RU2374698C2 - Device for study demonstration of physical and chemical phenomena - Google Patents
Device for study demonstration of physical and chemical phenomena Download PDFInfo
- Publication number
- RU2374698C2 RU2374698C2 RU2007141791/28A RU2007141791A RU2374698C2 RU 2374698 C2 RU2374698 C2 RU 2374698C2 RU 2007141791/28 A RU2007141791/28 A RU 2007141791/28A RU 2007141791 A RU2007141791 A RU 2007141791A RU 2374698 C2 RU2374698 C2 RU 2374698C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- holder
- substance
- load
- spring
- atoms
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
- Instructional Devices (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к учебной демонстрационной технике и может быть использовано в средних и высших образовательных заведениях для изучения вопросов взаимосвязи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его макроскопическими свойствами.The invention relates to educational demonstration techniques and can be used in secondary and higher educational institutions to study the relationship between the internal atomic-molecular structure of a substance and its macroscopic properties.
В курсе физики известно устройство, применяемое при первоначальном ознакомлении учащихся с атомным строением вещества, состоящее из основания, вертикальной стойки с верхним держателем, на котором с помощью нити закреплен груз, являющийся испытуемым телом в виде стального шара, а нижний держатель содержит кольцо, внутренний диаметр которого близок по величине диаметру шара (А.В.Перышкин. Физика. Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2003. стр.16, рис.16).In a physics course, a device is known that is used in the initial familiarization of students with the atomic structure of a substance, consisting of a base, a vertical rack with an upper holder, on which a load is attached using a thread, which is the test body in the form of a steel ball, and the lower holder contains a ring, inner diameter which is close in magnitude to the diameter of the ball (A.V. Peryshkin. Physics. A textbook for educational institutions. - M.: Drofa, 2003. p.16, Fig.16).
При комнатной температуре шар, изготовленный из металла, проходит свободно через кольцо, а после нагрева (например, в пламени спиртовки) застревает в кольце. Затем, спустя некоторое время, когда шар охладится до комнатной температуры, он снова начинает свободно проходить через кольцо. Этот опыт демонстрирует возможность уменьшения и увеличения объема тел, показывая тем самым, что вещество состоит из отдельных частиц, между которыми есть промежутки.At room temperature, a ball made of metal passes freely through the ring, and after heating (for example, in the flame of an alcohol lamp) gets stuck in the ring. Then, after some time, when the ball cools to room temperature, it again begins to freely pass through the ring. This experiment demonstrates the possibility of reducing and increasing the volume of bodies, thereby showing that the substance consists of individual particles between which there are gaps.
Недостатком этого устройства является малое, незаметное на глаз изменение размеров шара, поэтому приходиться использовать кольцо с калиброванным отверстием и лишь по косвенному признаку - характеру взаимодействия шара с кольцом - возможно делать вывод об этих изменениях. Другим недостатком является значительная длительность процесса, что не способствует концентрации внимания учащихся на сущности явления.The disadvantage of this device is a small, imperceptible change in the size of the ball, so you have to use a ring with a calibrated hole and only by indirect indication - the nature of the interaction of the ball with the ring - it is possible to conclude about these changes. Another disadvantage is the considerable duration of the process, which does not contribute to the concentration of students on the essence of the phenomenon.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства для наглядной демонстрации глубокой связи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его внешне проявляемыми свойствами.The problem to which the invention is directed, is to provide a device for demonstrating the deep connection between the internal atomic-molecular structure of a substance and its externally manifest properties.
Техническим результатом, который может быть получен при использовании предлагаемого изобретения, является получение учащимися наглядного представления о взаимосвязи между взаимным расположением атомов вещества и его внешними параметрами, в частности геометрическими формами, а также закрепление понятия о взаимном превращении видов энергии и ее сохранении, о тепловом воздействии электрического тока в проводниках, о механизмах передачи тепла различными способами, и др.The technical result that can be obtained by using the present invention is to provide students with a visual representation of the relationship between the mutual arrangement of atoms of a substance and its external parameters, in particular geometric shapes, as well as the consolidation of the concept of the mutual conversion of types of energy and its conservation, of thermal effects electric current in conductors, on the mechanisms of heat transfer in various ways, etc.
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном устройстве, предлагаемый прибор содержит основание, вертикальную стойку, держатель, на котором закреплено испытуемое тело, которое периодически нагревается выше комнатной температуры и самопроизвольно охлаждается до нее.The specified technical result is achieved by the fact that, as in the known device, the proposed device contains a base, a vertical stand, a holder on which the test body is mounted, which is periodically heated above room temperature and spontaneously cooled to it.
В отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве испытуемое тело выполнено в виде геликоидальной пружины, изготовленной из сплава с эффектом памяти формы, к нижнему концу пружины подвешен груз в виде разновеса, а верхний ее конец закреплен на держателе, к концам пружины подведены тоководы, подключенные к источнику электропитания.Unlike the known device, in the proposed device, the test body is made in the form of a helicoidal spring made of an alloy with a shape memory effect, a load in the form of a weight is suspended from the lower end of the spring, and its upper end is fixed to the holder, current leads connected to the ends of the spring are connected to the power source.
В качестве вспомогательной детали между держателем и грузом размещают плоскостную дискостержневую модель кристаллической структуры в виде шарнирно соединенных между собой стержней и дисков, установленных в шарнирных узлах. Кроме того, прибор снабжен светильником с отражателем направленного света, а также тепловентилятором.As an auxiliary part, between the holder and the load, a planar disk-rod model of the crystal structure is placed in the form of rods and disks pivotally connected to each other and mounted in the hinge assemblies. In addition, the device is equipped with a lamp with a reflector of directional light, as well as a fan heater.
Достижение технического результата основано на способности испытуемого рабочего тела, изготовленного из сплава с эффектом памяти формы, переводить последовательно электрическую энергию в тепловую, тепловую - в энергию химических связей, химическую энергию - в механическую и упругую без промежуточных передающих механизмов, а также на свойстве шарнирной системы в виде пантографа менять форму, переводя каждое из своих звеньев, например, из квадратной конфигурации в косоугольную, учитывая при этом общую длину, на величину, пропорциональную числу звеньев. Кроме того, используется свойство металла поглощать тепло, передаваемое путем излучения, конвекции и теплопроводности.The achievement of the technical result is based on the ability of the test working fluid, made of an alloy with a shape memory effect, to translate successively electrical energy into heat, heat into chemical bond energy, chemical energy into mechanical and elastic without intermediate transmission mechanisms, and also on the property of the hinge system change the shape in the form of a pantograph, translating each of its links, for example, from a square configuration into an oblique, taking into account the total length, by a value proportional to the number of links. In addition, the property of the metal to absorb heat transmitted by radiation, convection and thermal conductivity is used.
Из другой области техники известна установка для термомеханической обработки элементов, изготовляемых из сплава с эффектом памяти формы (патент US №3948688, Кл C22F 1/10, 06.04.1976 г.). Установка содержит закрепленный одним концом на балке термоэлемент, изготовленный из сплава с эффектом памяти формы, в виде проволочного стержня, груз, закрепленный на другом конце термоэлемента, к краям которого подведены тоководы, соединенные с источником электропитания. При подаче напряжения от импульсного генератора по проволочному элементу начинает течь ток. Величина тока подобрана таким образом, чтобы выделяющейся по закону Джоуля-Ленца теплоты было достаточно нагреть элемент до определенной температуры. При нагреве предварительно растянутый элемент под действием эффекта памяти формы сокращается в длине, поднимая груз на определенную высоту. При снятии напряжения элемент охлаждается и, под действием тяжести груза, вновь растягивается. Затем этот цикл может многократно повторяться. С тем же результатом нагрев элемента может быть осуществлен другим образом, например с помощью тепловентилятора (US №3748197, Кл C22F 1/10, 24.07.1973 г.).From another field of technology there is a known installation for thermomechanical processing of elements made of an alloy with a shape memory effect (US patent No. 3948688, CL C22F 1/10, 04/06/1976). The installation contains a thermocouple fixed at one end on a beam, made of an alloy with a shape memory effect, in the form of a wire rod, a load fixed at the other end of the thermocouple, to the edges of which are connected the current leads connected to the power source. When voltage is applied from a pulse generator, a current begins to flow through the wire element. The current value is selected so that the heat released according to the Joule-Lenz law is enough to heat the element to a certain temperature. When heated, a pre-stretched element under the influence of the shape memory effect is reduced in length, lifting the load to a certain height. When stress is removed, the element cools and, under the influence of the gravity of the load, stretches again. Then this cycle can be repeated many times. With the same result, the heating of the element can be carried out in another way, for example using a fan heater (US No. 3748197, CL C22F 1/10, 07.24.1973).
Основным недостатком этих устройств с точки зрения наглядности процесса является небольшая величина перемещения груза при приемлемых для учебной демонстрации габаритах прибора. Это является следствием характера назначения этих установок - проведения термомеханической обработки и решения коммутационных задач. Другим недостатком является использование генератора импульсов тока, что, во-первых, усложняет установку, а во-вторых, требует проведения дополнительных опытно-конструкторских работ по подбору длительности импульсов и характеру их чередования и мощности, т.к. все это зависит от электрофизических и геометрических данных элемента, а также от температуры окружающей среды.The main disadvantage of these devices from the point of view of the process is the small amount of movement of the load with acceptable dimensions for educational demonstration of the device. This is a consequence of the nature of the purpose of these installations - carrying out thermomechanical processing and solving switching problems. Another disadvantage is the use of a current pulse generator, which, firstly, complicates the installation, and secondly, requires additional development work on the selection of the pulse duration and the nature of their alternation and power, because all this depends on the electrophysical and geometric data of the element, as well as on the ambient temperature.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с устройствами по патентам US №3748197 и №3948688 показал, что предлагаемое устройство проявляет новые дидактические качества.A comparative analysis of the invention with devices according to US patents No. 3748197 and No. 3948688 showed that the proposed device exhibits new didactic qualities.
На фиг.1 показано схематическое изображение устройства.Figure 1 shows a schematic illustration of a device.
На фиг.2. показано изменение геометрии плоскостной дискостержневой модели кристаллической структуры при соответствующем изменении длины пружины.In figure 2. The change in the geometry of a planar disk-rod model of the crystal structure with a corresponding change in the length of the spring is shown.
Устройство содержит основание 1, вертикальную стойку 2, горизонтальный держатель 3, испытуемое тело в виде пружины 4, верхний конец которой неподвижно закреплен на держателе 3, а свободный конец соединен с грузом 5, который может перемещаться поступательно вверх - вниз между позициями, определяемыми в совокупности микропереключателями (МП) 6, 7 и ограничительным рычагом 8. К концам пружины 4 подведены тоководы 9, соединенные с МП 6, 7 и общим источником электропитания. На держателе 3 дополнительно закреплен одним концом шарнир 10 в виде пантографа, состоящего из двух-трех одинаковых звеньев, который другим концом соединен с грузом 5. В шарнирных узлах установлены диски, изображающие атомы вещества, находящиеся в узлах моделируемой кристаллической структуры, элементная плоскостная ячейка которой состоит из одного звена пантографа. Кроме того, в комплект устройства входит тепловентилятор и светильник направленного света (не показаны).The device comprises a base 1, a vertical strut 2, a horizontal holder 3, a test body in the form of a spring 4, the upper end of which is fixedly mounted on the holder 3, and the free end is connected to a load 5, which can move progressively up and down between positions defined in the aggregate microswitches (MP) 6, 7 and restrictive lever 8. To the ends of the spring 4 are leads 9 connected to the MP 6, 7 and a common power source. A
Устройство работает следующим образом. Пружина 4 изготовлена из кристаллического вещества, которое претерпевает аллотропное превращение вблизи комнатной температуры, несколько выше ее. Точки превращения на температурной шкале подобраны так, что при комнатной температуре взаимное упорядоченное расположение атомов вещества пружины имеет один вид, а при повышенных температурах (около 70°С) после аллотропного перехода - другой. При этом изменение взаимного расположения атомов происходит таким образом, что пружина в нагретом состоянии сжимается, а в охлажденном растягивается. Нагрев пружины происходит при пропускании через нее электрического тока, а охлаждение - за счет температуры окружающего воздуха после отключения тока. Устройство может действовать в автоматическом циклическом режиме: при пропускании тока через пружину 4 она нагревается и, сжимаясь, поднимает груз 5 до высоты, ограниченной рычагом 8, который под воздействием поднимающегося груза поворачивается и своим коротким плечом соприкасается с МП 7, который срабатывает, отключая ток, идущий через пружину 4, после чего она начинает охлаждаться, и при температуре обратного аллотропного превращения под воздействием груза 5 и в силу соответствующей перестройки взаимного расположения атомов пружина начинает растягиваться до тех пор, пока груз 5, висящий на ней, не достигнет МП 6, который, срабатывая, включает ток, идущий через пружину 4, вследствие чего она начинает нагреваться и при температуре прямого аллотропного превращения сокращается, вновь поднимая груз до точки соприкосновения его с рычагом 8, после чего описанный цикл повторяется. Вместе с движением груза 5 происходит перемещение подвижного (нижнего) конца шарнира 10, при этом все его звенья приходят в движение и их геометрия синхронно меняется от одной конфигурации (например, прямоугольной, фиг.2а) до другой (косоугольной, фиг.2б) при изменении положения груза 5 и при соответствующем изменении длины пружины 4. Работа этого узла устройства демонстрирует качественную картину изменения взаимного положения атомов вещества при обратимом аллотропном превращении, связанном с дисторсией элементарных ячеек кристалла (в данном случае звеньев шарнира), при соответствующем обратимом изменении геометрической формы всего тела (пружины), известном в литературе как эффект памяти формы.The device operates as follows. Spring 4 is made of crystalline substance, which undergoes an allotropic transformation near room temperature, slightly above it. The transformation points on the temperature scale are selected so that at room temperature the mutual ordered arrangement of the atoms of the spring matter has one form, and at elevated temperatures (about 70 ° C) after the allotropic transition, another. In this case, a change in the mutual arrangement of atoms occurs in such a way that the spring contracts in the heated state and stretches in the cooled state. A spring is heated when an electric current is passed through it, and cooling is due to the temperature of the ambient air after the current is turned off. The device can operate in an automatic cyclic mode: when current is passed through the spring 4, it heats up and, compressing, raises the load 5 to a height limited by the lever 8, which, under the influence of the rising load, rotates and contacts its MP 7 with its short arm, which operates by disconnecting the current going through the spring 4, after which it begins to cool, and at the temperature of the reverse allotropic transformation under the influence of the load 5 and due to the corresponding rearrangement of the mutual arrangement of atoms, the spring it starts to stretch until the load 5 hanging on it reaches MP 6, which, when triggered, turns on the current flowing through the spring 4, as a result of which it begins to heat up and decreases at the temperature of direct allotropic transformation, again raising the load to the point of contact it with a lever 8, after which the described cycle is repeated. Together with the movement of the load 5, the movable (lower) end of the
Основой эффекта памяти формы в металлах, в его наиболее известном и практически значимом виде, является фазовое (мартенситное) превращение, в ходе которого происходит изменение в порядке расположения атомов металла. Атомы в новых термодинамических условиях располагаются таким образом, что соседи не меняются, но между ними меняются расстояния и ориентационные углы. Этот процесс носит сложный объемный характер, и соответствующие изменения в расположении атомов происходят в трехмерном пространстве с образованием множества межфазных и междоменных границ с той или иной степенью когерентности и подвижности. Вместе с тем, на уровне элементарных актов этого процесса картина явления упрощается. Если металл в исходном термодинамическом состоянии имеет, например, простую кубическую решетку, его элементарной ячейкой является куб, в вершинах которого расположены атомы, составляющие данный металл. При изменении термодинамических условий расстояния и ориентационные углы между атомами меняются таким образом, что куб превращается в некий параллелепипед, объем которого мало отличается от объема исходного куба, но длинная сторона параллелепипеда может быть больше стороны куба на десятки процентов. Если термодинамические параметры будут приведены к исходным значениям, атомы вернутся в прежнее положение и кубическая структура восстановится. В металлах с эффектом памяти формы этот процесс может быть воспроизведен многократно. В нашем случае изменение формы и ее восстановление в макроскопических масштабах всего образца обусловлено обратимым изменением элементарной ячейки образца из куба в параллелепипед и обратно. Описанный механизм эффекта можно представить в еще более простом виде, если рассмотреть процесс в двухмерном пространстве, т.е. в определенной плоскости сечения кристаллической решетки металла. В случае простой кубической решетки сечение может быть подобрано таким образом, что на плоскости мы будем наблюдать превращение элементарной ячейки в виде квадрата в ячейку в виде параллелограмма и обратно. Таким образом, в изображении на плоскости эффект памяти формы представляет собой в общем случае попеременно укорочение и удлинение элементарной единицы вещества в виде полоски, в углах которой расположены атомы. В предлагаемом устройстве роль такой полоски выполняет звено шарнира 10, которое при незначительном изменении своей конфигурации демонстрирует возможность получения большого макроскопического удлинения общей цепочки, состоящей из множества звеньев, т.е. проявления эффекта памяти формы. Любая модель имеет некоторые ограничения по отношению к реальному процессу. В данном случае конструктивные особенности шарнира в виде пантографа не позволяют изменить расстояния между всеми атомами ячейки, что, в общем случае, происходит при реальных аллотропных переходах. Однако этот недостаток не является принципиальным, т.