Характеристика физических эффектов механического взаимодействия, возникающих при немеханическом воздействии на объект

 

Эта группа физических эффектов проявляется в объекте под действием электрических и магнитных полей, электрического тока, температуры, света, ультразвука и других немеханических факторов. Реакцией объекта на такое воздействие могут быть пространственные изменения положения объекта в целом или его частей или изменения его размеров. Фактически эти эффекты противоположны в своем проявлении явлениям, рассмотренным в предыдущем разделе, но считать их обратимыми по отношению к ним нельзя.

Эффект Видемана. Он заключается в закручивании ферромагнитного стержня, по которому протекает электрический ток. Эффект обусловлен магнитострикцией. Винтовое закручивание объясняется суммарным действием продольного и кругового магнитного потоков. Стержень, помещенный в продольное магнитное поле, испытывает деформацию кручения. Для проявления данного эффекта магнитострикция должна быть четной функцией намагниченности, т.е. не зависеть от изменения знака намагниченности.

Эффект используется для изготовления магнитоупругих датчиков, применяемых для измерения больших усилий (силы нажатия валков прокатных станов) и деформаций в деталях конструкций.

Эффект гидростатического давления. Гидростатическое давление представляет собой внутреннее напряжение равновесной жидкости, значение которой в одной и той же точке жидкости одинаково во всех направлениях. Различие значений в разных точках объема жидкости зависит только от различия их расположения по глубине (высоте). Следствием данного эффекта является зависимость давления жидкости на дно только от массы вертикального столба, опирающегося на дно. Давление при одном и том же объеме жидкости на всю площадь дна сужающегося к низу сосуда будет меньше, чем давление на всю площадь дна расширяющегося сосуда. Зависимость гидростатического давления от массы жидкости выражается формулой ρ_ст = ρ₀ + ρ gh, где h – расстояние по вертикали от поверхности до точки внутри жидкости; ρ₀ – давление над поверхностью жидкости; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. Гравитационное поле приложено ко всем частицам жидкости. Гидростатическое давление также приложено ко всем частицам жидкости и действует по направлению гравитационного поля. Эффект используется в измерительной технике: манометрах, уровнемерах, расходомерах и др. При расчетах на прочность топливных баков летательных аппаратов и других конструкций.

На рис. 5.6. показана схема манометрического топливомера с использованием дифференциального датчика давления 2, под дном бака 1 в нижней его точке. Датчик 2 своей мембраной 3 воспринимает давление топлива p ₁, преобразуя его в электрический сигнал U _вых. Противодавлением служит давление над поверхностью топлива p ₂. Измеряемое избыточное давление жидкости пропорционально высоте h ее уровня поверхности p = ρ gh, где ρ – плотность топлива. Давление p ₁ передается мембране 3, а через нее на механоэлектрический преобразователь 4.

Эффект изгибных волн. Он заключаетсяв возникновении деформации изгиба, распространяющейся в стержнях и пластинах, под действием ультрозвука. Длина изгибной волны всегда намного больше толщины стержня или пластины. При близких значениях этих величин движение изгибных волн затрудняется. Примером изгибных волн являются колебания пластин звучащего камертона, вибрационные волны в тонкостенных механических конструкций (корпусов самолетов и автомобилей. Деформация изгибных волн направлена вдоль оси волновода (стержня или пластины) и совпадают с направлением действия. Изгибные волны используют для определения вязкого трения, теплопроводности твердых тел, для измерения уровня жидкости в закрытых сосудах и в других целях. В уровнемерах используется свойство зависимости фазовой скорости распространения волны от длины волновода. Длина участка волновода, излучающего волны, изменяется в зависимости от поднимаемого или опускаемого уровня жидкости, в которую погружен волновод. Необходимо, чтобы скорость ультразвука была бы больше фазовой скорости распространения волны.

Эффект магнитострикции. Он заключается в возникновении деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. Изменение объема тела называют объемной магнитострикцией, а изменение линейных размеров тела при постоянном объеме – линейной магнитострикцией. При намагничивании ферри- и ферромагнетиков магнитные силы действуют в интервале от 0 до поля напряженностью H_S, в котором испытуемое тело достигает магнитного насыщения I_S,. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения граничных моментов доменов структуры, в результате чего изменяется энергетическое состояние кристаллической решетки. Это состояние характеризуется изменением равновесных расстояний между узлами решетки и в целом размеров решетки, т. е. происходит магнитострикционная деформация. Магнитострикция с таким механизмом развития зависит от направления и величины намагниченности I и проявляется чаще всего в изменении формы кристалла, практически без изменения его объема (линейная магнитострикция). Магнитострикция зависит в значительной степени от природы материала. Наиболее сильно магнитострикционный эффект проявляется на ферромагнитных стержнях, в стальных и никелевых проволоках и пластинках. На магнитострикционном эффекте основано действие магнитострикционных преобразователей, которые применяют в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний. Область применения данного эффекта разнообразна: от биологии и медицины до машиностроения и акустики. Для машиностроения достаточно назвать ультразвуковую дефектоскопию деталей машин.

