Методика эксперимента и экспериментальная установка

В настоящей работе методом оптической локации исследуется распределение частиц воды в гравитационном поле Земли. Вертикальный столб частиц воды можно получить с помощью ультразвукового генератора (УЗГ) ((1) рис.1). Частицы воды диаметром около 0,05 мкм получаются методом акустической (ультразвуковой) кавитации [2,3]. Интенсивная ультразвуковая волна, распространяющаяся в жидкость, налитую в ячейку (4), создает области высокого гидростатического давления. В этих местах возникают кавитационные пузырьки на так называемых кавитационных зародышах, которыми чаще всего являются газовые включения в жидкости и на поверхности ультразвукового излучателя. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа в пузырьках до температуры

 

 

Рис.1 Блок-схема экспериментальной установки.

порядка 10^{4 0}С. Акустическая кавитация разрушает связи между молекулами жидкости. Частицы из ячейки вылетают в вертикальном направлении через отверстие S ₀. Стеклянная трубка (2) сечением S_T ограничивает пространство, заполненное частицами.

Оптоэлектронная пара (лампочка-фотодиод (3) рис.1) позволяет измерить ослабление света лампочки за счет прохождения через стеклянную трубку, заполненную частицами, на различных высотах. Концентрация частиц, обратно пропорциональна прозрачности столба [4]. Сигнал с фотодиода регистрируется вольтметром (5).

Рассмотрим случай стационарной работы генератора. В этом случае имеют место два процесса. Во-первых диффузионный поток j _D частиц из ячейки (4) в вертикальном направлении происходит по закону [4,5]:

 

, (2)

 

где D – коэффициент диффузии. Во-вторых, встречный поток j _с частиц в постоянном и однородном силовом потенциальном поле Земли определяется выражением [4,5]:

 

, (3)

 

где В – подвижность частиц, а F=mg=ρ _ж ∙ V ₀∙ g – сила тяжести, действующая на частицу жидкости объемом V ₀, ρ _ж – плотность жидкости.

Из условия равновесия диффузионного j _D и силового j _с потоков в стационарном режиме, имеем:

 

(4)

 

Подставляя в (4) выражение (1) для концентрации частиц, можно получить [4]:

 

(5)

 

Это соотношение было установлено Эйнштейном и носит его имя. Из распределения Больцмана (1), найдем значение эффективной температуры, которое имеет вид:

 

. (6)

 

Для нахождения отношения концентраций используется закон Бугера-Ламберта. Поскольку, в лабораторной работе применяется оптоэлектронная пара, то показания вольтметра (5) пропорциональны интенсивности излучения I _x прошедшего через среду от лампочки [1,5]:

, (7)

 

где – показатель поглощения, – константа (закон Бера) [1], – расстояние пройденное излучением, I _{0 х} – интенсивность входного излучения. Выразим из (7) концентрацию частиц:

 

. (8)

 

Величину удобно определить в результате измерений на высоте, где концентра­цией частиц можно пренебречь. Такой способ позволяет учесть прозрачность колбы и геометрические параметры установки. В работе лучше измерить до заполнения трубки молекулами воды.

Используя (8), получаем выражение для логарифма отношения концентраций:

 

. (9)

 

где - интенсивность прошедшего света на нулевой высоте. С учетом (9), формула (6) принимает вид:

 

, (10)

 

В настоящей работе, измеряя интенсивность прошедшего света, по формуле (9) вычисляют логарифм отношения концентраций по высоте трубки. Затем строится график этой зависимости, из линейной части которого находится коэффициент пропорциональности γ:

 

, (11)

 

и затем вычисляется эффективная температура частиц воды:

 

. (12)

 

Конструкция установки

 

Экспериментальная установка выполнена в виде двух модулей. Первый модуль включает в себя стеклянную трубку, укрепленную на вертикальном штативе с линейкой. На штативе также расположена оптоэлектронная пара: лампа-светодиод, заключенные в металлический непрозрачный кожух. Под стеклянной трубкой находится ячейка с водой, установленная на ультразвуковом генераторе. Для регулировки количества частиц в потоке генератор снабжен ручкой «выход». Включение генератора производится тумблером «сеть» на его передней панели.

Второй модуль заключен в металлический кожух, на лицевой панели которого расположены:

- мультиметр для измерения напряжения с фотодиода;

- тумблер «сеть» включения установки с индикацией;

- тумблер включения осветителя «лампа».

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: