Текст книги "Физические эффекты и явления"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 15 страниц)

Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые: тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое.

Л И Т Е Р А Т У Р А

– – – – – – – – -

К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока

цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.

К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор

мация металлов, "Природа", 1977.

К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.

К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор

циональности и текущести при повторном нагружении,

"Заводская лаборатория", 1950, н'4.

Ф.Ходж Теория идеально пластических тел, М.. "ИЛ", 1956

К 2.4. И.И.Карнилов и др., Никелид титана и другие сплавы с

эффектом "памяти", "Наука", 1977.

3.1. Тепловое расширение вещества.

Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атомно-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во всем диапозоне температур находятся в непрерывном хаотическом движении, причем, чем выше температура обьема вещества, тем выше скорость перемещения отдельных атомов и молекул внутри этого обьема (в газах и жидкостях) или их колебания – в кристаллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температуры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами, в результате чего газы, жидкости и твердые тела расширяются – при условии, что внешнее давление остается постоянным. Коэффиценты расширения различных газов близки между собой (около 0,0037 град в степени "-1"; для жидкостей они могут различаться на порядок (ртуть – 0,00018 град в степени "-1", глицерин – 0,0005 град в степени "-1", ацетон – 0,0014 град в степени "-1", эфир – 0,007 град в степени "-1"). Величина теплового расширения твердых тел определяется их строением. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдельные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре, рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному расширению твердых тел (аллюминий, полиэтилен).

3.1.1. При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соответствующих технологических процессах.

Например, это свойство использовано в электрическом

домкрате для растяжения арматуры при изготовлении нап

ряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к

растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла

с подходящим коэффициентом термического расширения. За

тем его нагревают, током от сварочного трансформатора,

после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев.

В результате охлаждения и сокращения линейных размеров

стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн,

которое растягивает холодную арматуру до необходимой

величины.

Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он практически не может сломаться.

3.1.2. С помощью теплового расширения жидкости можно создать необходимые гидростатические давления.

А.с. н' 471140: Устройство для волочения металлов со

смазкой под давлением, содержащее установленные в кор

пусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между

собой и корпусом камеру (в которой находится смазка).

Ред.(и средства для создания высокого давления, ОТЛИЧА

ЮЩИЕСЯ тем, что с целью упрощения конструкции и повыше

ния производительности средство для создания в камере

высокого давления выполнено ввиде нагревательного эле

мента, расположенного внутри камеры.

3.1.3. Тепловое расширение может просто решить технические задачи, которые обыными средствами расширяются с большим трудом. Напрмер, для того чтобы ступица прочно охватывала вал, первую перед напрессовкой нагревают. После охлаждения надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот узел практически монолитным. Но как после этого разобрать данное соединение? Механически – почти не возможно без риска испортить деталь. Но достаточно сделать вал из металла коэффицентом термического или, если это невозможно, ввести в сопрягаемое пространство прокладку из металла с меньшим терморасширением, как техническое противоречие исчезает.

Общеизыестные биметаллические пластинки – соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным терморасширением – являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую.

А.с. н 175190: Устройство для учета колличества наливов

металла в изложницу, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что с

целью автоматизации процесса учета,оно выполнено ввиде

корпуса,прикрепленного,к изложнице,в полости,которого

расположено счетное устройство, состоящее из трубки с

шариками и биметаллической пластинки, на конце которой

укреплен отсекатель,пропускающий при нагреве пластинки

шарик,падающий в накопительную емкость.

Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать т е п л о в о й д и о д .

А.с 518614: Тепловой диод,содержащий входной и выходной

теплопроводы,имеющие узел теплового контакта о т л и ч

а ю щ и й с я тем,что с целью упрощения конструкции,

узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розет

ка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле

выходного теплопроводов.

2.Диод по пункту 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что

входной теплопровод выполнен из материала с высоким ко

эффициентом линейного удлинения,например меди, а выход

ной – из материала с малым коэффициентом линейного уд

линения,например,инвара.

3.1.4. Тепловое расширение,как процесс обратимый и легко управляемый,применяется при проведении весьма филигранных работ, таких,как микроперемещение объектов,например,в поле зрения микроскопа или измерения с помощью тепловых электроизмерительных приборов.

Патент США 3569707 Устройство для измерения импульсного

излучения при помощи теплодатчиков.Энергия,поглащаемая

материалом,на который воздействует импульсное ядерное

излучение,измеряется путем детектирования теплового

расширения этого материала тензодатчиками.

3.2. Фазовые переходы.Агрегатные состояния веществ.

При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность веществ и энергия тела; очевидно,при фазовых переходах первого рода в с е г д а выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывает такие величины, как теплоемкость,теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние,переход форромагнетика в парамагнетик при точке Кюри,переупорядочение кристаллов сплавов и др.

Характерным примером фазового перехода первого рода может служить перход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

В физике рассматривают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же колличество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температурк, таким образом, фазовый переход является источником Э или поглотителем тепла, работающим практически при постоянной температуре.

А.с.н 426030: Способ изолирования катушки индуктивности

в глубинном приборе путем заполнения диэлектриком каме

ры, в которой расположена катушка, отличающийся тем,

что с целью упрощения конструкции прибора и повышения

его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика

используют вещество, температура плавления которого ни

же минимальной температуры в зоне измерения и выше тем

пературы корпуса прибора перед его спуском и в период

спуска в скважину.

Нередко изменения агрегатного состояния вещества позволяет очень просто решать до этого почти неразрешимые технические задачи. Например, как заполнить послойно емкость смешивающимися между собой жидкостями?

А.с.н 509275: Способ послойного заполнения емкости сме

шивающимися жидкостями путем последовательного анализа

их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса,

первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следу

ющую жидкость наливают на верхний слой замороженной

жидкости, а затем последнюю размораживают.

При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так,если металл в твердом или жидком виде-проводник,то пары металла-типичный диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США

Прибор для измерения давления жидкого металла содержит

пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок

этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый

электрический ток. При определенной величине тока, тем

пература взятой пробы жидкого металла возрастает до тех

пор,пока жидкий металл не перейдет в парообразное сос

тояние, в результате чего ток прерывается. Период вре

мени в течение которого через участок пробоотборной

трубки протекает ток,является функцией давления жидкого

металла в системе. Таким образом, период времени при

отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момен

та испарения определяется давлением жидкого металла в

системе.

3.2.1. Как отмечалось выше,перекристаллизация металла является фазовым переходом второго рода. В момент перекристаллизации возникает э ф ф е к т с в е р х п л а с т и чн о с т и металла.

В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверхпрочную структуру,становится пластичным как глина.Но длится это явление считанные мгновения и протекает в очень узком,причем непостоянном интервале температур.Непосредственно подстеречь момент,когда начинается фазовое превращение, невозможно,но известно,что при перестройки кристаллической решотки металл начинает переходить из паромагнитного состояния в феромагнитное,что сопровождается резким изменением его магнитной проницаемости. Этим воспользовались авторы изобретения.

По А.С..207678 пусковое устройство пресса связано с

прибором улавливающим момент фазового перехода: заго

товку,нагретую до температуры чуть выше интервала фазо

вого превращения,кладут в матрицу пресса.Остывая металл

заготовки в момент перекристаллизации резко изменяет

свою магнитную проницаемость,что отмечается изменением

тока в измерительной обмотке прибора,который включает

пресс.

Чтобы продлить время сверхпластичности,датчик фазового превращения связывают нетолько с пусковым устройством прсса,но и с нагревательными элементами.Пилообразно гоняя заготовку вверх и вниз по всему интервалу температурфазового превращения,можно поддерживать состояние сверхпластичности сколь угодно долго. Ничто не мешает использовать датчики,которые реагировали бы на изменение других физических свойств обрабатываемого материала, например,электросопротивления,теплоемкости и т.д. Значит, принцип действия можно распространить и на немагнитные материалы. У сталей существует еще один фазовый переход,идущий при очень низких температурах (ниже минус 60 градусов С ), когда аустенит в стали переходит в мартенсит. И в этот момент наблюдается эффект сверхпластичности. Значит можно в принципе, отказаться от горячей штамповки, совместив процесс штамповки в сверхпластичном состоянии с закалкой стали в жидком азоте.

3.2.2. Интересно,что мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит. Если к изогнутой деформацией части детали приложить хотя бы кусок "сухого льда",температура которого минус 67 градусов С,то обрабатываемый участок расширится, распрямив тем самым деталь. А поскольку фазовый переход необратим, то самопроизвольного востановления кривизны в дальнейшем не произойдет.Превращение десяти процентов аустинита в мартенсит вызывает увеличение 100 миллиметрового диаметра изделия на 130 микрометров,а переход 40% аустенита в мартесит -400 микрометров. К плюсам нового метранадо добавитьеще один: выдержка при низкой температуре в течение 5 минут и 5 часов дает практически одинаковые результаты.Ну, и конечно, обработку изогнутых деталей холодом, как и радиацией,можно вести в собранной,готовой машине (сравни с 2.3).

На этот способ выдано авторское свидетельство .414027.

Изменяется плотность при фазовых переходах и у других веществ (например у воды и олова),что позволяет использовать их для получения высоких давлений.

Прифазовых переходах второго рода также наблюдаются интересные изменения макроскопических свойств объектов(см.8.8)

У хрома есть любопытная температурная точка 37 градусов С, в котором он претерпевает фазовый переход,при этом у него скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основан ряд изобретений.

А.С.266471: Двигатель,содержащий деформируемые при из

менении температуры рабочего тела упругие элементы, ки

нематически связанные с механизмом отбора мощности, от

личающийся тем,что с целью получения полезной работы

при малых перепадах температур рабочего тела,упругие

элементы выполнены предварительно напряженными и изго

товлены из материала со скачкообразно изменяющимся при

определенной температуре модулем упругости,например,

изчистого хрома.

В А.С. .263209 чувствительным элементом термометра яв

ляется пружина из чистого хрома.

3.3. Поверхностное натяжение жидкостей.Капилярность.

Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделяющими ее от какой-либо другой среды-вакуума,газа,твердого тела,другой жидкости.Энергия поверхностных молекул жидкости отлична от энергии молекул внутри жидкости именно всилу того, что те и другие имеют различных соседей – у внутренних молекул все соседи одинаковы, у поверхностных – такие же молекулы расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы при заданной температуре имеют определенную энергию;перевод этих молекул внутрь жидкости приведет к тому,что их энергия изменится (без изменения общей энергии жидкости).

3.3.1. Разность этих энергий носит название п о в е р х н о с т н о й э н е р г и и.

Поверхностная энергия пропорциональна числу поверхностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения.

Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил поверхностного нажатия,стремящихся сократить поверхность раздела. Такое стремление есть следствие общего физического закона,согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму.Жидкость,находящаяся в невисомости,будет принимать форму шара,поскольку поверхность шара минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданый объем.

Конечно,поверхностные силы существуют и в твердых телах, но относительная малость этих сил не позволяет им изменить форму тела,хотя при определенных условиях поверхностные силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.

3.3.2. При контакте жидкости с твердой поверхностью говорят о с м а ч и в а н и и. В зависимости от числа фаз участвующих в смачивании,различают имерсионное смачивание(смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость),в котором участвуют только две фазы,и контактное смачивание ,в котором наряду с жидкостью с твердым телом контактирует третья фаза – газ или другая жидкость. Характер смачивания определяется прежде всего физико-химическими воздействиями на поверхности раздела фаз,которые участвуют в смачивании.

При контактном смачивании свободная поверхность жидкости около твердой поверхности (или около другой жидкости) искривлена и называется мениском Линия,по которой мениск пересекается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром смачивания.Явление контактного смачивания характеризуется краевым углом между смоченой поверхностью твердого тела(жидкости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачивания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (выпуклый мениск) поверхности жидкостью.

Автоматический дозатор из одной детали.Такой деталью

служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой

пленке всегда задерживается одинаковый по высоте стол

бик жидкости. Фторопласт практически не смачивается

поэтому скорость истечения через отверстие зависит

только от давления. Кроме отбора проб жидкости из пото

ка , такой дозатор может служить для измерения коэффи

циента поверхностного натяжения (ИР-6.5,С.33)

3.3.3. При растекании жидкости по ее собственному монослою адсорбированному на высокоэнергетической поверхности наблюдается э ф ф е к т а в т о ф о б н о с т и.

Эффект заключается в том,что при контакте жидкости, имеющей низкое поверхностное натяжение , с высокоэнергетическими материалами, происходит вначале полное смачивание, а затем,через некоторый промежуток времени , условия полного смачивания перестают выполняться. В результате изменится направление движения периметра смачивания – жидкая пленка начинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным краевым углом.На ранее смоченных участках твердого тела остается прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект используется для нанесения монослойных покрытий на твердые материалы.

3.3.4. К а п и л я р н о е д а в л е н и е – появляется из-за искривления поверхности жидкости в капиляре.Для выпуклой поверхности давление положительно, для вогнутой – отрицательно. Эффект определяет движение жидкостей в порах,влияет на кипение и конденсацию.

К а п и л я р н о е и с п а р е н и е – увеличение испарения жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над выпуклой поверхностью жидкости в капиляре; используется для облегчения кипения путем изготовления шероховатых поверхностей.

К а п и л я р н а я к о н д е н с а ц и я – увеличение конденсации жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над вогнутой поверхностью жидкости в капиляре. Пар может конденсироваться притемпературе выше точки кипения.

Используется для осушки газов, в хроматографии.

Течение жидкости в капилярах а также в полуоткрытых каналах,например, в микротрещинах и царапинах.

А.С 279583. Распределитель жидкости,например, в колон

нах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с ук

репленной на ней трубкой для подачи жидкости,отличаю

щийся тем,что с целью равномерного распределения

жидкости при малых расходах,трубки выполнены ввиде ка

пиляров,нижние концы имеют косые срезы.

А.С..225284 Солнечный концентратор для термоэлектроге

нератора отличающийся тем,что с целью сохранения высо

кого коэффициента отражения в течение всего времени ра

боты,егоотражающая поверхность выполнена ввиде сотовой

пористой или капилярной структуры,заполненной расходуе

мым металлом или сплавом, поступающим благодаря капи

лярным силам с тыльной стороны концентратора.

3.3.5. Эффект капилярного подъема (опускания) -возникает из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в капилярном канале.Связь между характером смачивания и капилярным давлением оказывает большое влияние на возможность проникновения жидкостей в поры и на их вытеснениеиз пор,что в свою очередь играет важную роль в процессах пропитки,фильтрации,сушки и т.д.

3.3.6. Открытие .109: У л ь т р а з в у к о в о й

к а п и л я р н ы й э ф ф е к т – увеличение скорости и высоты подъема жидкости в капилярах при непосредственном воздействии ультразвука в десятки раз. Этот эффект реализован в А.С.315224 "Способ ультразвуковой пропитки пористых материаловв" в А.он применен для резкого повышения эффективности тепловой трубы,для чего в зоне конденсации тепловой трубы прикрепили через акустический концентратор излучатель магнитострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуковой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль,способствует быстрейшему возврату конденсата в зону испарения.При этом величина максимального удельного теплового потока вырастает на порядок .

3.3.7. Т е р м о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т – зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя.Эффект объясняется тем,что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому приразличии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания,которая пропорциональна градиену поверхностного натяжения жидкости.В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке.Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например,поверхностноактивных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ, уменьшающих поверхностное натяжение,жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем,что как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева от температуры и испарения какого либо компонента.

3.3.8. Э л е к т р о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т -зависимость поверхностного натяжения на границе раздла твердых и жидких электродов с растворами электролитов или расплавами ионных соединений от элетрического потенциала. Эта зависимость обусловлена образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осуществить инверсию смачивания – переход от несмачивания к смачиванию и наоборот.

3.3.9. К а п и л я р н ы й п о л у п р о в о д н и к. Капиляры обладают способностью избирательной проницаемости. Шейки пор капиляров затрудняют движение только смачивающей жидкости и способствуют продвижению несмачивающей (биологические мембраны).

3.4. Сорбция.

Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, любая поверхность, вещества обладает свободной энергией поверхности (СЭП).

Все поверхностные явления сводятся к взаимодействию атомов и молекул,которые происходят в двумерном пространстве при непосредственном участии СЭП. Любую твердую поверхность можно представить себе как "универсальный магнит", притягивающий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: поверхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" молекулами воздуха и воды. Опыт показывает ,что чем выше степень дисперсности данного тела, тем больше количество частиц другого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.Процесс самопроизвольного"сгущения" растворенного или парообразного вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости носит название с о р б ц и и . Поглащоющее вещество называется с о р б е н т о м , а поглощаемое с о р б т и в о м .

Процесс , обратный сорбции называется д е с о р б ц и е й. В зависимости от того насколько глубоко проникают частицы на адсорцию,когода вещество поглощается на поверхности тела, и абсорцию,когда вещество поглощается всем объемом тела. В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и сорбтива, сорбция физическая (взаимодействие обусловлено силами когезии и адгезии т.е. силами Ван-дер-Ваальса) и химическая,или ее еще называют, хемосорбция;

3.4.1. Особое положение занимает сорбционный процесс, называемый к а п и л л я р н о й к о н д е н с а ц и е й.

Сущность этого процесса заключается не только в поглощении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, например, активизированным углем газов и паров.

Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наибольшее значение для практики имеет адсорбция. Чем менее энергетичны молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой поверхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа) адсорбация увеличивается, а с увеличением температуры уменьшается.

При адсорбации молекулы газа, сталкиваясь с поверхностью прекращают движение. Значит: они теряют энергию, а "лишняя" энергия должна выделяться. Вот почему при физической адсорбации выделяется тепло. Причем: последний процесс, если он идет в закрытом обьеме, сопровождается понижением давления газа. При десорбации же давление газа – сорбтива увеличивается, при этом идет поглощение энергии. Это свойство используют в некоторых теплосиловых установках.

А.с. Н 224743: Двухфазное рабочее тело для компрессора

теплосиловых установок, состоящее из газа и мелких час

тиц твердого тела, отличающееся тем, что с целью допол

нительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и

дополнительного расширения в нагревателе в качестве

твердой фазы использованы сорбенты с общей или избира

тельной поглотительной способностью.

Очень интересные явления и эффекты происходят при адсорбции на поверхности полупроводников.

3.4.2. Ф о т о а д с о р б ц и о н н ы й э ф ф е к т

Это зависимость адсорбционной способности адсорбента – полупроводника от освещения. При этом эта способность может увеличиваться положительный и уменьшаться (отрицательный фотоадсорбционный эффект). Эффект можно использовать, например, для регулирования давления в замкнутом обьеме.

3.4.3. Влияние э л е к т р и ч е с к о г о п о л я на а д с о р б а ц и ю. Это зависимость адсорбционной способности от величины приложенного электрического поля. Влияет на фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно поверхности полупроводника – адсорбента.

3.4.4. А д с о р б л ю м и н е с ц е н ц и я

Это люминесценция, возбуждаемая не светом, а самим актом адсорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс адсорбции, и погасает, коль скоро адсорбция прекращается. Яркость свечения пропорциональна скорости адсорбции. Цвет свечения при адсорблюминисценции, как правило, тот же, что и при фотолюминесценции, т.е. определяется природой активатора, введенного в полупроводник, и вовсе не зависит от природы адсорбируемого газа. Адсорболюминесцеция является одним из видов х е м о л ю м и н е с ц е н ц и и (15.4).

3.4.5. Р а д и к а л о – р е к о м б и н а ц и о н н ая

л ю м и н е с ц е н ц и я (Р-РЛ).

На поверхности полупроводника могут рекомбинировать приходящие из газовой фазы радикалы, напрмер, атомы водорода. При этом происходит свечение полупроводника, которое длится до тех пор, пока на поверхности идет реакция рекомбинации. При Р-РЛ, как и при адсорболюминесцеции, испускаются те же частоты, что и при фотолюминесценции. Они образуют полосу, которую называют обычно основной полосой. Следовательно, цвет обминесценции меняется при смене активатора, не зависит от природы активатора, но меняется при смене газа, участвующего в реакции.(например, при замене водорода кислородом). Обе полосы в известной мере накладываются друг на друга.

Мы видим на примерах адсорболюминесценции и радикалорекомбинационной люминесценции, как электронные процессы в полупроводнике оказываются связанными с химическими процессами, протекающими на его поверхности.

В результате адсорбции поверхность полупроводника заряжается. При адсорбции акцепторов она заряжается отрицательно, а доноров – положительно.

3.4.6. А д с о р б ц и о н н а я э м и с с и я.

Работа выхода электрона может изменяться под действием адсорбции. Это зависит от того, заряжается ли поверхность при адсорбции положительно или отрицательно, т.е. от природы адсорбируемого газа. В первом случае работа выхода снижается, во втором – возрастает. По тому, как она изменяется, часто можно судить о составе газовой фазы. Давление газовой фазы также влияет на работу выхода.

3.4.7. В л и я н и е а д с о р б ц и и н а

э л е к т р о п р о в о н о с т ь п о л у п р о

в о д н и к а.

Электропроводность поверхности полупроводника монотонно изменяется по мере хода адсорбции, но не достигает некоторого постоянного значения. Часто за процессом можно следить по изменению электропроводности. Адсорбция вызывает увеличение или уменьшение электропроводности полупроводника в зависимости от того, какой газ (акцепторный или донорный) адсорбируется и на каком полупроводнике (электронном или дырочном).

Напрмер, кристаллы двуокиси олова изменяют свою прово

димость в присутствии водорода, окиси углерода, метана,

бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагре

вание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это

колличественное различие может быть зафиксировано чувс

твительным прибором. Можно представить себе аппарат, в

котором изменение электрических свойств кристалла при

появлении в воздухе искомого вещества дает импульс сиг

нальному устройству отградуированному определенным об

разом в зависимости от назначения.

3.5. Диффузия.

Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравниванию концентрации каждой компоненты во всем обьеме. Такой процесс называется диффузия. при протекании процесса диффузии всегда имеются так называемые диффузионные потоки вещества, величина и скорость которых определяется свойствами среды и градиентов, концентрации. Скорость диффузии в газах увеличивается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкостях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, возникновению диффузионных потоков приводит наличие температурных градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад температур в однородной по составу смеси вызывает появление разности концентрации между областями с различной температурой, при этом в газах более легкая компонента газовой смеси скапливается в области с более низкой температурой. Таким образом, явление термодиффузии можно использовать для разделения газовых смесей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.

3.5.1. При диффузионном перемещении двух газов, находящихся при одинаковой температуре, наблюдается явление, обратное термодиффузии: в смеси возникает разность температур – эффект Д ю ф о р а . При диффузионном смешивании газов, составлящих воздух возникающая разность температур составляет несколько градусов.

Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе работы диффузионных вакуумных насосах (пароструйные насосы); термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возможность надежной работы так называемых диффузионных камер приборов для наблюдения ионизирующих частиц.

Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к однородности сплава. Для ускорения диффузии применяется длительный нагрев сплава (отжиг); уничтожение внутренних напряжений при отжиге металла также есть следствие процессов диффузии и их ускорения при повышении температуры.

Создание больших концентраций газа на границе с металлом при создании условий, обеспечивающих некоторое "разрыхление" поверхностного слоя металла, приводит к диффузии газа внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе процесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла различными элементами позволяет получать самые различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фактически процессы цементации, алитирования, фосфатирования есть процессы диффузии углерода, аллюминия, фосфора внутрь структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулируется с помощью различных режимов термообработки.