книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

ИЗОБРЕТЕНЧЕСКАЯ схематизация и систематизация некоторых известных

физических явлений

Историческая последовательность открытий физических явлений и эффектов, составляющая материал современной физики, нельзя в полной мере отнести к систематизации, в частности к ИЗОБРЕТЕН- ЧЕСКОЙ систематизации. Систематизация всех известных физиче- ских явлений должно и имеет родство с принципом периодического закона Д. И. Менделеева в химии, и ему подчиняется. Как масса атома (величина заряда ядра) влияет на свойства химического элемента,так и масштаб весомости (величины энергетического потенциала) явле- ния или эффекта влияет на результат его функционального действия при использовании.

Всё разнообразие веществ построено на основе одной универсаль- ной материальной единицы — системы микрочастиц планетарного типа, названной атомом. Количество существующих и открытых ато- мов химических элементов сравнительно небольшое, чуть более 100, которые различаются массой (или величиной заряда ядра). Свойства веществ обусловлены результатами действий физических и химиче- ских явлений и эффектов в атомах, между атомами и молекулами.

У всего разнообразия известных физических явлений (эффектов) подобной универсальной материализованной единицы (элементар- ной по строению) или системы, из которой путём масштабирова- ния можно было составить любое явление, нет. В элементах явления действует множество разнообразных элементарных материальных единиц (электроны, протоны, нейтроны, фотоны, атомы, ионы, мо- лекулы, диполи, частицы, домены и фракции веществ), которые при активизации повторяют взаимодействие и строение атома и молекул. Выбор определённой материальной единицы продиктован условием их взаимодействия и достоверного объяснения сути физического яв- ления.

Как атом имеет пару взаимодействующих элементов (положи- тельное «неподвижное» ядро и движущуюся вокруг него оболочку из электронов —то есть типичных противоположностей),так и любое физическое явление состоит из пары взаимодействующих элементов (или частей, или как принято в Физике из «системы двух тел»), имею- щих аналогичные противоположные качества одного рода. Причём на макроуровне в объектах изобретения роль пары таких взаимодей- ствующих элементов исполняет его основная функциональная пара частей (или что то же «система двух тел»).Наличие противоположных качеств одного рода у пары элементов создают между ними состоя-

370

ние неравновесия (разности потенциалов в виде избытка и недостат- ка энергетических единиц),благодаря чему возникаетпроцессдвиже- ния к состоянию равновесия, которое характеризует и присуще тому или иному физическому явлению. Энергия движения к равновесному состоянию является движущейся силой и её используют для преобра- зования в другие более ценные виды энергии.

Атом устойчив благодаря вечному движению электронов вокруг ядра. Это система прочная, автономная, покоящаяся на минимуме внутренней энергии, и в химических элементах проявляет свойства от металла до неметалла (от восстановителя до окислителя) и инерт- ных элементов. При этом окислительно-восстановительные реак- ции могут проходить только при условии, что исходные компоненты (элементы) содержат атомы, молекулы или ионы, которые обладают противоположными способностями (или противоположными каче- ствами одного рода), а именно: способностями принимать и отдавать электроны. То есть, обмениваться энергией электронов (энергией движущейся элементарной частицы измеряемой в электронвольтах — эВ). Для активного хода химических реакций в основном использует- ся и тратится тепловая энергия, но большинство реакций протекает и в обычных нормальных условиях. Например:

Каучук, вулканизация, резина

Макроуровень: кусок серы <—> кусок каучука <—- источник тепла (нагрев на плите) = вулканизация, образование резины, упругая эла- стичность

Микроуровень: атом серы <—> макромолекулы каучука <—- источ- ник тепла = вулканизация — сшивание макромолекул каучука, обра- зование сетки резины

Знак <—> соответствует взаимодействию.

Знак «<—- » соответствует воздействию, виду энергии для трат. Знаком «=» обозначает результат, вид ценного приобретения. Атом серы, обменивающийся электронами с макромолекулами

каучука — это внутренняя (микро уровневая) пара противополож- ных элементов.Она соответствует смеси этих веществ (сырой резине) на источнике тепла — внешней (макро уровневой) паре противопо- ложных элементов.

Ктратам дешёвого относится теплота от источника, например от горения топлива.

Кценному приобретению относится процесс вулканизации — об- разование резины.

Вулканизация это процесс нагрева каучука при воздействии серы.

Спомощью атомовсеры в каучуке образуютсядлинныемакромолеку- лярные связи, которые прочно «сшивают» макромолекулы в единую

371

трёхмерную пространственную сетку, имеющую упругую эластич- ность.Атомы серы и макромолекулы каучука это пара взаимодейству- ющих элементов,имеющих противоположные способности —способ- ности, с одной стороны, принимать, а с другой — отдавать электроны.

Схематично, смесь каучука и серы может находиться в стационар- ной ёмкости (и на подставке), источник тепла от спиртовки на столе. Стол и подставка — вспомогательные внешние предметы, в конечном итоге,размещаются на Земле и образуютс ней единое целое,они объ- единяют (замыкают) в функционирующий узел элементы явления, имеющие противоположные качества одного рода, то есть каучук

исеру. Стол (земля), подставка, ёмкость и спиртовка образуют исхо- дную модель устройства химического реактора.

Кпричинетехнической ограниченности может отнесено отсутствие процесса вулканизации,а как следствие отсутствие нагрева или серы.

Микроуровень для непосредственного управления процессом нам не доступен. Макроуровень доступен, но для обеспечения доступ- ности характерное действие всех физических явлений с микроуров- ня выносится на макроуровень с помощью прямого взаимодействия пары макроскопическихтел исполняющих функции пары взаимодей- ствующих элементов задействованного физического явления.

Поэтому, ни одно физическое явление не имеет такой самодоста- точности, как у атома, но и его парные элементы, содержащие атомы, молекулы и ионы,имеюти проявляютаналогичные атому противопо- ложные качества одного рода.

При подводе извне подходящей энергии одни элементы явления проявляют свойства отдающего (например, ценную) энергию, дру- гие — свойства принимающего (например,дешёвую) энергию, вплоть до пассивной структуры элементов —до парного соединения.

Соединённая пара элементов физического явления,имеющих про- тивоположные качества одного рода, образуют лишь «систему двух тел» или функциональный узел, который без подвода извне подходя- щей энергии пассивен, не действует и ни чего не производит. Приме- рами таких пар являются соединённая пара разнородных материалов (гальваническогоэлемента),параразнородныхполупроводников(p —

иn —типа) или пара разнородных диэлектриков (стекло — шёлк).

В физических явлениях и эффектах, в отличие от химических ре- акций, для их активного хода обязательным является подвод и при- менение подходящей энергии из множества видов энергий, как при- родных, так и полученных искусственно. К основным видам энергий относятся: механическая, кинетическая, потенциальная, колебатель- ная,тепловая, электрическая, магнитная, электромагнитная, лучевая, радиоактивная, энергия ускоренных частиц, энергия ядерного деле- ния и термоядерного синтеза.

372

По видам ценной энергии, составляющих предназначение явле- ния, систематизируются множество физических явлений. К ценным результатам явления относят энергию, вещество, процесс пригодные для прямого использования. Это всегда существенное отклонение от имеющегося положения вещей, когда из неподвижного образуется подвижное, из немагнитного — магнитное, из неполяризованного — поляризованное, а из обесточенного — находящегося под током.

Процессы отдачи и приёма энергии в физических явлениях про- исходят, как и в химических элементах, при условии наличия у пары взаимодействующих элементов противоположных качеств одного рода — качеств отдающего и принимающего энергию.

В гальваническом элементе, содержащем прослойку электролита, на одном металле (цинк) осуществляется полуреакция окисления (от- дачи электронов), на другом (медь) — полуреакция восстановления (присоединенияэлектронов)собразованиемнавнешнейсторонепер- вогометаллаизбыткаэлектронов(анода),анадругом —ихнедостатка (катода). Однако, окислителем считается медь, а восстановителем — цинк.

Соединённая пара этих металлов образует функциональный узел физического явления,который без электролита (или подвода химиче- ской энергии) и замкнутой внешней электрической цепи не произво- дит ценной электрической энергии.

Если атом, получая квант световой энергии, возбуждается и спосо- бен её вернуть в виде кванта электромагнитного излучения, то и фи- зическое явление, подпитанное подходящей энергией, также спо- собно возвратить её в изменённом виде. Если возбуждённый атом свободен и ему ни что не мешаетвернутьполученную энергию,тодля физического явления,действующего на макроуровне,требуется опре- делённые условия и обязательное замыкание энергетических потен- циалов на требуемую нагрузку. Физическими аналогами состояния возбуждённого атома на уровне макротел являются электризация, поляризация, упругая деформация, намагничивание. Возникающая у таких явлений разность энергетических потенциалов (некое подо- бие состоянию «возбуждения») содержит определённый запас энер- гии, который может быть пущен в действие определённым образом при замыкании энергетических потенциалов на требуемую нагрузку (в результате чего происходит отдача полезной энергии).Фактически, действие явления на молекулярном или телесном уровне это резуль- тат разнообразных взаимодействий источника подходящей, дешёвой энергии с узлом взаимосвязанных элементов, имеющих противопо- ложные качества одного рода.

Физическое явление, действующее на макроуровне (на уровне ма- кротел),имеетиравнозначноедействиенамикроуровне(науровнеми-

373

крочастиц), с помощью которого объясняется и чем обуславливается его действие на макроуровне.

Предлагаемая здесь систематизация некоторых известных фи- зических явлений отнесена к ИЗОБРЕТЕНЧЕСКОЙ систематизации процессов приёма и отдачи энергии в физических явлениях.

Раздел: Электричество (создание избытка и недостатка

электронов — разности электрических потенциалов)

Трибоэлектрический узел, трибоэлектричество (с греч. три- бо «тереть, натирать»), электризация, статическое электричество

(трибоэлектрический генератор)

Диэлектрик 1 (стекло) <—> диэлектрик 2 (шёлк) <—- механическое трение = двойной электрический слой,положительный и отрицатель- ный заряды, недостаток и избыток электронов

Электростатическая индукция (наведения заряда через влияние) Проводник <—> заряженное тело <—- приближение — заземле- ние — отвод заземления и затем самого тела = заряженный прово-

дник, избыток заряда на проводнике

Цилиндр Фарадея

Полый проводник <—> заряженное тело <—- перемещение — каса- ние изнутри = переход заряда на внешнюю поверхность, накопление заряда на внешней поверхности

Генератор Ван де Граафа

Неподвижная сфера (из тонкостенного проводника) <—> двигаю- щаяся диэлектрическая лента (шёлк, резина) <—> «анод — катод» <—- источник электрического поля высокого напряжения = ионизационная зарядкаленты,переходзарядаслентынавнешнююповерхностьсферы, умножение электрического потенциала сферы относительно Земли

Конденсатор (концентратор электрической энергии)

Плоский проводник 1 <—> плоский проводник 2 <—- заряжение пластин = двойной электрический слой, напряжённость электриче- ского поля, электроёмкость, накопление электрической энергии

Электростатический индукционный генератор Вимшурста.

Диск 1 (с полосками проводника) <—> диск 2 (с полосками прово- дника) <—- привод встречного вращения = электростатическое наве- дение зарядов,перенос зарядов в лейденские банки,умножение элек- трического потенциала

Два диска с множеством полосок проводника на наружных поверх- ностях образуют парные обкладки конденсаторов (функциональный узел явления).

374

Фотоэлектрический эффект А. Г. Столетова (внешний фотоэф-

фект)

Ионы <—> электроны (металл — окись) <—- источник электромаг- нитного излучения (свет, лазер, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение) = выброс свободного электрона, положительный заряд, фототок

Плёнка окисла на поверхности металла образуетзапирающий слой (полупроводниковое вещество), пропускающий электроны, выделяе- мые из металла, и препятствующий их возвращению.

Внутренний фотоэлектрический эффект (фотопроводимость)

Ионы <—> электроны (полупроводника) <—- источник электро- магнитного излучения (свет, лазер, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение) = ионизация и нейтрализация атомов, образование сво- бодного электрона и блуждающей дырки, электрона проводимости, падение электрического сопротивления

Электрон от разрыва связи с атомом (под действием света) стано- вится лишним и переходит свободно из атома в атом, перенося с со- бой избыточный отрицательный заряд и становясь электроном про- водимости.Атом без электрона образует «дырку».

Солнечная батарея, фотодиод (полупроводниковый преобразо- ватель света в электричество)

Замкнутая электрическая цепь (замкнутая пара электродов) <—> полупроводники (кремний p-типа и n-типа) <—- источник света (Солнце) = выбивание электронов,солнечное электричество,электри- ческий ток

Гальванический элемент (химическая электризация) Окислитель (медь) <—> восстановитель (цинк) <—- электролит

(раствор серной кислоты) = недостаток электронов (медь) и избыток электронов (цинк), разность электрических потенциалов

Это функциональный узел пары разнородных металлов (прово- дников 1 класса) с прослойкой электролита (проводником 2 класса).

