (или ослабить) применяя
электрические поля. Направленное движение раствора относи-
тельно поверхности твердого тела под действием электрического
поля носит название электросмоса, являющегося одной из разно-
видностей электрокинетических явлений (см.12.1).
Липкая масса из смеси влажных грунтов с песком и остат-
ками угля на дне вагонеток почти не поддается очистке
даже специальными машинами. Специалисты Новомосковского
института предложили использовать для очистки электро-
осмос под воздействием на вагонетку с породой внешнего
электрического поля между ее стенками и грузом (при
движении воды относительно твердой горной массы) созда-
ется тончайшая водяная пленка. Такой "прокладке" доста-
точно, чтобы налипшая порода легко отделилась от корпу-
са вагонетки.
А.с. н 240825: Способ сушки изоляции кабелейц в шахтах
электросетях с изолированной нейтралью, отличающейся
тем, что с целью упрощения процесса токоведущие жилы
кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника
постоянного тока, отрицательный полюс которого соединя-
ют с землей для осуществления сушки за счет использова-
ния явления электросмоса.
3.6.2. Явление обратного осмоса применено (США) для по-
лучения питьевой воды из сильно загрязненной или соленой (ги-
пельфильтрации). Непосредственно явление обратного осмоса
происходит на границе вода - синтетическое волокно: внутрь
волокна проходит только вода, оставляя за бортом соли и
грязь. Сама установка состоит из многих миллионов волокон,
собранных в жгут и помещенных в стальной цилиндр в который
подается "грязная" вода под давлением. Предусмотрен отдельный
отбор чистой воды и насыщенного раствора.
Над проектом электростанции, использующей силы осмоти-
ческого давления, работают сейчас ученые.Принцип действия та-
кой электростанции прост. Трубу с полупроницаемой мембраной
опускют в море. На глубине около 230 метров столб воды созда-
ет такой перепад давления на мембране, что она начинает рабо-
тать как опреснитель. Соленая вода тяжелее пресной примерно
на два с половиной процента. Чтобы пресная вода поднялась до
уровня моря и стала переливаться через край трубы, трубу не-
обходимо опустить на глубину 8750. Переливающаяся вода может
вращать турбину.
3.7. Т е п л о м а с с о о б м е н.
Известны три основных механизма теплообмена - конвек-
ция, излучение и теплопроводность, в которой участвуют движу-
щиеся или неподвижные молекулы вещества совершающие тепловые
колебания. Передача тепла может сопровождаться перемещением
массы или
Очень широко используется при сушке,которая применяется в
различных областях техники и технологии. наиболее эффективно
процесс сушки идет в колонных аппаратах со встречными потока-
ми: сверху свободно падает вещество, подвергаемое сушке ,а
снизу встречным потоком поступает нагретый газ.
В донной же части аппарата подсушенное вещество интенсив-
но досушивется в ,так называемом "кипящем слое". "Кипящий
слой" представляет собой "псевдожидкость" - взвесь твердых
частиц, пляшущих в потоках газа, поступающего снизу.
Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехни-
ческими свойствамитвердые частицы в ней бурно перемешиваются и
великолепно переносят тепло, во много раз лучше , чем такой
известный проводник ,как медь.
Псевдожидкость, смачивающая какую-нибудь деталь со скром-
ной скоростью 1м/сек, осуществляет теплообмен столь эффектив-
но,ка чистый газ движущийся со сверхзвуковой скоростью.
Псевдожижжение с равным успехом можно использовать как
для передачи тепла, так и для "передачи" холода.
Применение псевдожидкости в печах для высокотемпературно-
го нагрева металла позволит резко уменьшить расход топлива.
Существует традиционная система нагрева - через газообразные
продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изоля-
тором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его
способность передавать тепло,равен 200, в то время, как у жид-
ких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20
000. Намного эффективнее теплообмен осуществляется в кипящей
псевдожидкости: сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку
, а тот, перемешиваясь потоками газа, отдает тепло металлу.
Хотя сам песок получает тепло все от того же теплоизолятора -
газа, однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в зна-
чительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много
раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.
3.7.1 Среди новых теплообменных систем важное место зани-
мают т е п л о в ы е т р у б ы. Один из простых вариантов теп-
ловой трубы- это закрытый металлический цилиндр; его внутрен-
ние стенки выложены слоем пористо-капилярного материала,
пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движе-
нием этой жидкости связана теплопроводность трубы : на горячем
конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами переме-
щаются к холодному концу - это нормальная конвекция; здесь па-
ры конденсируются и отдают тепло; образовавшиеся жидкость по
пористому материалу возвращается обратно,к горячему концу тру-
бы. Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы -
никаких движущихся частей, в каком-то смысле машина вечная.
Тепловые трубы - непревзойденные проводники тепла, их даже
назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу
диаметром в сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка
10 киловатт при разности температур на концах трубы (это ана-
лог разности электрических потенциалов напряжения на участке
цепи ) всего в 5 гр. С ; чтобы пропустить эту мощность через
медный стержень такого же диаметра на его концах нужен был бы
перепад температуры почти 150 000 гр. С .
Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их
можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах,
криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения
двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за
счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, напри-
мер, создаются МТД-генераторы - теплоносителем в тепловой тру-
бе может быть жидкий металл, и, если поместить трубу в магнит-
ное поле, то в металле (на концах проводника ) наведется
электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень
широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутрит-
рубы и от применяемого теплоносителя.
3.8 Молекулярные цеолитовые сита.
Цеолты являются кристалическими водными алюмосиликатами,
они относятся к группе каркасных алюмосиликатов. Каркасы цео-
литов содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в
которых находятся катионы и молекулы воды. Катионы довольно
подвижны и обычно могут в той или иной степени обмениваться на
другие катионы.
А.с. N 561233 Полирующий состав для обработки,например,
полупроводниковых материалов, содержащий кристалический поро-
шок, окислитель, например, перекись водорода и воду, отличаю-
щийся тем, что с целью повышения эффективности процесса поли-
рования, он дополнительно содержит вещество,для катионного
обмена, например азотнокислую медь или углекислый аммонит , а
в качестве кристаллического порошка взяты алюмосиликаты, нап-
ример,цеолиты.
Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из
цепочек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения
каркас имеет отрицательный заряд и этот заряд компенсируется
катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящихся
в полостях-сотах. Тип цеолита (диаметр его пор ) определяется
соотношением кремния и алюминия и типом катионов. Главным об-
разом это вода. Она удаляется при нагревании до 600-800 гр. С,
сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначаль-
ную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглащать
потерянную воду и другие вещества. Размером пор определяется и
размер частиц, способных в них проникать; цеолиты могут как бы
просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме того
они используются как адсорбенты, они в 10-100 раз эффективнее
, чем все другие осушители и работают при различных температу-
рах. При -196 гр. С адсорбационная способность цеолитов резко
повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде раз-
ряжение до 1.0е- мм рт.ст. Цеолиты используют как ионообменни-
ки, не разрушающиеся под действием излучения. В качестве ката-
лизаторов устойчивы к действию высоких температур,каталических
ядов, позволяют гибко менять свойства.
А.с. N 550372 : Способ получения пентенов путем контакти-
рования 1,3 пентадиенов с твердым окисным катализатором при
300-500 гр. С , отличающийся тем, что с целью повышения выхода
целевого продукта, в качестве катализатора используют компози-
цию аморфного алюмосиликата с силлиманитом.
Размер ячеек цеолита сохраняется практически постоянным в
широком диапазоне температур т.к. коэффициент расширения пол-
ностью гидратированного цеолита близок к коэффициенту термо-
расширения кварца: соответственно 6.91 и 5.21 .
3.8.1 Чистые цеолиты бесцветны. Если катионы щелочных или
щелочноземельных металлов , обычно присутствующие в синтети-
ческих цеолитах , обменять на ионы переходных металлов, цеоли-
ты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона
зависит от того , находится он в гидратизированном или безвод-
ном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гид-
ратации. Так, бесцветный цеолит А-А окрашивается в глубокий
желто-красный цвет, а затем в ярко-канареечный. Такой переход
окраски наблюдается при изменении парциального давления воды
над цеолитом от 3.10 мм рт.ст. до 5.10 мм рт.ст. Окрашенная в
сиреневый цвет никелевая форма цеолита при дегидротации стано-
вится светло-зеленой, розовая кобальтовая форма-синей.
С п о с о б н о с т ь ц е о л и т о в м е н я т ь ц в е т
в п р и с у т с т в и и п а р о в в о д ы и с п о -
л ь з у е т с я д л я е е о п р е д е л е н и я .
Цеолиты имеют очень интересные диэлектрические и элект-
ропроводные свойства.
ЛИТЕРАТУРА
к 3.2 Б.Г.Гейликман, Статистическая физика фазовых переходов,
т.1.М.,"наука",1954.
к 3.3 О.С.кондо,"Молекулярная теория поверхностного натяжения
в жидкостях",М.,"мир",1963.
Б.Д.Суми,Ю.В.Горюнов,"Физико-химические основы смачива-
ния и растекания,М.,"Химия",1976.
к 3.4 Ф.Ф.Волькштейн,"Полупроводники как катализаторы химиче-
ских реакций",М.,"Знание",1974
(Новое в жизни,науке,технике. Серия "Химия",11).
Ф.Ф.Волькштейн,"Радикало-рекомбинационная люминесценция
полупроводников",М.,"Наука",1976
Н.К.Адам,"физика и химия поверхностей",М.,1947.
В.А.Пчелин,"В мире двух измерений",
журнал "Химия и жизнь", 1976,6,стр.9-15.
к 3.5 С.Р.де Грот,Термодинамика необратимых процессов
М.,1956,Физическое металловедение, вып.2.М.,"мир",1968
В.Зайт, "Диффузия в металлах",М.1958.
Я.Е.Гегузин,"Очерки о диффузиях в кристаллах",
М.,"Наука",1974
к 3.7 Л.Л.Васильев,С.В.Конев,Теплопередающие трубки,Минск,
"Наука и техника",1972.
к 3.8 Д.Брек,"Цеолитовые молекулярные сита",М."Мир",1976.
4.1.2. Закон Паскаля
Давление,производимое внешними силами на поверхность жид-
кости или газа,передается по всем направлениям без измене-
ний.Такая передача давления происходит вследствии возможности
молекул жидкости или газа свободно перемещаться относительно
друг друга.
Напомним, что это движение полностью хаотично, и, следо-
вательно, в отсутствии силы тяжести или в состоянии невесомос-
ти давление во всех точках жидкости согласно закону Паскаля
будет одинаковым.
Соответственно, поэтому и "не работает" закон Архимеда в
этих условиях. На основе закона Паскаля работают гидравличес-
кие прессы и под'емники, некоторые вакууметры различного рода
гидро- и пневмо- усилители.
4.2 Течение жидкости и газа.
4.2.1 ЛАМИНАРНОСТЬ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ.
Упорядоченное движение вязкой жидкости ( или газа ) без
междуслойного перемешивания называется ламинарным течением.
При увеличении скорости потока возникающие в жидкости ( или
газе ) случайные возмущения приводят к образованию хаотическо-
го турбулентного движения, при котором частицы жидкости ( или
газа ) совершают неустановившиеся беспорядочные движения по
сложным траекториям, в результате чего происходит интенсивное
перемешивание жидкости ( или газа ). При ламинарном течении
жидкости ( или газа ) передача импульса от слоя к слою проис-
ходит за счет молекулярного механизма ( вязкость ) , поэтому
скорость потока жидкости ( или газа ) в трубе плавно убывает
от центра трубы к стенкам. При турбулентном потоке скорость
почти постоянна по сечению трубы, резко убывая на самой грани-
це жидкости ( или газа ) со стенкой трубы.
А.С. N 508262 : Спосоп диспергирования нитевидных крис-
таллов путем перемешивания кристалической массы в вязкой жид-
кости, отличающийся тем, что с целью уменьшения процениа
поломки кристаллов и времени процесса, перемешивание ведут в
режиме ламинарного течения жидкости с вихрями Тейлора в коак-
сиальном зазоре гладкоствольного роторного аппарата.
А.С. N 523277 : Способ контроля шероховатости с помощью
сопла, самоустанавливающегося по контролируемой поверхности,
основанной на измерении давления жидкости при турбулентном ре-
жиме течения в зазоре между соплом и контролируемой поверх-
ностью, отличающийся тем, что с целью повышения чувствитель-
ности и точности контроля, сначала создают ламинарный режим
течения в зазаоре, а затем фиксируют положение сопла и увели-
чивают расход газа или жидкости до достижения турбулентного
режима течения.
4.2.2 ЗАКОН БЕРНУЛЛИ.
для ламинарного режима течения справедлив закон Бернулли,
согласно которому полное давление в установившемся потоке жид-
кости остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление
состоит из весового, статического и динамического давления. Из
закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока ,
из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, ста-
тическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ла-
минарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличе-
нии скорости потока лежит в основе работы различного рода
расходомеров, водо и пароструйных насосов. Отметим , что закон
Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вяз-
кость которых равна нулю, т.е. таких жидкостей, которые не
прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально
установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого те-
ла всегда в точности равна нулю. Именно поэтому на поверхнос-
тях , находящихся в потоке жидкости, всегда образуются ка-
кие-то наросты, осаждения; этим же об'ясняется и тот факт, что
на лопастях крутящегося вентилятора всегда появляется слой пы-
ли.
Патент США N 3811323 : в измерителе потока жидкости тур-
бинного типа отсутствие осевого давления на подшипники ротора
достигнуто увеличением эффективной площади сечения потока на
участке, что обеспечивает возникновение эффекта Бернулли, под
влиянием чего на ротор воздействует усилие на участке, распо-
ложенном относительно ротора выше по течению потока.
А.С. N 437846 : Способ определения производительности
центробежного вентилятора с осевым направляющим аппаратом по
перепаду статических давлений в двух сечениях, расположенных
до и после направляющего аппарата, отличающийся тем , что с
целью повышения точности измерения и обеспечения возможности
определения производительности при произвольном угле поворота
лопаток направляющего аппарата , последние устанавливают на
угол, равный нулю, и замеряют статическое давление в вентиля-
ционном канале перед направляющим аппаратом и позади него в
самом узком сечении выходного патрубка , затем лопатки уста-
навливают на заданный угол поворота и определяют статическое
давление в сечении перед направляющим аппаратом, после чего
производительность подсчитывают по зависимости, полученной на
основании уравнений Бернулли и неразрывности потока.
4.2.3 ВЯЗКОСТЬ
ВЯЗКОСТЬ- свойство жидкости и газов, характеризующее соп-
ротивление их течению под действием внешних сил. Вязкость
об'ясняется движением и взаимодействием молекул . В газах
расстояние между молекулами существенно больше радиуса дейс-
твия молекулярных сил, поэтому вязкость газа определяется
главным образом молекулярным движением . Между движущимися от-
носительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен
молекулами , обусловленный их непрерывным хаотическим (тепло-
вым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний,
движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к
слою определенного количества движения. В результате медленные
слои ускоряются, а более быстрые замедляются.
В жидкостях , где расстояние между молекулами много мень-
ше , чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмо-
лекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность мо-
лекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой
лишь при образовании в нем полости, достаточной для перескаки-
вания туда молекулы. На образование полости расходуется энер-
гия активизации вязкого течения. Энергия активации падает с
ростом температуры и понижением давления. По вязкости во мно-
гих случаях судят о готовности или качестве продукта, посколь-
ку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает
физико-химические изменения материала, которые происходят во
время технологических процессов.
4.2.4 ВЯЗКОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.
Протекание полярной непроводящей жидкости между обкладка-
ми конденсатора сопровождается некоторым увеличением вязкости
мгновенно исчезающим при снятии поля. Это явление в чистых
жидкостях получило название ВЯЗКОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.
Установлено, что эффект возникает только в поперечных по-
лях и отсутсвует в продольных. Вязкость полярных жидкостей
возрастает с увеличением напряженности поля в начале пропорци-
онально квадрату напряженности, а затем приближается к некото-
рому постоянному предельному значению ( ВЯЗКОСТИ НАСЫЩЕНИЯ ) ,
зависящему от проводимости жидкости. Увеличение про водимости
приводит к увеличению вязкости насыщения.
На эффект оказывает влияние частота поля. В начале с по-
вышением частоты вязкоэлектрический эффект увеличивается до
определенного предела, затем вырождается до нуля.
Увеличение вязкости под действием электрического поля
происходит за счет того, что в жидкости могут находиться или
возникать под действием поля свободные ионы. Они становятся
центрами ориентации полярных молекул, т.е. источниками заря-
женных групп, для которых в электрическом поле возможно движе-
ние типа электрофореза. Количество движения таким образом, пе-
реносится от слоя к слою поперек потока.
Другая возможность образования групп-ориентация полярных
молекул, имеющих постоянный дипольный момент. Молекулы следят
за электрическим полем, ориентируясь поперек потока : для пре-
одоления доплнительного сопротивления нужны затраты энергии.
4.3 ЯВЛЕНИЕ СВЕРХТЕКУЧЕСТИ.
Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий, ко-
торый при понижении температуры испытывает фазовый переход
второго рода, превращаясь в сверхтекучую модификацию гелия ---
Не II. Причем в Не II превращается не весь гелий, а только
часть, т.е. при температуре ниже - - перехода (Т=2.17 К) гелий
можно представить себе состоящим из двух компонент - нормаль-
ный, свойства которого аналогичны свойствам гелия до перехода
(Не I) и сверхтекучей , вязкость которой чрезвычайно мала (
меньше 1.0е-1 ).
Компоненты могут двигаться независимо друг от друга, при-
чем движение сверхтекучей компоненты не связано с переносом
тепла ( ее энтропия равна нулю).
Низкая вязкость гелия позволяет использовать его в ка-
честве смазки, например в подшипниках.
Свойство сверхтекучей компоненты легко проникать в малей-
шую щель делает Не II удобным для поиска течей: погружение в
Не II - самая строгая проверка герметичности.
Малая ширина перехода ( 1.0е- К ) позволяет использовать
его как опорную точку при измерении температуры.
4.3.1 СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.
Благодаря встречному конвективному движению двух компо-
нент тепло-передача в Не II происходит без переноса массы, в
результате чего теплопроводность Не II чрезвычайно высока.
Проявляется это, например, в прекращении кипения после II- пе-
рехода - теплопроводность настолько высока, что пузырьки газа
образоваться не могут и испарение происходит с поверхности.
Благодаря сверхвысокой теплопроводности Не II может слу-
жить хорошим хладоагентом для охлаждения.
Для различных целей физики низких температур часто требу-
ются тепловые ключи - устройства, теплопроводность которых
можно менять по своему усмотрению. Одной из возможных реализа-
ций теплового ключа является трубка, наполненная гелием, кото-
рый мы, меняя давление можем переводить изсвехтекучего состоя-
ния в нормальное и обратно.
4.3.2 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.
Если нагреть Не II в одном из сосудов ,сообщающихся между
собой через тонкий капилляр или пористую перегородку, то в нем
за счет перехода в обычную понизится концентрация сверхтекучей
компоненты. Т.к. сверхтекучая компонента, стремясь к установ-
лению равновесия, будет по капилляру поступать из ненагретого
сосуда, а нормальная компонента из нагретого выходить не бу-
дет, уровень гелия в нагреваемом сосуде увеличится .
Этот эффект может быть использован для создания своеоб-
разных насосов Не II .
4.3.3 МЕХАНО-КАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.
Если повысить давление в одном из сосудов , рассматривае-
мых в предыдущем пункте, заполненных Не , находящемся в
сверхтекучем состоянии, то сквозь капилляр будет протекать
только сверхтекучая компонента.
Сверхтекучая компонента теплоту из сосуда , из которого
она вытекает , не уносит, вследствие чего температура внутри
этого сосуда будет повышаться. Температура же сосуда , в кото-
рый притекает сверхтекучая компонента будет уменьшаться.
На основе этого эффекта П.Л.Капицей был построен охлади-
тель. Одна ступень охладителя давала перепад температур 0.4 К.
Достоинствами метода является то, что его холодопроизво-
дительность не уменьшается с понижением температуры.
Используя Не II ка холодильный агент возможно в принципе
приблизиться сколь угодно близко к температуре абсолютного ну-
ля.
4.3.4 ПЕРЕНОС ПО ПЛЕНКЕ.
Поверхность тела, соприкасающегося с Не II покрывается
пленкой сверхтекучего гелия, по которой может происходить пе-
ренос жидкости из оного сосуда в другой.
Так, например , пустой сткан, погруженный не до краев в
Не II через некоторое время заполнится гелием. Скорость пере-
носа от разности уровней жидкости не зависит , и определяется
только периметром стенок в самом узком месте соединения.
Поскольку тонкую пленку можно рассматривать как капилляр,
то при переносе гелия на пленке имеет место термохимический
эффект. Можно усилить эффект , увеличив периметр тела, соеди-
няющего два сосуда, например, вставив пучок проволок.
Эффект нашел применение для разделения изотопов гелия Не-
3 и Не-4. Не-3 не свехтекучий, и по пленке сосуда, содержащего
смесь изотопов удаляется сам собой только изотоп Не-4.
Движение пленки можно остановить , если поместить пленку
между обкладками конденсатора, на который подано напряжение с
частотой 40-50 Герц.
4.4.1 ЭФФЕКТ ТОМСА.
Сопротивление , оказываемое трубопроводом потоку жидкости
при ламинарном режиме течения меньше , чем при турбулентном.
В 1948 г. Б.Томс ( Англия ) установил, что при добавлении
в воду полимерной добавки трение между турбулентным потоком и
трубопроводом значительно снижается .
Сам Томс работал с полиметилметакрилатом, растворенным в
монохлорбензоле; в последующие годы ученые и изобретатели в
различных странах нашли много других присадок, работающих еще
более эффективно.
Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно
: по традиции "смазывают" различными присадками трубопроводы,
"смазывают" полимерами морские и речные суда, напорные колонны
глубоких скважин и т.д.
Эффект Томса обуславливается образованием на границе
твердое тело-жидкость молекулярных растворов, которые ограни-
чивают турбулентность потока. Установлено , что добавка поли-
меров более эффективно действует при высоких скоростях потока
, где развивающаяся турбулентность потока больше.
Патент США N 3435796 : В устройстве, уменьшающем сопро-
тивление подводного аппарата, используется слабый раствор по-
лимера, образующий в пограничном слое забортной воды при сме-
щении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или
порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая
смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера,
растворимую в морс при температуре окружающей среды, но не-
растворимую в воде температуре выше 70 градус Цельсия.Когда по-
догретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответс-
твующих условиях окружающей среды, микрочастицы набухают и
растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обте-
кающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул,
препятствуя турбулизации потока.
А.с. N 244032: Способ снижения потерь напора при переме-
щении жидкости по трубопроводу, отличающийся тем, что с целью
достижения жидкостью свойства псевдопластичности, в нее вводят
длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в колличестве
0,01-0,2% по весу.
Снижение гидродинамического сопротивления может быть до
за счет образования под воздействием какого-либо поля из моле-
кул самой жидкости присадок, аналогичных по свойствам полимер-
ным молекулам.
А.с. N 364493: Способ снижения гидродинамического сопро-
тивления движению тел, например, судов, путем уменьшения сил
трения в пограничном слое, отличающийся тем, что с целью упро-
щения способа и повышения его эксплуатационной надежности пу-
тем исключения подачи в пограничные слои высокомолекулярных
составов, в пограничном слое создают электромагнитное поле,
генерирующее комплексы молекул.
Применение способа по п.1 для решения внутренней задачи,
например, для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.
4.4.2. С к а ч о к у п л о т н е н и я.
Что такое лобовое сопротивление при обтекании твердых тел
потоком жидкости или газа - общеизвестно. Однако, кроме лобо-
вого сопротивления, при обтекании возникает так называемое
волновое сопротивление, являющееся результатом затрат энергии
на образование акустических или ударных волн. В газе, напри-
мер, ударные волны возникают при образовании скачка уплотнения
у лобовой поверхности тела при обтекании его сверхзвуковым по-
током газа. При образовании скачка уплотнения резко увеличива-
ется плотность, температура, давление и скорость вещества по-
тока; в результате могут иметь место процессы диссоциации и
ионизации молекул, сопровождающиеся мощным световым излучени-
ем. Световое излучение может сильно разогреть как газ перед
фронтомволны, так и поверхность движущегося тела.
4.4.3. Э ф ф е к т К о а н д а.
Румынский ученый Генри Коанд в 1932 году установил, что
струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по
направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к
ней. Это обьясняется тем, что боковая стенка препятствует сво-
бодному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая
вихрь в зоне и пониженоого давления. Аналогично и поведение
струи газа. На основе этого эффекта строится одна из ветвей
пневмоники (струйной автоматики).
4.4.4. Э ф ф е к т в о р о н к и.
Если уровень жидкости в сосуде с открытой поверхностью
понизится до определенного уровня при свободном сливе жидкости
че отверстие в нижней части сосуда, то на поверхности жидкости
об водоворот (т.е. вихревое движение воды), который на ред-
кость устойчив, и нарушить его трудно.
4.5. Э ф ф е к т М а г н у с а.
Если твердый цилиндр вращется вокруг продольной оси в на-
бегающем потоке жидкости или газа, то он увлекает во вращение
прилегающие к нему слои жидкости или газа; в результате окру-
жающая среда движется отнительно цилиндра не только поступа-
тельно, но еще и вращается вокруг него. В той зоне, где нап-
равление поступательного и вращательного движения совпадают,
результирующая скорость движения окружающей средыпревосходит
скорость потока. С противоположной стороны цилиндра поток,
возникающий из-за вращения, противодействует поступательному
потоку и результирующая скорость падает. А из закона Бернулли
известно, что в тех местах, где скорость больше, давление по-
нижено и наоборот. Поэтому с разных сторонна вращающийся ци-
линдр действуют разные силы. В итоге появляется результирующая
сила, которая всегда направлена перпендикулярно образующим ци-
линдра и потоку.
Естественно, что такая же сила возникает при движении
вращающейся сферы в вязкой жидкости или газе (вспомните круче-
ны футболе, тенисе волейболе). На основе эффекта Магнуса в
свое время был построен корабль с вращающимися цилиндрами
вместо парусов. Конечно, эти цилиндры работали в качестве дви-
гателя только при боковом ветре.
В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость
потока, направление и величина угловой скорости, направление и
величина возникающей силы. Соответственно можно измерять поток
и угловую скорость.
Патент США N 3587327: В устройстве для измерения угловой
скорости и индикации направления вращения газовая струя разде-
ляется на две струи, каждая из которых тангенциально касается
противоположных сторон диска неподвижно закрепленного на акси-
ально вращающемся валу. Вращение диска накладывается на струи
разность давлений, величина которых пропорциональна скорости
вращения вала. В зависимости от направления вращения вала на
ту или другую струю накладывается большее относительное давле-
ние.
А.с. N 514616: Способ разделения неоднородных жидких сред
на легкую тяжелую фракции, предусматривает общее воздействие
на поток разделяемой среды центробежного и гравитационного по-
лей отличающийся тем, что с целью повышения эффективности, по-
ток разделяемой среды при воздействии на него центробежного и
гравитационного полей перемещают ввиде ряда, например, парал-
лельных слоев с расстоянием между слоями, меньшими величины
диаметра частиц тяжелой фракции, и последовательно возрастаю-
щими при переходе от одного слоя к другому, скоростями обеспе-
чивающими градиент скорости, направленной перпендикулярно пе-
ремещению слоев жидкости и создающий вращение частиц тяжелой
фракции вокруг своей оси, и гидродинамическую подьемную силу,
например силу эффекта Магнуса.
4.6. Дросселирование жидкостей и газов.
Дросселирование - расширение жидкости, пара или газа при
прохождении через дроссель - местное гидродинамическое сопро-
тивление (сужение трубопровода, вентиль, кран и другие), соп-
ровождающиеся изменением температур. Дросселирование широко
применяется для измерения и регулирования расхода жидкостей
газов.
4.6.1. Э ф ф е к т Д ж о у л я - Т о м с о н а.
(Дроссельэффект) заключается в изменении температуры газа
при его адиабатическом (без теплообмена с окружающей средой)
дросселировании, т.е. протекании через пористую перегородку,
диафрагму или вентель. Эффект называется положительным, если
температура газа при адиабатическом дросселировании понижает-
ся, и отрицательным, если она повышается. Для каждого реально-
го газа существует точка инверсии - значение температуры при
которой измеряется знак эффекта. Для воздуха и многих других
газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они
охлаждаются в процессе Джоуля-Томсона. Дросселирование - один
из основных процессов, применяемых в технике снижения газов и
получения сверхнизких температур.
А.с.257801: Способ определения термодинамических величин
газов, например, энтальции, путем термостатирования исходного
газа, дросселирования его с последующим измерением тепла, под-
веденного к газу, отличающийся тем, что с целью определения
термодинамических величин газов с отрицательным эффектом Джоу-
ля-Томсона, газ после дросселирования охлаждают до первона-
чальной температуры, затем нагревают до температуры после
дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным
соотношениям определяют искомые величины.
4.7. Гидравлические удары.
Быстрое перекрытие трубопровода с движущейся жидкостью
вызывает резкое повышение давления, которое распределяет упру-
гой волны сжатия по трубопроводу против течения жидкости. Эта
волна несет с собой энергию, полученную за счет кинетической
энергии жидкости. Подход волны к какому-нибудь препятствию
(изгибу трубопровода, задвижке и т.д.) вызывает явление гид-
равлического удара. Ослабление гидравлического удара может
быть достигнуто или увеличением времени перекрытия, или же
включением каких-либо, демпферов поглощающих энергию волны.
Для увеличения силы удара целесообразно применять жидкости без
неоднородностей и мгновенные перекрытия. Обычно вслед за гид-
равлическим ударом следует удар кавитационный, возникающий из-
за понижения давления за фронтом ударной волны сжатия (о кави-
тации смотри раздел 4.8). Волны сжатия в жидкости возникают
также при различного рода врывных явлениях в движущейся или
покоящейся жидкости (глубинные бомбы).
Патент США N 3118417: Способ укрепления морского якоря
заключается в следующем. Подвижной якорь опускают в воду над
тем местом, где он должен быть поставлен. Поток воду через
расположенную над якорем колонну поступает в ограниченную по-
лость где давление меньше давления жидкости в колонне и в ок-
ружающей среде. Резко остановленный поток воды передает гид-
равлический удар на якорь, что обеспечивает введение
последнего в грунт.
А.с. N 269045: Способ повышения динамической устойчивости
энергосистемы при аварии на линии электропередач путем сниже-
ния мощности гидротурбины, отличающийся тем, что с целью
уменьшения напора перед гидротурбиной создают отрица гидравли-
ческий удар путем отвода части потока, например в резервуаре.
А.с. N 348806: Способ размерной электрохимической обра-
ботки с регулированием рабочего зазора путем переодического
соприкосновения электродов с последующим отводом электрода -
инструмента на заданную величину, отличающийся тем, что для
отвоинструмента используют силу гидравлического удара, возни-
кающего в электролите, подаваемом в рабочий зазор.
4.7.1. Электро - гидравлический удар.
Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным им-
пульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными
в жидкость (электрогидравлический эффект Юткина). Чем круче
фронт электрического импульса, чем менее сжатая жидкость, тем
выше давление в ударе и тем "бризантнее" электрогидравлический
. Электрогидравлический удар применяется при холодной обработ-
ке металлов, приразрушении горных пород, для диамульсации жид-
костей, интенсификации химических реакций и т.д.
Патент США N 3566447: Формирование пластических тел при
помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гид-
раввлическая система в которой столб жидкости, находящийся в
баке гидропушки, напрвляется на заготовку. Для проведения жид-
кости в движение в указанном столбе жидкости производят элект-
рический разряд, в результате чего генерируется направленная
на заготовку волна, которая в сочетании с собственным высоким
давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки. Скорость
струи напрвляемой на заготовку, составляет от 100 до 10000
м/с.
В США эффект Юткина применяют для очистки электродов от
налипшего на них при электролизе металлов, а в Польше - для
упрочения стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость
операций, как правило, снижается.
А.с. N 117562: Способ получения коллоидов металлов и уст-
ройство для осуществления при применении высокого напряжения
за счет электрогидравлического удара между микрочастицами ма-
териала, диспергированного в жидкости.
Ударная волна возникающая в воде при быстром испарении
металлических стержней электрическим током (см. ниже А.с. N
129945) вполне пригодна для разрушения валунов и других креп-
ких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки
окальных оснований гидротехнических сооружений и других работ
связанных с разрушением. Приведенные примеры иллюстрируют при-
менение эффекта. Ниже даны примеры того, каким способом можно
получить или усилить электрогидравлический удар.
В японском патенте N 13120 (1965) описан способ электро-
гидравлической формовки ртутно-серебрянными электродами. При
парименении таких электродов сила ударной волны в воде возрас-
тает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале
разряда прибавляется давление паров ртути. Применение этого
способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной ба-
тареи.
А.с. N 119074: Устройство для получения свервысоких гид-
равлических давлений предназначенное для осуществления способа
по А.с. N 105011, выполненное ввиде цилиндрической камеры, со-
общенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость, а
другим - с ресивером, отличающееся тем, что с целью создания
электрогидравлических степеней сжатия применены искровые про-
межутки, располагаемы по длине камеры на определенном расстоя-
нии друг от друга.
А.с. N 129945: Способ получения высоких и сверхвысоких
давлений для создания электрогидравлических ударов, отличаю-
щийся тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости по-
лучают путем испарения в ней действием эмульсного заряда то-
копроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки,
замыкающих электроды.
4.7.2. С в е т о г и д р а в л и ч е с к и й удар.
Советские физики (А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян и Г.П.Шапи-
ро) установили, что мощные гидравлические волны можно получить
используя луч квантового генератора (открытие N65). Если луч
мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то
вся энергия луча поглотится в жидкости, приводя к образованию
ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это
открытие находит, кроме обычных областей применения гидравли-
ческих ударов, очень широкое применение микроэлектронике, для
условий особо чистых поверхностей, для обработки таких матери-
алов и изделий, которые исключают пр электродов и т.д. Исполь-
зуя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно,
возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча
света (см. также 17.7).
4.8. K а в и т а ц и я.
Кавитацией называется образование разрывов сплошности
жидкости в результате местного понижения давления. Если пони-
жение давления происходит вследствии возникновения больших
местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то
кавитация называется гидродинамической, а если вследствие про-
хождения в жидкости акустических волн, то акустической.
4.8.1. Гидродинамическая кавитация
Возникает в тех участках потока, где давление понижается
до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости
пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая
в облать давления меньше критического, приобретает способность
к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного
давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться.
Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достиже-
нии ими минимального радиуса, они восстанавливаются и соверша-
ют несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пу-
зырек схлопывается полностью в первом цикле.
Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается
кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокра-
щение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и
сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем
меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации
такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то
явление сопровождается сильным шумом со сплошным спетром от
несколько сотен герц до сотен кгц. Спектр расширяется в об-
ласть низких частот по мере увеличения максимального радиуса
пузырьков.
Если бы жидкость была идиально однороной, а поверхность
твердого тела, с которым она граничит идеально смачисваемой,
то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давле-
ние насыщенного паражидкости, при котором жидкость становится
нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна
1500 кг/см. реальные жидкости менее прочны. Максимальная проч-
ность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при рас-
тяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см. Обычно же раз-
рыв наступает при давлениях, насыщенного пара. низкая
прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так на-
зываемых кавитационных зародышей - плохо смачиваемых участков
твердого тела, твердых частиц, частиц, заполненных газом мик-
роскопических газовы предохраняемых от растворения мономолеку-
лярными органическими оболочками, ионных образований, возника-
ющих под действием космических лучей.
Увеличение скорости потока после начала кавитаци влечет
за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков,
вслед за чем происходит их обьединение в общую кавитациверну и
течение переходит в струйное.
Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками,
формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро.
наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидрав-
лических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и зас-
тавляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказы-
вается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить
развитие кавитации, создать так называемый режим "суеркавита-
ции", отличающийся струйным характером обтекания и применив
специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные
условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков
вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разруше-
нию поверхности,- так называемой кавитационной эрозии. Чтобы
избежать захлопывание кавитационных пузырьков, надо подать в
область пониженного давления какой-нибудь газ, например воз-
дух.
Так сделали специалисты Гидропроекта. Они построили на
водосбросе Нурекской плотины в области максимальной кавитации
искуственный трамплин, создав тем самым большую зону понижен-
ного давления, которую соединили с атмосферой. Теперь кавита-
ция засасывала воздух из атмосферы и сама себя разрушила.
Очень часто используют происходящие при кавитации разруше-
ния для ускорения различных технологических процессов.
А.с. N 443663: Способ приготовления грубых кормов, включаю-
щий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с
целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку
его осуществляют в кавитационном режиме.
4.8.2. Акустическая кавитация.
Это образование и захлопывание полостей и жидкости под воз-
действием звука. Полости образуются в результате разрыва жид-
кости во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основ-
ном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда
называется паровой кавитацией в отличие от газовой кавитаци-
иинтенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных)
пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до вклю-
чения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей
или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды дав-
ления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторо-
го критического значения амплитуды давления, так называемого
кавитационного порога. Величина этого порога - от давленияна-
сыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен
атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости зародышей).
Эксперементально установлено, что величина порога завист от
многих факторов. Порог повышается с ростом гидростатического
давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 1000 атм.)
статистическим давлением,при обезгаживании и охлаждении жид-
кости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительнос-
ти озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей воды.
При захлопывании сферической полости давление в ней резко
возрастает, как при взрыве, что приводит к излучению импульса
сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавита-
ции на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлен
насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости,
то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей
станет неполным и подьем давления при захлопывании - неболь-
шим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения воз-
никает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и
всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в
газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вбли-
зи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные
микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повы-
шение интенсивности звука, излучаемого в жидкости, что влечет
за собой снижение нагрузки на излучатель.
Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. часть из них,
например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгиро-
вание жидкостей, очистка - обязаны своим происхождением ударам
при захлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков.
Другие эффекты (например, вызывает и ускоряет химические реак-
ции) связаны с ионизацией при образовании полостей. Благодаря
этим эффектам акустическая кавитация находит все более широкое
применение для создания новых и совершенствования известных
технологических процессов. Большинство практических применений
ультразвука основано на эффекте кавитации.
В А.с. 200981 описывается установка, использующая в своей
работе явление кавитации. Назначение установки - снятие зау-
сенцев с деталей самой различной формы. Деталь помещается в
жидкость под высоким давлением, насыщенную мельчайшими абра-
зивными частицами. При возбуждении в жидкости интенсивной
акустической кавитации заусеницы отделяются от деталей; вдоба-
вок деталь очищается от стружки и масла не только на открытых
поверхностях, но и глубоких отверстиях.
А.с. 285394: Способ создания кавитации в жидкости путем
возбуждения непрерывных колебаний звуковой или ультразвуковой
частоты, отличающийся тем, что с целью поваышения эрозионной
активности жидкости возбуждают в полупериод сжатия дополни-
тельный пиковый импульс сжатия, соответствующий по времени
концу фазы расширения или началу фазы захлопывания кавитацион-
ных полостей.
А.с. 409569: Способ детектирования радиоактивных излучений
по их воздействию на протекание акустической кавитации в жид-
котях, отличающийся тем, что с целью увеличения надежности де-
тектирования, в кавитирующее акустическое поле помещают
тест-образец, определяют степень его эрозии, по изменению ко-
торой судят об интенсивности радиоактивного излучения.
А.с. 446757: Способ получения теплофизической метки, напри-
мер, для измерения расхода путем воздействия излучением на ис-
следуемый поток, отличающийся тем, что с целью расширения диа-
пазона измеряемых сред, воздействуют на контролируемый поток
ультразвуковым полем с интенсивностью выше порога кавитации,
фокусируют звуковые волны в локальную область, создают крат-
ковременный процесс кавитации и получают теплофизическую неод-
нородность за счет продуктов кавитации.
4.8.3. Сонолюминисценция.
В момент захлопывания кавитационного пузырька наблюдается
его слабое свечение, причиной этого явления является нагрева-
ние газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его
схлопывании. Вспышка может длиться от 1/20 до 1/1000 сек. Ин-
тенсивность света зависит от колличесва газа в пузырьке: если
газ в пузыорьке отсутствует, то свечение не возникает. Свето-
вое излучения пузырька очень слабо и становится видимым при
усилении или в полной темноте.
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 4.1. М.И.Шлионис, Магнитные жидкости. УФН. 1974, т.112.
авп. 3, стр.427
Н.З.Френкель, Гидравлика, М.-Л, 1956.
М.Д.Чертоусов, Гидравлика, М., 1957.
К 4.2. З.П.Шульман и др., Электрореологический эффект, Минск,
"Наука и техника", 1972.
К 4.3. И.М.Холостников, Теория сверхтекучести,
М., "Наука", 1977.
А.Роуз, Техника низкотемпературного эксперимента, М.,
"Мир", 1966.
К 4.4. Л.Лодж, Эластические жидкости, М., "Наука", 1969.
Физика ударных волн и высокотемпературных явлений,
М., 1963.
В.Н.Дмитриев, Основы пневмоавтоматики,
М., "Машиностроение", 1973.
Ю.Иванов, Была ли дырка в ванне Архимеда?
"Техника молодежи", 1972, стр.40.
А.Альтшуль и др., Визревые воронки, "Наука и жизнь",
1968, N'7.
К 4.6. М.П.Малков, Справочник по физико-химическим основам
глубокого охлаждения, М.-Л., 1963.
К 4.7. Н.Е.Жуковский, "О гидравлическом ударе в водопроводных
кранах", М.-Л., 1949.
М.А.Мостков и др., "Расчеты гидравлического удара",
М.-Л., 1952.
Г.В.Аронович и др.,"Гидравлический удар и уравнительные
резервуары", М., "Наука", 1968.
Л.А.Юткин, "Электрогидравлический эффект", М.,
"Машгиз", 1955.
К 4.8. Л.Родзинский, "Кавитация против кавитации", "Знание -
сила", N'6, 1977, с.4.
Н.А.Рой, Возникновение и протекание ультразвуковой
кавитации, Акустический журнал, 1957, вып.I.
И.Пирсол, "Кавитация", М., "Мир", 1975.
5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
5.1. Механические колебания.
Колебаниями называют процессы, точно или приблизительно
повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему
характеру колебания подразделяют на:
5.1.1. Свободные /или собственные/.
Свободные колебания - представляют собой колебания, со-
вершаемые системами, представленными самим себе, около своего
положения равновесия. Для возбуждения собственных колебаний
требуется определенное количество энергии. Частота собственных
колебаний определяется целиком свойствами самой системы.
А.с. 245 419: Способ определения главных центральных осей
и моментов инерции геометрической фигуры, имеющей сложные
очертания, путем измерения периода колебания пластинки, данной
фигуре, отличающейся тем, что с целью повышения точности, в
ластинке просверливают три отверстия, не лежащие не на одной
прямой, протягивают через два из них нить, натягивают ее гори-
зонтально и измеряют период колебания пластинки, затем протя-
гивают нить через вторую пару отверстий и также измеряют пери-
од колебания пластинки, и по измеренным периодам колебаний
подсчитывают значения осевых и центробежных моментов инерции
относительно центральных осей инерции фигуры.
А.с. 280 014: Способ определения координат центра тяжести
механической системы, заключающейся в том, что к системе поо-
чередно прикладывают движущие моменты, и по величине этих мо-
ментов в зависимости от веса системы определяют координаты ее
центра тяжести, отличающийся тем, что с целью повышения точ-
ности измерения при ограниченных углах поворота системы, дви-
жущие моменты, прикладываемые к системе, изменяют по гармони-
ческому закону, с постоянной амплитудой на двух различных по
частоте колебаний режимах, измеряют движущие моменты при про-
хождении системой нулевого положения и некоторого произвольно-
го выбранного другого положения, отличного от нулевого, и по
величине этих моментов в зависимости от частоты колебания сис-
темы и ее веса определяют координаты центра тяжести.
А.с. 288 383: Способ измерения натяжения движущейся маг-
нитной ленты в лентопротяжных механизмах по частоте ее колеба-
ний, отличающийся тем, что с целью повышения точности,
регистрируют крутильные колебания ленты вокруг ее продольной
оси, и по частотному спектру колебаний определяют среднюю ве-
личину натяжения ленты.
Свободные колебания из-за непрерывного расхода энергии на
преодоление сил трения, всегда являются затухающими. Скорость
затухания определяется характеристиками среды, в которой про-
исходят колебания.
А.с. 246 101: Способ измерения массового расхода жидкос-
тей и газов путем сообщения колебаний участку трубопровода со
средой, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме-
рения, участку трубопровода сообщают периодические колебания и
измеряют время затухания свободных колебаний участка трубопро-
вода между двумя фиксированными уровнями колебаний, обратно
пропорциональное количеству прошедшей за это время среды.
А.с. 274 276: Способ измерения давления, воспринимаемого
индикатором в виде кварцевой пластинки отличающийся тем, что с
целью повышения чувствительности и надежности измерения, ука-
занную пластинку приводят в резонансное колебание и по измене-
ниям ее импеданса и декремента затухания судят о воспринятых
ее давлениях.
А.с. 348945: Способ определения содержания в яйце плотной
жидкой фракци, отличающийся тем, что с целью сохранения плот-
ности яйца и сокращения продолжительности проведения процесса,
содержания плотной жидкой фракции в яйце определяют по числу
колебаний его содержимого путем воздействияна яйцо маятниковых
маятниковых колебаний до заданной амплитуды затухания и после-
дующего пересчета полученного числа колебаний по предваритель-
но построенной калибровочной кривой на содержание плотной и
жидкой фракции яйца.
5.1.2. В ы н у ж д е н н ы е колебания совершаются под
действием внешней периодической /или почти периодической/ си-
лы, например, колебания мембраны микрофона, барабанной пере-
понки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины маг-
нитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов.
Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы,
а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.
А.с. 271 868: Способ автоматического контроля начала об-
разования неразрушаемой структуры бетонной смеси при виброфор-
мировании путем фиксации момента изменения свойств бетонной
смеси, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме-
рения, определяют момент совпадания величин амплитуд вибрации
бетонной смеси и стола виброплощадки.
А.с. 301 551: Способ измерения массы, включающий опреде-
ление параметров колебания, отличающийся тем, что с целью точ-
ного измерения и исключения влияния внешних механических по-
мех, например, при контроле массы рыбы загружаемой в
консервную банку на плавучем рыбоконсервном заводе, на измеря-
емую упруго подвешенную массу периодически воздействует возму-
щающей силой с частотой, отличающейся от частоты помех и по
амплитуде вынужденных колебаний, возникающих при этом, судят о
величине массы.
А.с. 560 563: Способ контроля выдаиваниявымени животных
при машинном доении, включающий определение степени опорожне-
ния вымени по изменениям физических свойств его с помощью из-
вестных устройств, отличающийся тем, что с целью повышения
точности контроля, определения степени опорожнения долей выме-
ни ведут по изменению уровня и частоты акустических колебаний
возникающих в них.
Вынужденные колебания, возбуждаемые в системе внешними
силами, часто приводят к интенсификации многих, технологичес-
ких процессов.
А.с. 460 072: Способ распыления жидкостей, по которому на
распыляемую жидкость накладывают высоко частотные колебания,
отличающийся тем, что с целью повышения эффективности распыле-
ния, применяют последовательное наложение колебаний различных
частот.
А.с. 512 893: Способ электроэрозионной обработки с пода-
чей в межэлектродный зазор одновременно с рабочей жидкостью
нейтрального газа, отличающийся тем, что с целью интенсифика-
ции процесса, газ вводят в пульсирующем режиме с частотой 0,15
-0,2 Гц.
Патент США 3 467 331: Способ разматывания ленты, заключа-
ющийся в том, что участок ленты, сматывающейся с подающего ру-
лона, приводят в колебания, под действием которого преодолева-
ется сила сцепления между витками ленты подающего рулона.
Если на сверло наложить в процессе сверления
возвратопоступательные колебания, направленные вдоль его оси,
то процесс сверления намного упрощается, так как сверло мно-
гократно /с частотой колебания/ как бы возвращается в исходное
положение, поэтому его не уводит, трение уменьшается, повыша-
ется чистота поверхности сверления.
5.1.3. Особую роль в колебательных процессах играет явле-
ние р е з о н а н с а - резкого возрастания амплитуды вынуж-
денных колебаний, наступающего при приближении частот
собственных и вынужденных колебаний системы. Явление резонанса
используется для интенсификации различных технологических про-
цессов.
А.с. 119 132: Вибрационный транспортер, выполненный ввиде
желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом
вибраторами, отличающийся тем, что с целью уменьшения коли-
чества вибраторов, приводящих транспортер, часть из них заме-
нена подпружиненными реактивными массами, настроенными в резо-
нанс со всей колеблющейся системой.
А.с. 508 543: Способ обработки металлических изделий,
включающий нагрев до температуры отпуска с одновременным при-
ложением механической вибрации, отличающийся тем, что с целью
предотвращения образования усталостных трещин и интенсификации
процесса снятия внутренних напряжений в сварных изделиях, об-
работку ведут при местном нагреве зоны сварного шва с одновре-
менной вибрацией всего изделия, осуществляемой в резонансном
режиме с частотой, соответствующей частоте при его нагреве.
А.с. 515 006: Способ сушки дисперсных материалов, напри-
мер, солода, в кипящем слое путем продувки его восходящим
пульсирующим потоком теплоносителя, отличающийся тем, что с
целью интенсификации тепломассообмена, продувку ведут в режиме
резонанса с увеличением в зависимости от влажности материала
частоты пульсаций потока теплоносителя, например, для солода
от 6 до 14 Гц., и поддержанием ее средней частоте собственных
колебаний плотности кипящего слоя, и для измерения каких-либо
характеристик системы.
А.с. 175 265: Резонасный датчик уровня сжижения газов,
содержащий колебательный контур, выполненный ввиде стержней с
укрепленными токопроводящими элементами, отличающийся тем, что
с целью повышения точности измерения, стержни настроены на
различные резонансные частоты и расположены относительно друг
друга на расстоянии, позволяющем образовать электрическую ем-
кость, достаточную для возбуждения одного из стержней.
А.с. 271 051: Способ измерения массы вещества в резервуа-
ре, например, жидкого, отличающийся тем, что с целью повышения
точности и надежности измерения возбуждают механические резо-
нансные колебания системы резервуар - вещество, измеряют их
частоту, по величине которой судят о массе вещества.
А.с. 275 514: Способ определения химической стойкости по-
ристого материала к воздействию агреесивных сред, отличающийся
тем, что с целью повышения точности определения, образец под-
вергают воздействию механических колебаний, замеряют резонанс-
ную частоту его собственных колебаний, затем помещают в агрес-
сивную средуи выдерживают необходимое время, зависящее от
материала образца, после чего извлекают, промывают, сушат,
снова подвергают воздействию механических колебаний с замером
резонансной частоты собственных колебаний, и, по изменению уп-
ругих свойств, например, модуля упругости, вычисленного на ос-
новании замеренных величин резонансной частоты собственных ко-
лебаний образца, определяют его химическую стойкость.
А.с. 509 798: Способ испытания конструкций без разрушения
материалов, заключающийся в том, что в элементе конструкции
возбуждают колебания на его собственной частоте и увеличивают
эту частоту при определении усилий, отличающийся тем, что с
целью повышения точности, длину колеблющейся части элемента
ограничивают положением дополнительных механических связей,
после чего измеряют собственную частоту элемента под этой наг-
рузкой, и, сравнивая эти частоты, судят о величине начальных
усилий.
А.с. 519 239: Способ обнаружения налипания металлов в ка-
либрах валков чистовой клети при прокатке, например, арматур-
ной стали, включающей измерения амплитудно частотных характе-
ристик процесса и сравнения их с эталонными, отличающийся тем,
что с целью упрощения и повышения надености способа, контроли-
руют колебания раската в вертикальной плоскости на выходе из
чистовой клети, из сп выделяют составляющую колебаний полосы с
частотой вращения валка и судят о налипании металла по
трех-четырех кратному увеличению амплитуды выделенной состав-
ляющей колебаний.
5.1.4. А в т о к о л е б а н и я - незатухающие колеба-
ния, которые осуществляются в неконсервативной системе при от-
сутствии переменного внешнего воздействия /за счет внутреннего
источника энергии/, причем амплитуда и период этих колебаний
определяются свойствамисамой системы. Классический пример ав-
токолебательной системы - маятниковые часы. Как правило, авто-
колебательные системы склонны к самовозбуждению.
А.с. 267 993: Способ определения сроков схватываниябетонн
по изменению колебаний натянутой струны, помещенной в исследу-
емую смесь, отличающийся тем, что с целью автоматизации про-
цесса определения возбуждают в струне электромагнитные колеба-
ния и измеряют интервал времени от момента затвердения смеси
до момента самовозбуждения струны.
А.с. 279 214: Способ измерения ускорения путем определе-
ния изменения анодного тока в газоразрядной трубке с плазмен-
ным шнуром, отличающийся тем, что с целью получения частотного
выходного сигнала, в газоразрядной трубке создают неоднороное
электрическое поле, вызывающее изменение частоты автоколебаний
плазменного шнура при его смещении под действием ускорения от-
носительно электродов, и по частоте колебаний судят о контро-
лируемой величине.
5.2. Акустика.
Одним из широко известных колебательных движений является
звук - продольные колебания частичек среды, в которых расп-
ространяется звуковая волна.
Акустические /звуковые/ колебания, как и механические ко-
лебания, часто используют для интенсификации различных техно-
логических процессов.
А.с. 442 287: Способ разработки газогидратной залежием
превращения газа из твердого /газогидратного/ состояния в га-
зообразное в пласте, отличающийся тем, что с целью повышения
эффективности разработки залежи, пласт подвергают воздействию
упрцгих колебаний звукового диапозона.
А.с. 500 817: Способ очистки изделий в жидкости, напри-
мер, материалов типа лент, при котором на изделие воздействуют
движущимися относительно его механичекими очистными средства-
ми, преимущественно щетками и акустическим полем, отличающийся
тем, что с целью интенсификации процесса очистки и снижения
его энергоемкости акустическое и механическое воздействие на
изделие совмещают, для чего механические средства очистки рас-
полагают в акустическом поле.
А.с. 553 419: Способ чистки термочувствительных материа-
лов, например микробных препаратов, путем их предварительного
нагрева во взвешенном состоянии, отлежки и последующего охлаж-
дения, отличающийся тем, что с целью интенсификации и повыше-
ния качества сушки, охлаждение материала ведут в среде псевдо-
ожиженного сорбента под воздействиемзвукового поля.
А.с. 553 791: Способ сепарации взвешенных частиц путем
воздействия на них акустическими колебаниями, отличающийся
тем, что с целью сепарации частиц размерами меньше 0,5 мкм и
разделения частиц одинаковых размеров различной плотности,
акустические колебания генерируют в виде импульсов с периодом,
меньшим времени релаксации сепарируемой частицы и длитель-
ностью возрастающей от 0,1 до 1 времени периода следования им-
пульсов.
Акустические колебания различной частоты по разному воз-
действуют на животных.
На основе этого в США /патент N 557 889 / разработаны ус-
тройство и способ, предназначенные для разгона животных. С
этой целью мозг животных подвергается действию раздражающих
колебаний со спектром, лежащим в звуковом диапозоне частот,
представляющий собой совокупность многочисленных колебаний,
успокаивающих мозг животных. Раздражающие колебания действуют
на мозг животного одновременно с успокаивающими колебан при
этом осуществляется модуляция раздражающих колебаний успокаи-
вающими.
Характер звуковых колебаний зависит от свойства источника
звука, поэтому, измеряя различные характеристики звуковых ко-
лебаний, можно установить характеристики источника звука.
А.с. 257 084: Способ определения рассовой принадлежности
пчел, отличающийся тем, что с целью определения рассы на живых
пчелах, сокращение затрат времени и труда и получение более
точных данных, рассовую принадлежность определяют по спект-
ральной характеристике издаваемых пчелами звуков, которую
сравнивают со стандартными спекторами, полученными на пчелах
заведомо чистых расс.
А зная характеристики звуковой волны, можно по ее измене-
нию при прохождении различных сред установить параметры среды.
В США разработан автоматический прибор, сортирующий при
помощи звука яблоки, так как установлено, что зрелые, незрелые
и перезрелые яблоки оказывают различное сопротивление проходя-
щим сквозь них звуковым волнам разных частот.
Звук распространяется в воздухе с определнной скоростью.
Если в какой-то определнной системе координат возникает звуко-
вой импульс, то по времени прохождения его к осям координат,
которое может быть зафиксировано приемниками звука, можно оп-
ределить координаты источника звука. Такой путь и избрали в
институте Кибернетики АН БССР.
При использовании ЭВМ в качестве автоматического проекти-
ровщика необходимо вводить в нее графическую информацию. С
этой целью графическая информация предоставляется ввиде набора
различных кривых, координаты которых вводятся с помощью миниа-
торной искры, возникающей при соприкосновении специального
звукового карандаша (Электроакустического преобразователя) с
любой из точек чертежа, звук который достигает системы коорди-
натных микрофонов, расположенных по краям чертежа. Одна систе-
ма выдает координату по Х, другая по У.
5.2.1. При подходе к приграде акустические волны отража-
ются (эхо). Поэтому, если в закрытом помещении включить и
сразу выключить источник звука, то возникает явление р е в е р
б е р а ц и и т.е. послезвучание,обусловленное приходом в оп-
ределенную точку запоздавших отраженных или рассеянных звуко-
вых волн.
Измеряя время реверберации (время в течении которого ин-
тенсивность звука уменьшается в 1000000 раз) можно определить
обьем свободного помещения.
А.с. 346 588: Акустический способ определения количества
вещества в замкнутом сосуде, отличающийся тем, что с целью уп-
рощения, в свободном пространстве сосуда создают акустический
импульс и измеряют время реверберации, по которому судят о ко-
личестве вещества.
5.3. У л ь т р а з в у к.
Ультразвук - продольные колебания в газах, жидкостях и
твердых телах в диапозоне частота 20.10 в третьей степени Гц.
Применение ультразвука связано в основном с двумя его харак-
терными особенностями: лучевым распространением и большой
плотностью энергии.
Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых
волн с сопровождающими эффектами:
отражением
Патент США 3554 030: Расписан расходомер, используемый
для измерения и регистрации величины обьемного расхода крови.
Измерения производятся при помощи ультразвукового преобразова-
теля, который применяется как для излучения, так и приема уль-
тразвуковых волн. Отраженные сигналы, принимаемые преобразова-
телем позволяют определить размер поперечного сечения
кровеносного сосуда, а также скорость движения крови в сосуде.
Измеренные параметры дают возможность получить расчетным путем
величину обьемного расхода крови.
фокусировкой
А.с. 183 574: Способ газовой сварки и резки, заключающий-
ся в использовании тепла пламени горючей смеси, отличающийся
тем,что с целью повышения производительности процесса, в газо-
вую горючую смесь вводят ультразвуковые колебания, фокусируе-
мые в зоне сварного шва или реза.
образование теней (ультразвуковая дефектоскопия);
Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко
создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии,
рапространение которых в жидких и твердых телах сопровождается
рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти
эффекты - радиационное давление (избыточное давление испытуе-
мое препятствием вследствии воздействия на него ультразвуковой
волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу
времени единице поверхности препятствия), акустическая кавита-
ция (см. раздел 4.8) и акустические потоки, носящие вихревой
характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи
препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.
5.3. Пластическая деформация и упрочнение.
Воздействие ультразвука на процесс пластической деформа-
ции обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и
структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два
нелинейных эффекта: "акустическое разупрочнение" и "акустичес-
кое упрочнение". Первый наблюдается в процессе воздействия ин-
тенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического
напряжения, необходимого для осуществления пластической дефор-
мации. Акустическое упрочение металлов достигается после воз-
действия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.
Акустическое разупрочнение является результатом активации дис-
локаций, происходящей в результате поглощения акустической
энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других
структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время про-
исходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения,
снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их
подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход платичес-
кой деформации.
А.с. 436 750: Способ разбортовки полых изделий из пласти-
ческих масс путем двустороннего обжатия роликами стенки изде-
лия при его вращении, отличающийся тем, что с целью повышения
производительности процесса, область контакта стенки изделия с
роликами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний.
А.с. 536 874: Способ профилирования материала типа прут-
кового путем наложения на заготовку ультразвуковых колебаний в
ее пластической деформации, отличающийся тем, что с целью по-
лучения на заготовках периодического профиля синусоидального
характера, заготовку предварительно подвергают воз ультразву-
ковых колебаний так, чтобы расположение пучностей и узлов уль-
тразвуковой волны соответствовало выступам и впадинам заданно-
го периодического профиля, после чего осуществляют процесс
пластического деформирования заготовки в осевом направлении,
перпендикулярном к направлению действия изгибных колебаний,
растягивающими усилиями, достаточными для получения заданной
глубины профиля.
Если валики прокатного стана колебать в направлении па-
раллельном осям их вращения, с ультразвуковой частотой, то
усилие деформации снижается в 1,5-2 раза, а степень деформации
увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко сни-
жается.
При достижении определенного уровня акустической энергии,
зависящего от свойства облучаемого металла, последний может
пластически деформироваться при комнатной температуре без при-
ложения внешней нагрузки.
5.3.2. Под действием ультразвукав и з м е н я ю т с я о с
н о в н ы е ф и з и к о-х и м и ч е с к и е с в о й с т в а р
а с п л а в о в: вязкость, поверхностное натяжение на границе
"расплав - форма" или "расплав - твердая фаза", температура и
диффузия.
5.3.2.1. В я з к о с т ь, после ультразвуковой обработки
расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер из-
менения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости
вызывается только тепловым воздействием ультразвука, посколько
на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты,
например, изменение трения между твердыми нерастворимыми при-
месями, находящихся в расплаве.
5.3.2.2. П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е.
Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристализации
уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом
при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаж-
дение расплавов и увеличивается количество кристаллических за-
родышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.
5.3.2.3. Т е м п е р а т у р а. Ультразвуковая обработка
металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит
к изменению характера температурного поля. Возникновение акус-
тических потоков в расплаве под действием ультразвука связано
с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсив-
ности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические
потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнива-
ние температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При
выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со
стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается
скорость охлаждения, физическая сущность влияния ультразвука
на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции зак-
лючается в проникновении акустических потоков в пограничный и
ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их
турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько
раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость тепло-
обмена.
5.3.2.4. Д и ф ф у з и я.
Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических
расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под
действием ультразвука происходит более легкое перемещение ато-
мов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образо-
ванию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать
влияние вторичных эффектов акустических потоков, повышение
температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное
перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и
твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость -
твердое тело.
5.3.2.7. Д е г а з а ц и о н н ы й э ф ф е к т.
Под действием ультразвука растворенный газ сначала выде-
ляется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых
волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении доста-
точно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно
обьяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в
расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные
пустоты проникает ратворенный газ. При захлопывании кавитаци-
онных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в метал-
ле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков об-
разуются и в полупериод разряжения при распространении упругих
ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении дав-
ления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пу-
зырьки под влияниемельных движений коанулируют и, достигая оп-
ределенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под
действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию га-
зовых пузырьков.
5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект (открытие N109).
Явление капиллярности заключается в том, что при помеще-
нии в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под
действием сил поверхностного натяжения происходит подьем жид-
кости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает
колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный
эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается
в несколько десятков раз, значительно во и скорость подьема.
Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость
толкает вверх не радиационное давление и капилярные силы, а
стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы
сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект
уже очень хорошо используется в промышленности, например, при
пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей,
окраске тканей, в теплвых трубах и т.п.
А.с. 437 568: Способ попитки капиллярных пористых тел
жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с
применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с
целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колеба-
ния сообщают пропитываемому телу.
5.3.4. Трудно перечислить все эффекты, возникающие в ре-
зультате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко
перечислим основные области прменения ультразвука и приведем в
заключение несколько интересных изобретений, показывающих ши-
рокие возможности использования ультразвука в изобретательст-
ве.
Твердые вещества
----------------
- размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов
(сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование,
наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т.д.)
- лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т.п.
- сварка металлов и полимеров.
А.с. 505 540: Способ сварки трением встык разнородных ме-
таллов при котором осуществляют вращение одной заготовки, кро-
ковку стыка и обжатие его при помощи осадочной матрицы, наде-
той на неподвижную заготовку, отличающийся тем, что с целью
повышения стабильности качества сварного шва и стойкости мат-
рицы, проковку и обжатие стыка производят с наложением на оса-
дочную матрицу поперечных звуковых колебаний с пучностью нап-
ряжений в очаге деформации при с менее окружной скорости
вращающейся заготовки.
Жидкости (кавитирующие)
- очистка деталей от жировых и других загрязнений
А.с. 120 613: Устройство для автоматической очистки дета-
лей, например, сеток радиоламп посредством промывочной жидкос-
ти, включающие промывочную ванну, транспортер, укладочное и
разгрузочное приспособление, отличающееся тем, что с целью по-
вышения качества очистки, в промывочной ванне установлены уль-
тразвуковые излучатели с концентраторами ультразвуковой энер-
гии, служащие для создания фонтанов промывочной жидкости,
омывающих сетки, перемещаемые над промывочной ванной.
- диспергирование твердых порошкообразных материалов в
жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей.
А.с. 517 294: Способ получения жирового концентрата,
включающий смешивание жира с белковым стабилизатором и высуши-
вание, отличающийся тем, что с целью длительного хранения вы-
сококилотных жиров, а также удешивления способа, жир перед
смешиванием нейтрализуют в присутствии катализатора, смесь жи-
ра со стабилизатором эмульгируют с помощью ультразвука в тече-
нии 10-15 минут, а в качестве стабилизатора используют дунст.
- получение аэрозолей.
- полимиризация или деструкция высокомолекулярных соеди-
нений, ускорение массообразных и химических процессов.
- разрушение биологических обьектов (микроорганизмов).
Действие ультразвука на жидкость базируется на использо-
вании вторичных эффектов кавитации - высоких локальных давле-
ний и температуры, образующихся при схлопывании кавитационных
пузырьков.
Г а з ы
- сушка сыпучих, пористых и других материалов.
- очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.
5.3.5. Акустомагнетоэлектрический эффект.
Звук способен сортировать не только яблоки, но и электро-
ны. Если поперек направления распространения звука в проводя-
щей среде наложить магнитное поле, то электроны, которые увле-
каются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к
возникновению поперечного тока или, если образец "разомкнуть"
в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но маг-
нитное поле в соответствии с законом Лоренца отклоняет элект-
роны разных скоростей по разному, поэтому величина и даже знак
ЭДС показывают, какие электроны увлекаются звуком, то есть ко-
ковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом ве-
ществе звук увлкает за собой группу электронов характерных
именно для дпнного вещества. Если звук проходит через границу
двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, нап-
ример, более "холодные", более "горячими". При этом от границы
будет тепло, а сама граница охлаждаться. Данный эффект похож
на известный эффект Пельтье (см. раздел 9.2.2.).
Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта
Пельтье состоит в том, что он не исчезает, даже при очень низ-
ких температурах и охлаждение может продолжаться до темпера-
тур, близких к абсолютному нулю. Это открытие зарегистрировано
под номером 133 в следующей формулировке:"Установлено неиз-
вестное ранее явление возникновение в телах, проводящих ток,
перемещенных в магнитном поле, при прохождении через них зву-
ка, электродвижущей силы поперек направления распространенияз-
вука, обусловленной взаимодействием со звуковой волной носите-
лей заряда, находящихся в различных энергетических
состояниях". На основе открытия уже сделано ряд изобретений.
А.с. 512 422: Способ измерения времени релаксации энергии
носителей заряда в кристалле, заключающийся в измерении прово-
димости и разности потенциалов на исследуемом образце, отлича-
ющийся тем, что с целью упрощения и повышения точности измере-
ния, в образец вводят ультразвуковую волну, измеряют разность
потенциалов в направлении распространения волны и проводимость
в перпендикулярном направлении.
А.с. 543 140: Способ усиления поверхностных звуковых волн
в пьезоэлектическом полупроводнике основанный на взаимодейс-
твии звуковых волн с электрическим полем, отличающийся тем,
что с целью повышения эффективности усиления, дрейфовое напря-
жение прикладывается в направлении, перпендикулярном распрост-
ранению поверхностной звуковой волны.
5.4. Волновое движение.
Волна - это возмущение, распространяющееся с конечной
скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть вол-
нового движения состоит в переносе энергии без переноса ве-
щества. Любое возмущение связано с каким-то направлением (век-
тор электрического поля в электромагнитной волне, напрвление
колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации,
градиент потенциала и т.д.). По взаимоположению вектора возму-
щения и вектора скорости волны, волны подразделяются на про-
дольные (направление вектора возмущения совпадает с направле-
нием вектора скорости) и поперечные (вектор возмущения
перпендикулярен вектору скорости). В жидкостях и газах возмож-
ныв только продольные волны, в твердых телах и продольные и
поперечные.
Волна несет с собой и потенциальную и кинетическую энер-
гию. Скорость волны, т.е. скорость распространения возмущения,
зависит как от вида волны, так и от характеристик среды, нап-
ример, от прочности бетона при затвердевании. Измеряя скорость
распространения ультразвука можно определить, какую прочность
набрал бетон в процессе выпаривания. ("Знание-сила"II,1969)
В Японии предложено пропускать ультразвук через стальные
изделия перпендикулярно тем поверхностям, расстояние между ко-
торыми нужно измерить. Стальные изделия помещались в остную
ванну, которая просвечивалась ультразвуковыми импульсами. Из-
мерив время необходимое для прохождения импульса от каждого
вибратора, определяли внешние разхмеры изделия /заявка Японии
N 51-23193/.
При наличии дисперсии волн (см. раздел 5.4.7.) понятие
скорости волны становится не однозначным; приходится различать
фазовую скорость (скорость распространения определенной фазы
волны) и групповую скорость, являющуюся скорость переноса
энергии, что усложняет различные измерительные работы с по-
мощью различного вида колебаний. В случае же когерентного ко-
лебания фазовая скорость может нести информацию о свойствах
среды.
А.с. 288 407: Способ измерения паросодержания пароводяных
смесей и количества парогазовых включений по а.с. N'131138,
отличающийся тем, что с целью повышения точности и чувстви-
тельности при измерениях паросодержания в высокочастотных
трактах с большими потерями, отраженный сигнал, фаза которого
характеризует измеряемый параметр, выделяют из высокочастотно-
го тракта, усиливают, ограничивают по амплитуде и сравнивают
его фазу с фазой опорного когерентного высокочастотного коле-
бания.
А.с. 412 421: Способ измерения скорости ультразвука в
средах основанный на определении времени рапространения коле-
баний с помощью фазового сдвига, отличающийся тем, что с целью
повышения точности измерения, модулируют колебания по фазе и
одновременно пропускают через исследуемую и эталонную среду,
измеряя на границах обеих сред относительную величину фазы ко-
лебаний, и по результатам измерения находят скорость ультраз-
вука в исследуемой среде.
5.4.1. Стоячие волны.
При наличии каких-либо неоднородностей в среде имеют мес-
то явления преломления и отражения волн. Если возбуждаемые в
среде волны отражаются от каких-то границ (препятствий), то
при определенном сдвиге фаз в результате наложения прямой и
отраженной волны может возникнуть стоячая волна с характерным
расположением максимумов возмущения (узлов и пучностей). При
наличии стоячей волны переноса энергии через углы нет, и в
каждом участке между двумя узлами наблюдается лишь взаимопрев-
ращение кинетической и потенциальной энергии.
А.с. 337 712: Способ определения модуля упругости бетона
путем ультразвукового прозвучивания образца, отличающийся тем,
что с целью повышения точности, фиксируют частоту ультразвуко-
вых колебаний при возникновении стоячей волны и по ней судят о
модуле упругости бетона.
А.с. 488 170: Способ ипытания кабельных изделий на виб-
ростойкость путем создания колебаний в закрепленном по концам
образца, находящемся под натяжением, отличающийся тем, что с
целью повышения надежности испытаний кабель-буксирных комплек-
таций, на образце кабеля закрепляют соединитель, идентичный по
весу, размерам, и элементам фиксации муфте изделия, концы зак-
репляют шарнирно, возбуждают в нем стоячие волны, а соедини-
тель размещают в узле стоячей волны.
5.4.2. Эффект Доплера-Физо.
Еслирегистрировать колебания в точке, расположенной на
каком-либо расстоянии от источника колебаний и неподвижной от-
носнего, то частота регистрируемых колебаний будет равна час-
тоте колебаний источн Если же источник и приемник приближаются
друг к другу, то частота регистрируемых колебаний будет выше
частоты колебаний источника. При взаимном удалении приемника и
источника приемник будет регистрировать понижение частоты ко-
лебаний. При этом изменение частоты зависит от скорости взаим-
ного движения источника и приемника. Этот эффект был впервые
открыт Доплером в акустике, позже его независимо открыл Физо и
рассмотрел его в случае световых колебаний.
На основе этого эффекта создан прибор для измерения ско-
рости супертанкеров при швартовых операциях,, длина волны ис-
пользована малая (микроволновый сигнал). Очевидно подобный
прибор может быть использован и в других областях техники.
Патент США 3 555 899: Установка для ультразвукового изме-
рения расхода жидкостей в трубопроводе. Имеется устройство для
создания двух траекторий распространения ультразвука между
противоположными боковыми стенками трубопровода и устройство,
которое направляет эти траектории таким образом, что они рас-
полагаются в плоскости, проходящей через параллельно продоль-
ные прямые, и наклонены к обоим прямым под взаимно дополняющи-
ми углами. Установка имеет устройство, которое посылает
ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях
по каждой из двух траекторий. Расход определяется путем изме-
рения скорости распространения колебаний по направлению потока
и навстречу потоку и вычисления среднего значения разности
между указанными различными скоростями. Распространение звуко-
вых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем
отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траекто-
рии.
Патент США 3 564 488: Прибор для измерения скорости дви-
жущихся обьектов, например, для измерения скорости движения
тела по рельсам. По одному из рельсов пускаются ультразвуковые
волны. В приборе имеется пьезоэлектрический преобразователь
который служит для обнаружения доплеровской частоты в отражен-
ном сигнале, исходящеи от точки, расположенной вблизи места
контакта движущегося тела с рельсом. Частота Допплера исполь-
зуется для измерения скорости движущегося по рельсам обьекта.
5.4.3. Поляризация.
Поляризация волн - нарушение осевой симметрии поперечной
волны относительно направления распространения этой волны. В
неполяризованной волне колебания (векторов смешения и скорости
частиц среды в случае упругих волн или векторов напряженностей
электрического и магнитного полей в случае электромагнитных
волн) в каждой точке пространства по всевозможным направлениям
в плоскости, перпендикулярной направлению распрстранения вол-
ны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга так, что ни одно
из этих направлений колебаний не является преимущественным.
Поперечную волну называют поляризованной, если в каждой точке
пространства направление колебаний сохраняется неизменным (ли-
нейнополяризованным) или изменяется с течением времени по оп-
ределенному закону - (циркулярно или элептическиполяризован-
ной).
Поляризация может возникнуть вследствие отсутствия осевой
симметрии в возбуждающем волну излучателе (например, в лазе-
рах), при отражении и приломлении волн на границе двух сред
(наибольше степень поляризации имеет место при отражении под
углом Брюстера тангенс угла равен коэффициенту преломления от-
ражающей среды) при рапространении волны в анизотропной среде.
А.с. 269 588: Способ определения стойкости стекла в спаях
с металлом к электролизу, состоящий в том, что через термоста-
тированный образец пропускается электрический ток, причем нап-
ряжение питающего источника остается постоянным, и измеряют
величину тока, проходящего через образец, отличающийся тем,
что с целью повышения точности наблюдений, о ходе процесса
электролиза судят по измерению картины механических напряжений
в местах спая с металлом, наблюдаемой в лучах поляризованного
света.
А.с. 452 786: Способ магнитного контроля ферромагнитных
материалов, заключающийся в том, что на поверхность предвари-
тельно намагниченного материала наносят индикатор и по рисун-
ку, образованному под воздействием полей рассеяния, судят о
качестве изделия, отличающийся тем, что с целью повышения его
чувствительности, в качестве индикатора используют монокрис-
таллическую пленку магний-марганцевого феррита с полосовой до-
менной структурой, а изменение состояния индикатора наблюдают
в поляризованном свете.
А.с. 221 345: Способ контроля кристаллизации кондитерских
масс, например, ирисной, в процессе производства путем микрос-
копирования исследуемого образца, отличающийся тем, с целью
повышения точности контроля, микроскопирование осуществляют в
проходящем поляризованном световом луче с измерением при этом
интенсивности светового потока с последующим определением со-
держания кристаллов.
А.с. 249 025: Способ оценки распределния контактных нап-
ряжений по величине деформации пластичной прокладки, распола-
гаемой в зоне контакта между соприкосающимися поверхностями,
отличающийся тем, что с целью повышения точности, в качестве
пластичной прокладки используют пленку из оптически чувстви-
тельного материала, которую затем просвечивают поляризованным
светом в направлении действия контактных сил, и по картине по-
лос судят о распределении контактных напряжений.
5.4.4. Вобщем случае д и ф р а к ц и я - это отлонения
волновых движений от законов геометрической /прямолучевой/ оп-
тики. Если на пути распространения волны имеется препятствие,
то на краях препятствия наблюдается огибание волной края. Если
размеры препятствия велики по сравнению с длиной волны, то
распрстранение волны почти не отклоняется от прямолинейного,
т.е. дифракционные явления не значительны. Если же размеры
препятствия сравнимы с длиной волны, то наблюдается сильное
отклонение от прямолинейного распространения волнового фронта.
При совсем малых размерах препятствия волна полностью его оги-
бает - она "не замечает" препятствия. Очевидно, величина отк-
лонения /количественная характеристика дифракции/ при заданном
препятствии будет зависеть от длины волны; волны с большей
длиной будут сильнее огибать препятствие.
Такое разделение волны используется в дифракционных
спектроскопах, где белый свет /совокупность волн различной
длины/ располагается в спектр с помощью дифракционной решетки-
системы частых полос.
В авторском свидетельстве N'249 468 изменение дифракцион-
ной картины при изменении размеров препятствий использовано
для градировки магнитного поля, под действием которого изменя-
ются параметры ферромагнитной пленки с полосовой доменной
структурой: Способ градировки магнитного поля спомощью этало-
на, отличающийся тем, что с целью повышения точности и упроще-
ния процесса градуровки эталон, в качетве которого использова-
на тонкая ферромагнитная пленка с полосовой доменной
структурой, на которую нанесен магнитный коллоид, намагничива-
ют под определенным углом к направлению силовых линий градуи-
руемого поля, освещают его светом и наблюдают диффрагировавший
на эталоне луч света, затем увеличивают градуируемое поле по
величине, при которой исчезает наблюдаемый луч, сопоставляют
эту величину с известным значением поля переключения эталона.
А.с. 252 625: Способ определения статистических характе-
ристик прозрачных диэлектрических пленок, заключающийся в том,
что через исследуемую пленку пропускают луч света, отличающий-
ся тем, что с целью упрощения процесса и сокращения времени
определения, на пути луча когенентного света за исследуемой
пленкой устанавливают экран с отверстием, вращают исследуемую
пленку в плоскости, перпендикулярной оси луча, получают усред-
ненную дифракционную картину от отверстия и затем из сравнения
полученной усредненной дифракционной картины с расчетной кар-
тиной определяют статические характеристики пленки.
5.4.5. Интенференция волны.
Явление, возникающее при наложении двух или нескольких
волн и состоящее в устойчивом во времени их взаимном усилении
в одних точках пространства и ослаблении в других в зависимос-
ти от соотношения между фазами этих волн. Интерференционная
картина может наблюдаться только в случае когерентных волн, т.
е. волн, разность фаз которых не зависит от времени. При ин-
терференции поперечных волн помимо когерентности волн необхо-
димо, чтобы им соответствовали колебания, совершающиеся вдоль
одного и того же или близких напрвлений: поэтому две когерент-
ные волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направ-
лениях интерферировать не будут. Существует много различных
методов получения когерентных волн: наиболее широко распрост-
раненными Являются способы, основанные на использовании прямой
и отраженной волны; если отраженная волна направлена точно на-
зад т.е. на 180 градусов, то могут возникнуть стоячие волны.
А.с. 154 676: Способ определения абсолютного значения ус-
корения силы тяжести, отличающийся тем, что с целью повышения
точности измерения абсолютного значения ускорения силы тяжес-
ти, время падения измеряют путем подсчета количества временных
периодических интервалов, задаваемых эталоном частоты, в пери-
од между моментами совпадения отрезков пути свободного падения
с длиной трубчатого концевого эталона, сличаемых интерференци-
онным методом в процессе свободного падения тела.
Патент США 3 796 493: Аппарат для измерения шага резьбы
прецизионного ходового винта посредством оптической интерфе-
ренции. Два чувствительных элемента приводят в контакт с одной
и той же стороной резьбы винта в двух точках, фазы которых от-
личаются на 180 градусов. Щупы смонтированы на направляющей,
которая может перемещаться в любом направлении на каретке, в
плоскости, параллельной плоскости движения каретки вдольоси
винта, регулируют таким образом, чтобы она приблизительно рав-
нялась шагу винта. Средняя точка между сферическими концами
двух щупов располагается в вершине кубического уголкового от-
ражателя, смонтированного на направляющей. Световой луч от
уголкового кубического отражателя отражается рефлектором. Шаг
резьбы измеряют используя интерференцию между световыми луча-
ми, разделенными полупрозрачным зеркалом. Один из лучей испы-
тывает отражения от уголкового отражателя и рефлектора. Изме-
ренную величину сравнивают с эталонным шагом.
5.4.6. Голография.
Явления интерференции и дифракции волн лежат в основе
принципиально нового метода получения обьемных изображений
предметов - голографии.
Теоретические предпосылки голографии существовали давно /
Д.Габор, 1948г./, однако практическое ее осуществление связано
с появлением лазеров - источников света высокой интенсивности,
когерентности и монохроматичности.
Суть голографии состоит в следующем. Обьект освещают ко-
герентным светом и фотографируют интерференционную картину
взаимодействия света, рассеянного обьектом, с когерентным из-
лучением источника, освещающего обьект. Эта интерференционная
картина - чередование темных и светлых областей сложной конфи-
гурации, зарегистрированная фотопластинкой и есть голограмма.
Она не имеет никакого сходства с обьектом, однако несет в себе
полную визуальную информацию о нем, так как фиксирует распре-
деление амплитуд и фаз волнового поля - результата наложения
опорной когерентной волны и волн, дифрагированных на обьекте.
Для восстановления изображения голограмму освещают опорным
пучком света, который дифрагируя на неоднородностях почернения
фотоэмульсии, дает обьемное изображение, обладающей полной ил-
люзией реального обьекта.
Голограммы обладают рядом интересных особенностей. Напри-
мер, если голограмму расколоть на несколько кусков, то каждый
из них при просвечивании дает полное изображение предмета, как
и целая голограмма. Изменяются лишь четкость изображения и
степень обьемности. Если же с голограммой контактным способом
снять обращенную копию /негатив/, то изображение полученное от
этой копии все равно останется позитивным.
Одно из фундаментальных открытий в области голографии
принадлежит Ю.Н.Денисюку, осуществившему голографию в стоячих
волнах. Открытие зарегистрировано под N'88 со следующей форму-
лой:
"Установлено ранее неизвестное явление возникновения
пространственного неискаженного цветного изображения обьекта
при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной ма-
териальной среды, в которой распределение плотности вещества
соответствует распределению интенсивности поля стоячих волн,
образующихся вокруг обьекта при рассеянии на нем излучения".
Такие трехмерные галограммы на стадии восстановления нео-
бязательно освещать когерентным излучением,- можно пользовать-
ся обычным источником света.
Возможности использования голографических методов неис-
черпаемы. Например, если процессы регистрации и восстановления
производить при разных длинах волн, то изображение обьекта во
столько раз, во сколько длина волны восстановления больше дли-
ны волны регистрации /голографический микроскоп/. С помощью
голографии можно получать интерференционные картины от обьек-
тов, диффузно рассеивающих свет. Совмещая голографическое
изображение с самим обьектом и изучая интерференционную карти-
ну, можно зафиксировать самые незначительные деформации обьек-
та.
А.с. 250 465: Способ определения чистоты обработки по-
верхности изделия...., отличающийся тем, что с целью повышения
чувствительности способа, сначала получают голограмму контро-
лируемого изделия, производят освещение поверхности изделия,
накладываемое на него восстановленное с голограммы его дейс-
твительное изображение, и регистрируют при этом интенсивность
зеркально и диффузно отраженного от поверхности изделия излу-
чения, затем изменяют взаимное расположение изделия и его
действительного изображения на величину большую, чем средняя
высота микронеровностей поверхности, регистрируют интенсив-
ность зеркально отраженного от поверхности изделия и по соот-
ношению этих интенсивностейопределяют чистоту обработки по-
верхности.
США патент N' 3 797 944: Испытание без разрушения
пористых акустических панелей. В процессе испытания получают
усредненную по времени голографическую фотографию перефориро-
ванно поверхности акустической панели, имеющей ячеистую струк-
туру. При этом панель подвергается воздействию акустического
излучения заданной интенсивности, частота которой равна часто-
те ячейки панели. Затем полученную фотографию просматривают,
направляя через нее лазерный луч. Световые завихрения получен-
ные на фотографии соответствуют хорошим ячейкам, тогда как
темные участки соответствуют нерабочим или дефектным ячейкам.
Если резонансная частота ячейки неизвестна, то ее можно опре-
делить получая изображение поверхности в реальном масштабе
времени в отсутствие акустического возбуждения. Затем перфори-
рованные листы просматривают через полученное изображение,
подвергая перфорированную поверхность воздействию акустическо-
го излучения с медленно меняющейся частотой при постоянном
уровне интенсивности и регулируя возникновение завихрений, со-
ответствующих резонансу.
Голография дает возможность создать оптическую память
чрезвычайно большой емкости. С ее помощью успешно решается
проблема машинного распознавания образов. Можно сделать так,
что проекция на голограмму одних образцов будет вызывать появ-
ление других, определенным образом связанным с первым (ассоци-
ативная память).
Существенно, что голографическое изображение можно полу-
чать не только с помощью электромагнитных, но и акустических
волн. Когерентные ультразвуковые волны дают возможность осве-
щать большие обьекты. Следовательно можно получить трехмерное
изображение внутренних частей обьекта, например, человеческого
тела, недр Земли, толщи океана.
США патент 3 585 848: Аппарат для записи акустических
изображений и голограмм и метод их записи. Обьект облучается
акустическими волнами для создания поля акустических колебаний
в отражающей поверхности, в аппарате предусмотрено устройство
разверстки бегущим лазерным пятном для сканирования поверхнос-
ти коллимированным лучом света. Изменения отражаемой от по-
верхности компоненты луча обеспечивают генерацию выходного
сигнала, изменения частоты котрого соответствуют изменениям
интенсивности акустических колебаний в плоскости поверхности
обьекта. Выходной сигнал гетеродинируется с опорным сигналом,
частота которого выдерживается в заданном соотношении с часто-
той облучающих акустических волн, соответствующая внутренней
модуляции преобразуется в визуальную индикацию, что позволяет
осуществить акустическую голограмму обьекта. Условное неголог-
рафическое изображение (акустическое) может быть получено пу-
тем амплитудного детектирования выходного сигнала без смешения
его с опорным сигналом.
Возможности оптической и акустической голографии изучены
сейчас еще не полностью, голографические методы проникают во
все области науки и техники, позволяя изящно и надежно решать
неразрешимые задачи.
5.4.7. Д и с п е р с и я в о л н - зависимость фазовой
скорости гармонических волн в веществе от их частоты. Область
частот в которой скорость убывает с увеличением частоты, назы-
вается областью но р м а л ь н о й д и с п е р с и и, а об-
ласть частот, в которой при увеличении частоты скорость также
увеличивается, называется областью а н о м а л ь н о й д и с п
е р с Дисперсия волн наблюдается, например, при распростране-
нии радиоволн в ионосфере, волноводах.
При распространении световых волн в веществе также имеет
место д и с п е р с и я с в е т а (зависимость абсолютного по-
казателя преломления от частоты света). Если вещество прозрач-
но для некоторой области частоты волн, то наблюдается нормаль-
ная дисперсия, а если интенсивно поглащает свет, то в этой
области имеет место аномальная дисперсия. В результате диспер-
сии узкий параллельный пучок белого света, проходя через приз-
му из стекла или другого прозрачного вещества уширяется и об-
разует на экране, установленном за призмой радужную полоску,
называемую диспорсионным спектром. Для световых волн единс-
твенной недиспергирующей средой является вакуум.
Патент США 3 586 120: Аппаратура передачи звука. Углы
скандируемые световым лучом, увеличиваются посредством введе-
ния дисперсионного устройства на пути звуковых волн. Эти углы
образованы вследствие взаимодействия света и звука. В одной из
модификаций аппарата звуковые волны пропускаются черезнепод-
вижную решетку, или другими словами через среду, которая обла-
дает дисперсией по своей природе. В другой модификации диспер-
сия достигается вследствие вибрации при образовании продольной
волны растяжения или сжатия.
А.с. 253 408: Устройство для измерения температуры, со-
держащее измерительный элемент, устанавливаемый на исследуемый
материал, и источник белого света, отличающийся тем, что с
целью расширения интервала измеряемых температур, измеритель-
ный элемент выполнен в виде прозрачной кюветы, заполненной
смесью оптически неоднородных веществ, соответствующих задан-
ному интервалу температур, показатели преломления которой за-
висят от длины волны и температурные коэффициенты показателей
преломления отличаются знаком либо величиной.
6.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
6.1. В основе всеь физичиских явлений лижит взаимодейс-
твие между телами или частицами, участвующими в этих явлоглас-
но представления современной физике всякое взаимодействие пе-
редается через некоторое поле. Электриче заряды
взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают,
магниты и электрические токи - через магнитное поле. Механи-
ческое взаимодействие осуществляется через электромагнитные
поля, создаваемые электронами вещества.
6.1.1 Взаимодействие заряженных тел или частиц в самом
простейшем случае описывается з а к о н о м К у л о н а. Из-
вестно, что разноименные заряды притягиваются, а однаименные
отталкиваются.
А.с. 428 882: Способ соединения концов проводников, при
котором осуществляют контактирование проводников, а затем
сварку из концов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью уп-
рощения технологического процесса, контактирование концов про-
водников получают при помощи создания между ними электростати-
ческого поля от дополнительного источника постоянного
напряжения, подключенного к проводникам.
Изменяя форму поверхности заряженных тел можно изменить
конфигурацию образующихся полей. А это, в свою очередь, откры-
вает возможность управляти симами, действующими на саряженные
частицы (тела), помещенные в такое поле.
А.с. 446 315: Способ разделения диэлектрических волокон
по диаметрам в неравномерном электрическом поле, отличающимся
тем,что,с целью повыщения эффективности процесса,разделение
производят при постоянном градиенте квадрата напряженност по-
ля, увеличивающейся в сторону электрода, имеющего тот же знак,
что и поверхностный заряд на .
6.2 При внесении хезаряженного проводника в электрическое
поле носители заряда приходят в движение. В результате у кон-
цов проводника возникают заряды противоположенного знака,назы-
ваемые индуцированными зарядами.
А.с. 518 839: Способ снятия потенциальной кривой коллек-
тора электрической машины постоянного тока, заключающийся в
премещении элемента, обеспечивающего снятие электрического па-
раметра, вдоль окружности коллектора работающей электрической
машины, отличающийся тем, что с целью расширения функциональ-
ных возможностей, повышения точности и надежности, перемещение
элемента, например датчика, использующего явление электроста-
тической индукции, осуществляют над колектором на постоянном
растоянии и измеряют на датчике величину заряда,наведенного
зарядами коллекторных пластин, и по величинам зарядов опреде-
ляют характер потенциальной кривой.
Это же явление используется для защиты различных обьектов
от вездействия электрических полей путем электрического экра-
нирования и для получения свервысоких постоянных напряжений
(генератор Ван-де Граафа).
6.3 при частично введении диэлектрика между обкладками
конденсатора наблюдается втягивание диэлектрика между обклад-
ками.
А.с. 493 641: дозатор жидкости, содержащий герметичную
емкость с регулятором уорвня, выпускным сифоном и воздухопод-
водяой, отличающийся тем,что с целью повыщения надежности и
упрощения конструкции, в канале воздухопроводящей трубы уста-
новлен частично погреженный в житкость диэлектрик многоэлект-
родный электрический конденсатор, обкладки которого в момент
выдачи жидкости соединены с источником напряженности.
6.4 Под действием электрического поля в проводнике при
создании на его концах разности потенциалв заряды движутся - в
проводнике возникает электрический ток. Любые нарушения крис-
таллической решетки проводника - дефекты, примеси,тепловые ко-
лебания - являются причиной рассеяния электронных волн, т.е.
уменишения упорядочности движения электронов. При этом в про-
воднике выделяется тепло.(заокн Джоуля - Ленца).
А.с. 553 233: Способ получения цементного клинкера путем
подготовки, подогревания и спекания сырьевой смеси, отличаю-
щийся, тем что, с целью интенсификации процесса клинкерообра-
зования, спекание осуществляют за счет пропуска через сырьевую
массу элекирического тока с напряжением 10-500 в.
6.5 Высокая проводимость металлов связана с особенностью
иь электронного спектра, в котором непосредственно над запол-
неными уровнями находятся свободные уровни. У большинства ме-
таллов сопротивление увеличивается линейно с ростом температу-
ры. в то же время ряд сплавов имеет отрицательных
температурный коэффицент сопротивления.Меняется сопротивление
и у неметаллов.
6.5.1. Сопротивление металлов при плавлении возрастает,
если его плотность возрастает (в полтора-два раза, для свинца
- в 3-4 раза) и, наоборот, падает, если плотность металла при
плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галлий).
6.5.2. При приложении внешнего гидравлического давления
сопротивление металлов уменьшается. Это уменьшение максимально
у щелочных металлов, имеющих максимальную сжимаемость. У ряда
элементов на кривых зависмости сопротивления от давления име-
ются скачки, используемые в физике высоких давлений в качестве
реперных точек.
6.5.3. Кроме того, на сопротивление металов очень сильно
влияет наличие примесей (или состав сплава), что используется
для идентификации сплавов.
так например, при изменении количества примесей в стали
от 0,1 до 1,1% ее удельное сопротивление изменяется от 10 до
30 10(в минус восьмой степени) Ом.см.
Широко используются изобретателями и обычные изменения
сопротивления обьектов за счет изменения размеров или состава
обьекта.
А.с. 462 067: Способ измерения линейных размеров изделия
из электропроводного материала, заключающегося в том, что на
поверхность изделия направляют струю жидкости, по параметрам
которой судят о размерае, отличающийся тем, что с целью расши-
рения диапазона измерений, подают электропроводящую жидкость и
измеряют электрическое сопротивление струи.
А.с. 511 233: Способ определения качества пишущего инс-
трумента, например, шариковой авторучки путем нанесения ею на
опорную поверхность пишущей жидкости и измерения электрическо-
го сопротпоследней, отличающийся тем, что с цель повышения
точности измерения, в качестве опорной поверхности используют
токопроводящую подложку, а измерение сопротивлений осуществля-
ют в цепи подложкаседло шарика.
А.с. 520 539: Способ измерения удельного электрического
сопротивления образцов, заключающийся в измернии пропускаемого
через образец тока, отличающийся тем, что с целью повышения
точности и упрощения процесса измерения, образец последова-
тельно помещают в сосуды с растворами с известными удельными
сопротивлениями, измеряют ток проходящий через эти растворы до
и после погружения в них образца и об удельном сопротивлении
образца судят по величине удельного сопротивления того раство-
ра, при погружении образца в который, ток, проходящий через
этот раствор, не менялся.
6.6. При низких температурах поведение сопротивления ме-
таллов весьма сложно. У некоторых металлов и сплавов обнаружи-
вается явление с в е р х п р о в о д и м о с т и. Сверхпрово-
дящее состояние устойчиво, если температура, магнитное поле и
плотность тока не превышает некоторых критических пределов. В
1976 г. достигнуты следующие максимальные значения этих пара-
метров: критическая температура 23,4К, критическое поле 600
кЗ, плотность тока 11 в 11-ой степени а см2.
А.с. 240 844: Устройство для получения сверхсильных маг-
нитных полей, представляющее собой охлажденный солиноид из
несверхпроводящего материала, отличающийся тем, что с целью
повышения напряженности магнитного поля, снижения себестоимос-
ти и потребления электроэнергии, снаружи солиноида расположен
в кристалле с рабочим обьемом вне криостата сверхпроводящий
соленоид.
6.6.1. Если один из параметров поддерживать вблизи крити-
ческого значения, то сверхпроводящая система может быть ис-
пользована для очень точного определения небольших изменений
измеряемой величины, например, вблизи критической температуры
- 10 см./градус.
А.с. 525 886: Способ измерения скорости течения жидкости
заключающийся в пропускании через чувствительный элемент
электрического сигнала, подведения к нему тепла от дополни-
тельного источника и определении скорости течения жидкости по
изменению величины сигнала с чувствительного элемента, отлича-
ющийся тем, что с целью повышения точности измерния скорости
течения криогенных жидкостей, ее определяют по величине тепло-
вого потока от дополнительного источника тепла в момент пере-
хода чувствительного элемента из сверхпроводящего состояния в
нормальное.
6.7. Электрическое и магнитные поля тесно связаны между
собой. В природе существует электромагнитное поле - чисто
электрические и чисто магнитные поля являются лишь его частны-
ми случаями. Изменяющиеся электрические и магнитные поля ин-
дуктируют друг друга.(под изменением поля надо понимать не
только изменение его интенсивности, но и движение поля как це-
лого).
Патент США 3 825 910: Способ передачи магнитных доменов
при помощи самовозбуждаемых управляемых полей. Устройство пе-
редачи магнитных доменов использует самовозбуждающее управляю-
щее поле для перемещения магнитного домена в тонком магнитном
слое из ферромагнитного материала. Слой управления перемещени-
ем доменов сформирован из тонкопроводящего материала. При по-
даче на управляющий слой электрического поля по соседству с
магнитным слоем и в управляющем слое возникает равномерно
распределенный электрический ток. Магнитный домен, расположе-
ный в магнитном слое, изменяет плотность тока в управляющем
слое и вырабатывает вблизи себя область токового возмущения.
Ток возмущения, взаимодействуя с магнитным полем домена, обес-
печивает выработку результирующего индуцированного управляюще-
го магнитного поля. Скорость и направление распространения
магнитного домена управляются путем изменения прикладываемого
электрического поля или путем изенения тока возмущения в уп-
равляющем слое.
Взаимное индуктирование электрического и магнитного полей
происходит в пространстве с огромной скоростью /со скоростью
света/ и представляет собой распространение электромагнитных
волн. Такими электромагнитными волнами являются радиоволны,
свет - инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, а также рент-
геновские и гамма-лучи. Поэтому многие эффекты, описанные в
этом разделе, имеют аналоги и в оптике, и, наоборот, "оптичес-
кие" эффекты широко применяются в радиотехнике, особенно в ди-
апозоне СВЧ (например, эффект Фарадея).
Магнитное поле может быть создано постоянными магнитными,
переменными электрическим полем и движущимися электрическими
зарядами, в частности теми, которые движутся в проводнике,
создавая электрический ток.
А.с. 553 707: Способ защиты человека от поражения элект-
рическим током в сетях с напряжением до 1000 В. путем отключе-
ния сети при поступлении на исполнительные органы аварийного
сигнала, вырабатываемого размещенными на теле человека датчи-
ком на основе тока, протекающего через тело человека при его
соприкосновении с токоведущими частями, отличающийся тем, что
с целью повышения эффективности для формирования аварийного
сигнала используют электромагнитные колебания, излучаемые те-
лом человека, которые фиксирует антенны служащие указанным
датчиком.
А.с. 516 484: Способ автоматического регулирования поло-
жения электрода при сварке путем контроля физических возмуще-
ний в зоне сварки, отличающийся тем, что с целью повышения
точности и обеспечения возможности регулирования при электрош-
лаковой сварке, вокруг контролируемого участка зоны сварки
создают магнитопроводящий контур и о положении электрода при
сварке судят по распределению магнитной индукции, наводимой
сварочным током внутри этого контура.
6.7.1. Основной характеристикой электрического поля явля-
ется напряженность, определяемая через силу, действующую на
заряд. Основной характеристикой магнитного поля является век-
тор магнитной индукции, также определяемый через силу, дейс-
твующую на заряд в магнитном поле.
На неподвижные заряды магнитное поле вобще не действует.
Движущийся заряд магнит не притягивает и не отталки, а дейс-
твует на него в направл, перпендикулярном к полю и к скорости
заряда. Сила, действующая на заряд в этом случае, называется
силой Лоренца.
А.с. 491 517: Способ изменения подьемной силы крыла с
постоянным углом атаки, например, судно на автоматически уп-
равляемых подводных крыльях. С целью повышения быстродействия
и надежности системы управления подводными крыльями, снижения
уровня гидродинамических шумов по крылу пропускают магнитный
поток, возбуждаемый электромагнитным полем, через морскую воду
электрический ток, направленный поперек магнитного потока.
Патент США 3 138 129: Гидродинамический электромагнитный
движитель. Движетельная система для удлиненного гидродинами-
ческого плавсредства содержат цилиндрическую оболочку из фер-
ромагнитного материала; несколько параллельных магнитных полю-
сов, расположенных по переферии оболочки на одинаковом
расстоянии один от другого; электромагнитные катушки надетые
на удлиненные электроды, число которых равно числу полюсов. На
судне установлен источник переменного тока. Управляющее уст-
ройство соединяет источник переменного тока с электродами и
катушками электромагнита для попеременного создания северного
и южного полюсов в катушках и получения пересекающихся элект-
рического и магнитного полей в нужных фазах, для создания од-
нонаправленного движения заряженных частиц вокруг плавсредс-
тва. Управляющее устройство включает приспособление для
раздельного возбуждения электродов при управлении плавсредс-
твом.
6.7.2. При движении зарядов в магнитнм поле не вдоль ли-
нии этого поля из -за силы Лоренца траектория их движения бу-
дет представлять собой спираль. Чем сильнее поле, тем меньше
радиус этой спирали. Период обращения заряда не зависит от
скорости движения, а только от отношения величины заряда к
массе заряженной частицы.
А.с. 542 363: Устройство для измерения заряда аэрозоли,
содержащее измерительный электрод, блок питания, выпрямитель и
операционный усилитель, отличающееся тем, что с целью повыше-
ния эффективности, оно снабжено магнитом, создающим поперечное
к напрвлению движения аэрозоли поле, а измерительный электрод
выполнен плоским и установлен так, что его плоскость парал-
лельна силовым линиям магнитного поля и направления движения
аэрозоли.
В случае перпендикулярности силовых линий магнитного поля
плоскости движения заряженной частицы она начинает двигаться
по кругу, причем радиус этого круга зависит от напряженности
магнитного поля.
А.с. 516 905: Датчик расхода, содержащий корпус, крыль-
чатку, преобразователь угловой скорости крыльчатки в электри-
ческий сигнал, отличающийся тем, что с целью расширения облсти
применения и диапазона измерения, а также упрощение конструк-
ции датчика расхода, преобразователь угловой скорости крыль-
чатки выполнен ввиде магнетрона, анод которого выполнен с вы-
резами, расположенными в плоскости, параллельно оси вращения
крыльчатки, в теле крыльчатки укреплены магниты с одноименными
полюсами в одном торце, а на корпусе датчика расхода установ-
лен подпорный магнит, причем магниты в теле крыльчатки и под-
порный магнит обращены к магнетрону разноименными полюсами.
6.8. Когда по проводнику, помещенному в магнитное поле,
идет электрический ток, электроны движутся относительно поло-
жительных ионов, составляющих кристаллическую решетку. Поэтому
и в системе отсчета, связанной с решеткой (т.е. в системе отс-
чета, в которой проводник неподвижен, сила Лоренца действует
только на электроны). Через взаимодействие электронов с ионами
эта сила передается решетке.
А.с. 269 645: Способ возбуждения акустических колебаний в
токопроводящей жидкофазной среде, отличающийся тем, что с
целью повышения эффекивности процесса излучения, на среду нак-
ладывают постоянное магнитное поле и одновременно пропускают
через нее переменный электрический ток.
А.с. 444 653: Способ уплотнения бетонной смеси, заключаю-
щийся во взаимодействии на уложеную в форму смесь, колебания-
ми, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности про-
цесса, в форме вызывают импульсные деформации создаваемые
взаимодействием кратковременных мощных электромагнитных полей,
одно из которых генерируется индуктором, а другое создается
импульсным токов.
А.с. 286 318: Способ контроля и дефектоскопии однотипных
изделий, имеющих открытые деффекты, например ввиде пустот или
инородных включений, отличающийся тем, что с целью упрощения
процесса контроля изделие помещают в ванну с электропроводной
жидкостью, пропускают через нее электрический ток, а затем
воздействуют на жидкость магнитным полем для изменения ее ка-
жущейся плотности до достижения безразличного положения в ней
исправных изделий, и наличия деффектов определяют по изменению
положения изделия относительно дна ванны.
Возможен и обратный эффект: колебания решетки передаются
электронам, а их движение в магнитном поле приводит к возник-
новению тока.
А.с. 549 732: Способ неразрешающего контроля магнитных
материалов, заключающийся в том, что контролируемые магнитные
материалы помещают в магнитное поле и подвергают воздействию
механических напряжений в пределах области упругой деформации,
а о механических свойствах материала судят по изменению индук-
ции в них, отличающийся тем, что с целью повышения точности и
производительности контроля, используют постоянное магнитное
поле, механические напряжения создают с помощью ультразвуковых
колебаний, а о механических свойствах материалов судят по ве-
личине переменной составляющей индукции в них.
6.8.1. Взаимодействие двух проводников, по которым текут
электрические токи, осуществляется через магнитное поле. Каж-
дый ток создает магнитное поле, которое действует на другой
проводник. Таким образом, взаимодействуют отнюдь не поля между
собой, а поле и ток.
Аналогичным образом взаимодействуют и движущиеся электри-
ческие заряды. Причем для магнитных взаимодействий третий за-
кон Ньютона не выполняется (сила, действующая на один заряд со
стороны другого, не равна силе действующей на второй заряд со
стороны первого).
6.9. При движении (изменении) магнитного поля в замкнутом
проводнике возникает ЭДС индукции. В соответствии с правилом
Ленца направление индукционного тока таково, что его собствен-
ное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего
индукцию. Внешние силы, двигающие магнит, встречают сопротив-
ление со стороны проводящего контура. Собственное поле контура
таково, что при приближении магнита рамка и магнит отталкива-
ются, а при удалении притягиваются. Во всех случаях внешние
силы должны будут выполнять работу, которая превратится в ко-
нечном счете в работу тока.
Патент США 3 787 770: Способ обнаружения снаряда вылетаю-
щего из ствола орудия, и прибор для его осуществления. Магнит
располагают вблизи дула орудия для того, чтобы вылетающий из
ствола снаряд пересекал некоторые магнитные силовые линии маг-
нита. При отделении снаряда от орудия и прохождении снаряда
над постоянным магнитом, в считывающей катушке, намотанной на
магните, наводятся импульсы напряжения, которые после прохож-
дения через усилитель подводятся к осцилографу или хронографу
для обеспечения отсчета.
А.с. 279 117: Термостат содержащий теплоизолированную ка-
меру, магнит и нагреватель, отличающийся тем, что с целью уп-
рощения конструкции и повышения надежности, в нем нагреватель
выполнен из ферромагнитного материала, устаномлен на валу
электродвигателя и расположен в поле магнита.
Это явление наблюдается и в том случае, когда перемещения
проводника не происходит, а магнитное поле меняется во време-
ни. Если контур проводящий ЭДС индукции вызывает в нем индук-
ционный ток, если непроводящий (например, условно проведенный
в воздухе), то возникает лишь ЭДС.
6.9.1. Рассмотрим два контура, расположенные рядом. Пере-
менный ток протекающий в одном из них, создает переменное маг-
нитное поле, которое вызывает появление ЭДС индукции в другом
контуре. Такое явление называется взаимной индукцией.
6.9.2. Переменный магнитный поток может вызываться пере-
менным током самого контура. В этом случае в контуре также по-
является ЭДС - она называется ЭДС самоиндукции.
6.10. Если в изменяющемся магнитном поле перпендикулярно
к его силовым линиям поместить металлическую (не ферромагнит-
ную) пластинку, в ней начнут протекать круговые индукционные
токи.
А.с. 513 237: Способ магнитошумовой размерометрии ферро-
магнитных изделий, заключающийся в том, что преобразовывают
магнитные шумы в электрические сигналы индуктивным преобразо-
вателем, а затем проводят амплитудно-частотный анализ спектра
сигналов, по результатам которого судят о контролируемом раз-
мере, отличающийся тем, что с цель повышения точности контроля
толщины электропроводных неферромагнитных покрытий на ферро-
магнитной основе выделяют ту часть спектра сигналов, компонен-
ты которой изменились вследствие токовихревого взаимодействия
с магнитными шумами.
6.10.1. Ток в пластинке может достигать больших величин,
даже при небольшой напряженности поля, так как сопротивление
массивного проводника мало. Индукционные токи в массивных про-
водниках называют токами Фуко или вихревыми точками.
А.с. 235 778: Устройство для оттаивания снеговой шубы ис-
парителя, например, домашних холодильников, содержащее понижа-
ющий трансформатор, первичная обмотка которого включена в
электрическую цепь переменного тока, отличающийся тем, что с
целью ускорения процесса оттаиванияпевичная обмотка укреплена
на стенке испарителя с тем, чтобы последний служил вторичной
обмоткой трансформатора для наведения в нем вихревых токов.
6.10.2. Вихревые токи в пластинке создают магнитное поле.
Это поле действует в соответствии с правилом Лоренца навстречу
полю возбуждения. Это значит, что пластинка будет выталкивать-
ся из поля.
А.с. 434 703: Способ ориентации немагнитных токопроводя-
щих ассиметричных деталей в переменном магнитном поле, образо-
ванном в межполюсномпространстве электромагнита, отличающийся
тем, что с целью уменьшения затрачиваемой мощности и повышения
надежности ориентации, деталь в зону ориентации подают смещен-
ной относительно плоскости симметрии магнитного поля так, что
в одном из положений электродинамические силы, действующие на
деталь уравновешиваются, а в других - неравновесие этих сил
усугубляется.
Колеблющаяся между полюсами электромагнита тяжелая метал-
лическая пластинка "увязает", если включить постоянный ток,
питающий электромагнит, и останавливается. Вся ее энергия
превращается в тепло выделяемое токоми Фуко. В неподвижной
пластине токи, разумеется, отсутствуют. Тормоз, основной на
этом эффекте не имеет трения покоя.
А.с. 497 069: Способ торможения проката на холодильниках
сортовых прокатных станков, отличающийся тем, что с целью уве-
личения производительности холодильников торможение проката
поисходит бегущим полем, создаваемым электромагнитами, встро-
енными в приемный желоб холодильника.
6.10.3. Чем лучше проводник пропускает ток, тем ближе по
величине к первоначальному встречное магнитное поле. В идеаль-
ный проводник (сверхпроводник) электромагнитная волна вобще не
проникает, вихревые токи текут в бесконечно малой по величине
"кожице" металла.
Выталкивание магнитного поля из сверхпроводника называет-
ся эффектом Мейснера.
Этот эффект используется для создания магнитных экранов,
позволяющих получить магнитный вакуум до 10 в минус восьмой
степени эрстед. Им обьясняется интересное явление - парение
постоянного магнита над чашей из сверхпроводящего материала.
6.10.4. В стационарном электростатическом или магнитном
поле подвеска тела не может быть стабильной, если относитель-
ная диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость
тела больше или равна единице. Диэлектрическая проницаемость
всех тел больше. Но магниная проницаемость диамагнитных мате-
риалов и сверхпроводников меньше единицы. Это дает возможность
осуществлять с этими веществами стабильную повеску. Любое пе-
ремещение подвешенного тела приводит к появлению вихревых то-
ков, энергии которых достаточно, чтобы удержать подвешенное
тело.
Триумф индукционных токов - беличья клетка ротора асинх-
ронного двигателя работают индукционные насосы для перекачива-
ния жидких металлов в металлургии и ядерной энергетике.
6.10.5. На величину вихревого тока влияют удельная элект-
рическая проводимость и магнитная проницаемость материала,
толщина образца и частота тока.
При прохождении по проводнику тока высокой частоты наблю-
дается поверхностный эффект (скин-эффект) - ток идет только по
поверхностному слою проводника. При частоте 10 в седьмой сте-
пени Гц для хорошего неферромагнитного проводника толщина слоя
приблизительно 0,01 см. На этом основан метод поверхностной
закалки.
А.с. 281 997: Способ испарения материалов в вакууме путем
высокочастотного нагрева, отличающийся тем, что с целью осу-
ществления процесса из кольцевого источника, испарению подвер-
гают материал в форме диска при частоте магнитного поля, обес-
печивающей появление скин-эффекта на его боковой поверхности.
Существование скин-эффекта означает, что электромагнитная
волна, попадающая на поверхность проводника (металла, электро-
лита или плазмы) быстро затухает в глубине проводника, прони-
кая лишь на глубину скин-слоя.
А.с. 451 888: Способ очистки трубопроводов преимуществен-
но от отложений гидратов путем их нагрева, отличающийся тем,
что с целью повышения эффективности нагрев осуществляется
сверхвысокочастотными электромагнитными волнами, которые нап-
равляют в трубопровод.
6.11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.
6.11.1. Электрический заряд движущийся в пустоте равно-
мерно относительно инерционной системы отсчета, не излучает.
Иная картина возникает в том случае, когда заряд под действием
внешних сил движется с ускорением. Поле обладающее энергией, а
значит массой или инертностью, образно говоря, отрывается от
заряда и излучается в пространстве со скоростью света. Излуче-
ние происходит до тех пор, пока на заряд действует сила, сооб-
щающая ему ускорение.
А.с. 511 484: Способ охлаждения рабочего тела путем рас-
ширения до получения двухфазного потока с отдачей внешней
работы, отличающийся тем, что с целью повышения экономичности
рабочее тело перед расширением ионизируют, например, в поле
коронного разряда в отдачу внешней работы осуществляют путем
торможения заряженных частиц в электрическом поле.
6.11.2. Эффект Вавилова-Черенкова. Если заряженная части-
ца являющаяся источником электрического поля, движется в среде
со скоростью, большей, чем скорость света в этой среде, то
частица будет опрежать собственное электрическое поле. Такое
опережение вызывает появление напрвленного электромагнитного
излучения, причем излучение будет распространяться лишь в оп-
ределнном телесном угле, определенном скоростью частиц и пока-
зателем преломления среды. Чем больше плотность среды, тем бо-
лее низкая энергия (скорость) заряженых частиц требуется для
генерации излучения. Техника обнаружения этого свечения разра-
ботана до предела - аппаратура позволяет обнаруживать отдель-
ные частицы (поштучный счет с помощью счетчиков Черенкова).
Кроме этого Черенковские счетчики используются для быстрого
счета и непосредственного определения скорости заряженных час-
тиц, селекции скоростей и направления частиц, определения за-
ряда и т.п. На использовании эффекта Вавилова-Черенкова воз-
можно создание милиметровых и более коротких радиоволн;
черенковское излучение позволяет создать стандартный источник
света, необходимый при биологических и астрономических иссле-
дованиях.
А.с. 182 249: Устройство для измерения эффективной массы
частиц, рападающихся на гамма-кванты и электроны, отличающееся
тем, что сцелью увеличения точности измерения и ускорения на-
бора эксперементальных данных, оно содержит двухканальную сис-
тему совместно работающих искровых камер и черенковских спект-
ромеров полного поглощения, установленных так, что в
направлении вылета каждой из двух частиц распада, стоит блок
из искровых камер и черенковского гамма-спектрометра, а оси
блоков расположены симметрично относительно направления пер-
вичной частицы и составляют собой угол равный минимальному уг-
лу двухчастичного распада.
А.с. 431 887: Способ исследования прожигаемости гематооф-
тальмического барьера путем введения в кровяное русло
вещества, содержащего радиоактивный изотоп и одновременно ре-
гистрации интенсивности бетаизлучений над поверхностью рогови-
цы глаза, отличающийся тем, что с целью повышения точности ис-
следования дополнительно регистрируют изменения интенсивности
черенковского излучения.
6.11.3. Другой пример - так называемое бетатронное (или
синхронное)излучение. В этих приборах заряженные частицы дви-
жутся по круговым орбитам. При энергиях порядка десятков Мэв
электроны излучают видимый свет, при еще больших энергиях -
рентгеновский луч.
Наиболее важным для приложения является излучение заряда,
совершающего гармоническое движение. На этом эффекте основана
работа всевозможных излучателей и антенн.
Л И Т Е Р А Т У Р А
Г.Е.Зильберман. Электричество и магнетизм.М."Наука" 1970.
К 6.1. А.с. 410 316; пат. США 3556998,3562757.
К 6.2. А.с. 240 505
К 6.4. А.с. 498 770
К 6.4. Физический энцеклопедический словарь, т.5 стр.449.
К 6.5. Таблицы физических величин.М.,"Атомиздат",1976,
стр.304-308.
К 6.7. А.с. 490 661,490 662,492 155
К 6.8. А.с. 491 174,515 684,514 632,465 345
К 6.10 А.Л.Дорофеев, Визревые токи,М."Энергия",1977
А.с. 422 982
К 6.11.2. Дж.Делли. Черенковское излучение и его применение;
М.,"ИЛ".1960.
Б.М.Болотовский, Свечение Вавилова-Черенкова.
М."Наука" 1964.
7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА.
ДИЭЛЕКТРИКИ.
7.1.1. Диэлектриками являются неионизованные газы, а так-
же жидкости и твердые тела, характеризующиеся полностью запол-
ненной электронами валентной зоной и полностью электронной на
уровне зоны проводимости не происходит , то такие вещества ве-
дут себя как изоляторы. При наличии такого возбуждения (в слу-
чае малой энергетичесой щели между зонами) вещества являются
полупроводниками. Диэлектрики и полупровдники экспоненциально
уменьшают его по свое обьемное сопротивление при повышении
температуры.
А.с. 515 075: Способ определения обрыва жилы кабеля с
изоляцией, сопротивление которой зависит от температуры зави-
сит от температуры, например, жаростойкого кабеля с магнези-
альной изоляцией, при котором воздействуют сигналом, выявляю-
щим повреждения, на последовательные участки кабеля а о месте
повреждения кабеля в момент подачи сигнала на дефектное место,
отличающее тем что, с целью упрощения отыскания места об, на
кабель воздействуют тепловым сигналом, например теплом от газо
-воздушной горелки , а о месте повреждения судят по изменению
сопротивления изоляции кабеля.
7.1.2.сли материал претерпевает те или иные певращения,
его с о п р о т и в л е н и е э л е к т р и ч е ск о м у
т о к у меняется.
А.с. N 414528: Способ определения относительной связанной
поверхности волокон в листе бумаги путем измерения электросоп-
ротивления,отличающийся тем,что,с целью повышения точности и
упрощения методики измерений, образец бумаги подвергают линей-
ному деформированию в продольном направлении расположения во-
локон с одновременной регистрацией электросопротивления, после
чего определяют отношение разности измерения электросопротив-
лений после и до деформирования образца бумаги.
Расплавы некоторых диэлектриков - поводники, в частности,
хорошо пропускает ток расплавленное стекло.
7.1.3. В диэлектрике, помещенном в переменное электромаг-
нитное поле , часть энергии поля переходит в тепловую. Эта до-
ля пропорциональна т а н г е н с у у г л а д и э л е к т р-
и ч е с к и х п о т е р ь ( ).
Патент Австралии N 420764: Способ термического сращивания
материалов. Предлагается усовершенствованный метод сращивания
псредством диэлектрического нагрева термопластичных материа-
лов, имеющих малые коэффициенты диэлектрических потерь (пропи-
лен,полиплен и др.).При этом между наложенными друг на друга
краями соединяемых внахлестку листов материала закладывается
вставка, эффективно выделяющая тепло при воздействии электри-
ческого поля ВЧ, которое создается между электродами прижимаю-
щими сращиваемый участок.Тепловыделяющие вставки,имеющие форму
прутка или квадратных пластинок, изготовляются из газорениро-
ванных полимеров (например полимеры и сополимеры хлористого
винила)и располагается вдоль соединяемых краев листов.Тепло,
выделяемое вставками под действием электрического поля ВЧ,
нагревает и размегчает материал в зоне соединения, благодаря
чему он при нажатии электродов обжимается вокруг вставки и
сращивается в сплошную массу.
Все виды нагрева диэлектриков в электрических полях осно-
ваны именно на этом эффекте.
А.N 527407. Способ изготовления бетонополимерных изделий
заключающийся в сушке бетонных элементов с вакуумированием,
пропитke под давлением и последующей термокаталитеческой поли-
меризации,о т л и ч а ю щ и й тем , что, с целью равномерного
прогрева изделия и сохранения продолжительности процесса тер-
мокаталитиую полимеризацию осуществляют или дополнительном
воздействии электрического поля ВЧ в диапазоне 1-150 мгц
7.2. Д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е -
м о с т ь диэлектриков зависит от многих факторов . По ее
изменению можно контролировать ход различных процессов в диэ-
лектриках.
А.С N Способ контроля глубины полимеризации синтетических
каучуков в процессе их растворной полимеризации,о т л и ч а ю
щ е й с я тем, что, с целью обеспечения непрерывности контроля
и упрощения методики анализа, измеряют диэлектрическую прони-
каемость раствора полимера и со степени изменения диэлектри-
ческой проницаемости о глубине полимеризаций продукта
А.С.N 497520: Способ определения времени пропитки порис-
тых материалов, заключающийся в погружении контролируемого
образца торцом в контрольную жидкость и отсчета времени про-
питки о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точ-
ности, образец материала помещают в датчик измерительной аппа-
ратуры, например между обкладками конденсаторов, а время
пропитки отсчитывают от момента начала до момента прекращения
изменения электрических свойств образца.
7.2.1. Диэлектрические свойства вещества зависят от час-
тоты. Один и тот же материал при воздействии на него поля низ-
кой частоты -диэлектрик,поля высокой частоты - к.
При I мы имеем дело с диэлектриком, а
при I - с поводником.( - удельная электрическая
проницаемость - круговая частота.
7.3. П р о б о й д и э л е к т р и к о в. носит лбо теп-
ловой, либо электрический - лавинный - характер.Механизм
теплового пробоя - постепенный разогрев участка диэлектри-
ка,падение его сопротивления и термическое разрушение материа-
ла.
А.С.N 218805: Способ электрораскроя материала,напри-
мер,ткани, с помощью электрода,выполненого по форме выкройки
отличающийся тем,что, с целью ускорения технологического про-
цесса раскроя повышения точности раскроя и сокращения отходов
материала,раскрой поизводят расщиплением материала на ионы то-
ком высокого напряжения например 10 кв, проходящим через раск-
раиваемый материал между неподвижным электродом и другим
электродом по линии электроповодной схемы,перемещаемым по дру-
гую сторону раскраеваемого материала.
7.4.Электромеханические эффекты в диэлектриках.
7.4.1.Общим электромеханическим эффектом для всех диэ-
лектриков является э л е к т р о с т р и к ц и я . Она появля-
ется в упругом (обратимом) превращении энергии тела в
электрическое поле и для свободного тела сопровождается увели-
чением его размеров.
7.4.2. П ь е з о э л е к т р и ч е с к и й э ф ф е к т.
(пьезоэффект) - это также электромеханический эффект, однако
он наблюдается не во всех диэлектриках, а только в нецентро-
симметричных кристаллах. Причем, в отличии от электрострикции,
пьезоэффект обратим Он может быть прямым и обратным.
Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на
поверхности твердого тела под воздействием механических напря-
жений.
Лампу-вспышку зажигает удар. Польский изобретатель Тадеуш
Косецкий предложил использовать пьезокристалл в качестве ис-
точника энергии для лампы-вспышки. Под действием быстрого
сильного удара по кристаллу на нем возникает электрическое
напряжение. По расчетам изобретателя, его вполне должно хва-
тить для зажигания лампы. Никаких батарей для такого "блица"
вообще не понадобится: всю необходимую для лампы энергию даст
механический удар по кристаллу.
Патент ФРГN.1218216: Пьезоэлектрическое устройство для
зажигания с кулачковым приводом, предназначенное для двигате-
лей внутреннего сгорания, отличающееся тем,что кулачковый при-
вод постоянно имеет кинетическое соединение, и периодичес-
ки-динамическое соединение с известным пружинным аккумулятором
и взаимодействует с ним. Пружинный аккумулятор соединен с под-
вижным концом пьезоэлектрического элемента.
7.4.3. Обратный пьезоэффект анологичен эффекту электрост-
рикции однако, если при электрострикции деформации тела не за-
висит от знака электрического поля, для пьезоэффекта такая
зависимость имеет место. Практически можно считать, что пьезо-
эффект отличен, а электрострикция является квадратичным эффек-
том.
Патент США N 3239283. Предлагается кострукция подшипника
в котором трение уничтожается вибрацией.Втулки подшипника вы-
полняются из пьезоэлектрического материала и с обеих сторон
покрываются тонкой электропроводной фольгой. К фольге припаи-
ваются тонкие электроды, по которым проводится переменный ток.
А ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и раздаваться, созда-
вая вибрацию, уничтожающую трение.
В некоторых случаях используются одновременно и пямой и
обратный пьезоэффект, например, в пьезоэлектрических трансфор-
маторах.
7.5. В некоторых кристаллах суммарный дипольный момент
отличен от нуля даже в отсутсвие внешнего электрического поля.
Такого рода кристаллы называют самопроизвольно или спонтанно
поляризованными кристаллами. Другое название этих кристаллов -
п и р о э л е к т р и к и. Это название появилось потому, что
пироэлектрики обнаруживают по возникновению заряда на их по-
верхности при нагревании или охлаждении. С помощью пироэлект-
риков можно измерять изменение температуры на 10 в минус 6-ой
градуса.
АN.288356: Устройство для определения тепловых потоков
содержащее термоэлементы, расположенные на гранях дополнитель-
ной стенки, перпендикулярных направлению потока иизмерительную
схему,отличающуюся тем,что,с целью повышения точности и быст-
родействия, в нем термоэлементы выполнены в виде пироэлектри-
ческих датчиков температуры и включены в частотнозависимую
цепь обратной связи измерительной схемы.
Пироэлектрический эффект обычно усложняется тем,что каж-
дый пироэлектрический кристалл является одновременно и пьезоэ-
лектриком. Поэтому неоднократное изменение температуры крис-
талла вызывает деформацию, а последняя породит "вторичную"
поляризацию пьезоэлектрического происхождения, налагающуюся на
"первичную" пироэлектрическую поляризацию.
7.5.1. В пироэлектрических кристаллах может наблюдаться
э л е к т р о к а л о р и ч е с к и й э ф ф е к т - изменение
температуры пироэлектрика, вызванное изменением величины
электрического поля (например,при внесении пироэлектрика в
электрическое поле).
7.5.2. С е г н е т о э л е к т р и к и - частный случай
пироэлектриков.
А.С.N 276449: sпособ детектирования в газовой хроматогра-
фии путем каталитического сжигания компонентов анализируемой
смеси , отличающийся тем,что с целью увеличения чувствитель-
ности и непосредственного измерения производной концентрации
анализируемого веществаво времени, сжигание производят на по-
верхности сегнетоэлектрика и измеряют возникающие при этом
электрические заряды.
7.5.3. В сегнетоэлектриках также самопоизвольно возникает
поляризация , но только в некотором интервале температур. Тем-
пература, при которой происходит исчезновение спонтанной поля-
ризации, называется сегнетоэлектрической температурой Кюри.
При температуре Кюри в сегнетоэлектриках наблюдается максимум
диэлектрической проницаемости,а ее изменение вблизи этой тем-
пературы происходит скачками (сравнение с эффектами Гопкинса и
Бархгаузена). Выше температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит
в п а р о э л е к т р и ч е с к о е с о с т о я н и е.
А.С.N 238185: Устройство для измерения расхода,скорости
потока жидкости или газа , содержащее термочуствительный дат-
чик с нагревательным элементом и схему измерения темперетуры,
отличающуюся тем,что, с целью обеспечения работы в агресивных
средах,повышения быстродействия и точности измерения,термо-
чувствительный элемент датчика выполнен в виде термоконденса-
тора из сегнетоэлектрика,точка Кюри которого ниже рабочей тем-
пературы.
С е г н е т о э л е к т р и к и - это электрические
аналоги форромагнетиков,которые ,как известно, самопроизвольно
намагничиваются и имеют точку Кюри. Поэтому сегнетоэлектрики
иногда называют ф е р р о э л е к т р и к а м и. Они отличают-
ся большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезоэффек-
том наличием петли диэлектрического гисерезиса, интересными
электрооптическими свойствами.
А.С.N 262405: sканирующее устройство оптического диапазо-
на,содержащее зонную пьезоэлектрическую пластину, с системой
электродов,на которую подано отклоняющее напряжение ,и колли-
мирующее устройство отличающееся тем,что, с целью уменьшения
необходимого отклоняющего напряжения и оптических потерь, зон-
ная пластина изготовлена из сегнето-электриков моноклинной
системы, у которых пьезоэффекты по взаимно перпендикулярным
направлениям различны а зоны френеля нанесены на поверхность
пластины в виде чередующихся отражающих и неотражающихся пок-
рытий в форме элипсов, главные оси которых ориентированы вдоль
направления пьезоэффектов пластины.
7.5.4. Кроме сегнетоэлектриков, которые можно расматри-
вать как совокупность паралельно ориентированных диполей,есть
вещества с антипаралельным расположением диполей. Их называют
а н т и с е г н е т о э л е к т р и к а м и .
При наложении достаточно сильного электрического поля ан-
тисегнетоэлектрики могут перейти в сегнетоэлектрическое состо-
яние При таком "вынужденом" фазовом переходе в сильном пере-
менном поле наблюдаются двойные петли гистерезиса. Kритическое
поле, при котором в антисегнетоэлектриках возникает сегнетоэ-
лектрическая фаза,уменьшается при увеличении температуры. В
некоторых случаях с ростом температуры наблюдаются переходы из
сегнетоэлектрического состояния в антисегнетоэлектрическое, а
затем в пароэлектрическое.
7.5.5. С е г н е т о ф е р р о м а г н е т и к и - это
сегнетоэлектрики, в которых наблюдается упорядочение магнитных
моментов. В них могут существовать различные виды электричес-
кого и магнитного упорядочения: сегнетоэлектричество или анти-
сегнетоэлектричество с ферромагнитизмом , антиферромагнетизмом
или ферромагнетизмом.
7.5.6. Сегнетоэлектрические и ферромагнитные точки Кюри у
таких веществ не совпадают. Но в сегнетоэлектрической точке
Кюри наблюдается аномалия магнитных свойств, а в магнитной -
аномалия диэлектрических.Кроме того, при наложении магнитного
(электрического) поля наблюдается изменение электрической
(магнитной)проницаемости- магнито э л е к т р и ч е с к и й
э ф ф е к т .
7.6. Влияние электрического поля и механических напряже-
ний на сегнетоэлектрический эффект
7.6.1.Наложение электрического поля вдоль полярной оси
увеличивает устойчивость сегнетоэлектрического состояния, рас-
ширяет область температур,в которой существует спонтанная по-
ляризация. В антисенгетоэлектриках в сильных электрических по-
лях температура Кюри понижается.
Некоторые сигнетоэлектрики выше точки Кюри обладают
пьезоэффектом.Приложение к таким веществам в параэлектрической
фазе механического напряжения по эффекту эквивалентно приложо-
го напряжения.
А.N 415617: 1 Способ измерения напряженности электричес-
кого поля путем изменения диэлектрической проницаемости сегне-
токонденсатора,помещенное в иследуемое поле,отличающееся
тем,что с целью повышения доводят до точки Кюри,стабилизируют
ее вблизи этой точки, периодически деформируя тело сегнетокон-
денсатора, перемещают точку Кюри и выделяют электрический сиг-
нал, имеющий частоту механических деформаций, по которому су-
дят о напряженности измеряемого электрического поля.
2 Способ по п.1, отличающийся тем, что, периодическую
деформацию тела сегнетоконденсатора производят при помощи уль-
тразвукового аккустического поля.
3 Способ по п.1 отличающийся тем,ч деформацию тела сегне-
токонденсатора производят при помощи знакопеременного электри-
ческого поля.
- В водородосодержащих сегнетоэлектриках наложение
гидростатического давления повышает температуру Кюри.
7.6.2. eсли в сегнетоэлектрике наблюдаются низкотемпера-
турные переходы, на кривых температурных зависимостей диэлект-
рических свойств обычно наблюдаются а н о м а л и и , соот-
ветствующие этим переходам. Антисегнетоэлектрический фазовый
переход сопровождается аномалией теплоемкости ирконата свинца
-400 ккал/моль); может наблюдаться аномальное изменение объема
и коэффициента теплового расширения.
7.6.3. pри нагреве сегнетоэлектрического кристалла проис-
ходит уменьшение спонтанной поляризации,что эквивалентно появ-
лению пироэлектрического заряда на поверхности кристалла.
Патент Великобритании N 1335955: Электрическое измерение
давления Датчик давления состоит из тела,выполненого из пироэ-
лектрического вещества ,диэлектрическая постоянная которого
зависит приложенного давления,при этом температура измеритель-
ного тела стабилизируется подачей переменного напряжения на
пироэлектрический элемент, имеющий тепловую связь с измери-
тельным телом.
Новый тип сегнетоэлектрического полинейного элемента так-
тандел-температурно автостабилизированный диэлектрический не-
линейный элемент сам стабилизирует свою температуру вблизи
точки Кюри.
На возрастание электросопротивления в области температуры
Кюри основаны сегнетоэлектрические термосопротивления с про-
должительным температурным коэффициентом (ТКС- +60%/градус)
-позисторы.
7.7. Э л е к т р е т ы - электрические аналоги поэтапных
магнитов Они длительно сохраняют наэлектризованное состояние и
создают вокруг себя электрическое поле. Электреты получаются
либо охлажденио нагретого диэлектрика (воска,церезина,нейлона
ит.д.) в сильном электрическом поле , либо освещением (или ра-
диоактивным облучением) фотопроводящих диэлектриков, также в
сильном поле. Применение электретов связано в основном с нали-
чием у них постоянного электрического поля.
А.С.N 115132 Индивидуальный дозиметр радиоактивного излу-
чения и другого проникающего излучения, состоящий из приемника
излучения и измерительного пибора, отличающийся тем ,что с
целью возможности определения суммарной дозы излучения за тре-
буемый помежуток времени, его приемник выполнен в виде элект-
рета,заключенного в герметический корпус, содержащий газ,нап-
ример ,воздух.
Здесь излучение ионизирует газ, ионы которого разряжают
электрет.
Л И Т Е Р А Т У Р А.
Е.С. Кухаркин. Основы инженерной электрофизики,
т1,2.м.,Высшая школа 1989г.
Е.Е. Зибельрман. Электричество и магнетизм. М.,"Наука",
1970г.
К 7.1. Таблицы физических величин.М., "Атомиздат",1976,
стр.320
Патент Франции 2005067
К 7.2 Патент США 3586971.
К 7.4. В.В.Лаврженко. Пьезоэлектрические трансформаторы.
М., Энергия.,1975,
А.С.517790, 504940;
Патент США 3557616, 3558795
К 7.5. Г.А.Смоленский, Н.Н. Крайник. Сегнетоэлектрики и
антисегнетоэлектрики М.,"Наука",1968.
Физический энциклопедический словарь т4,стр.11-12.
8. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА.
8.1. Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно
под действием магнитного поля приобретать магнитный момент
(намагничиваться). По величине и направлению этого момента, а
также по причинам, его породившим, все вещества делятся на
группы. Основные из них - диа и парамагнетики.
8.1.1. Молекулы д и а м а г н е т и к а собственного маг-
нитного момента не имеют. Он возникает у них только под дейс-
твием внешнего магнитного поля и направлен против него. Таким
образом результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше,
чем внешнее поле, правда, на очень малую величину. Это приво-
дит к тому, что при перемещении диамагнетика в неоднороное
магнитное поле он стремится сместиться в ту область, где нап-
ряжение магнитного поля меньше.
Патент США 3 611 815: Гироскопическая система, практичес-
ки свободная от трения, содержит цилиндрический ротор, концы
которого окружены парой кольцевых постоянных магнитов. На каж-
дом конце ротора установлена вставка из диамагнитного материа-
ла, взаимодействующая с соответствующим постоянным магнитом
так, что создаются отталкивающие магнитные силы, которые удер-
живают ротор в состоянии, характеризующимся отсутствием физи-
ческого контакта ротора с магнитом: ротор "всплывает" в маг-
нитном поле практически без трения.
8.1.2. Молекулы (или атомы) парамагнетика имеют
собственные магнитные моменты, которые под действием внешних
полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее
поле, превышающе внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнит-
ное поле.
Так, например, жидкий кислород - парамагнетик, он притя-
гивается к магниту.
Магнитная проницаемость конкретного вещества зависит от
многих факторов: напряженности магнитного поля, формы рассмат-
риваемого поля (так как конечные размеры любого магнетика при-
водят к появлению встречного поля, уменьшающего первоначаль-
ное), температуры, частоты изменения магнитного поля, наличия
дефектов структуры и т.д.
Патент Великобритании 1 343 270: Способ измерения темпе-
ратуры, например, стальных пластин, окрашенных виниловыми кра-
сителями. Температура пластин определяется по изменениям их
магнитной проницаемости и проводимости, которые воспринимаются
индуктивным зондам, подключенным к генератору.
А.с. 550 572: Способ структуроскопии ферромагнитных изде-
лий, заключающийся в том, что контролируемое изделие подверга-
ют взаимодействию с электроиндуктивным преобразователем маг-
нитной проницаемости в электрические сигналы, по которым судят
о результатах контроля, отличающийся тем, что с целью повыше-
ния достоверности определения усталостных изменений в структу-
ре материала изделия, поверхность последнего сканируют преоб-
разователем по заданной функции относительно места
концентрации механических напряжений, регистрируют экстремумы
относительного значения магнитной проницаемости и по их расп-
ределению судят об усталостных изменениях в структуре материа-
ла.
А.с. 438 922: Способ неразрушающего контроля физико-хими-
ческих процессов в структурированных упруго-вязкопластичных
системах, основанный на изменении магнитной воспримчивости,
отличающийся тем, что с целью повышения точности определения
нормальной густоты водных растворов вяжущих веществ, изменяют
во времени изменения удельной магнитной воспримчивости и по
максимальному значению ее судят о готовности продукта.
Существует ряд веществ, в которых квантовые эффекты межа-
томных взаимодействий приводят к появлению специфических маг-
нитных свойств.
8.1.3. Наиболее интересное свойство - ферромагнетизм. Оно
характерно для группы веществ в твердом кристаллическом состо-
янии (ферромагнетиков), характеризующихся параллельной ориен-
тацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма.
Параллельная ориентация магнитных моментов существует в
довольно больших участках вещества - доменах. Суммарные маг-
нитные моменты отдельных доменов имеют очень большую величину,
однако сами доменты обычно ориентированы в веществе хаотично.
При наложении магнитного поля происходит ориентация доменов,
что приводит к возникновению суммарного магнитного момента у
всего обьема ферромагнетика, и, как следствие, к его наманичи-
ванию.
А.с. 540 299: Постоянный магнит, содержащий одноименные
частицы, отличающийся тем, что с целью повышения коэрицитивной
силы, в качестве доменов использованы отрезки литого микропро-
вода в стеклянной изоляции, каждый из которых содержит один
микрокристал.
Естественно, что ферромагнетики, как и парамагнетики, пе-
ремещаются в ту точку поля, где напряженность максимальная
(втягиваются в магнитное поле). Из-за большой величины магнит-
ной проницаемости сила, действующая на них, гораздо больше.
А.с. 512 224: 1- Способ склеивания ферромагнитных матери-
алов, включающий операцию нанесения клея на склеиваемые по-
верхности, соединение поверхностей, полного отвердения клея,
отличающийся тем, что с целью уничтожения прочности склеива-
ния, в период открытой выдержки раздельно проводят обработку
каждой из двух склеиваемых поверхностей с нанесенным на них
слоя клея постоянными магнитными полями противоположной поляр-
ности с напряженностью от 500 до 700 эротед.
2- Способ по п.1, отличающийся тем, что в период отверж-
дения на клеевой шов воздействуют магнитным полем, совпадающим
по направлению с полем остаточного магнетизма.
А.с. 185 003: Способ обработки внутренних поверхностей
труб, включающий операции по введению внутрь трубы абразива
ввиде мелкозернистого или порошкобразного вещества высокой
твердости, перемещения этого абразива относительно внутренней
поверхности трубы при их взаимном контакте и последующего изв-
лечения из трубы полученного порошкообразного продукта, отли-
чающийся тем, что с целью улучшения качества обработки трубы и
для ее нагрева, феромагнитный абразив после его введения
внутрь трубы подвергается воздействию вращающегося электромаг-
нитного поля, созданного вокруг трубы.
Здесь используется эффект втягивания ферромагнетика в то
место поля, где магнитные силовые линии "гуще"; так как поле
вращается, то вращаются и частицы.
8.1.3.1. Существование доменов в ферромагнетиках возможны
только ниже определенной температуры (ТОЧКА КЮРИ). Выше точки
Кюри тепловое движение нарушает упорядоченную структуру доме-
нов и ферромагнетик становится обычным парамагнетиком.
Патент ФРГ 1 243 791: Термолюминисцентный дозиметр, со-
держащий дозиметрический элемент, заключенный в герметизиро-
ванную прозрачную камеру и снабженный носителем
люминисцентного материала, нагреваемый индукционным путем, от-
личающийся тем, что носитель содержит ферромагнитный материал,
точка Кюри которого, характеризующие фазовый переход второго
рода, соответствуют определенной максимальной температуре.
Диапазон температур Кюри для ферромагнетиков очень широк:
у радолиния температура Кюри 20 C, для читого железа - 1043 К.
Практически всегда можно подобрать вещество с нужной темпера-
турой Кюри.
А.с. 266 029: Магнитная муфта скольжения, содержащая кор-
пус и многополюсный ротор с постоянными магнитами,
отличающаяся тем, что с целью автоматического включения муфты
при заданной температуре, она снабжена шунтами, установленными
между полюсами ротора и выполненного из термореактивного мате-
риала, имеющего характеристику магнитной проницаемости с точ-
кой Кюри, соответствующей заданной температуре, а корпус и ро-
тор изготовлены из материала сточкой Кюри, соответствующей
температуре выше заданной.
При понижении температуры все парамагнетики, кроме тех у
которых парамагнетизм обусловлен электронами проводимости, пе-
реходят либо в ферромагнитное, либо в антиферромагнитное сос-
тояние.
8.1.4. У некоторых веществ (хром, марганец) собственные
магнитные моменты электронов ориентированы антипараллельно
(навстречу) друг другу. Такая ориентация охватывает соседние
атомы и их магнитные моменты компенсируют друг друга. В ре-
зультате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной
воспримчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики.
8.1.4.1. Для антиферромагнетиков также существует темпе-
ратура, при которой антипараллельная ориентация спинов исчеза-
ет. Эта температура называется антиферромагнитной точкой Кюри
или точкой Нееля.
У некоторых ферромагнетиков (эрбин, диоброзин, сплавов
марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точка
Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только
при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество
ведет себя как парамагнетик, а при температурах меньших нижней
точки Нееля, становится ферромагнетиком.
8.1.5. Необратимое изменение намагниченности ферромагнит-
ного образца, находящегося в слабом постоянном магнитном поле,
при циклическом изменении температуры называется температурным
магнитным гистерезисом. Наблюдается два вида гистерезиса, выз-
ванных изменением доменой и кристаллической структуры. Во вто-
ром случае точка Кюри при нагреве лежит выше, чем при охлажде-
нии.
А.с. 467 314: Способ записи оптических изображений на
ферромагнитную пленку, заключающийся в ее экспонировании, от-
личающийся тем, что с целью упрощения процесса записи путем
исключения операции по намагничиванию пленки, экспонирование
пленки осуществляют в интервале от температуры Кюри при нагре-
ве до температуры Кюри при охлаждении.
А.с. 515 169: Способ сборки ферритовых постоянных магни-
тов в систему с предварительным намагничиванием каждого магни-
та, отличающийся тем, что с целью исключения потери
намагниченности при сборке, перед операцией намагничивания
каждый постоянный магнит нагревают до температуры, при которой
кривые возврата совпадают с кривой размагничивания.
8.1.6. Ферримагнетизм - (или антиферромагнетизм неском-
пенсированный) совокупность магнитных свойств веществ (ферро-
магнетиков) в твердом состоянии, обусловленных наличием внутри
тела межэлектронного обменного взаимодействия, стремящегося
создать антипараллельную ориентацию соседних атомных магнитных
моментов. В отличии от антиферромагнетиков, соседние противо-
положно направленные магнитные моменты в силу каких-либо при-
чин не полностью компенсируют друг друга. Поведение ферромаг-
нетика во внешнем поле во многом аналогично ферромагнетику, но
температурная зависимость свойств имеет иной вид: иногда су-
ществует точка компенсации суммарного магнитного момента при
температуре ниже точки Нееля. По электрическим свойствам фер-
ромагнетикид и э ле к т р и к и или полупроводники.
8.1.7. Суперпарамагнетизм - квазипарамагнитное поведение
систем состоящих совокупности экстремально малых ферро или фе-
римагнитных частиц. Частицы этих веществ при определенно малых
размерах переходят в однодоменное состояние с однородной са-
мопроизвольной намагниченностью по всему обьему частицы. Сово-
купность таких веществ ведет себя по отношению к воздействию
внешнего магнитного поля и температуры подобно парамагнитному
газу (сплавы меди с кобальтом, тонкие порошки никеля и т.д.)
Очень малые частицы антиферрмагнетиков также обладают
особыми свойствами, похожими на суперпарамагнетизм, посколько
в них происходит нарушение полной компенсации магнитных момен-
тов. Аналогичными свойствами обладают и тонкие ферромагнитные
пленки.
Супермагнетизм применяется в тонких структурных исследо-
ваниях, в методах неразрушающего определения размеров, форм,
количества и состава магнитной фазы и т.п.
8.1.8. Пьезомагнетики - вещества, у которых при наложении
упругих напряжений возникает спонтанный магнитный эффект, про-
порциональный первой степени величины напряжений. Этот эффект
весьма мал и легче всего его обнаружить в антиферромагнетиках.
8.1.9. Магнитоэлектрики - вещества, у которых при помеще-
нии их в электрическое поле возникает магнитный момент, про-
порциональный значению поля.
8.2. Магнитокалорический эффект - изменение температуры
магнетика при его намагничивании. Для парамагнетика увеличение
поля приводит к увеличению температуры. что используется для
получения сверхнизких температур методом адиабатического раз-
магничивания парамагнитных солей.
8.3. Изменение размеров тела, вызванное изменениями его
намагниченности, называют - магнитострикцией (обьемной или ли-
нейной).Величина эффекта для обьемной магнитострикции -3.10 в
минус пятой степени, а для линейной - 10 в минус четвертой
степени.
А.с. 517 927: Устройство для юстировки блока магнитных
головок, содержащее рычаг с закрепленными на его конце указан-
ными блоками и источник напряжения, под воздействием потенциа-
лов которого осуществляется перемещение рычага, отличающееся
тем, что с целью повышения точности юстировки в направлении,
перпендикулярном поверхности рабочего слоя магнитного носите-
ля, оно снабжено пружиной, скрепленной с другим концом рычага,
фиксирующем его положение зажимом, и соленоидом, при этом ры-
чаг выполнен в виде магнитострикционного стержня и помещен
своей средней частью в полости соленоида.
Этот эффект сильно зависит от соотношения в сплаве и от
температуры.
Необычное применение эффекта для нагрева:
А.с. 550 771: Установка для индукционного нагрева текучих
сред содержащая массивный сердечник с продольными каналами для
прохождения среды и обхватывающее его коаксиально установлен-
ныеизоляционную трубку и индуктор, подключенный к источнику
переменного тока, отличающаяся тем, что с целью интенсификации
нагрева путем информации кристаллической решетки материала
сердечника,а индуктор дополнительно подключен к источнику пос-
тоянного тока.
8.3.1. Т е р м о с т р и к ц и я - магнитострикционная
деформация ферро и антиферромагнитных тел при нагревании их в
отсутствии магнитного тела. Эта деформация сопутствует измене-
нию самопроизвольнойнамагниченности с нагревом. Она особенно
велика в близи точек Кюри и Нееля, т.к. здесь особенно сильно
изменяется намагниченность.
Наложение термострикции на обычное тепловое расширение
приводит к аномалии в ходе теплового расширения. В некоторых
феромагнитах и антиферромагнитах эти аномалии очень велики.
8.4. Магнитоэлектрический эффект - явление намагничивания
ряда веществ в антиферромагнитном состоянии электрическим по-
лем и их электрически поляризация магнитным полем. (Открытие
N'123). Этот эффект обусловлен специфическойсимметрией распо-
ложения магнитных моментов в кристаллической решетке вещества.
Этот эффект позволяет получать сведения о магнитной
структуре веществ без сложных нейтронографических последствий
и применяется в волноводных устройствах СВЧ.
8.5. В основе гиромагнитных или магнитомеханических явле-
ний лежит вращение электрона вокруг ядра. Суть этих явлений
заключается в том, что намагничение магнетика приводят к его
вращению (Эффект Энштейна и де Хаасе), и наоборот вращение
магнетика вызывает его намагничивание.
Патент США 3 322 364: Способ компенсации влияния гиромаг-
нитного эффекта при угловом перемещении магнитометров резуль-
тирующего поля, находящегося на самолете, и прибор для его
осуществления обеспечивает компенсацию влияния гиромагнитного
эффекта на магнитометр результирующего поля который имеет отс-
читывающую обмотку. Гиромагнитный эффект возникает в результа-
те углового перемещения относительно данного направления, со-
вершаемого самолетом, на котором находится магнитометр.
Вырабатывается электрический сигнал, величина котрого пропор-
циональна угловой скорости самолета относительно данного нап-
равления. В отсчеты магнитометра вводится пропорциональная
этому сигналу коррекция, которая учитывает также угол между
указанным выше направлением силовых линий измеряемого поля.
8.6. Магнитоэустические эфекты - (магнитоупругие взаимо-
действия) в феритах-гранатах возникают в результате взаимо-
действия между спинами магнитных ионов и упругими колебаниями
решетки, т.е. в результате тех же взаимодействий, что и магни-
тострикционные эффекты.
А.с. 528 497: Волоконный звукопровод, состоящий из воло-
кон звукопроводящего материала, собранных по концам в жгут,
отличающийся тем, что с целью увеличения стабильности эксплуа-
тационных характеристик волокна выполнены из ферромагнитного
материала и намагничены на требуемом участке звукопровода по
всему его сечению в одном направлении.
А.с. 482 634: Способ измерения частоты механических коле-
баний обьекта основанный на совпадении составляющей вибрации с
частотой собственных колебаний одного из несколько упругих
элементов, жестко связанный с обьектом, отличающийся тем, что
с целью повышения точности измерения, жесткость упругого эле-
мента изменяют магнитным полем с симметричной магнитодвижущей
силой напряженность которого изменяется пилообразным током, и
по величине тока в момент резонанса определяют частоту механи-
ческих колебаний обьекта.
8.7. Ферромагнитный резонанс - электронный магнитный ре-
зонанс в ферромагнетиках - совокупность явлений, связанных с
избирательным поглощением ферромагнитиками энергии электромаг-
нитного поля при частотах совпадающих с собственными частотами
процессии магнитных моментов электронной системы во внутреннем
эффективном магнитном поле. (Поглощение на несколько порядков
больше, чем в ВПР).
А.с. 284 161: Способ измерения многновенного значения то-
ка путем сравнивания с постоянным током, отличающийся тем, что
с целью увеличения быстродействия и точности измерения, ферри-
товый элемент выводят из режима ферромагнитного резонанса по-
мещая его в магнитное поле измеряемого постоянным током, возв-
ращают его в режим феррорезонанса, изменяя постоянный ток, и
по величине постоянного тока судят о мгновенном значении изме-
ряемого параметра.
8.8. Вблизи точек Кюри и Нееля у магнетиков наблюдается
сильные аномалии в изменении различных свойств при изменении
температуры. Для ферромагнитиков это - эффекты Гопкинса (воз-
растание магнитной восприимчивости вблизи точки Кюри и Баркга-
узена) ступенчатый ход кривой намагниченности образца вблизи
температуры Кюри при изменении температуры, упругих напряжений
или внешнего магнитного поля.
А.с. 425 142: Способ измерения максимальной дифференци-
альной магнитной проницаемости в ферромагнитных материалах,
основанный на подсчете числа скачков Баркгаузена на восходящей
ветви петли гистеризиса, отличающийся тем, что с целью повыше-
ния точности и упрощения процесса измерения, уменьшают напря-
женность магнитного поля до величины, при которой чило скачков
Баркгаузена на нисходящей ветви петли гистеризиса станет рав-
ным половине общего числа скачков, при этом значении уменьшают
напряженность магнитного поля на заданную величину и измеряют
приращение индукции, по величине которой определяют максималь-
ную дифференциальную магнитную проницаемость.
Кроме того, вблизи точки Кюри наблюдается ферромагнитная
аномалия теплоемкости. Это дает возможность определять темпе-
ратуру Кюри и отсутствии магнитного поля.
Близкие эффекты наблюдаются и в антиферомагнитиках.
Л И Т Е Р А Т У Р А
Г.С.Кринчик, Физика магнитных явлений. М., изд-во МГУ 1976.
К 8.1. "Наука и жизнь", N'4 стр.44
Физический энцеклопедический словарь, т.5, стр.83,
305-309.
А.с.515021, 239633, 449292, 426183, 504103,466574,
Патент США 3797224.
К 8.3. А.с.541530, 541561.
9.КОНТАКТНЫЕ,ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭМИССИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
9.1.При контакте двух разных металлов один из них заряжа-
ется положительно, другой - отрицательно и между ними возника-
ет разность потенциалов, называемая к о н т а к т н о й. Она
не очень мала - от десятых долей вольта до нескольких вольт и
зависит только от химического состава и температуры контакти-
рующих тел "(Закон Вольта)"
А.С.N 508550: Способ контроля качества спекания агломера-
ционной шихты путем изменения электрических характеристик спе-
каемого материала,отличающийся тем,что с целью повышения
быстродействия непрерывности контроля качества ,исключения
влияния влажности исходной шихты, измеряют абсолютное значение
электрического напряжения (ЭДС) между корпусом спекаемого аг-
регата и спеченным материалом и сравнивают эту величину с аб-
солютной величиной электрического напряжения (ЭДС),полученной
при спекании материала с эталонными характеристиками.
А.С.N 255620 Способ определения усталостной прочности ме-
талла заключающийся в том,что образец из иследуемого металла
нагружает его до разрушения и по числу циклов нагружения до
разрушения судят об усталостной прочности металла,отличающ с
целью определения накопления усталостных повреждений в металле
также в процессе его нагружения ;измеряют величину работы вы-
хода электрона с его поверхности например, методом контактной
разности потенциалов, по которой судят о накоплении усталост-
ных повреждений в металле.
Контактная разность потенциалов возникает не только между
двумя металлами, но и между двумя полупроводниками полупровод-
ником и металлом,двумя диэлектриками и т.д., причем соприкаса-
ющие тела могут не только твердыми , но и жидкими.
9.1.1 В основе т р и б о э л е к т р и ч е с т в а
(электризации тел при трении) также лежат контактные яв-
ления.Причем знаки зарядов , возникающих при трении двух тел ,
определяются их составом,плотностью,диэлектрической проницае-
мостью,состоянием поверхности и т.д. Трибоэлектричество возни-
кает при просеивании порошков, разбрызгивании жидкостей,трении
газов о поверхности тел и в других подобных случаях.
А.С.N 224151 Способ испытания органических жидкостей на
электролизацию например нефтепродуктов, путем создания в них
трением электростатического потенциала,отличающийся тем,что с
целью одновременного определения скорости образования и ско-
рости утечки возникающих зарядов,образование зарядов происхо-
дит путем вращения твердого тела,помещенного в иследуемую жид-
кость.
Другой интересный пример - электростатический коатулятор.
Он педназначен для очистки воздуха в штреках. Вентилятор гонит
по трубе запыленный воздух . Труба разделяется на два рукова -
один из фторопласта, другой- из оргстекла. Пылинки антрацита
трущиеся о стенки , заряжаются поразному: на фторопласте поло-
жительно,на оргстекле отрицательно.Потом рукова сходятся в об-
щую камеру,где размноженные частицы антрацита притягива, сли-
ваются и па.
9.1.2. При контакте металла с проводником наблюдается
в е н т и л ь н ы й эффект. Контктный слой на границе
металла и полупроводника обладает односторонней проводимостью,
что используется,например, для выпрямления переменного тока в
точечных диодах. При кополу проводников разных типов проводи-
мости образуется р-п п е р е х о д, также обладающий вентиль-
ными свойствами. Это явление используется во многих типах по-
лупроводниковых приборов.
9.2. В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов
(электрический ток) и энергии взаимосвязаны,так как осущест-
вляются посредством перемещения подвижных носителей тока -
электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает
ряд явлений (Зеебека,Пельтье, и Томсона),которые называют т е
р м о э л е к т р и ч е с к и м и явлениями.
9.2.1. Эффект Зеебека состоит в том,что в замкнутой
электрической цепи из разнородных металлов возникает т е р м о
э.д.с. если места контактов поддерживаются при разных темпера-
турах. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы ма-
териалов, составляющих термоэлемент. Термо э.д.с. для пар ме-
таллов может достигать 50 мкВ/градус; в случае
полупроводниковых материалов величина термо э д с выше (10 во
2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).
А.С. N 263969: Электротермический способ дефектоскопии
заключающийся в том,что контролируемую зону нагревают пропус-
кая через нее в течение определенного времени постоянный по
величине электрический ток,измеряютпри помощи термопары-датчи-
ка температуры ее нагрева и судят о наличии дефекта по откло-
нению этой температуры от температуры нагрева бездефектной зо-
ны сварного соединения, отличающийся тем , что с целью
контроля зоны сварного соединения двух разных металлов, напри-
мер, контактных узлов радиодеталей, в качестве термопары-дат-
чика используют термопару, образованную соединенными металла-
ми.
Для проверки качества сварного шва снимают распределение
термоэлектрического потенциала поперек шва . Пики и впадинылс
ш0,0щ на кривых распределения говорят о неоднородности шва, а
их величина - о степени неоднородности. Быстро и наглядно.
Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить пос-
ледовательно любое число проводников любого состава,все спаи
(контакты) которых поддерживаются при одной и тойже температу-
ре, то термо э.д.с. в такой системе будет равна термоэдс ис-
ходного элемента.
А.С. N 531042: Термопара, содержащая защитный чехол,тер-
моэлектроды с электрической изоляцией, рабочие концы которых
снабжены снабжены токопроводящей перемычкой ,образующей изме-
рительный спай,отличающийсятем,что с целью увеличения срока
службы термопары в условиях повышенной вибрации и больших ско-
ростей нагрева, измерительный спай термопары выполнен в виде
слоя порошкообразного металла ,расположенного на дне защитного
чехла.
При измерении физического состояния веществ , участвующих
в контакте изменяется и величина термо э.д.с.
А.С.N 423024:Способ распознавания систем с ограниченной и
неограниченной взаимной растворимостью компонентов по темпера-
турной зависимости термо э.д.с.,отличающейся тем,что с целью
повышения надежности распознавания измеряют термо э.д.с. кон-
такта двух исследуемых образцов
Между металлом , сжатым всесторонем давлением, и темже
металлом, находящемся при нрмальном давлении тоже возникает
термо э.д.с.
Например , для железа при температуре 100 градусов С и
давлении 12 кбар,термоэдс равна 12,8 мкВ .При насыщении метал-
ла или сплава в магнитном поле относитель тогоже вещества без
магнитного поля возникает термоэдс порядка 09мкВ/градус
9.2.2 Эффект П е л ь т ь е обратен эффекту Зеебека.
При прохожд тока через спай различных металлов кроме джо-
удева тепла доплнительно выделяется или поглощается, в зависи-
мости от направления тока,некоторое колличество тепловых (спай
сурьма-висьмут при 20градусах С -10,7мкал/Кулон).При этом кол-
личество теплоты пропорционально первой степени тока.
Патент США N 3757151: Для увеличения отношение сигнал шум
ФЭУ предлогается способ охлаждения фотокатодов термоэлектри-
ческими элементами,расположенными внутри вакуумной оболочки
ФЭУ.
Заявка ФРГ N 1297902: Холодильник устройства для отбора
газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холо-
дильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены хо-
лодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопро-
вод для отбора измерительнонго газа. Холодильник,отличается
тем,что в качестве генератора тока,потребляемыми элементами
Пельтье,предусмотрена батарея термоэлементов,горячие спаи ко-
торых находятся в канале дымовых газов,а холодные спаи - во
внешнем пространстве.
9.2.3. Явлением Томсона называют выделение или поглощение
теплоты,избыточнойнад джоулевой,при прохождении тока по нерав-
номерно нагретому однородному проводнику или полупроводнику.
9.3. При контакте тел с вакуумом или газами наблюдается
электронная эмиссия - выпускание электронов телами под влияни-
ем внешних воздействий: нагревания (теплоэлектронная эмиссия)
потока фотонов (фотоэмиссия),потока электронов (вторичная
эмиссия),потока ионов,сильного электрического поля (автоэлект-
ронная или холодная эмиссия),механических или других "портящих
структуру" воздействий (акзоэлектронная эмиссия)
Во всех видах эмиссий , кроме автоэлектронной, роль внеш-
них воздействий сводится к увеличению энергетии части электро-
нов или отдельных электронов тела до значения,позволяющего им
преодолеть потенциальный порог на границе тела с последующим
выходом и вакуум или другую среду.
А.С.N 226040:Способ контроля глубины нарушенного поверх-
ностного слоя полупроводниковых пластин, отличающихся тем,что
с целью обеспечения возможности автоматизации и упрощения по-
цесса контроля,пластину нагревают до температуры ,соответству-
ющей максимуму э к з о э л е к т р о н н о й э м и с с и ,
которую контролируют одним из известных способов , а по поло-
жению пика эмиссии определяют глубину нарушенного слоя.
А.С.N 513460: Э л е к т р о н н а я т у р б и н а,
содержащая помещенные в вкуумный баллон катод и анод и
размещенный между ними ротор с лопастями, отличающийся тем,
что с целью увеличения крутящегося моментана валу турбины ее
ротор вполнен ввиде набора соосных цилиндров с лпастями, между
цилиндрами роторов установлены неподвижные направляющие лопат-
ки имеют покрытие, обеспечивающее вторичную электронную эмис-
сию, например, сурьмяно-цезиевое.
9.3.1. В случае автоэлектронной эмиссии внешнее электри-
ческое поле превращают потенциалный порог на границе тела в
барьер конечной ширины и уменьшает его высоту относительно вы-
соты первоначального порога,вследствии чего становиться воз-
можным квантовомеханическое тунелирование электронов сквозь
барьер. При этом эмиссия происходит без затраты энергии элект-
рическим полем.
А.С. N 488268: Способ измерения обьемной концентрации уг-
леводородов в вакуумных системах путем термического разложения
углеводородов на нагретом острийном автокатоде и регистрации
времени накопления пиролетического углерода до одной из эта-
лонных концентраций,отличающихся тем,что с целью повышения
точности измерения время накопления углерода регистрируют по
изменению значения автоэлектронного тока.
9.3.2. Наличие на поверхности металла тонких диэлектри-
ческих пленок в сильныь полях не мешает походу электронов че-
рез потенциальный барьер.Это явление называется э фф е к т о м
М о л ь т е р а .
А.С. N.119712: Электронно-лучевая запоминающая трубка с
экранными сетками, отличающаяся тем,что с целью хранения запи-
си неограничено долгое время одна из экранных сеток,служащая
потенциалоносителем, изготовлена из металлов , излучающих вто-
рично-электронную эмиссию,покрытых пленкой диаэлектрика и об-
ладающих эффектом.
9.3.3. Туннелирование электронов по потенциальным барь-
ерам широко используется в специальных полупроводниковых
приборах туннельных диодах. На высоту тунельного барьера можно
влиять не только электрическим полем, но и другими воздействи-
ями
Патент Франции N 2189746: Устройство пзволяющее обнаружи-
вать магнитные домены с внутренним диаметром не более 1 мк,
основано на определении изменения уровня Ферми иследуемого
электрода по изменению высоты туннельного барьера и по его
воздействию на величину сопротивления,туннельного пере. Уст-
ройство применимо в магнитных долговременных и оперативных за-
поминающих устройствах.
А.С.N 286274: Устройство для измерения контактного давле-
ния ленты на магнитную головку,содержащее упругие элементы и
датчики, отличающиеся тем,что с целью осуществления одновре-
менно интегрального и дискретного измерения указанного давле-
ния , устройство измерения выполнено в виде полуцилиндра, сос-
тоящего из упругих элементов, образующих на корпусе магнитной
головки, при этом другой край полуцилиндра выполнен свободным
, а под каждой полосой гребенки установлен датчик,например, с
туннельным эффектом.
Г.Е.Зильберман. Электричество и магнетизм.М.,"НАУКА",1970
К.9.1 "Юный техник",N.3 стр.17,1976, А.С.484896,461343
К 9.2. А.С.464183 патент ФРГ 1295100
К 9.3. Таблица физических величин. М.,"Атомиздат",
1976,стр.444
10. ГАЛЬВАНО И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.
10.1. Гальваномагнитные явления - это совокупность явле-
ний, возникающих под действием магнитного поля в проводимых
проводимых, по которым протекает электрический ток. При этом:
10.1.1. В направлении перпендикулярном направлениям маг-
нитного поля и направлению тока, возникает электрическое поле
(эффект Эолла).
Коэффицент Холла может быть положительным и отрицательным
и даже менять знак с изменением температуры. Для большинства
металлов наблюдается почти полная независимость коэффициента
Холла от температуры. Резко аномальным эффектом Холла обладает
висмут, мышьяк и сурьма. В ферромагнетиках наблюдается особый,
ферромагнитный эффект Холла. Коэффициент Холла достигает мак-
симума в точкке Кюри, а затем снижается.
А.с. 272 426: Способ измерения магнитной индукции в об-
разце из магнитотвердого материала путем помещения испытуемого
образца во внешнее магнитное поле, отличающийся тем, что с
целью повышения точности и сокращении времени измерения через
поперечное сечение образца пропускают электрический ток и из-
меряют Э.Д.С. Холла на его основных гранях, по которой судят
об искомой величине.
А.с. 2 836 399: Устройство для измерения среднего индика-
торного давления в цилиндрах поршневых машин, содержащее дат-
чик, преобразующий давление и электрический сигнал, датчик по-
ложения поршня, усилитель, электронный вычислительный блок и
указатель, отличающийся тем, что сцелью упрощения конструкции,
в качестве датчика положения поршня и множительного элемента
вычислительного блока, использован датчик Холла, магнитная
система которого жестко связана с коленчатым валом двигателя,
а активный элемент соединен через усилитель с выходом датчика
давления, при этом выход датчика Холла через интегратор подк-
люченк указателю.
10.1.2. В направлении перпендикулярном к направлению маг-
нитногополя и направлению тока возникает температурный гради-
ент (разность температур) эффект Эттингсгаузена.
А.с. 182 778: Низкотемпературное устройство на основе
эффектов Пельтье и Эттингкгаузена, отличающийся тем, что с
целью одновременного использования термоэлектрической батареи
как генератора холода и как источника магнитного поля для ох-
ладителя Эттингсгаузена, термобатарея выполнена ввиде цилинд-
рического соленоида.
10.1.3. Изменяется сопротивление проводника, что эквива-
лентно возникновению добавочной разности потенциалов вдоль
направления электрического тока. Для обычных металлов это из-
менение мало - порядка 0,1% в поле 20 кв, однако для висмута и
полупроводников величина изменения может достигать 200% (в по-
лях 80 кв.).
А.с. 163 508: Универсальный гальваномагнитный датчик, со-
держащий плоские токовые и холловские электроды точечность
контакта которых обеспечивает перемычки в теле датчика, отли-
чающийся тем, что с целью уменьшения эффекта закорачивания
холловского напряжения токовыми электродами использования од-
ного и того же единого гальваномагнитного датчика как датчика
э.д.с. Холла или как датчика магнитосопротивления, или как ги-
ратора, токовые электроды расположены вдоль эквипотенциальных
линий поля Холла или под острым углом к ним, например по реб-
рам плоского датчика, а для перехода из одного используемого
эффекта к другому применено коммутирующее устройство и регули-
руемый источник питания.