Эффект теплового расширения твердых тел. Он заключаетсяв изменении размеров или формы тел в процессе его изобарического нагревания. При нагревании практически все твердые тела расширяются. Тепловое расширение обусловлено асимметрией формы кривой потенциальной энергии межатомного взаимодействия относительно равновесного положения. Из-за этого при нагревании происходит изменение среднего межатомного расстояния. Величина среднего межатомного расстояния определяется химическим составом, структурой тела, давлением, температурой и другими термодинамическими факторами. Количественной характеристикой теплового расширения тел является температурный коэффициент линейного расширения. Следует различать эти коэффициенты для объемного и линейного расширения, истинные и средние значения:

α = – истинный температурный коэффициент линейного расширения;

– средний температурный коэффициент линейного расширения;

β = – истинный температурный коэффициент объемного расширения;

= – средний температурный коэффициент объемного расширения.

Здесь L – длина; V – объем; T – температура.

Для анизотропных твердых тел температурный коэффициент линейного расширения в направлениях осей пространственной системы координат (X; Y; Z) определяется по формуле

α = α_x cos y_x + α_y cos y_y + α_zcos y_z;

температурный коэффициент объемного расширения определяется выражением

β= α_x + α_y + α_z.

Для изотропных твердых тел температурный коэффициент линейного расширения определяется по формуле Грюнайзена

α = k , где C_V – теплоемкость при постоянном объеме (изохорическая);

γ = – коэффициент изотермического сжатия;

k – постоянная Грюнайзена, которую можно определить, если известны параметры потенциала межатомного взаимодействия m и n, по эмпирической формуле k = (m + n + 3)/6.

Размеры тела и объем после расширения определяются по формулам:

L = L ₀(1 + αΔ t); V = V ₀(1 + βΔ t).

При Т → 0 коэффициент α→ 0.

Тепловое расширении твердых тел учитывается в машиностроении, приборостроении, строительстве, транспорте и других областях производственной деятельности. Данный эффект используется в датчиках температуры разнообразных конструкций, в регуляторах и реле, в температурных компенсаторах-сильфонах, в дилатометрических измерениях. На рис. 5.7. показана схема дилатометрического термометра. Конструкция прибора состоит из патрона 1 и штока 5, изготовленных из материалов с различными коэффициентами линейного расширения α₁ и α₂. Чувствительность прибора повышают выбором материалов, у которых коэффициенты линейного расширения возможно больше отличаются друг от друга. Следует учитывать запаздывание в прогреве штока, находящегося внутри патрона, непосредственно соприкасающегося со средой, температура которой измеряется, а шток отделен от нее воздушной прослойкой. Рекомендуется шток изготавливать из инварных сплавов системы Fe –Ni с добавкой или без добавки кобальта Co (суперинвар, ковар, инвар), имеющие коэффициент линейного расширения (1–2) · 10^–6 Т^–1. Патрон изготавливают чаще всего из дуралюмина, имеющего коэффициент линейного расширения α = (19,0 – 24,5) · 10^–6 Т^–1. Из-за небольшой абсолютной величины перемещения штока (десятые доли миллиметра) прибор содержит зубчатую передачу с повышающим передаточным отношением. Передача включает шестеренку 3 и зубчатый сектор 4. Для обеспечения возвратного движения элементов и устранения зазоров в патрон вставляется пружина 2.

Эффект используется в биметаллических термометрах и устройствах регулирования температуры, в которых теплочувствительным элементом является биметалличекая пластина. Элемент состоит из двух пластин, сложенных в стопку и соединенных с помощью сварки. Материал пластин имеет разные температурные коэффициенты расширения. При нагреве биметаллическая пластина, закрепленная одним концом на основании, начинает изгибаться в сторону, где ее материал имеет меньшее значение α. Другой конец (отклоняющийся) пластины соединяют с исполнительными звеньями: рычагом, зубчатым сектором, разрывным контактом и др.

