По научным основам инновационных технологий

       Нелинейная Кристаллофизика занимается исследованием взаимодействия акустических волн в кристаллах: генерации акустических гармоник и волн комбинаций частот, взаимодействий с электрическими полями и электромагнитными волнами. Исследование нелинейного взаимодействия упругих волн в кристаллах имеет значение не только для объяснения поглощения звука, но также для описания тепловых фононных взаимодействий и лежит в основе теории работы нелинейных акустических устройств — корреляторов, конволюторов. УЗ волны в кристаллах используются для создания ультразвуковых и гиперзвуковых линий задержки, акустооптических устройств и устройств акустоэлектроники.

     Термодинамическая система и ее параметры. Уравнения  состояния.

     Термодинамическая система, объект изучения термодинамики, совокупность физ. тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой и с другими телами, а также обмениваться с ними веществом. Термодинамическая система состоят из столь большого числа частиц, что их состояние можно характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением, концентрацией разных веществ, образующих Термодинамическую систему. Термодинамическая система находится в равновесии если параметры системы с течением времени не меняются и в системе нет каких-либо стационарных потоков (теплоты, вещества и др.). Для равновесных Термодинамической системы вводится понятие температуры как параметра состояния, имеющего одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Свойства Термодинамической системы, находящихся в термодинамическом равновесии, изучает термодинамика равновесных процессов (термостатика); свойства неравновесных систем — термодинамика неравновесных процессов. Адиабатные Термодинамические системы, в которых отсутствует теплообмен с другими системами; наконец, изолированные Термодинамические системы, не обменивающиеся с другими системами ни энергией, ни веществом.

     Совокупность  тел, энергетически взаимодействующих  между собой и с другими  телами, обменивающихся с ними веществом, называется термодинамической системой.

     Системы делят на изолированные (это те системы, которые не обмениваются энергией и веществом с другими системами), открытые (те системы, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией), закрытые (системы, в которых есть только обмен энергией).

     Термодинамические параметры.

     Любая Термодинамическая система характеризуется параметрами: температура, давление, плотность, концентрация, мольный объем. В любой Термодинамической системе обязательно протекают процессы, и они могут быть равновесными, неравновесными, обратимыми и необратимыми.

Если  в Термодинамической системе определенное свойство системы не будет изменяться во времени, то есть оно будет одинаковым во всех точках объема, то такие процессы – равновесные.

     В неравновесных процессах свойство системы будет изменяться во времени без воздействия окружающей среды.

     Обратимые процессы – процессы, в которых система возвращается в первоначальное состояние.

     Не обратимые – когда система не возвращается в первоначальное состояние.

     Функции могут зависеть от пути процесса. Функции, которые зависят от начального и  конечного состояний системы  и не зависят от пути процесса, – функции состояния; внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и другие – полные дифференциалы.

     Функции, которые зависят от начального и  конечного состояний системы  и зависят от пути процесса, не являются функциями состояния и не являются полными дифференциалами.

     Функции можно разделить на две группы: экстенсивные и интенсивные.

     Экстенсивное  свойство системы прямо пропорционально массе системы и обладает аддитивностью (можно складывать): V, H, U_вн, S, G, F.

     Интенсивное свойство системы не зависит от массы системы и не обладает свойством аддитивности: Q, A, T, P.

     Давление – параметр состояния, определяемый силой, действующей в теле на единицу площади поверхности по нормали к ней. Оно характеризует взаимодействие системы с внешней средой.

     Температура определяет меру интенсивности теплового движения молекул.

     Значение  градуса температуры и начало ее отсчета произвольны. В качестве эталона можно было бы выбрать  не воду, а любое другое вещество (лишь бы его свойства однозначно изменялись с температурой, были воспроизводимы и легко поддавались измерению).

     Такая произвольность исчезает, если пользоваться термодинамической (абсолютной) шкалой температур, основанной на втором законе термодинамики. Начальной точкой этой универсальной шкалы является значение предельно низкой температуры –  абсолютный нуль, равный 273,15 ^оС.

     Уравнение состояния.

     Уравнение, связывающее термодинамические  параметры системы в равновесном  состоянии, – уравнение состояния.

     Вследствие  взаимосвязи между свойствами системы  для определения ее состояния  достаточно указать лишь некоторое  число свойств. Так, состояние газа можно считать заданным, если указаны  два параметра, например, температура  и объем, а значение третьего параметра  – давления – можно определить из уравнения состояния.

P = f(V, T ),

φ(P, V, T ) = 0.

     Графически  это уравнение является уравнением поверхности, построенной на трех взаимно  перпендикулярных осях, каждая из которых  соответствует одному термодинамическому параметру. Таким образом, термодинамическая  поверхность – геометрическое место  точек, изображающих равновесные состояния  системы в функциях от термодинамических  параметров.

     Для любой термодинамической системы  существует состояние термодинамического равновесия, которое оно достигает  с течением времени самопроизвольно  при фиксированных внешних условиях. Сформулированное положение получило название нулевого начала термодинамики.

     Это свойство является специфическим для  всех термодинамических систем. На практике для макроскопических систем под состоянием термодинамического равновесия будем понимать сохранение макроскопических параметров термодинамической системы с течением времени при отсутствии потоков любого типа: вещества, энергии (тепла), энтропии.

     Электромагнитное  поле.

     Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электромагнитное поле в вакууме характеризуется вектором напряжённости электрического поля и магнитной индукцией, в которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Поведение Электромагнитного поля изучает классическая электродинамика, в произвольной среде оно описывается уравнениями, позволяющими определить поля в зависимости от распределения зарядов и токов. Микроскопические Электромагнитные поля, созданные отдельно элементарными частицами, характеризуются напряжённостями микроскопических полей: электрического поля е и магнитного h. Их средние значения связаны с макроскопическими характеристиками Электромагнитного поля следующим образом: , . Микроскопические поля удовлетворяют Лоренца — Максвелла уравнениям.

     Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц Электромагнитного поля "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн.

     Порождение  Электромагнитного поля переменным магнитным полем и магнитного поля — переменным электрическим приводит к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. При больших частотах Электромагнитного поля становятся существенными его квантовые (дискретные) свойства. В этом случае классическая электродинамика неприменима и Электромагнитное поле описывается квантовой электродинамикой. 

     Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита, присутствует как раз электрическое поле.

Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.

     Для характеристики величины электрического поля используется понятие напряженность электрического поля, обозначение Е, единица измерения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятие магнитная индукция В, единица Тл(Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

       По  определению, электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством  которой осуществляется воздействие между  электрическими заряженными  частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н - вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами Электромагнитные волны характеризуются длиной волны, обозначение - l (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой, обозначение - f.

Важная особенность ЭМП - это деление  его на так называемую "ближнюю" и "дальнюю" зоны. В "ближней" зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < l ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату r -2 или кубу r -3 расстояния. В "ближней" зоне излучения электромагнитная волна еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение. "Дальняя" зона - это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3l . В "дальней" зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r -1. В "дальней" зоне излучения есть связь между Е и Н: Е = 377Н, где 377 - волновое сопротивление вакуума, Ом.

       Основные  источники ЭМП.

       Среди основных источников ЭМИ можно перечислить: электротранспорт, линии электропередач, электропроводка, бытовые электроприборы, теле- и радиостанции, спутниковая и сотовая связь, радары, персональные компьютеры.

       Вынужденные колебания. Резонанс.

       Колебания, происходящие под действием внешней  периодической силы, называются вынужденными колебаниями. Внешняя периодическая  сила, называемая вынуждающей, сообщает колебательной системе дополнительную энергию, которая идет на восполнение энергетических потерь, происходящих из-за трения. Если вынуждающая сила изменяется во времени по закону синуса или косинуса, то вынужденные колебания будут гармоническими и незатухающими.

       В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию  лишь один раз (при выведении системы  из состояния равновесия), в случае вынужденных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на преодоление трения, и потому полная энергия колебательной системы пo-прежнему остается неизменной.

       Частота вынужденных колебаний  равна частоте  вынуждающей силы.

       Периодическая внешняя сила может изменяться во времени по различным законам. Особый интерес представляет случай, когда  внешняя сила, изменяющаяся по гармоническому закону с частотой ω, воздействует на колебательную систему, способную  совершать собственные колебания  на некоторой частоте ω₀.

     Если  свободные колебания происходят на частоте ω₀, которая определяется параметрами системы, то установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешней силы. После начала воздействия внешней силы на колебательную систему необходимо некоторое время Δt для установления вынужденных колебаний. Время установления по порядку величины равно времени затухания τ свободных колебаний в колебательной системе.

В начальный  момент в колебательной системе  возбуждаются оба процесса – вынужденные  колебания на частоте ω и свободные  колебания на собственной частоте  ω₀. Но свободные колебания затухают из-за неизбежного наличия сил трения. Поэтому через некоторое время в колебательной системе остаются только стационарные колебания на частоте ω внешней вынуждающей силы.