Физ величина, характе­ризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с к-рыми одно тело действует на поверхность другого (напр

Вид материалаДокументы

Содержание


Джозефсона эффект
Купера эффект)
Джорджи система единиц
Джоуля закон
Джоуля — ленца закон
Джоуля — томсона эффект
Диагностика плазмы
Диаграмма направленности
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ (диаграм­ма равновесия, фазовая диаграмма)
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
ДЕЦИБЕЛ (дБ, dB), дольная ед. от бела — ед. логарифмич. относит. вели­чины; 1 дБ=0,1 Б. В акустике — ед. уровня звук. давления; 1 дБ — уро­вень звук. давления р, для к-рого вы­полняется соотношение 201g(p/p0)=1, где p0 — пороговое звук. дав­ление, принимаемое равным 2 •10-5 Па.

ДЖОЗЕФСОНА ЭФФЕКТ, протека­ние сверхпроводящего тока через тон­кий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (т. н. контакт Джозефсона); предсказан на основе теории сверхпроводимости англ. фи­зиком Б. Джозефсоном (В. Josephson) [1962, Нобелевская премия (1973)], экспериментально обнаружен в 1963. Эл-ны проводимости проходят через диэлектрик (обычно плёнку окиси ме­талла толщиной ~10Å=10-9 м) благо­даря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превы­шает определ. значения, наз. критич. током контакта, то падение напряже­ния на контакте отсутствует (т. н. стационарный Д. э.). Если же через контакт пропускать ток, больший критического, то на контакте возникает падение напряжения, и кон­такт излучает эл.-магн. волны (нестационарный Д. э.). Излу­чать эл.-магн. волны может только перем. ток — именно такой ток течёт сквозь контакт Джозефсона при постоянном падении напряжения V на контакте. Частота излучения связана с V соотношением =2eV/h, где е — заряд эл-на. Излучение обус­ловлено тем, что объединённые в пары эл-ны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт при­обретают избыточную по отношению к осн. состоянию сверхпроводника энер­гию 2eV. Единств. возможность для пары эл-нов вернуться в осн. состоя­ние — это излучить квант эл.-магн. энергии h=2eV. Д. э. указывает на существование в сверхпроводниках электронной упорядоченности — фа­зовой когерентности: в осн. состоя­нии все электронные пары (Куперов-

153


ские пары, см. Купера эффект) име­ют одинаковую фазу , характери­зующую их волновую функцию = ||ei. Контакту Джозефсона соот­ветствует определ. разность фаз *=1-2, где 1 и 2 — значения фазы волн. функции для сверхпровод­ников, разделённых контактом. Со­гласно квант. механике, при наличии разности фаз * через контакт дол­жен течь ток, плотность к-рого j=j0sin*. Эксперим. обнаружение этого тока доказывает, что в природе суще­ствуют макроскопич. явления, непо­средственно определяемые фазой волн. функции.

Аналогичный эффект наблюдается, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом), а также если между ними находится тонкий слой металла в норм. состоянии или полу­проводника. Такие системы вместе с контактами Джозефсона наз. сла­босвязанными сверхпро­водниками. На основе Д. э. соз­даны сверхпроводящие интерферо­метры, содержащие параллельно включённые слабые связи между сверх­проводниками. Результирующий ток, текущий через эти слабые связи, I=I1sin*1+I2sin*2, где 1* и *2 — разности фаз на первом и втором кон­тактах Джозефсона. Происходит свое­образная интерференция сверхпроводящих токов через слабые связи. При этом критич. ток оказывается периодически зависящим от потока внеш. магн. поля (с периодом, равным кванту потока Ф0), что позволяет использовать такое устройство для чрезвычайно точного измерения сла­бых магн. полей (до 10-18 Тл; такие магнитометры наз. сквидами), ма­лых токов (до 10-10 А) и напряжений (до 10-15 В). Слабосвязанные сверх­проводники могут быть также ис­пользованы в кач-ве быстродействую­щих элементов логич. устройств ЭВМ, параметрич. преобразователей, чувствит. детекторов СВЧ, усилителей и др. электронных приборов.

• Лангенберг Д. Н., С к а л а п и н о Д. Ж., Тейлор Б. Н., Эффекты Джозефсона, пер. с англ., «УФН», 1967, т. 91, в. 2, с. 317; Кулик И. О., Я н с о в И. К., Эффект Джозефсона в сверхпроводящих тун­нельных структурах, М., 1970; Лиха­рев К. К., У л ь р и х Б. Т., Системы с джозефсоновскими контактами, М., 1978.

Л. Г. Асламазов.

ДЖОРДЖИ СИСТЕМА ЕДИНИЦ, наз­вание, установленное Междунар. электротехн. комиссией (1958) для системы ед. электрич. и магн. величин, в ос­нову к-рой положены четыре ед.: метр, килограмм, секунда и ампер. Названа в честь итал. учёного Дж. Джорджи (G. Giorgi), впервые пред­ложившего эту систему в 1901. Другое наименование этой системы — МКСА система единиц.

ДЖОУЛЬ (Дж, J), единица СИ рабо­ты, энергии и кол-ва теплоты. Названа в честь англ. физика Дж. П. Джоу­ля (J. P. Joule). 1 Дж равен работе силы 1 Н при перемещении точки приложения силы на расстояние 1 м в направлении действия силы. 1 Дж=1Н•м=107 эрг=0,2388 кал.

ДЖОУЛЯ ЗАКОН, закон, согласно к-рому внутр. энергия определ. мас­сы идеального газа не зависит от его объёма, а зависит только от темп-ры. Д. з. следует из представлений кинетич. теории об идеальном газе: вз-ствие между молекулами отсутствует (потенц. энергия вз-ствия равна нулю), поэтому изменение расстояний между ними (изменение объёма) не изменяет внутр. энергии. Назван в честь Дж. П. Джоуля.

ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА ЗАКОН, опре­деляет кол-во теплоты Q, выделяю­щееся в проводнике с сопротивлением Л за время t при прохождении через него тока I: Q=aI2Rt. Коэфф. про­порциональности а зависит от выбора ед. измерений: если I измеряется в амперах, R—в омах, t — в секундах, то при а=0,239 Q выражается в ка­лориях, а при а=1 — в джоулях. Д.— Л. з. установлен в 1841 Дж. П. Джоулем и подтверждён в 1842 точными опытами Э. X. Ленца.

ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА ЭФФЕКТ, изменение темп-ры газа в результате адиабатич. дросселирования — медл. протекания газа под действием пост. перепада давления сквозь дроссель — местное препятствие газовому потоку (напр., пористую перегородку, распо­ложенную на пути потока).

Д.— Т. э. был обнаружен и иссле­дован англ. учёными Дж. П. Джоу­лем и У. Томсоном (Кельвином) в 1852—62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась темп-pa в двух последоват. сечениях непрерывного и ста­ционарного потока газа (до дросселя и за ним). Вследствие значит. трения газа в дросселе (мелкопористой проб­ке из ваты) скорость газового потока была очень малой и кинетич. энергия потока при дросселировании практи­чески не изменялась. Благодаря низ­кой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внеш. средой отсутствовал. При пере­паде давления на дросселе р=р1-p2, равном атм. давлению, изме­ренная разность темп-р T=T2-T1 для воздуха составила -0,25°С (опыт проводился при комнатной темп-ре). Для СО2 и Н2 в тех же условиях T оказалась соотв. равной -1,25 и +0,02°С. Д.— Т. э. принято назы­вать положительным, если газ в процессе дросселирования охлаж­дается (T<0), и отрицательным, если газ нагревается (T>0).

