Дросселирование жидкостей и газов
Дросселирование – это понижение давления и, следовательно, расширение движущегося газа, пара или жидкости при прохождении через дроссель (местное гидродинамическое сопротивление – сужение трубопровода, вентиль, кран, пористая перегородка и др.). Этот процесс широко применяется для измерения и регулирования расхода жидкостей и газов.
Адиобатическое (без теплообмена с окружающей средой) дросселирование обычно сопровождающиеся изменением температуры вещества. Этот эффект был обнаружен и исследован в 1852 – 62 годах и назван эффектом Джоуля-Томсона.
Эффект Джоуля-Томсона считается положительным, если вещество в процессе дросселирования охлаждается (ΔТ<0), отрицательным, если нагревается (ΔТ>0). Величина и знак эффекта определяется соотношением между работой вещества и работой сил внешнего давления, а также свойствами вещества.
В зависимости от условий дросселирования одно и то же вещество может как нагреваться, так и охлаждаться. Для каждого реального газа существует температура Ti, при которой (для данного давления) разность ΔT, Т, °С проходя через нулевое значение, меняет свой знак. Такая температура называется температурой инверсии. При малых перепадах давления наблюдается дифференциальный эффект Джоуля-Томсона, при котором изменение температуры также мало.
Эффект Джоуля-Томсона – один из основных процессов, применяемых в технике снижения газов и получения сверхнизких температур.
|
|
|
Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они в процессе адиабатического дросселирования охлаждаются. На рисунке 3.2 для примера приведена кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект положительный, вне кривой – отрицательный, для точек на самой кривой эффект равен нулю [1].
Гидравлические удары
Быстрое перекрытие трубопровода вызывает резкое повышение давления, которое распространяет кинетическую энергию упругой волны сжатия по трубопроводу против течения жидкости. Подход волны к какому-нибудь препятствию (изгибу трубопровода, задвижке и т.д.) вызывает явление гидравлического удара, т.е. резкое изменение давления жидкости, вызванное внезапным изменением скорости ее течения.
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 гидравлическим ударом следует удар кавитационный, возникающий из-за понижения давления за фронтом ударной волны сжатия (явление кавитации рассмотрено далее). Волны сжатия в жидкости возникают также при различного рода взрывных явлениях в движущейся или покоящейся жидкости (глубинные бомбы).
|
|
|
Наличие явления гидравлического удара является вредным фактором для гидросистем, но возможно и позитивное использование этого явления, например для повышения динамической устойчивости энергосистемы при аварии на линии электропередач путем снижения мощности гидротурбины в результате уменьшения напора перед ней путем создания отрицательного гидравлического удара отводом части потока жидкости в резервуар.
Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Юткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжата жидкость, тем выше давление. Электрогидравлический удар применяется при холодной обработке металлов, для очистки электродов от налипшего на них металла при электролизе, для упрочения стальных колец турбогенераторов, при разрушении горных пород, интенсификации химических реакций и в других случаях.
Kавитация
Кавитацией называется образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разряжения (акустическая кавитация) [3].
|
|
|
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 область 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 достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокращение 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 спектром от несколько сотен герц до сотен килогерц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков.
|
|
|
Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давление насыщенного пара жидкости, при котором жидкость становится нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см, реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 °С составляет 260 кг/см. Обычно же разрыв наступает при давлениях, насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей – плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц, частиц, заполненных газом, ионных образований, возникающих под действием космических лучей.
Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их объединение 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 гидравлических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и заставляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказывается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить развитие кавитации, создать так называемый режим суперкавитации, отличающийся струйным характером обтекания и, применив специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разрушению поверхности – так называемой кавитационной эрозии. Чтобы избежать захлопывание кавитационных пузырьков, надо подать в область пониженного давления какой-нибудь газ, например воздух.
Разрушения, происходящие при кавитации, очень часто используют для ускорения различных технологических процессов.
Акустическая кавитация – это образование и захлопывание полостей и жидкости под воздействием звука. Полости образуются в результате разрыва жидкости во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда называется паровой кавитацией в отличие от газовой кавитации интенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных) пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до включения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды давления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторого критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога. Величина этого порога – от давления насыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости кавитационных зародышей). Экспериментально установлено, что величина порога зависит от многих факторов, в частности, порог повышается с ростом гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 1000 атм) статистическим давлением, при обезгаживании и охлаждении жидкости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительности 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 кавитации на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлением насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подъем давления при захлопывании – небольшим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения возникает кавитационное обезгаживание жидкости – образование и всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вблизи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повышение интенсивности звука, излучаемого в жидкости, что влечет за собой снижение нагрузки на излучатель.
Явление соннолюминесценции. В момент захлопывания кавитационного пузырька наблюдается его слабое свечение. Причиной этого явления является нагревание газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его схлопывании. Вспышка может длиться от 1/20 до 1/1000 сек. Интенсивность света зависит от количества газа в пузырьке – если газ в пузырьке отсутствует, то свечение не возникает. Световое излучение пузырька очень слабо и становится видимым только при усилении или в полной темноте.
4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Механические колебания
Колебаниями называют процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяют на: свободные (или собственные) и вынужденные.
Свободные колебания – представляют собой колебания, совершаемые системами, представленными самим себе, около своего положения равновесия. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы.
Вынужденные колебания совершаются под действием внешней периодической силы, например, колебания мембраны микрофона, барабанной перепонки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины магнитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.
Вынужденные колебания, возбуждаемые в системе внешними силами, часто приводят к интенсификации многих, технологических процессов.
Если на сверло наложить в процессе сверления возвратно-поступательные колебания, направленные вдоль его оси, то процесс сверления намного упрощается, так как сверло многократно (с частотой колебания) как бы возвращается в исходное положение, поэтому его не уводит, трение уменьшается, повышается чистота поверхности сверления.
Особую роль в колебательных процессах играет явление резонанса – резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, наступающего при приближении частот собственных и вынужденных колебаний системы. Явление резонанса используется для интенсификации различных технологических процессов.
Автоколебания – незатухающие колебания, которые осуществляются в неконсервативной системе при отсутствии переменного внешнего воздействия (за счет внутреннего источника энергии), причем амплитуда и период этих колебаний определяются свойствами самой системы. Классический пример автоколебательной системы – маятниковые часы. Как правило, автоколебательные системы склонны к самовозбуждению.
Акустика
Акустоэлектрический эффект –возникновение проводящего тока или ЭДС в проводящей среде (металл, полупроводник) под действием бегущей ультразвуковой волны. Появление тока связано с передачей импульса (и соответственно энергии) от ультразвуковой волны электроном проводимости. Это приводит к направленному движению носителей - электрическому току в направлении распространения звука.
В замкнутой цепи, состоящей из кристалла CdS с металлическими электродами, перпендикулярными направлению распространению звука, и измерительного прибора, будет протекать акустоэлектрический ток. Если же цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрическая разность потенциалов.
Наряду с продольными можно наблюдать и поперечный эффект, то есть возникновение разности потенциалов на электродах кристалла, расположенных параллельно направлению распространения звука. Эффект имеет место и при упругих поверхностных волнах.
Применение: измерение интенсивности ультразвука в твердых телах, структуры звукового поля, для исследования электрических свойств полупроводников.
Рис. 4.1. Схема измерителя акустоэлектрической ЭДС:
1 – кристалл CdS; 2 – электроды; 3 – звукопроводы;
4 – излучатель; 5 – приемник
Одним из широко известных колебательных движений является звук – продольные колебания частичек среды, в которых распространяется звуковая волна.
Акустические (звуковые) колебания, как и механические колебания, часто используют для интенсификации различных технологических процессов.
Акустические колебания различной частоты по разному воздействуют на животных.
На основе этого в США разработаны устройство и способ, предназначенные для разгона животных. С этой целью мозг животных подвергается действию раздражающих колебаний со спектром, лежащим в звуковом диапазоне частот, представляющий собой совокупность многочисленных колебаний, успокаивающих мозг животных. Раздражающие колебания действуют на мозг животного одновременно с успокаивающими колебаниями при этом осуществляется модуляция раздражающих колебаний успокаивающими.
