Интересные физические эффекты. Часть 2

Автор:

13 декабря 2019 20:15

Метки: инженерные знания инженеры интересная всячина интересное наука уроки физики учебы физика

2194

Продолжаем рассматривать интересные физические эффекты, которые кажутся иногда просто невероятными. В этой подборке вас ждёт новая порция пяти таких физических эффектов. Параллельно попытаемся объяснить причину появления описываемого эффекта и понять смысл каждого из них.

Введение

Продолжаю рассказывать про физические эффекты, которые показались мне интересными и необычными. Эта статья – продолжение первой части моей статьи «Интересной физики» и логика изложения тут будет такая же. Как и раньше, я надеюсь, что вам понравится материал и физика будет казаться не скучной наукой, а кладезю знаний о окружающем мире. По этому материалу я тоже снял образовательное видео.

Источник:

В этой подборке я опишу пять новых эффектов, о которых ещё не рассказывал. Это эффект памяти формы, эффект капиллярности, пьезоэлектрический эффект, эффект фотопластичности и сверхпроводимость.
Теперь подробнее о каждом из них. Кстати говоря, моя предыдущая публикация тоже есть на фишках.

Источник:

Эффект памяти формы

Наверное вы много раз слышали про подушки с памятью формы и про кроссовки, способные принимать форму ноги. Всё это проявление способности материала сохранять заданную форму. Если, конечно же, продавец вас не обманывает, подсовывая обычный поролон. Но эффект, который рассматривается в этом материале немного иной. Если подушка с памятью формы – это полимерный материал, способный просто сохранить форму головы и не мешать своей упругостью, то память формы в металлических сплавах совсем другой эффект.
Представим, что есть металлическая проволока. Эту проволоку изгибают. Затем, начинаем нагревать проволоку до определенной температуры. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму. Почему же это происходит?
В исходном состоянии в материале существует определенная структура. Обычно метал состоит из зерен. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. Соответственно, и структура испытывает деформацию. Каждое зернышко изгибается. Если мы имеем дело с так называемой мартенситной структурой (где вместо зерен пластиночки), то в некоторых случаях и для некоторых сплавов (например, нитинол) эта деформация термообратимая.
При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин. В них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.
Итак, упростим. Память формы у металлического сплава - это способность вернуться к исходной форме до деформации после нагрева образца. Выглядит это довольно удивительно.

Капиллярный эффект

Капилляр – это тонкая трубочка или канал произвольной форме. Капиллярный эффект – это явление подъема или опускания жидкости в капиллярах. Удивительно здесь то, что жидкость перемещается не только самопроизвольно, но и против действующих на ней сил. Т.е. она преодолевает силу тяжести или инерционные (и другие) силы.
Если жидкость смачивает канал, то она поднимается вверх. Если стенки канала не смачиваются, то жидкость опускается внутри капилляра. Чем тоньше сечение трубочки, тем больше перемещение жидкости.
Эффект возможен благодаря воздействию сил поверхностного натяжения. Мениск жидкости имеет выпуклую или вогнутую форму. В обоих случаях, силы поверхностного натяжения пытаются вернуть жидкости ровный поверхностный слой. На это, по третьему закону Ньютона, отвечает сила давления со стороны стенок. Благодаря этому и происходит движение.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость – это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Обычные материалы всегда обладают некоторым сопротивлением. Оно больше или меньше в зависимости от многих факторов.
Эффект сверхпроводимости делает это сопротивление нулевым. Если бы удалось использовать эффект сверхпроводимости в реальных (а не лабораторных) условиях, мы могли бы экономить огромные мощности при использовании проводников. Но пока высокотемпературная проводимость для нормальных условий недостижима.
Механизма процесса довольно сложный и объяснений существует несколько. Одно из них опирается на тезисы квантовой физики.

Фотопластический эффект

Очень интересный и, казалось бы, невероятный эффект. Материал сильнее сопротивляется пластической деформации, если на него падают лучи света. Речь тут не про каждый материал, а про их группу. Преимущественно свойство более характерно для полупроводников.
Причиной фотопластического эффекта является воздействие света на распределение электрических зарядов внутри кристалла, вызывающее уменьшение скорости дрейфа дислокаций пластической деформации и уплотнение кристаллов. Если упростить, то можно сказать, что свет создает возмущения, которые мешают перемещаться структурным слоям. Что и не дает изделию гнуться.

Пьезоэлектрический эффект

Этот эффект мы постоянно встречаем в нашей жизни. Газовая плита или устройства поджига – это самые простые примеры использования пьезоэлектрического эффекта.
Что же это такое? При давлении на кварц или отдельные кристаллы определенного состава образуется электрический заряд. Был открыт и обратный пьезоэлектрический эффект, когда электрический заряд приводит к деформациям.
На уровне микроструктуры происходит следующее. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд.
При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности. Иными словами, слои трутся друг об друга и создают ток.
Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

Ссылки по теме: