科学效应与知识库.ppt

1 科学效应 石社轩 河南工业职业技术学院 柔性制造工程技术研究中心 2011.11.18 E 1 惯性力 当物体加速时，使物体保持原有运动状态的倾向，看起 来仿佛有方向相反的力作用在该物体上，称之为惯性力 。 E2 标记物 怎样判断刀具的磨损程度？ E 3 形变 物体因外因或内在缺陷在外力作用下伸长、缩短、弯曲等 相对位置发生变化的过程。 纵向形变弯曲 扭转 切变体积形变微小形变 拉伸应力 = F / A0 （A0为材料起始截面积 ） 拉伸应变e = （l - l0）/l0 = Dl / l0 简单拉伸 A0 l0 l D l A F F A0 F F 剪切 剪切应变 = tg 剪切应力s = F / A0 F 一点弯曲 F 三点弯曲 F F A0 材料经压缩以后，体积由V0缩小为V，则 压缩应变： V = （V0 - V）/ V0 = DV / V0 E 4 弹性形变 p弹性形变是指固体受外力作用而使各点间相对 位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状 谓之“弹性形变”（胡克定律）。 E 5 塑性形变 物质（包括流体及固体）在外力作用下形变，当外力撤除或 消失后该物体不能恢复原状的物理现象。 所有固体金属都是晶体，无外力作用时，原子在晶体所占的 空间内有序排列，处于平衡态。外力会造成原子排列畸变 ，引起金属形状与尺寸变化。足够大的外力使晶体中一部 分原子相对于另一部分产生较大错动，就发生了永久改变 。可以把金属材料加工成所需要的各种形状和尺寸的制品 ，还可以改变金属的组织和性能。 E6 包辛格效应Bauschinger effect p 由多晶体材料晶界间残余应力引起。O和E分别表示应力和 应变。具强化性质的材料受拉力超过屈服极限A后进入强化 阶段AD。若在B卸载，则再受拉时，拉伸屈服极限由没有 塑性变形时的A点提高到B点。 p若卸载后反向加载，则压缩 屈服极限绝对值由没有塑性变 形时的A点降低到B点。ACC 线 是对应更大塑性变形的加载-卸 载-反加载路径，C和C点分别为 新的拉伸屈服极限和压缩屈服 极限。 E 7 形状记忆合金 单程记忆效应：低温变形，加热恢复。 双程记忆效应：加热恢复高温相形状，冷却恢复低温相形状。 全程记忆效应：加热恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而 取向相反的低温相形状。 【50Ti50Ni】，Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu- Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、 NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si。 特点：弯曲量大、塑性高、装夹力大。 形状记忆合金能撑起自重100倍 以上的重量，马达驱动力可达自 重50倍，而蚂蚁和人则分别是20 倍和2倍。 E 8 压强 压强是表示压力形变效果的物理量。 液压原理：液体内部向各个方向都有压强，压强随液体 深度增加而增大，同种液体在同一深度各处，各个方向 压强相等；不同液体在同一深度产生的压强与液体密度 有关。 E 9 浮力（阿基米德定理） p 浸在流体里的物体受到向上的浮力作用，等于被排开的流体 的重力。物体全浸在液体中时，所受压强差、压力差和浮力 均与物体没入液体的深度无关。 E 10 伯努利定律 v1 v2 P P0 B A 流速计 (比多管） h h h+dh+d B B A A 流量计（汾丘里管 ） Z 粘滞系数粘滞系数 流速梯度流速梯度 接触面积接触面积 泊肃叶流量方程 条件：圆形管道，水平放置，稳定流动 管道两端压强差管道两端压强差 管道半径管道半径 管道长度管道长度 粘滞系数粘滞系数 平均流速平均流速 斯托克斯阻力定律 粘滞系数粘滞系数 小球半径小球半径小球速度小球速度 极限速率极限速率 粘滞阻力 E 11 焦耳-汤姆逊效应 E 12 毛细现象 浸润液体在细管里升高和不浸润液体在细管里降低的现象。 C r 液体表面上厚度为分子作用半径的一层 A B 表面张力：液 体表面内存在 的使其表面积 有收缩成最小 的趋势的张力 。 对于润湿管壁的液体 凹液面 (植物水分的输送、动物毛细血管) CB A P0 P0 R r P0 T A h 气体栓塞气体栓塞 P左P左 P右 P右 P左P左 P右P右 P左 = P右 P左 T0。由于金属导体高温 端自由电子浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多 ）向低温端扩散失去电子带正电，低温端得到多余电子带负电 ，当扩散和形成的电场对电子的作用力相等时，在导体内形成 一稳定的与温差和材料特性有关的电动势。 A：汤姆逊系数，指导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。 E 53 爱迪生效应（热电子发射） p 加热金属使其中的大量电子克服表面能垒而逸出的现象。 应选用熔点高而逸出功低的材料做阴极。 E 54 电场 与 E 62 电场力 放入电场中某点的试探电荷q所受的电场力F跟它的电荷 量q的比值，叫做该点的电场强度（E），简称场强。 