Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Поперечноэлектрический акустоэлектромагнитный эффект

Выполнил:

О.Ф.Меньших

Введение

Открытие относится к области электродинамики.

Основные законы переменного электромагнитного поля были сформулированы

Фарадеем и Максвеллом. В 1864 году Максвелл предложил уравнения, обобщившие все имеющиеся экспериментальные результаты, касающиеся взаимодействия постоянных во времени электрических зарядов и токов, на основе которых затем сформулировал уравнения переменных электромагнитных полей [1]. Таких уравнений четыре, рассмотрим их.

Закон полного тока

Уравнения электромагнитного поля Уравнения электромагнитного поля в дифференциальной форме в интегральной форме

rot H = j + е(?E/?t) (1)

? Hdl = I + dN/dt (1*)

Токи смещения поля наравне с токами проводимости образуют магнитное поле и являются вихрями этого поля. Закон изменения электрического поля во времени определяет закон распределения магнитного поля в пространстве.

Обобщённый закон электромагнитной индукции

rot E = м(?H/?t)

? Edl = dФ/dt (2*)

Переменное магнитное поле образует вихревое электрическое поле, вихрями которого является скорость изменения магнитной индукции во времени, взятая с обратным знаком. Закон изменения магнитного поля во времени определяет закон распределения электрического поля в пространстве.

div еE = с ? еE dS = ?q (3*)

Электрическое поле может иметь истоки. Истоками электрического поля являются электрические заряды.

div мH = 0 (4)

? мH dS = 0 (4*)

Магнитное поле не имеет истоков. В природе свободные магнитные заряды (массы) отсутствуют.

Эти уравнения не только устанавливают взаимосвязь электрических токов и зарядов с полем, но и определяют свойства самого поля. Электромагнитное поле согласно теории Максвелла представляет собой совокупность взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Таким образом, электромагнитное поле есть форма существования материи, существующей объективно в пространстве и времени, а электрическое и магнитное поля суть две характеристики этого единого комплекса. Только в частном случае статических полей, когда ?E/?t = ?H/?t = 0, единая система уравнений Максвелла распадается на две независимых системы уравнений:

а) электрического поля - rot E = 0, div еE = с,

б) магнитного поля - rot H = j, div мH = 0.

При этом статические поля следует рассматривать как предельный случай электромагнитного поля, настолько медленно изменяющегося во времени, что с одной из характеристик его можно не считаться.

Вывод о движущемся характере электромагнитного поля - со скоростью света с, где с = 1/(ем)^1/2, волновой характер этого поля, его материальность в среде, в которой взаимодействуют токи и заряды, определили круг вопросов раздела современной физики, получившего наименование электродинамики.

Закон сохранения энергии в электромагнитном поле на основе теоремы ГауссаОстроградского может быть записан в виде:

(d/dt) ? [(еE²/2) + (мH²/2)] dV = ? jE dV + ? П dS (5)

Уравнение (5) в левой части представляет собой скорость изменения во времени полного запаса электромагнитной энергии в рассматриваемом объёме с обратным знаком ( dW/dt). Первый член правой части есть количество тепла Q, выделяющегося в проводящих частях объёма V за единицу времени, второе слагаемое представляет собой поток вектора через поверхность S, ограничивающую данный объём. Вектор П - суть плотность потока энергии, протекающего через поверхность S в единицу времени (вектор Пойнтинга). Этот вектор в каждой точке движется по нормали к плоскости, образованной взаимно ортогональными векторами Е и Н, в сторону, совпадающую с поступательным перемещением правовинтового штопора, вращаемого от вектора Е к вектору Н на наименьший угол.

Электромагнитное поле удовлетворяет так называемому принципу излучения, согласно которому электромагнитное поле уходит от источника в пространство.

Задачи по расчёту электромагнитного поля в заданной области при известных начальных и граничных условиях относятся к краевым задачам или граничным задачам электродинамики.

В записанных выше выражениях е и м - соответственно абсолютные диэлектрическая и магнитная постоянные, Е и Н - векторы напряжённости электрического и магнитного полей, j - плотность тока проводимости, с - плотность распределения заряда.

1. Сведения о приоритете

Приоритет положений, заявляемых в качестве научного открытия, следует исчислять с даты подачи данной заявки.

Сущность открытия.

