Классификация веществ по магнитным свойствам

Диамагнетики — вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Происходит небольшое изменение угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю.

k_m = -(10^-6 – 10^-7), μ <1

k_m – слабо изменяется от температуры (т.к. диамагнетизм обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния). Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А₃В₅, А₂В₆, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.

Парамагнетики – вещества, которые намагничиваются в направлении вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля.

k_m = (10^-6 – 10^-3), μ >1

k_m – в большинстве случаев сильно зависит от температуры(т.к. тепловая энергия препятствует противодействует созданию магнитной упорядоченности).

При отсутствии внешнего магнитного поля атомы в парамагнетиках обладают магнитным моментом, но из-за теплового движения магнитные моменты распределены хаотично и намагниченность вещества J = 0.

Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.

Ферромагнетики — магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов.

k_m до 10⁶, μ» 1.

k_m сильно зависят от Н внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R редкоземельный элемент (Sm,Ce или Pr)

Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным некомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов. Но у антиферромагнетиков магнитные моменты атомов под действием обменного взаимодействия приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипараллельную, и полностью компенсируют друг друга поэтомуантиферромагнетики не обладаютмагнитным моментом.

k_m = (10^-6 – 10^-3), μ >1

Температура Нееля Т_н, при (и выше) этой Т антиферромагнитный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное состояние.

Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством в связи с чем они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно и отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток приводит к спонтанному намагничиванию кристалла, поэтому ферримагнетики можно рассматривать как некомпенсированные антиферромагнетики.

k_m до 10⁶, μ» 1.

При Т ≥ Т_н материал переходит парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe₂O₃, BaO*6Fe₂O₃, (NiO*ZnO)Fe₂O₃, Li₂O*Fe₂O₃ и другие.

Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.

На рисунке 8.1 показаны направления магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля при 0°К в веществах разной магнитной природы

Рис. 8.1. Ориентация магнитных моментов в веществах разной магнитной природы

Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем — бором, углеродом, кремнием или фосфором.

Спиновые магнитные стекла. Это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов.

Электротехнические материалы разделяются на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные диэлектрики.

Проводниковые материалы большой удельной электрической проводимости используются в электротехнических устройствах в качестве проводников электрического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппаратах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии, в том числе и в линиях связи.

Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особенности свойств полупроводников позволяют широко использовать их в различных отраслях электротехники: в технике связи в широком диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в технике сильного тока. Их применяют в выпрямителях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и так далее.

Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, то есть обладают большой магнитной проницаемостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и в трансформаторах, для экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. Количественно разница между проводимостью диэлектриков и проводников настолько велика, что она обусловливает и качественную разницу между ними. В диэлектриках преобладают не электродинамические явления, характеризующиеся направленным движением огромного числа свободных зарядов (электронов или ионов), а электростатические, характеризующиеся наличием электрического поля. Реальные диэлектрики имеют некоторое (очень малое) количество свободных зарядов и, как следствие, отличающуюся от нуля проводимость. Электродинамические явления в нормальных условиях работы диэлектрических материалов выражены очень слабо. Диэлектрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах.

От свойств электротехнических материалов зависят условия и надежность работы электроустановок, в которых они используются.

Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы эти магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности. Магнитные свойства материалов зависят также от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер.

вопрос 108. Тепловые потери в зданиях

Передача тепла через стены осуществляется главным образом вследствие теплопроводности. Количество тепла, проходящего через стену, зависит от коэффициента теплопередачи материала к. Чем он выше, тем больше теплоты проходит через материал и тем хуже его теплозащита (рис. 8.7.4). Различные строительные материалы имеют разные коэффициенты теплопередачи. На них влияют различные факторы, в частности, плотность и влажность материала.

Плотный материал имеет больший коэффициент теплопередачи по сравнению с пористым материалом. Увеличение плотности способствует повышению к. Уменьшение плотности приводит к снижению к. Это объясняется тем, что поры строительного материала заполнены воздухом, имеющим низкий коэффициент теплопередачи. Чем больше пор в материале, тем меньше его плотность и теплопроводность. Например, у железобетона плотностью 2500 кг/м³ коэффициент теплопередачи к=2,04 Вт/(м²·К); у кладки из обыкновенного глиняного кирпича плотностью 1800 кг/м³ -к = 0,81 Вт/(м²·К), у фанеры плотностью 600 кг/м³ — к = 0,18 Вт/(м²·К), у плит из полистирольного пенопласта плотностью 100 кг/м³ - к = 0,05 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи к - единица, которая обозначает прохождение теплового потока мощностью 1 Вт сквозь элемент строительной конструкции площадью 1 м² при разнице температур наружного воздуха и внутреннего в 1 Кельвин Вт/(м²·К).

Сопротивление теплопередаче R₀ — величина, обратная коэффициенту теплопередачи.