Характер звуковых колебаний зависит от свойства источника звука, поэтому, измеряя различные характеристики звуковых колебаний, можно установить характеристики источника звука. А зная характеристики звуковой волны, можно по ее изменению 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 проходящим сквозь них звуковым волнам разных частот.
Звук распространяется в воздухе с определенной скоростью. Если в какой-то определенной системе координат возникает звуковой импульс, то по времени прохождения его к осям координат, которое может быть зафиксировано приемниками звука, можно определить координаты источника звука. Такой путь и избрали в институте Кибернетики АН БССР.
При использовании ЭВМ в качестве автоматического проектировщика необходимо вводить в нее графическую информацию. С этой целью графическая информация предоставляется в виде набора различных кривых, координаты которых вводятся с помощью миниатюрной искры, возникающей при соприкосновении специального звукового карандаша (Электроакустического преобразователя) с любой из точек чертежа, звук который достигает системы координатных микрофонов, расположенных по краям чертежа. Одна система выдает координату по Х, другая по У.
При подходе к преграде акустические волны отражаются (эффект известен как эхо). Поэтому, если в закрытом помещении включить и сразу выключить источник звука, то возникает явление реверберации т.е. послезвучание, обусловленное приходом в определенную точку запоздавших отраженных или рассеянных звуковых волн.
Измеряя время реверберации (время в течении которого интенсивность звука уменьшается в 1000000 раз) можно определить объем свободного помещения.
Ультразвук
Дифракция света на ультразвуке – явление при котором свет испытывает дифракцию, проходя через среду, в которой присутствует ультразвуковая волна.
Дифракция света была обнаружена американскими и французскими учеными в 1932 г.
Упругие деформации в звуковой волне приводят к периодическому изменению показателя преломления п среды, в результате чего в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, с периодом, равным длине звуковой волны Л. Если в такой среде распространяется луч света, то в среде, помимо основного (0-го порядка), возникают дифракционные пучки света, характеристики которых – направление в пространстве, поляризация и интенсивность зависят от параметров звукового поля (частоты и интенсивности ультразвука, толщины звукового пучка), а также от угла, под которым падает свет на звуковой пучок.
Наблюдается так называемая резонансная дифракция, для которой характерна зависимость эффективности от длины пути, пройденного в области ультразвука. Свет может дифрагировать на НЧ звуке (несколько десятков МГц) и на гиперзвуке (звук ВЧ).
Применение: для определения характеристик звуковых полей, модулей упругости 2-го и 3-го порядков.
Дифракция используется для модуляции и отклонения света, для приема сигналов в УЗ-линиях задержки и др. [3].
Ультразвук – продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частота 20·103 Гц. Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.
Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражением
Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, распространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты – радиационное давление (избыточное давление испытуемое препятствием вследствие воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавитация (см. раздел 4.8) и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.
Пластическая деформация и упрочнение. Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: акустическое разупрочнение и акустическое упрочнение. Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упрочение металлов достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности. Акустическое разупрочнение является результатом активации дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время происходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход пластической деформации.
Если валики прокатного стана колебать в направлении параллельном 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 снижается.
При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки.
Под действием ультразвука изменяются основные физико-химические свойства расплавов: вязкость, поверхностное натяжение на границе "расплав – форма" или "расплав – твердая фаза", температура и диффузия.
После ультразвуковой обработки расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер изменения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, поскольку на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты, например, изменение трения между твердыми нерастворимыми примесями, находящихся в расплаве.
Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристаллизации уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаждение расплавов и увеличивается количество кристаллических зародышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.
Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникновение акустических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсивности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнивание 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 заключается 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 теплообмена.
Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под действием ультразвука происходит более легкое перемещение атомов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образованию 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.
Дегазационный эффект. Под действием ультразвука растворенный газ сначала выделяется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении достаточно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно объяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные пустоты проникает растворенный газ. При захлопывании кавитационных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в металле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков образуются и в полупериод разряжения при распространении упругих ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении давления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пузырьки под влиянием колебательных движений коанулируют и, достигая определенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию газовых пузырьков.
Ультразвуковой капиллярный эффект. Явление капиллярности заключается в том, что при помещении в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под действием сил поверхностного натяжения происходит подъем жидкости 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 возрастает и скорость подъема.
Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные 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 тепловых трубах и т.п.
Трудно перечислить все эффекты, возникающие в результате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко перечислим основные области применения ультразвука и приведем в заключение несколько интересных изобретений, показывающих широкие возможности использования ультразвука в изобретательстве.
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;
– диспергирование твердых порошкообразных материалов в жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей;
– получение аэрозолей;
– полимеризация или деструкция высокомолекулярных соединений, ускорение массообразных и химических процессов;
– разрушение биологических объектов (микроорганизмов).
Действие ультразвука на жидкость базируется на использовании вторичных эффектов кавитации – высоких локальных давлений и температуры, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков.
Газы:
– сушка сыпучих, пористых и других материалов;
– очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.
Акустомагнетоэлектрический эффект. Звук способен сортировать не только яблоки, но и электроны. Если поперек направления распространения звука в проводящей среде наложить магнитное поле, то электроны, которые увлекаются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к возникновению поперечного тока или, если образец "разомкнуть" в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но магнитное поле в соответствии с законом Лоренца отклоняет электроны разных скоростей по разному, поэтому величина и даже знак ЭДС показывают, какие электроны увлекаются звуком, то есть каковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом веществе звук увлекает за собой группу электронов характерных именно для данного вещества. Если звук проходит через границу двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, например, более "холодные", более "горячими". При этом от границы будет тепло, а сама граница охлаждаться. Данный эффект похож на известный эффект Пельтье (см. раздел 8.2).
Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта Пельтье состоит в том, что он не исчезает, даже при очень низких температурах и охлаждение может продолжаться до температур, близких к абсолютному нулю. Это открытие зарегистрировано под номером 133 в следующей формулировке:"Установлено неизвестное ранее явление возникновение в телах, проводящих ток, перемещенных в магнитном поле, при прохождении через них звука, электродвижущей силы поперек направления распространения звука, обусловленной взаимодействием со звуковой волной носителей заряда, находящихся в различных энергетических состояниях". На основе открытия уже сделано ряд изобретений.
Волновое движение
Волна – это возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть волнового движения состоит в переносе энергии без переноса вещества. Любое возмущение связано с каким-то направлением (вектор электрического поля в электромагнитной волне, направление колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации, градиент потенциала и т.д.). По взаимоположению вектора возмущения и вектора скорости волны, волны подразделяются на продольные (направление вектора возмущения совпадает с направлением вектора скорости) и поперечные (вектор возмущения перпендикулярен вектору скорости). В жидкостях и газах возможны только продольные волны, в твердых телах – и продольные и поперечные.
Волна несет с собой и потенциальную и кинетическую энергию. Скорость волны, т.е. скорость распространения возмущения, зависит как от вида волны, так и от характеристик среды, например, от прочности бетона при затвердевании. Измеряя скорость распространения ультразвука можно определить, какую прочность набрал бетон в процессе выпаривания.
В Японии предложено пропускать ультразвук через стальные изделия перпендикулярно тем поверхностям, расстояние между которыми нужно измерить. Стальные изделия помещались в остную ванну, которая просвечивалась ультразвуковыми импульсами. Измерив время, необходимое для прохождения импульса от каждого вибратора, определяли внешние размеры изделия.
При наличии дисперсии волн (см. ниже) 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 помощью различного вида колебаний. В случае же когерентного колебания фазовая скорость может нести информацию о свойствах среды.
Стоячие волны. При наличии каких-либо неоднородностей в среде имеют место 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 взаимопревращение кинетической и потенциальной энергии.
Эффект Доплера-Физо. Если регистрировать колебания в точке, расположенной на каком-либо расстоянии от источника колебаний и неподвижной относительно него, то частота регистрируемых колебаний будет равна частоте колебаний источника. 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 колебаний. При этом изменение частоты зависит от скорости взаимного 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 скорости супертанкеров при швартовых операциях, длина волны использована малая (микроволновый сигнал). Очевидно, подобный прибор может быть использован и в других областях техники.
Эффект Доплера – явление, заключающееся в изменении частоты колебаний ш или длины волны X, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и наблюдателя относительно друг друга. Названный эффект обнаружил австриец К. Доплер в 1842 г. При удалении источника от наблюдателя принимаемая частота уменьшается, при сближении с наблюдателем - увеличивается.
Может наблюдаться продольный эффект Доплера, когда источник движется прямо от наблюдателя или от него, и изменение частоты максимально. Возможен также поперечный эффект, связанный с замедлением времени и скоростей.
Эффект Доплера обладает свойством асимметрии, то есть величина эффекта связана от величины и направления скорости как источника, так и приемника относительно среды, в которой распространяются волны (исключение - электромагнитные волны в вакууме, когда D = с).
Разновидностью эффекта является двойной эффект Доплера -смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел, так как отражающий объект рассматривается сначала как приемник, затем как переизлучатель волн.
Применение: прибор для измерения скорости движущихся целей [3].
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 распространения волны, 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 (линейнополяризованным) или изменяется с течением времени по определенному закону – (циркулярно или элептическиполяризованной).
Поляризация может возникнуть вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе (например, в лазерах), при отражении и преломлении волн на границе двух сред (наибольше степень поляризации имеет место при отражении под углом Брюстера тангенс угла равен коэффициенту преломления отражающей среды) при распространении волны в анизотропной среде.
В общем случае дифракция – это отклонения волновых движений от законов геометрической (прямолучевой) оптики. 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 распространение 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 огибает – она "не замечает" препятствия. Очевидно, величина отклонения (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.
Изменение дифракционной картины при изменении размеров препятствий используется для градировки магнитного поля, под действием которого изменяются параметры ферромагнитной пленки с полосовой доменной структурой.
Существует способ градировки магнитного поля с помощью эталона, отличающийся тем, что с целью повышения точности и упрощения процесса градуировки эталон, в качестве которого использована тонкая ферромагнитная пленка с полосовой доменной структурой, на которую нанесен магнитный коллоид, намагничивают под определенным углом к направлению силовых линий градуируемого 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.
Интерференция волны – это 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 зависимости 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 интерференции поперечных волн помимо когерентности волн необходимо, чтобы им соответствовали колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений: поэтому две когерентные волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях интерферировать не будут. Существует много различных методов получения когерентных волн: наиболее широко распространенными являются способы, основанные на использовании прямой и отраженной волны; если отраженная волна направлена точно назад, т.е. на 180 градусов, то могут возникнуть стоячие волны.
Явления интерференции и дифракции волн лежат в основе принципиально нового метода получения объемных 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. Объект освещают когерентным светом и фотографируют интерференционную картину взаимодействия света, рассеянного объектом, с когерентным излучением источника, освещающего объект. Эта интерференционная картина – чередование темных и светлых областей сложной конфигурации, зарегистрированная фотопластинкой и есть голограмма. Она не имеет никакого сходства с объектом, однако несет в себе полную визуальную информацию о нем, так как фиксирует распределение амплитуд и фаз волнового поля – результата наложения опорной когерентной волны и волн, дифрагированных на объекте. Для восстановления изображения голограмму освещают опорным пучком света, который, дифрагируя на неоднородностях почернения фотоэмульсии, дает объемное изображение, обладающей полной иллюзией реального объекта.
Голограммы обладают рядом интересных особенностей. Например, 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 объемности. 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 формулой:
"Установлено ранее неизвестное явление возникновения пространственного неискаженного цветного изображения объекта при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распределению интенсивности поля стоячих волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения".
Такие трехмерные голограммы на стадии восстановления необязательно освещать когерентным излучением – можно пользоваться обычным источником света.
