Акустомагнетоэлектрический эффект

Входы: магнитное поле, звуковая волна.

Выходы: электрический ток, электрическое напряжение.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.22.

Сущность

Звуковые волны

Магнитное поле Рис. 2.22. Электрон под действием акустомагнето- электрического эффекта

Если поперек направления распространения звука в проводящей среде наложить магнитное поле (см. рис. 2.22), 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, т. е. каковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом веществе звук увлекает за собой группу электронов, характерных именно для данного вещества. Если звук проводит через границу двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, например более холодные более горячими. При этом от границы будет уноситься тепло, а сама граница — охлаждаться. Данный эффект похож на известный эффект Пельтье. 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 возникновения в телах, проводящих ток, помещенных в магнитное 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.

Математическое описание

Электродвижущая сила

где а — подвижность носителей тока;

W— плотность потока звуковой энергии;

е — заряд электрона;

п — концентрация носителей тока;

s — скорость звука;

— коэффициент поглощения звука;

Н— напряженность магнитного поля.

Применение

А. с. 512422. Способ измерения времени релаксации энергии носителей заряда в кристалле, заключающийся в измерении проводимости и разности потенциалов на исследуемом образце, отличается тем, что с целью упрощения и повышения точности измерения в образец вводят ультразвуковую волну, измеряют разность потенциалов в направлении распространения волны и проводимость в перпендикулярном направлении.

А. с. 543140. Способ усиления поверхностных звуковых волн в пьезоэлектрическом полупроводнике, основанный на взаимодействии звуковых волн с электрическим полем, отличается тем, что, с целью повышения эффективности, дрейфовое напряжение прикладывают в направлении, перпендикулярном распространению поверхностной звуковой волны.

на ограничивающих поверхностях.

Математическое описание

Т = 0, 163

где Т—время реверберации;

V— объем помещения;

А — эквивалентная звукопоглощающая поверхность (представляет собой все звукопоглощение в помещении),

А = (

поглощение предметами,

где S — площадь,

— звукопоглощение.

За основу данного уравнения берется диффузное звуковое поле, т. е. равномерно распределенное поглощение в практически кубическом по форме помещении с объемом менее 2000 м³.

Применение

Эффект реверберации широко используется в архитектурной акустике. В частности, реверберация с правильно подобранным временем задержки (что достигается подбором геометрии помещения) позволяет усиливать звучание музыкальных инструментов в концертном зале.

А. с. 346588. Акустический способ определения количества вещества в замкнутом сосуде отличается тем, что с целью упрощения в свободном пространстве сосуда создают акустический импульс и измеряют время реверберации, по которому судят о количестве вещества.

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 взаи- моположению 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 помещаются в ванну, которая просвечивается ультразвуковыми импульсами. Измерив время, необходимое для прохождения импульса от каждого вибратора, определяют внешние размеры изделия.

При наличии дисперсии волн понятие скорости волны становится не однозначным: приходится различать фазовую скорость (скорость распространения определенной фазы волны) и групповую скорость, являющуюся скоростью 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.

2.6.1. Эффект Доплера

Входы: скорость.

Выходы: частота.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.23.

Сущность

Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением их источника и движением приемника. Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука), нужно принимать во внимание движение как источника, так и приемника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приемника. Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления

Рис. 2.23. Источник волн перемещается налево; тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше)

движения. Если источник движется по направлению к приемнику, т. е. догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается (см. рис. 2.23).

Математическое описание

При движении источника навстречу приемнику частота, регистрируемая неподвижным приемником,

где v — скорость приемника относительно среды;

с — скорость волн, испускаемых источником;
f₀ — частота, с которой источник испускает волны.

Применение

На основе этого эффекта созданы приборы для измерения скорости движения различных объектов.

Пат. 3555899 США. Установка для ультразвукового измерения 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 располагаются в плоскости, проходящей через параллельно продольные прямые, и наклонены к обеим прямым под взаимно дополняющими углами. Установка имеет устройство, которое посылает ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях по каждой из двух траекторий. Расход определяется путем измерения скорости распространения колебаний по направлению потока и навстречу потоку и вычисления среднего значения разности между указанными различными скоростями. Распространение звуковых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траектории.