场强是矢量，合成应遵 循平行四边形法则 E+ E- E合 P Q1 Q2 烟气入口 尘埃 kV 净气出口 电 晕 放 电 金属百叶窗 沙 沙里“逃”金 含金子 的沙 金子 高 压 油水分离技术示意图油水分离技术示意图 油颗 粒 油水混合物 油 水 油水分离 油滴聚合 施加电场 油滴带电 高压静电种子处理技术高压静电种子处理技术 高 压 对水稻、小麦等种子处理后，其产量可提高5% 10% 数据来源: 物理 Vol.29,550-552, 2000 大颗粒 100 kVm-1 20 min 种子 场强 时间 小颗粒 30 kVm-1 5 min 种子 人工人工静电场设置静电场设置技术技术 上午、下午各2 h 实用菌 100 kVm-1 猴头菇平菇 处理方法: 效果: 猴头菇 产量提高37% 时间缩短26% 平 菇 产量提高51% 时间缩短44% 数据来源: 物理 Vol.29,550 552, 2000 电晕放电 直 流 高 压 0.5m + - 蔬蔬 菜菜 场强 65 kVm-1， 4 h/d 芹菜油菜韭菜 处理方法: 效果比较: 芹菜 产量提高36% 时间缩短8% 油菜 产量提高31% 时间缩短17% 韭菜 产量提高98% 时间缩短36% 花花 卉卉 4 h/d 场强120 150 kVm-1 提前或滞后开花8 16 d (正电场提前,负电场滞后) 处理方法: 效果: 电晕放电 直 流 高 压 0.5m + - E 55 起电 1、摩擦起电：当两物体互相摩擦时，一些束缚不紧的电子往 往从一个物体转移到另一个物体，于是原来电中性的物体由于 得到电子而带负电，失去电子的物体带正电。 2、感应起电：当一个带电体靠近带电体时，由于电荷间相互 吸引或排斥，导体中的自由电子便会趋向或远离带电体。这种 现象叫做静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫做 感应起电。 3、接触起电：一个物体带电时，电荷之间会相互排斥，如果 接触另一个导体，电荷会转移到这个导体上，使物体带电，这 种方式称为接触起电。 金箔驗電器 电荷守恒定律：电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物体转移到另 一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分;电荷总量保持不变。 元电荷：科学实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷。质子、正电子 所带的电荷量与它相同，但符号相反。 科茵定则: 两物体经相互摩擦分开时，通常电容率大的材料带正电，电容 率小的材料带负电. E 56 放电 1 接地放电 2 尖端放电 3 火花放电 4 中和放电 消除静电的具体方法：给湿法，抗静电剂法，导电 材料法，静电消除器法，静电屏蔽法 E 57 电晕放电 金属丝放出的电子迅速向正极移动，与气体分子撞击使之离子化；气体分 子离子化的过程又产生大量电子雪崩过程；远离金属丝，电场强度 降低，气体离子化过程结束，电子被气体分子捕获；气体离子化区域 电晕区；自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源 影响电晕的因素 电极形状、电极间距离 气体组成、压力、温度 气体对电子的亲合力、迁移率 气体温度和压力 粉尘浓度、粒度、比电阻以及在 电晕极和集尘极上的沉积 电压波形 E 58 电弧 条件：两电极之间有带电粒子, 两电极之间有电场 电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气体放电现象 E 59 电离 E 60 电泳 胶核优先吸附某种离子。 离子型固体电解质形成溶 胶时，由于正、负离子 溶解量不同。 大分子溶胶本身发生电离 使胶粒带电。 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 NO3 (AgI) m Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + AgI 胶团示意图 电泳：带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电 荷的电极作定向移动的现象。从电泳可以获得胶粒或大分 子结构、大小和形状等有关信息。 影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形状；粒子表面电 荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，pH值和粘度 ；电泳的温度和外加电压等。 当胶体粒子半径较大而双电层厚度较小即：当胶体粒子半径较大而双电层厚度较小即：r1r1时，时， 可用斯莫鲁科夫斯基公式描述电泳速度可用斯莫鲁科夫斯基公式描述电泳速度v v和和 电势间电势间 的关系：的关系： 其中其中u u为胶核的电迁移率，为胶核的电迁移率， 为介质的介电常数，为介质的介电常数， 为介为介 质的粘度。质的粘度。 适合描述适合描述介质为水的胶体系统的电泳。介质为水的胶体系统的电泳。 当胶体粒子半径较小而双电层厚度较大即：当胶体粒子半径较小而双电层厚度较大即：r1r1时，可用休克时，可用休克 尔公式描述电泳速度尔公式描述电泳速度v v和和 电势间的关系：电势间的关系： 其中u为胶核的电迁移率，为介质的介电常数， 为介 质的粘度。 适合描述适合描述介质为有机溶剂的胶体系统。介质为有机溶剂的胶体系统。 区带电泳 将惰性的固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电 泳，从而将电泳速度不同的各组成分离。常用的区带电泳有：纸上电泳 ，圆盘电泳和板上电泳等。 显微电泳仪 该方法简单、快速，胶体用量少，可以在胶粒所处的 环境中测定电泳速度和电动电位。但只能测定显微镜 可分辨的胶粒，一般在200nm以上。 E 61 电介质 p 电阻率超过0.1 *m的物质。与导体的基本区别是在静电 场中电介质内部可以存在电场。凡在外电场作用下产生宏 观上不等于0的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象 称为电极化，能产生电极化现象的物质通称为电介质。 E 62 驻极体 p外界条件撤去后，能长期保留其极化状态，且不 受外电场的影响的一类电介质。 永电体换能器（传感器），稳定的高压电源 E 63 电阻 伏安法测电阻R 纯金属的电阻率小，合金的电阻率大；金属电阻率随温度的升 高而增大；锰铜合金和镍铜合金的电阻率随温度变化极小，常 用来制作标准电阻。 E 64 焦耳-楞次定律 E 65 压电效应 当沿着一定方向对某些电介质施力变形时，内部产生极化现 象，同时在一定表面上产生电荷，外力去掉后又重新恢复 不带电状态。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变 。 在外力作用下，电介质表面产生电荷，实现非电量测量。压 电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力 的物理量，例如力、压力、加速度等。有响应频带宽、灵 敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点 。 电能机械能 正压电效应 逆压电效应 n压电晶体，如石英等； n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 q q 电极 压电晶体 Ca (b) (a) 压电传感器的等效电路 极化 方向 电场方向 E 66 光电效应（光生伏打） 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象 。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。 器件：硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。其 余如光电二级管、光敏晶体管等属于这类光电器件。 p 实质是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面如p型面时, 若光 子能量大于半导体材料禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一 对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散,如果光照连续， 经短暂时间，PN结两侧就有一个稳定光生电动势输出。最后建立一个 与光照强度有关的电动势Es。 光电池工作原理图 PN结 Es +- E 67 磁性材料 物理学原理：任何带电体运动必然在周围空间产生磁场。 电动力学定律：一个环形电流还应该具有一定磁矩，即它在磁场中行为像 个磁性偶极子。 （一）磁性来源的同一性：原子磁矩是构成原子所有基本粒子磁矩的叠加。核磁 矩要比电子磁矩小3个数量级。如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子固 有磁矩为零。但在外磁场作用下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。如果如果原子 中所有起作用的磁没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为零，那么原子就具有磁 偶极子的性质。原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性 是多种多样的，但这些磁性都来源于这种载磁子。 (二)物质磁性的普遍性：物质各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、 超高密度态和反物质态，物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子和基 础粒子等都会具有磁性，宇宙存在着或强或弱的磁场。 磁性与其他属性之间存在广泛联系，构成多种多样的耦合效应和双重（多重）效 应（例如磁电效应、磁光效应、磁声效应和磁热效应等）。 磁滞曲线：软磁材料每磁畴中所有自旋子的取向排列是平行的，不同磁畴 具有不同自旋方向。磁畴取向与外加磁场强度成正比关系，但不是线性关 系，称作磁滞曲线。随着磁场强度变大，磁畴取向有序度增大，在充分高 的磁场下，全部磁畴的自旋方向都是平行的，这时达到饱和磁化。