Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ФА)"

Фазовый переход

Фа'зовый перехо'д, фазовое превращение, в широком смысле – переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий – температуры, давления, магнитного и электрического полей и т.д.; в узком смысле – скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Различие двух трактовок термина «Ф. п.» видно из следующего примера. В узком смысле переход вещества из газовой фазы в плазменную (см. Плазма ) не является Ф. п., так как ионизация газа происходит постепенно, но в широком смысле это – Ф. п. В данной статье термин «Ф. п.» рассматривается в узком смысле.

  Значение температуры, давления или какой-либо другой физической величины, при котором происходит Ф. п., называют точкой перехода.

  Различают Ф. п. двух родов. При Ф. п. первого рода скачком меняются такие термодинамические характеристики вещества, как плотность, концентрация компонент; в единице массы выделяется или поглощается вполне определённое количество теплоты, носящее название теплоты перехода. При Ф. п. второго рода некоторая физическая величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растет (от нуля) при удалении от точки перехода в другую сторону. При этом плотность и концентрации изменяются непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается.

  Ф. п. – широко распространённое в природе явление. К Ф. п. 1 рода относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твёрдую фазу, некоторые структурные переходы в твёрдых телах, например образование мартенсита в сплаве железо – углерод. В антиферромагнетиках с одной осью намагничивания магнитных подрешёток Ф. п. 1 рода происходит во внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси. При определённом значении поля моменты магнитных подрешёток поворачиваются перпендикулярно направлению поля (происходит «опрокидывание» подрешёток). В чистых сверхпроводниках магнитное поле вызывает Ф. п. 1 рода из сверхпроводящего в нормальное состояние (см. Сверхпроводимость ).

  При абсолютном нуле температуры и фиксированном объёме термодинамически равновесной является фаза с наинизшим значением энергии. Ф. п. 1 рода в этом случае происходит при тех значениях давления и внешних полей, при которых энергии двух разных фаз сравниваются. Если зафиксировать не объём тела V, а давление р, то в состоянии термодинамического равновесия минимальной является энергия Гиббса Ф (или G), а в точке перехода в фазовом равновесии находятся фазы с одинаковыми значениями Ф (см. Гиббсова энергия ).

  Многие вещества при малых давлениях кристаллизуются в неплотноупакованные структуры. Например, кристаллический водород состоит из молекул, находящихся на сравнительно больших расстояниях друг от друга; структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих слоев атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам соответствуют большие значения энергии Гиббса. Меньшим значениям Ф в этих условиях отвечают равновесные плотноупакованные фазы. Поэтому при больших давлениях графит переходит в алмаз , а молекулярный кристаллический водород должен перейти в атомарный (металлический). Квантовые жидкости³ He и ⁴ He при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых температур (Т ~ 0,001 К). Причина этого – в слабом взаимодействии частиц и большой амплитуде их колебаний при температурах, близких к абсолютному нулю (т. н. нулевых колебаний, см. Неопределённостей соотношение ). Однако повышение давления (до 20 атм при Т»0 К) приводит к затвердеванию жидкого гелия. При отличных от нуля температурах и заданных давлении и температуре равновесной по-прежнему является фаза с минимальной энергией Гиббса (минимальная энергия, из которой вычтена работа сил давления и сообщенное системе количество теплоты).

  Для Ф. п. 1 рода характерно существование области метастабильного равновесия вблизи кривой Ф. п. 1 рода (например, жидкость можно нагреть до температуры выше точки кипения или переохладить ниже точки замерзания). Метастабильные состояния существуют достаточно долго по той причине, что образование новой фазы с меньшим значением Ф (термодинамически более выгодной) начинается с возникновения зародышей этой фазы. Выигрыш в величине Ф при образовании зародыша пропорционален его объёму, а проигрыш – площади поверхности (значению поверхностной энергии ). Возникшие маленькие зародыши увеличивают Ф, и поэтому с подавляющей вероятностью они будут уменьшаться и исчезнут. Однако зародыши, достигшие некоторого критического размера, растут, и всё вещество переходит в новую фазу. Образование зародыша критического размера – очень маловероятный процесс и происходит достаточно редко. Вероятность образования зародышей критического размера увеличивается, если в веществе имеются чужеродные включения макроскопических размеров (например, пылинки в жидкости). Вблизи критической точки разница между равновесными фазами и поверхностная энергия уменьшаются, легко образуются зародыши больших размеров и причудливой формы, что отражается на свойствах вещества (см. Критические явления ).

  Примеры Ф. п. II рода – появление (ниже определённой в каждом случае температуры) магнитного момента у магнетика при переходе парамагнетик – ферромагнетик, антиферромагнитного упорядочения при переходе парамагнетик – антиферромагнетик , возникновение сверхпроводимости в металлах и сплавах, возникновение сверхтекучести в ³ He и ⁴ He, упорядочение сплавов, появление самопроизвольной (спонтанной) поляризации вещества при переходе параэлектрик – сегнетоэлектрик и т.д.

  Л. Д. Ландау (1937) предложил общую трактовку всех Ф. п. II рода, как точек изменения симметрии: выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Например, в магнетике выше точки перехода направления элементарных магнитных моментов (спинов ) частиц распределены хаотически. Поэтому одновременный поворот всех спинов не меняет физических свойств системы. Ниже точки перехода спины имеют преимущественную ориентацию. Одновременный их поворот изменяет направление магнитного момента системы. Другой пример: в двухкомпонентном сплаве, атомы которого А и В расположены в узлах простой кубической кристаллической решётки , неупорядоченное состояние характеризуется хаотическим распределением атомов А и В по узлам решётки, так что сдвиг решётки на один период не меняет её свойств. Ниже точки перехода атомы сплава располагаются упорядоченно:... ABAB... Сдвиг такой решётки на период приводит к замене всех атомов А на В или наоборот. В результате установления порядка в расположении атомов симметрия решётки уменьшается.

  Сама симметрия появляется и исчезает скачком. Однако величина, характеризующая асимметрию (параметр порядка), может изменяться непрерывно. При Ф. п. II рода параметр порядка равен нулю выше точки перехода и в самой точке перехода. Подобным образом ведёт себя, например, магнитный момент ферромагнетика, электрическая поляризация сегнетоэлектрика, плотность сверхтекучей компоненты в жидком ⁴ He, вероятность обнаружения атома А в соответствующем узле кристаллической решётки двухкомпонентного сплава и т.д.

  Для Ф. п. II рода характерно отсутствие скачков плотности, концентрации, теплоты перехода. Но точно такая же картина наблюдается и в критической точке на кривой Ф. п. I рода (см. Критические явления ). Сходство оказывается очень глубоким. Вблизи критической точки состояние вещества можно характеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Например, в случае критической точки на кривой равновесия жидкость – пар это – отклонение плотности от среднего значения. При движении по критической изохоре со стороны высоких температур газ однороден, и эта величина равна нулю. Ниже критической температуры , вещество расслаивается на две фазы, в каждой из которых отклонение плотности от критической не равно нулю. Поскольку вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно образование зародышей большого размера одной фазы в другой (флуктуации ), точно так же, как вблизи критической точки. С этим связаны многие критические явления при Ф. п. II рода: бесконечный рост магнитной восприимчивости ферромагнетиков и диэлектрической постоянной сегнетоэлектриков (аналогом является рост сжимаемости вблизи критической точки жидкость – пар), бесконечный рост теплоёмкости, аномальное рассеяние электромагнитных волн [световых в жидкости и паре (см. Опалесценция критическая ), рентгеновских в твёрдых телах], нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамические явления, что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуаций. Например, вблизи критической точки жидкость – пар сужается линия рэлеевского рассеяния света , вблизи Кюри точки ферромагнетиков и Нееля точки антиферромагнетиков замедляется спиновая диффузия (см. Спиновые волны ) и т.д. Средний размер флуктуаций (радиус корреляции) R растет по мере приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке бесконечно большим.

  Современные достижения теории Ф. п. II рода и критических явлений основаны на гипотезе подобия. Предполагается, что если принять R за единицу измерения длины, а среднюю величину параметра порядка ячейки с ребром R – за единицу измерения параметра порядка, то вся картина флуктуаций не будет зависеть ни от близости к точке перехода, ни от конкретного вещества. Все термодинамические величины являются степенными функциями R. Показатели степеней называют критическими размерностями (индексами). Они не зависят от конкретного вещества и определяются лишь характером параметра порядка. Например, размерности в точке Кюри изотропного материала, параметром порядка которого является вектор намагниченности, отличаются от размерностей в критической точке жидкость – пар или в точке Кюри одноосного магнетика, где параметр порядка – скалярная величина.

  Вблизи точки перехода уравнение состояния имеет характерный вид закона соответственных состояний . Например, вблизи критической точки жидкость – пар отношение  зависит только от  (здесь r– плотность, r_к – критическая плотность, r_ж – плотность жидкости, r_г – плотность газа, p – давление, p_k – критическое давление, К_т – изотермическая сжимаемость ), причём вид зависимости при подходящем выборе масштаба один и тот же для всех жидкостей (см. Критические явления ).