 

5.2. Физические основы спектрального анализа веществ

Спектральный анализ веществ, широко применяемый в качественных и количественных измерениях, связан с поглощением или излучением атомами и молекулами веществ энергии в виде света, электромагнитных волн, рентгеновского излучения и других ее форм. Атом представляет собой квантовую систему, в которой взаимодействие частиц (нуклонов, электронов и др.) подчиняется квантовым законам. Изменение энергетического состояния частиц или атома в целом не может иметь непрерывный характер. Оно совершается скачкообразно – порциями (квантами), равными разности энергий двух разрешенных состояний. Состояние электрона в атоме определяется тремя квантовыми числами: главным n, орбитальным l, магнитным m_i. Главное квантовое число определяет энергетические уровни электрона, из которых в соответствии с n (n = 1, 2, 3, …) различают основное состояние (самый низкий уровень энергии) и возбужденное. Орбитальное квантовое число определяет момент импульса электрона в атоме, значение которого дискретно в соответствии с формулой L = , где L – вектор момента импульса; ħ – постоянная Планка–Дирака; l = 0, 1, 2, …, (n –1) – орбитальное квантовое число. Магнитное квантовое число устанавливает одну из возможных 2 l +1 проекций момента импульса электрона на заданную координату. Оно может принимать такие симметричные значения: m_i = 0, ± 1, ± 2, …, ± l.

Квантовая система (атом, молекула, группировка), получая порцию (квант) энергии, переходит на более высокий энергетический уровень. В этом состоянии система не может находиться сколь угодно долго и спонтанно (самопроизвольно) совершает обратный переход с выделением той же энергии. Квантовые переходы могут быть излучательными и безизлучательными. В первом случае энергия может поглощаться или излучаться в виде электромагнитного излучения, частота которого определяется разностью энергий состояний, между которыми совершен переход. Во втором случае происходит обмен энергией при взаимодействии с другой квантовой системой.

При нахождении квантовой системы в магнитном поле квантовое число m_i может приводить к расщеплению энергетического уровня n на 2 l+ 1 подуровней. Расщепление энергетических уровней в магнитном поле было обнаружено физиком П. Зееманом и получило название эффекта Зеемана; такое же расщепление уровней энергии в электрическом поле получило название эффекта Штарка.

Атомы каждого вещества имеют свою, только им присущую структуру энергетических уровней (состояний). Вследствие этого структура (линейчатый спектр) излучательных переходов будет специфической (им) для данного вещества, и ее (его) можно зарегистрировать каким-либо методом. На излучении или поглощении квантов энергий с определенной частотой и на регистрации спектра излучения или поглощения атомами вещества энергии основан качественный спектральный анализ. Интенсивность спектральных линий в спектрограмме, связанная с количеством атомов (молекул) вещества позволяет использовать спектральный анализ для количественных измерений количества вещества. Эффекты Зеемана и Штарка приводят к расщеплению спектральных линий, которые на спектрограммах могут быть представлены в виде размытых или широких линий. Это приводит, с одной стороны, к снижению точности измерений, а с другой стороны, при четкой дифференциации расщепления – к повышению точности измерения. Вместе с тем следует отметить, что в повышении точности регистрации толщины линии существуют естественные ограничения, связанные с квантово-механическим соотношением неопределенностей (соответствием отклонения энергетического уровня и ширины линии времени пребывания в возбужденном состоянии) и с существованием эффекта Доплера в излучении атомов. Эффект Доплера приводит к уширению линий, которое увеличивается с ростом температуры источника излучения. Эффект Доплера объясняется тем, что излучающиеся атомы непрерывно двигаются. Сдвиг частот излучения соответствует соотношению v/c, где v – скорость излучающего атома относительно направления наблюдения. Каждый атом будет иметь свое значение мгновенной скорости относительно наблюдателя и соответственно свой сдвиг фазы излучения. В совокупности сдвиги всех атомом создают уширение линии, пропорциональное значению , где Т – абсолютная температура; А – атомный вес. В физике исследований различают различные виды спектров в зависимости от длины волны исследуемого или применяемого излучения. Молекулярные спектры получают с помощью спектрографов, рентгеновские спектры – с помощью рентгеновских трубок в специальных комбинированных приборах, в которых может быть совмещено использование ряда эффектов (микроспектральные рентгеновские анализаторы, рентгеновские дифрактометры и др.). Оптические спектры образуются разложением света оптическими призмами и дифракционными решетками по длинам волны.