当外加 磁场强度变为零时，撤去外加磁场，材料并不能达到完全去磁。需要加一 强度为HC反向磁场（矫正顽场）。 HC MS H M 10-1 1 101 102 103 104 105 106 HC(A/m) 软磁材料 磁记录介质 磁记忆材料 半硬磁材料 永磁材料 半硬磁材料半硬磁材料 过渡金属磁性材料：元素周期表d区过渡金属的Cr、Mn、Fe、 Co、Ni和f区多数镧系元素呈铁磁性或反铁磁性。-Fe是体心 立方结构，自旋指向平行于立方晶胞方向；金属镍是面心立方 结构，自旋指向平行于立方体体对角线方向；金属钴是六方密 堆结构，自旋取向平行于晶体c轴。饱和磁化率值与未成对电 子成正比例。当形成合金时，随着进入d轨道的电子总数增多 ，未成对电子数会减少，铁磁性下降。 大多数镧系元素低温呈反铁磁性。重镧系元素在不同温度下 会形成铁磁性和反铁磁性结构。镧系元素具有许多特异的磁 学性质： （1）有7个4f轨道，可容纳未成对电子数高达7个，是周期 表中顺磁磁化率最大的一族元素。 （2）4f轨道电子受其外层5s25p6电子屏蔽，受外场影响较 小。电子对之间的相互作用也较小，主要通过导电电子的间 接交换作用。 （3）有很高的饱和磁化强度、磁致伸缩系数、磁光旋转能 力以及磁各向异性等常数。 （4）缺点是居里温度低，高的才290K，最低的则只有20K ，而铁、钴、镍则分别达到1043、1403和631K。 合金磁性材料 铁镍合金 具有高导磁率和低矫顽力，具有一定强度且不易 氧化，易加工，广泛用于磁性元件。 铁铬合金 高强度抗蚀材料，用作永磁体。合金磁化强度 与铬含量成反比，当铬含量超过80%时，合金呈无磁状态。 铁钴合金 铁和钴两元素直到含钴75%为止，可以形成连续 体心立方固溶体。它们主要应用于生产高磁能积永磁体。 E 68 永久磁铁 N NN N S SS S N N N N S S S S N N N N N S S S N S S S E 69 居里效应（热磁效应） 根据磁化效果，磁介质可划分为三类：顺磁质，抗磁质，铁磁质。铁、镍 、钴、钆、镝及其合金和一些非金属的铁氧体。 铁磁质中相邻原子间存在非常强的交换耦合作用，促使相邻原子磁矩平行 排列，形成一个小的自发磁化达到饱和状态的区域。自发磁化只发生 在微小的区域(体积约为10 -8 m 3，其中含有1017一1021个原子)内，这 些区域叫做磁畴。 强振动或过高温都能造成磁畴瓦解，使铁磁质变成顺磁性。每种铁磁质存在 一临界温度TC (居里点)。纯铁居里温度是770 oC，纯镍是350 oC。磁畴的出 现或消失，伴随着晶格结构的改变，所以是一个相变过程。居里点就是发生 相变的温度，它和熔点一样，因物质的不同而不同。 E 70 霍普金森效应 E 71 巴克豪森跃变Barkhausen Jump E 72 压磁效应（Villari效应） 铁磁体受力引起导磁率变化的现象。被磁化材料如受限制 不能伸缩，内部会产生应力。同样在外部施加力也会产生 应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩产生应力时，其内部 必然存在磁弹性能量。从而产生应力，导致磁导率发生 变化的现象称为压磁效应。铁磁体在外磁场中被磁化时长 度和体积的微小变化称为“磁致压缩效应”。 E 73 磁致伸缩效应（磁弹性） 铁磁物质的形状在磁化中发生形变，叫磁致伸缩。由磁致 伸缩导致的形变l / l 比较小（10-510-6），但在控制磁 畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。 为磁致伸缩系数。常用磁致伸 缩材料室温下的饱和磁致伸缩 系数为10-810-6 Fe 随磁场强度 的增大而伸长； Ni 随磁场强度 的增大而缩短。 常用磁致伸缩材料 镍 铁镍 铁铝 铁钴钒 铁氧体 在磁（电）- 声换能器中的应用：声纳、超声换能 器、扬声器等。 在磁(电) - 机械致动器中的应用：精密流体控制、 超精密加工、超精密定位、机器人、精密阀门、微马达 以及振动控制等工程领域。 传感器敏感元件：制作检测磁场、电流、应变、 位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。磁致 伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计量,其测量分 辨率高于0.11 mm。 E 74 磁流体 p 是将纳米级磁性颗粒经表面活性剂处理，稳定分散于水或 其他有机溶剂中制备的悬浮液（强电解质溶液、顺磁性溶 液和铁磁性胶体） ，能够在磁场或电场和磁场联合作用 作用下磁化，呈现似加重现象。 p 磁流体分选：利用磁流体作为分选介质，在磁场或电场的 联合作用下产生“加重”作用，按固废各种组分的磁性和密 度的差异，或磁性、导电性和密度的差异，使不同组分分 离。 4.0 mL 1 mol/LFeCl3+1.0 mL 2mol/LFeCl2搅拌；于5分钟内缓缓加入 50 mL 1.0 mol/L NH3溶液；沉淀并倒掉上清液；加入1-2 mL 25%四甲 基氢氧化铵搅匀，将強磁铁置于下方，将盒中漆黑液体倒掉；移动強 力磁铁后再将盒中漆黑液体倒掉，重复数次，形成尖形凸出物。 E 75 安培力 p 通电导线在磁场中受到的力，实质是形成电流的定向移动的 电荷所受洛伦兹力的合力，方向由左