  Достигнуты большие успехи в теоретическом вычислении критических размерностей и уравнений состояния в хорошем согласии с экспериментальными данными. Приближенные значения критических размерностей приведены в таблице.

  Таблица критических размерностей термодинамических и кинетических величин

  * Изменение плотности с давлением, намагниченности с напряжённостью магнитного поля и др. T_k – критическая температура.

  Дальнейшее развитие теории Ф. п. II рода связано с применением методов квантовой теории поля, в особенности метода ренормализационной группы. Этот метод позволяет, в принципе, найти критические индексы с любой требуемой точностью.

  Деление Ф. п. на два рода несколько условно, т.к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками теплоёмкости и др. величин и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях. Ф. п. – коллективное явление, происходящее при строго определённых значениях температуры и др. величин только в системе, имеющей в пределе сколь угодно большое число частиц.

  Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, 2 изд., М., 1969; Браут Р., Фазовые переходы, пер. с англ., М., 1967; Фишер М., Природа критического состояния, пер. с англ., М., 1968; Стенли Г., Фазовые переходы и критические явления, пер. с англ., М., 1973; Анисимов М. А., Исследования критических явлений в жидкостях, «Успехи физических наук», 1974, т. 114, в. 2; Паташинский А. З., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, М., 1975; Квантовая теория поля и физика фазовых переходов, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, вып. 6); Вильсон К., Когут Дж., Ренормализационная группа и e-разложение, пер, с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, в. 5).

  В. Л. Покровский.

Фазовый портрет

Фа'зовый портре'т, совокупность фазовых траекторий, характеризующая состояния и движения динамич. системы (см. Фазовой плоскости метод ).

Фазоинвертор

Фазоинве'ртор, электрическое устройство, преобразующее входное напряжение в два напряжения, сдвинутые по фазе на 180°. Простейший Ф. – электрический трансформатор с симметричной вторичной обмоткой, имеющей отвод от средней точки. Часто в качестве Ф. используют колебательный контур , у которого имеется отвод от средних точек в индуктивной или ёмкостной ветвях (от средней точки катушки индуктивности или общей точки двух последовательно включенных конденсаторов). В радиотехнических устройствах получили распространение ламповые, а позднее – транзисторные Ф. с разделённой нагрузкой (рис. ). В таких Ф. выходные сигналы на аноде (коллекторе) и катоде (эмиттере) имеют разную полярность (сдвинуты по фазе на 180°). Существуют и др. Ф., например собранные на лампе (двойном триоде) по схеме с общим катодом или с общей сеткой, а также на т. н. составных транзисторах. Ф. используют также в измерительной аппаратуре, устройствах вычислительной техники и др.

Принципиальная схема фазоинвертора с разделенной нагрузкой: Т – транзистор; R_б , R_к , R_э – резисторы в цепях смещения, коллектора и эмиттера; С₁ , С₂ – разделительные конденсаторы; Е_к – источник питания.

Фазокомпенсатор

Фазокомпенса'тор, источник реактивной мощности , включаемый в определённых узлах электрической сети либо непосредственно на зажимах нагрузки и служащий для компенсации сдвига фаз между напряжением и током. Применение Ф. позволяет регулировать (поддерживать) напряжение в сети, снижать потери электрической энергии и увеличивать пропускную способность электрических коммуникаций.

  Различают регулируемые и нерегулируемые Ф. Регулируемый Ф. позволяет менять характер реактивной мощности в сети (ёмкостный или индуктивный), что обеспечивает возможность поддержания заданного режима работы сети при изменении влияющих на него условий. Регулируемые Ф. бывают вращающиеся и статические. В качестве вращающихся регулируемых Ф. используют компенсаторы синхронные . Статические регулируемые Ф. выполняют на конденсаторах электрических . Регулирующими элементами в таких Ф. служат управлямые выпрямители тока , регулируемые реакторы электрические или трансформаторы электрические. Нерегулируемые Ф. – обычно статические, конденсаторного типа. В ряде случаев Ф. дополнительно выполняют роль устройств, симметрирующих нагрузку. В сетях с существенно несинусоидальными нагрузками Ф. используют в качестве фильтров гармонических колебаний. Статические Ф. находят применение в преобразовательных устройствах с искусственной коммутацией. Выбор типа Ф. определяется технико-экономическими показателями, учитывающими характер нагрузок сети, скорость и диапазон их изменений, режим работы сети и т.д. См. также Компенсирующие устройства .

