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

Если таблица узлов и электрических явлений № 1 показывает движение от процессов образования электричества к производ- ству электричества,то таблица узлов и магнитных явлений № 3 по- казывает движение от процессов преобразования электрической энергии в магнетизм и к производству множества форм механиче- ской энергии (с помощью магнетизма). В этом отношении таблица № 3 является продолжением таблицы № 1 и располагается последо- вательно справа от неё. Если таблицы № 1 и 2 строятся на явлениях преимущественно направленного (прямолинейного) движения за- ряженных частиц, то таблица № 3 — на явлениях преимуществен- но круговых (вращательных) витковых движениях заряженных частиц.­

Раздел: Теплота

(производство тепла или холода и их использование)

Индукционный нагрев (бесконтактный нагрев проводника тока- ми высокой частоты)

Проводник <—> индуктор <—- источник электрического тока вы- сокой частоты = вихревые токи (токи Фуко), нагрев проводника, вы- деление тепла

Электросопротивление, дуговая сварка и плавление, контакт-

ная сварка (электропроводимость,законДжоуля —Ленца,термоэлек- трический эффект В. В. Петрова, сварка током через металл)

Ионный остов проводника <—> движущиеся электроны <—- ис- точник электрического поля = столкновение электронов с атомами и ионными узлами, электрическое трение, электросопротивление, выделение тепла

Пара проводников (анод) <—> плавкий проводник (катод) <—- ис- точник большого электрического тока = выделение тепла, плавление, сварка проводников

Анод <—> проводник <—> катод <—- источник большого электри- ческого тока = выделение тепла, плавление, испарение

Электрод 1 <—> соединение из пары плоских деталей <—> элек- трод 2 <—-источник сжатия и большого электрическоготока = нагрев, оплавление,точечное или шовное сплавление деталей

Электроэрозионная обработка (электроискровой и электроим-

пульсный методы)

Деталь- <—> электрод+ <—- источник импульсов электрического тока = вырывание частиц материала,эрозия,разрушение поверхност- ного слоя,формообразование поверхности,упрочнение,прошивание, отрезка, вырезание

410

Термоэлектронная эмиссия (нагретый электричеством катод, инжектор)

Фокусирующий катод <—> нить накала <—- источник электриче- ского тока = нагрев нити и катода, испарение и вылет электронов

Электроны <—> ионный остов проводника <—- источник электри- ческого тока = нагрев проводника, испарение и вылет электронов

Из тугоплавкого металла при нагреве свыше 1500 0 С испаряются только электроны, положительные ионные узлы остаются в кристал- лической решётке проводника.

Термометр сопротивления

Источник тепла или холода <—> замкнутая электрическая цепь термосопротивления <—- источник электрического тока = электросо- противление равное температуре источника

Спираль тугоплавкой платины предназначена для сред с высокой температурой, спираль константана —для низких температур.

Терморезистор — резистивный элемент (термосопротивление)

Частица 1 полупроводника (с высоким Температурным Коэффи- циентом Сопротивления) <—> частица 2 полупроводника (с высоким ТКС) <—- источниктепла = электрическое сопротивление в зависимо- сти оттемпературы (рост или падение)

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом по- рошковой металлургии из оксидов,галогенидов некоторых металлов.

Термопара

Термоэлемент(холодный спай в стабильных условиях нуля по шка- ле Цельсия) <—> объект измерения температуры (второй спай) = об- разование э. д. с. соответствующей температуре измеряемого объекта

Эффект Ж. Пельтье (термоэлектрический холодильник, конди- ционер)

Холодныйспай(константан —железо) <—>горячийспай(железо — константан) <—- источник электрическоготока = поглощение и выде- лениетеплоты,разностьпотенциаловтепловой энергии (образование спая холода и спая тепла)

Трибоэлектрическая приработка подвижного сопряжения

Цилиндр <—> движущийся поршень <—- источник электрическо- го тока = трибоэлектрическое и тепловое воздействие электрического тока на геометрические неровности трущихся поверхностей, нагрев и испарение неровностей подвижного сопряжения

Сварка трением

Тело 1 <—> тело 2 <—- механизм контактного относительного дви- жения = нагрев, образование пластичности, сжатие, сплавление

411

Трение (сцепление с поверхностью, образование тепла) Поверхность опорноготела <—> поверхность подвижноготела <—-

механизм контактного относительного движения = взаимодействие молекул и шероховатостей поверхностей, сила противодействия дви- жению (трение покоя,сухое трение,трение скольжения,качения,вер- чения, внутреннее трение), образование тепла

Явление безызносности (эффект избирательного переноса при трении)

Поверхностьопорноготела <—> поверхностьтела с наличием меди или смазки содержащей медь <—- механизм контактного движения (вращения) = механическое разрушение межатомных связей, кото- рое восполняется атомами меди, выделяемой из твёрдого раствора; сохранение размеров трущихся деталей, подавление эффекта трения и образования тепла

Относится к Триботехнике.

Восполнение износа рабочих поверхностей (восполнение по-

терь металла из — за трения)

Рабочая поверхность 1 (катод) <—> рабочая поверхность 2 (катод) <—> электролит (анод) <—- источник электрического поля = электро- литическое осаждение металла на нагретые и изношенные рабочие поверхности

Линейная электротермическая деформация

Макроуровень:опорноетело<—> чувствительныйпроводник(изо- лированный) <—- источник электрического тока = линейное удлине- ние проводника, микро перемещение свободного конца проводника Микроуровень:ионныйостовпроводника<—> свободныеэлектро- ны <—- источник электрического поля = трение и удары электронов

об ионный остов,линейное раздвижение (сжатие) ионного остова Движущиеся направлено электроны и неподвижный ионный остов

проводника —это внутренняя (микро уровневая) пара противополож- ныхэлементовсоответствуетзакреплённомучувствительномупрово- дникуиисточникуэлектрическоготока —внешней(макроуровневой) паре противоположных элементов.

К трате дешёвого компонента относится электрическая энергия, например от электросети.

Обретением ценного является микро удлинение (сжатие) чувстви- тельного проводника.

Термическое напряжение сжатия

Стойка (земля,неподвижное тело) <—> стержень <—- нагрев (элек- тричеством) —фиксация стержня —охлаждение = удлинение и сокра- щение стержня,тяговое усилие, образование напряжения

412

Биметаллические, полиметаллические соединения, монокри-

сталлы сплавов,например Cu —Al —Ni или Cu —Al —Mn (производ-

ство механической энергии)

Макроуровень: пластин 1 <—> пластина 2 (с разными коэффици- ентами температурного расширения/сжатия) <—- механизм нагрева и охлаждения = деформация, изгиб, давление деформации, преобра- зование тепловой энергии в механическую энергию

Микроуровень: атом меди <—> алюминия <—> никеля (марган- ца) <—- механизм нагрева — охлаждения = переход из пластичного в сверхупругое фазовое состояние, резкое изменение модуля упруго- сти, выработка механической энергии

Эффекттермического восстановления формы (эффект«памяти формы»)

Титан (45 %) <—> никель (55 %) (сплав нитинол) <—- закалка — охлаждение —деформация — нагрев = восстановление формы,давле- ние (напряжение) при восстановлении формы

Круговой циклтепловогодвигателя (цикл Карно,цикл Стирлинга)

Охладитель (конденсатор) и нагреватель («цилиндр — поршень») <—> пар/жидкость <—- внутренний источник тепла = движение и пе- редача тепла, состояние рабочего вещества, перемещение поршня, полезная механическая энергия

Охладитель(«цилиндр —поршень»)инагреватель(«цилиндр —пор- шень») <—> газ <—- внешний источниктепла = передачатепла,расши- рение и сжатие,движение поршней,полезная механическая энергия

Положительная работа (пароатмосферный тепловой двигатель) «Цилиндр — поршень» <—> рабочая среда <—- механизм создания давленияиразрежения= разностьмеждувнешнимивнутреннимдав- лениями, сила давления на поршень, перемещение поршня, полезная

работа

Горение (химическое производство тепла)

Окислитель (кислород) <—> восстановитель (водород) <—- смеше- ние (зажигание) = горение, выделение тепла, продуктов горения, им- пульс давления (взрыв)

Термоядерный реактор (термоядерная энергия, ТОКАМАК) Атом изотопа водорода 1 (D) <—> атом изотопа водорода 2 (T) <—-

источник высокой температуры и давления = образование ядер гелия и высокоэнергичных нейтронов

Ядерный реактор (атомная энергия)

Замедлитель (графит, тяжёлая вода) <—> «урановый стержень 1 — урановый стержень 2» <—- механизм взаимного перемещения = об-

413

разование критической массы, возникновение цепной реакции деле- ния, выделение тепловой энергии

Тепловая труба (тепловой насос)

Конденсация (охладитель) и испарение (нагреватель) <—> газ/пар/жидкость <—- источник тепла = испарение и конденсация, перенос тепла,дистанционное перекачивание тепла

Холодильник (обратный цикл Карно)

Охладитель (испаритель) и нагреватель (конденсатор) <—> пар/жидкость<—- источник созданиядавления = давление и разряже- ние, испарение и конденсация, охлаждение испарителя и нагревание конденсатора

Детандер Стирлинга (обратный цикл Стирлинга, обращённый двигатель Стирлинга)

Охладитель(«цилиндр —поршень») <—> газ <—> нагреватель(«ци- линдр — поршень») <—- источник механической энергии (вращения) = расширение и сжатие, охлаждение одного цилиндра и нагревание другого

Вихревой эффект (эффект Ранка — Хилша,тепловой насос) Улитка Архимеда <—> воздух <—- источник напора воздуха = вра-

щение потока, разность температур центра и периферии потока, те- пловое (энергетическое) разделение потока

На выходе из вихревой трубы на периферии образуется закручен- ныйпотоксбольшойтемпературой(сбольшойвнутреннейэнергией), а в центре —охлаждённый поток (с низкой внутренней энергией),ко- торый закручен в противоположную сторону.

Объёмное расширение (сжатие) газа при нагревании и охлаж-

дении Закрытая ёмкость <—> газ <—- механизм нагрева и охлаждения =

объёмное расширение (сжатие),давление и разряжение газа

Кристаллизация, объёмное расширение (выделение скрытой теплоты)

Закрытая ёмкость <—> жидкость (вода) <—- механизм охлажде- ния = кристаллизация,твёрдое тело, объёмное расширение, давление в ёмкости

Закрытая ёмкость <—> жидкий металл (висмут) <—- механизм охлаждения = кристаллизация, твёрдое тело, объёмное расширение, давление в ёмкости

Эффект перегретого состояния (пузырьковая камера)

Жидкость <—> растворённый газ (смесь жидкость — газ) <—- ис-

414

точник тепла = перегретая жидкость, вскипание жидкости вдоль тра- ектории частицы

Чугун, сталь (конструкционные материалы)

Железо <—> углерод (металл — неметалл) <—- источник тепла = сплав железа — углерод, чугун, сталь, упругая прочность

Вулканизация (нагрев каучука с серой)

Кусок серы <—> кусок каучука <—- источник тепла (нагрев на пли- те) = вулканизация, образование резины, упругая эластичность

Атом серы <—> макромолекулы каучука <—- источник тепла = вул- канизация — сшивание макромолекул каучука, образование сетки ре- зины

4. Таблица узлов и тепловых явлений

415

416

Виды узлов группы 0 (сверху вниз):

— деталь — индуктор образован деталью термообработки и пет- лёй индуктора;

— анод — катод образован системой «деталь — электрод» дуговой сварки;

— электроды 1–2 для контактной сварки образованы парой под- вижных ветвей сварочных клещей;

— электрод — деталь образован «электродом — инструментом» и деталью обработки;

— ионные узлы — электроны (ион — свободный электрон) обра- зованы структурой проводника имеющего сопротивление электриче- скому току;

— нить накала — инжектор («ионный узел — электрон») образо- ван витками тугоплавкого проводника и фокусирующего катода;

— объекттепла —спираль(платина,константан)образованместом измерениятемпературы (тепла) и спиралью электросопротивления;

— резистивный элемент (терморезистор) образован парами спе- чённых частиц оксидов, галогенидов металлов;

— объект тепла — термопара образован объектом измерения температуры (тепла) и термопарой (внешний спай в холоде 00 С);

— спаи тепла — холода (термоэлемент) образован электрически замкнутой цепью из парытермоэлектродов (из спаев холода итепла);

417

— поршневая пара(трения) образована цилиндром и подвижным поршнем, содержащие геометрические неровности на сопрягаемых поверхностях;

— поверхности 1–2 образованы парой контактных поверхностей трения;

— поверхности 1–2 с медью образованы парой контактных по- верхностей скольжения, в одной из которых содержится медь (или смазка с медью);

— анод — катод (деталь) образован, например, анодным электро- дом и рабочим валком прокатного стана (в электролите);

— стойка — проводник образован неподвижным опорным эле- ментом и проводником с эффектом линейного расширения (сжатия) при нагреве (охлаждении);

— стойка — стержень образован неподвижной опорой (анкером) и металлическим стержнем с эффектом линейного сжатия при охлаж- дении;

— биметаллический узел образован из нескольких пар металли- ческих элементов с противоположными коэффициентами линейного расширения;

— титан — никель образован атомами титана и никеля в сплаве нитинол (в сплаве с эффектом «памяти формы»);

— монокристалл Cu —Al —Ni (Mn)образован сплавом из парных элементов атомов «медь — алюминий» и «алюминий — никель (маг- ний)»;

— поршневая пара — конденсатор (внутренний нагрев) образо-

ван поршневой парой и конденсатором для рабочего тела (паровой двигатель);

— поршневая пара 1–2(внешний нагрев) образован поршневыми парами 1 (охладитель) и 2 (нагреватель) машины Стирлинга;

— окислитель — восстановитель образован, например, кислоро-

дом и водородом;

— атомы D —T(термоядерный узел) образованы смесью изотопов водорода —дейтерия и трития;

— ядерный узел (урановые стержни 1–2 и замедлитель) образован парой урановых стержней в замедлителе нейтронов;

— нагреватель — охладитель образован соединёнными областя- ми нагрева и охлаждения теплового канала (трубы) переноса тепла;

— охладитель — нагреватель (обращённый узел) образован испа- рителем и конденсатором холодильника;

— поршневая пара 1–2 (обращённый узел) образован поршневы- ми парами 1 и 2 (охладитель) — обращённой машины Стирлинга;

— улитка — поток газа образована парой неравных витков спира- ли Архимеда и потока газа (воздуха);

418

— ёмкость — газ/жидкость образован замкнутой сферической ёмкостью и газом/жидкостью внутри;

— ёмкость — жидкость (вода, висмут) образована сферическим полым замкнутым объектом для объёмной штамповки и жидким ве- ществом с эффектом объёмного расширения при кристаллизации; — смесь жидкость — газ образован жидкостью и растворённым

в нём газом;

— железо — углерод (металл — неметалл: окислитель — восстано- витель) образован сплавом железа с углеродом;

— сера — каучук (вулканизатор — полимер) образован макромо- лекулами каучука и атомом серы;

Виды энергий, направляемые на образование тепловых явлений группы 1 (сверху вниз):

— электромагнитной индукции требуется переменный электри- ческий ток высокой частоты;

— термоэлектрическому эффекту В. В. Петрова требуется боль-

шой величины электрический ток; — термоэлектрическому эффекту требуется большой величины

электрический ток;

— термоэлектрическому разряду требуется импульсный элек-

трический ток;

— закону Джоуля —Ленцатребуется энергия электрическоготока; — термоэлектронной эмиссиитребуется энергия электрического

тока;

— электросопротивлению требуется тепловая и электрическая энергии;

— термоэлектросопротивлению (для изменения электрического сопротивления резистивного элемента) требуется тепловая и элек- трическая энергии;

— термопарной э. д. с.требуетсятепловая энергия объекта и энер- гия для поддержания холода 00 С;

— эффекту Ж. Пельтье требуется энергия электрического тока;

— трибоэлектрическому воздействию требуется энергия элек-

трического тока и энергия механического трения; — контактному сухому трению требуется энергия механическо-

го трения;

— контактному трению требуется механическая энергия движе- ния и покоя;

— эффекту безызносности требуется энергия избирательного переноса меди;

— электролитическому восполнению износа требуется энергия электрического поля;

419