10.1.4. Термомагнитные явления - совокупность явлений,
возникающих под действием магнитного поля в проводниках, внут-
ри которых имеется тепловой поток.
при поперечном замагничивании проводника возникает следу-
ющие термомагнитные явления:
10.2.1. В направлении перпендикулярном градиенту темпера-
тур и направлению магнитного поля возникает градиент
температур (эффект Риге-Ледюка).
10.2.3. При продольном намагничивании образца изменяется
сопротивление, термо - э.д.с., теплопроводность (появляется
тепловой поток).
А.с. 187 859: Устройство для измерения э.д.с. поперечного
эффекта Кернота-Эттингсгаузена в полупроводниковых материалах,
содержащее нагреватель, холодильник и термопары-зонды, отлича-
ющиеся тем, что с целью исключения неизотермической части э.д.
с. Нернота-Эттингсгаузена, уменьшения тепловых потерь и исклю-
чения цикуляционных токов на контакте полупроводникизмеритель-
ные зонды, термопары-зонды подведены к поверхности исследуемо-
го образца через массивные металлические блоки холодильника
инагревателя, находяшиеся в хорошем тепловом контакте с образ-
цом, электрически изолированные от последнего.
В этом авторском свидетельстве физический эффект не при-
менен для решения задач. Оно просто демонстрирует, что исполь-
зование эффектов требует как их знания, так и решения сложных
электрических задач.
10.2.4. Электронный фототермомагнитный эффект - появление
э.д.с. в однородном проводнике (полупроводнике или металле),
помещенном в магнитном поле, обусловленное поглощением элект-
ромагнитного получения свободными носителями заряда. Магнитное
поле должно быть перпендикулярно потоку излучения. Этот эффект
применяется в высокочувствительных 10 в минус тринадцатой сте-
пени вт, сек1/2 приемниках длинноволнового инфракрасного излу-
чения. Постоянная времени эффекта - 10 в минус седьмой степени
сек.
Л И Т Е Р А Т У Р А
к 10.1 "Радио", N'9, 1964, стр.53, А.с.249473, 255996;
к 10.2 А.с.476463.
11.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ.
11.1 В обычных услх любой газ,буть то воздух или пары се-
ребра, является изолятором. Для того,чтобы под действием
электрического полявозник ток, требуется каким-то способом ио-
низовать молекулы газа. Внешние проявления и характеристики
разрядов в газе чрезвычайно разнообразны,что объясняется широ-
ким диапазоном параметров и элементарных процессов,определяю-
щих прохождения тока через газ.Кпервым относятся состав и дав-
ление газа, геометрическая конфигурация разрядного
пространства, частота внешнего электрического поля,сила тока и
т.п.,ко вторым - ионизация и возбуждение атомов и молекул га-
за,рекомендация удары второго рода,упругое рассеяние носителей
заряда,различные виды эмиссии электронов. Такое многообразие
управляемых факторов создает предпосылки для весьма широкого
пименения газовых разрядов.
11.1.1.П о т е н ц и а л о м и о н и з а ц и и называет-
ся энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или ио-
на. Для нейтронных невозбужденных атомов величина этой энергии
изменяется от 4 ( ) до 24 (Не) электрон-вольт. В случае моле-
кул и радикалов энергия разрывов связей лежит в пределах 0,06+
11,1 э.в.( )
11.1.2. Ф о т о и о н и з а ц и я а т о м о в. Атомы мо-
гут понизироваться при поглащении квантов света, энергия кото-
рых равна потенциалу ионизации атома или превосходит ее.
11.1.3. П о в е р х н о с т н а я и о н и з а ц и я . Ад-
сорбированный атом может покинуть нагретую поверхность как в
атомном так и в ионизованном состоянии. Для ионизации необхо-
димо, чтобы работа выхода поверхности была больше энергии ио-
низации уровня валентного электрона адсорбированного атома
(щелочные металлы на вольфраме и платине)
11.1.4.Процессы ионизации используются не только для воз-
буждения различных видов газовых разрядов,но и для интенсифи-
кации различных химических реакций и для управления потоками
газов с помощью электрических магнитных полей (см.6.1.1 и 6.7.
2.).
А.С.N 187894. Способ электродуговой сварки с непрерывной
и импульсной моделей энергии,отличающийся тем,что с целью по-
вышения точности выполнения сварного шва и облегчения зажига-
ния дуги,ионизирующиедуговой промежуток.
А.С. N 444818: Способ нагрева стали в окислительной ат-
мосфере, отличающийся тем,что с целью снижения
обезуглеродивания, в процессе нагрева осуществляют ионизиро-
ванные атмосферы.
А.С. 282684: Способ измерения малых потоков газа, выпус-
каемых в вакуумный объем,отличающийся тем,что с целью повыше-
ния точности измерения,газ перед запуском ионизируют и
формируют в однородный полный пучек, а затем вводят ионный пу-
чок в вакуумный объем,где его нейтрализуют на металлической
мишени, и по току ионного пучка судят о величине газового по-
тока.
11.2. Обычно газовй разряд поисходит между проводящими
электродами создающими граничную конфигурацию электрического
поля и играющими значительную роль в качестве источников и
стоков заряженных частиц. Однако наличие электродов необяза-
тельно (высокочастотный тороидальный заряд).
11.3. При достаточно больших давлениях и длинах разрядно-
го промежутка основную роль в возникновении и протекании раз-
ряда играет газовая среда. Поддержание разрядного тока
определяется поддерживанием равновесной ионизации газа, проис-
ходящий при малых токах за счет гауноендовских процессов кас-
кадной ионизации, а при больших токах за счет термической ио-
низации.
При уменьшении давления газа и длины разрядного
промежутка все большую роль играют процессы на электродах; при
P 0,02+0,4 мм.рт.ст/см процессы на электродах становятся опре-
деляющими.
11.4. При малых разрядных токах между холодными электро-
дами и достаточно однородном поле основным типом разряда явля-
ется тлеющий разряд, характеризующийся значительным (50 - 400
В) катодным падением потенциала. Катод в этом типе разряда ис-
пускает электроны под действием заряженных частиц и световых
квантов, а тепловые явления не играют роли в поддерживани раз-
ряда.
Патент США 3 533 434: В устройстве, предназначенном для
считывания информации с перфорированного носителя, используют-
ся лампы тлеющего разряда, имеющие невысокую стоимость, и,
кроме того, обладающие высокой надежностью. Освещение ламп че-
рез перфорации носителя информации источником пульсирующего
света вызывает зажигание некоторых из них, продолжающиеся и
после исчезновения светового импульса. Таким образом лампы
тлеющего разряда обеспечивают хранение информации и не требуют
дополнительного запоминающего устройства.
11.5. Примесь молекулярных газов в разрядном промежутке
при короноом разряде приведет к образованию страт, т.е. распо-
ложенных поперек градиента электрического поля темных и свет-
лых полос.
11.6. Тлеющий разряд в сильно неоднородном электрическом
поле и значительном ( P 100 мм.рт.ст.) давлении называют ко-
ронным. Ток короного разряда имеет характер импульсов, вызыва-
емых электронными лавинами. Частота появления импульсов 10-100
кГц.
11.7. Дуговой разряд наблюдается при силе тока не менее
нескольких ампер. Для этого типа разряда характерно малое (до
10 В) катодное падение потенциала и высокая плотность тока.
Для дугового разряда существенна высокая электронная эмиссия
катода и термическая ионизация в плазменном столбе. Спектр ду-
ги обычно содержит линии материала катода.
А.с. 226 729: Способ выпрямления переменного тока с по-
мощью газоразрядного промежутка с полым катодом при низком
давлении газа, соответствующим области левой ветви кривой Па-
шена, отличающийся тем, что с уелью повышения выпрямленного
тока и уменьшения падения напряжения в течении проводящей час-
ти периода, при положительном потенциале на аноде систему
"анод-полый катод" переводить в режим дугового разряда.
11.8. Искровой разряд начинается с образования стример
саморапространяющихся электронных лавин, образующих проводящий
канал между электродами. Вторая стадия искрового разряда -
главный разряд - происходит вдоль канала, образованного стри-
мером, а по свим характеристикам близка к дуговому разряду,
ограниченному во времени емкостью электродов и недостаточ-
ностью питания. При давлении 1 атм., материал и состояние
электродов не оказывает влияния на пробивное напряжение в этом
виде разряда.
Расстояние между сферическими электродами, соответствую-
щее возникноаению искрового пробоя весьма часто служит для из-
мерения высокого напряжения.
А.с. 272 663: Способ определения размера макрочастиц с
подачей их на заряженную поверхность, отличающийся тем, что с
целью повышения точности измерения, определяют интенсивность
световой вспышки, сопровождающей электрический пробой между
заряженной поверхностью и приближающейся к ней частицей и по
интенсивности судят о размере частицы.
11.9. Факельный разряд - особый вид высокочастотного од-
ноэлектродного разряда. При давлениях, близких к атмосферному
или выше его, факельный разряд имеет форму пламени свечи. Этот
вид разряда может существовать при частотах 10 МГц, при доста-
точной мощности источника.
11.10. При изучении заряженного острия наблюдается инте-
ресный эффект - так называемое стекание зарядов с острия. В
действительности никакого стекания нет. Механизм этого явления
следующий: имеющиеся в воздухе в небольшом количестве свобод-
ные заряды в близи острия разгоняются и, ударяясь об атомы га-
за, ионизируют их. Создается область пространственного заряда,
откуда ионы того де знака, что и острие, выталкиваются полем,
увлекая за собой атомы газа. Поток атомов и ионов создает впе-
чатление стекания зарядов. При этом острие разряжается, и од-
новременно получает импульс, направленный против острия.
Несколько примеров на применение коронного разряда:
А.с. 485 282: Устройство для кондиционирования воздуха,
содержащее корпус с поддоном и патрубками для подвода и отвода
воздуха и размещенный в корпусе воздуховоздушный теплообменник
с каналами орошаемыми со стороны одного из потоков, отличаю-
щийся тем, что с целью повышения степени охлаждения воздуха
путем интенсификации испарения коронирующие воды, по оси оро-
шаемых каналов теплообменника установлены электроды, прикреп-
ленные к имеющему заземление корпусу с помощью изоляторов и
подключенные к отрицательному полюсу источника напряжения.
Заявка СССР 744429/25: Авторы предлагали измерять диаметр
проволоки тоньше пятидесяти микрон с помощью коронного разря-
да. Как известно, коронный разряд ввиде светящегося кольца
возникает вокруг проводника, если к проводнику приложить высо-
кое напряжение. При определении сечения проводника коронный
разряд будет иметь вполне определенные характеристики. Стоить
изменить сечение, тотчас изменяется и характеристика коронного
разряда.
Л И Т Е Р А Т У Р А
Таблицы физических величин. М.,"Атомиздат", 1976, стр.427-439.
к 11.1 А.с.179599.
к 11.4 А.с.234527.
12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.
Эффекты, связанные с относительным движением двух фаз под
действием электрического поля, а также возникновение разности
потенциалов при относительном смещении двух фаз, на границе
между которыми существует двойной электрический слой, называ-
ется электрокинетическими явлениями.
12.1. Электроосмос (электроэндоосмос) - движение жидкос-
тей или газов через капилляры, твердые пористые диафрагмы и
мембраны, а также через слои очень мелких частиц под действием
внешнего электрического поля (см.3.6.1.).
Электроосмос применяется при очистке коллоидных растворов
от примесей, для очистки глицерина, сахарных сиропов, желати-
на, воды, при дублении кож, а также при окраске некоторых ма-
териалов.
12.2. Эффект обратный электроосмосу - возникновение раз-
ности потенциалов между концами капилляра, а также между
противоположными поверхностными диафрагмами мембраны для дру-
гой пористой среды при прода влении через них жидкости (потен-
циал течения).
12.3. Электрофорез (катофорез) - движение под действием
внешнего электрического поля твердых частиц, пузырьков газа,
капель жидкости, а также коллоидных частиц, находящихся во
взвешенном состоянии в жидкой или газообразной среде.
Электрофорез применяют при определении взвешенных в жид-
кости мелких частиц, не поддающихся фильтрованию или сжиманию,
для обезвоживания торфа, очистки глины или каолина, обезвожи-
вания красок, осаждение каучука из латекса, разделения маслян-
ных эмульсий, осаждения дымов и туманов.
А.с. 308 986: Способ снижения пористотости керамических
изделий путем насыщения их дисперсионным материалом, отличаю-
щийся тем, что сцелью повышения электрической прочности, насы-
щения проводят за счет электрофоретического осаждения твердых
частиц на суспенции с наводной дисперсионной средой.
12.4. Эффект обратный электрофорезу - возникновение раз-
ности потенциалов и жидкости в результате движения частиц,
вызванного силами не электрического характера, например, при
оседании частиц в поле тяжести, при движении в ультразвуковом
или центробежном поле (седментационный потенциал или потенциал
оседания).
12.5. Электрокапиллярные явления - явления связанные с
зависимостью величины поверхностного натяжения на границе раз-
дела электрод-раствор от потенциала электрода (см.3.3.6.).
Л И Т Е Р А Т У Р А
Краткая химическая энциклопедия. М.,1967, т.5, стр.934-936.
13. СВЕТ И ВЕЩЕСТВО.
13.1. Свет. Видимое. УФ и ИК-излучение. Свет это совокуп-
ность электромагнитных волн различной длины. Диапазон длин
волн видимого света - от 0,4 до 0,75 мкм. К нему примыкают об-
ласти невидимого света - ультрафиолетовая (от 0,4 до 0,1 мкм)
и инфракрасная (от 0,75 до 750 мкм).
Видимый свет доносит до нас большую часть информации из
внешнего мира. Помимо зрительного восприятия, свет можно обна-
ружить по его тепловому эффекту, по его электрическому дейс-
твию или по вызываемой им химической реакции. Восприятие света
сетчаткой глаза является одним из примеров его фотохимического
действия. В зрительном восприяти определенной длине волны све-
та сопутствует определенный цвет. Так излучение с длиной волны
0,48-0,5 мкм будет голубым; 0,56-0,59 - желтым; 0,62-0,75 -
красным. Естественный белый свет, есть совокупность волн раз-
личной длины, распространяющихся одновременно. Его можно раз-
ложить на составляющие и выцедить их с помощью спектральных
приборов (призм, дифракционных решеток, светофильтров).
Как и всякая волна, свет несет с собой энергию, которая
зависит от длины волны (или частоты) излучения.
Ультрафиолетовое излучение, как более коротковолновое,
характеризуется большей энергией и более сильным взаимодейс-
твием с веществом, чем обьясняется широкое его использование в
изобретательской практике. Например, излучение ультрафиолетом
может инициировать или усиливать многие химические реакции.
А.с. 489 602: Способ соединения металлов путем заполнения
зазора между соединяемыми деталями металлом, полученным разло-
жением его химического соединения, отличающийся тем, что с
целью устранения термического воздействия на соединяемые дета-
ли, разложение химических соединений осуществляет облучением
ультрафиолетовым светом.
Существенно влияние ультрафиолета на биологические обьек-
ты, например, его бактерецидное действие.
Следует помнить, что ультрафиолетовое излучение очень
сильно поглощается большинством веществ, что не позволяет при-
менить при работе с ним обычную стеклянную оптику. До 0,18 мкм
исползуют кварц, фтористый литий, до 0,12 мкм - флюорит; для
еще более коротких волн приходится применять отражательную оп-
тику.
Еще более широко в технике используют длинноволновую
часть спектра - инфракрасное излучение. Отметить здесь приборы
ночного видения, ИК-спектроскопию, тепловую обработку материа-
лов, лазерную технику, измерение на расстоянии температуры
предметов.
А.с. 269 400: Способ противопожарного контроля волокнис-
того материала, например, хлопка-сырца, подаваемого по трубоп-
роводу к месту его хранения, отличающийся тем, что с целью по-
вышения надежности хранения, контроль осуществляется
посредством расположенных по периметру трубопровода датчиков,
реагирующих на инфракрасное излучение.
А.с. 271 550: Способ ремонта асфальтобетонных дорожных
покрытий на основе применения инфракрасного излучения, отлича-
ющийся тем, что с целью обеспечения ремонта в зимнее время
вначале создают тепловую защиту непосредственно в месте произ-
вдства работ путем создания зон положительных температур пос-
редством источников инфракрасного ихлучения, затем разогревают
применяемые в качестве исходного материала асфальтобетонные
брикеты одновременно с ремонтируемым участком дорожного покры-
тия до пластического состояния при помощи инфракрасных лучей.
Интересное свойство ИК-лучей обнаружил недавно польские
ученые: прямое облучение стальных изделий светом инфракрасных
ламп сдерживает процессы коррозии не только в условиях обычно-
го хранения, но и при повышении влажности и содержания сернис-
тых газов.
Сильным изобретательским приемом является переход от од-
ного диапазона излучения к другому.
А.с. 232 391: Способ определения экспозиции засветки
фоторезисторов на основе диасоединений и азидов в процессе фо-
толитографии, отличающийся тем, что с целью улучшения воспро-
изводимости и увеличения выхода годных приборов, полупроводни-
ковый эпитаксиальный материал с нанесеным на него фоторезистом
облучают ультрафиолетовым или видимым светом, причем экспози-
цию определяют по времени исчезновения полосы поглощения плен-
ки фоторезиста в области 2000-2500 см. в минус первой степени
. Здесь облучают коротковолновым светом, а изменение свойств
регистрируют по поглощению в инфракрасной области - 2000 см. в
минус первой степени соответствуют длине волны 3,07 мкм.
13.1.1. Световое излучение может передавать свою энергию
телу не только нагревая его или возбуждая его атомы, но и вви-
де механического давления. Световое давление проявляется в
том, что на освещаемую поверхность тела в направлении расп-
ространения света действует распределенная сила, пропорцио-
нальная плотности световой энергии и зависящая от оптических
свойств поверхности. Световое давление на полностью отражающую
зеркальную поверхность вдвое больше, чем на полностью поглоща-
ющую при прочих равных условиях.
Обьяснить это явление можно как с волновой, так и с кор-
пускулярной точек зрения на природу света. В первом случае это
результат взаимодействия электрического тока, наведенного в
теле электрическим полем световой волны, с ее магнитным полем
по закону Ампера. Во втором - результат передачи импульса фо-
тонов поглощающей или отражающей стенке.
Величина светового давления мала. Так, яркий солнечный
свет давит на 1 кв.м. черной поверхности с силой всего лишь 0,
4 мГ. Однако простота управления световым потоком, "оксеон-
тактность" воздействия и "избирательность" светового давления
в отношении тел с различными поглощающими и отражающими свойс-
твами позволяют с успехом использовать это явление в изобрета-
тельстве (например, фотонная ракета).
Согласно патенту США 3 590 932: световое давление исполь-
зуется в микроскопах для уравновешивания малых изменений массы
или силы. Измерительное фотоэлектрическое устройство определя-
ет, какая величина светового потока, а следовательно исветово-
го давления, потребовалась для компенсации изменения массы об-
разца и восстановления равновесия системы.
А.с. 174 432: Способ перекачки газов или паров из сосуда
в сосуд путем создания перепада давления на разделяющей оба
сосуда перегородке, имеющей отверстие, отличающийся тем, что с
целью повышения эффективности откачки, на отверстие в перего-
родке фокусируют световой пучек, излучаемый, напрмер, лазером.
2. Способ по п.1 отличающийся тем, что с целью осущест-
вления избирательной отакачки газов или паров и, в частности,
с целью разделения изотопных смесей газов или паров, ширину
спектра излучения избирают меньше частотного разноса центров
линий поглощения соседних с них компонентов, при этом частоту
излучателя настраивают на центр линии поглощения откачиваимого
компонента.
13.2. Отражение и преломление света.
При падении параллельного пучка света на гладкую поверх-
ность раздела двух прозрачных изотропных сред часть света от-
ражается обратно, а другая часть проходит во вторую среду, при
этом направление пучка света меняется; происходит преломление
света.
Угол отражения равен углу падения, а угол преломления
связан с углом падения соотношением: где п1 и п2 - показатели
преломления сред, и - углы падения и преломления.
Показатели преломления обычных газов (при нормальных ус-
ловиях) близки к 1, для стекл эта величина порядка от 1,4 до
1,7.
Эффекты отражения и преломления лежат в основе работы
всех оптических систем, которые позволяют передавать световую
энергию и изображения, фокусировать свет в мощные пучки, раз-
лагать его в спектр (см. Дисперсия).
США патент 3 562 530: Способ получения и нагревания не-
загрязненных пламоидов заключается в том, что мишень распола-
гается в первой сопряженной фональной точке закрытой камеры,
которая представляет собой зеркально отражающую систему, во
второй фональной точке, сопряженой спервой, генерируют корот-
кий импульс электромагнитной энергии. Эта энергия фокусируется
на мишень, которая нагревается до очень высокой температуры.
Отраженный свет может нести значительную информацию о
форме предмета (а также о структуре его поверхности) как в
случае зеркального, так и диффузного отражения.
А.с. 521 086: Способ определения пайки выводов радиодета-
ле, напрмер, резисторов, при котором производят погружение вы-
вода в каплю расплавленного припоя и регистрируют интервал
времени между соприкосновением вывода с каплей и замыканием
капли над ним, отличающийся тем, что с целью повышения точнос-
ти измерения времени пайки, на поверхность капли припоя нап-
равляют луч света в форме узкой полосы и фиксируют интервал
времени между началом отклонения отраженного от поверхности
капли луча до его возвращения в исходное положение, используя
фотоэлемент, соединенный со счетчиком времени.
А.с. : Способ определения частоты обработки поверхности,
заключающийся в том, что напрвляют световой поток на контроли-
руемую поверхность и регистрируют световой поток, отраженный
от нее, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме-
рения, поворачивают контролируемую поверхность вокруг оси,
перпендикулярной плоскости падения светового потока, регистри-
руют угол наклона, при котором отраженный от него световой по-
ток будет составлять заданую часть, например, половину от мак-
симального, и по алгебраической разности определяют чистоту
обработки поверхности.
Процессы отражения и преломления связаны с внутренней
структурой вещества; измерение показателя преломления - один
из важнейших методов структурных исследований (3).
А.с. 280 956: Способ исследования тепловых напряжений на
прозрачных моделях путем просвечивания образца монохроматичес-
ким светом, отличающийся тем ,что с целью определения полного
теплового напряжения, вызываемого неоднородным нагревом, пред-
варительно определяют градиент температур в исследуемом образ-
це, измеряют соответствующий ему угол отклонения светового лу-
ча в данной точке, и по полученным данным судят о величине
теплового напряжения.
А.с. 541 484: Способ регулировки температуры размягчения
донного продукта отпарного аппарата в зависимости от изменения
режимного параметра в зоне питания аппарата, отличающийся тем,
что с целью повышения качества регулировки, режимный параметр
корректируют в зависимости от коэффициента преломления дистил-
лярного продукта, выводимого из аппарата.
В общем случае, лучи отраженный и преломленный - это лучи
поляризованного света (см.Поляризация). Степень поляризации
зависит от угла падения. При определенном значении этого угла
(угол Брюстера) отраженный свет полностью линейно поляризован
перпендикулярно плоскости падения. При падении же под углом
Брюстера света, уже поляризованного в плоскости падения, отра-
жения вобще не происходит, не смотря на скачок показателя пре-
ломления (см.Анизотропия и свет).
А.с. 501 377: Акустооптический дефлектор, содержащий
акустооптический эффект и пьезопреобразователь, отличающийся
тем, что с целью увеличения его разрешающей способности с од-
новременным уменьшением потерь света на отражение, входная по-
верхность акустооптического элемента выполнена по отношению к
поверхности, на которой расположен пьезопреобразователь, под
углом, равным сумме угла Брюстера и угла дефракции Брегга для
данного материала, а выходная поверхность - под углом, равным-
разности между углом Брюстера и углом дифракции Брегга.
13.2.1. При определенных условиях может наблюдаться пол-
ное внутреннее отражение света, при котором вся энергия свето-
вой волны, падающей награницу двух двух прозрачных сред со
стороны среды, оптически более плотной, полностью отражается в
эту среду. В частности это явление используется в призмах би-
ноклей и перископов, но диапазон его применения в изобрета-
тельстве гораздо шире (1).
А.с. 287 363: Устройство для измерения температуры, со-
держащее измерительный элемент, установленный в контролируемой
среде, и источник белого света с диафрагмой, отличающийся тем,
что с целью повышения точности измерения температуры и увели-
чения светосилы устройства, измерительный элемент выполнен
ввиде двух прозрачных прямоугольных призм, сложенных наклонны-
ми гранями, между которыми расположен слой прозрачного вещест-
ва с показателем преломления, зависящим от длины волны и тем-
пературы, причем источник света расположен относительно
измерительного элемента так, что ось светового потока наклоне-
на к плоскости входной грани призмы под предельным углом пол-
ного внутренненго отражения.
А.с. 288 464: Устройство для активного контроля распыле-
ния жидкости, выполненное из источника света, воздействующего
через собирательную линзу через фоторезистор, к которому подк-
лючен усилитель, отличающийся тем, что с целью увеличения на-
дежности контроля, на пути света за линзой последователены оп-
тический многогранник полного внутреннего отражения и
охватывающая его изогнутая шторка, образующая с одной из гра-
ней клинообразное входное пространство.
США патент 3 552 825: Переменный цифровой элемент состоит
из прямоугольной призмы, над гипотенузой грани которой распо-
лагаются несколько отражающих слоев. Луч света проходит через
одну из катетных граней призмы и падает на ее гипотенузную
грань под углом, который равен критическому углу или больше
его. Обычно луч света будет испытывать полное внутреннее отра-
жение в призме и выходить через другую ее катетную грань. Од-
нако, если отражающий слой, расположенный над гипотенузой гра-
ни, имеет с ней оптический контакт, полное внутреннее
отражение нарушается и луч проникает в этот отражающий слой.
На гипотенузной грани могут располагаться несколько отражающих
слоев. Явление полного внутреннего отражения, а также наруше-
ние его, используется для определения колличества отражающих
слоев, пройденных лучем света прежде, чем испытать полное
внутреннее отражение, пройти обратный путь через отражающие
слои, призму и выйти через вторую ее катетную грань. Отражаю-
щие слои изготавливаются из стекла, либо представляют собой
полости, заполненные жидкостью. Изгиб того или иного слоя и,
следовательно, нарушение оптического контакта этого слоя со
смежной поврхностью, может быть осуществлен с помощью пьезоэ-
лектрического кристалла.
На основе явления полного внутреннего отражения созданы
светводы, которые гораздо эффективнее обычных линзовых систем.
Широкие одиночные светопроводы передают излучение; применение
волоконной оптики - пучков очень тонких светопроводов - позво-
ляет передавать также изображение в том числе и по непрямым
путям,т.к. пучок тонких волокон может быть сильно изогнут без
разрушения и потери прозрачности.
А.С. N210677. Устройство для выравнивания косогорных ма-
шин или их рабочих органов, содержащее маятниковый датчик нак-
лона и электрогидравлический механизм выравнивания,отличающий-
сятем,что с целью повышения надежности,оно снабжено гибкими
световодами,измеряющими поперечное сечение под воздействием
маятника,с одной стороны которых установлен источник света, а
с другой - фотоэлементы,включенные в электрическую схему меха-
низма выравнивания.
2.Устройство по 1, отличающееся тем,что ,между источником
и гибким световодами установлены промежуточные световоды, нап-
ример, из стекловолокна.
13.3. Поглощение и рассеяние света. В предыдущем разделе
явления рассматривались как педположение что среды оптически
однородны и абсрлютно прозрачны для света В действительности
дело обстоит иначе. Процесс прохождения света через вещество -
это процесс поглощения атомами и молекулами энергии электро-
магнитной волны, которая идет на возбуждение колебания элект-
ронов и последующего переизлучения этой энергии в При этом, не
вся энергия переизлучается, часть ее переходит в другие виды
энергии например тепловую. Это приводит к поглощению света с в
зависит от длины волны света и имеет максимумы на частотах,со-
ответющих частотам собственных колебаний электронов в атомах,
самих атомов и молекул (см."Поглощение и излучение света").Ес-
тественно, поглощение зависит от толщины слоя поглощающего ве-
щества.
США, ПАТЕНТ N.3825755. Толщину полимерной пленки измеря-
ют,сравнивая потоки ИК-излучения: отражающего от поверхности
ипрошедшего сквозь пленку , ослабленного за счет поглощения в
слое полимера.
Великобритания, заявка N.1332112. Для определения влаго-
содержания предмета его облучают светом с диной волны , лежа-
щей в области поглощения воды, и измеряют сигнал ослабленного
излучения.
А.С. N 266560. Контролируют процесс сушки по ИК-поглоще-
нию паров растворителя.
Ослабление светового излучения при прохождении через сре-
ду объясняется также и рассеянием света. В случае наличия в
среде оптических неоднородностей переизлучение энергии элект-
ромагнитной волны происходит не только в направлении проходя-
щей волны(пропускание), но и в стороны. Эта часть излучения ,
наряду с дифрагированной, преломленной и отраженной на неодно-
родностях состовляющими, и образует р а с с е я н н ы й свет.
Рассеяние обладает дисперсией. В атмосфере ,например, рассеи-
ваются преимущественно голубые лучи; этим объясняется голубой
цвет неба, в то время как свет , проходящий через атмосферу,
обогащен красными составляющими - красный цвет зорь. При мо-
нохроматическом освещении даже в физически сильно неоднородной
среде рассеяние не происходит при совпадении коэффициентов
преломления компонентов среды. Выбрав компоненты с различными
температурными коэффициентами пре, можно создать оптический
термометр.
А.С. N.253408. Устройство для измерения температуры,со-
держащее измерительный элемент,устанавливаемый на иследуемый
материал, и источник белого света, отличающийся тем,что с
целью расширения интервала измеряемых температур,измерительный
элемент выполнен в виде прозрачной кюветы,заполненой
смесью,оптически неоднородных веществ,соответствующих заданно-
му интервалу температур,показатели педложения которых зависят
от длины волны и температурные коэффициенты показателей пре-
ломления отличаются знаком либо вличиной.
(Показатели преломления компонентов смеси совпадают для
различных длин волн в зависимости от температуры. этом кювета
становится оптически однородной для света с данной длиной вол-
ны,который пройдя через кювету,сообщает ей определенный
цвет,соответствующей определенной температуре.Другие же сос-
тавляющие белого цвета рассеиваются на неоднородностях системы
и через кювету не походят).
Распределение интенсивности света,рассеянного средой по
различным направлениям (и н д е к а т р и с с а рассеяния),
может дать значительную информацию о микрофизических парамет-
рах среды. Такого рода измерения находят применение в биоло-
гии,коллоидной и анилитической химии,составляя предает нефело-
метрических иследований,а также в аэрозольной технике.
Согласно а.с. 172094 определяют параметры капель
жидкости, измеряя характеристики светового излучения,рассеян-
ного на каплях.
Рассеяние наблюдается в чистых веществах. Оно объясняется
возникновением оптической неоднородности, связанный с фуктуа-
циями плотности, наример, тепловыми. Рассеяный свет по некото-
рым направлениям частично поляризован. (см."Анизотроприя и
свет").
13.3.1 Вслучае комбинационного рассеяния света (эффект
МандельштамаЛандсберга-Рамана) в спектре рассеянногоизлучения
кроме линий, характеризующих падающий свет,имеются дополни-
тельные линии (сателлиты), излучение которых является комбина-
цией частот падающего излучения и частот собственных тепловых
колебаний молекул рассеивающей среды.
Согласно патенту США N 3820897 конт содержания загрязне-
ний в большом объеме воздуха производится на основе анализа
характеристического романовского излучения (сателлитов комби-
национного рассеяния),возникающего при рассеянии лазерного из-
лучения на атомах и молекулах загрязнений.
13.4. Испускание и поглощение света.
оПламя излучает свет.Стекло поглощает ультрафиолетовые
лучи. Обычные фразы,привычные понятия.Однако здесь термины
"излучает","поглощает" описывают только внешне,легко наблюдя,
физика этих процессов непосредственно связана со строением
атомов и молекул вещества.
Атом - квантовая система,его внутренняя энергия - это , в
основном , энергия взаимодействия электронов с ядром; эта
энергия согласно квантовым законам,может иметь только вполне
определенные для када и состояния атомов значения. Таким обра-
зом,энергия атома не может меняться непрерывно,а только скач-
ками - порциями,равными разности каких-либо двух разрешенных
значений энергии.
Квантовая система (атом,молекула),получая из вне порцию
энергии возбуждается, т.е. переходит с одного энергетического
уровня вдругой более высокий. В возбужденном состоянии система
не может находится сколь угодно долго; в какой-то момент про-
исходит самопроизвольный (спонтанный) обратный переход с выде-
лением той же энергии. Квантовые переходы могут быть излуча-
тельные и безизлучательные. Впервом случае энергия поглощается
или испускается в виде порции электромагнитного излучения,час-
тота которого строго определена разностью энергий тех уровней,
между которыми происходит переход. В случае безызлучательных
переходов система получает или отдает энергию при взаимодейс-
твиями с другими системами (атомами,молекулами,электронами)
Наличие этих двух типов перходов объясняется оптикоакустичес-
кий эффект Бейнгерова
13.4.1. При облучении газа,находящегося в замкнутом объ-
еме,аомодулированном потоком инфракр.излучения в газе возника-
ют пульсации давления (оптико-аккустический эффект).Его
механизм давольно прост; поглощение инфракр.излучения происхо-
дит с возбуждением молекул газа, обратный же переход происхо-
дит безызлучательно,т.е. энергия возбуждения молекул переходит
в их кинетическую энергию,что обуславливает изменение давле-
ния.
Колличественные характеристики эффекта весьма чувстви-
тельные к составу газовой смеси.Применение оптико-акустическо-
го эффекта для аналей характеризуется простотой и надежностью,
высокой избирательностью и широким диапазоном концнтрацией
компонентов.
Оптико-акустический индикатор педставляет собой неселек-
тивный приемник лучистой энергии,предназначенный для анализа
газов Промудулированный лучистый поток через флюоритовое окно
попадает в камеру с иследуемым газом.Под действием потока ме-
няется давление газа на мембрану микрофона,в результате чего в
цепи микрофона возникают электрические сигналы,зависящие от
состава газа.
Оптико-акустический эффект используется при измерении
времен жизни возбуждения молекул,в ряде работ по определению
влажности и потоков излучения. (см.а.109939, 167072, 208328,
208329). Отметим, что оптико-акустический эффект возможен так-
же в жидкостях и твердых телах.
13.4.2. Атомы каждого вещества имеют свою,только им при-
сущую структуру энергетических уровней,а следовательно,и
структуру излульных переходов,которые можно зарегистрировать
оптическими методами (например,фотографически).Это обстоятель-
ство лежит в основе сного анализа. Так как молекулы - тоже су-
губо квантовые системы,то каждое вещество (совокупность атомов
или мол) испускает и поглощает только кванты определенных
энергиили электромагнитное излучение определенных длин волн)
Интенсивность тех или иных спектральных линий пропорциональна
числу атомов (молекул),излуча( или поглощающих)свет. Это соот-
ношение составляет основу количественного спектрального анали-
за
США,патент N.3820901. Концентрацию известных газов в сме-
си измеряют по пропусканию излучения лазерного источника с
определенной длиной волны. Предварительно облучают монохрома-
тическими излучениями с различными длинами волн каждый из со-
держащихся в смеси газов, концентрация которых известна, и оп-
ределяют коэффициент поглощения каждого газа для каждой длины
волны. Затем при этих длинах волн измт поглощение испытуемой
смеси и, используя полученные величины коэффициента поглоще-
ния,определяют концентрацию каждого газа в смеси. При измере-
ниях с излучением,содержанием большее число длин волн, чем на-
ходится компонентов в газовой смеси,можно обнаружить наличие
неизвестных газов.
Для атомов и молекул спектры излучения будут линейчатыми
и полосатыми соответственно,то же и для спектров поглощения.
Чтобы получить сплошной спектр,необходимо наличие плазмы, т.е.
ионизированного состояния вещества. При онизации электроны на-
ходятся вне атома или молекулы, и, следовательно могут иметь
любые, непрервно меняющиеся,энергии. При рекомендации этих эл-
ктронов и ионов получается сплошной спектр,в котором присутс-
твуют все длины волн.
13.4.3. Возбуждение(повышение внутренней энергии) или ио-
низацияатомов происходят под действием различных причин;в
частности, энергия для этих процессов может быть получена при
нагревании тел. Чем больше температура, тем больше энергия
возбуждения и тем все более короткие волны (кванты с большей
энергией)излучает нагретое тело. Поэтому при постепенном наг-
реве сначала появляется инфракр.излучение (длинные волны),за-
тем красное,к которому с ростом температуры добавляется оран-
жевое,желтое и т.д.; в конце концов получаетссвет Дальнейший
нагрев приводит к появлению ультрафиолетовой компоненты.
США,патент N.3580277. Устройство для непрерывного измере-
ния температуры ванны жидкого металла содержит стержень из
светопроо материала обладающего высокой температурой и корози-
онной стойкостью. Стержень проходит сквозь стенку резервуара и
внутри последнего заделывается в массу свободного от щелочей
окисла с высокой температурой плавления,например окиси цирко-
ния. Конец стержня,находящийся в резервуаре,служит цветовым
пирометром.
Излучательные и безызлучательныепереходы в инфракр. об-
ласти часто используются для процессов и охлаждения (см.ИК-из-
лучение).
А.С. N.509545 Стеклоформирующий инструмент,включающий ме-
таллический корпус с покрытием, отличающийся тем,что с целью
поьности и улучшения качества изделий,покрытие выполнено
двухслойным,причем промежуточный слой выполнен из материа-
ла,поглощающего ближнюю инфракрасную область,например из гра-
фита,а наружный слой - из материала пропускающего в эже облас-
ти спектра,например на основе прозрачной поликристаллической
окиси алюминия.
А.С. N. 451002. Способ измерений коэффициента теплопро-
водности твердых тел,включающий изотермическую выдержку его
охлаждение при постоянной температуре окружающей среды и ре-
гистрацию изменения температуры,отличающийся тем,что с целью
измеренидности частично прозрачных материалов,образец на ста-
дии поглощения помещают в вакуумное пространство и измеряют
энергию,излучаемую поверхностью образца в спектральной области
сильного поглощения.
13.4.4. Излучательные квантовые переходы могут происхо-
дить не только спонтанно,но и вынуждено под действием внешнего
излучения, частота которого согласована с энергией данного пе-
рехода. Излучение квантов света атомами и молекулами вещества
под действием внешнего электромагнитного поля (излучения) на-
зывают вынужденным или и н д у ц и р о в а н н ы м и з л у -
ч е н и е м .
Существенным отличием вынужденного излучения является то,
что оно естьточная копия вынуждающего излучения.Совпадают все
характеристики - частота,поляризация,направление распростране-
ния и фаза. Благодаря этому вынужденное излучение при некото-
рых обстоятельствах может привести к усилению внешнего излуче-
ния, прошедшего через вещество,вместо его поглощения. Поэтому
иначе вынужденное излучение называют о т р и ц а т е л ь н ы м
п о г л о щ е н и е м.
13.4.5.Для возникновения вынужденного излучения необходи-
мо наличие в веществе возбужденных атомов, т.е. атомов, нахо-
дящихся навнях в большей энергией.Обычно доля таких атомов ма-
ла. Для того чтобво усилило проходящее через него
излучение,нужно , чтобы доля возбужденных атомов была вели-
ка,чтобы уровни с большей энергией были "заселены" частицами
гуще,чем нижние уровни. Такое состояние вещества называют сос-
тоянием с инверсией н а с е л е н н о с т е й.
13.4.6.Открытие советскими физиками Фабрикантом,Вудынским
и Бутаевой явления усиления электромагнитных волн при прохож-
дении через среду с инверсией населенностей явилось основопо-
логающим в деле развития оптических к в а н т о в ы х г е н е
р а т о р о в (лазеров) крупнейшего изобретения века.
Стержень из вещества с исскуственно создаваемой инверсией
населенностей , помещенный между двумя зеркалами, одно из ко-
торых полупрозрачно - вот принципиальная схема простейшего ла-
зера.
Оптический резонатор из двух зеркал необходим для созда-
ния обратной связи:часть излучения возвращается в рабочее
тело,индуцируя новую лавину фотонов. Излучение лазера монохро-
матично и котерентно в силу свойств индуцированного излучения.
Области применения лазеров обусловлены, основными харак-
теристиками их излучения,такими как когерентность,монохроман-
тичность,высокая концентрация энергии в луче и малая его рас-
ходимость. Помимо ставших уже традиционными областей
применения лазеров,таких как обработка сверхтвердых и тугоп-
лавких материалов,лазерная связь и лоя медицина и получение
высокотемпературной плазмы,- стали определяться новые интерес-
ные сферы их использования.
Чрезвычайно перспективны разработанные в последнее время
лазеры на красителях, в отличии от обычных позволяющие плавно
изменят частоту излучения в широком диапазоне от инфракрасной
до ултрафиолетовой области спектра. Так, например, предполага-
ется лазерным лучом разрывать или наоборот, создавать строго
определенные связи.
Ведутся работы по разделению изотопов с помощью перестра-
иваимых лазеров. Меняя частоту лазеров, настраивают его в ре-
зонанс с определенным квантовым переходов одного из изотопов и
тем самым переводят изотоп в возбужденное состояние, в котором
его можно ионизировать и, с помощью электрических реакций, от-
делить от других изотопов.
А вот чисто изобретательское применение лазера в качестве
датчика давления:
А.с. 232 194: Устройство для измерения давления с частот-
ным выходом, содержащее упругий чувствительный элемент, запол-
ненный газом и соединенный через разделитель с измеряемой сре-
дой, и частотомер, отличающееся тем, что с целью повышения
точности измерений, в нем в качестве упругог чувствительного
элемента использована резонаторная ячейкагазового квантового
генератора.
В заключении следует отметить, что лазеры являются основ-
ным инструментом последований в новой области физики - нели-
нейной оптике, которая самим своим возникновением полностью
обязана мощным лазерам (см. "Эффекты нелинейной оптики").
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 13.1.1. Г.С.Ландсберг. Оптика, М.,"Наука", 1976 г.
2. Л.Беллами. Инфракрасные спектры молекул, 1957.
3. В.В.Козелкин, И.Ф.Усольцев, "Основы инфракрасной
техники", М.,"Машиностроение", 1974.
4. В.Дитчберн, "Физическая оптика", пер. с англ.,
М., 1965.
