Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

что с целью повышения электрической прочности насыщение проводят за счет электрофоретического осаждения твердых частиц на суспензии с неводной дисперсионной средой.

Эффект, обратный электрофорезу,— возникновение разности потенциалов в жидкости в результате движения частиц, вызванного силами неэлектрического характера, например: при оседании частиц в поле тяжести, при движении в ультразвуковом или центробежном поле (седиментационный потенциал или потенциал оседания).

Электрокапиллярные явления — явления, связанные с зависимостью величины поверхностного натяжения на границе раздела электрод — раствор от потенциала электрода.

2.15. Свет и вещество

Свет — это совокупность электромагнитных волн различной длины. Диапазон длин волн видимого света — от 0,4 до 0,75 мкм. К нему примыкают области невидимого света — ультрафиолетовая (от 0,4 до 0,1 мкм) и инфракрасная (от 0,75 до 750 мкм).

Видимый свет доносит до нас большую часть информации из внешнего мира. Помимо зрительного восприятия, свет можно обнаружить по его тепловому эффекту, по его электрическому действию или по вызываемой им химической реакции. Восприятие света сетчаткой глаза является одним из примеров его фотохимического действия. В зрительном восприятии определенной длине волны света сопутствует определенный цвет. Так, излучение с длиной волны 0,48–0,5 мкм будет голубым; 0,56–0,59 — желтым; 0,62–0,75 — красным. Естественный белый свет есть совокупность волн различной длины, распространяющихся одновременно. Его можно разложить на составляющие и выделить их с помощью спектральных приборов (призм, дифракционных решеток, светофильтров).

Как и всякая волна, свет несет с собой энергию, которая зависит от длины волны (или частоты) излучения.

Ультрафиолетовое излучение, как более коротковолновое, характеризуется большей энергией и более сильным взаимодействием с веществом, чем объясняется широкое его использование в изобретательской практике. Например, облучение ультрафиолетом может инициировать или усиливать многие химические реакции.

А. с. 489602. Способ соединения металлов путем заполнения зазора между соединяемыми деталями металлом, полученным разложением его

121

химического соединения, отличается тем, что с целью устранения термического воздействия на соединяемые детали разложение химиче- ских соединений осуществляют облучением ультрафиолетовым светом.

Существенно влияние ультрафиолета на биологические объекты, например его бактерицидное действие. Следует помнить, что ультрафиолетовое излучение очень сильно поглощается большинством веществ, что не позволяет применить при работе с ним обычную стеклянную оптику. До 0,18 мкм используют кварц, фтористый литий, до 0,12 мкм — флюорит; для еще более коротких волн приходится применять отражательную оптику.

Еще более широко в технике используют длинноволновую часть спектра — инфракрасное излучение. Следует отметить здесь приборы ночного видения, ИК-спектроскопию, тепловую обработку материалов, лазерную технику, измерение на расстоянии температуры предметов.

À.с. 269400. Способ противопожарного контроля волокнистого материала, например, хлопка-сырца, подаваемого по трубопроводу

êместу его хранения, отличается тем, что с целью повышения надежности хранения контроль осуществляют посредством расположенных по периметру трубопровода датчиков, реагирующих на инфракрасное излучение.

À.с. 271550. Способ ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий на основе применения инфракрасного излучения, отличающийся тем, что с целью обеспечения ремонта в зимнее время вначале создают тепловую защиту непосредственно в месте производства работ путем создания зон положительных температур посредством источников инфракрасного излучения, затем разогревают применяемые в качестве исходного материала асфальтобетонные брикеты одновременно с ремонтируемым участком дорожного покрытия до пластического состояния при помощи инфракрасных лучей.

Еще одно интересное свойство ИК-лучей: прямое облучение стальных изделий светом инфракрасных ламп сдерживает процессы коррозии не только в условиях обычного хранения, но и при повышении влажности и содержания сернистых газов.

