Учебное пособие Павлодар Кереку 2010 удк 53 (075. 8) Ббк 22. 3я73
| Вид материала | Учебное пособие |
- Врамках программы «Прометей» Павлодар удк 94(574. 25)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз)я73, 3259kb.
- Учебное пособие Павлодар удк339. 9 (075. 8) Ббк 65., 1778.36kb.
- Учебное пособие Ульяновск 2010 удк 004. 8(075. 8) Ббк 32. 813я73, 1559.86kb.
- Учебное пособие Павлодар удк 94(574+470. 4/. 5+571. 1)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз+2Рос)5я73, 3633.95kb.
- Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета, 5335.58kb.
- Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450., 2962.9kb.
- Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30, 1513.98kb.
- Учебное пособие Уфа 2005 удк 338 (075. 8) Ббк, 1087.66kb.
- Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
- Учебное пособие Майкоп 2008 удк 37(075) ббк 74. 0я73, 4313.17kb.
Тема Фазовые переходы 1 и 2 рода
Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Если, например, в закрытом сосуде находится вода, то эта система является двухфазной: жидкая фаза — вода; газообразная фаза — смесь воздуха с водяными парами. Если в воду бросить кусочки льда, то эта система станет трехфазной, в которой лед является твердой фазой. Часто понятие «фаза» употребляется в смысле агрегатного состояния, однако надо учитывать, что оно шире, чем понятие «агрегатное состояние». В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в нескольких фазах, отличающихся по своим свойствам, составу и строению (лед, например, встречается в пяти различных модификациях — фазах). Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход — всегда связан с качественными изменениями свойств вещества. Примером фазового перехода могут служить изменения агрегат, связанные с изменениями в составе, строении и свойствах вещества (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую).
Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый перед I рода (например, плавление, кристаллизация и т. д.) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы I рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема. Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при плавлении телу нужно сообщить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимая при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. В подобных переходах — из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние — степень беспорядка увеличивается, т. е., согласно второму началу термодинамики, этот процесс связан с возрастанием энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизация), то система теплоту выделяет.
Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами II рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Общая трактовка фазовых переходов II рода предложена советским ученым Л. Д. Ландау (1908—1968). Согласно этой трактовке, фазовые переходы II рода связаны с изменением симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов II рода являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0 К, в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля; превращение обыкновенного жидкого гелия (гелия I) при Т= 2,9 К в другую жидкую модификацию (гелий II), обладающую свойствами сверхтекучести.
Многие металлы вблизи абсолютного нуля переходят в особое состояние, получившее название сверхпроводящего. Переход сопровождается резким изменением электрических и магнитных свойств металла: металл полностью теряет сопротивление току и превращается в идеальный диамагнетик (эффект Мейснёра). Достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Переход «сверхпроводящее состояние — нормальное» есть фазовый переход второго рода, если он происходит в нулевом магнитном поле, и первого рода — в присутствии поля..
Сверхпроводимость сорок пять лет (1911 —1956) была дразнящей загадкой теории металлов и получила объяснение благодаря открытию феномена «спаривания» электронов путем обмена виртуальными фононами (Купер). «Спаривание» приводит к тому, что электроны проводимости образуют связанную систему (конденсат), способную, однако, двигаться как целое. Движение конденсата осуществляет перенос заряда без сопротивления (сверхпроводимость).
При помещении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникает сверхпроводящий ток, магнитный момент которого компенсирует приложенное поле. Конечно, истинное основное состояние сверхпроводника — это состояние, при котором конденсат покоится, но если в сверхпроводящем кольце течет ток, то он не затухает.
Построение теории сверхпроводимости сыграло стимулирующую роль в развитии физики сверхпроводимости. В последнее десятилетие из уникального явления, имеющего малое отношение к основному пути развития физики и техники, сверхпроводимость стала источником новых идей и методов в самых различных областях физики (физика ядра, физика элементарных частиц) и техники (сверхпроводящие магниты, сверхпроводящие интерферометры).
Тема Газовые разряды. Плазма и ее свойства
Термин «плазма» был введен в физику в двадцатых годах для описания проводящего газа, в котором заряженные частицы образовались в результате разрушения атомов и молекул. Такая система подобна газу. Образование плазмы требует более высоких температур, чем химические превращения. Однако плазма как ионизованный газ не является новым состоянием вещества и, следовательно, новой формой материи, а представляет собой газ, т.е. систему свободных атомных частиц. В большинстве реальных случаев плазма является слабо ионизованным газом с малой степенью ионизации.
Это имеет место в газовом разряде, где ионизованный газ находится во внешнем электрическом поле. газовый разряд является примером плазмы, которая поддерживается под действием внешних полей. Если температура электронов и газовых частиц одинакова, плазма называется равновесной; в противном случае мы имеем дело с неравновесной плазмой.