Сущность заявляемого теоретически обоснованного открытия состоит в возбуждении электромагнитной волны (ЭМВ) в диэлектрической среде, помещённой в электрическое поле, под действием проходящей через такую среду ультразвуковой волны (УЗВ). При этом вектор поляризации диэлектрической среды, создаваемой электрическим полем с напряжённостью Е, может составлять произвольный угол б с волновым вектором k УЗВ. В частном случае эти векторы могут быть ортогональными (б = р/2), и тогда рассматривается вариант поперечноэлектрического поля, что выражено названием данной заявки.

Возникновение ЭМВ объясняется колебательным движением заряженных частиц согласно уравнениям Максвелла (14) и закона сохранения энергии (5), согласно которому действие ультразвукового поля вызывает нагревание среды с выделением тепловой энергии Q, что является опытным фактом (например, известно применение ультразвука для точечной сварки элементов в микроэлектронной промышленности, при очистке металлов от окислов, например, при ультразвуковой пайке алюминия), а другая часть энергии движущихся зарядов расходуется на образование потока электромагнитной энергии с вектором Пойнтинга П.

Рассматриваемый эффект является в известной степени обратным по отношению к эффекту возбуждения гиперзвуковых волн в нелинейных кристаллах под действием ЭМВ с высокой плотностью потока энергии, создаваемой, например, от импульсного лазера, работающего в режиме модулированной добротности или в режиме синхронизации мод [2].

2. Теоретическое доказательство достоверности открытия

Постановка задачи и её опытное воплощение могут быть пояснены приведёнными рисунками. Общая картина взаимодействия в диэлектрике УЗ волны с поперечным электрическим полем, в результате которого возникает ЭМВ. На рис. показана принципиальная схема экспериментального макета для обнаружения ЭМВ согласно заявляемому эффекту, содержащая источник УЗволны 1, образец 2 диэлектрического материала (кристалла или аморфного вещества, кюветы с непроводящей жидкостью), например, прямоугольной формы, с обкладками 3 плоского конденсатора, подключёнными к источнику постоянного и достаточно высокого напряжения 4, антенного устройства 5, например, рамочной антенны, подключённого ко входу чувствительного радиоприёмника (спектроанализатора) 6 с регистрирующим устройством.

Один из возможных вариантов конструктивного исполнения узла «возбудитель УЗВ - преобразователь», в котором решается задача полной экранировки паразитного электромагнитного излучения от пьезоэлектрического кристалла, например, пьезокварцевой пластины, от воздействия этого излучения на антенное устройство чувствительного приёмника радиоизлучений, исходящих из диэлектрической среды «преобразователя». Это достигается помещением пьезокварцевого возбудителя УЗВ в металлическую камеру, из которой УЗколебания передаются к диэлектрическому образцу «преобразователя» через металлический стержень, что создаёт полную экранировку электрической схемы возбудителя от внешних устройств, в частности, от антенного устройства 5 (рис.2). При этом электрический сигнал на пьезокварцевую пластину подаётся по коаксиальному кабелю с двойной экранировкой от целиком экранированного генератора ультразвуковых электрических колебаний. Измерения рекомендуется проводить в экранированной камере, чтобы исключить влияние внешних помех от радиоизлучений, и использовать при работе автономные источники питания.

Упрощенная модель для объяснения возникающего эффекта генерирования ЭМВ в диэлектрической поляризованной внешним электрическим полем среде, возбуждаемой УЗ волной (продольной или поперечной) на примере одного атома (для простоты иллюстрации - атома водорода). Под действием приложенного электрического поля Е возникает поляризация атома с образованием диполя величиной d, характеризующего разделение зарядов - отрицательного электронного и положительного, сосредоточенного в протоне ядра атома. В случае реально используемых диэлектрических сред со сложным строением молекул возникает аналогичная картина поляризации таких молекул с образованием диполей, и разница состоит в необходимости учёта взаимодействия совокупности заряженных микрочастиц во внешнем силовом поле УЗволны.

Рассмотрим процесс возбуждения ЭМВ в таких поляризованных средах при действии в них УЗколебаний. Пусть на изображённый на рис.4 поляризованный атом с дипольным моментом d, ориентированным вдоль вектора напряжённости электрического поля Е, воздействует продольная УЗволна ортогонально вектору Е. Если в качестве диэлектрического образца «преобразователя» используется твёрдое тело, то в нём УЗколебания приводят атомы кристаллической решётки в колебательное движение вдоль направления распространения УЗ-волны для продольного типа колебаний или поперёк этого направления для колебаний поперечного типа. Амплитуда этих колебаний определяется плотностью потока мощности УЗ-волны (её интенсивностью). Реально создаваемые пьезокристаллическими пластинами (с возможностью применения концентраторов из нескольких пьезопластин, закреплённых на поверхности параболоида с последующей фокусировкой акустической линзой, на выходе которой образуется квазиплоская УЗ-волна) плотности потока составляют порядок 100 Вт/см², и колебания в звукопроводе могут достигать величин до нескольких микрон на средних частотах УЗ-колебаний в зависимости от физических свойств и строения используемых диэлектрических веществ и их прочности [3, 4].

Поскольку согласно общеизвестной концепции ускоренное движение зарядов, которое имеет место при гармонических колебаниях заряженных частиц - отрицательного электрона и положительного ядра, содержащего протон - носитель положительного заряда, вызванное действием УЗполя, связано с возникновением ЭМВ с частотой колебаний указанных заряженных частиц в случае их чисто гармонических колебаний, либо с частотой высших гармоник этих колебаний при нелинейном взаимодействии УЗ поля с диэлектрической средой, представляется важным рассмотреть частотнофазовую структуру колебаний электронов и ядер в поле УЗволны с учётом значительного (почти в 2000 раз, например, для атома водорода) различия в их массах.

В качестве наглядной модели для такого анализа рассмотрим взаимную частотно-фазовую характеристику для колебания двух различных масс m и M, причём m << M, упруго связанных между собой и с некоторой колеблющейся рамой с круговой частотой её колебаний щ под действием приложенной к ней силе F(t) = F_o сos щt, как показано на рис.5. Если не учитывать массу рамы, то уравнения движения масс m и M будут иметь вид вынужденных колебаний соответствующих материальных точек

m (d²X_e/dt²) + a (dX_e/dt) + D X_e = F₀ cos щt, (6)

M (d²Xя/dt²) + a (dXя/dt) + D Xя = F0 cos щt, (7)

где D - жёсткость упругой связи, задаваемая исходными упругими связями между ядром и электроном, которая пропорциональна смещению частицы под действием упругой силы F = DX, а также действием внешнего электрического поля Е, вызывающего поляризацию среды с дипольным моментом в атоме d, то есть D = f(E) (жёсткость упругой связи изменятся от величины напряжённости внешнего электрического поля!), а величина а характеризует потери на трение, пропорциональные скорости движущейся частицы.

Частное решение уравнения (6) имеет вид:

Xe(t) = Xeo cos (щt - в1), (8)

где амплитуда и фаза колебаний электрона массы m находятся из выражений

X_eo = F₀ / [m²(щ_oe² - щ²) + a² щ²]^1/2 , (9)

tg в₁ = a щ / [m (щ_oe² - щ²)], (10)

Частное решение уравнения (7) аналогично получаем в форме

Xя(t) = Xяo cos (щt - в2), (11)

с соответствующими амплитудой и фазой колебаний массы частицы М, равными электромагнитный диэлектрический электрический ультразвуковой

X_яo = F₀ / [M²(щ_oя² - щ²) + a² щ²], (12)

tg в₂ = a щ / [M (щ_oя² - щ²)], (13)

где щ_oe и щ_oя - собственные (притом существенно разные по величине) частоты свободных колебаний микрочастиц.

Из сравнения выражений (9) и (12) для амплитуд колеблющихся частиц видим, что амплитуда колебаний ядра существенно меньше амплитуды колебаний электрона, следовательно, и ускорения этих частиц в УЗполе будут существенно разными. Поскольку амплитуда возбуждаемых ускоренным движением заряженных частиц ЭМВ также пропорциональна величинам этих ускорений, то можно сделать вывод, что амплитуда точечного источника электромагнитного поля за счёт колебаний электрона существенно выше таковой для точечного источника электромагнитного поля колеблющегося ядра, хотя эти частицы и имеют равные по абсолютной величине электрические заряды. Интересно отметить, что если колебания электрона и ядра в поле УЗволны были бы в одной и той же фазе, то возникающие точечные электромагнитные поля от этих разно заряженных микрочастиц были бы с противоположными начальными фазами, то есть частично гасили бы друг друга, ослабляя результирующее электромагнитное поле атома как целого.

Из сравнения выражений (10) и (13) для фаз вынужденных колебаний масс m и М замечаем весьма важное свойство - разность фаз этих колебаний Дв = в₁ - в₂ является функцией соотношения колеблющихся масс и параметра жёсткости упругих связей этих микрочастиц, то есть функцией напряжённости внешнего электрического поля Е:

tg Дв = (tg в₁ tg в₂) / (1 + tg в₁ tg в₂),

или в явной форме выражается как:

Дв = arctg {aщ / [m (щoe² - щ²)]} - arctg {aщ / [M (щoя² - щ²)]},

и для главных значений функции арктангенса получаем для разности фаз колебаний электрона и ядра атома в поле УЗволны выражение:

Дв = Arctg [{aщ [ M (щoя² - щ²) - m (щoe² - щ²)] / mM (щ² - щ²)(щoя² - щ²)}: {1 + a²щ² / [m(щoe² - щ²) M(щoя² - щ²)]}] =Arctg {[aщ / (1 + a² щ²)] [M (щoя² - щ²) - m (щoe² - щ²)]}, (14)

где угол 0 ? Дв ? р.

Согласно (14) делаем важное заключение о том, что фазочастотная характеристика определяет амплитудночастотную характеристику интенсивности излучения ЭМВ, имеющую гребенчатую структуру. Это означает, что на какихто частотах УЗколебаний будет иметь место увеличение вектора Пойнтинга П, а на каких-то частотах, наоборот, его уменьшение. Важно отметить при этом, что изменение жёсткости связей колеблющихся частиц массами m и M, то есть изменение параметра D(E) как функции внешнего приложенного электрического поля, приводит к изменению частот УЗ поля, отвечающих максимумам излучения ЭМВ. Следовательно, для любой частоты щ можно подобрать значение напряжённости электрического поля Е, при котором Дв > р (поскольку изменение D(E) приводит к изменению величин собственных частот щ_oe и щ_oя микрочастиц), при котором обеспечивается максимум излучения ЭМВ. Иначе говоря, изменение величины напряжённости электрического поля Е вызывает сдвиг по частотной оси амплитудно-частотной характеристики излучения ЭМВ. Это свойство можно использовать для подстройки параметров излучения ЭМВ при заданной частоте возбуждающих УЗ колебаний.

Уравнение (14), строго говоря, записано для колебания двух несвязанных материальных точек. В связанных системах, состоящих из n материальных точек, колебания одной точки влияют на колебания других точек вследствие связей. Различают связи: силовую, трения и инерционную. Движение системы точек описывается системой n дифференциальных уравнений второго порядка; общее решение представляет сумму n колебаний различных частот, причём, чем сильнее связь между точками, определяемая параметром D(E), тем дальше эти частоты от их собственных частот, однако смещения частот при одновременной силовой и инерционной связях могут частично компенсироваться. При подходящих начальных условиях можно наблюдать одну-единственную собственную частоту; обычно наблюдают несколько частот одновременно, вследствие чего при сложении двух частот возникают биения. Теория также показывает, как уже было отмечено выше, что при возбуждении в системе связанных частиц с разными массами в системе вынужденных колебаний появляется резонансная кривая с n максимумами, лежащими вблизи собственных частот этих частиц для их свободных колебаний. И эти выводы теории оказываются справедливыми для любого типа вынужденных колебаний - механических, акустических и электрических.

Общее решение дифференциального уравнения второго порядка типа (6) и (7) получается путём добавления к его частному решению (8) и (11) соответственно одного из решений однородного уравнения.

Если внешняя сила F(t) является произвольной функцией времени, то дифференциальные уравнения (6) и (7) решаются посредством разложения этой силы в ряд Фурье и сопоставления частных решений с отдельными колебаниями. Такой случай может иметь место, если УЗ колебания отличаются от гармонических, что нередко возникает при увеличении интенсивности УЗ колебаний, когда временная функция этих колебаний становится треугольно или пилообразно-подобной.