Возможности использования голографических методов неисчерпаемы. Например, если процессы регистрации и восстановления производить при разных длинах волн, то изображение объекта во столько раз, во сколько длина волны восстановления больше длины волны регистрации (голографический микроскоп). С помощью голографии можно получать интерференционные картины от объектов, диффузно рассеивающих свет. Совмещая голографическое изображение с самим объектом, и изучая интерференционную картину, можно зафиксировать самые незначительные деформации объекта.
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 появление других, определенным образом связанным с первым (ассоциативная память).
Существенно, что голографическое изображение можно получать не только с помощью электромагнитных, но и акустических волн. Когерентные ультразвуковые волны дают возможность освещать большие объекты. Следовательно, можно получить трехмерное изображение внутренних частей объекта, например, человеческого тела, недр Земли, толщи океана.
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.
Дисперсия волн – зависимость фазовой скорости гармонических волн в веществе от их частоты. Область частот в которой скорость убывает с увеличением частоты, называется областью нормальной дисперсии, а область частот, в которой при увеличении частоты скорость также увеличивается, называется областью аномальной дисперсии. Дисперсия волн наблюдается, например, при распространении радиоволн в ионосфере, волноводах.
При распространении световых волн в веществе также имеет место дисперсия света (зависимость абсолютного показателя преломления от частоты света). Если вещество прозрачно для некоторой области частоты волн, то наблюдается нормальная дисперсия, а если интенсивно поглощает свет, то в этой области имеет место аномальная дисперсия. В результате дисперсии узкий параллельный пучок белого света, проходя через призму из стекла или другого прозрачного вещества, уширяется и образует на экране, установленном за призмой радужную полоску, называемую дисперсионным спектром. Для световых волн единственной недиспергирующей средой является вакуум.
Эффект Ганн – генерация ВЧ-колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольтамперной характеристикой. Обнаружен американцем Дж. Ганном в 1963 г. в кристалле GaAs с электронной проводимостью. Генерация возникает, если постоянное напряжение U, приложенное к образцу длиной £, таково, что среднее электрическое поле Е в образце составляет U/£, что соответствует подающему участку В АХ Е\-Е2.
Рис. 4.2. N-образная ВАХ:
Е – электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; j - плотность тока
Колебания тока имеют вид периодической последовательности импульсов (рис. 4.3), частота их повторения обратно пропорциональна напряженности электрического поля Е.
Рис. 4.3. Форма колебаний тока при эффекте Ганна
Кроме GaAs эффект наблюдается у InP, CdTe, ZnSJnAs и пр. Применение: в генераторах и усилителях СВЧ [3].
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Взаимодействие тел
В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами. Согласно представления современной физике всякое взаимодействие передается через некоторое поле. Электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают, магниты и электрические токи – через магнитное поле. Механическое взаимодействие осуществляется через электромагнитные поля, создаваемые электронами вещества.
Взаимодействие заряженных тел или частиц в самом простейшем случае описывается законом Кулона.
Известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.
Изменяя форму поверхности заряженных тел можно изменить конфигурацию образующихся полей. А это, в свою очередь, открывает возможность управлять силами, действующими на заряженные частицы (тела), помещенные в такое поле.
При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение. В результате у концов проводника возникают заряды противоположенного знака, называемые индуцированными зарядами.
Это же явление используется для защиты различных объектов от воздействия электрических полей путем электрического экранирования и для получения сверхвысоких постоянных напряжений (генератор Ван-де Граафа). При частичном введении диэлектрика между обкладками конденсатора наблюдается втягивание диэлектрика между обкладками.
Закон Джоуля-Ленца
Под действием электрического поля в проводнике при создании на его концах разности потенциалов заряды движутся – в проводнике возникает электрический ток. Любые нарушения кристаллической решетки проводника – дефекты, примеси, тепловые колебания – являются причиной рассеяния электронных волн, т.е. уменьшения упорядочности движения электронов. При этом в проводнике выделяется тепло (закон Джоуля - Ленца).
Проводимость металлов
Высокая проводимость металлов связана с особенностью их электронного спектра, в котором непосредственно над заполненными уровнями находятся свободные уровни. У большинства металлов сопротивление увеличивается линейно с ростом температуры, в то же время ряд сплавов имеет отрицательных температурный коэффициент сопротивления. Меняется сопротивление и у неметаллов.