Пат. 3564488 США. Прибор для измерения скорости движущихся объектов, 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 отраженном сигнале, исходящей от точки, расположенной вблизи места контакта движущегося тела с рельсом. Частота Доплера используется для измерения скорости движущегося по рельсам объекта.

Поляризация волн

Входы: нет.

Выходы: поляризованная волна.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.24 и 2.25.

Сущность

Поляризация — нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризо- ванной волне колебания векторов и скорости частиц среды 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 (линейно-поляризованным) или изменяется с течением времени по определенному закону.

Поляризация может возникнуть вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе (например, в лазерах) при отражении и преломлении волн на границе двух сред (наибольшая степень поляризации имеет место при отражении под углом Брюстера—тангенс угла равен коэффициенту преломления окружающей среды), при распространении волны в анизотропной среде.

Поляризация может возникать и при рассеянии света. Рассеянный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно-поляризованным (и наоборот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается). Это явление, как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера, исходит из природы самой электромагнитной поперечной световой волны, а вовсе не из анизотропии и ориентации молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеянного света.

Основными являются два вида поляризации:

1) линейная — колебания возмущения происходит в каком-то одном направлении в плоскости колебаний. В таком случае говорят о «плоско- поляризованной волне» (рис. 2.24, а);

2) круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой (рис. 2.24, б).

На основе этих двух формируются и другие, более сложные виды поляризации, например эллиптическая (см. рис. 2.25).

Математическое описание

Угловая скорость, при которой происходит поворот Е,

Рис. 2.25. Эллиптическая поляризация

где с — скорость света;

X — длина волны.

Применение

Поляризация используется для создания различных оптических эффектов. Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приема сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приемной антенн. В наземных линиях используют антенны с линейной поляризацией.

А. с. 269588. Способ определения стойкости стекла в спаях с металлом к электролизу, состоящий в том, что через термостат-образец пропускают электрический ток, причем напряжение 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 изменению картины, наблюдаемой в лучах поляризованного света, механических напряжений в местах спая с металлом.

А. с. 221345. Способ контроля кристаллизации кондитерских масс в процессе производства путем микрокопирования исследуемого образца отличается тем, что с целью повышения точности контроль осуществляют в проходящем поляризованном световом луче с измерением при этом интенсивности потока с последующим определением содержания кристаллов.

А. с. 249025. Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличается тем, что с целью повышения точности в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил, и по картине полос судят о распространении контактных напряжений.

2.6.3. Дифракция

Входы: перемещение.

Выходы: интенсивность света.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.26.

Сущность

Рис. 2.26. Распределение интенсивности света при дифракции на щели

В общем случае дифракция — это отклонения волновых движений от законов геометрической оптики. Если на пути распространения волныимеется 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 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.

Математическое описание

Дифракция на щели (см. рис. 2.26):

где I—интенсивность;

— угол;

λ — длина волны;

α — ширина щели;

с — скорость света.

Применение

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

исследуемую пленку пропускают луч света, отличается тем, что с целью упрощения процесса и сокращения времени определения на луч когерентного света за исследуемой пленкой устанавливают экран с отверстием, вращают исследуемую пленку в плоскости, перпендикулярной оси луча, получают усредненную дифракционную картину от отверстия и затем из сравнения полученной усредненной дифракционной картины с расчетной картиной определяют статические характеристики пленки.

2.6.4. Дисперсия волн

Входы: частота электромагнитных колебаний.

Выходы: скорость волны.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.27.

Сущность

Рис. 2.27. Дисперсия волн на призме

Дисперсия — зависимость фазовой скорости гармонических волн от их частоты. Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия волн. Ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигналов при распространении их в среде. Это объясняется тем, что гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью. Дисперсия света при его распространении в прозрачной призме приводит к разложению белого света в спектр.

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 области имеет место аномальная дисперсия. В результате дисперсии узкий параллельный пучок белого света, проходя через призму из стекла или другого прозрачного материала, образует на экране, установленном за призмой, радужную полоску, называемую дисперсионным спектром. Для световых волн единственной недисперсирующей средой является вакуум.

Математическое описание

Фазовая скорость

где — соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды;
с — 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.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