482

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. дифракцион-

ные явления незначительны. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то наблюдается сильное отклонение от прямолинейного распространения волнового фронта. При 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 большой длины будут сильнее огибать препятствие.

Такое распределение волн используется в дифракционных спектроскопах, где белый свет (совокупность волн различной длины) разлагается в спектр с помощью дифракционной решетки.

x

— длина волны;— ширина щели; c — скорость света.

Применение

А. с. 252625. Способ определения статических характеристик прозрачных диэлектрических пленок, заключающийся в том, что через иссле-

71

прозрачно для некоторой области частоты волн, то наблюдается нормальная дисперсия, а если интенсивно поглощает свет, то в области имеет место аномальная дисперсия. В результате дисперсии узкий параллельный пучок белого света, проходя через призму из стекла или другого прозрач- ного материала, образует на экране, установленном за призмой, радужную полоску, называемую дисперсионным спектром. Для световых волн единственной недисперсирующей средой является вакуум.

Математическое описание

Фазовая скорость

vô c ,

где , — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды;

c — скорость света.

Применение

Пат. 3586120 США. Аппаратура передачи звука. Углы, сканируемые световым лучом, увеличиваются посредством введения дисперсионного устройства на пути звуковых волн. Эти углы образованы вследствие взаимодействия света и звука. В одной из модификаций аппарата звуковые волны пропускаются через неподвижную решетку, или, другими словами, через среду, которая обладает дисперсией по своей природе. В другой модификации дисперсия достигается вследствие вибрации при образовании продольной волны в ответ на волны растяжения или сжатия.

А. с. 253408. Устройство для измерения температуры, содержащее измерительный элемент, устанавливаемый на исследуемый материал, и источник белого света, отличается тем, что с целью расширения интервала измеряемых температур измерительный элемент выполнен в виде прозрачной кюветы, заполненной смесью оптически неоднородных веществ, соответствующих заданному интервалу температур, показатели преломления в котором зависят от длины волны и температурные коэффициенты показателей преломления отличаются знаком либо величиной.

2.7.Электрические и электромагнитные явления

Êэтой группе относятся эффекты, связанные с электрическим, магнитным и электромагнитным полями.

73

2.7.1. Электрическое поле

Электрическое поле — это поле, созданное неподвижными зарядами, частная форма проявления электромагнитного поля.

2.7.1.1. Джоуля — Ленца закон

Входы: электрический ток. Выходы: количество теплоты.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.28.

Сущность

Количество тепла, выделяемого в проводнике, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени протекания.

При протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую (см. рис. 2.28), причем количество выделенного тепла будет равно работе элек-

трических сил.

Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля — Ленца, как показывает опыт, справедлив и для

электролитов и для полупроводников.

Математическое описание

Количество теплоты

Q aI 2 Rt,

ãäå a — коэффициент пропорциональности; I — òîê;

R — сопротивление; t — время.

Применение

Тепловое действие тока находит широкое применение в технике. В 1873 г. русский инженер А. Н. Лодыгин (1847–1923) впервые использовал тепловое действие тока для устройства электрического освещения (лампа накаливания). На нагревании проводников электрическим током

74

основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги, открытой в 1802 г. русским инженером В. В. Петровым (1761–1834), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.

А. с. 553233. Способ получения цементного клинкера путем подготовки, подогревания и спекания сырьевой смеси, отличающийся тем, что

ñцелью интенсификации процесса клинкерообразования спекание осуществляют за счет пропуска через сырьевую массу электрического тока

ñнапряжением 10–500 Â.

2.7.1.2. Закон Кулона

Входы: заряд. Выходы: ñèëà.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.29.

Сущность

Закон Кулона — это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов. Сила

взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль линии, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

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.

Математическое описание

Сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2,

Применение

А. с. 428882. Способ соединения концов проводников, при котором осуществляют контактирование проводников, а затем сварку из

75

концов, отличается тем, что с целью упрощения технологического процесса контактирование концов проводников получают при помощи создания между ними электростатического поля от дополнительного источника постоянного напряжения, подключенного к проводникам.

А. с. 446315. Способ разделения диэлектрических волокон по диаметрам в неравномерном электрическом поле, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности процесса разделение производят при постоянном градиенте квадрата напряженности поля, увеличивающейся в сторону электрода, имеющего тот же знак, что и поверхностный заряд.

2.7.1.3. Электростатическая индукция

Входы: электрическое поле.

Выходы: напряженность электрического поля. Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.30–2.32.