Согласно молекулярно-кинетич. тео­рии строения в-ва, Д.—Т. э. свиде­тельствует о наличии в газе сил межмол. вз-ствия (обнаружение этих сил и было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетич. энергию молекул, так и потенц. энергию их вз-ствия. Расширение газа в условиях энергетич. изоляции не меняет его внутр. энергии, но приво­дит к росту потенц. энергии вз-ствия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетич. энергии. В результате замедления теп­лового движения молекул темп-ра расширяющегося газа понижается. Реальные процессы сложнее, т. к. газ не изолирован энергетически от внеш. среды. Он совершает внеш. работу (последующие порции газа теснят предыдущие), а над самим газом совер­шают работу силы внеш. давления (поддерживающие стационарность по­тока). Это учитывается при составле­нии энергетич. баланса в опытах Джоуля — Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающего до дросселя объём У], равна p1V1. Эта же порция газа, зани­мающая за дросселем объём V2, со­вершает работу p2V2. Проделанная над газом результирующая внеш. ра­бота A=p1V12V2 в адиабатич. условиях может пойти только на изме­нение его внутр. энергии: U2-U1=p1V1-p2V2. Из этого соотношения следует, что U1+p1V1=U2+p2V2=h, где h — энтальпия газа (при адиаба­тич. дросселировании энтальпия газа сохраняется). Отсюда, зная ур-ние состояния газа и выражение для U, можно найти T.

Величина и знак Д.— Т. э. опре­деляются соотношением между рабо­той газа и работой сил внеш. давления, а также св-вами самого газа, в част­ности размером его молекул и их вз-ствием. Для идеального газа, мо­лекулы к-рого рассматриваются как материальные точки, не взаимодейст­вующие между собой, Д.— Т. э. ра­вен нулю.

В зависимости от условий дроссе­лирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться.



Кривая инверсии азо­та. В пределах кри­вой эффект Джоу­ля — Томсона поло­жителен (T<0), вне кривой — отрицате­лен (T>0). Для то­чек на самой кривой эффект равен нулю.


Темп-pa Тi, при к-рой (для данного давления) разность T, проходя че­рез нулевое значение, меняет свой знак, наз. температурой ин­версии Д.— Т. э. Типичная кри­вая зависимости темп-ры инверсии от давления (кривая инверсии) показана на рисунке. Кривая инверсии разде­ляет совокупность состояний газа (на рисунке — азота) на такие совокуп­ности, при переходе между к-рыми он охлаждается, и на такие, между к-ры­ми он нагревается. Значение верх­них температур инверсии

(Ti макс)

154


при р0 для ряда газов приведе­ны ниже:



Д.— Т. э., характеризуемый ма­лыми изменениями темп-ры T при малых перепадах давления р, наз. дифференциальным. В слу­чае дифф. Д.— Т. э.



где cpтеплоёмкость газа при пост. давлении. При больших перепадах давления на дросселе темп-pa газа может изменяться значительно. Напр., при дросселировании от 200 до 1 атм и нач. темп-ре 17°С воздух охлаждает­ся на 35°С. Этот интегральный Д.— Т. э. положен в основу многих техн. способов сжижения газов.

• Леонтович М. А., Введение в тер­модинамику, 2 изд., М.—Л., 1952; Лан­дау Л. Д., Ахиезер А. И., Л и ф ш и ц Е. М., Курс общей физики. Механи­ка и молекулярная физика, М., 1965.

И. А. Яковлев.

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ, совокуп­ность методов определения параметров ионизов. газа. К определяемым пара­метрам плазмы относятся плотность n, электронная Те и ионная Ti темп-ры, интенсивность излучения, электрич. и магн. поля и др. Понятие «тем­пература» обычно используется ус­ловно, т. к. распределение ч-ц по энергиям в лаб. и косм. плазме редко бывает максвелловским. В таких случаях речь идёт о кинетич. темп-ре, т. е. о ср. энергии ч-ц.

Методы Д. п. делятся на активные и пассивные. Пассивные ме­тоды (напр., измерение собств. излу­чения плазмы) не оказывают влияния на исследуемый объект. К ним отно­сятся спектроскопич. методы, а также фотографирование и измерения эл.-магн. волн в широком диапазоне (тормозное излучение, циклотронное излучение и др.). В активных методах плазма непосредственно во­влекается в процесс измерения, и это может внести искажения в её состоя­ние. Активные методы тем не менее используются наряду с пассивными, расширяя диапазон определяемых параметров. Наиболее распростране­ны след. активные методы Д. п.: зондирование плазмы электрич. и магн. зондами, СВЧ излучением, пучками заряж. и нейтр. ч-ц (корпускулярная Д. п.). Корпускулярная Д. п. может быть и пассивным методом, если ис­следуются св-ва ч-ц, выходящих из объёма изучаемой плазмы.

Зонды вводятся внутрь плазмы для измерения её локальных параметров. Электрическим (ленгмюровским) зондом измеряют ток на него в зависимости от потен­циала зонда относительно плазмы. Ток насыщения позволяет определить плотность плазмы, а форма хар-ки при малых потенциалах даёт элект­ронную темп-ру Те. Эти зонды находят широкое применение при иссле­дованиях холодной незамагниченной лаб. плазмы и космической плазмы. Применение зондов при исследованиях горячей плазмы ограничено вследст­вие загрязнений, вносимых материа­лом зонда, а также вследствие труд­ностей анализа измерений при на­личии сильных магн. полей.

Для измерений магн. полей ис­пользуются магнитные зон­ды — соленоиды разл. размеров, вво­димые в плазму. Такой зонд регист­рирует дH/дt, а для получения напря­жённости магн. поля Н сигнал с зонда интегрируется. В косм. плазме магн. поля измеряются феррозондами и кван­товыми магнетометрами, а также по вращению плоскости поляризации (Фарадея эффект).

Активная корпускулярная Д. п. (зондирование нейтр. атомами и бы­стрыми заряж. ч-цами) позволяет по­лучать данные о её плотности, темп-ре и полях. При прохождении пучка эл-нов через плазму с сильно изменяю­щимися полями он отклоняется за счёт поперечной составляющей элект­рич. поля. Регистрируя величины от­клонения от первонач. направления, можно оценить усреднённое вдоль пучка значение электрич. поля. Для плазмы, находящейся в сильном магн. поле, эфф. зондирование осуществ­ляется потоком быстрых нейтр. атомов. Каждый атом зондирующего пучка, потерявший эл-н вследствие перезаряд­ки или ионизации электронным уда­ром, отклоняется магн. полем и не попадает на регистратор. По наблю­даемому ослаблению пучка можно по­лучить информацию об усреднённых вдоль его траектории n и Т'е.

Зондирование плазмы СВЧ излучением явл. одним из удобных методов определения nе (особенно для косм. плазмы). Он осно­ван на зависимости диэлектрической проницаемости  плазмы от её плот­ности: =1-2p/2, где рплаз­менная частота. Каждому значению p соответствует определ. критич. электронная плотность

nкрит=me2p/4e2,

где meмасса электрона. Если частота падающей эл.-магн. волны >p, сигнал проходит через плаз­му, при p плазма отражает волны. Этот метод широко использу­ется для зондирования ионосферы, а также при исследовании лаб. плазмы. Однако этот т. н. метод «отсечки» сигнала требует изменения частоты генератора в широких пределах и не позволяет вести наблюдение за плаз­мой с быстроменяющимися парамет­рами. Поэтому более широкое приме­нение в исследованиях лаб. плазмы, особенно нестационарной, находят интерферометрические методы, основанные на зависимо­сти разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы.

При плотностях плазмы n1014 см-3 используют интерферометры в СВЧ диапазоне, а при n1017 см-3 при­годны только оптические интерферо­метры. Наибольшая чувствительность достигнута на интерферометре Фабри — Перо, работающем в ИК диапазоне. Приборы с широким углом зрения поз­воляют получить мгновенную про­странств. картину распределения плот­ности плазмы. При n1015 см-3 удобно использовать голографич. ин­терферометрию (см. Голография). Из­мерение циклотронного излучения плазмы, позволяющее определить её плотность, находит особенно широкое применение в исследованиях косм. плазмы (регистрация излучений Солн­ца и др. звёзд).