Принципиальное свойство ионизованного газа определяется взаимодействием заряженных частиц. Специфическое свойство плазмы, как ионизованного газа, является коллективное взаимодействие заряженных частиц, которое определяет характер реакции плазмы на внешние поля.
Другой фундаментальной характеристикой ионизованного газа является частота плазменных колебаний или ленгмюровская частота. Обратная величина является временем, за которое плазма откликается на изменение, действующих на нее электрических полей, благодаря движению электронной компоненты. По определению эта величина является частотой коллективных колебаний электронов при смещении их от равновесного положения. Наличие коллективных колебаний в плазме, которые определяются кулоновским взаимодействием заряженных частиц в ней, принципиально отличает плазму от нейтральных газов и отражается на многих процессах в ней.
Обычно плазма является квазинейтральной, т.е. полный положительный и отрицательный заряды в ней равны. В противном случае в ней возникают высокие электрические поля.
Методы генерации плазмы. Простейший способ генерации плазмы использует действие электрического поля на газ, в результате которого зажигается газовый разряд.
Газовый разряд, как и газоразрядная плазма, имеют долгую историю, которую удобно начать с 1705 года, когда английский ученый Хоксби создал электростатический генератор, так что его мощность позволяла получать светящиеся электрические разряды в газах. В 1734 году Дюфай (Франция) установил, что воздух вблизи нагретых тел является проводником. В 1745 году фон Клейст (Германия) и Мушенброк (Нидерланды) сконструировали независимо электрический конденсатор, который получил название «лейденские купола». С его помощью изучался пробой в воздухе. В 1752 году американский ученый Бенджамин Франклин разработал теорию молнии на основе наблюдений. В полном соответствии с современными представлениями, он рассматривал это явление как поток электричества. Таким образом, все эти исследования дали первое понимание характера распространения электрических зарядов через газы и в большей или меньшей степени они основывались на исследовании газовых разрядов.
Газоразрядная плазма является наиболее распространенной формой плазмы и характеризуется широким набором параметров. В зависимости от внешних полей эта плазма может быть как стационарной, так и импульсной. После выключения электрического поля плазма распадается в результате процессов рекомбинации заряженных частиц, а также под действием диффузии электронов и ионов в газе. Эта плазма называется плазмой послесвечения и используется для нахождения параметров ионизации, рекомбинации и диффузии с участием заряженных и возбужденных атомных частиц.
Плазма может быть создана различными способами: через возбуждение газа резонансным излучением, Лазерная плазма, прохождение электронного пучка через газ, химический способом. Плазма, содержащаяся в различных лабораторных приборах и системах, считается низкотемпературной или горячей в зависимости от средней энергии заряженных частиц. В горячей плазме тепловая энергия заряженных частиц значительно превышает характерную атомную энергию или потенциал ионизации атомов, в противоположность низкотемпературной плазме. Соответственно, системы, содержащие низкотемпературную и горячую плазму, принципиально различаются. Примером горячей плазмы является плазма термоядерного реактора, термоядерная плазма. Термоядерная реакция происходит с участием ядер дейтерия и трития - изотопов водорода. Чтобы обеспечить эту реакцию, необходимо, чтобы горячие ионы дейтерия и трития некоторое время находились в зоне реакции, что дает им возможность участвовать в реакции. Это требует высокой температуры ионов (около 10 кэВ) и высокой плотности. Последнее значение достигнуто в лабораторных установках, так что мы находимся на пути создания промышленного термоядерного реактора.
Плазма в современной технологии. Плазма широко используется в производстве в различных технологических процессах, причем круг таких процессов расширяется. Основой плазменной технологии являются следующие особенности плазмы. Во-первых, здесь можно достигнуть более высоких температур, чем при использовании химического топлива. Во-вторых, в плазме генерируются радикалы и химически активные частицы. Кроме того, плазма характеризуется высокими удельными энергиями и перерабатываемыми мощностями. Все это составляет основу различных приложений плазмы.
Старейшее применение плазмы как теплоносителя относится к процессам резки и сварки металлов. Поскольку максимальная температура горелок на химическом топливе не превышает 3000К, они не подходят для жаропрочных металлов. Дуговой разряд позволяет достичь втрое более высокие температуры, что обеспечивает плавление и испарение любых материалов. Поэтому плазменные методы используются в металлургии с начала двадцатого века. В настоящее время различные плазменные горелки мощностью до 10 МВт используются для плавления железа в вагранках и домнах, переработки металлического лома, производства сплавов сталей, экстракции металлов из руды и т.д. В некоторых случаях плазменные методы конкурируют с традиционными, основанными на химическом нагревании материалов. Сравнивая плазменные и химические методы там, где и те, и другие могут быть использованы, можно заключить, что плазменные методы являются более компактными, обеспечивают более качественный продукт, требуют меньшего количества воды и других дополнительных материалов и дают меньшее количество отходов. Но они используют более дорогое оборудование и связаны с более высокими затратами энергии. Это определяет выбор между традиционными и плазменными методами, но по мере развития цивилизации наблюдается тенденция в сторону плазменных методов.
Другое применение плазмы как теплоносителя относится к топливной энергетике. Введение плазмы в зону горения низкосортных углей может улучшить энергетические и экологические параметры процесса, несмотря на малый вклад плазмы в энергетику полного процесса. Плазма используется для пиролиза, а также для очистки и улучшения выходных параметров топлива.
Разные плазменные методы используются для обработки поверхности, которые основаны на характере взаимодействия плазмы с поверхностью. Плазма является хорошим теплоносителем, и взаимодействие нагретой плазмы с поверхностью не изменяет ее состав, но может улучшить некоторые параметры поверхности. Другое приложение плазмы использует присутствующие в ней активные частицы, которые реагируют с верхним слоем поверхности, изменяя его химический состав. Например, этот метод используются для увеличения твердости металлической поверхности в результате образования нитридов и карбидов металлов в приповерхностном слое. Эти соединения образуются в результате проникновения в приповерхностный слой металла атомов азота и углерода, генерируемых в плазме.
Третий способ воздействия плазмы на поверхность реализуется, если материал плазмы покрывает поверхность в форме тонкой пленки. Эта пленка может иметь специфические механические, термические, электрические, оптические и химические свойства в зависимости от используемой плазмы, ее параметров и решаемых задач. Для этой цели удобно использовать поток плазмы, истекающей из сопла. Такой поток в процессе его истекания из сопла может быть преобразован в пучок кластеров, и в этом случае метод высаживания материала на поверхность носит название метода ионного кластерного пучка. Пучковые методы осаждения микронных пленок широко используются в микроэлектронике для изготовления разных элементов, а также для получения специальных зеркал и поверхностей с высококачественным покрытием.
Важная область применений плазмы - плазмохимия имеет дело с производством химических соединений. Первый индустриальный плазмохимический процесс - производство аммония был осуществлен в начале двадцатого века. Далее он был заменен более дешевым методом производства аммония из азота и водорода в высокотемпературном реакторе высокого давления с платиновым катализатором. Другой плазмохимический процесс, отвечающий производству озона в барьерном и других разрядах, реализуется десятки лет.
Наряду с производством неорганических материалов, плазмохимические методы используются для получения органических соединений. Сюда относятся процессы производства полимеров и полимерных мембран, тонкий органический синтез в холодной плазме и т.д. Суммируя различные приложения плазмы для этих целей, следует отметить, что их основой являются тонкие и простые методы, что делает их перспективными.
В этой области используются плазменные ножи и другие инструменты подобного типа для хирургических операций, где плазма имеет свои преимущества благодаря сильному воздействию плазмы на живую материю и высокой неоднородности плазмы. Далее, плазма в виде коронного разряда используется для очистки комнат и уничтожения микробов, позволяя иметь чистые медицинские комнаты. Кроме того, уничтожение медицинских отходов (использованных бинтов и т.д.) плазменными методами является наиболее удобным методом. Наконец, плазменные методы удобно использовать для производства некоторых лекарств. Как видно, во всех этих случаях используется селективность плазменных процессов и возможности создания неоднородной плазмы, тогда как в энергетических приложениях на первое место выходит высокая энергетическая емкость плазмы и высокая скорость обмена энергией с внешними полями.
Экологические приложения плазмы в настоящее время развиваются в двух направлениях. Первое из них связано с переработкой мусора и отходов производства, разложением токсических веществ и взрывчатых материалов. Для этой цели используются мощные энергетические установки, так что в необходимых случаях плазма способна разложить вводимый в нее материал на компоненты. Второе экологическое приложение относится к очистке воздуха. Обычно для этой цели используется коронный разряд, который генерирует активные атомные частицы, в том числе, атомы кислорода. Эти активные частицы находят химически активные компоненты воздуха и реагируют с ними. Действие такого разряда ведет к уничтожению микробов, но оно не опасно для человека в силу низкой концентрации генерируемых им активных частиц.
Тема Принцип работы ускорителей заряженных частиц
Ускорители делятся на непрерывные (в них выходит равномерный по времени поток) и импульсные (из них частицы им летают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные ускорители. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных ускорителях - траекториями частиц являются окружности или спирали.
Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.
Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа Заряженная частица проходит поле однократно: заряд q проходя разность потенциалов (φ1 — φ2), приобретает энергию W=q(φ1 — φ2). Таким способом частицы ускоряются до 10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т. д.
Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.
Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц протонов, ионов).
Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в дуант, опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы.
Рисунок 1
К моменту ее выхода из дуанта полярность напряжения изменялся (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходит в другой дуант, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т. д.
Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем нитке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения и синхронизм разрушается.
Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907—1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (р. 1907) принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.
Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).
Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.
Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов). В нем объединены свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.
Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W> 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ (выпускаются серийно).
Тема Электромагнитная индукция, трансформаторы
Трансформатор — это электромагнитный аппарат, служащий для изменения напряжения и силы тока в цепях переменного тока. Потребность в изменении основных величин тока возникает при передаче и распределении электрической энергии. В любой цепи имеются потери электрической энергии в связи с переходом части ее в тепло. Эти потери энергии пропорциональны квадрату силы тока. Кроме того, чем больше сила тока, тем больше должно быть сечение проводов и, следовательно, больше расход проводниковых материалов. Для повышения экономичности передачи необходимо уменьшить силу тока. Для того чтобы передаваемая мощность при этом осталась неизменной необходимо в том же соотношении увеличить напряжение. В конечных точках передачи необходимо снизить напряжение до уровня, требуемого для токоприемников; сила тока при этом соответственно увеличивается. Эту задачу повышения и понижения напряжения, сопровождаемые соответствующими изменениями силы тока, выполняют трансформаторы.
Трансформаторы изобретены в конце семидесятых годов прошлого столетия. Первыми создателями трансформатора являются выдающийся русский изобретатель — электротехник П. Н. Яблочков и препаратор кафедры физики Московского университета И. Ф. Усагин. Роль трансформаторов в электроэнергетике чрезвычайно велика. Изобретение трансформатора раскрыло основное преимущество электрической энергии: возможность дальней передачи ее и экономичного распределения по огромным территориям, что позволяет концентрировать производство электрической энергии на мощных, технически совершенных и высакоэкономичных электрических станциях. Применение трансформаторов открыло возможность широкого использования гидроэнергетических ресурсов.
Помимо силовых трансформаторов, участвующих в передаче и распределении потоков энергии, большое значение на современных электроустановках имеют измерительные трансформаторы. Они позволяют контролировать работу электроустановок, управление и надежную защиту всех элементов установок при каких-либо нарушениях нормального режима работы.
Принцип действия трансформатора. На рисунке 2, а дана конструктивная схема однофазного трансформатора. Основными конструктивными элементами трансформатора являются:
а) замкнутый стальной сердечник, служащий магнитопроводом;
б) первичная и вторичная обмотки, тщательно изолированные электрически одна от другой и от сердечника, с разным числом витков.
К первичной обмотке трансформатора подводится напряжение. Магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику, сцеплен с обеими обмотками, как среднее звено трехзвеньевой цепи. Поток пропорционален току и потому каждое изменение тока будет сопровождаться изменением потока. При этом исчезающие или вновь возникающие магнитные линии будут (как это видно из рисунка 2) пересекать обе обмотки и по закону электромагнитной индукции создавать в них э. д. с. При питании первичной обмотки переменным током, изменения тока будут непрерывны и, таким образом, в обеих обмотках будут непрерывно наводиться электродвижущие силы. При замыкании вторичной обмотки на какое-либо сопротивление, э. д. с. этой обмотки ε2 создаст ток i2: от вторичной обмотки будем, таким образом, получать электрическую энергию.
Решающую роль в физическом процессе работы трансформатора играет магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотки и переносящий энергию от первичной цепи к вторичной; в первичной обмотке подведенная к ней электрическая энергия превращается в магнитную, во вторичном обмотке и магнитная энергия потока Ф превращается опять в электрическую энергию, но с измененными параметрами.
Рисунок 2. Конструктивная схема однофазного трансформатора
Как следует из сказанного выше, э.д.с. в обмотках трансформатора создается только при изменениях потока Ф. Поэтому трансформатор — аппарат только переменного тока. Производительность трансформатора характеризуется коэффициентом трансформации.
Таким образом, трансформатор имеет две раздельно замкнутые электрические цепи. Цепь, к которой подводится напряжение, называется первичной цепью, или первичной обмоткой трансформатора; цепь, от которой получаем напряжение, называется его вторичной цепью, или вторичной стороной. Рассматривай раздельно явления в каждой из этих цепей и применяя к ним второй закон Кирхгофа, можно найти соотношение между их э.д.с. и напряжениями.
Трансформатор без вторичной обмотки аналогичен катушке со стальным сердечником. Если вторичная цепь трансформатора не замкнута, имеем режим холостого хода. При холостом ходе трансформатора ток в его первичной обмотке тоже очень мал и в первом приближении может быть принят равным нулю.