5. А.с. 181372, 181824, 251912, 257096, 271532,
282777, 283327, 348498, 427990, 446530, 453664,
486225, 496270, 509416.
США, патенты 3554628, 3558881, 3560738, 3562520,
3796099.
К 13.2 и 13.3:
1. Г.С.Ландсберг, Оптика, М.,"Наука", 1976.
2. Р.Дитчберн, Физическая оптика, пер. с англ.,
М., 1965.
3. С.С.Бацианов, Структурная рефрактометрия, М., 1959.
4. А.с. 269357, 454511, 485076, 517786, 540276.
США, патенты 358864, 3588258, 3824017.
ФРГ ПЕТЕНТ 1249539,
К 13.4: 1. М.Борн, Атомная физика, пер.с англ., М., 1965.
2. М.А.Ельяшевич, Атомная и молекулярная
спектороскопия, М., 1962.
3. А.Н.Зайдин, Основы спектрального анализа,
М., 1965.
4. Квантовая электроника, М., "Советская
энциклопедия", 1969.
5. Б.Ф.Федоров, Оптические квантовые генераторы,
М., 1966.
6. Чернышов и др., "Лазеры в системах связи",
М., 1966.
7. В.В.Козелкин, И.Ф.Усольцев, Основы инфракрасной
техники, М.,"машиностроение", 1974.
8. Б.Лендьел, Лазеры, пер.с англ.,М.,1964.
9. А.с. 239423, 239694, 209638, 208328, 208329,
109939, 167072.
США патенты 3826576,3820897, 3826575, 3588253,
3588439, 3825347, 3588255.
14. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМЕЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.
14.1.1. Фотоэффект.
Явление внешнего фотоэффекта состоит в испускании (эмис-
сии) электронов с поверхности тела под действием света; для
этого явления эксперементально установленные зависимости обь-
единяются квантовой теорией света. Свет есть поток квантов;
кванты света, попадая в вещество, поглощабтся им; избыточная
энергия передается электронами, которые получают возможность
покинуть это вещество - конечно, если энергия кванта больше,
чем работы выхода электрона (см."Электронная эмиссия"). Заме-
тим, что квантовый характер света проявляющийся в явлении фо-
тоэффекта, не следует понимать как отрицание волновых свойств
света; свет есть и поток квантов, и электромагнитная волна -
просто в зависимости от конкретного явления проявляются или
квантовые, или волновые свойства. На основе внешнего фотоэф-
фекта создан ряд фотоэлектронных приборов (фотоэлементы раз-
личного назначения, фотокатоды, фотоумножители и т.д.). Внеш-
ний фотоэффект играет большую роль в развитии электрических
зарядов; фотоэффект в газах определяет распространение элект-
рического заряда в газах при больших давлениях обуславливая
высокую скорость распространения стримерной формы разряда (ис-
кры, молнии) (1-4).
А.с. 488 718: Способ спектрометрии оптического излучения,
отличающийся тем, что с целью упрощения спектральных работ,
спектральный состав излучения определяют по кинетическим энер-
гиям фотоэлектронов генерируемых при фотомонизации атомов и
молекул.
Кроме внешнего фотоэффекта, существует внутренний фотоэф-
фект. Квант света, проникая внутрь вещества, выбивает электрон
переводя его из связанного состояния (в атоме) свободное - та-
ким образом, при облучении полупроводников и диэлектриков
из-за фотоэффекта внутри кристаллов появляются свободные носи-
тели, тока, что существенно изменяет электропроводность ве-
щества. На основе внутреннего фотоэффекта созданы различного
рода фоторезисторы-элементы, сильно изменяющие свое сопротив-
ление под действием света (5,6).
А.с. 309339: Устройство для управления световым лучом,
выполненное ввиде конденсатора между электродами которого зак-
лючен слой вещества изменяющего прозрачность под действием
электрического поля, отличающееся тем, что с целью уменьшения
габаритов, один из электродов конденсатора связанный с источ-
ником управляющей электродвижущей силы выполнен из материала,
обладающего эффектом возникновения фотоэлектродвижущей силы.
А.с. 508828: Пьезоэлектрический преобразователь с опти-
ческим управленим, содержащий фоторезисторный слой, светопро-
вод и металлический электрод, отличающееся тем, что с целью
расширения частотного диавпазона в облать низких мегагерцевых
и высоких килогерцевых частот, он выполнен ввиде пьезокерами-
ческой платины, на одну сторону которой нанесен металлический
электрод, а на противоположную - фоторезисторный слой и проз-
рачный электрод, являющийся одновременно светопроводом.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентиль-
ный фотоэффект - появление э.д.с. в месте контакта двух полуп-
роводников (или полупроводника и металла). Основное применение
вентильных фотоэлементов - индикация электромагнитного излуче-
ния.
На основе вентильного фотоэффекта работают также солнеч-
ные батареи. Одним из приборов работающих на вентильном фото-
эффекте, является фотодиод, обладающий многими преимуществами
по сравнению с обычными фотоэлементами (7).
А.с. 475719: Устройство для регулирования напряжения
электромагнитных генераторов содержащее датчик тока, ввиде
шунта в цепи его нагрузки и импульсный транзисторный усили-
тель, ко входу которого подключены последовательно стабилиза-
торон с ограничивающим резистором и формирователь пилообразно-
го напряжения, к выходу обмотка возбуждения генератора,
отличающееся тем, что с целью повышения надежности и точности
регулирования параллельно упомянутому шунту включен светодиод
одноэлектронной пары, фотодиод который через цепь подпитки
подключен параллельно огрничивающему резистору.
14.1.2. Эффект Дембера (фотодиффузный эффект).
Внесобственных полупроводниках коэффициенты диффузий но-
сителей тока (электронов и дырок) различные. Таким образом,
если какой-то части проводника фотоактивное освещение создает
одинаковое число электронов и дырок, то диффузия этих носите-
лей будет происходить с разной скоростью, в результате чего в
кристалле возникает э.д.с. (1).
14.1.3. Фотопьезоэлектрический эффект.
Обеспечить различие подвижности фотоэлектронов и фотоды-
рок в полупроводнике можно каким-либо внешним воздействием.
Так, при одностороннем сжатии освещенного полупроводника на
грани кристалла, перпендикулярно направлению сжатия, возникает
э.д.с., знак которой зависит от направления сжатия и направле-
ния светового потока, а величина пропорциональна давлению и
интенсивности света. Эффект возникает из-за того, что подвиж-
ности разноименных носителей тока, обусловленных внутренним
фотоэффектом, при упругой деформации кристалла становятся не
одинаковыми по отношению к различным направлениям (3).
14.1.4. Эффект Кикоина-Носкова (фотомагнитный эффект).
Суть эффекта состоит в возникновении электрическго поля в
полупроводнике при перемещении его в магнитное поле и одновре-
менном освещении светом, в составе которого имеются сектраль-
ные линии, сильно поглощаемые полупроводником. При этом воз-
никшее электрическое поле перпендикулярно магнитному полю и
направлению светового потока. Величина света магнитной э.д.с.
пропорциональна магнитной индукции и интенсивности светового
потока. Эта пропорциональность нарушается при брльших освещен-
ностях, когда происходят "насыщения". Механизм эффекта таков:
В результате внутреннего фотоэффекта вблизи освещенной
поверхности полупроводника в избытке образуются электроны и
дырки, которые диффудируют вглубь кристалла. Продольный диффу-
зионный ток под действием поперечного магнитного поля отклоня-
ется и расщепляется, что приводит к возникновению поперечной
э.д.с.
14.2. Фотохимические явления.
Виды воздействия светового излучения на вещество весьма
разнообразны. В частности, под действием света могут происхо-
дить реакции химических превращений веществ (фотохимическая
реакция). Одни из этих реакций приводя к образованию сложных
молекул из простых (например, образование хлористого водорода
при освещении смеси водорода и хлора), другие - к разложению
молекул на составные части (например, фотохимеческое разложе-
ние бромистого серебра с выделением металлического серебра и
брома), в результате третьих молекула не изменяет своего сос-
тава, изменяется лишь ее пространственная конфигурация, приво-
дящая к изменению ее свойств (возникают тереоизомеры).
Фотохимические процессы вызываются только поглащаемым
светом, действующим на движение валентных электронов в атомах
и молекулах. В основе таких процессов лежит явление фотоэффек-
та.
Многие фотохимические превращения идут в два этапа. Пер-
вичный процесс характеризуется изменением молекулы под дейс-
твием поглощенного ею кванта света - это собственно фотохими-
ческая реакция. Во всех вторичных процессах мы имеем дело с
сугубо химическими реакциями продуктов первичных реакций. Так
при образовании хлористого водорода первичным является лишь
расщепление молекулы хлора, поглотившей квант света, на ато-
марный хлор, который далее через день вторичных химических ре-
акций приводит к образованию конечного продукта. Для первичных
процессов справедлив закон эквивалентности. Каждому поглощен-
ному кванту света соответствует превращение одной поглотившей
свет молекулы. В общем случае количество химически прореагиро-
вавшего вещества пропорционально поглощенному световому потоку
и времени его воздействия. Величина коэффициента пропорцио-
нальности определяется природой вторичных процессов.
Фотохимическую реакцию может вызвать лишь излучение, энер-
гия кванта которого больше энергии активации молекулы. Этим
обьясняется повышение фотохимеческой активности ультрафиолето-
вого излучения.
Следует отметить, что фотохимеческими процессами обьясня-
ются многие природные явления, такие как синтез углеводов
листьв в листьях растений или чувствительность глаза к свето-
вому излучению.
Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра (и
других его коллоидных солей) использована для получения фотог-
рафических изображений. Изображение представляет собой локаль-
ные почернения фотоматериала из-за выделившихся под действием
отраженного от обьекта света частичек серебра.
14.2.1. К фотохимическим явлениям относится и так называ-
емый фотохромный эффект, который состоит в следующем.
Некоторые химические вещества обычно со сложным строением
молекулы, изменяют свою окраску под действием видимого или
ультрафиолетового излучения. В отличии от обычного выцветания
красок этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутс-
твие таковой восстанавливается через некоторое время в темно-
те, под действием излучения другой частоты или при нагревании.
Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго,
если охладить фотохромное вещество или обработать его некото-
рыми газами, фотохромизм восстанавливается при соответсвующей
вторичной обработке.
Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не
только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но
и от среды в которую оно может быть введено (стекло, керамика,
жидкость, пластмасса, ткань и др.).
Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным
светом могут темнеть, причем их "быстродействие" достигает
несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные
тела как светохатворы для защиты глаз или светочувствительных
приборов от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть воз-
можность использовать их как регуляторы светопропускания в за-
висимости от интенсивности света.
Фирма "Корнинг Гласс" выпустила светозащитные очки с фо-
тохромными стеклами, изменяющими степень светопропускания в
зависимости от интенсивности потока ультрафиолетовых лучей.
А.с.267 967: Устройство для представления информации в
трехмерной форме, отличающееся тем, что с целью улучшения сте-
реоскопического восприятия трехмерных изображений и упрощения
устройства оно содержит три параллельных ряда плоских панелей,
на противоположных концах которых нанесены изготовленные из
фотохромного материала активные зоны одна из которых служит
для просмотра изображения, а другая - для обработки информа-
ции, причем все панели установлены на разной высоте на трех
осях вращения, сдвинутых относительно друг друга на 120 граду-
сов.
2. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что над каж-
дой из фотохромных информационных панелей в зоне, противопо-
ложной зоне просмотра, установлена матричная излучающая па-
нель.
3. Устройство по пункту 1, отличающееся тем, что к каждой
из панелей подведена линейка волоконных световодов связанных с
источником импульсов излучения активизирующего фотохромный ма-
териал.
Патент США 3 558 802: Устойчивое фотохромное воспроизво-
дящее устройство, предназначенном для работы с плекой покрытой
фотохромным материалом, содежащим сахарин, имеется центральная
камера, в которой находится электроннолучевая трубка. На нор-
мальной прозрачной пленке образубтся непрозрачные участки об-
ратимого изображения соответствующего изображению на экране
электронно-лучевой трубки. При обработки пленки двуокисью се-
ры, находящейся в газообразном состоянии, проэкспонированные
участки фотохромного материала остаются непрозрачными. После
этого газ откачивается и камеру подается тепловое излучение,
обращающее те обработанные газообразной двуокисью серы участ-
ки, которые были прозрачными во время экспонирования. Участки
пленки, временно сделавшиеся не прозрачными под воздействием
изображения, проявляющегося на экране электронно-лучевой труб-
ки, постоянно фиксируются. В состав конструкции устройства
входит камера для ввода пленки и камера для вывода пленки ,
связанные с вакуумной откачивающей системой. Выходящая из
центральной камеры двуокись серы в газообразном состоянии за-
сасывается вакуумной откачной системой и не попадает в атмос-
феру.
14.2.2. В основе фотохимических процессов лежит взаимо-
действие излучения с электронами вещества. Это преполагает на-
личие возможности управлять ходом фотохимической реакции воз-
действие электрического поля. Возможно, что природа недавно
открытого фотоэлектрического эффекта обьясняется стимуляцией
фотохромного эффекта электрическим полем. Эффект состоит в
следующем: На тонкую прозрачную пластину керамики с включением
железа, свинца лантана, цикония и титана, помещенную в посто-
янное электрическое поле, перпендикулярное ее поверхности,
проектируют негативное изображение видимых и ультрафиолетовых
лучах. При этом в пластине появляется видимое позитивное изоб-
ражение здесь наблюдается интересная особенность: При измене-
нии направления поля на обратное, изображение из позитивного
становится негативным. Изображение устойчиво и стирается лишь
при равномерном облучении ультрафиолетовыми лучами с одновре-
менной переполюсовкой поля.
Американские специалисты открывшие этот эффект предпола-
гают его использовать в утройствах для хранения визуальной ин-
формации.
Л И Т Е Р А Т У Р А
к 14.1.1. С.Ю.Лукьянов, Фотоэлементы, М-Л, 1968.
2. С.Таланский, Революция в оптике, М.,"Мир",1971.
3. А.В.Соколов, Оптические свойства металлов, М.,1961.
4. А.Н.Арсеньева-гейль,Внешний фотоэффект с полупровод-
ников и диэлектриков, М.,1957.
5. Р.Бьюб,Фотопроводимость твердых тел,М.,1962.
6. С.М.Рывкин, Фотоэлктрические явления в полупровод-
никах, М.,1963.
7. А.М.Васильев и др., Полупроводниковые преобразова-
тели, М.,"Соврадио",1971.
к 14.2.1. Г.С.Ландсберг,"Оптика", М.,"Наука",1976.
2. Б.Баршевский,Квантовооптические явления, М.,
"Высшая школа",1968.
3. Фотоферроэлектрический эффект,"Техника молодежи"-5,
1977.
15. ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ.
Люминесценцией называется излучение, избыточное над теп-
ловым излучением тела, и имеющее длительность, прерывающую пе-
риод световых колебаний. Люминесценция возникает при возбужде-
нии вещества за счет притока энергии, и в отличии от других
видов "холодного" свечения (например, излучение Вавилова-Чер-
никова), продолжается в течении некоторого времени после прек-
ращения возбуждения (1,2).
О продолжительности после свечения выделют флуоресценцию
(менее 10 сек.) и фосборесценцию; последнее продолжается в за-
метный промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 сек.
до нескольких часов).
Способность люминесцировать обладает большая группа, га-
зообразных, жидких и твердых веществ, как органических так и
неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции
существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества
и типа возбуждения.
Люминофоры являются своеобразными преобразователями энер-
гии из одного вида в другой; на входе это может быть энергия
электромагнитного излучения, энергия ускореннго отока частиц,
энергия химических реакций или механическая энергия, - любой
вид энергии, кроме тепловой, - на выходе - световое излучение.
Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих
видов энергии, возбуждаются, т.е. перходя на более высокие
энергетические уровни по сравнению с павновесным состоянием, и
затем самопроизвольно совершают обратный переход излучая избы-
ток энергии ввиде света. Способ возбуждения лежит в основе
классификации различных видов Люминесценции.
15.1. Люминесценции, возбуждаемая электромагнитным излу-
чением.
15.1.1. Фотолюминесценция - свечение возникающее при пог-
лощении люминофором ИК, видимого или УФ-излучения. Спектр пог-
лощения и излучения люминофоров связаны правилом Стокса-Люмиа-
ля, согласно которому максимум спектра излучения смещен по
отношению к максимуму спектра поглощения в сторону длинных
волн (например, при облучении ультрафиолетом люминофор излуча-
ет видимый свет).
А.с. 331 271: Способ контроля геометричности сварных из-
делий с помощью люминофора, при котором изделие направляют
ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению лю-
минофора, отличающийся тем, что с целью повышения производи-
тельности путем осуществлениЯ контроля непосредственно в про-
цессе сварки, люминоформную суспензию наносят на внутреннюю
поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качестве
источника УФ-лучей используют сварочную дугу.
А.с. : Способ количественного определения горечи (кукур-
битационов) в огурцах, включиющий взятие образцов экстрогиро-
вание спиртом и определение кукурбитационов, отличающееся тем,
что с целью ускорения процесса, экстракт облучают ультрафиое-
товым светом измеряют интенсивность вторичного свечения и ко-
личество кукурбитационов, определяют по показаниям прибора и
калибровочному графику.
Наиболее широко фотоЛюминесценция применяется в лампах
дневного света. В них свечение люминофора происходит под дейс-
твием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной
части лампы ( в связи с наличием паров ртути).
15.1.2. Однако есть исключение из правила Стокса-Люмеля -
это так называемые, антистоксовские люминофоры, которые при
возбуждении в ИК-области спектра излучают в видимой области.
Применение этих люминофоров связано с преобразованием ИК-
излучения в видимое например, для визуализации излучения
ИК-лазеров, для создания лазеров видимого диапазона с ИК-на-
качкой, а светодиодов.
15.1.3. РентгеноЛюминесценция. Специфика возбуждения
рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовзбуждением, состоит
в том, что на люминофор воздействуют фотоны со значительно
большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не
непосредственым действием самих рентгеновских лучей, в воз-
действием электронов, выраваемых из основы люминофора рентге-
новскими лучами. Вследствие этого ретгеноЛюминесценция имеет
многие общие черты с катодоЛюминесценцией (3).
Основное применение - в экранах для рентгеноскопии и
рентгенографии.
15.2. Люминесценция, возбуждаемая корпусным излучением.
15.2.1. КатодоЛюминесценция - возбуждается воздействием
на люминофор потока электронов. Основное применение - визуали-
зация электронного изображения на экранах телескопов телевизо-
ров, осцилографов и других подобных приборов, а также элект-
роннооптических преобразователей (3).
15.2.2. ИоноЛюминесценция - свечение возникающее при бом-
бардировке люминофора пучком ионов.
При ионоЛюминесценции, также как при катодоЛюминесценци,
энергия возбуждения поглощается в тонком приповерхностном слое
люминофора, поэтому здесь оказывает состояние поверхности, в
частности, хемосороция различных газов (см."Сороция")(3,4).
15.2.3. РадиоЛюминесценция. Для создания самосветящихся
красок постоянного действия, не нуждающихся в поточниках внеш-
него возбуждения, в люминофор вводят радиоактивные изотопы
продукты распада которых (например, альфа и бетта частиц) воз-
буждают в нем свечение. Время в течении которого люминофор из-
лучает свет, определяется периодом полураспада изотопа (десят-
ки лет). РадиоЛюминесценция все более широко применяется в
дозиметрии радиоактивных излучений (3).
15.3. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем
(5).
15.3.1. ЭлектроЛюминесценция (эффект Дестрио). Многие
кристаллические порошкообразные люминофоры, помещенные в кон-
денсатор, питаемый переменным напряжением 100-220 В. с часто-
той 400-3000 Гц. начинают интенсивно Люминесцировать. Спект-
ральный состав и интенсивность излучения существенно зависят
от частоты возбуждения. Некоторые люминофоры излучают и при
возбуждении постоянным электрическим полем (5).
А.с. 320710: Система для измерения распределения давления
на поверхности модели летательного аппарата, содержащая чувс-
твительный э.лемент, оптическое сканирующее устройство и фото-
электрический регистратор, отличающийся тем, что с целью обес-
печения возможности непрерывного измерения профиля давления на
исследуемой поверхности вдоль заданной линии, в ней чувстви-
тельный элемент выполнен ввиде электролюминесцентного конден-
сатора, одна обкладка которого образована поверхностью метал-
лической модели, а другая - прозрачным электропроводящим
слоем, между которыми нанесен электролюминесциновый слой и
слой диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого зави-
сит от давления, например, слой эпоксидной смолы.
Основная область применения электролюминесценсии - инди-
каторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображе-
ния. Применение электролюминофоров считают перспективным для
создания телевизионных экранов.
15.3.2. Инжекционная электролюминесценция (эффект Лосе-
ва). Свечение возникает под действием зарядов, инжектируемых в
полупроводниковые кристаллы. При пропускании тока через полуп-
роводниковый диод в области перехода инжектируются избыточные
носители тока (электроны и дырки), рекомендация которых сопро-
вождается оптическим излучением (3).
Широкое применение основанных на этом эффекте светодиодов
обусловленно следующими их особенностями: высокая надежность
(срок службы 10 в шестой степени часов), малое энергопотребле-
ние (1,5-30 В, 10 мА), малая инерционность (10 в минус девятой
степени сек.), высокая яркость свечения в зеленой, красной и
инфракрасной областях спектра.
А.с. 245 892: Устройство для регистрации электрических
сигналов на фотопленку, содержащее источник электрических сиг-
налов, измерительный механизм и механизм протягивания пленки,
отличающийся тем, что с целью повышения надежности и упрощения
конструкции, в нем измерительный механизм выполнен ввиде по-
лупроводникового электролюминесцентного преобразователя, сос-
тоящего из кристалла полупроводника с широкой запрещенной зо-
ной, содержащего p-n-переход и контакты с выводами, служащими
для пропускания тока электролюминесценции и тока управления
площадью свечения.
15.4. Люминесценция возбуждаемая за счет энергии химичес-
ких реакций, называется хемилюсценцией (4). Этим видом люми-
несценции обьясняется свечение гнилушек, светлячков, многих
глубоководных рыб.
Хемилюсценция использована фирмой "Ремингтон Армс" для
создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии
кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.
15.4.1. Частным случаем хемилюсценции является радиокало-
люминесценция - излучение вещества-катализатора при адсорбции
и рекомендации на его поверхность свободных атомов или радика-
лов в молекулы (см."Сорбция")
США патент 3 659 100: Способ анализа загрязнения атмосфе-
ры окисями азота и серы основанный люминесценции между люмино-
фором и перикисью водорода. В качестве люминофора используется
5-амино-2,3 дигидро-4-фтолозин-диол.
15.4.2. Если источником радикала служит пламя, то свече-
ние называют кандолюминесценцией. Для возникновения кандолюми-
несценции необходим контакт пламени с люминофором, при этом он
не должен сильно нагреваться.
15.5. Источником возбуждения люминесценции может служить
и механическая энергия. Такой процесс называют механо или три-
болюминесценцией. Чаще всего возникает при трении или ударе
двух тел, сопровождающихся их разрушением (так сахар при рас-
калывании иногда светится)
А.с. 275 497: Способ излучения структурных превращений
полимерных материалов по интенсивности и характеру люминесцен-
ции, отличающийся тем,что с целью упрощения и повышения точ-
ности, оценивают интенсивность и характер механолюминесценции,
возбуждаемой при механической деформации и разрушении полимер-
ных материалов.
15.6. Радиотермолюминесценция (РТЛ). Оказалось, что если
сильно охлажденный образец вещества преварительно облученный
гамма-лучами, альфа-частицами или электронами, постепенно наг-
ревать, то он начинает интенсивно светиться.Практически все
вещества могут таким образом "накапливать" в себе свет и долго
сохранять его. И лишь при нагреве свет как бы "оттаивает", -
начинается рекомбинация "замороженных" электронов, сопровожда-
емая световым излучением. Цвет свечения постепенно меняется,
изменяется также и его интенсивность. При этом пики интенсив-
ности соответствуют температурам структурных переходов, что
особенно заметно у различных полимеров. Даже незначительные
изменения структуры вещества: повышение степени кристалличнос-
ти, изменение взаимного расположения макромолекул, существенно
влияют на характер свечения. РТЛ весьма чувствительна к меха-
ническим напряжениям в полимере. (см.18.7).
Все это позволило создать на основе РТЛ простые и точные
методики анализа структуры, излучения степени однородности
смесей, исследования деформационных свойств и других характе-
ристик полимеров, причем для анализа достаточно образца весов
в сотые доли милиграмма.
15.7. Интересной особенностью люминесценции, возбуждаемой
каким-либо источником энергии, является усиление свечения при
воздействии другого источника энергии. Происходит так называе-
мая стимуляция люминесценции. Стимулирующие воздействия могут
оказывать изменения температуры, видимое, ИК и УФ-излучение,
электрическое поле, присутствие некоторых газов и т.д. Стиму-
ляция люминесценции электрическим полем называется эффектом
Гуддена-Поля. (6).
А.с. 286 100: Способ получения изображения, состоящий в
том, что люминесценный экран равномерно облучают ультрафиоле-
товым светом, проектируют на экран изображение в инфракрасном
свете, фиксируют свечение экрана на светочувствительном мате-
риале, отличающийся тем, что с целью расширения области чувс-
твительности, одновременно с облучением ультрафиолетовым све-
том прикладывают к экрану электрическое поле, и после
проектирования изображения подают переменное напряжение на эк-
ран, причем люминофор, из которого изготовлен экран, должен
обладать эффектом Гуддена-Поля.
15.8. Факторы, стимулирующие люминесценцию, при опреде-
ленных условиях могут дать обратный эффект, т.е. уменьшить ин-
тенсивность свечения или совсем прекратить его. Это явление
называют уменьшением люминесценции. Повышение температуры, из-
менение влажности, ИК-облучение, электрическое поле, изменение
внешнего давления, наличие некоторых газов - все эти факторы
могут привести к тушению люминесценции. Так, например, при-
сутствие кислорода, бензохинона или йода уменьшает интенсив-
ность фотолюминесценции, в тоже время как присутствие молекул
воды увеличивает ее; наличие электрического поля, перпендику-
лярного поверхности люминофора, тушит радикалолюминесценцию,
изменение же направления поля на обратное усиливает свечение
(3),(4).
А.с. 510 186: Способ выделения жизнесопособных семян рас-
тений, включающий отбор семян по люминесценции, отличающийся
тем, что с целью сохранения целостности семян, их обрабатывают
ослабляющими люминесценцию веществами, выбранными из группы,
включающей и с последующим отбором семян, имеющих пониженную
интенсивность свечения.
Великобритания, акц. заявка 1 327 839: Прибор для непре-
рывного определения концентрации кислорода или кислородосодер-
жащих соединений в потоке газа. Определение осоновано на спо-
собности указанных веществ гасить фотолюминесценцию, например,
плена или овалена.
15.9. Поляризация люминесценции. Излучение люминесценции
при некоторых условиях может быть поляризованным (обычно это
линейная поляризация, очень редко - циркулярная). (см."Поляри-
зация", "Анизотропия и свет").
Для поляризации люминесценции необходимо, чтобы люминофор
обладал либо собственной, либо наведенной анизотропией. Поля-
ризованные люминофоры получаются при механических растяжениях
полимерных пленок, "Пропитанных" анизотропными люминосцензиру-
ющими молекулами. Искуственную ориентацию таких молекул можно
вызвать также с помощью сильных электричеких и магнитных полей
или же в потоке жидкости (аналогично эффекту Маховелла). В
случае фотолюминесценции ее поляризация обнаруживается при
возбуждении поляризованным светом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Люминесценция, в книге "Физический энцеклопидический сло-
варь" т.3,М.,1963.
2. С.И.Вавилов, О "горячем" и "холодном" свете,
М., "Знание",1959.
3. В.А.Соколов, А.Н.Горбань, Люминесценция и адсорбция, М.,
"Наука",1963.
4. Неорганические люминофоры, Л.,"Химия", 1975.
5. И.К.Верищагин, Электролюминесценция кристалов, М., "Наука",
1974.
6. П.Ребань, Люминесценциям издание Тартусского университета,
1968.
7. А.с. 179072, 180859, 181823, 186366, 187080, 227805,
232500, 232548, 234710, 256332, 257052, 274486, 276495,
280979, 288482, 340966, 512452, 525910, 526072.
США патенты 3261979, 3561271, 3562525, 3566114.
16. АНИЗОТРОПИЯ И СВЕТ.
Превращение естественного света в поляризованный и изме-
нение типа поляризации (см."Поляризация") при различных опти-
ческих явлениях почти всегда связаны с оптической анизотропией
вещества, т.е. с различием оптических свойств по различным
направлениям. Оптическая анизотропия является следствием ани-
зотропии структуры и вещества. Создавать или менять анизотро-
пию структуры и вещества можно воздействием самых различных
факторов (деформация, электрическое поле и т.д.). Этим и обь-
ясняется разнообразие эффектов, так или иначе влияющих на по-
ляризацию светового излучения.
В ряде таких эффектов поляризация света происходит без
дополнительного воздействия на вещество. Так, например, ес-
тественный свет, отраженный под углом Брюстера, полностью ли-
нейно поляризованный (см."Отражение и преломление"), а право-
циркулярно-поляризованный свет при перпендикулярном отражении
от стеклянной пластинки превращается в левоциркулярно-поляри-
зованный.
16.1. На границе анизотропных прозрачных тел (в первую
очередь кристаллов) свет испытывает двойное лучепреломление т.
е. расцепляется на два взаимно-перпендикулярно поляризованных
луча, имеющие различные скорости распространения в среде -
обыкновенный и необыкновенный. Первый из них поляризован пер-
пендикулярно оптической оси кристалла и распространяется в нем
как в изотропной среде. Второй луч поляризован в главной плос-
кости кристалла и испытывает на себе все "превратности анизот-
ропии". Так его коэффицент преломления изменяется с направле-
нием, он преломляется даже при нормальном падении на кристалл.
Так происходит двулучепреломление в одноосных кристаллах.
В случае двуосных кристаллов картина расщепления несколько
сложнее (1-3,6,7,).
Эффект двойного преломления положен Николем в основу
изобретенной им поляризационной призмы. Он использовал разли-
чие показателей преломления обыкновенного и необыкновенного
лучей, создав для одного из них условия полного внутреннего
отражения, после которого этот луч, изменив свое направление,
поглощается зачерненной боковой гранью призмы. Другой луч пол-
ного внутреннего отражения не испытывает и проходит сквозь
призму, а так как это полностью поляризованный луч, то на вы-
ходе призмы получается полностью линейно-поляризованный свет.
16.2. Механо-оптические явления.
Здесь рассматривается ряд эффектов, приводящих к возник-
новению оптической анизотропии под действием механических сил.
16.2.1. Фотоупругость - так называется возникновение в
изотропных прозрачных твердых телах оптической анизотропии и
связанного с ней двойного лучепреломления под действием меха-
нических нагрузок, создающих в твердых телах деформации.
При пропускании луча света через такое , пре, тело возни-
кает два луча и различной поляризации,интерференция между ко-
торыми приводит к образованию интерференционной картины, вид
кот позволяет судить о величинах и распределении напряжений в
теле или же об изменениях структуры вещества. Поскольку опти-
чеспия обусловлена именно нарушениями первоначальной изотроп-
ной структуры вещества, то эффект фотоупругости позволяет ви-
зуализировать как упругие деформации, так и остаточные, а это
значит , что о деформациях и нагрузках можно судить и после
снятия этих нагрузок.
Фотоупругость наблюдается и в кристаллах, т.е. в вещест-
вах , уже обладающие анизотропией свойства. При этом изменяет-
ся характер анизотропии: например, в одноосном кристалле может
возникнуть двойное преломление в направлении его оптической
оси,вдоль которой он первоначально изотропен.
Эффект фотоупругости - один из самых тонких методов изу-
чения структуры и внутренних напряжений в твердых телах (4)
А.С. N.249025: Способ оценки распределения контактных
напряжений по величине деформации пластичной прокладки, распо-
лагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями,
отличающийся тем,что с целью повышения точности,в качестве
пластичной прокладки используют пленку из оптически чувстви-
тельного материала, которую затем просвечивают поляризованным
светом в направлении действия контактных сил и по картине по-
лос судят о распределении контактных напряжений.
А.С. N.226811
Франция,заявка N.2189705
Япония,заявка N.49-16676.
США. патент N.3800594
16.2.2. Э ф ф е к т М а к с в е л л а .
Так называют возникновение
оптической анизотропии (двойного лучепреломления) в потоке
жидкости. Этот эффект обусловлен двумя причинами: преимущест-
венно ориентации частиц жидкости или растворенного в ней ве-
щества (полной ориентации мешает броуновское движение)и их де-
формацией, которые возникают под действием гидродинамических
сил при относительном смещении прилежащих слоев жидкости, т.е.
при наличии градиента скорости по сечению потока.В основном
возникновение градиента скоростей в потоке определяется тормо-
зящим воздействием стенок (например,трубы). Относительная роль
ориентации и деформации частиц различна в различных жидкостях
и зависит от свойств и структуры молекул: в случае длинных
анизотропных частиц и молекул основную роль играет ориентация,
для глобулярных изотропных - больший вклад дает информа-
ция,т.к. ориентация таких частиц в потоке незначительна.По су-
ти дела,эффект Максвелла - это вариант эффекта фотоупругости
для жидкостей. Отсутствие в жидкости напряжений упругой дефор-
мации компенсируется ее "динамизацией" ,приведением ее в дви-
жение,что создает деформацию отдельных молекул.
Величина эффекта Максвелла зависит, в частности от формы
и размеров частиц,что позволяет использовать его для измерения
этих величин. (5)
Практическое применение эффекта в основном лежит, в об-
ласти тонких иследований фиологических объектов,таких,как оп-
ределение размеров ряда вирусов,изучение структуры многих бел-
ковых молекул и др.
16.3. Электрооптические явления.
Так называют явления связанные прохождением света через
среды, помещенные в электрическом поле.
16.3.1. Электрооптический эффект Керра.
Многие изотропные
вещества, помещенные в электрическое поле, приобретают свойс-
тва одноосных кристаллов, т.е. обнаруживают оптическую анизот-
ропию, приводящую к двойному лучепреломлению света, проходяще-
го через вещество перендикулярно направлению поля. При этом
величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату
напряженности поля и ее знак не меняется при изменении направ-
ления поля на обратное. (другие названия эффекта: квадратичный
электрооптический эффект, поперечный эл. опт. эффект).
Величина эффекта зависит от вещества, его температуры и
длины волны света. В газах эффект Керра мал, а в жидкостях его
величина гораздо больше. Аномально сильно он проявляется в
нитробензоле и подобных ему жидкостях.
Наиболее часто указанный эффект реализуется в т.н.электро-
оптических затворах Керра. Прозрачную кювету с электродами для
создания поля, заполненную нитробензолом, помещают между скре-
щенными поляризатором и анализатором таким образом, что нап-
равление поля составляет угол 45 градусов с их главными плос-
костями поляризации. Если поле отсутствует, такое устройство
не прозрачно для света. При наложении поля, линейно поляризо-
ванный свет при прохождении через кювету расцепляется на два
перепендикулярно поляризованных луча, имеющих в пределах кюве-
ты различные скорости распространения. При этом между ними
возникает разность фаз, что приводит к эллиптической поляриза-
ции света, вышедшего из кюветы. При этом часть его проходит
через анализатор. Затвор открыт (6). Высокая скорсть срабаты-
вания такого затвора (10 в минус 11 степени сек.) обусловило
его применением в исследованиях быстропротекающих процессов и
для высокочастотной (до 10 в 9 степени Гц) модуляция оптичес-
ких сигналов. Применение эффекта дает хорошие результаты и в
том случае, когда требуется безинерционное пространственная
модуляция света (отклонение луча, его расщепление и т.п.).
Взаимосвязь через эффект Керра двух полей - электрического и
оптического - позволяет применять его для дистанционного изме-
рения электрических величин оптическими методами.
Еще два примера применения эффекта Керра:
А.с. 235 350: Оптическая система с управляемым фокусным
расстоянием, отличающийся тем, что с целью безинерционного из-
менения фокусного расстояния она выполнена ввиде цилиндричес-
кого рабочего тела из вещества, обладающего электрооптическим
эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конден-
сатора, электрическое поле которого создает такое распределе-
ние показателя преломления в веществе рабочего тела, что пада-
ющий на его торец параллельный пучек света собирается в
фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложен-
ного конденсатору напряжения.
А.с. 464 792: Устройство для измерения температуры содер-
жащее источник света, пластины из матированного прозрачного
материала, пространстве между которыми заполненно жидкостью с
близким поастинам показателем преломления и различным по знаку
или величине температурным коэффициентом показателя преломле-
ния, отличающееся тем, что с целью расширения диапазона изме-
рений, в него введены, прозрачные электроды, выполненные, нап-
ример, на основе пленок окиси олова, нанесенные снаружи на
плстины, подключенные к истичнику питания, а в качестве жид-
кости заполняющей пространство между пластинами использован
нитробензол.
Значительным квадратинным электрооптическим эффектом обла-
дают и некоторые кристаллы (КТ Ват )
А.с. 497 547: Способ углового отклонения светового луча,
преломленного на границе раздела двух сред путем изменения по-
казателя преломления одной или обеих сред с использованием
электрооптического эффекта, отличающийся тем, что с целью уп-
равления углом отклонения, достижения при малой инерционности
и быстродействия плоско-поляризованный луч света направляют на
крисчталлы, которые размещают в переменном по знаку и величине
электростатическом поле т ориентируют таким образом, что глав-
ные оси сечений их оптических индикаторисс нормальными к лучу
плоскостными совпадают с направлениями колебаний поляризован-
ного света и изменяются на разные по знаку величины при нало-
жении электростатического поля на оба кристалла.
Эффект Керра, вызванный электрическим полем световой волны
называется высокочастотным. Он проявляется в том, что для мощ-
ного излучения показатель преломления жидкости зависит от ин-
тенсивности света т.е. среда становится нелинейной, что для
интенсивных лазерных пучков приводит к самофокусировке (см.
эффекты нелинейной оптики)(6).
16.3.2. ЭФФЕКТ ПОККЕЛЬСА.
Возникновение двойного лучепреломления в кристалле при на-
ложении электрического поля в направлении распространения све-
та называется эффектом Поккальса. При этом величина разности
фаз расщепленных лучей пропорциональна первой степени напря-
женности поля (линейный электрооптический эффект, а также про-
дольный электрооптический эффект). Наиболее ярко эффект реали-
зуется в кристалле дигидрофосфата калия (КДР).
Эффект Поккельса по сравнению с эффектом Керра имеет мень-
шую зависимость от температуры. Применение этих эффектов ана-
логичны (затворы вращатели плоскости поляризации, индикаторы
электрического поля, модуляторы света).
А.с. 440 606: Оптико-электронное устройство для измерения
мощности, содержащее монохротический источник излучения, маг-
нитооптическую ячейку Фарадея с поляризатором и анализатором,
фотоприемник и усилитель с нагрузкой в выходной цепи, отличаю-
щийся тем, что с целью повышения точности измерения, оно снаб-
жено последовательной цепочкой элементов состоящей из чет-
вертьволновой пластины, электрооптической ячейки Поккельса и
дополниельного анализатора, установленной между анализатором
ячейки Фарадея и фотоприемником.
А.с. 398 153: Модулятор света, включающий в
полупроводниковую структуру генерирующую в домены сильного по-
ля, боковая поверхность или часть боковой поверхности, которая
покрыта диэлектриком, отличающийся тем, что с целью расширения
частотного диапазона модулируемого излучения, уменьшение по-
терь и увеличение коэффициента модуляции, диэлектрическое пок-
рытие выполнено из материала с константой электрооптического
эффекта большей, чем у материала полупроводниковой структуры.
16.4. Магнитооптические явления.
К ним относят группу явлений,
связанных с прохождением электромагнитного излучения через ве-
щества помещенные в магнитном поле.
16.4.1. Эффект Фарадея.
Если линейно-поляризованный свет
проходит через вещество помещенное в магнитное поле, вектор
напряженности которого совпадает с напряжением распространения
света, то плоскость поляризации света поварачивается на неко-
торый угол. Этот угол пропорционален длине пути света в ве-
ществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату
длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно
изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. особенно
сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа,
никеля и кобальта. При прохождении света в прямом и обратном
направлении углы поворота вследствии эффекта Фарадея не ком-
пенсируются, а суммируются, в отличии от естественного враще-
ния поляризации в некоторых веществах. Диамагнетики в магнит-
ном поле всегда обнаруживают положительное вращения (т.е.
вращение по часовой стрелке, если смотреть по направлению по-
ля), пара и ферромагнетики - отрицательные.
А.с. 491 916: Позиционно-чувствительный датчик с магнито-
оптической модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и
ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чевс-
твительности, магнитооптический активный элемент ячейки Фара-
дея выполнен из составных двух частей, например, призм с про-
тивоположным по знаку постоянными Верде, расположенных в
симметрично относительно оптической оси системы.
Природа эффекта обьясняется различным влиянием магнитного
поля на скорость распространения в веществе првоциркулярно и
левоциркулярно поляризованных световых волн, в результате чего
между ними накапливается разность фаз, приводящая при их сло-
жении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации
(8).
Как обычно, возможные применения вытекают из физической
сущности эффекта;управление поворотом плоскости поляризации с
помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по
углу поворота плоскости поляризации.
А.с. 412 698: Оптический квантовый генератор, содержащий
задающи генератор, оптический квантовый усилитель и установ-
ленные между ними согласующее устройство, отличающеесятем, что
с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощ-
ности, согласующее устройство выполнено ввиде расположенного
между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся
по радиусу вращательной способностью.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестые
названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный
ввиде цилиндра из свинцового стекла установленного в соленои-
де.
А.с. 479 147: Устройство магнитооптического воспроизведе-
ния информации с магнитного носителя, содержащее источник
плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и маг-
нитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувс-
твительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим
кристаллом установленным на участке заднего зазора, располо-
женным на одной линии между источником плоскополяризованного
света и анализатором пучка этого света.
Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных
элевентов т.е. устройств, пропускающих излучение только в оп-
ределенном направлении (6).