Спектроскопическая Д. п. явл. другим важнейшим методом исследования косм. и лаб. плазмы. Каждый из спектроскопич. методов пригоден лишь в очень ограниченной области параметров плазмы. Анализ непрерывного спектра излучения плаз­мы позволяет определить Те и nе. Ширина и форма наблюдаемых спектр. линий могут дать информацию о темп-ре газа (по Доплера эффекту), о плотно­сти заряж. ч-ц (по Штарка эффекту), о магн. полях (по Зеемана эффекту и эффекту Фарадея). Вклад каждого из этих механизмов в наблюдаемый контур линии можно выделить даже в тех случаях, когда их влияние соизмеримо. Эффект Штарка сильнее всего влияет на далёкие «крылья» спектр. линии, эффект Доплера — на центральную её часть, а зеемановские компоненты легко выделить, исследуя поляризацию. Анализ кон­туров линий излучения высокоионизов. атомов позволяет получить ион­ную темп-ру ti горячей плазмы. От­ношение интенсивностей спектр. ли­ний даёт возможность в ряде случаев определить Те. При данной Те в плазме существуют в осн. ионы с опре­дел. зарядом, поэтому уже только идентификация наиб. ярких спектр. линий позволяет грубо определить электронную темп-ру. При Те кэВ осн. информацию о ней несут линии рентг. спектра. Измерение рентг. тор­мозного излучения плазмы позволяет определить n и Те. Сплошной рентг. спектр излучения успешно регистри­руется в лаборатории только для плазмы высокой плотности (n1017 см-3); при низкой плотности плазмы рентг. излучение возникает в осн. из-за попадания ч-ц на стенки камеры. Спектроскопич. измерения в радиодиапазоне позволяют определять уровень электромагнитных шумов в плазме.

Лазерная Д. п. Анализ рас­сеянного на свободно движущихся эл-нах эл.-магн. излучения стал воз­можным только благодаря появлению и развитию лазеров большой мощности.

155


При небольшой плотности плазмы ин­тенсивность рассеянного излучения пропорц. плотности. Контур линии рассеянного света определяется эф­фектом Доплера, причём, т. к. рас­сеяние происходит на эл-нах, а не на ионах, ширины спектр. линий состав­ляют сотни А. В плотной плазме воз­никает рассеяние на флуктуациях плотности зарядов, и линия рассеян­ного излучения имеет в центре до­вольно острый пик, близкий по форме ионному доплеровскому.

Кроме осн. максимума, соответст­вующего частоте падающего излуче­ния, наблюдаются максимумы ком­бинационного рассеяния на шумах плазмы, позволяющие получить ин­формацию об уровне её турбулентно­сти. По положению комбинац. мак­симумов, отвечающих ленгмюровским плазменным частотам р, определяют плотность плазмы. Сложность этих исследований заключается в том, что при малых плотностях (n1012 см-3) трудно выделить сигнал на фоне излучения, рассеянного на деталях установки, а при n ~ 1017 см-3 силь­ный фон создаёт собственное излуче­ние плазмы.

Пассивная корпуску­лярная Д. п. применяет электрич. и магн. анализаторы (см. Масс-спектроскопия) и калориметрич. методы из­мерения для ч-ц, выходящих из объё­ма изучаемой плазмы. Трудности вы­ведения ч-ц из плазмы, находящейся в сильном магн. поле, делают предпо­чтительным анализ быстрых нейтр. атомов, возникших в плазме за счёт перезарядки. Такие атомы ионизу­ются затем в потоке эл-нов или при «обдирке» на газовых мишенях (либо на тонких фольгах) и далее анализи­руются по энергиям. При высоких темп-pax, когда в плазме возникают термоядерные реакции D+D и D+T, измерения потоков и распределения по энергиям продуктов яд. реакций, в частности нейтронов, позволяют определять ti и нек-рые др. параметры плазмы.

Фотографирование плазмы в разл. спектр. диапазонах позволяет грубо оценить пространств. распреде­ление n и Te. Особенно полезны фо­тографии плазмы с помощью камеры-обскуры в мягком рентг. излучении. Сверхскоростная фотография позво­ляет понять динамику развития неустойчивостей и получить информацию о хар-ре вз-ствия плазмы с магн. полем.

• Диагностика плазмы. Сб. статей, под ред. С. Ю. Лукьянова, М., 1973; Подгор­ный И. М., Лекции по диагностике плаз­мы, М., 1968; Диагностика плазмы, под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, пер. с англ., М., 1967; Кузнецов Э. И., Щеглов Д. А., Методы диагностики вы­сокотемпературной плазмы, М., 1974; Г о л а н т В. Е., Сверхвысокочастотные ме­тоды исследования плазмы, М., 1968.

И. М. Подгорный.

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ антенны, зависимость от направления напряжённости поля или мощности, излучаемой передающей антенной, или эдс, либо токов, индуцируемых в при­ёмной антенне. См. Антенна.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ (диаграм­ма равновесия, фазовая диаграмма), геом. изображение равновесных со­стояний термодинамич. системы при разных значениях параметров, опре­деляющих эти состояния: темп-ры Т, давления р, состава системы (концент­раций компонентов xi), мольного объё­ма v, напряжённостей электрич. и магн. полей и др. Д. с. даёт информа­цию о фазовом составе системы в зависимости от Т, р, х; и др. пара­метров. В простейшем случае, когда система состоит только из одного компонента, Д. с. представляет собой трёхмерную пространств. фигуру, по­строенную в трёх прямоуг. координат­ных осях, по к-рым откладывают зна­чения Т, р и v (или др. параметров).



Обычно рассматривают проекции трёх­мерной Д. с. на одну из координатных плоскостей (чаще на плоскость р, Т', рис.). Любая точка Д. с. (ф и г у р а т и в н а я т о ч к а) изображает равновесное состояние в-ва при дан­ных значениях р и Т. Точка О (трой­ная точка) соответствует равновесию трёх фаз в-ва: твёрдой, жидкой и газообразной. В точке О пересекаются три кривые: ОА (кривая в о з г о н к и, или сублимации), каждая точка к-рой соответствует равновесию тв. и газообразной фаз в-ва; ОК (кривая испарения) — жидкой и газо­образной фазам; кривая плавле­ния (или ОB') — тв. и жидкой фазам (OS для в-в, у к-рых темп-ра плавления Тпл растёт с давлением, OB' для в-в с уменьшающейся Тпл с ростом р). Эти кривые делят плос­кость Д. с. на области существования каждой из трёх фаз: твёрдой (S), жидкой (L) и газообразной (G). В точ­ке Kкритической точке исчезает различие между св-вами жидкости и газа. Согласно Гиббса правилу фаз, точке О соответствует безвариантное равновесие, точкам на кривых ОА, ОВ (ОB') и ОК — моновариантное равновесие, а точкам в каждой из областей S, L и G — дивариантное (двухвариантное) равновесие. При существовании у в-ва полиморфных модификаций Д. с. усложняется (чис­ло тройных точек равно числу поли­морфных превращений, см. Полимор­физм).

Для построения Д. с. используют дан­ные термич. анализа, рентгеновского

структурного анализа, оптич. и элект­ронной микроскопии, нейтроногра­фии, дилатометрии, измерений твёр­дости и др. методов.

• Аносов В. Я., Краткое введение в физико-химический анализ, М., 1959; В о л А. Е., Строение и свойства двойных ме­таллических систем, т. 1—2, М., 1959—62; В о л А. Е., К а г а н И. К., Строение и свойства двойных металлических систем, т. 3, М., 1976; П е т р о в Д. А., Тройные системы, М., 1953; Воловик Б. Е., За­харов М. В., Тройные и четверные си­стемы, М., 1948; П а л а т н и к Л. С., Л а н д а у А. И., Фазовые равновесия в многокомпонентных системах, Хар., 1961.