Без разложения F(t) в ряд Фурье получают решение в форме:

X (t) = (1/щ) ? F(ф) exp { a(t - ф)/2m} sin щ(t - ф) dф, (15)

где щ = [(D/m) - (a²/4m²)]^1/2 и для t = 0, X(t) = dX(t)/dt = 0.

Зная амплитуды колебаний отрицательно и положительно заряженных микрочастиц и разность фаз таких колебаний для соответствующих пар разноимённо заряженных частиц можно достаточно сложным расчётом системы дифференциальных уравнений с переменными параметрами найти результирующее излучение ЭМВ в соответствующих дифференциальных объёмах диэлектрической электрически поляризованной среды с воздействующим на неё УЗ возмущением. Интегрирование излучений по всему объёму среды даст полный поток электромагнитной энергии, выходящий из такой среды.

Поскольку электрический вектор электромагнитного поля коллинеарен вектору скорости и ускорения движущейся заряженной частицы, и такое движение происходит в плоскости её колебаний (вдоль или поперёк вектора распространения УЗ колебаний в среде в зависимости от типа колебаний - продольных или поперечных), то согласно теории электромагнитного поля очевидно, что направление излучения ЭМВ с каждого дифференциального объёма среды будет ортогонально плоскости колебаний заряженных частиц под действием УЗ волны. В случае продольных УЗ колебаний направление излучения ЭМВ будет ортогонально направлению распространения в среде УЗ волны. В случае поперечных УЗ колебаний в среде направление излучения ЭМВ может либо совпадать с направлением распространения УЗ волны, либо быть ему ортогональным (но не коллинеарным с вектором скорости ускорения заряженных микрочастиц!) в зависимости от положения вектора магнитного поля в электромагнитной волне, который всегда ортогонален вектору электрического поля ЭМВ.

В случае чисто гармонических колебаний УЗволны, распространяющейся в диэлектрической среде, частота электромагнитных колебаний совпадает с частотой УЗколебаний щ. Если в среде распространяется бегущая УЗволна со скоростью V (порядка 3 км/с для большинства твёрдых тел), то длина волны ультразвука будет равна

Л = 2рV / щ=V / f

где f = щ/2р - частота УЗ колебаний. Следовательно, мгновенное распределение излучения ЭМВ вдоль направления распространения УЗ волны будет характеризоваться знако-переменностью фаз электромагнитных колебаний через интервал V / 2f, и при этом длина волны в свободном пространстве для генерируемых ЭМВ равна л = с / f.

Ясно, что длина волны л >> Л (приблизительно на пять порядков!). Из этого следует, что диаграмма излучения ЭМВ в поперечном относительно распространения УЗ волны направлении является пространственно многомодовой, как это имеет место в лазерном излучении с большим числом поперечных мод, отчего «зайчик» лазерного пятна на экране выглядит в виде тонкоточечной структуры [5]. Такое же поперечно многомодовое излучение можно получить в радиодиапазоне от совокупности достаточно большого числа антенн, возбуждаемых от одного источника (генератора), но расположенных друг от друга на расстояниях, существенно меньших длины излучаемой волны. При этом возникает интерференция взаимно когерентных радиоволн, что и определяет поперечно многомодовую структуру излучения. В данном случае такими отдельными антеннами являются отрезки излучающего диэлектрического образца длиной Л/2, а число их по длине образца в направлении распространения УЗ волны равно N = 2L/Л, где L - длина образца. Следует отметить, что в поперечном сечении образца, ортогональном направлению распространения в нём плоской УЗ волны, дифференциальные объёмы, принадлежащие этому сечению, являются точечными излучателями парциальных ЭМВ с одинаковыми начальными фазами, то есть каждое из сечений образца является эквифазной поверхностью для излучаемых с этого сечения ЭМВ.

Амплитуда ЭМВ в любой точке пространства может быть найдена интегрированием по объёму возбуждаемого УЗ волной поляризованного полем E диэлектрического образца с учётом фазового распределения ЭМВ для каждого дифференциального объёма образца и расстояний между указанными излучающими дифференциальными объёмами до заданной точки пространства. Интерференция взаимно когерентных парциальных ЭМВ в разных точках пространства будет определять различные амплитуды колебаний пространственно многомодовой структуры излучения.