к. в частном случае при соответствующем наборе сорта атомов и соответствующих функциях межатомного взаимодействия изменение расстояния между определенными атомами может быть пренебрежимо малым.The basis of the shape memory effect in metals, in its most famous and practically significant form, is the phase (martensitic) transformation, during which there is a change in the arrangement of metal atoms. Atoms in the new thermodynamic conditions are arranged in such a way that the neighbors do not change, but the distances and orientation angles between them change. This process is complex in volume, and corresponding changes in the arrangement of atoms occur in three-dimensional space with the formation of many interphase and interdomain boundaries with one degree or another of coherence and mobility. At the same time, at the level of elementary acts of this process, the picture of the phenomenon is simplified. If a metal in the initial thermodynamic state has, for example, a simple cubic lattice, its unit cell is a cube, at the vertices of which there are atoms that make up this metal. When the thermodynamic conditions change, the distances and orientation angles between the atoms change in such a way that the cube turns into a certain parallelepiped, the volume of which differs little from the volume of the original cube, but the long side of the parallelepiped can be tens of percent larger than the side of the cube. If the thermodynamic parameters are brought back to the initial values, the atoms will return to their previous position and the cubic structure will be restored. In metals with a shape memory effect, this process can be repeated many times. In our case, the change in shape and its restoration at the macroscopic scales of the entire sample is due to the reversible change in the unit cell of the sample from the cube to the box and vice versa. The described mechanism of the effect can be represented in an even simpler form, if we consider the process in two-dimensional space, i.e. in a certain plane of the cross section of the crystal lattice of the metal. In the case of a simple cubic lattice, the cross section can be selected in such a way that on the plane we will observe the transformation of a unit cell in the form of a square into a cell in the form of a parallelogram and vice versa. Thus, in the image on the plane, the shape memory effect is in the general case alternately shortening and lengthening the elementary unit of matter in the form of a strip, in the corners of which atoms are located. In the proposed device, the role of such a strip is played by the link of the
Суммарный набор длины образца зависит от степени ориентации длинных сторон отдельных элементарных ячеек, когда ориентирующего фактора нет, длина стороны ячеек располагается хаотично и суммарное изменение длины образца равно нулю. Такое состояние образца в структурном отношении принято называть вырожденным. Вырождение снижается или полностью снимается, если будет действовать какой-либо ориентирующий фактор. В нашем случае таким фактором является внешнее одноосное напряжение в виде груза 5, постоянно действующего на пружину 4 и на шарнир 10. В результате действия приложенной силы длинные стороны элементарных ячеек вещества пружины и звеньев шарнира 10 ориентируются вдоль этой силы, обеспечивая общее удлинение пружины и шарнира. При обратном процессе форма элементарных ячеек и звеньев восстанавливается, демонстрируя эффект памяти формы.The total set of sample length depends on the degree of orientation of the long sides of individual unit cells, when there is no orienting factor, the side length of the cells is randomly located and the total change in sample length is zero. Such a state of a sample is structurally called degenerate. Degeneration decreases or is completely eliminated if any orienting factor acts. In our case, this factor is the external uniaxial stress in the form of a load 5, constantly acting on the spring 4 and on the
Кроме описанного выше варианта работа устройства может также осуществляться путем нагрева пружины за счет теплопередачи излучением, конвекцией и теплопроводностью. Передачу энергии излучением обеспечивают с помощью электрической лампы с отражателем, направляя пучок света на пружину; конвективную теплопередачу осуществляют тепловентилятором, а тепло, передаваемое за счет теплопроводности, производят касанием пружины губкой, смоченной в теплой воде.In addition to the above option, the operation of the device can also be carried out by heating the spring due to heat transfer by radiation, convection and heat conduction. Energy is transmitted by radiation using an electric lamp with a reflector, directing a beam of light to the spring; convective heat transfer is carried out by a fan heater, and heat transferred due to heat conduction is produced by touching the spring with a sponge dipped in warm water.
Применение устройства в учебном процессе позволяет демонстрировать процессы и явления по нескольким разделам. К ним относятся: закон сохранения и превращения энергии - электрическая энергия посредством теплового действия электрического тока в металлах (Закон Джоуля-Ленца) переходит в тепловую, тепло, выделяющееся в рабочем теле, вызывает сокращение пружины (в результате аллотропной реакции), которая поднимает груз, увеличивая его потенциальную энергию, т.е. тепловая энергия переходит в механическую энергию груза и упругую энергию пружины через химическую энергию при изменении характера межатомных связей.The use of the device in the educational process allows you to demonstrate processes and phenomena in several sections. These include: the law of conservation and conversion of energy - electrical energy, through the thermal action of an electric current in metals (Joule-Lenz law), becomes thermal, the heat released in the working fluid causes a spring to contract (as a result of an allotropic reaction) that lifts the load, increasing its potential energy, i.e. thermal energy passes into the mechanical energy of the load and the elastic energy of the spring through chemical energy when the nature of the interatomic bonds changes.
Далее, действие устройства дает наглядное представление такому широко распространенному явлению в природе, как аллотропия. Например, около трети всех металлов испытывают аллотропные превращения, а такое вещество, как вода в твердом стоянии (лед), имеет семь(!) аллотропных модификаций. Учащиеся с этим явлением впервые знакомятся в школьных курсах по физике и химии, когда рассматривают существование модификаций углерода и олова в виде алмаза-графита-сажи и белого олова-серого олова соответственно. Как правило, это знакомство не оставляет четких представлений у учащихся об этом явлении, что связано с трудностью перестройки мышления при переходе с чувственного восприятия масштаба предметов на уровень микроскопических размеров - уровень межатомных взаимодействий. Кроме того, в распоряжении школьных кабинетов по физике и химии нет доступных средств (в виде электронных и ионных микроскопов) для наглядных демонстраций перестройки взаимного расположения атомов вещества.Further, the operation of the device gives a visual representation of such a widespread phenomenon in nature as allotropy. For example, about a third of all metals undergo allotropic transformations, and a substance such as solid water (ice) has seven (!) Allotropic modifications. Students first become acquainted with this phenomenon in school courses in physics and chemistry, when they consider the existence of carbon and tin modifications in the form of diamond-graphite-soot and white tin-gray tin, respectively. As a rule, this acquaintance does not leave clear ideas for students about this phenomenon, which is associated with the difficulty of restructuring thinking when moving from sensory perception of the scale of objects to the level of microscopic dimensions - the level of interatomic interactions. In addition, at the disposal of school rooms in physics and chemistry there are no available means (in the form of electron and ion microscopes) for visual demonstrations of the rearrangement of the mutual arrangement of atoms of matter.
Предлагаемое устройство позволяет запоминающимся образом продемонстрировать связь перестройки взаимного расположения атомов вещества с изменением внешней геометрии тела, состоящего из этого вещества. Это способствует более прочному и глубокому осознанию атомной основы строения вещества Вселенной. В настоящее время это обстоятельство становится особенно важным в связи с наступлением новой эры человечества, связанной с нанотехнологиями, - получением новых веществ путем их поатомного конструирования.The proposed device allows you to remember in a memorable way the relationship between the rearrangement of the mutual arrangement of atoms of a substance with a change in the external geometry of the body consisting of this substance. This contributes to a stronger and deeper awareness of the atomic basis of the structure of the substance of the universe. Currently, this circumstance is becoming especially important in connection with the advent of a new era of humanity associated with nanotechnology - the production of new substances through their atomic design.
Устройство дополнительно может быть снабжено узлом, способствующим лучшей концентрации внимания учащихся на проводимых опытах. Узел представляет собой проволоку, установленную между двумя опорами, к которым подведены тоководы. В исходном состоянии проволока имеет некую конфигурацию в виде звездочки, спирали и т.п. Перед началом описанных выше демонстрационных опытов преподаватель обращает внимание учащихся на фигуру, состоящую из расположенной между опорами проволоки, затем легким нажимом руки растягивает проволоку до исчезновения контуров фигуры, состоящей из этой проволоки. После чего сообщает о том, что на концы бесформенной теперь проволоки можно подать электрический ток, который ее нагреет, и она вновь обретет прежние очертания. За этими словами следует включение кнопкой электрического тока, и учащиеся наблюдают, как из бесформенной проволоки образуется четко очерченная фигура. Этот методический прием, как показывает опыт, производит сильное впечатление, сродни фокусу, привлекает внимание, что способствует сосредоточению учащихся на последующих опытах.The device can additionally be equipped with a node that contributes to a better concentration of students' attention on the conducted experiments. The assembly is a wire installed between two supports to which current leads are connected. In the initial state, the wire has a certain configuration in the form of an asterisk, spiral, etc. Before starting the demonstration experiments described above, the teacher draws students' attention to a figure consisting of a wire located between the supports, then with a light pressure of a hand stretches the wire until the outlines of the figure consisting of this wire disappear. After which he reports that an electric current can be supplied to the ends of the shapeless wire, which will heat it, and it will regain its former shape. These words are followed by the inclusion of an electric current by a button, and students observe how a clearly defined figure is formed from a shapeless wire. This methodical technique, as experience shows, makes a strong impression, akin to focus, attracts attention, which helps students focus on subsequent experiments.