Оптический вентель состоит из двух поляризаторов, скрещен-
ных под углом 45 градусов и элемента Фарадея, помещенного меж-
ду ними. Элемент расчитан так, что вращая плоскость поляриза-
ции света на 45 градусов, и свет проходит через второй
поляризатор. Луч, идущий в обратном направлении, вращается в
ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90
градусов относительно первого поляризатора, и значит не про-
пускается им. В частноссти такие вентили используют в лазерах
бегущей волны и и в оптических усилителях.
В СВЧ-технике для создания вентилей, фазовращателей и цир-
куляторов широко исполуют эффект Фарадея на ферритах, которые
практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазо-
на (дици-санти и миллиметровые радиоволны).
16.4.2. Существует и так называемый обратный эффект Фара-
дея - возникновение в среде магнитного поля под действием мощ-
ного циркулярнополяризованного света, вызывающего циркулярное
движение электронов (1).
16.4.3. Частным случаем эффекта Фарадея является магнито-
оптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том
числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света
от намагниченного ферромагнитика возникает элептическиполяри-
зованный свет. Фактически, магнитооптический эффект Керра -
это вращение плоскости поляризации части излучания в тонком
поверхностном слое ферромагнитика в магнитном поле.
Магнитооптическая установка для автоматической записи маг-
нитных характеристик ферромагнетика, в которой использование
магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые на-
магничивания и дистеризиса на учатках поверхности размером 1
мк2. (приборы и техника эксперимента, 1973,нр-5, стр. 215-217)
16.4.4. При распространении света в веществе перпендику-
лярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, вели-
чина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитно-
го поля. (ээфект Коттона-Муттона).
Наложение сильного магнитного поля ориентирует хаотически
расположенные молекулы (если последние имеют постоянный маг-
нитный момент), что и приводит к оптической анизотропии. Этот
эффект много слабее, чем электрооптических эффект Керра, а в
технике применяется редко.
Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с ме-
ханизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.
16.4.5. Прямой (обращенный) эффект Зеемана
состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (погло-
щаемого) излучения под действием магнитного поля на излучающее
(поглощающее)вещество. При этом неполяризованное излучение с
частотой направления поля расщепляется на два компанета (ли-
нии) с частотами и , первая из которых поляризована по левому
кругу, а вторая по правому. В направлении же перпендикулярном
поля расщепление имеет такой характер: имеется при линей-
ном-поляризованные компоненты с чатотамти.
Крайние компоненты поляризованны перпендикулярно магнит-
ному полю средние же, с неизхменной частотой поляризованна
вдоль поля и по интенсивности вдвое привосходит соседние. Ве-
личина смещения частоты пропорциональна индукции магнитного
поля. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением в магнитном поле
энергетических уровней атомов или молекул на подурони, между
которыми возможны квантовые переходы.
ФРГ патент 1 287 836: Кольцевой лазер для определения ско-
рости вращения имеет трубу и отражательные зеркала, которые
создают замкнутый оптический контур, включающий ось лазера, а
также средства с помощью которых световые лучи обособляются и
накладываются, циркулируя в оптическом контуре в противополож-
ных направлениях. Лазер отличается тем, что предусмотрено уст-
ройство служащее для воздействия на трубу лазера осевого маг-
нитного поля таким образом, что в соответствие с эффектом
Зеемана, создается два луча с противоположной круговой поляри-
зацией. Предусмотрено устройство, которое обеспечивает посту-
пательное движение только одного такого луча в каждом направ-
лении вдоль оптического контура.
США патент 3 796 499: Аппарат предназначен для реализации
способа определения концентрации парамагнитного материала в
газовой смеси. Образец смеси подвергают воздействию магнитного
поля средней напряженности и освещают лазерным излучением пос-
тоянной частоты. Магнитное поле энергетическими уровнями в па-
рамагнитном материале до величины, соответствующей условию ре-
зонансас лазерным излучением. Для количественной корреляции
вариации интенсивности лазерного излучения, проходящего через
смесь, как функция напряженности магнитного поля используют
стандартные процедуры детектирования. В случае окиси азота
способ достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать концентра-
ции, значительно меньше, чем одна часть на миллион.
В заключении отметим, что механизм эффекта Фарадея, по
сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же обь-
сняется избирательное поглощение радиоволн парамагнитными те-
лами, помещенными в магнитное поле (см. "Электронный парамаг-
нитный резонанс") (1,6,7,9).
16.5.Существует ряд явлений,при которых оптическая ани-
зотропия в среде вызывается воздействием из нее энергии свето-
вого излучения.Кним относится эффект фотодихроизма,а также по-
ляризация люминесценции.
16.5.1. Дихроизм - это зависимость величины поглощения
телами света от его поляризации.Это свойство,в той или иной
мере,присуще всем поглощающим свет веществам,обладающим ани-
зотропной структурой.Классический пример такого вещества -
кристалл турмалина. Он обладает двойным лучепреломлением и,
кроме того очень сильно поглощает обыкновенный луч.Поэтому да-
же из тонкой пластины турмалина естественный свет выходит ли-
нейно-поляризованным.Дихроизм обнаруживает не только кристаллы
но и многочисленные некристаллические тела,обладающие естест-
венной или искуственно созданной анизотропией (молекулярные
кристаллы,растянутые полимерные пленки,жидкости,ориентирован-
ные в потоке и т.д.).
Эффект фотодихроизма состоит в возникновении дихроизма в
изотропной среде под действием на эту среду поляризованного
света. Свет вызывает фотохимические превращания молекул ве-
щества, изменяя коэффициент их поглощения. Поляризованный свет
преимущественно взаимодействует с молекулами определе ориента-
ции ,что и приводит к появлению анизотропии поглощения (1)
16.5.2. Естественная оптическая активность.Кроме сред с
линейным дихроизмом (т.е. с различным поглощением света,обла-
дающего различной линейной поляризацией) существуют среды,об-
ладающие циркулярным дихроизмом,по разному пог правоциркуляр-
нои левоциркулярно-поляризованный свет. Циркулярным дихроизмом
как правило обладают вещества с естейственной оптической ак-
тивностью
Естественной оптической активностью называют способность
вещества поворачивать плоскость поляризации прошедшего через
него света. Величугла поворота зависит от длины волны света т.
е. имеет место вращательная дисперсия. Кроме того, этот угол
пропорционален толщине слоя вещества, а для растворов и кон-
центрации.
Явление естественной оптической активности используется
при определении концентраций различных растворов сахариметрии.
Естественная оптическая активность объясняется явлением
двойного цирулирного лучепреломления,т.е. расщеплением света
на две циркулярно-поляризованные компоненты-левую и правую.
(следует отметить,что эффект Фарадея объясняется возникновени-
ем циркулярного преломления в магнитном поле).Направление вра-
щения плоскости поляризации при естественной оптич. (левосто-
роннее или правостороннее) зависят от пироды вещества. Это
связано с существованием веществ в двух зеркальных формах-ле-
вой и правой (свойство ассиметрии)(1),(2),(5).
16.6. Поляризация при рассеивании света.
Рассеяный на неоднородных средах естественный свет в не-
которых направлениях является линейно-поляризованным и, наобо-
рот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не
рассеивается). В основе этого явления (как и при поляризации
света, отраженного под углом Брюстера) лежит природа самой
электромагнитной поперечной световой волны (см."Поляризация"),
а вовсе не анизотропия и ориентация молекул, что лишь препятс-
твует полной поляризации рассеивания света.
Поляризация при рассеивании - единственный метод поляриза-
ции рентгеновского излучения (1).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Н.Д.Жевандров. Анизотропия и оптика. М., "Наука",1974
2. Г.С.Ландсберг, Оптика. М., "Наука", 1976
3. У.Шерклиф, Поляризованный свет. М., "Мир",1965
4. М.Фрахт, Фотоупругость,т.1-2. М.,1950
5. А.Вайсбергер, Физические методы в органической химии, пер.
с англ. т.5, М., 1957
6. Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия",
М.,1969
7. Р.Дитчберн,Физическая оптика, пер. с англ.,М.,1965
8. Г.Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,1963
9. М.Борн, Атомная физика, пер. с англ., М.,1965
10. А.с. 154680, 178905, 243872, 268819, 391672, 416595,
474724
США патенты 3588214, 3558215, 3558415, 3588223, 3811778
Великобритания, заявка 1354509
ФРГ заявка 2333242
Франция, заявка 22099357
17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.
До сих пор мы рассматривали оптические явления в предпо-
ложении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не
влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в
оптике оперировали со световыми волнами, напряженность элект-
рического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению
с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см),
определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома.
Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, ин-
тенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле
световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что су-
ществует сильная зависимость характера оптических эффектов при
достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.
Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсив-
ности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем неко-
торые из них.
17.1. Вынужденное рассеяние света.
Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепло-
выми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеи-
вают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом
возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности час-
тот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтан-
ное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интен-
сивности сателлитов интенсивности падающего излучения
составляет лишь 10 в минус шестой степени.
При увеличении интенсивности падающего излучения выше по-
рогового значения происходит следующее. Под действием электри-
ческого тока из-за явления электрострикации возникают импульсы
избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес.
тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарз-
вук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления
по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления
образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и
происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность
сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей вол-
ны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется
вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
При достаточно больших интенсивностях падающего излучения
нелинейная среда стать может генератором звука со световой на-
качкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10
квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых те-
лах.
Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние
(см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном
рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде коге-
рентные колебания молекул, на которых и происходит его рассея-
ние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота
наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на
частоту молекулярных колебаний.
Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со
сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой ве-
личины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассе-
янном излучении настолько возрастает и их интенсивность нас-
только высока, что, луч, выходящий из газа, из красного
становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, напри-
мер, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные
компоненты с различной длиной волны пространственно разделены
и образуют на экране цветные кольца.
Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основ-
ном, для последования структуры и свойств вещества, для изуче-
ния нелинейных процессов в средах. Используется также для на-
качки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами
твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобра-
зователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолето-
вой, видимой и особено инфракрасной областях спектра
17.2. Генерация оптических гармоник.
При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкос-
тях и кристаллах, помимо описанных выше боковых спектральных
компонент, обнаруживаются компоненты с частотами, в точности
кратными частоте падающего излучения (двухкратными, трехкрат-
ными и т.д.), называемые оптическими гармониками. В некоторых
кристаллах эти гармоники могут составлять до 50% рассеянного
излучения. Таким образом, если направить красное излучение ру-
бинового лазера (0,69 мкм) на кристалл дигидросфата калия, то
на выходе можно получить невидимое ультрафиолетовое излучение
(0,345 мкм).
17.3. Параметрическая генерация света.
Поместим нелинейный кристалл в оптический резонатор и
направим на него мощное световое излучение накачки. Одновре-
менно подадим на кристалл два слабых излучения с чатотами,
сумма которых равна частоте излучения накачки. При этом в
кристалле возникает генерация двух мощных когерентных световых
волн, частота которых равна частотам этих двух слабых излуче-
ний. В действительности же, кроме волны накачки, нет необходи-
мости ни в каких дополнительных излучениях, т.к. в кристалле
всегда найдутся два спонтанно излучающих фотона с соответству-
ющими частотами. Существенным является то, что при повороте
кристалла в резонаторе, частоты генерируемых волн могут плавно
перестраиваться, в сумме оставаясь равными частоте волны на-
качки. Это позволяет создавать оптические преобразователи,
квантовые усилители и генераторы, плавно перекрывающие широкий
диапазон излучений от видимого до далекого инфракрасного при
фиксированной частоте накачки.
ФРГ патент 1 287 229: Преобразователь частоты содержит
неинейный электрооптический двоякопреломляющий кристалл, через
который когерентный входной световой сигнал пропускается под
таким углом к оптичекой оси кристалла, что внутри кристалла
возникают два колебания с другими частотами. Эти колебания
согласованы между собой и в кристалле модулируются или регули-
руются по фазе одновременно.
Нелинейный кристалл расположен внутри оптического резона-
тора и подвергается не только электрооптической модуляции, но
и регулировке по температуре с целью подстройки частоты.
17.4. Эффект насыщения.
Так называют эффект уменьшения интенсивности спектральной
линии поглощения (или вынужденного излучения) при увеличении
мощности падающего на вещество внешнего электромагнитного из-
лучения. Причиной эффекта насыщения является выравнивание на-
селенности двух уровней энергии, между которыми под действием
излучения происходят вынужденные квантовые переходы "вверх"
(поглощение) и "вниз" (вынужденное излучение). В случае погло-
щения при этом уменьшается доля мощности излучения, поглощен-
ного веществом. Абсолютная величина поглощаемой мощности при
этом, однако не падает, а увеличивается, стремясь к некоторому
пределу. В случае активного вещества с инверсией населенностей
эффект эффект насыщения приводит к уменьшению мощности вынуж-
денного излучения, что ставит предел величине усиления в кван-
товых усилителях.
Однако эффекту нашли широкое применение в лазерной техни-
ке, где он используется для модуляции добротности оптических
резонаторов с помощью просветляющихся под действием мощного
излучения светофильтров. Кроме того, эффект насыщения исполь-
зуется для создания инверсии населенностей в трехуровневых
квантовых системах.
17.5. Многофотонное поглощение.
Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для сла-
бого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически
прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь ин-
тенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее чем сла-
бое. Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм со-
вершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях
излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом
могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сум-
ма энергий которых равна энергии перехода.
Эффект многофотонного поглощения используется, в основ-
ном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей до-
полнительную информацию о строении вещества, недоступную для
обычной спектроскопии.
17.5.1. Многофотонный фотоэффект.
Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности све-
тового поля ионизация атомов может производить под воздействи-
ем излучения, для которого энергия кванта меньше энергии иони-
зации. Это обьясняется тем, что происходит одновременное
поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше
энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая анология
с антистоксовской люминесценцией (см."Люминесценция"). Следует
отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величи-
на тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности ла-
зерного излучения.
17.6. Эффект самофокусировки.
Известно, что первоначально параллельный пучок света по
мере рапространения в среде (включая и вакуум) расплывается за
счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интен-
сивностях света, пока еще среда остается линейной. с увеличе-
нием мощности светового пучка его расходимость начинает умень-
шаться. При некоторой критической мощности пучок может
распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим са-
моканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок
скачком сжимается к оси и сходится в точку наа некотором расс-
тоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Про-
исходит пройесс самофокусировки. Это расстояние, называемое
эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально
квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от
его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта са-
мофокусировки пренадлежит Г.А.Аскорьяну (открытие - 67).
Физические причины этого эффекта заключаются в изменении
показателя преломления среды в сильном световом поле. В это
изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострик-
ция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления сре-
ды за счет ее нагрева в световом пучке. Вследствии этих эффек-
тов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной;
показатель преломления среды определяется теперь распределени-
ем интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нели-
нейной рефракции, т.е. переферийные лучи пучка отклоняются к
его оси, в зону с большей оптической плотностью. Таким образом
нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной
расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и нас-
тупает самоканализация, переходящая в самофокусировку при при-
вышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки
выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обла-
дает "лавинным" характером. Действительно, даже малое увеличе-
ние интенсивности в некотором участке светового пучка приводит
к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к до-
полнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нели-
нейную рефракцию и т.д.
Отметим, что критические мощности самофокусировки относи-
тельно не велики (для ниробензола - 25 квт, для некоторых сор-
тов оптического стекла - 1 вт), что создает реальные предпо-
сылки использования описанного эффекта для передачи энергии на
значительные расстояния.
Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных
лазеров в органических жидкостях пучок после "охлопывания"
распространяется не ввиде одного пучка, а распадается на мно-
жество короткоживущих (10 в минус 10-ой степени сек.) узких
(мкм) областей очень сильного светового поля (около 10 в 7-ой
степени в/см) - световых нитей. Это явление обьясняют тем, что
при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда рабо-
тает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояни-
ями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 10 в 6-ой
степени м/сек.) в сочетании с аберрациями "нелинейной линзы"
может создать длинные и тонкие световые каналы.
В нелинейной оптике уже обнаружено множество интересней-
ших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эф-
фекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света,
пробой газов мощным излучением с образованием т.н. "лазерной
искры", светогидравлический удар, нелинейное отражение света и
другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в
научных исследованиях, но и в промышленности. Так например,
светогидравлический удар (см."Гидравлические удары") применя-
ется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки
и т.д., что наиболее себя оправдывает в производстве микроэ-
лектроники, в условиях особо чистых поверхностей.
17.7. Светогидравлический удар (открытие - 65)
Эффект заключается в том, что при пропускании мощного ла-
зерного излучения через жидкость в ней возникают акустические
волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, соп-
ровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жмдкости на
значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи уда-
ра, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной тео-
рии эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс
явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность
световой волны в малом обьеме, и первоначальное ее поглощение,
связанное с ВРМБ (см. 17.1) и усиленное поглощение света обра-
зующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и
затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка ла-
зерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значи-
тельно усиливают проявления эффекта.
17.8. Нелинейная оптика.
Нелинейная оптика - новая и постоянно развивающаяся нау-
ка. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными
ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гис-
теризисные скачки отражения и преломления на границе нелиней-
ной среды - целый класс новых эффектов нелинейной оптики.
(Данных об эксперементальном подтверждении их существования
пока нет.)
Суть эффектов заключается в следующем. Если под небольшим
углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими зна-
чениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нели-
нейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изме-
нении интенсивности излучения (угол падения фиксирования),
когда она достигает определенного значения, может произойти
скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при об-
ратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению
произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут
наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано
значение интенсивности.
Если существование этих эффектов подтвердится, то они мо-
гут быть широко использованы для исследования нелинейных
свойств веществаи в лазерной технике. Так, например, гистери-
зисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в
лазере при генерации гигантских импульсов, т.к. в режиме ПВО
практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эф-
фектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность
излучения, фиксируя скачки и т.д.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, изд. Советс-
кая энциклопедия, М., 1966.
2. Н.Бломберген, Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966
3. М.Шуберт, В.Вильгельми, Введение в нелинейную оптику пер. с
нем. "Мир", М., 1973.
4. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер, Прикладная нелинейная оптика, пер.
с англ., "Мир", М., 1976
5. Ю.П.Конюшая, Открытия и начно-техническая революция, "Мос-
ковский рабочий", М., 1974
6. Г.А.Аскарьян, ЖЭТФ, 42, 1567, 1962
7. А.Ю.Каплан, Письма в ЖЭТФ, 9, 58, 1969
8. А.К.Каплан, Письма в ЖЭТФ, том 24, вып. 3, 1976
18. ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА.
18.1. Радиоактивность.
Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное
превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы
другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и
жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную
и искуственную радиоактивность. Процессы, происходящие при
естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и
свойствах радиоактивных веществ.В настоящее время все большее
значение получают процессы,связанные с искуственной радиоак-
тивностью.Практически все вещества имеют радиоактивные изото-
пы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно
его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет
с большей точностью следить за перемещением этого вещества
или изучать его внутреннюю структуру.
А.с. 234 740: Способ определения концентрации пылевых
частиц с осаждением этих частиц в осадительном устройстве,
отличающийся тем, что с целью расширения диапазонав измере-
ния, в исследуемый газ добавляют радиоактивный газ, например,
радон, а после осаждения частиц определяют их радиоактивность
по величчине которой судят о концентрации пылевых частиц в
газе.
А.с. 242 324: Способ ускоренного определения годности
защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения,
при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отли-
чающийся тем, что с целью определения времени проникновения
вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функ-
ций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизото-
пы, например, йода, фояфора или серы, и проводят радиометри-
ческие измерения исследуемого обьекта.
18.2. Рентгеновское и гамма излучения.
Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком
Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма
излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов,
поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономер-
ностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница
между двумя этими видами излучения заключения в механизме их
возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного проис-
хождения, гамма излучение - продукт распада ядер.
18.2.1. Рентгеновское излучение возникает либо при тор-
можении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в ве-
ществе (сплошной спектр) (см. 18.4.3. "Тормозное излучение"),
либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линей-
чатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излуче-
ние может также возникать в результате явления адгезолюминес-
ценции, которыая наблюдается при очень быстром отрыве от
гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может
происходить, например, при быстром качени по металлической
поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае
пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки
микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором
может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разог-
нанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, ис-
пуская при этом рентгеновское излучение.
18.2.2. Рентгеновские лучи применяют для просвещения
различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При де-
формации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наб-
людается размытие в определенных направлениях интерференцион-
ных пятен (явление астеризма). Появление астеризма
обьясняется тем, что монокристалл в процессе деформации раз-
бивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм.
С увеличением деформации монокристалла интерференционные пят-
на удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна мож-
но судить о колличестве размере и форме фрагмента и исследо-
вать характер протекания деформации.
Из других областей применения рентгеновских лучей можно
назвать:
- рентгеновскую дефектоскопию; занимающеся просвечивани-
ем твердых тел с целью установления размера и места нахожде-
ния эффекта внутри материала;
- рентгеновскую спектроскопию рентгено-спектральный ана-
лиз. Основная цель - исследование электронного строения
веществ
по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследова-
ния химического строения веществ, технологические процессы
горнорудной и металлургической промышленности
- рентгеновскую микроскопию широко прменяющихся для исс-
ледования обьектов непрозрачных для видимого света и электро-
нов (биология,медицина,минералогия,химия, металлургия).
А.с. 427 698: Способ измерения моментов инерции неодно-
родных, несвободных тел, заключающийся в поступательном пере-
мещении исследуемого тела относительно пространственной оси,
отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения
мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемо-
го передвигают источник гамма излучения с детектором, регист-
рирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела
гамма излучения.
18.3. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с
веществом происходят посредством трех основных процессов: фо-
тоэлектрического поглощения (фотоэффекта), рассеяния и эффек-
та образования пар.
18.3.1. Фотоэффект. (см. так же 14.1.1.)
При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает
всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает
энергию, большую, чем энергияч связи его в атоме, то он выле-
тает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При
потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в элект-
ронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внеш-
них оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру обо-
лочку сопровождается испусканием кванта характреристического
излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэм-
мульсией.
США патент 3 580 745: Способ и устройство для маркировки
банок в контейнере путем облучения чувствительной эммульсией.
Перед упаковкой с траспортировочной картонный контейнер, то-
рец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эммуль-
сией. Банки, упакованные в контейнер облучают рентгеновскими
или гамма- лучами. При этом, покрытие эммульсией торцы банок
облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркиро-
вочных обозначений (например цены). Таким образом, маркировка
упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без
вскрытия этого контейнера и последующей индивидуальной марки-
ровки каждой банки.
При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вы-
летают преимущественно в направлениях, перпендикулярных нап-
равлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов,
тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасы-
ваемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов
приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит боль-
шее применение для интенсификации различных технологических
процессов.
А.с. 241 010: Способ получения политокарбонилфторида по-
лимиризацией тиокарбонилфторида, отличающийся тем, что с
целью упрощния процесса и получения более чистого полимера,
полимиризацию осуществляют под действием гамма излучения Со
60.
А.с. 375 295: Способ получения алтилгалогенидов германия
взаимодействия четырехгалоидного германия с триалкалгерманием
при нагревании, отличающийся тем, что с целью увелечения вы-
хода и чистоты целевого продукта, процесс ведут при гамма об-
лучении.
18.3.2. Рассеяние рентгеновского и гамма излучения.
Различают два основных процесса рассеяния: комптновское
или кекогерентное (камптон эффект) и корентное рассеяние.
При камптон-эффекте происходит упругое соударение пер-
вичного кванта со свободным электроном вещества. камптоновс-
кое рассеяние представляет собой взаимодействие кванта с
электроном, при котором, в отличии от фотоэффекта, квант пе-
редает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоня-
ясь при этом от своего первоначального направления в некото-
рый угол а электрон, получивший некоторое количество энергии,
начинает двигаться под углом к напрвлению движения рентге-
новского или гамма-кванта. В результате камптон-эффекта появ-
ляется рассеянный квант
большей длиной волны, изменившей первоначальное направление,
и электрон отдачи (камптоновский электрон), получивший часть
энергии кванта. Камптоновские электроны характеризуются неп-
рерывным спектром от ничтожномалых значений до максимальной
величины (если они выбрасываются в направлении движения кван-
та).
18.3.3. В случае, если энергия кванта сравнима с энерги-
ей связи электрона в атоме, происходит когерентное рассеяние
квантов. При этом, когда электромагнитная волна встречается с
электроном, последний начинает колебаться с частотой этой
волны и излучает: энергию ввиде рассеянной волны. Энергия
кванта при этом не изменяется. Движение электронов в атоме
взаимосвязано, поэтому излучение, рассеянное одним электро-
ном, будет интерферировать с излучением, рассеяным другими
электронами этого же атома. Рассеянные гамма кванты несут ин-
формацию о структуре облучаемого вещества, поэтому рассеянное
излучение можно использовать для различных измериельных це-
лей.
А.с. 120 675: Способ определния угла смачивания и по-
верхностного или межфазового натяжения непрозрачных систем
при высоких температурах фотографирование контура, которое
осуществляется в пучках мягких гамма лучей полученных от ра-
диоактивных изотопов, например иридин, 192, тулия 170 или ев-
ропия 154 или 156.
18.3.4. Эффект образования пар.
При взаимодействии с атомами ядра
кванты рентгеновского и гамма излучения достаточно высокой
энергии (не менее 1,02 Мэв) вызывают одновременное появление
электронов и позитронов. Процесс образования электронно-по-
зитронных пар происходит в поле атомного ядра или поле элект-
рона. Позитрон существует лишь очень короткий промежуток вре-
мени; вслед за образованием пары наблюдается явление
аннигиляции - исчезновение позитрона и какого либо электрона
среды, сопровождаемое излучением двух квантов с энергией 0,51
Мэв.
18.4. Взаимодействие электронов с веществом.
Различают следующие виды взаимодествия: упругое и неуп-
ругое рассение электронов на атомных ядрах и электроных обо-
лочек и торможение электронов в кулоновком поле атомных ядер.
18.4.1. Упругое рассеяние имеет место при таких столкно-
вениях, при которых происходят лишь изменения направления
движения сталкивающихся частиц, тогда как их общая энергия
остается неизменной. Основную роль в россеянии электронов иг-
рает упругое рассеяние на атомных ядрах, хотя электроны рас-
сеиваются и на электронах атомных оболочек. Вследствии малой
массы электронов они отклоняются на углы от 0 градусов до 180
градусов, причем на малые углы электроны отклоняются с боль-
шей вероятностью. При отклонении на ьольшие углы электроны
несут информацию о строении вещества рассеивателя, что может
быть использовано в различных измерительных приборах.
США патент 3 560 742: Портативное устройство для измере-
ния обратно рассеянного фета-излучения предназначено для эф-
фективных измерений толщины покрытия обрабатываемой детали.
Устройство содержит зажим для монтажа постоянного зондирующе-
го элемента. Этот зажим является составной частью устройств,
регулирующих положение зондирующего элемента относительно об-
рабатываемой детали с тем, чтобы они контактировали друг с
другом. В другом варианте выполнения изобретения, устройство
содержит укосину, которая фиксирована относительно обрабаты-
вающей детали. Зажим у укосина предназначен для удержания
зондирующего элемента в плотном контакте с поверхностью обра-
батываемой детали, т.е. в положении измерения толщины покры-
тия нанесенного на поверхность обрабатываемой детали.
18.4.2. Неупругое рассеяние элктронов происходит в ос-
новном в результате их сталкивания с орбитальными электрона-
ми. При столкновении электронов с электронами атомных оболо-
чек часть энергии электронов передается связанному электрону
атома. В зависимости от количества переданной энергии проис-
ходит возбуждение или ионизация атомов вещества. В этом и
другом случае воздействующий электрон теряет свою энергию.
Большая часть вторичных электронов обладает незначительно ки-
нетической энергией. Процесс возбуждения сопровождается ис-
пусканием характеристического излучения. Процесс неупругого
рассеяния, посколько он сопровождается ионизацией может ис-
пользоваться для интенсификации различных технологических
процессов:
Патент СНГ 454 752: Способ приготовления пульпы из дре-
весной цепи путем облучения древесной щепы с последующей вар-
кой, отличающийся тем, что с целью повышения выхода пульпы и
улучшения ее качества, облучение щепы производят электронами
дозой не менее 1,0 Мрад.
Патент США 3 820 015: Устройство для измерения концент-
рации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сго-
рания, содержит источник бетта-электронов, обладающих низким
уровнем энергии для ионизации молекул кислорода. Указанный
источник расположен во вторичном контуре выхлопной трубы. В
этот контур выхлопной газ подается с определенной скоростью
при помощи насоса постоянной производительности. На выходе
источника бетта-электронов в ниспадающей части потока газов
установлена коллекторная пластина. При этом между источником
бетта-электронов и коллекторной пластинкой поддерживается оп-
ределенная разность потенциалов, под действием которой иони-
зированные молекулы кислорода отделяются от молекул других
газов и ударяются о коллекторную пластину. Концентрация кис-
лорода выхлопных газов определяется путем измерения заряда,
накапливающегося на коллекторной пластинке.
18.4.3. Тормозное излучение.
Помимо потерь на ионизацию и возбуждение атомов вещест-
ва, электроны могут терять свою энергию на образование тор-
мозного излучения. Проходя вблизи атомного ядра, под действи-
ем его электрического поля электроны испытывают торможение.
Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии они будут
испускать электромагнитное (тормозное) излучение. В тормозное
излучение может преобразоваться любая часть кинетической
энергии электрона вплоть до ее максимального значения. Поэто-
му энергетический спектр тормозного излучения непрерывный.
Примером тормозного излучения является рентгеновское излуче-
ние возникающее при торможении электронов на аноде рентге-
новской трубки. Это используется в рентгеновских аппаратах.
18.4.4. Совместные действия облучания электронами и све-
том.
Особенность эффекта состоит в том, что вещество не пог-
лощает свет до облучения электронами, но в процессе облучения
или после него свет поглощается короткоживущими частицами:
радикалами, возбужденными молекулами, возбуждение или диссо-
циация которых приводит к химическим превращениям. Например,
вещества: твердые растворы бензола и нафталина в метилцинкло-
гекоане и этаноле.
18.5. Взаимодествие нейтронов с веществом.
Нейтрон представляет собой электрически нейтральную час-
тицу с массой покоя, равной преблизительно массе покоя прото-
на, вместе с которым они образуют ядра всех элементов. Пос-
колько нейтрон электрически нейтрален, он может вызывать
различные ядернве реакции, в частности цепные реакции деления
тяжелых ядер (теория, урана, плутония) осуществляемые в ядер-
ных реакторах. По кинетической энергии нейтроны делятся на
быстрые, промежуточные и тепловые. в зависимости от этой
энергии нейтроны по разному взаимодействуют с веществом Теп-
ловые нейтроны взаимодействуют пратически со всеми ядрами
элементов, а в тяжелых вызывают реакцию деления. Промежуточ-
ные также поглощаются ядрами, но при некоторых значениях
энергии нейтроны хуже поглощаются ядрами, а гораздо лучше не-
упруго рассеиваются (замедляются), теряя при этом кинетичес-
кую энергию. Особенно интенсивно быстрые нейтроны рассеивают-
ся на водосодержащих веществах (замедлителях), что
используется для замедления быстрых нейтронов до тепловых
энергий в тепловых реакторах.
Патент США 3 794 843: Контрольно измерительный прибор
для определения весового содержания влаги в насыпном материа-
ле, содержит источник излучения, облучающий влажный насыпной
материал быстрыми нейтронами и гамма-лучами; прошедшее излу-
чение регистрируют двумя детекторами, причем первый регистри-
рует гамма-излучение, а второй тепловые нейтроны, возникающие
при замедлении быстрых нейтронов на ядрах водорода, содержа-
щихся во влаге насыпного материала; оба сигнала от детектора
поступают на электрическую схему, с целью получения сигнала,
скоррелированного с весовым процентным содержанием влаги в
материале.
Патент США 3 558 888: Сопособ нейтронного каротажа сква-
жин для измерения количества нефти в зоне скважин, пробурен-
ной в земной породе, с использованием радиоактиного излуче-
ния, согласно которому измеряется поперечное сечение захвата
тепловых нейтронов в буровом растворе; Величина этого сечения
определяется содержанием воды в этой геологической формации,
а количество нефти, содержащееся в зоне скважин измеряется
как функция макроскопического поперечного захвата тепловых
нейтронов в породе.
Патент США 3 562 523: Способ определениясодержания оста-
точных масел в формации после подачи воды или заводнения ней-
теносоного пласта состоит в измерении рапада тепловых нейтро-
нов сначала при наличии воды, содержащейся в данной формации,
а затем после замены этой воды водой, которая имеет сущест-
венно отличающееся сечение захвата и которая берется из зоны,
содержащей по крайней мере, в радиусе действия регистрирующе-
го инструмента.
18.5.1. При очень интенсивном облучении быстрыми нейтро-
нами различных веществ наблюдается так называемые явления
нейтронного раскупания - увеличение обьема вещества, что мо-
жет быть использовано, например, для правки массивных метал-
личеких деталей (А.с.395147) или в устройствах для измерения
деформации ядерного горючего (заявка Великобритании 1359759)
(см. 2,3).
18.6. Взаимодействие альфа-частиц с веществом.
Альфа-частицы (ядра гелия 4) состоят из двух протонов и
двух нейтронов. Посколько альфа-частицы заряжены, то их очнь
просто ускорять и облучать этим потоком различные вещества,
которые при этом сильно ионизируются. Ионизированные атомы
через какой-то промежуток времени захватывают свободные
электроны и превращаются в нейтральные, излучая при этом ха-
рактеристическое излучение, по которому можно судить о соста-
ве исследуемого вещества.
А.с. 223 948: Способ раздельного определения аллюминия и
кремния по облучению пробы протоком альфа-частиц и одновре-
менной регистрации возбужденного в ней суммарного характерис-
тического излучения аллюминия и кремния, отличающийся тем,
что с целью увеличения чувствительной и разрешающей способ-
ности, сразу после прекращения облучения пробы измеряют наве-
денную активность пробы и по соотношению измеряемых величин
суммарного характеристического излучения аллюминия и кремния
и наведенной активности судят о концентрации алююминия и
кремния в пробе.
18.6.1. Эффект увеличения коррзийной стойкости металлов.
Если металлическую пластину облучать в течении несколь-
ких минут альфа-частицами, то в силу короткого пробега части-
цу в веществе основная масса частиц останется в тонком по-
верхностном слое отдав при этом ему всю кинетическую энергию.
Эксперементально установлено, что если после такого облучения
пластину выдержать в атмосфере паров концентрированной соля-
ной и серной кислот, то поверхность металла сохраняет перво-
начальную структуру и блеск. Этот эффект можно обьяснить так
же, как и в случае сверхнизкого трения (см. раздел 1.3.1.)
перестройкой структуры поверхностного слоя и удалением паров
воды.
18.7. Радиотермолюминесценция.
Если какое-либо твердое вещество при низкой температуре
подвергнуть воздействию электронов рентгеновских или гам-
ма-лучей, то при нагреве, даже самом незначительном, вещество
начинает светиться. Причем, при плавном нагревании твердых
органических веществ температура, при которой наблюдается на-
ибольшее термолюминесцеция, совпадает с температурой струк-
турных переходов (плавления, размягчения и т.д.). Это явление
(открытие - 168) позволило создать новый эффективный метод
исследования вещества.
А.с. 381 983: Способ исследования структурных переходов
в органических веществах, основанный на регистрации радиотер-
молюминесценции образца, отличающийся тем, что с целью упро-
щения процесса облучают поверхностный слой образца пучком
электронов с энергией 5-30 Кэв.
В общих чертах метод радиотермолюминесценции или сокра-
щенно РТД, заключается в следующем: образец исследуемого ор-
ганического вещества облучают при низкой температуре (77-100
градусов К) в полной темноте. Пригодны любые источники иони-
зирующего излучения: нейтронные, гамма, бетта-источники, ус-
корители заряженных частиц рентгеновские установки. Мощность
дозы не играет существеной роли. Важно только, чтобы полная
так называемая экспозиционная доза достигала 0,1-2 Мрад. Та-
кие дозы, как правило не изменяют температуры структурного
перехода. Затем образец плавно нагревают 10-20 градусов С в
минуту. Свечение образца регистрируют с одновременной регист-
рацией температуры. Получают зависимость интенсивности РТЛ от
температуры - кривую высвечивания. Пики, изломы кривой, их
высота и ширина несут информацию об исследуемом веществе и
прежде всего, позволяют оценить температуру структурных пере-
ходов. Абсолютная точность определения достигает около 1 гра-
дуса (см. 15.6.)
18.8. Эффект Мессбауэра.
Суть эффекта состоит в упругом испускании или поглощении
гамма-квантов атомными ядрами связанными в твердом теле. При-
чина "упругости" процесса (при упругом процессе внутреняя
энергия тела не изменяется, т.е. атом остается в том же сос-
тоянии), в том, что если атом поглотитель (или излучатель
входит в состав кристаллической решетки, то перестает выпол-
няться однозначное соответствие между импульсом гамма-кванта
и энергии отдачи атома. При Мессбауэровском процессе отдача
атома вообще не имеет место (не происходит возбуждение фоно-
на), и импульс гамма-кванта воспринимается всей решеткой,
т.е. всем криссталлом. Благодаря этому ширина Мессбауэровских
линий поглощение и испускания очень мала (весьма острая резо-
нансная кривая); соответственно сдвиг линий очень чувствите-
лен к параметрам, как самого излучения, так и твердого тела.
В настоящее время на основе этого эффекта проведена масса
очень тонких физических экспериментов, весьма важных, в част-
ности, для физики и химии твердого тела. Малая ширина линий
поглощения и следовательно, почти фантастическая точность из-
мерений с помощью эффекта Мессбаэура позволило разработать
ряд методов для технического экспресс анализа веществ, содер-
жащих Мессбауэровские ядра.
А.с. 297 912: Способ фазового анализа руд, содержащих
Мессбауэровские элементы спектр которых частично перекрывают-
ся, основанные на резонансном гамма-поглощении, отличающийся
тем, что с целью повышения эффективности измерений при анали-
зе, последовательно определяют величину эффекта Мессбауэра на
исследуемой руде с разными источниками, число которых равно
числу соединений в ряде и мессбауэроские спектры коороых сов-
падают со спктрами соединений в руде, сопоставляют с резуль-
татами колибровки и по совокупности величин эффекта мессбауэ-
ра определяют содержание исследуемых соединений в руде.
А.с. 446 007: Способ фазового анализа вещества, включаю-
щий измерение эффекта Мессбауэра по линии спектра, соответс-
твующей исследуемой фазе и последующее определение содержания
фазы с помощью градуировочной зависимости, отличающийся тем,
что с целью повышения точности и чувствительности анализа,
измеряют эффект Мессбауэра на исследуемой линии в присутствии
фильтра полного резонансового поглощения со спектром, не пе-
рекрывающимся с линией определяемой фазы, и эффект Мессбауэра
на линии спектра упомянутого фильтра в присутствии исследуе-
мого образца и по отношению измереных эффектов определяют со-
держание исследуемой фазы.
Применение эффекта Мессбауэра для контроля железной руды
при ее магнином обогащении и использованием в качестве источ-
ника гамма-излучения кобальта-57 позволяет быстро и надежно
определять содержание железа в рудном порошке, что способс-
твует повышению качества железного концентрата.
18.9. Электронный парамагнитный резонанс (открытие-85).
"Установлено неизвестное ранее явление квантовых перехо-
дов между электронными энергетическими линиями парамагнитных
тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной час-
тоты (явление электронного парамагнитного резонанса - ЭПР)"
Суть явления: постоянно в магнитном поле электронные
уровни энергии парамагнитных атомов расцепляются на несколько
подуровней; энергетическая разность подуровней определяется
величиной поля и свойствами вещества; соответствующие кванто-
вые переходы между этими подуровнями иницируются в переменном
(высокочастотном) магнитном поле.
Открытие ЭПР послужило толчком для развития резонансных
методов изучения вещества, в частности акустического парамаг-
нитного резонанса ферро и атиферромагнитного резонанса маг-
нитного резонанса.
При явлении акустического парамагнитного резонанса пере-
ходы между подуровнями иницируются наложением высокочастотных
звуковых колебаний; в результате возникает резонансное погло-
щение звука.
При ферромагнитном резонансе происходит избирательное
поглощение энергии электромагнитного поля: Эта энергия расхо-
дуется на возбуждение коллективных колебаний магнитоупорядо-
ченной структуре ферромагнетика (или антиферромагнетика) (см.
8.7.).
Применение метода ЭПР дало ценные данные о строении сте-
кол, кристаллов растворов; в химии этот метод позволил уста-
новить строение большого числа соединений изучить цепные ре-
акции и выяснить роль свободных радикалов (молекул),
обладающих свободной валентностью в протекании химических ре-
акций. Тщательное изучение радикалов привело к решению ряда
вопросов молекулярной и клеточной биологии.
Метод ЭПР - очень мощный, он практически не заменим при
изучении радиационных изменений в структурах, в том числе и в
биологических. Чувствительность метода очень высока и состав-
ляет 10 в 10-ой и 10 в 11-ой парамагнитных молекул. На приме-
нении ЭПР основан поиск и проверка новых веществ для кванто-
вых генераторов; явление ЭПР используется для генерации
сверхмощных субмиллиметровых волн.
А.с. 292 101: Способ текущего контроля условной вязкости
гудронов и жидких битумов, отличающийся тем, что с целью неп-
рерывности определения пропускают контролируемую струю по
трубопроводу через резонатор спектрометра ЭПР и регистрируют
условную вязкость по амплитуде линии спектра парамагнитного
поглощения.
А.с. 510 203: Способ определения поля у огурцов путем
исследования семян, отличающийся тем, что с целью повышения
производительности труда в селекционном процессе, измеряют
активный сигнал электронного парамагниного резонанса и опре-
деляют характер люминесценции семян по величине сигнала и ин-
тенсивности свечения судят о степени выраженности и принад-
лежности к полу: при величине активного сигнала электронного
парамагнитного резонанса 0,66-0,68 относительных единиц и
слабым свечением растения будут преимущественно мужского ти-
па, а при сигнале 0,48-0,56 относительных единиц и интенсив-
ном свечении - женского типа.
А.с. 516 643: Способ оценки стабильности пластичных сма-
зок путем сравнения свойств исходной и проработавшей в узле
трения смазки, отличающийся тем, что с целью сокращения вре-
мени проведения испытаний микроколичеств смазки, в исходную и
проработавшую смазки вводят стабильный радикал, снимают
спектр ЭПР, определяют частоты вращательной диффузии радикала
и по их отношению оценивают стабильность смазки.
18.10. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Парамагнетизм вещества может быть обусловлен не только
строением электронных оболочек атомов, но и магнетизмом ядер.
Магнетизм ядер, также, как и магнетизм оболочек, может выз-
вать резонансное поглощение энергии в твердрдом, жидком или
газообразном состоянии. Резонансные частоты метода ЯМР лежат
в области 1-100 МГц, чувствительность метода составляет от 10
в 17-ой степени до 10 в 21-ой степени ядер. На применении ЯМР
основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших
измерений магнитных полей, а также для анализа смесей по их
изотопному составу. Сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутс-
твии ядер изотопа углерод-13, что предопредилило применение
ЯМР и его разновидности - ядерного квадрупольного резонанса -
в химии углеродов, особенно природных (нефть).
А.с. 178 511: Способ измерения расхода жидкостей, осно-
ванный на явлении ЯМР, отличающийся тем, что с целью измере-
ния расхода жидкости, обладающих сильным сигналом магнитного
резонанса используют свободную процессию ядер в магнитном по-
ле земли.
А.с. 344 275: Способ измерения расхода жидкости по А.с.
179511, отличающийся тем, что с целью упрощения устройства
измеряют скорость затухания сигнала ЯМР при движении жидкости
в неоднородном магнитном поле и по ней судят о расходе.
А.с. 550 669: Способ измерения проницаемости пористых
материалов, основанный на явлении ограниченной самодиффузии
молекул жидкости, включающий ядерно-магнитные резонансные из-
мерения с импульсным градиентом магнитного поля, причем ин-
тервал времени между импульсами градиента устанавливают боль-
ше, чем время, необходимое для диффузии молекул на
расстояние, равное размеру пор в образце, измеряют сигнал эха
образца, отличающийся тем, что с целью получения достоверного
значения проницаемости увеличивают интервал времени между им-
пульсами градиента при фиксированной их амплитуде, повторяют
измерение амплитуды сигнала эха и по зависимости амплитуды
эха от интервала между импульсами градиента судят о проницае-
мости.
18.11. Эффект Оверхаузера-Абрагама.
В том случае, если в атоме имеет место и ядерный, и
электронный парамагнетизм, то их взаимодействие приводит к
изменению интенсивности сигнала ЯМР. При возрастании насыще-
ния электронного парамагнитного резонанса и образце с пара-
магнитными ядрами наблюдается значительное увеличение интен-
сивности ЯМР (Оверхаузер 1953). Этот эффект был использован
для разработки метода динамической поляризации ядер; вещество
с поляризованными ядрами очень чувствительно как к величине
магнитного поля, так и ее изменению. Это свойство и лежит в
основе практически: применений эффекта.
Патент США в 3 559 045: Магнитный градиометр, служащий
для измерения разницы между магнитными полями в двух зонах,
содержит два ядерных фильтра - по одному в каждой зоне. Каж-
дый из ядерных фильтров является фильтром такого типа, в ко-
тором исползуется эффект Обрхаузера-Абрагама, и выдает выход-
ной сигнал, который усиливается иподводится к одному из
входов операционного усилителя. Выходной сигнал усилителя
расщепляется и подводится к входной катушке двух фильтров.
Фазометр измеряет разность фаз входных сигналов операционного
усилителя, который может быть суммирующего или дифференциаль-
ного типа, что определяется фильтром ядерного фильтра (с пе-
рекрещивающимися или параллельными катушками). Разность фаз
находится в прямой зависимости от разности между полями.
Л И Т Е Р А Т У Р А
18.6. А.Хирный и др., Эффект увеличения коррозионной стойкос-
ти металлов, облученных ионами гелия. Доклады АН СССР, Т.214,
НР-1, 1974.
18.7. Л.Мельников. Свет из ловушки. "Химия и жизнь",нр-1,1976
18.8. В.И.Гольданский. Эффект Мессбауэра и его применение в
химии, изд. АН СССР, 1964
А.с. 181752, 247424, 297912, 346693.
18.9. Парамагнитное поглощение звука, УФН, 1961, Т.75, нр-3
Дж.Пейк. Парамагнитный резонанс. М., "Мир", 1965
18.10. И.В.Александров, Теория ядерного магнитного резонанса.
М., 1964
А.Абрагам. Ядерный магнетизм. М., ИЛ, 1963
А.Каррингтон и др. Магнитный резонанс и его применение в хи-
мии. М., "Мир", 1970
18.11. Г.Хуцишвили. УФН., 1960, т.71.
19. РАЗНОЕ
В этом разделе даются краткие сообщения о некоторых эф-
фектах, по какой-либо причине невошедшие в предыдущие главы
"Указателя". В некоторых случаях это обьясняется несовершенс-
твом принципа, положенного нами в основу систематизации физи-
ческих эффектов, в других - эффекты привлекли наше внимание
уже после написания основных разделов, некоторые эффекты воб-
ще трудно было назвать физическими, как например, эффект Ме-
биуса. Тем не менее, многие из них, по нашему мнению, могут с
успехом использоваться в изобретательской практике.
19.1. Термофорез.
Если нагретое тело поместить в обьем, заполненный аэро-
золем, т.е. мелкими частицами, взвешенными в воздухе, напри-
мер, дымом или туманом, то вокруг тела возникает так называе-
мая темная зона (среда, свободная от аэрозоля), толщина
которой зависит от разности температур тела и среды, давления
газа, размера и формы тела и не зависит от его химического
состава. Горячее тело как бы отталкивает от себя частицы аэ-
розоля.
Это явление обусловлено термофоретическими силами,
действующмими со стороны газообразной среды на находящееся в
ней неравномерно нагретые тела (в частности, частицы аэрозо-
ля). Термофоретические силы возникают вследствие того, что
газовые молекулы у более нагретой стороны частицы сильнее
бомбардируют ее, чем у менее нагретой стороны, и потому сооб-
щает частице импульс в направлении убывания температуры. Ве-
личина термофоретических сил пропорциональна квадрату радиуса
частицы, скорость же движения частицы под действием этих сил
- скорость термофореза - не зависит от ее размера вследствие
соответствующего возрастания силы сопротивления среды.
А.с. 261 400: Способ зарядки частиц, заключающийся в
том, что при помощи коронного разрядника, содержащего зазем-
ленный металлический электрод и коронирующие проволочки,
подключенные к одному из полюсов высоковольтного источника
тока, получают поток ионов определенного знака движущихся к
металлическому электроду и сообщающих заряд частицам аэрозо-
ля, отличающийся тем, что с целью улучшения условий эксплуа-
тации коронного разрядника и повышения качества электрофотог-
рафических изображений, получаемых пылевым методом
проявлений, заземленный металлический электрод и коронирующие
проволочки нагревают, например, электрическим током до такой
температуры, при которой ввиду проявления термофоретических
сил заряженные частицы аэрозоля не могут осаждаться в области
плазмы коронного разряда.
19.2. Фотофорез.
Если аэрозоль осветить интенсивным направленным пучком
света, то аэрозольные частицы начинают совершать упорядочен-
ные движения, причем некоторые из них в направлении распрост-
ранения света (положительный Ф.Ф.), а другие навстречу ему
(отрицательный Ф.Ф.). Наиболее сильно Ф.Ф. проявляется на ок-
рашенных частицах. Тип Ф.Ф. зависит от цвета и от ее размера.
В основе явления лежит совместное действие на частицу
светового давления и термофоретических сил. Преобладание од-
ного из этих факторов определяет тип Ф.Ф. Так, для мелких
частиц основным фактором является световое давление, оно и
обуславливает в данном случае положительный фотофорез.
19.2.1. Интенсивное явления обнаружено в аэрозолях селе-
новой и железной пыли. В этих системах под влиянием светового
потока аэрозольные частицы начинают двигаться в направлении
перпендикулярном направлению распространения света.
19.3. Стробоскопический эффект.
Если быстро вращающееся тело освещать импульсами света,
частота следования которых совпадает с круговой частотой вра-
щения, то наблюдатель будет видеть тело как бы неподвижным.
Это позволяет рассматривать особенности его поверхности или
какие-либо ее изменения, не останавливая вращения тела.
А.с. 515 936: Способ определения окружных люфтов транс-
миссий с ведомым и ведущими валами, заключающийся в том, что
на ведомом валу наносят базовую метку и вращают его с опреде-
ленной и постоянной угловой скоростью, отличающийся тем, что
с целью повышения точности определения люфтов, освещают базо-
вую метку стробоскопическими импульсами с частотой при кото-
рой метка кажется неподвижно изменяют синхронно скорость вра-
щения ведущего вала и частоту импульсов и определяют угол
отклонения метки от первоначального ее положения, по которому
судят о люфтах трансмиссий.
Если частоты световых импульсов и вращения тела несколь-
ко отличаются, то будет наблюдаться кажущееся вращение тела,
скорость которого гораздо меньше действительной скорости вра-
щения. Сказанное справедливо и для поступательного (колеба-
тельного) движения тел.
Стробоскопический эффект лежит в основе кино. Отдельные
изображения последовательных стадий движения, быстро сменяя
друг друга, создают иллюзию непрерывного движения. При этом
важную роль играет особенность нашего светового восприятия -
инерционность, глаз как бы "видит" изображение предыдущего
кадра некоторое время после того, как экран погас.
Движение в кинофильме может быть ускоренным или замед-
ленным в зависимости от соотношения частот сьемки и воспроиз-
ведения, что используется для визуализации быстро - или мед-
ленно - протекающих процессов.
Несмотря на свою простоту, стробоскопический метод может
являться основой многих тонких исследований.
А.с. 255 684: Фазовый способ измерения длины волны уль-
тразвука, основанный на использовании стробоскопического эф-
фекта при помощи бегущих ультразвуковых волн, отличающийся
тем, что с целью повышения точности, модулируют одну из бегу-
щих ультразвуковых волн, освещаемых пучком света, по фазе,
наводят последовательно ось фотоэлектрического микроскопа на
максимум освещенности видимого изображения и по расстоянию
между соседними максимумами судят о длине ультразвуковой вол-
ны.
В заключении отметим, что стробоскопический эффект явля-
ется ярким проявлением закона согласования ритмики частей
системы.
19.4. Муаровый эффект.
При наложении двух систем контрасных полос возникает
узор, образованный их сгущениями в местах, где полосы одной
системы попадают в промежутки между полосами другой системы.
Возниконовения таких узоров называют муаровым эффектом.
Простейший муаровый узор возникает при пересечении под
небольшим углом двух систем равноудаленных параллельных полос
(линий). Небольшое изменение угла поворота одной из систем
ведет к значительным изменениям расстояния между элементами
муарового узора.
19.4.1. Муаровый узор образуется также при наложении
двух непересекающихся систем равноудаленных параллельных ли-
ний, когда величина шага одной из систем слегка отлична от
другой. При этом, чем меньше разница в шаге, тем больше расс-
тояние между муаровыми полосами. Это позволяет получить ко-
лоссальное увеличение (в миллионы раз) разницы в ширине про-
межутков между линиями. Иначе говоря муаровый эффект дает
возможность визуально без применения оптических систем, обна-
руживать ничтожные отклонения в почти одинаковых периодичес-
ких структурах. В настоящее время метод муара широко применя-
ют при контроле точности делительных устройств для
изготовления дифракционных решеток.
19.4.2. Муар возникает на электронной микрофотографии
двух кристаллов, наложенных таким образом, что их атомные ре-
шетки почти совпадают. Любой деффект нарушающий регулярность
структуры кристалла, четко проявляется в муаровом узоре. Уве-
личение при этом таково, что позволяет видеть смещения ато-
мов, величины которых меньше диаметра самого атома.
19.4.3. Если две решетки из равноудаленных параллельных
прямых, несколько отличных по вельчине шага, двигать одну от-
носительно другой в направлении, перпендикулярном линиям, то
полосы муарового узора будут двигаться со скоростью гораздо
большей, чем относительная скорость движения самих решеток.
При этом направление их движения совпадает с направлением от-
носительного смещения решетки с меньшим шагом. Таким образом,
малое перемещение одной из решеток приводит к значительному
перемещению полос муара, которое легко обнаружить и измерить.
А.с. 297 861: Способ определения деформаций по картине
муаровых полос, отличающийся тем, что с целью повышения точ-
ности измерения деформаций, определяют отношение скоростей
взаимного премещения деформированной и эталонной сеток и ско-
рости перемещения муаровой полосы и по величине этого отноше-
ния судят о величине деформаций.
Описанное проявление муарового эффекта издавна использу-
ется во всех измерительных приборах, обладающих нондусом, та-
ких, как микрометр или штангенциркуль.
19.4.4. С помощью эффекта муара можно визуализировать
ничтожные изменения показателя преломления прозрачных сред,
помещая их между решетками. Так, например, можно визуально
изучить динамику расстворения двух веществ.
19.4.5. Этот же принцип позволяет производить экс-
пресс-анализ качества оптических деталей. Линзы помещают меж-
ду решетками, наличие выпуклой линзы увеличивает элементы му-
арового узора, вогнутой - уменьшают. При этом обе линзы
поворачивают узор в противоположных направлениях на угол,
пропорциональный фокусному расстоянию. В местах неоднороднос-
тей структуры или формы линз линии узора искажаются.
Еще пример контроля оптики!
А.с. 515 937: Интерференционный способ измерения клино-
видности оптических прозрачных пластин, заключающийся в том,
что пучок света от лазера фокусирует с помощью обьектива в
плоскость отверстия в экране, за которым установливают конт-
ролируемую пластину, отличающийся тем, что с целью повышения
точности и производительности измерений, от контролируемой
пластины при ее фиксированном положении получают прозрачную
копию интерференционных колец, поворачивают пластину в ее
плоскости на 180, накладывают интерференционную картину на
копию и по ширине муаровых полос, образовавшихся от наложе-
ния, измеряют клиновидность платины.
Множество муаровых узоров можно получить, совмещая ре-
шетки, образованные самыми различными линиями, например кон-
центрическими окружностями, спиралевидными волнообразными или
радиально исходящими из точки линиями и даже семействами рав-
номерно расположенных точек. Таким образом можно моделировать
многие сложные физические явления, такие, как взаимодействие
электростатических полей, интерференция волн и другие. Подоб-
ными методами решаются некоторые задачи архитектурной акусти-
ки.
В Японии предложено использовать муаровый эффект для
составления топографических карт предметов. Обьект фотографи-
руют через решетку из тонких нитей, сбрасывающую на него чет-
кую тень. Тень деформируется в соответствии с рельефом обьек-
та и при взаимодействии ее с реальной решеткой возникает
муаровый узор, наложенный на изображение обьекта. На фотогра-
фии расстояние между линиями муара соответствует глубине
рельефа. Такой метод очень эффективен, например, при изучении
деформации быстровращающихся деталей, при анализе обтекания
тел поверхностным слоем жидкости в медицинских исследованиях
анатомического характера.
Универсальность метода муара, простота преобразования с
его помощью различных величин, близка к ИКР, высокая разреша-
ющая способность - все это говорит о том, изобретатели еще не
раз обратятся в своей практике к муаровому эффекту.
19.5. Высокодисперсные структуры.
Одной из тенденций развития технических систем является
увеличение степени дисперсности входящих в них веществ. При
этом наблюдаются качественные изменения свойств дисперсной
структуры по сравнению со свойствами монолитного нераздроб-
ленного вещества.
Высокодисперсные структуры подразделяются на сыпучие,
консолидированные и коллоидные. Из сыпучих порошков особый
интерес представляют ферромагинтные порошки, так как ими лег-
ко управлять магнитным полем (1), и их можно вводить ввиде
индикаторных добавок в немагнитные вещества с целью выяснения
условий действующих внутри исследуемого вещества (температу-
ры, давления и т.п.).
А.с. 239 643: Способ определения степени затвердевания
полимерного состава. В полимер в небольшом колличестве вводят
ферромагнитный порошок. Полимер затвердевая сдавливает части-
цы порошка, который при этом меняет свои магнитные свойства,
что легко обнаружить.
19.5.1. Консолидированные тела - это тела, полученные
путем прессования или спекания мелкого порошка (размеры час-
тиц от 10 до 100 мкм). Консолидированные тела обнаруживают
много интересных свойств (2), отличающих их от сплошного те-
ла, состоящего из того же вещества. Например, при консолиди-
ровании порошка путем прессования можно получить анизотропные
тела, несмотря на то, что вещество, составляющее частицы ве-
щества, изотропно. Параметры такого консолидированного тела
(электропроводность, теплопровоность, распространение звука,
модуль упругости и т.п.) в направлении прессования выше, чем
в сплошном теле из того же вещества, причем все свойства из-
меняются практически на один и тот же масштабный коэффициент
пропорциональности. Зная, в каком масштабе искажена одна из
условных характеристик пористого образца (например, электроп-
роводность), можно легко определить масштабы искажения и дру-
гих характеристик этого образца (теплопроводности, скорости
звука, модуля сжатия, коэффициента Пуассона и т.д.), а зна-
чить легко можно определить и сами характеристики данного об-
разца. Контролируя какую-нибудь из легкоизмеряемых характе-
ристик пористого тела в процессе его консолидации можно
однозначно определить изменения интересующих нас других его
характеристик.
19.6. Электрореологический эффект.
Электрореологическим эффектом называется быстрое обрати-
мое повышениеэффективной вязкости неводных дисперсных систем
в сильных электрических полях (3).
Электрореологические супсенции состоят из неполярной
дисперсной среды и твердой дисперсной фазы с достаточно высо-
кой диэлектрической проницаемостью. Дисперсными средами могут
служить неполярные или слабополярные органические жидкости с
достаточно высоким электрическим сопротивлением (порядка 10
ом.см). Например, светлые масла (валелиновое, трансформатор-
ное, растительные мала (косторовое), диэфиры (дибутилсебаци-
нат), нефтановые углеводороды (циклогексан), керосин, загу-
щенный малыми добавками полиизобутилена. В качестве
дисперсной фазы широко применяется кремнезем в различных мо-
дификациях. Размеры частиц не более 1 мкм.
Электрореологический эффект не проявляется заметно
вплоть до некоторой пороговой напряженности электрического
поля. Величина ее зависит от состава суспензии и температуры.
После достижения значения Eкр эффективная вязкость растет
приблизительно квадратично, но не до бесконечности, а до ее
насыщения.
Эффект наблюдается и в постоянных и в переменных полях.
При увеличении частоты поля кажущаяся вязкость вначале оста-
ется неизменной, затем падает. Вид зависимости эффекта от
частоты зависит от состава дисперсной системы.
Электрореологические суспенсии весьма чувствительны к
изменениям температуры. Нагрев снижает абсолютную величину
эффективной вязкости системы. С ростом температуры влияние
электрического поля постепенно невилируется.
19.7. Реоэлектрический эффект.
Под действием сдвига в так называемых электрочувстви-
тельных дисперсных системах происходят изменения диэлектри-
ческой проницаемости, электропроводности и тангенса угла диэ-
лектрических потерь. Такие изменения диэлектричеких
параметров предложено называть реоэлектрическим эффектом.
Важное значение реоэлектрического эффекта для практики связа-
но с возможностью получения на его основе электрически ани-
зотропных материалов, в частности электронов. Если частицы
дисперсной фазы несут заряд преимущественно одного знака, в
концентрированных системах при наложении электрического поля
наблюдается электросинерезис - сжатие структурного каркаса в
целом у одного электрода и выделение дисперсной среды у дру-
гого.
В суспезиях, если частички несут положительный или отри-
цательный заряд, под влиянием электрического поля протекает
электрофорез (см.12) и соответственно на катоде или на аноде
осаждается слой дисперсной фазы. Это свойство используется
для создания информационных табло и экранов отображения -
плоских устройств для показа картин с помощью дисперсных сис-
тем, прозрачность которых изменяется под влиянием электричес-
кого поля.
Области возможного практического применения электрорео-
логического эффекта чрезвычайно разнообразны и широки:
1. регулирование движения жидкости, прокачиваемой через
узкий канал;
2. конструкции муфт сцепления, тормозов и других фрикци-
онных устройств;
3. зажимные и фиксирующие устройства ( если пленку
электросвязкой жидкости нанести на тонкую пластину диэлектри-
ка, с другой стороны которого располагаются электроды, соеди-
ненные с источником одно или трехфазного тока, то электропро-
водный эффект, установленный на пластине, будет жестко
зафиксирован "затвердевший" пленкой при наложении достаточно
интенсивного электрического поля);
4. жидкие электрогенераторы, преобразователи тока;
5. электрокинетические весы, примеры использования
электрореологического эффекта подробно рассмотрены в (3).
19.8. Жидкие кристаллы.
Представим себе жидкость, молекулы которой имеют удли-
ненную палочкообразную форму. Силы взаимодействия "выстраива-
ют" их параллельно друг другу и ведут они себя как обычные
молекулы жидкости, но с учетом единственного ограничения -
при всех перемещениях должно сохраняться (в целом) некоторое
выделенное направление длинных осей. У такой жидкости будут
различные оптические и другие характеристики (например, теп-
лопроводность) в различных направлениях, т.е. они будут ани-
зотропной. А ведь анизотропия всегда считалась отличительной
чертой кристаллического состояния!
Жидкость, описанного выше типа, принадлежит обширному
классу веществ, называемых нематическими жидкими кристаллами.
Слово "немос" по-гречески "нить", и, действительно, молекулы
таких жидких кристаллов напоминают бусинки, укрепленные на
нити.
Возможны и другие типы молекулярной архитектуры, создаю-
щие анизотропию. Укладка молекул слоями и пачками приводит к
еще одному классу жидких кристаллов - сметическим. Такая упа-
ковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и
механических свойств, посколько слоя легко смещаются относи-
тельно друг друга. Название этой группы связано с греческим
словом "смектос" (мыло). Такое расположение молекул характер-
но для мыльных растворов, эмульсий и т.д.
Третьим распространенным типом жидких кристаллов являют-
ся холестерические, в которых молекулы укладываются в плос-
костях подобно описанным выше нематическим кристаллам, но са-
ми плоскости повернуты друг относительно друга. Вектор,
связанный с длинной осью, так называемой "директор", описыва-
ет в пространстве спираль. Названием этот класс жидких крис-
таллов обячзан печально известному холестирину, у которого
впервые были обнаружены подобные свойства.
19.8.1. Прежде всего было найдено, что воздействие
электрического поля на жидкие кристаллы приводит к электрооп-
тическим эффектам, не имеющих аналогов среди прочих оптичес-
ких сред. Электрооптическая ячейка состоит из двух стекол,
между которыми находится тонкий слой жидкого кристалла. Окра-
шенные поверхности стекол обработаны таким образом, что они,
оставаясь прозрачными, пропускают электрический ток. Таким
образом получают как бы прозрачный конденсатор, диэлектриком
внутри которого служит слой жидкого кристалла.
19.8.2. Первым из открытых и, пожалуй наиболее впечатля-
ющих эффектов стало динамическое рассеяние. При определенном
значении приложенного поля жидкость между электродами как бы
становится мутной. Свет, до сих пор беспрепятственно прихо-
дивший через жидкий кристалл, рассеивается, и участки с повы-
шенной напряженностью поля становятся видны.
Этот простой эффект имеет большую практическую ценность.
Электропроводящие участки поверхности стекла могут быть
выполнены ввиде букв или любых геометричеких фигур. Подавая
на них соответствующие напряжения, можно формировать различ-
ным образом прозрачные и непрозрачные участки, то есть с нич-
тожными затратами энергии создавать подвижные и неподвижные
картины. Использование динамического рассеяния на слое жидко-
го кристалла толщиной в несколько микрометров позволяет полу-
чить изображение, затрачивая мощность порядка микроваттов.
При этом из-за тонкости слоя жидкого кристалла необходимое
напряжение на ячейке составит всего несколько вольт.
19.8.3. Удивительные превращения происходят с лучом све-
та при взаимодействии с колестерическим жидким кристаллом, т.
е. периодической спиралью. Освещенный белым светом, он кажет-
ся окрашенным и при поворотах (при изменении угла наблюдения)
начинает переливаться всеми цветами радуги. Этот эффект воз-
никает потому, что в различных направлениях чешуйки кристал-
ла, отражающие свет, расположены на различных расстояниях и
отражают из белого цвета лишь волны с определенной длинной.
Такой простой и красивый эффект дает ошеломляющую
возможность.
Например, пусть какой-то участок поверхности нагрет на
сотые доли градуса выше окружающих. Приложим к этой поверх-
ности пленку с нанесенным слоем холестерического жидкого
кристалла. В "горячей" точке шаг спирали чуть-чуть увеличится
и на пленке появится точка иного цвета. Покрыв готовое изде-
лие (это может быть интегральная схема или деталь двигателя)
слоем холестерического вещества, можно получить цветную кар-
тину тепловых направлений, на который контрастными пятнами
поступают любые дефекты, и неоднородности, даже скрытые дале-
ко в стуктуре, благодаря неодинаковой их теплопроводности.
19.8.4. Цвет окраски жидкого кристалла однозначен с тем-
пературой нагретой поверхности. Этот эффект лежит в основе
разработанного преобразователя инфракрасного изображения в
видимое.
Основным элементом этого устройства является пленка хо-
лестерического жидкого кристалла, повешенная на тонкую черную
мембрану. Мембрана поглощает сфокусированное на ней инфрак-
расное излучение и передает тепло слою жидкого кристалла.
Цвет жидкокристаллической пленки (в отраженном свете) зависит
от температуры, поэтому при освещении пленки белым светом по-
лучается видимое изображение инфракрасного излучения. Напом-
ним, что для преобразования инфракрасного излучения в видимое
обычно используют преобразователи на основе фотоэмиссионных
или фосфороресцирующих устройств с весьма сложной и дорогос-
тоящей электроникой. Предельная простота и малая стоимость
делает жидкокристаллические преобразователи несравненно более
выгодными.
Из смеси холестерических веществ можно изготавливать
температурные индикаторы в интервале температур от 20 до 250
C. Индикаторы представляют собой тонкую гибкую пленку жидкого
кристалла, заключенную между двумя полимерными пленками. Та-
кую пленку можно накладывать на поверхности деталей для ре-
гистрации температурных градиентов в различных направлениях.
19.8.5. Жидкие кристаллы холестерического типа (или их
смеси) весьма чувствительны к присутствию паров различных хи-
мических веществ. Присутствие крайне малого количества пара
может изменить структуру жидкого кристалла. С помощью жидкого
кристалла удается установить присутствие в воздухе пара при
его концентрации - несколько частей на миллион. Этот способ
имеет большую практическую ценность.
19.9. О смачивании.(к 3.3.2.)
19.9.1. Эффект растекания жидкости под окисными пленка-
ми металлов. Обычно окисные пленки затрудняют смачивание
твердых металлов из-за резкого различия химической природы
окисла и металла. Тем не менее во многих системах, несмотря
на наличие окисной пленки, жидкие металлы смачивают поверх-
ность твердого металла. Смачивание происходит вследствие про-
никновение расплава под окисный слой с последующим растекани-
ем в своеобразном капиллярном "зазоре" между окисной пленкой
и твердым металлом.
Растекание может может происходить не только под окис-
ными пленками, но и под некоторыми твердыми покрытиями. Эф-
фект зависит от напряжений, сжимающих тело или окисную плен-
ку.
Используется при пайке, сварке и склеивании.
19.9.2.Эффект капилярного "клея" - сцепление частиц,
плстин и т.д.,разделенных тонкой прослойкой смачивающей жид-
кости. Капилярное давление способствует повышению прочности
тонкодисперсных пористых структур.
19.9.3.Теплота смачивания - выделяется при смачивании
(в том числе и рпи избирательном смачивании). Является харак-
теристикой имерсионного смачивания(в том числе смачивания по-
рошков).
Используется для получения информации о свойствах тела
(подложки).
19.9.4. Магнитотепловой эффект смачивания - изменение
теплоты смачивания между твердым телом и жидкостью,прошедшей
магнитную обработку.Например,теплота смачивания при контакте
с углем воды,прошедшей через магнитное поле,возрастает на
30%. Изменения смачивания ,вызванные действием магнитного по-
ля, нестабильны;они исчезают через некоторое время(от нес-
кольких часов до несколькихсуток).
Л И Т Е Р А Т У Р А .
Сумм Б.Д.,Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и
растекания.М.,"Химия",1976
Дерягин Д.В. Свойства тонких жидких слоев и их роль в дис-
персных системах.М.,Издат-во Всесоюзного совета научно-инж. и
техн.о-в,1973.
19.10. Если взять бумажную ленту,облизить ее противопо-
ложные концы так,чтобы получилось кольцо,а затем развернуть
один из концов на 180 градусов и склеить ее друг с другом,то
мвы получим т.н. кольцо Мебиуса,тело,обладающее очень инте-
ресным свойством. Можно ли одновременно находится и снаружи и
внутри кольца? Явное физическое противоречие . Однако,оно
легко преодолевается , если это кольцо - кольцо Меблуса, это
тело имеет лишь одну неверность, и потому, например,муравей,
ползущий по внутренней поверхности нашего бумажного кольца,
не переползая через край полоски, может оказаться на "наруж-
ной" поверхности кольца. Кольцо Меблуса не одинаково среди
подобных тел, так, например, сущесвует и "одноповерхностная"
бутылка.
А.С.N.444682 Устройство для формирования детали из по-
лимерных материалов, например,мембран из провинилта,содержа-
щее замкнутую ленту с формирующими элементами, натянутую на
барабан,ведущий из которых снабжен нагревателем и напрвляющее
ролики, отличающееся тем,что,с целью повышения долговечности
ленты , они выполнены в виде ленты Меблуса с формирующими
элентами на двух ее сторонах.
см.так же А.С.N 446011
19.11. Обработка магнитными электрическими полями.
Омагничивание воды.Это словосочетание прочно вошло в
изобретательскую практику.И неважно,что до сих пор нет четко-
го объяснения изменения свойств воды после наложения на нее
магнитьного поля(1-3). Важно что применение этого эффекта
позволяет интенсифицировать многие процессы.
А.С.N 511644. Способ изготовления лиминесцентного экра-
на путем осаждения люминафора из водной суспезии, содержащей
силикат калия, отличающийся тем,что, с целью увеличения яр-
кости свечения экрана, воду для приготовления суспенции пред-
варительно пропускают через постоянное магнитное поле.
Некоторые изобретатели предпочитают использовать враща-
ющее магнитное поле.
А.С.N 423767. Способ обработки воды затворения строи-
тельной смеси, например, при производстве бетонных изде-
лий,заключающийся в воздействии на нее магнитным полем, отли-
чающийся тем,что с целью повышения и стабилизации прочности
изделий, на воду затворения воздействуют вращающимся магнит-
ным полем с напряженностью 100-2000А (СМ.при промышленной
частоте эл.тока и скорости протекания воды 0,5-2,5 м/сек.)
Начали обрабатывать магнитным полем и др. вещества .
А.С.N427953. Способ обработки композиций на основе ла-
текса, обработанного переменном или постоянном магнитном по-
лем, отличающийся тем,что с целью улучшения физико-мех. и тех
-ких свойств мастик и клеев на основе латекса , латикс про-
пускают через магнитное поле напряженностью от 400 до 2000 в
перпендикуляно его силовым линиям со скоростью 0,1-5,0 м/сек
В некоторых случаях в изображениях одинаково хорошо ра-
ботает и магнитное, и электрическое поле.
А.С.N 484245. Способ обработки смазочно-охлаждающей жид-
кости, отличающейся тем,что с целью повышения стойкости режу-
щего инструмента и повышения смазочных свойств жидкости, пос-
леднюю подвергают воздействию эл. или магн.поля.
Л И Т Е Р А Т У Р А .
1. В. Классен .Перспективы применения магнитной обработки
водных систем химической промышленности."Химическая промыш-
ленность" N1,1974.
2. Н.И.ЛЫШАГИН К изменению свойств омагниченной во-
ды."Изв.высш. учеб.заведений. Физика,1974,нр 2, стр.44-103.
3. "Изобретатель и рационализатор",1975,нр 10,26.
4. А.С.NN422562,542526,518553,416047,346553,496253,496146.
Приложение N.1
Возможные применения оторых физических эффектов и явле-
ний при решении изобретательских задач.
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Тепловое расширение и вызванное им изменение собственной
частоты колебаний (3.1;5,1; ).Фазовые переходы (3.2;
6.6.1,8.1.3.1,8.1.4.1, 7,5.6,8.1.6,8.8).Изменение магнитных,
электрических и оптических свойств(6.5, 7.1.1,1, 8.1.2, 13.2.
1,13,3, 13.4, 15.7, 15.8, 16.3.1)Пиро-и термоэлекрические эф-
фекты(5.5, 9.2).Термосртикция (8,3.1).Термокапилярный эффект
(3.3.7). Жидкие кристаллы .
ПОНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Фазовые переходы(3.2, 4.3, )Сорбия(3.4) Механокалоричес-
кий эффект(4.3.3)Магнитокалорический эффект(8.2).Эффект Джоу-
ля-ТОМСОНА (4.6.1).Излучение (6.11.1; 13.4.3).Термоэлектри-
ческие и термомагнитные явления (9.2.2; 10.1.2, 10.2.2).
Диффузия(75).
Повышение температуры
Трение (1.3)Сорбция(3.4).Механокалорический эф-
фект(4.3.3) Скачок уплотнения(4.4.2)Тепловое действие токов и
полей (6.4, 6.9, 6.10.1, 6.10.5, 7.1.3, 8.3)Термоэлектричес-
кие и термомагнитные явления (9.2.2, 9.2.3, 10.1.2,
10.2.2)Разряды в газах (11)Излучение (13.1, 13.2, 13.4.3,
13.4.6) Диффузия(3.5) Ультразвуковой нагрев(5.3)
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Фазовые переходы (3.2, 7.5.3, 7.6.3, 8.1.3.1, 8.1.4.1)
ИНДИКАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЬЕКТА
Реверберция (5.2.1) Ультразвук (5.3) Эффект Допплера-Физо
(5.4.2) Интерференция (5.4.5) Голография (5.4.6) Пьезоэлекь-
трический эффект (7.4.2) Оптические методы индикации (13) Ме-
ханооптические явления (16.2). Поляризация (5.4.3) ЯМР
(18.10) Магнитная индукция (6.7) Радиоактивные и другие мет-
ки.
Управление перемещением обьекта
Гравитация (1.2) Тепловое расширение (3.1) Центробежные
силы (1.1.2) Закон Архимеда (4.1.1, 4.2.2,) Подьемная сила
(4.5) Резонанс (5.1.3) Звуковое давление . Действие электри-
ческих и магнитных полей (6.1.1, 6.3, 6.7, 6.8, 6.10.2,
7.4.1, 7.4.3, 8.1.2, 8.1.3, 8.3, 8.5) Световое давление
(13.1.1)
УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЖИДКОСТИ И ГАЗА
Центробежные силы (1.1.2).Поверхностные явления,капиляр-
ность (3.3) Осмос (3.6) .Течение жидкости и газа (4.2) .Эф-
фект Томса (4.4.1) Эффект Коанда (4.4.3) Волновое движение
(5.4) Электрокинетические явления (12).Воздействие электри-
ческих и магнитных полей (6.3) (6.7, 6.8, 6.10.2, 7.4.1, 8.1.
2, с ферромагнитными добавками 8.1.3, 8.5) Свеиовое давление
(13.1.1) Ионизация (11.1.4)
УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ АЭРОЗОЛЕЙ
(ПЫЛЬ,ДЫМ,ТУМАН)
Центробежные силы (1.1.2).Силы инерции и гравиьтации
(1.1, 1.2). Дейсвтие ультразвука (5.3.4) Воздействие электри-
ческих и магнитных полей (6.1.1, 6.3, 6.7.2, 9.1.1). Световое
давление (13.1.1) фото-и термо-форез,конвекция.
ПОЛУЧЕНИЕ СМЕСЕЙ.ОБРАЗОВАНИЕ РСТВОРОВ
Диффузия (3.5) Акустическая кавитация (4.8.2) Колебания ,
ультразвук (5.1, 5.3.2.5) Электрофорез (12.3)
РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ
Гравитация.Центробежные силы (1.1, 1.2) Капилярный полуп-
роводник (3.3.9) Фазовые переходы (3.2) Сорбция
(3.4) Диффузия (3.5) Осмос (3.6) Ультразвук.Стоячие волны
(5.3.2.7) (5.4.1) Резонанс (5.1, 3, 13.4.3) Трибоэлектричест-
во (9.1.1) Электроосмос и элктрофорез (12.1, 12.3)
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЬЕКТА
Гироскопический эффект (1.1.4) Стабилизация в электри-
ческих и магнитных полях (6.3, 6.10.3, 6.10.4, 8.1.1) Вязкоэ-
лектрический эффект (4.2.4) Тепловое расширение (3.1.3)
СИЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.РЕГУЛИРОВАНИЕ СИЛ
СОЗДАНИЕ БОЛЬШИХ ДАВЛЕНИЙ
Силы инерции.Гравитация (1.1, 1.2) Тепловое расширение
(3.1.1) Фазовые переходы (3.2, 7.6.2) Фотоадсорбционный эф-
фект (3.4.2) Гидростатика и гидродинамика (4.1.2, 4.5, 4.7)
Осмост (3.6) Воздействие электрических и других полей (6.7.1,
6.8, 8.1.2, 8.1.3) Пьезоэффект и магнистрикция (7.4.2, 8.3)
Световое и звуковое давление (13.1.1) Упругие деформации
(2.1.5)
РАЗРУШЕНИЕ ОБЬЕКТА
Силы инерции (1.1) Эффект Баушингера (2.1.4) Кавитация
(4.8) Гидровлические удары (4.7) Ультразвук.Резонанс (5.3.1,
5.1.3) Пробой диелектриков (7.1.3) Лазеры (13.4.6)
АККУМУЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ
И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Инерция (1.1) Фазовые переходы (3.2) Деформации (2)
Пьезо эффект (7.4.2) Радиотермолюминисценция (15.4.1) Потен-
циальная энергия в поле гравитации (1.2)
ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
Эффект Александрова (2.2) Тепломассообмен (3.7) Уль-
тразвук (5.3) Волновое движение (5.4) Взаимная индукция (6.9.
1) Электромеханические эффекты (7.4) Взаимодействие электро-
нов с веществом (17.4) Излучение (13.4) Лазеры (13.4.6, 17.6)
Сверхпроводимость (6.6) Световоды (13.2.1) Тепловой диод
(3.1.3) Гидровлические удары (4.7)
ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБЬЕКТА
Зависимость частоты собственных колебаний от размеров
(5.1). Электропроводность (6.5).Изгнитошумовая размерометрия
(6.10). Магнитная индукция (6.7) Супрпарамагнетизм (8.1.7)
Оптические и акустические медоты (13.2, 13.3, 13.4, 16.5.2,
5.3, 5.4) Разряды (11) Упругое рассеяние электронов (18.4.1)
ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБЬЕКТА
Деформация (2).Тепловое расширение (3.1) Фазовые пере-
ходы (3.2, 7.6.2) Электро-и магнитомеханические эффекты
(7.4.1, 7.4.3, 8.3) Нейтронное распухапние (18.5.1)
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ
Трение (1.3) Поверхностные явления (3.3.3.4) Оптические
методы (5.4.3, 5.4.5, 5.4.6, 13.2, 13.3, 15, муар) Электри-
ческие методы (6.5, 6.10.5, 9, 11)
ИЗМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ
Управлени трением (1.3,) Фазовые переходы (3.2) Поверх-
ностные явления (3.3) Сорбция (3.4.) Диффузия (3.5) Эффект
Баушингера (2.1.4) Эффект Томса (4.4.1) Ультразвук (5.3.1,
5.3.2.2) Поверхностный эффект (6.10.5) Разряды (11) Облучение
(13.1, 18.6.1)
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ В ОБЕМЕ
Инверция (1.1) Закон Архимеда (4.1.1) Сводные колебания
(5.1.1) Дефектоскопия (5.2, 5.3, 13.3, 18.1, 18.3) Электро-
магнитные методы (6.5.3, 6.10.1, 7.2., 8.1, 2, 8.1.7, 8.4,
8.7, 9.1, 12.4) Отические методы (18)
ИЗМЕНЕНИЯ ОБЕМНЫХ СВОЙСТВ ОБЕКТА
Фазовые переходы (3.2) Электрические и магнитные поля
(2.1.1, 2.1.2, 2.1.5, 4.2.4, 7.1.2, 6.5, 7.5.6, 8.1.3) Уль-
тразвук (5.3.2) Ионизация (11) Облучение (18.3, 18.4, 18.5,
18.6) Изменение оптических свойств (14.2, 15, 16.17)
СОЗДАНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ
Волновые явления (5.4) Муаровый эффект (фазовые перехо-
ды(3.2) кавитация (4.8)
ИНДИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Движение зарядов (6.1.1, 6.2, 6.7.2, 6.11, 11) Измене-
ние параметров веществ (7.3, 7.4, 7.5, 8, 10, 12, 16, 9,
18.9, 18.10, 14.1, 4, 15.3.1, 15.7, 15.8, 15.9, )
ИНДИКАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
Нагрев вещества излучения (3.1) Фотоэлектрические и фо-
тохимические явления (14) Люминисценция (15) Ионизация (11.1)
Оптикоакустический эффект (13.4.1) Явления микромира (18)
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Эффекты Дозефсона и Ганна (4.3)
Люминисценция (3.4.5, 3.4.4, 4.8.3, 15, 19.2.1) Электрические
методы (6.7, 6.11) Другие методы (17.3, 13.4)
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
Электростатическая индукция. Экранирование (6.2) Сверх-
проводимость (6.6.1) Электромагнитная индукция (6.9) Электро-
калорический эффект (7.5.1) Пьезомагнетики и ильзоэлектрики
(8.1.8, 7.4.2)Магнитоэлектрики( 8.1.9) Контактные ,термоэ-
лектрические и эммиссионные явления (9) Гальвано и термомаг-
нитные явления (10) Электрокинетические явления (12) Фотоэ-
лектрические явления (14.1)
УПРВЛЕНИЕ СВЕТОМ
Отржение и преломление света (13.2) Влияние анизотропии
(16) Нелинейные эффекты (17)
ИНИЦИИРОВАНИЕ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Скачок уплатнения (4.4.2) Кавитация (4.8) Ультразвук
(5.3, 5.4) Разряды (11) Излучения (13.1, 13.4.6, 14.2, 16.5.1
18.3, 18.4, 18.5, 18.6)
К таблице
Если указана одна цифра (нр. главы) то нужно проработать всю
главу. Если указаны две цифры (нр.главы раздела),то следует
проработать все эффекты из этого раздела.