Химическое электричество (химический электрогенератор) Замкнутая электрическая цепь <—> гальванический элемент

(элемент Вольта) <—- окислительно — восстановительная реакция = движение электрических зарядов, электрический ток во внешней цепи

Электролиз (электролитическая диссоциация)

Электролит <—> анод — катод (в ёмкости) <—- источник электри- ческого поля = электролиз,электролитическое (гальваническое) осаж- дение металла

375

Ионы + <—> ионы — (электролита в ёмкости) <—-источник электри- ческого поля = электролиз,электролитическое (гальваническое) осаж- дение металла

Аккумулятор (химический запас электроэнергии, аккумулятор- ное электричество)

Пара металлов (анод — катод из восстановителей, например свин- ца) <—> электролит (раствор серной кислоты) <—- источник электри- ческого поля = электролиз, поляризация электродов, масса перекиси свинца (вещественный запас химической энергии)

Замкнутая электрическая цепь <—> заряженный аккумулятор {анод (перекись свинца) —катод (губчатый свинец) и электролит(рас- твор серной кислоты)} <—- окислительно — восстановительная реак- ция = недостаток и избыток электронов, движение электрических за- рядов, электрический ток во внешней цепи

Термоэлектрод (спай)

Проводник (медь) <—> полупроводник (сурьма) <—- соединение спайкой = разность электрической проводимости

Полупроводник n-типа <—> полупроводник p-типа <—- соедине- ние спайкой = разность электрической проводимости

Термоэлемент — термоэлектричество (эффект Т. И. Зеебека, те-

пловой электрогенератор)

Замкнутая электрическая цепь <—> пара соединённых термоэлек- тродов {холодный спай (медь — сурьма) и горячий спай (сурьма — медь)} <—- источник тепла и холода = разность электрических потен- циалов, электрический ток во внешней цепи

Пироэлектричество

Дырки <—> электроны (пироэлектрика) <—- источник тепла или холода = термическое расширение или сжатие, смещение масс носи- телей электрического заряда (дырок и электронов),образование элек- трических полярностей

Пироэлектричество — это образование электрических зарядов на поверхности пироэлектриков при их нагревании или охлаждении.

Один конец пироэлектрика при нагревании заряжается положи- тельно, а при охлаждении — отрицательно, другой конец — соответ- ственно наоборот.

Термоядерная электростанция (преобразование энергии термо-

ядерных нейтронов в электричество, утилизатор нейтронов)

Атом изотопа водорода 1 <—> атом изотопа водорода 2 <—- источ- ник высокой температуры и давления = образование ядер гелия и вы- сокоэнергичных нейтронов

376

Нейтроны <—> замедлитель (литий) <—- теплоноситель = преоб- разование нейтронов в электричество

Пьезоэлектричество (пьезо с греч. «давлю», пьезополяризация, пьезоэлектрический генератор)

Замкнутая электрическая цепь <—> пьезокристалл (например, ди- оксид кремния SiO2) <—- механизм давления (сжатия и растяжения) = образование электрических полярностей,электрическийток во внеш- ней цепи

Макроуровень: опорное тело <—> пьезокристалл (например, кри- сталлический кварц) <—- механизм давления (сжатие и растяжение) = разность электрических потенциалов (запас электрической энергии), электрический ток во внешней цепи

Микроуровень (например): ион (цинка) <—> ион (кислорода) <—- сближение (раздвижение), механическое смещение ионов = раздви- жение внешних электронов, образование избытка и недостатка элек- тронов на противоположных гранях кристалла, поляризация граней кристалла

Ион (цинка) взаимодействующий с ионом (кислорода) внешними электронами — это внутренняя (микро уровневая) пара противопо- ложных элементов соответствует пьезокристаллу и опорному телу вместе с телом, создающим давление (сжатие и растяжение) — внеш- ней (макро уровневой) паре противоположных элементов явления.

Ктратам дешёвого относится механическая энергия давления (сжатие и растяжение), например, от рычажка на опорном теле.

Кобретению искомого ценного относится электрическая энергия. Пьезокристалл это активный элемент отдающий энергию в виде

избытка и недостатка электронов.

Опорное тело это пассивный элемент принимающий энергию от источника давления.

К причине технической ограниченности может быть отнесено от- сутствие необходимой поляризации граней пьезокристалла,как след- ствие отсутствие давления, элементы не обладают противоположны- микачествамиодногородаинеимеютзамыкающейчасти,илиимеют сочетания из всего перечисленного.

Тензорезистивный эффект — пьезосопротивление (тензо с лат. «напряжённый, натянутый», а резистивный от слова «резистор» — со- противляться, электрическое сопротивление)

Макроуровень: опорное тело <—> проводник, полупроводник <—- источник давления, деформации = изменение электрического сопро- тивления

Микроуровень: масса электронов <—> масса дырок <—- источник расширения или сжатия = увеличение или уменьшение амплитуды

377

колебаний ионных узлов,рост или падение электрического сопротив- ления

При деформации изменяется концентрации носителей тока (элек- тронов и дырок).

При растяжении увеличивается амплитуда колебаний узлов кри- сталлическойрешётки(функциональнойпарыузлов),чтопрепятству- ет направленному перемещению электронов, средняя длина пробега уменьшается, поэтому удельное сопротивление увеличивается.

При сжатии происходит обратное: амплитуда колебаний узлов кристаллической решётки (функциональной пары узлов относитель- но друг друга) уменьшается, удельное сопротивление уменьшается, а удельная проводимость увеличивается.

Электрический колебательный контур «LCконтур»

Соленоид <—> конденсатор <—- источник электрического тока = колебательное движение зарядов, резонанс

Резонанс (совмещение собственной и внешней частот колебаний) Макроуровень: Земля <—> угольный пласт <—- источник импульс- ных колебаний = резонанс,ослабление прочности пласта,разрушение

пласта Микроуровень: фрагмент пласта <—> соседний фрагмент пласта

<—- внешнее колебательное воздействие = ослабление сцепления между фрагментами пласта, образование множества трещин между частями пласта, расширение трещин, увеличения напряжений между частицами частей пласта

Колеблющаяся пара соседствующих фрагментов пласта — это вну- тренняя пара противоположных элементов соответствует колеблю- щемуся массиву угольного пласта и неподвижным породам Земли — внешней паре противоположных элементов.

К тратам дешёвой энергии относится энергия механических коле- баний, например от вибраторов, закреплённых в породах Земли.

Обретением ценного является разрушительный резонанс колеба- ний частей массива пласта, распадение массива на фрагменты

Генератор электрических колебаний Ван — дер — Поля

«LCконтур» <—> транзистор (триод) <—- источник электрическо- го тока = электрические незатухающие автоколебания

Колеблющийся поток электронов и запас электронов — это вну- тренняя пара противоположных элементов соответствует «триод — «LCконтуру» и источнику электрического тока — внешней паре про- тивоположных элементов.

Транзистор (триод) безынерционный выключатель потока элек- тронов между электрической батареей и «LC — контуром», позволяю-

378

щий компенсировать потери и генерировать в контуре неограничен- но долго собственные электрические колебания.

К тратам дешёвой энергии относится электрическая энергия, на- пример от батареи.

Обретением ценного компонента является неограниченно долгие электрические колебания — автоколебания.

Эффект Холла (поперечное электричество)

Источник постоянного тока <—> полупроводник, проводник (на- пример, плоская фольга золота) <—- источник магнитного поля = от- клонение зарядов к граням пластинки (под действием силы Лоренца), поперечная разность электрических потенциалов

Поляризация диэлектрика движущегося в магнитном поле

Источник магнитного поля <—> диэлектрик <—- механизм пере- мещения = смещение связанных зарядов,образование электрических полярностей

При движении диэлектрика в магнитном поле под действием сил Лоренца происходит раздвижение зарядов в диполях, что приводит к поляризации диэлектрика.

Электромагнитная индукция

Макроуровень: катушка с проводником (соленоид с электронами) <—> магнит <—- относительное перемещение = разность электриче- ских потенциалов,ток —движение свободных электронов в крайнюю область проводника

Микроуровень: свободные электроны <—> вращающиеся упорядо- ченные электроны <—-относительное перемещение = захватидвиже- ние свободных электронов (ток), разность электрических потенциа- лов в противоположных областях проводника

Свободные электроны (проводника) и вращающиеся упорядо- ченные электроны (магнита) относительно перемещающиеся — это внутренняя (микро уровневая) пара противоположных элементов явления соответствует относительно перемещающихся проводнику

имагниту — внешней (макро уровневой) паре противоположных эле- ментов явления.

Проводник это активный элемент отдающий энергию, отдающий свои свободные электроны, он же принимает механическую энергию движения, если подвижен.

Магнит это пассивный элемент, принимающий магнитную энер- гию движущихся электронов, часто неподвижен. Электромагнит при- нимает электрическую и механическую энергии, если подвижен, по- стоянный магнит — только механическую энергию, если подвижен,

иэнергию, потраченную на его намагничивание.

379