Проекции векторов Е и Н на оси прямоугольной системы координат во всех точках пространства, где нет токов и зарядов, в режиме установившихся гармонических колебаний удовлетворяют скалярному волновому уравнению

[(?²ш/?х²) + (?²ш/?у²) + (?²ш/?z²)] + k² ш = 0, k = щ(ем)^1/2 = щ / н (16)

Последнее следует из уравнений Максвелла для комплексных амплитуд Е и Н:

rot H = iщеE , rot E = iщмH ,

поскольку из уравнения (2) вытекает, что

rot rot E = grad div E - [(?²E/?x²) + (?²E/?y²) +(?²E/?z²)] = iщм rot H.

Подставляя сюда значение rot из первого уравнения Максвелла (1) и учитывая, что

div E = 0, будем иметь [(?²E/?x²) + (?²E/?y²) + (?²E/?z²) + k²E = 0.

Для вектора Н те же рассуждения проводятся аналогично. После интегрирования уравнения (16) по всему объёму V, ограниченного поверхностью S, используя теорему Грина, получим

?{[ш(?²и/?x²) + (?²и/?y²) + (?²и/?z²)] - и[?²ш/?x²) + (?²ш/?y²) + (?²ш/?z²)]} dv =

v= ?[ш(?и/?n) - и(?ш/?n)] dS (17)

Полагаем при этом, что функция ш удовлетворяет функции из уравнения (16), а величина

И = exp ( ikR) / R, где R расстояние от некоторой точки P в области V до переменной точки интегрирования P₁. Согласно условиям теоремы Грина функции ш и и должны иметь конечные производные первого и второго порядка во всех точках области V. Такое требование, как можно видеть, выполняется всюду, за исключением точки Р, где функция и = exp ( ikR) / R обращается в бесконечность, и такую точку следует исключить из рассмотрения. Окружив эту точку некоторой сферой малого радиуса. Записав теорему Грина для области данной сферы, применив теорему о среднем и устремив к нулю объём введённой малой сферы вокруг точки Р, получим выражение

ш(P) = ( 1/4р) ?{ш(?/?n)[exp (ikR)/R] - (?ш/?n)[exp ( ikR)/R]} dS (18)

Полученное выражение позволяет определить функцию ш в любой точке области V по известным значениям ш и ?ш/?n на граничной поверхности S. Равенство (18) представляет собой аналитическую формулировку принципа ГюйгенсаКирхгофа [6], согласно которому функция ш, удовлетворяющая скалярному волновому уравнению, в любой точке наблюдения есть суперпозиция сферических волн, излучаемых элементарными источниками, расположенными на заданной поверхности S.

В качестве исходной граничной поверхности с заданными векторами поля можно выбрать, в частности, какую-либо волновую поверхность. Тогда с помощью рассматриваемого метода мы можем определить в пространстве любую другую волновую поверхность и осуществлять последовательный переход от одной такой поверхности к другой.

Отметим, что при возбуждении ЭМВ рассматривают так называемую ближнюю зону или зону индукции, то есть на расстояниях от источника, много меньших длины излучаемой волны, и дальнюю зону или зону излучения, для которой расстояние от источника существенно больше длины волны. Характер движения главной части энергии в ближней зоне колебательный. Энергия четверть периода движется от источника поля в окружающее пространство и в следующую четверть периода возвращается обратно. Излучённое электромагнитное поле в дальней зоне представляет собой сферическую волну, в которой электрический и магнитный векторы ортогональны направлению распространения ЭМВ. Оба эти вектора убывают обратно пропорционально первой степени расстояния.

На основе приведённых доказательств возбуждения электромагнитных волн в поляризованном диэлектрике, возбуждаемым УЗ волной, можно также обосновать существование аналогичных эффектов при продольном расположении вектора Е внешнего электрического поля (совпадающего с направлением распространения УЗ волны), а также при продольном и поперечном воздействии на среду постоянного магнитного поля, что особенно существенно при использовании в качестве среды преобразования ферритов. Образующиеся магнитные диполи за счёт УЗ поля испытывают колебательные движения с ускорениями, что также вызывает возбуждение ЭМВ. Наконец, возможно и совместное использование внешних электрического и магнитного полей. Во всех этих вариантах реализуется основной принцип возбуждения ЭМВ за счёт ускоренного движения электрических или магнитных диполей в непроводящем электрический ток веществе, вызванного действием УЗ поля, создающего такое движение.

Существенного увеличения электромагнитного излучения можно добиться при использовании фононных лазеров в качестве возбудителей гиперзвуковых волн в исследуемых диэлектрических веществах. Кроме того, само рабочее вещество фононного лазера может быть использовано как объект излучения ЭМВ и как объект исследования такого фононного лазера и рассматриваемого эффекта в области гиперзвуковых частот.

3. Область научного и практического значения

Использование ультразвука в науке и технике широко известно. Так, для целей ди агностики используется ультразвук с частотами 0,815 МГц. Наибольшее распространение получили эхолокационные методы, основанные на отражении или рассеянии импульсных УЗсигналов. Такие приборы могут быть одномерными и сканирующими. Важный раздел применения ультразвука составляет ультразвуковая томография, позволяющая получить пространственное распределение параметров распространения ультразвука коэффициентов затухания (аттенюационная модификация метода) или скорости звука (рефракционная модификация). При этом исследуемое сечение прозвучивается многократно в различных направлениях, и информация о координатах прозвучивания и об ответных сигналах обрабатывается на ЭВМ, в результате чего на дисплее отображается реконструированная томограмма. Ультразвук широко применяется в технике, например, для контроля того или иного протекающего процесса, для измерения размеров деталей, уровня жидкостей в недоступных для измерения местах, в дефектоскопии, для получения увеличенных изображений объекта (в ультразвуковом микроскопе). Интересно применение ультразвука в УЗ голографии, гидроакустике, в качестве ускорителя различных технологических процессов. Использование больших мощностей ультразвука для очистки металлов от окислов, ультразвуковая пайка алюминия, точечная сварка микроэлектронных элементов, сварка пластмассовых деталей и многое другое определили важное место практического применения ультразвука.

Сочетание ультразвуковой техники и технологий с электромагнитным излучением позволило создать ряд приборов, таких как ультразвуковой микроскоп, ультразвуковые модуляторы света, оптические дефлекторы на основе брэгговской дифракции световых волн на дифракционной решётке, создаваемой УЗ полем, оптико-акустические корреляторы в системах распознавания образов, ультразвуковые голографические приборы и т.д.

Рассматриваемый эффект возбуждения электромагнитных волн в поляризованной электрическим полем диэлектрической среде под действием УЗ колебаний открывает новые возможности для диагностики веществ, используемых в таком эксперименте. Само по себе возбуждение ЭМВ от ускоренно движущихся зарядов широко известно, однако в данном эффекте сложное колебательное движение происходит в отношении микрочастиц, заряженных с противоположными знаками зарядов - электронов и ядер атомов и молекул, поэтому результат такого колебательного движения априори неочевиден. Даже, напротив, может показаться, что никакого электромагнитного излучения быть не должно, так как возбуждению ультразвуком подвергается электронейтральная среда, и в колебательном движении принимают участие заряды суммарно одинаковые по величине, но разные по знаку, нейтрализуя взаимно друг друга. Именно поэтому априори неочевидный результат рассматриваемого взаимодействия ультразвуковых волн с электрически поляризованной (или намагниченной) диэлектрической электронейтральной средой с появлением электромагнитного излучения представляет существенный научный интерес, поскольку позволяет получить дополнительные средства диагностики вещества и исследовать новые свойства вещества, исследовать упругие связи межмолекулярных соединений в веществе, его тонкую структуру. В частности, важной представляется возможность исследования частотно-избирательных свойств вещества, преобразующего УЗ колебания в колебания электромагнитные, и влияния на эти свойства внешнего электрического (магнитного) поля, которое изменяет характер упругих связей между атомами и молекулами вещества и изменяет структуру сложного амплитудно-фазового портрета колебательного движения различных по массе разнозначно заряженных микрочастиц вещества. Изменяя напряжённость электрического поля, управляющего упругими связями атомов и молекул используемого в эксперименте вещества, можно получить максимально возможное по мощности электромагнитное излучение, что свидетельствует о резонансных свойствах такого преобразователя ультразвуковых волн в электромагнитные в исследуемой среде.

Практическое применение заявляемый эффект может найти при его использовании в качестве дополнительного средства диагностики вещества, при исследовании изменения его «преобразовательных» свойств под действием различных внешних факторов действия температуры, различных полей и механических нагрузок. Практический интерес могут представить различные модификации рассмотренного выше устройства. В частности, возможно построение многолучевых ультразвуковых систем возбуждения электромагнитного поля при использовании разных частот ультразвука, и при этом представляет интерес процесс смешения ультразвуковых колебаний и получение биений электромагнитного поля. Кроме того, возможно построение ультразвуковых модуляторов возникающего электромагнитного излучения. Приложение к диэлектрическому образцу в качестве поляризующего смеси постоянного и переменного электрических полей позволяет модулировать по амплитуде возникающую электромагнитную волну. В случае возбуждения на плоской звукопроводящей пластине сложного ультразвукового образа, например, при использовании методов ультразвуковой голографии, этот образ преобразуется в соответствующий электромагнитный образ в форме специфического электромагнитного излучения, несущего информацию об ультразвуковой динамической интерферограмме или ультразвуковой голограмме. Такое преобразование можно использовать в голографической ультразвуковой микроскопии (интроскопии). Представляет интерес генерирование колебаний микроволнового диапазона при использовании гиперзвуковых колебаний (несколько ГГц) с возможностью модуляции таких СВЧ волн по амплитуде, фазе и частоте.

Заявляемый эффект может быть использован в научных экспериментах по исследованию структуры и свойств вещества, в измерительной и метрологической технике и при решении прикладных задач оптики и электроники. Самостоятельный научный интерес этот эффект имеет в связи с появлением ещё одного нового способа получения электромагнитного излучения, который принципиально отличается от других известных способов возбуждения электромагнитного поля. Известные способы возбуждения электромагнитных волн на основе антенных устройств с генераторами переменного тока, лазерных генерирующих устройств, на основе эффекта Черенкова, светомагнитного эффекта [7,8] и ряда других явлений и эффектов, используют иные принципы возбуждения ЭМВ, чем в рассматриваемом эффекте, что характеризует его принципиальную новизну.

4. Формула отрытия

Теоретически установлен неизвестный ранее поперечно-электрический акусто-электромагнитный эффект, заключающийся в возбуждении электромагнитных колебаний в электрически поляризованном диэлектрическом веществе под действием распространяющейся в нём ультразвуковой волны, которая приводит в колебательное движение во взаимно противоположных направлениях микрочастицы - электроны и ядра атомов и молекул вещества, вызываемое действием упругих связей между этими микрочастицами, величина которых может изменяться приложенным внешним электрическим полем.

Поперечноэлектрический акустоэлектромагнитный эффект относится к области электродинамики и состоит в возбуждении электромагнитных волн в диэлектрической среде, поляризованной внешним электрическим полем, под действием распространяющейся в этой среде ультразвуковой волны, которая приводит в колебательное движение микрочастицы - отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра атомов и молекул вещества, - причём так, что эти частицы двигаются во взаимно встречных направлениях из за существенного различия их масс и действующих между ними упругих связей, величину которых можно изменить приложенным внешним электрическим полем. Для неизменного внешнего электрического поля, приложенного к диэлектрическому электронейтральному веществу и вызывающего образование в веществе электрических дипольных моментов в атомах и молекулах и изменяющего характер упругих связей в атомномолекулярной структуре вещества, амплитудночастотная характеристика возникающего электромагнитного излучения имеет гребенчатую форму, что явно связано с изменением фазовых соотношений колебательного движения разнозаряженных микрочастиц вещества для разных частот возбуждающих ультразвуковых колебаний. Максимум электромагнитного излучения на какой-либо данной частоте ультразвуковых колебаний достигается в том случае, когда фазы колебаний этих микрочастиц противоположны. Это достигается изменением величины упругих связей в ансамбле микрочастиц вещества при изменении величины приложенного к веществу внешнего электрического поля.

Научное значение открытия состоит в возможности на его основе дополнительной диагностики структуры и свойств веществ по характеру возникающего электромагнитного излучения. Практическое значение данный эффект может найти при построении различного рода приборов в измерительной технике, в радиоэлектронике - для получения СВЧ генерирующих приборов с использованием фононных лазеров гиперзвуковых колебаний, в ультразвуковой голографии с переносом ультразвукового голографического образа в электромагнитный.

Самостоятельный научный интерес представляет обнаружение ещё одного способа генерирования электромагнитных колебаний.

Размещено на Allbest.ru