Сущность

Электростатическая индук-

ция — наведение в проводниках или

диэлектриках электрических заря-

дов в постоянном электрическом поле. В проводниках (см. рис. 2.31) подвижные заряженные частицы — электроны — перемещаются под действием внешнего электрического поля. Перемещение происходит до

тех пор, пока заряд не перераспределится так, что созданное им электри- ческое поле внутри проводника полностью скомпенсирует внешнее поле и суммарное электрическое поле внутри проводника станет равным нулю. (Если бы этого не произошло, то внутри проводника, помещенного в постоянное электрическое поле, неограниченно долго существовал бы электрический ток, что противоречило бы закону сохранения энергии.) В результате на отдельных участках поверхности проводника (в целом нейтрального) образуются равные по величине наведенные (индуцированные) заряды противоположного знака. В диэлектриках (см. рис. 2.32), помещенных в постоянное электрическое поле, происходит поляризация, которая состоит либо в небольшом смещении положительных и от-

76

Рис. 2.31. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Рис. 2.32. Поляризация неполярного диэлектрика

рицательных зарядов внутри молекул в противоположные стороны, что приводит к образованию электрических диполей (с электрическим моментом, пропорциональным внешнему полю), либо в частичной ориентации молекул, обладающих электрическим моментом в направлении поля. В том и другом случае электрический дипольный момент единицы

77

объема диэлектрика становится отличным от нуля. На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды. Если поляризация неоднородная, то связанные заряды появляются и внутри диэлектрика. Поляризованный диэлектрик порождает электростатическое поле, добавляющееся к внешнему полю.

Математическое описание

Для металлов индуцированные заряды создают свое собственное поле E , которое компенсирует внешнее поле E0 во всем объеме:

E E 0 E .

Применение

Основное применение электростатической индукции — защита объектов от внешних электрических полей и устранение помех в электронных схемах. Для этого объекты помещают в металлические экраны. Например, в «крабах» (устройствах для подключения нескольких телевизоров к одной антенне) электрическая схема находится в металлическом экране. Металлический, сплетенный в виде сетки цилиндрический экран телевизионного кабеля защищает от внешних электрических полей центральный провод, по которому передается телевизионный сигнал. На явлении электростатической индукции основаны также принципы работы электростатических фильтров, электростатических сепараторов молекул и т. п.

2.7.2. Магнитное поле

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции Â, который определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд или на тела, имеющие магнитный момент. Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела.

2.7.2.1. Контур с током в магнитном поле

Входы: магнитное поле, ток. Выходы: сила, вращающий момент.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.33.

78

i — ток, протекающий в рамке; S — площадь рамки;

— угол между нормалью рамки и направлением магнитного поля.

Применение. Двигатели, генераторы, измерительные приборы.

2.7.2.2. Сила Лоренца

Входы: скорость, магнитное поле.

Выходы: ñèëà.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.34 и 2.35.

Сущность

Сила Лоренца — сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.

Сила Лоренца пропорциональна векторному произведениюV è B, т. е. она перпендикулярна скорости частицы (направлению ее движения) и вектору магнитной индукции; следовательно, она не совершает механиче- ской работы и только искривляет траекторию движения частицы, не меняя ее энергии. Таким образом, сила Лоренца максимальна, если направление движения частицы составляет с направлением магнитного поля прямой угол, и равна нулю, если частица движется вдоль направления поля. В вакууме в постоянном однородном магнитном поле (Â = Í, ãäå Í — напря-

79

женность поля) заряженная частица под действием силы Лоренца движется по винтовой линии с постоянной по величине скоростью v. Ïðè

этом ее движение складывается из

равномерного прямолинейного движения вдоль направления магнитного поля Í (со скоростью v||,

равной составляющей скорости

частицы v в направлении Í) и равномерного вращательного движения в плоскости, перпендикулярной Í (со скоростью vó, равной составляющей v в направлении, перпендикулярном Í). Проекция траектории

движения частицы на плоскость, перпендикулярную Í, есть окружность радиуса R = cmvó/(eH). Ось винтовой линии совпадает с направлением поля Í, и центр окружности перемещается вдоль силовой линии поля. Если электрическое поле Å не равно нулю, то движение носит более сложный ха-

рактер. Происходит перемещение центра вращения частицы перпендикулярно полю Í — дрейф.

Математическое описание

Сила Лоренца

B — вектор магнитной индукции.

Применение. Сила Лоренца используется в датчиках магнитного поля.

2.7.2.3. Магнитострикция

Âõîä: магнитное поле.

Выход: деформация материала.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.36.

80