Предлагаемое устройство демонстрирует явления, связанные с атомно-молекулярным строением вещества. Известно высказывание ведущих ученых о том, что если бы в результате мировой катастрофы погибли все накопленные научные знания, то наибольшую информационную пользу для будущих поколений принесла бы такая фраза: "…все тела состоят из атомов". Образовательная практика подтверждает эту истину - первые главы общих курсов по физике и химии в школах и вузах, как правило, посвящены атомно-молекулярному строению вещества. Значение формирования у будущих специалистов "атомно-молекулярного" мышления многократно возрастает в связи с теми перспективами, которые открываются с возникновением наноструктурных технологий - способом поатомного конструирования с целью получения веществ с неизвестными ранее свойствами.The proposed device demonstrates the phenomena associated with the atomic-molecular structure of a substance. The statement of leading scientists is known that if all accumulated scientific knowledge had died as a result of a world catastrophe, the following information would have brought the greatest informational benefit for future generations: "... all bodies are made up of atoms." Educational practice confirms this truth - the first chapters of general courses in physics and chemistry in schools and universities are usually devoted to the atomic-molecular structure of matter. The importance of the formation of “atomic-molecular” thinking by future specialists is growing many times in connection with the prospects that open up with the advent of nanostructured technologies - a method of atomic construction in order to obtain substances with previously unknown properties.
В результате использования предлагаемого устройства учащиеся получат наглядное и доступное для понимания представление об атомно-молекулярном строении веществ; принципе взаимного превращения и сохранения энергии; основах термодинамики.As a result of using the proposed device, students will receive a clear and understandable understanding of the atomic-molecular structure of substances; the principle of mutual transformation and conservation of energy; the basics of thermodynamics.
Устройство может быть полезно на занятиях по химии. Его работа иллюстрирует влияние изменения характера химических связей между атомами на свойства вещества, состоящего из этих атомов.The device may be useful in chemistry classes. His work illustrates the effect of changes in the nature of chemical bonds between atoms on the properties of a substance consisting of these atoms.
С точки зрения изучения технических дисциплин устройство может быть полезно при освоении следующих тем: принцип действия тепловых машин с твердотельным рабочим веществом; изучения цикла Карно и КПД тепловых машин; новые виды приводной техники без вариаторов и редукторов; автономные (без подвода энергии) системы регулирования температуры, влажности и солнечной радиации, искусственные мускулы в робототехнике: автономные средства защиты и контроля технических систем и др. Для наглядного представления об удельной работоспособности элементов из металла с эффектом памяти формы устройство может быть укомплектовано десятью-пятнадцатью (один на пару) стержнями, резко меняющими свою жесткость при попеременном опускании их в сосуд с теплой водой и водой комнатной температуры. Этот опыт, в том числе, убедительно демонстрирует возможности нанотехнологий: уже незначительное изменение во взаимном расположении атомов, из которых состоят испытуемые стержни, в результате их нагрева и охлаждения приводит к существенному изменению их физических свойств.From the point of view of studying technical disciplines, the device can be useful in mastering the following topics: the principle of operation of thermal machines with solid-state working substance; studying the Carnot cycle and the efficiency of heat engines; new types of drive technology without variators and gearboxes; autonomous (without energy supply) temperature, humidity and solar radiation control systems, artificial muscles in robotics: autonomous means of protection and control of technical systems, etc. For a visual representation of the specific performance of metal elements with a shape memory effect, the device can be equipped with ten to fifteen (one pair) rods, dramatically changing their rigidity when alternately lowering them into a vessel with warm water and water at room temperature. This experience, among other things, convincingly demonstrates the capabilities of nanotechnology: an already insignificant change in the mutual arrangement of the atoms that make up the test rods, as a result of their heating and cooling, leads to a significant change in their physical properties.
Рабочий элемент прибора может быть изготовлен из сплава на основе никелида титана, имеющего интервал аллотропного превращения в диапазоне от +30 до +70°С. Этим требованиям соответствует сплав, имеющий состав в атомных процентах: Ti-49Ni-1Cu, способный совершать около 106 рабочих циклов.The working element of the device can be made of an alloy based on titanium nickelide having an allotropic transformation interval in the range from +30 to + 70 ° C. These requirements are met by an alloy having a composition in atomic percent: Ti-49Ni-1Cu, capable of performing about 10 6 operating cycles.