  Лит.: Мамошин Р. Р., Повышение качества энергии на тяговых подстанциях дорог переменного тока, М., 1973.

  Р. Р. Мамошин.

Фазометр

Фазо'метр, прибор для измерения косинуса угла сдвига фаз (или коэффициента мощности) между напряжением и током в электрических цепях переменного тока промышленной частоты или для измерения разности фаз электрических колебаний. Измерение косинуса угла сдвига фаз на промышленной частоте производят электромеханическими Ф. с непосредственным отсчётом, в которых измерительным механизмом служит логометр (электродинамический, ферродинамический, электромагнитный или индукционный); отклонение подвижной части логометра зависит от сдвига фаз соотносимых напряжения и тока. В качестве Ф. для широкого диапазона частот применяют электронно-счётные измерители интервалов времени между моментами прохождения соотносимых колебаний через нуль, а также градуированные измерительные фазовращатели в сочетании с индикаторами нулевой разности фаз (например, с фазовыми детекторами). Погрешности измерения электромеханическими Ф. 1–3°, электронными 0,05–0,1°.

  Лит.: Вишенчук И. М., Котюк А. Ф., Мизюк Л. Я., Электромеханические и электронные фазометры, М. – Л., 1962; Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Кушнир Ф. В., Радиотехнические измерения, 3 изд., М., 1975.

Фазорегулятор

Фазорегуля'тор, электромеханическое устройство, обычно в виде асинхронной электрической машины с заторможенным фазным ротором (работающей как электрический трансформатор), позволяющее изменять сдвиг фаз между напряжениями на зажимах источника тока и нагрузки. Обмотку статора (играющую роль первичной обмотки трансформатора) подсоединяют к сети трёхфазного тока, а обмотку ротора (вторичную обмотку) через контактные кольца подсоединяют к нагрузке. Токи в статорной обмотке создают вращающееся магнитное поле , которое индуцирует в обмотках статора и ротора эдс. Сдвиг фаз между этими эдс определяется относительным положением статора и ротора Ф. (углом взаимного сдвига электрических осей фазных обмоток). Поворачивая ротор относительно статора посредством механического приспособления, например при помощи червячного механизма, можно плавно изменять сдвиг фаз между эдс (а следовательно, между первичным и вторичным напряжениями) в пределах от 0° до 360°. При необходимости изменять фазу напряжения в относительно маломощных цепях однофазного переменного тока используют устройства, в которых вращающееся магнитное поле создаётся двумя обмотками, магнитный поток одной из которых сдвинут по фазе относительно потока второй на четверть периода включением электрического конденсатора.

  В автоматике, телемеханике, преобразовательной и измерительной технике для изменения сдвига фаз между напряжениями или токами применяют Ф. на основе четырехполюсников, состоящих из резисторов, катушек индуктивности и электрических конденсаторов. Такие Ф. назыаются фазосдвигающими цепями и фазовращателями .

  Лит.: Электротехнический справочник, 5 изд., т. 1, М., 1974.

  Г. М. Вотчицев.

Фазорентгенокардиография

Фазорентгенокардиогра'фия, методика исследования функции сердца посредством рентгенографии в различные фазы его деятельности (систола, диастола).

Фазосдвигающая цепь

Фазосдвига'ющая цепь, электрическая цепь, на выходе которой фазы колебаний отдельных гармонических составляющих спектра распространяющегося по ней сигнала отличаются от фаз соответствующих составляющих на входе. В Ф. ц. с сосредоточенными параметрами сдвиг фаз обусловлен действием реактивных элементов (например, конденсаторов, катушек индуктивности), а в Ф. ц. с распределёнными параметрами – конечным временем распространения электрического сигнала от входа цепи до её выхода. Пример простейшей Ф. ц. – Г-образный четырехполюсник, содержащий реактивный элемент и резистор (рис. ) либо 2 разнородных реактивных элемента. Такую Ф. ц. обычно используют для введения фиксированного фазового сдвига в тракт передачи сигнала на пром. частоте и радиочастотах (вплоть до частот метрового диапазона). Ф. ц. имеют большое практическое значение в радиотехнике: их используют для изменения формы входного сигнала (в дифференцирующих устройствах , интегрирующих устройствах ), для компенсации фазовых искажений, фазовой модуляции и т.д.

  Лит.: Зернов Н. В., Карпов В. Г., Теория радиотехнических цепей, 2 изд., [Л.], 1972.

  К. К. Товара.

Простейшие Г-образные фазосдвигающие цепи: L – катушка индуктивности; R – резистор; С – конденсатор; Dj – сдвиг фаз; w – угловая частота.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ФА)"