Влажность способствует повышению теплопроводности: сырой материал имеет больший коэффициент теплопередачи и обладает худшими теплозащитными характеристиками по сравнению с сухим. Это вызвано тем, что при увлажнении материала его поры заполняются водой, имеющей высокий коэффициент теплопередачи (приблизительно в 20 раз больший, чем воздух). Чем больше влаги впитывает материал, тем выше становится его теплопроводность. Например, при повышении влажности кирпичной стены толщиной 0,5 м из обыкновенного глиняного кирпича от нормальной, равной 2%, до 8%, ее теплозащита ухудшается более чем на 30%. И если при температуре внутреннего воздуха +20 °С и наружного —20 °С на поверхности сухой стены температура составляет 14,4 °С, то на сырой стене на 2,7 °С ниже и равняется 11,7 °С (рис. 8.7.6).

Рис. 8.7.6. Влияние влажности материала на теплозащитные свойства кирпичной стены: а — сухая стена, влажность материала 5%, б — сырая стена, влажность материала 15%

Поэтому для теплозащиты домов очень важно, чтобы строительный материал, и в первую очередь утеплитель, был обязательно сухим, а конструкции наружных ограждений были сделаны с таким расчетом, чтобы в них не образовывался конденсат, не скапливалась влага, приводящая к ухудшению теплоизоляционной способности стен, окон, чердачных перекрытий, полов первого этажа.

Таким образом, теплозащитная способность стены, ее сопротивление теплопередаче зависят от интенсивности передачи тепла на трех участках (у внутренней поверхности, в толще ограждения, у наружной, поверхности), каждый из которых имеет свое сопротивление. Общее сопротивление теплопередаче представляет собой их сумму (рис. 8.7.7).

Рис. 8.7.7. Сопротивление теплопередаче стены: 1 — теплообмен у внутренней поверхности стены, 2 — теплопередача через толщу ограждения, 3 — теплообмен у наружной поверхности стены, а_в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м² · К), а — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для зимних условий, Вт/(м² · К)

Оконные проемы в общей площади наружных ограждений составляют значительно меньший процент по сравнению со стенами. Однако они имеют худшую теплозащиту: сопротивление теплопередаче оконного блока с двойным остеклением в 2—3 раза меньше, чем у наружных стен. Поэтому через окна теряется значительное количество теплоты: 20—30% всех теплопотерь дома.

На потери тепла через стены (и особенно через окна и стыки оконных коробок со стенами) сильное влияние оказывает ветер. Поскольку строительные материалы и конструкции являются в большей или меньшей степени воздухопроницаемыми, то через них воздух может проникать с улицы в помещение и из помещения на улицу. Если воздух попадает снаружи внутрь дома, то это называют инфильтрацией, если из помещения наружу, то эксфильтрацией.

При инфильтрации через конструкцию стены, стыки и неплотности окон в зимний период проникает холодный воздух. Проходя через толщу стены, он вызывает снижение температуры внутри ограждения и на его поверхности, а проникая в комнату, охлаждает внутренний воздух и вызывает дополнительные потери тепла. Наибольшие теплопотери при инфильтрации происходят через окна и стыковые соединения оконных блоков со стенами. В таблице 8.7.1 приведены теплопотери через наружные ограждения различных конструкций, включающие участок стены, оконный откос и окно при инфильтрации и без нее.

Таблица 8.7.1. Теплопотери через ограждения при инфильтрации и без нее

Вертикальная неоднородная ограждающая конструкция	Температура на внутренней	Теплопотери через наруж­ное ограждение, Вг/м2
	поверхности оконного от­коса, °С *	Оконный откос	Просте­нок стены	Окно
Керамзитобетонная (R0 =0,84 м2-К/Вт) с деревянным оконным блоком с двойным остеклением в спаренных переплетах (R0= 0,34 м2-К/Вт)	10,1 7,8			145 233
Трехслойная керамзитобетонная панель толщиной 340 мм с утеплителем из полистирольного пеноплас­та и обрамляющими ребрами из керамзитобетона (Rо=1,91 м2-К/Вт) с деревянным оконным блоком с двойным остеклением в деревянных раздельных переплетах (Rо=0,38 м2К/Вт)	13,7 9,1			132 284

Примечание: над чертой — без учета инфильтрации, под чертой — с учетом инфильтрации.

При эксфильтрации теплый воздух проходит из помещения через наружное ограждение, повышая температуру на его поверхности и в толще и способствуя увеличению теплопотерь жилым домом. Помимо, этого при эксфильтрации повыщается вероятность выпадения конденсата на стене, остеклении, оконных откосах и внутри ограждений.

Из таблицы 8.7.1. видно, что фильтрация воздуха приводит к увеличению теплопотерь через ограждения почти в 2 раза.

Потери тепла через перекрытия первого этажа в большинстве случаев составляют 3—10% общих теплопотерь. При строительстве дома необходимо качественно выполнить теплоизоляцию цокольного перекрытия и обеспечить на поверхности пола температуру не более чем на 2 °С ниже температуры внутреннего воздуха.

В холодное время года часть тепла теряется через крышу, причем в одноэтажных, двухэтажных домах потери больше, чем в многоэтажных. Они составляют соответственно 30—35 и 5—10%. Поэтому при проектировании и строительстве индивидуальных малоэтажных домов особое внимание должно быть уделено теплоизоляции перекрытия верхнего этажа или чердачного перекрытия. Часто на втором этаже индивидуального двухэтажного дома устраивают жилые комнаты — мансарды. В них крыша выполняет роль наружного ограждения, защищающего помещение от дождя, ветра, холода. Его хорошие теплоизоляционные качества создают уют и тепловой комфорт для живущих людей, снижают затраты на отопление дома, а в солнечную погоду позволяют защитить комнату от перегрева.

Каждая квартира оборудована системой естественной вытяжной вентиляции. Вентиляционные отверстия расположены в ванной комнате, в туалете и на кухне на внутренних стенах, в верхней их части, и прикрыты металлическими или пластмассовыми решетками. Это - вытяжные отверстия. Через них вытяжной воздух из помещений удаляется на улицу. По законам физики работа этой системы зависит от разности температуры в помещении и на улице, Чем ниже температура воздуха на улице, тем лучше она работает и больше теплого воздуха удаляется. На смену ему, благодаря создаваемому вытяжной вентиляцией разрежению в квартире через щели в окнах, открытые форточки, двери, поступает холодный наружный воздух. Причем в холодную пору года действительный объем вентиляции зачастую намного превышает требуемую норму, приводя к увеличению затрат на отопление, так как через систему вентиляции теплопотери составляют до 15%.

вопрос 109. Реакция синтеза. Энергетические условия. Управляемый термоядерный синтез.

Термоядерная реакция - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер.

Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе – в воздухе и в воде. Кроме этого существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р два нейтрона n и называется тритерием (тритием) Т. Термоядерные реакции наиболее эффективно происходят при сверхвысоких температурах порядка 107 – 109 К. При термоядерных реакциях выделяется очень большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана. (Здесь под выделяющейся энергией понимается кинетическая энергия частиц, образующихся в результате реакции.) Например, при реакции слияния ядер дейтерия 12D и трития 13Т в ядро гелия 24Не:

12D + 13Т →24Не + 01n,

Выделяется энергия, приблизительно равная 3,5 МэВ(мегаэлектронвольт) на один нуклон. В реакциях деления энергия на один нуклон составляет около 1 МэВ.

При синтезе ядра гелия из четырех протонов:

4 11p→24Не + 2+11е,

выделяется еще большая энергия, равная 6,7 МэВ на одну частицу. Энергетическая выгодность термоядерных реакций объясняется тем, что удельная энергия связи в ядре атома гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Таким образом, при удачном осуществлении управляемых термоядерных реакций человечество получит новый мощный источник энергии.

Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно лёгких атомных ядра в результате теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи и по известной формуле E=mc²(E- энергия, m- масса, с- скорость света в вакууме), при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует меньше энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надёжнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остаётся то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

· Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 10⁸ K (для реакции D-T).

Соблюдение критерия Лоусона:

n τ > 10¹⁴ см⁻³·с (для реакции D-T),

где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время (2013) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.

Критерий Лоусона: (позволяет оценитить, будет ли термоядер.синтез в заданном реакторе источником энергии. Для того, чтобы ТС стал источником энергии прноизведение концентрации частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину. Например, для реакции D-T

где — плотность высокотемпературной плазмы, — время удержания плазмы в системе. При выполнении критерия Лоусона энергия, выделяющаяся при управляемом термоядерном синтезе, превышает энергию, вводимую в систему.

вопрос 110. Русские ученые конца 19 века Лебедев, Попов Яблочков.

Лебедев Петр Николаевич (24 февраля(8 марта) 1866, Москва- 1(14) марта 1912, Москва)

Выдающийся русский физик- экспериментатор, первым подтвердивший на опыте вывод Максвелла о наличии светового давления. Создатель первой в России научной физической школы, профессор Московского Университета(1900-1911). Был уволен в результате действий министра просвещения, известных, как «дело Кассо».

Биография: родился в Москве 8 марта 1866г., в юношеские годы увлекся физикой, но доступ в университет для него, выпускника реального училища, был закрыт, поэтому он поступил в Императорское Московское техническое училище.

Образование: в 1887г., не закончив ИМТУ, Лебедев направился в Германию, в лабораторию Августа Куандта, у которого работал. По возвращении в Россию в 1892г. Получил место ассистента в Московском университете в лаборатории профессора А. Г. Столетова.

Научная деятельность: еще в 1895г. он создал установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длинной волны в 6мм и 4мм., исследовал отражение, преломление, поляризацию и интерференцию. В 1899г. Лебедев при помощи виртуозных опытов подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света на твердые тела, а в 1907г - и на газы. Лебедев занимался также вопросами о действии электромагнитных волн на резонаторы, уделял внимание вопросам акустики, в частности гидроакустики. Не ограничиваясь научно-исследовательской деятельностью, П. Н. Лебедев уделяет много сил созданию научной школы, которая по существу была первой в России и появление которой продолжает ощущаться до наших дней. К 1905 году в лаборатории работало уже около двадцати молодых его учеников, которым суждено было сыграть впоследствии видную роль в развитии физики в России. Из них уместно назвать в первую очередь П. П. Лазарева, который в 1905 году начал работать с Лебедевым, стал вскоре его ассистентом и ближайшим помощником, после смерти Лебедева — руководителем его лаборатории, а в 1916 году — директором первого Научно-исследовательского института физики в Москве, института из которого вышли такие ученые как С. И. Вавилов, Г. А. Гамбурцев, А. Л. Минц, П. А. Ребиндер, В. В. Шулейкин, Э. В. Шпольский. В 1911 году П. Н. Лебедев принял решение оставить Московский университет вместе со многими прогрессивными преподавателями, в знак протеста против реакционных действий министра Кассо. Это решение отрицательно повлияло на развитие московской школы физики. Историки науки считают, что это привело к упадку преподавания физики в МГУ, который продолжался вплоть до конца 1920-х годов, когда в университет пришёл Л. И. Мандельштам. К тому же очень тонкий опыт, который он проводил в подвале физического факультета, был в известной мере скомкан.

В Городском университете имени Шанявского, где на частные средства П. Н. Лебедев создал новую физическую лабораторию, продолжить исследования он уже не успел. Всегда у него было больное сердце, и даже один раз, когда он был ещё сравнительно молодым, оно вдруг остановилось, когда он греб на лодке. Тогда удалось вернуть его к жизни, но прожил он всего 46 лет.

Александр Степанович Попов (4(16) марта 1859, пос. Туринские Рудники Пермской губернии- 31 декабря 1905(13 января 1906)гг., Санкт- Петербург.

Русский физик и электротехник, изобретатель, профессор, статский советник(гражданский чин V класса, соответствовал должности вице-директору департамента, вице-губернатору), Почетный инженер- электрик, один из изобретателей радио.

Биография: родился 4марта(16 марта) 1859г. на Урале в пос. Туринские Рудники в Пермской области. В семье отца(священника)было еще 6 детей, жили очень скромно.

В 10-летнем возрасте Александр Попов был отправлен в Далматовское духовное училище, в котором его старший брат Рафаил преподавал латинский язык, где учился с 1869 по 1871 годы. В 1873 году он поступил в Пермскую духовную семинарию. После окончания общеобразовательных классов Пермской духовной семинарии (1877 год) Александр успешно сдал вступительные экзамены на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета. Годы учения в университете не были для Попова лёгкими. Средств не хватало, и он вынужден был подрабатывать электромонтёром в конторе «Электротехник». В эти годы окончательно сформировались научные взгляды Попова: его особенно привлекали проблемы новейшей физики и электротехники. Успешно окончив университет в 1882 году со степенью кандидата, А. С. Попов получил приглашение остаться там для подготовки к профессорской деятельности по кафедре физики. В 1882 году защитил диссертацию на тему «О принципах магнито- и динамоэлектрических машин постоянного тока». Но молодого учёного больше привлекали экспериментальные исследования в области электричества, и он поступил преподавателем физики, математики и электротехники в Минный офицерский класс в Кронштадте, где имелся хорошо оборудованный физический кабинет. В 1890 году получил приглашение на должность преподавателя физики в Техническое училище Морского ведомства в Кронштадте. Одновременно в 1889—98 годах в летнее время заведовал главной электростанцией Нижегородской ярмарки. В этот период всё своё свободное время Попов посвящает физическим опытам, главным образом, изучению электромагнитных колебаний. В 1899 году удостоен звания Почётного инженера-электрика.

С 1901 года Попов — профессор физики Электротехнического института императора Александра III. В 1905 году учёный совет института избрал А. С. Попова ректором.

Научные исследования А. С. Попова.

Судовая радиоприёмная станция А. С. Попова образца 1901 года была рассчитана для приёма на ленту и на слух. Такими приёмными станциями были оборудованы многие корабли Черноморского флота. Во время общефлотских манёвров 7 сентября 1899 года удалось поддерживать радиосвязь с кораблями «Георгий Победоносец», «Три Святителя» и «Капитан Сакен», которые дрейфовали в 14 км от берега. В память об этом получила название Радиогорка в Севастополе.

Прибор А. С. Попова возник из установки для учебной демонстрации опытов Герца, построенной А. С. Поповым с учебными целями ещё в 1889 году; вибратор Герца служил учёному передатчиком. В начале 1895 года А. С. Попов заинтересовался опытами О. Лоджа (усовершенствовавшего когерер(резистор, сопротивление) и построившего на его основе радиоприёмник, с помощью которого в августе 1894 года сумел получать радиосигналы с расстояния 40 м), и попытался воспроизвести их, построив собственную модификацию приёмника Лоджа.

Главное отличие приёмника Попова от приёмника Лоджа состояло в следующем. Когерер Бранли—Лоджа представлял собой стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками, которые могли резко — в несколько сот раз — менять свою проводимость под воздействием радиосигнала. Для приведения когерера в первоначальное состояние для детектирования новой волны нужно было встряхнуть, чтобы нарушить контакт между опилками. У Лоджа к стеклянной трубке приставлялся автоматический ударник, который бил по ней постоянно; А. С. Попов ввёл в схему автоматическую обратную связь: от радиосигнала срабатывало реле, которое включало звонок, и одновременно срабатывал ударник, ударявший по стеклянной трубке с опилками. В своих опытах А. С. Попов использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретённую в 1893 году Теслой.

С 1897 года Попов проводил опыты по радиотелеграфированию на кораблях Балтийского флота. Летом 1899 года, когда Попов был в Швейцарии, его ассистенты — П. Н. Рыбкин, Д. С. Троицкий и А. А. Петровский — при проведении работ между двумя кронштадтскими фортами случайно обнаружили, что когерер при уровне сигнала, недостаточном для его возбуждения, преобразует амплитудномодулированный высокочастотный сигнал в низкочастотный, так что его сигналы становится возможным принимать на слух. При известии об этом, Попов модифицировал свой приёмник, поставив вместо чувствительного реле телефонные трубки, и летом 1901 года получил русскую привилегию № 6066, группа XI, с приоритетом 14 (26) июля 1899 года на новый (линейно-амплитудный) тип «телеграфного приёмника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе».

После этого фирмой Дюкрете, уже выпускавшей в 1898 году приёмники его конструкции, был налажен выпуск телефонных приёмников. Среди первых кораблей, оборудованных радиотелеграфом Попова, был ледокол «Ермак».

Александр Степанович Попов скоропостижно скончался 31 декабря 1905 (13 января 1906) от инсульта. Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.

Павел Николаевич Яблочков (14(26)сентября 1847г.,сердобский уезд Саратовской губернии- 19(31)марта 1894г, Саратов)

Русский электротехник, изобретатель, военный инженер и предпрениматель. Известен разработкой дуговой лампы(вошедшей в историю как «свеча Яблочкова») и др. изобретениями в области электротехники.

Биография: Павел родился 14 (26) сентября 1847 года в Сердобском уезде, в семье обедневшего мелкопоместного дворянина, происходившего из старинного русского рода. Семья Яблочковых была культурной и образованной. Отец будущего изобретателя, Николай Павлович, в молодости учился в Морском кадетском корпусе, но по болезни со службы был уволен с награждением гражданским чином XIV класса (губернского секретаря). Мать Павла, Елизавета Петровна, вела хозяйство многочисленной семьи. Она отличалась властным характером и, по отзывам современников, держала всю семью «в руках». С детства Павел любил конструировать. Он придумал угломерный прибор для землемерных работ, которым крестьяне Петропавловки, Байки, Согласова и других окрестных сёл пользовались при земельных переделах; устройство для отсчёта пути, пройденного телегой — прообраз современных одометров. 30 сентября 1863 года, блестяще сдав трудный вступительный экзамен, Павел Николаевич был зачислен в Николаевское училище, в младший кондукторский класс. Строгий распорядок дня и соблюдение воинской дисциплины принесли определённую пользу: Павел окреп физически, получил воинскую закалку. В августе 1866 года Яблочков окончил училище по первому разряду, получив чин инженер-подпоручика. Его назначили младшим офицером в 5-й сапёрный батальон, расквартированный в Киевской крепости. Родители мечтали видеть его офицером, самого же Павла Николаевича военная карьера не привлекала, и даже тяготила. Прослужив в батальоне немногим более года, он, сославшись на болезнь, к большому огорчению родителей, уволился с военной службы, получив при этом чин поручика. В январе 1869 года Яблочков возвращается на военную службу. Его командируют в Техническое гальваническое заведение в Кронштадте, в то время это была единственная в России школа, которая готовила военных специалистов в области электротехники. Там П. Н. Яблочков познакомился с новейшими достижениями в области изучения и технического применения электрического тока, особенно в минном деле, основательно повысил свою теоретическую и практическую электротехническую подготовку. Через восемь месяцев, по окончании Гальванического заведения, Павел Николаевич был назначен начальником гальванической команды в тот же 5-й сапёрный батальон. Однако едва только истёк трёхлетний срок службы, он 1 сентября 1872 года уволился в запас, расставшись с армией навсегда. Незадолго перед отъездом из Киева Павел Яблочков женился.

Научная деятельность: Уволившись в запас, П. Н. Яблочков устроился на Московско-Курскую железную дорогу начальником службы телеграфа. Уже в начале своей службы на железной дороге П. Н. Яблочков сделал своё первое изобретение: создал «чернопишущий телеграфный аппарат». К сожалению, подробности этого изобретения до нас не дошли.

Яблочков являлся членом кружка электриков-изобретателей и любителей электротехники при Московском политехническом музее. Здесь он узнал об опытах А. Н. Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами, после чего решил заняться усовершенствованием существовавших тогда дуговых ламп. Свою изобретательскую деятельность он начал с попытки усовершенствовать наиболее распространённый в то время регулятор Фуко. Регулятор был очень сложный, действовал с помощью трёх пружин и требовал к себе непрерывного внимания. Весной 1874 года Павлу Николаевичу представилась возможность практически применить электрическую дугу для освещения. Из Москвы в Крым должен был следовать правительственный поезд. Администрация Московско-Курской дороги в целях безопасности движения задумала осветить этому поезду железнодорожный путь ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, интересующемуся электрическим освещением. Он охотно дал согласие. Впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе установили прожектор с дуговой лампой — регулятором Фуко. Яблочков, стоя на передней площадке паровоза, менял угли, подкручивал регулятор; а когда меняли паровоз, Павел Николаевич перетаскивал свой прожектор и провода с одного локомотива на другой и укреплял их. Это продолжалось весь путь, и хотя опыт удался, он ещё раз убедил Яблочкова, что широкого применения такой способ электрического освещения получить никак не может и нужно упрощать регулятор. Совместно с опытным электротехником Н. Г. Глуховым Яблочков занимался в мастерской усовершенствованием аккумуляторов и динамо-машины, проводил опыты по освещению большой площади огромным прожектором. В мастерской Яблочкову удалось создать электромагнит оригинальной конструкции. Он применил обмотку из медной ленты, поставив её на ребро по отношению к сердечнику. Это было его первое изобретение, здесь же Павел Николаевич вёл работы по усовершенствованию дуговых ламп. Наряду с опытами по усовершенствованию электромагнитов и дуговых ламп Яблочков и Глухов большое значение придавали электролизу растворов поваренной соли. Сам по себе незначительный факт сыграл большую роль в дальнейшей изобретательской судьбе П. Н. Яблочкова. В 1875 году во время одного из многочисленных опытов по электролизу параллельно расположенные угли, погружённые в электролитическую ванну, случайно, коснулись друг друга. Тотчас между ними вспыхнула электрическая дуга, на короткий миг осветившая ярким светом стены лаборатории. Именно в эти минуты у Павла Николаевича возникла идея более совершенного устройства дуговой лампы (без регулятора межэлектродного расстояния) — будущей «свечи Яблочкова». К началу весны 1876 года Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи и 23 марта получил на неё французский патент за № 112024, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм. Этот день стал исторической датой, поворотным пунктом в истории развития электро- и светотехники, звёздным часом Яблочкова. Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа А. Н. Лодыгина, не имела ни механизмов, ни пружин. Она представляла собой два стержня, разделённых изоляционной прокладкой из каолина. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал. Яблочкову пришлось очень много поработать над выбором подходящего изолирующего вещества и над методами получения подходящих углей. Позднее он пытался менять окраску электрического света, прибавляя в испаряющуюся перегородку между углями различные металлические соли.

В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над изобретением и усовершенствованием электрической свечи, но и над решением других практических задач. Только за первые полтора года — с марта 1876 по октябрь 1877 — он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий. П. Н. Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятора, первым применил переменный ток для промышленных целей, создал трансформатор переменного тока (30 ноября 1876 года, дата получения патента, считается датой рождения первого трансформатора), электромагнит с плоской обмоткой и впервые использовал статические конденсаторы в цепи переменного тока. Открытия и изобретения позволили Яблочкову первому в мире создать систему «дробления» электрического света, то есть питания большого числа свечей от одного генератора тока, основанную на применении переменного тока, трансформаторов и конденсаторов. С наибольшим интересом изобретение П. Н. Яблочкова было встречено в учреждениях военно-морского флота. К середине 1880 года в России было установлено около 500 фонарей со свечами Яблочкова. Из них больше половины было установлено на военных судах и на заводах военного и военно-морского ведомств. Например, на Кронштадтском пароходном заводе было установлено 112 фонарей, на царской яхте «Ливадия» — 48 фонарей, на других судах флота — 60 фонарей, при этом установки для освещения улиц, площадей, вокзалов и садов имели каждая не более 10-15 фонарей. Однако электрическое освещение в России такого широкого распространения, как за границей, не получило. Причин для этого было много: русско-турецкая война, отвлекавшая много средств и внимания, техническая отсталость России, инертность, а подчас и предвзятость городских властей. Не удалось создать и сильную компанию с привлечением крупного капитала, недостаток средств ощущался всё время. Немаловажную роль сыграла и неопытность в финансово-коммерческих делах самого главы предприятия. Павел Николаевич часто отлучался по делам в Париж, а в правлении, как писал В. Н. Чиколев в «Воспоминаниях старого электрика», «недобросовестные администраторы нового товарищества стали швырять деньги десятками и сотнями тысяч, благо они давались легко!» К тому же, к 1879 году Т. Эдисон в Америке довел до практического совершенства лампу накаливания, которая полностью вытеснила дуговые лампы. Из Саратова Яблочковы выехали в Аткарский уезд Саратовской губернии, где близ села Колено находилось доставшееся Павлу Николаевичу по наследству небольшое имение Двоёнки. Пробыв в нём недолго, Яблочковы направились в Сердобский уезд, чтобы поселиться в «отчем доме», а потом поехать на Кавказ. Павел Николаевич намеревался заняться научными исследованиями, но очень скоро понял, что здесь, в глухой деревне, заняться наукой невозможно. Это заставило Яблочковых в начале зимы (видимо, в ноябре 1893 года) переехать в Саратов. Поселились они в заурядных «Центральных номерах» Очкина, на втором этаже. Его номер быстро превратился в рабочий кабинет, где учёный, большей частью ночью, когда его никто не отвлекал, работал над чертежами электроосвещения Саратова. Здоровье Яблочкова ухудшалось с каждым днём: слабело сердце, затруднялось дыхание. Болезнь сердца повлекла за собой водянку, ноги опухли и почти не двигались.

19 (31) марта 1894 года в 6 часов утра П. Н. Яблочков скончался. 21 марта прах Павла Николаевича перевезли для похорон в родные места. 23 марта его похоронили на окраине села Сапожок (ныне Ртищевского района), в ограде Михайло-Архангельской церкви в фамильном склепе.

вопрос 111. Физические процессы в диэлектриках и их свойства. Поляризация диэлектриков.

Термин «диэлектрики» впервые был введен английским физиком М.Фарадеем для обозначения веществ, пропускающих сквозь себя электромагнитное поле. Характерными особенностями любого диэлектрика являются поляризация в электрическом поле, высокое удельное сопротивление, незначительное рассеяние энергии электрического поля, а также электрическая прочность, т.е. способность противостоять сильным электрическим полям. Свойства диэлектриков в существенной мере могут зависеть от температуры и влажности окружающей среды, от условий теплоотвода, частоты и равномерности электрического поля, степени однородности самого диэлектрика, его агрегатного состояния и других факторов. Все диэлектрики обладают изоляционными свойствами. Однако идеальных изоляторов в природе не существует. Проводимость реальных диэлектриков в 1013(степень)... 1023(степень) раз меньше проводимости веществ, которые принято относить к проводниковым материалам. Такое различие свойств материалов обусловлено различием природы их химических связей. Электрическое поле, приложенное к диэлектрику, практически не приводит к переносу свободных носителей заряда, поскольку их концентрация в нормальных условиях в диэлектрике ничтожно мала. Однако при этом происходит смещение связанных зарядов, вызывающее появление поляризованного состояния. В индуцированной электрическим полем поляризации принимают участие практически все заряженные частицы, входящие в состав диэлектрика. И только немногие из них переносят электрические заряды через весь диэлектрик, т. е. обусловливают электропроводность материала. Электрическая поляризация, свойственная диэлектрикам, не возникает в проводниках из-за высокой концентрации свободных электронов, которые экранируют внешнее электрическое поле.

В индуцированной электрическим полем поляризации принимают участие практически все заряженные частицы, входящие в состав диэлектрика. И только немногие из них переносят электрические заряды через весь диэлектрик, т. е. обусловливают электропроводность материала. Электрическая поляризация, свойственная диэлектрикам, не возникает в проводниках из-за высокой концентрации свободных электронов, которые экранируют внешнее электрическое поле.

Поляризация диэлектриков:

Поляризацией называется состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика появляется под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры. Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов с поверхностной плотностью. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика определяется разностью Характеристикой поляризации служит поляризованность Р диэлектрика. Поляризованностью называется векторная физическая величина, равная отношению электрического момента dp элемента диэлектрика к объему dV этого элемента, Кл/м²:

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью е. В изотропных диэлектриках е является скалярной безразмерной величиной, которая показывает, во сколько раз ослабляется напряженность поля внутри диэлектрика Е по сравнению с напряженностью поля в вакууме Е₀ (при условии, что заряд на электродах остается неизменным): Количество электричества на обкладках конденсатора Q слагается из двух составляющих: заряда Q₀, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Q₁. Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами можно рассматривать как конденсатор с определенной емкостью С. При постоянной разности потенциалов между электродами выполняется следующее соотношение:

Механизмы поляризации. Поляризацию, возникающую под действием электрического поля, часто называют индуцированной поляризацией. Она может быть обусловлена смещением электронов, ионов или диполей. Конкретный механизм индуцированной поляризации зависит от строения диэлектрика. Все виды индуцированной поляризации можно подразделить на мгновенные и замедленные. К числу мгновенных относят электронную и ионную поляризации диэлектриков. Эти механизмы поляризации часто называют упругими или деформационными, поскольку при смещении заряженных частиц внешним электрическим полем возникает упругая сила, которая после прекращения возмущающего воздействия быстро возвращает заряженные частицы в исходные равновесные положения. Упругая сила возрастает пропорционально смещению частиц. Поэтому внешнее электрическое поле может привести лишь к очень малым (даже по сравнению с атомными размерами) отклонениям в положении этих частиц относительно равновесного состояния. Например, при напряженности поля порядка 107 В/м упругое смещение электронов в атоме относительно ядра не превышает нм. Большая жесткость связей частиц, участвующих в упругой поляризации, обусловливает слабое влияние внешних условий на диэлектрическую проницаемость материала с подобными механизмами поляризации. В случае замедленных видов поляризации большую роль играет тепловое движение частиц. Такие виды поляризации иначе называют ориентационными, или релаксационными. К их числу обычно относят дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную и электронно-релаксационную поляризации. Одной из самых замедленных является миграционная поляризация, характерная для неоднородных диэлектриков. Во всех этих процессах обычно проявляется достаточно сильная температурная зависимость диэлектрической проницаемости. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов под действием электрического поля. В свободном атоме или ионе центр электронного облака, усредненного во времени, совпадает с ядром. Поэтому электрический момент атома при отсутствии внешнего воздействия равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится сдернуть «электронную шубу» с атома, но силы кулоновского притяжения препятствуют такому разделению. В результате деформации электронных оболочек в каждом атоме (или ионе) индуцируется дипольный момент. Величина элементарного момента пропорциональна поляризуемости (деформируемости) атома и напряженности внутреннего локального поля Елок, действующего на частицу:

Схема деформации электронных оболочек атомов при поляризации диэлектрика: а —электрическое поле отсутствует; б —деформированное состояние атомов Сумма всех элементарных моментов, находящихся в единице объема, определяет вклад в поляризованность диэлектрика, обусловленный упругим смещением связанных электронов. При этом основное участие в формировании дипольных моментов принимают валентные электроны, слабее связанные с ядром, нежели электроны внутренних оболочек.

вопрос 112. Выбор взаимного движения теплоносителей.

Теплоноситель- это жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии. На практике чаще всего применяют воду(в виде газа или жидкости), глицерин, нефтяные масла, расплавы металлов(олово, свинец, натрий, калий), воздух, азот, фреоны(хладагенты). Самым первым теплоносителем, используемым человеком, был нагретый воздух.

Область применения: в большинстве приборов/инж.систем и др., служащих для передачи/распределения тепла используется теплоноситель, например: системы отопления зданий, холодильник, масляный обогреватель, кондиционер, котельная, солнечный водонагреватель и др.

Основные проблемы при выборе теплоносителя:

Рабочий диапазон температур: не существует теплоносителя, способного перекрыть весь диапазон температур от 0 до, скажем, 3000 Кельвинов;

Теплоемкость: определяет количество теплоносителя, которое необходимо прокачивать в единицу времени для переноса заданного количества тепла;

Коррозионная активность: ограничивает применение некоторых теплоносителей, заставляет добавлять ингибиторы(вещества, подавляющие физиолог.процесс) коррозии;

Вязкость: косвенно влияет на скорость прокачки, на потери в трубопроводах, на коэффициент теплопередачи в теплообменниках. Может изменяться в очень широких пределах при изменении температуры;

Смазывающая способность: накладывает ограничения на конструкцию и материалы циркуляционного насоса и прочих механизмов, соприкасающихся с тепло-телем;

Безопасность: температура вспышки, температура воспламенения, токсичность жидкости и ее паров. Вероятность ожогов, как горячих, так и криоожогов.

Правильный выбор взаимного направления движения теплоносителей имеет существенное значения для наиболее экономичного проведения процессов теплообмена.

Для случая прямотока конечная температура менее нагретого теплоносителя (охлаждающего агента) t₂К не может превышать конечную температуру более нагретого теплоносителя t₁К. При противотоке это возможно. Для осуществления процесса должна существовать некоторая разность температур. При повышении t₂К сокращается расход охлаждающего агента, т.е. противоток предпочтителен с точки зрения экономии охлаждающего агента.

Если сопоставить противоток и прямоток при одинаковых начальных и конечных температурах теплоносителей, то при противотоке средняя движущая сила выше, а расход теплоносителей одинаков. Скорость теплообмена при противотоке выше, следовательно, противоток более эффективен.

Таким образом, противоток является более предпочтительным при проведении процессов теплообмена. Прямоток применяют только в том случае, если он обеспечивает какие либо технологические преимущества (например, создание более мягких условий обогрева).

Если один из теплоносителей меняет свое агрегатное состояние, то взаимное направление движения теплоносителей не имеет значения.