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).
При приложении внешнего гидравлического давления сопротивление металлов уменьшается. Это уменьшение максимально у щелочных металлов, имеющих максимальную сжимаемость. У ряда элементов на кривых зависимости сопротивления от давления имеются скачки, используемые в физике высоких давлений в качестве реперных точек.
Кроме того, на сопротивление металлов 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)·10-8 Ом·см.
Широко используются изобретателями и обычные изменения сопротивления объектов за счет изменения размеров или состава объекта.
При низких температурах поведение сопротивления металлов весьма сложно. У некоторых металлов и сплавов обнаруживается явление сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние устойчиво, если температура, магнитное поле и плотность тока не превышает некоторых критических пределов. В 1976 г. достигнуты следующие максимальные значения этих параметров: критическая температура 23,4 К, критическое поле 600 кЗ, плотность тока 11·1011 А/см2.
Если один из параметров поддерживать вблизи критического значения, то сверхпроводящая система может быть использована для очень точного определения небольших изменений измеряемой величины, например, вблизи критической температуры – 10 см/ºС.
Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля* при охлаждении ниже определенной критической температуры Тк, характерной для данного материала. Это явление обнаружено у более, чем 25 металлов, большого числа сплавов, полупроводников, полимеров.
Опыты установили, что сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10~20 Ом-м. Кроме того, в состоянии сверхпроводимости выталкивается магнитное поле из сверхпроводника
(идеальный диэлектрик)
Рис. 5.1. Зависимость сопротивления от температуры для ртути
Ртуть при 4,1 5К переходит в сверхпроводящее состояние. Важное свойство: выше критического магнитного поля Нк сверхпроводимость исчезает. С ростом температуры Нк монотонно падает.
Применение: сверхпроводящий магнит, резонатор, сверхчувствительный W-метр [3].
Эффект Купера – объединение электронов в металле в пары, приводящее к появлению сверхпроводимости; предсказан в 1956 г. американским физиком Л. Купером. Без учета эффект Купера в основном состоянии металла (при температуре Т –> 0 К) электроны заполняют в пространстве импульсов объем, ограниченный Ферми поверхностью. Распределение по импульсам такого, что в металле имеются электроны с равными и противоположно направленными импульсами. Согласно Куперу, электроны, находящиеся вблизи поверхности Ферми и имеющие противоположно направленные импульсы и спины, могут объединяться в пары благодаря взаимодействию через решетку, которая возникает в результате обмена виртуальными фононами и имеет характер притяжения. Куперовские пары имеют целочисленный (нулевой) спин, поэтому система куперовских пар обладает сверхтекучестью.
Малая величина энергии связи электронов куперовской пары обусловливает существование низкотемпературной сверхпроводимости металлов, их соединений и сплавов (~ до 10К).
Электромагнитное поле
Электрическое и магнитные поля тесно связаны между собой. В природе существует электромагнитное поле – чисто электрические и чисто магнитные поля являются лишь его частными случаями. Изменяющиеся электрические и магнитные поля индуктируют друг друга.(под изменением поля надо понимать не только изменение его интенсивности, но и движение поля как целого).
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 рентгеновские и гамма-лучи. Поэтому многие эффекты, описанные в этом разделе, имеют аналоги и в оптике, и, наоборот, "оптические" эффекты широко применяются в радиотехнике, особенно в диапазоне 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.
Основной характеристикой электрического поля является напряженность, определяемая через силу, действующую на заряд. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, также определяемый через силу, действующую на заряд в магнитном поле.
(5.1)
На неподвижные заряды магнитное поле вообще не действует. Движущийся заряд магнит не притягивает и не отталкивает, а действует на него в направлении, перпендикулярном к полю и к скорости заряда. Сила, действующая на заряд в этом случае, называется силой Лоренца.
(5.2)
При движении зарядов в магнитном поле не вдоль линии этого поля из-за силы Лоренца траектория их движения будет 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.
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.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 2854; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!