À.с. 232391. Способ определения экспозиции засветки фоторезисторов на основе диасоединений и азидов в процессе фотолитографии, отличающийся тем, что с целью улучшения воспроизводимости и увели- чения выхода годных приборов полупроводниковый эпитаксиальный

122

материал с нанесенным на него фоторезистом облучают ультрафиолетовым или видимым светом, причем экспозицию определяют по времени исчезновения полосы поглощения пленки фоторезиста в области 2000–2500 см.

Световое излучение может передавать свою энергию телу не только нагревая его или возбуждая его атомы, но и в виде механического давления. Световое давление проявляется в том, что на освещаемую поверхность тела в направлении распространения света действует распределенная сила, пропорциональная плотности световой энергии и зависящая от оптических свойств поверхности. Световое давление на полностью отражающую зеркальную поверхность вдвое больше, чем на полностью поглощающую при прочих равных условиях.

Объяснить это явление можно как с волновой, так и с корпускулярной точек зрения на природу света. В первом случае это результат взаимодействия электрического тока, наведенного в теле электрическим полем световой волны, с ее магнитным полем по закону Ампера. Во втором — результат передачи импульса фотонов поглощающей или отражающей стенке.

Величина светового давления мала. Однако простота управления световым потоком и «избирательность» светового давления в отношении тел с различными поглощающими и отражающими свойствами позволяют с успехом использовать это явление в изобретательстве (например, фотонная ракета).

Световое давление используется в микроскопах для уравновешивания малых изменений массы или силы (пат. 3590932 США). Измерительное фотоэлектрическое устройство определяет, какая величина светового потока, а следовательно и светового давления, потребовалась для компенсации изменения массы образца и восстановления равновесия системы.

А. с. 174432. Способ перекачки газов или паров из сосуда в сосуд путем создания перепада давления на разделяющей оба сосуда перегородке, имеющей отверстие, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности откачки, на отверстие в перегородке фокусируют световой пучок, излучаемый, например, лазером.

Поглощение и рассеяние света. Выше явления рассматривались в предположении, что среды оптически однородны и абсолютно прозрачны для света. В действительности дело обстоит иначе. Процесс прохождения света через вещество — это процесс поглощения атомами

123

èмолекулами энергии электромагнитной волны, которая идет на возбуждение колебания электронов и последующего переизлучения этой энергии. При этом не вся энергия переизлучается, часть ее переходит в другие виды энергии, например тепловую.

Поглощение света зависит от длины волны света и имеет максимумы на частотах, соответствующих частотам собственных колебаний электронов в атомах, самих атомов. Естественно, поглощение зависит от толщины слоя поглощающего вещества.

Ослабление светового излучения при прохождении через среду объясняется также и рассеянием света. В случае наличия в среде оптических неоднородностей переизлучение энергии электромагнитной волны происходит не только в направлении проходящей волны (пропускание), но

èв стороны. Эта часть излучения наряду с дифрагированной, преломленной и отраженной на неоднородностях составляющими образует рассеянный свет.

Рассеяние обладает дисперсией. В атмосфере, например, рассеиваются преимущественно голубые лучи. Этим объясняется голубой цвет неба, в то время как свет, проходящий через атмосферу, обогащен красными составляющими — красный цвет зорь. При монохроматическом освещении даже в физически сильно неоднородной среде рассеяние не происходит при совпадении коэффициентов преломления компонентов среды. Выбрав компоненты с различными температурными коэффициентами, можно создать оптический термометр.

Распределение интенсивности света, рассеянного средой по различ- ным направлениям (индикатрисса рассеяния), может дать значительную информацию о микрофизических параметрах среды. Такого рода измерения находят применение в биологии, коллоидной и аналитической химии, составляя предмет нефелометрических исследований, а также в аэрозольной технике.

Согласно а. с. 172094, определяют параметры капель жидкости, измеряя характеристики светового излучения, рассеянного на каплях.

Рассеяние наблюдается и в чистых веществах. Оно объясняется возникновением оптической неоднородности, связанный с флуктуациями плотности, например тепловыми. Рассеянный свет по некоторым направлениям частично поляризован.

Âслучае комбинационного рассеяния света (эффект Мандельштама — Ландсберга — Рамана) в спектре рассеянного излучения кроме ли-

124

ний, характеризующих падающий свет, имеются дополнительные линии (сателлиты), излучение которых является комбинацией частот падающего излучения и частот собственных тепловых колебаний молекул рассеивающей среды.

Полное внутреннее отражение

Входы: óãîë.

Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.59.

Сущность

Полное внутреннее отражение — отражение оптического излучения (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред — из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления (см. рис. 2.59). Полное внутреннее отражение

sin iïð = 1/n,

ãäå iïð — предельный угол;

n — относительный показатель преломления 1-й и 2-й среды. Значения n è iïð несколько отличаются для разных длин волн (частот)

излучения (дисперсия света).

Применение. Используется в отражательных призмах, полевом бинокле и других оптических приборах.

125

2.16. Фотоэлектрические и фотохимические явления

Фотоэлектрические явления — электрические явления, происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитной энергии в веществе происходит всегда отдельными порциями — квантами. Фотоэлектрические явления возникают, когда энергия поглощенного фотона затрачивается на квантовый переход электрона в состояние с большей энергией.

Фотохимические явления — химические явления, происходящие в веществе под действием света.

2.16.1. Фотоэффект

Входы: излучение. Выходы: электрический ток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.60.

Сущность

Фотоэффект — вырывание электронов из вещества под действием внешнего излучения (см. рис. 2.60). В металле электрон (e–) движется свободно, но при вылете его с поверхности сам металл из-за этого заряжается положительным зарядом и препятствует вылету электрона. Поэтому для того, чтобы покинуть металл, электрон должен обладать до-

Рис. 2.60. Экспериментальная установка по наблюдению фотоэффекта

126

полнительной энергией, зависящей от вещества. Эта энергия называется работой выхода.

Математическое описание

Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна:

h i ,

где — кинетическая энергия фотоэлектрона; h — постоянная Планка;

— циклическая частота;

i — энергия ионизации атома.

Ïðè h i фотоэффект невозможен.

Применение

Фотоэффект широко используется в исследованиях строения вещества — атомов, атомных ядер, твердых тел, а также в фотоэлектронных приборах.

Пат. 3580745 США. Способ и устройство для маркировки банок

âконтейнере путем облучения чувствительной эмульсией. Перед упаковкой в транспортировочный картонный контейнер торец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эмульсией. Банки, упакованные

âконтейнер, облучают рентгеновскими или гамма-лучами. При этом покрытые эмульсией торцы банок облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркировочных обозначений (например, цены). Таким образом, маркировка упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без вскрытия этого контейнера и с последующей индивидуальной маркировкой каждой банки.

2.16.2. Дембера эффект

Входы: световой поток.

Выходы: ÝÄÑ.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.61.

Сущность

Эффектом Дембера называется возникновение фотоЭДС между освещенной и неосвещенной частями поверхности однородной по всему объему полупроводниковой пластины при облучении ее светом, спек-

127

E ôìý iê.çR,

ãäå H — напряженность магнитного поля; J — интенсивность света;

e — заряд;

D — коэффициент диффузии;

n è p — подвижность электронов и дырок соответственно; S — скорость поверхностной рекомбинации;

R — сопротивление проводника; L — диффузионная длина;

Ñ — скорость света в вакууме.

Применение

Применяется в ИК-спектроанализаторе, который обладает повышенной чувствительностью в тех участках спектра, где значения показателей инфракрасного спектра наиболее ярко отражают особенности молекулярных связей воды и фундаментальных компонентов биологических жидкостей, в частности крови.

2.16.4. Фотохромный эффект

Входы: излучение.

Выходы: öâåò.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.63.

Сущность

Фотохромный эффект заключается в изменении окраски вещества под действием видимого или ультрафиолетового излучения. В отличие от обычного выцветания красок, этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутствие таковой восстанавливается через некоторое время в темноте под действием излучения другой частоты или при нагревании. Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго, если охладить фотохромное вещество или обработать его некоторыми газами. Фотохромизм также восстанавливается при соответствующей вторичной обработке.

Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но и от среды, в которую оно может быть введено (стекло, керамика, жидкость, пластмасса, ткань и др.).

130