Преимущество изобретения состоит в том, что использование в качестве термодинамического рабочего тела устройства геликоидальной пружины, изготовленной из металла с эффектом памяти формы, а также дискостержневой динамической модели кристаллической структуры позволяет повысить наглядность явлений, связанных с изменением взаимного положения атомов вещества, обеспечивает простоту конструкции устройства, большой срок его службы. Устройство предназначено для ведения учебного процесса в школах, техникумах и вузах.An advantage of the invention is that the use of a helicoidal spring made of metal with a shape memory effect as well as a disk-shaped dynamic model of the crystal structure as a thermodynamic working fluid makes it possible to increase the visibility of the phenomena associated with a change in the relative position of the atoms of the substance, which makes the device simple to design, long service life. The device is intended for conducting the educational process in schools, technical schools and universities.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007141791/28A RU2374698C2 (en) | 2007-11-12 | 2007-11-12 | Device for study demonstration of physical and chemical phenomena |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007141791/28A RU2374698C2 (en) | 2007-11-12 | 2007-11-12 | Device for study demonstration of physical and chemical phenomena |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007141791A RU2007141791A (en) | 2009-05-20 |
| RU2374698C2 true RU2374698C2 (en) | 2009-11-27 |
Family
ID=41021358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007141791/28A RU2374698C2 (en) | 2007-11-12 | 2007-11-12 | Device for study demonstration of physical and chemical phenomena |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2374698C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103489359A (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-01 | 谢燕燕 | Molecular force simulation experiment instrument |
| CN103680284A (en) * | 2013-08-27 | 2014-03-26 | 福州大学 | An electromechanical experiment practical training console and a realization method thereof |
| CN106057029A (en) * | 2016-05-30 | 2016-10-26 | 安徽新华学院 | Experimental system and experimental method for demonstrating shape memory effects of memory alloy |
| RU2616442C1 (en) * | 2015-12-03 | 2017-04-14 | Альберт Петрович Ершов | Method for demonstrating joule's law in differential form |
-
2007
- 2007-11-12 RU RU2007141791/28A patent/RU2374698C2/en active
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103489359A (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-01 | 谢燕燕 | Molecular force simulation experiment instrument |
| CN103489359B (en) * | 2012-06-08 | 2016-03-09 | 谢燕燕 | Molecular force simulation experiment instrument |
| CN103680284A (en) * | 2013-08-27 | 2014-03-26 | 福州大学 | An electromechanical experiment practical training console and a realization method thereof |
| CN103680284B (en) * | 2013-08-27 | 2016-01-27 | 福州大学 | A kind of mech-electric experiment real training control desk and its implementation |
| RU2616442C1 (en) * | 2015-12-03 | 2017-04-14 | Альберт Петрович Ершов | Method for demonstrating joule's law in differential form |
| CN106057029A (en) * | 2016-05-30 | 2016-10-26 | 安徽新华学院 | Experimental system and experimental method for demonstrating shape memory effects of memory alloy |
| CN106057029B (en) * | 2016-05-30 | 2018-08-14 | 安徽新华学院 | A kind of experimental system and experimental method of demonstration memory metal shape memory effect |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007141791A (en) | 2009-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2374698C2 (en) | Device for study demonstration of physical and chemical phenomena | |
| Lahav | Biogenesis: theories of life's origin | |
| Clifford et al. | Design of a novel passive solar tracker | |
| Zappetti et al. | Phase changing materials-based variable-stiffness tensegrity structures | |
| Huang et al. | Experimental and numerical studies on melting process of phase change materials (PCMs) embedded in open-cells metal foams | |
| Obara et al. | Development of a solar tracking system of a nonelectric power source by using a metal hydride actuator | |
| Krajcik | A focus on physical science | |
| Singh | Applied thermodynamics | |
| Urschitz et al. | Experimental investigation on bimetallic tube compositions for the use in latent heat thermal energy storage units | |
| Persiani et al. | Autoreactive architectural facades—Discussing unpowered kinetic building skins and the method of evolutionary optimization | |
| Bhatt et al. | Effect of biasing conditions on the performance of a SMA spring actuator under thermo-mechanical loading | |
| Yan et al. | Artificial phototropic systems for enhanced light harvesting based on a liquid crystal elastomer | |
| Rajan et al. | An experimental and analytical study on the feasibility of SMA spring driven actuation of an iris mechanism | |
| Smith et al. | Tuned photomechanical switching of laterally constrained arches | |
| Leff | Energy and entropy: A dynamic duo | |
| Mulligan et al. | An unpublished lecture by Heinrich Hertz:“On the energy balance of the Earth’’ | |
| Shen et al. | Theoretical and experimental investigation of the shape memory properties of an ionic polymer–metal composite | |
| Abdulmouti et al. | Generating Power from Solar Sphere Design | |
| O’Toole et al. | Analysis and evaluation of the dynamic performance of SMA actuators for prosthetic hand design | |
| Ludwig et al. | Miniature-scale elastocaloric cooling by rubber-based foils | |
| Kommandur et al. | Contact-Based Passive Thermal Switch with a High Rectification Ratio | |
| Degeratu et al. | Using a shape memory alloy spring actuator to increase the performance of solar tracking system | |
| Blanchard et al. | Educating the world: A remote experiment in photovoltaics | |
| Abi Sejaan et al. | Optical energy harvesting in a smart materials-based micro-actuator using a vertical multi-junction PV cell | |
| Fuchs et al. | Introduction From Metaphors to Models of Heat |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |