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1、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,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,A0,材料经压缩以后
2、，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,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
3、格效应Bauschinger effect,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。,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。【50Ti
4、50Ni】，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
5、力（阿基米德定理）,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）,流量计（汾丘里管）,Z,粘滞系数,流速梯度,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,管道半径,管道长度,粘滞系数,平均流速,斯托克斯阻力定律,粘滞系数,小球半径,小球速度,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。,液体表面上厚度为分子作用半径的一层,表面张力
6、：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),气体栓塞,P左,P左,P右,P右,P左=P右,P左 P右,P,P,P,P,液体在细管中流动时，如果液体中有较多气泡，液体的流动可能发生阻塞。,E 13 维森堡效应,小分子流体,聚合物流体,当轴在液体中旋转时，离轴越近的地方剪切速率越大，故法向应力越大，相应地，高分子链的弹性回复力越大，从而使熔体沿轴向上挤，形成包轴现象,E 14 液体压力、气体压力,E 15 液体和气体的压强,液压原理：由两个大小不同的液缸组成，充满水或油。两个液缸里各有一个活塞，如果在小活塞上加一定压力，小活
7、塞将这一压力通过液体压力传递给大活塞。,E 16 气穴现象,由于机械力如旋转机械力产生的致使液体中的低压气泡突然形成并破裂的现象。水的气穴现象技术指冲击波到达水面后,使水面快速上升,并在一定的水域内产生很多空泡层,最上层空泡层最厚,向下逐渐变薄.随着静水压力的增加,超过一定的深度后,便不再产生空泡。声波的气穴现象研究，用20至40千赫的声波进行了实验,声波在浓硫酸液体中产生高密度与低密度2个快速交替的区域,使得压力在其间震荡,液体中的气泡在高压下收缩,低压下膨胀.压力的变化非常快,致使气泡向内炸裂,有足够的力量产生热,这一过程被称为声学的气穴现象。,E 17 电液压冲击,高压放电下液体的压力急
8、剧升高的现象。,E 18 混合物分离,E 19 一级相变,所谓“相”，指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分，它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。不同相之的相互转变，称为相变。自然界中各种各样的物质，都是以固，液，气3种聚集态存在。主要区别在于它们分子间的距离，分子间相互作用力的大小，和热运动的方式不同。相变包括一级相变和二级相变。发生相变时，有体积变化同时有热量吸收或释放，称为“一级相变”。例如，在1大气压0情况下，1千克冰转变成同温度水要吸收79.6千卡热量，同时体积亦收缩。一级相变的特点是两相化学势相等，但有体积改变并产生相变热。也就是说，在相变点，两相化学势的一级偏微商不相
9、等。,E 20 二级相变,在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化，称为二级相变。正常液态氦（氦）与超流氦（氦）之间的转变，正常导体与超导体之间的转变，顺磁体与铁磁体之间的转变，合金的有序态与无序态之间的转变等都是典型的二级相变的例子。大多是发生在极低温度时的相变。例如，在居里点铁磁体转变为顺磁体，在零磁场下超导体转变为正常导体，液态氦与液态氦之间的相变等。二级相变的特点是，两相的化学势和化学势的一级偏微商相等，但化学势的二级偏微商不相等。因此在相变时没有体积变化和潜热(即相变热)。在相变点，两相的体积、焓和熵的变化是连
10、续的。故这种相变也称为连续相变。,E 21 扩散,物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。由于分子(原子等)的热运动而产生的物质迁移现象一般可发生在一种或几种物质于同一物态或不同物态之间，由不同区域之间的浓度差或温度差所引起，前者居多一般从浓度较高的区域向较低的区域进行扩散，直到同一物态内各部分各种物质的浓度达到均匀或两种物态间各种物质的浓度达到平衡为止显然，由于分子的热运动，这种“均匀”、“平衡”都属于“动态平衡”，即在同一时间内，界面两侧交换的粒子数相等；在电学中半导体PN结的形成过程中，自由电子和空穴的扩散运动是基本依据扩散速度在气体中
11、最大，液体中其次，固体中最小，而且浓度差越大、温度越高、参与的粒子质量越小，扩散速度也越大,E 22 吸收,吸收是指物质吸取其他实物或能量的过程。在吸收过程中，一种物质将另一种物质吸进体内与其融合或化合。,E 23 吸附作用,指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。吸附性能随吸附剂性质、吸附剂表面大小、吸附质性质和浓度大小及温度高低等而变化。物理吸附：以分子间作用力相吸引的，吸附热少。如活性炭对许多气体的吸附，被吸附气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化，是可逆过程。化学吸附：以类似于化学键力相互吸引，吸附热较大。如许多催化剂对气体的吸附。被吸附气体需在高温下才能解
12、脱，且大都是不可逆过程。常见吸附剂有活性炭，硅胶，活性氧化铝，硅藻土等。电解质溶液中生成的许多沉淀，如氢氧化铝，氢氧化铁，氯化银等也具有吸附能力。应用：干燥气体，分离、提纯物质，作催化剂提高化学反应速度。,E 24 渗透,两种不同浓度的溶液隔以半透膜（允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过），水分子或其它溶剂分子从低浓度溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。或水分子从水势高的一方通过半透膜向水势低的一方移动的现象。条件：半透膜、细胞内外浓度差,E 25 加热,加热是指热源将热能传给较冷物体而使其变热的过程。直接热源加热是将热能直接加于物料，如烟道气加热、电流加热和太阳辐射能加热等。间接热源加热是
13、将上述直接热源的热能加于一中间载热体，然后由中间载热体将热能再传给物料，如蒸汽加热、热水加热、矿物油加热等。,E 26 热传导,物体仅依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而使热量从高温部分向低温部分传递的现象。只有在固体中才是纯粹的热传导。物体或系统内的各点间的温度差，是热传导的必要条件。导热速率决定于物体温度分布情况。微观过程：高温部分晶体结点上的微粒振动动能较大。因微粒振动互相联系，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体中热的传导就是能量的迁移。一般电导体也是热的良导体。金属都是热的良导体。瓷、木头和竹子、皮革、水都是不良导体。最善于传热的是银，其次是铜和铝最不善于传热的是羊
14、毛、羽毛、毛皮、棉花，石棉、软木和其他松软的物质。液体，除了水银外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。,E 27 对流,流体（液体、气体）内部由于各部分温度不同而造成的相对流动。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热。,E 28 热辐射,物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式，
15、但它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式。,E 29 热敏物质,对温度，尤其是热敏感的物质，如半导体陶瓷热敏电阻利用的原理是温度引起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为n、p，则半导体的电导为：=q（nn+pp）因为n、p、n、p都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线。,E 30 热膨胀,通常
16、是指外压力保持不变时，由于温度改变造成固体、液体和气体发生长度或体积变化的现象。许多普通材料的长度随温度变化的规律可用近似式llo(l+t)表示，式中lo为零摄氏度(0C)时的长度，t是摄氏温度。从微观看，固体热膨胀是固体中相邻原子间平均距离增大。晶体中两相邻原子间的势能是原子核间距离的函数,势能曲线是一条非对称曲线。在一定振动能量下，两原子距离在平衡位置附近改变，由于势能曲线非对称性，其平均距离r大于平衡时的距离ro；在更高的振动能量时，它们的平均距离就更大。,膨胀系数同固体比热容成正比，在低温下（小振幅振动）膨胀系数趋于零。纯晶体沿不同轴向可以有不同的 值，多晶体几乎没有各向异性的效应。由
17、于液体和气体没有固定的形状，只有体积随温度的变化才有意义，所以常用体膨胀系数表示其膨胀程度。气体的 可通过理想气体状态方程来计算，其值与温度和压强有关。液体的与压强近似无关，主要取决于温度。液体的 虽然可以在相当大的温度范围内取作常数，但也有反常情况。例如，温度从0C到4C时,水的体积缩小了；在4C以上，它又随温度上升而膨胀。前者称为水的反常膨胀。,E 31 热双金属片,由于各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，则这种复合材料的曲率发生变化从而产生形变。主动层的材料主要有锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金和镍等等；被动层
18、的材料主要是镍铁合金，镍含量为3450%。,E 32 冷却,直接冷却：将冰或冷水加入被冷却物料。简便、有效、迅速。只能在不影响被冷却物料的品质或不致引起化学变化时才能使用。也可将热物料置于敞槽中或喷洒于空气中，使在表面自动蒸发而达到冷却的目的。间接冷却：将物料放在容器中，其热能经过器壁向周围介质自然散热。被冷却物料如果是液体或气体，可在间壁冷却器中进行。夹套、蛇管、套管、列管等式的热交换器都适用。冷却剂一般是冷水和空气。,E 33 摩擦力,两个互相作用的物体，当它们发生相对运动或有相对运动趋势时，沿接触面切线方向有阻碍相对滑动的作用，称为摩擦。产生机理：1、相互作用产生形变；2、物体微观凸凹表
19、面产生相互机械啮合；3、产生分子粘结。静摩擦-在外力作用下如只具有相对滑动趋势而又未发生相对滑动时，则这种阻碍作用叫静摩擦。静摩擦力随外力而变，使物体由静止变为运动的临界值称为最大静摩擦力。滑动摩擦力-与接触面的正压力（N）成正比：f=N（是滑动摩擦系数）。,E 34 低摩阻,在高度真空状态及暴露在高能量粒子的发射下，摩擦力会下降趋于0。原因是放射能量引起了固体表面的分子更自由地运动。,E 35 金属覆层润滑剂,金属有机化合物中的金属会在零件之间摩擦产生的高温下释放，并填充到零件表面的不平整部位。从而减小摩擦力。,E36 表面,表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于表面粒子（分子或原子）
20、没有邻居粒子，使其物理性和化学性与固体内部明显不同。例如：由于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，能吸附外来原子或分子形成有序或无序的吸附层等。表面科学包括表面物理、表面化学（界面化学）和表面分析技术。金属和合金材料的腐蚀、磨损和断裂等问题；半导体器件的性能；多相催化机理；材料的老化和寿命以及受控热核反应装置中的材料问题等。,E37 表面粗糙度,指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），肉眼难以区别，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表现在以下几个方面：1）影响零件的耐磨性。表面
21、越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。2）影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。3）影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。4）影响零件抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。,E 38 Thoms 效应,管道流体流动沿径向分3部分：管道中心为紊流核心，包含了管道中的绝大部分流体，紧贴管壁的是层流底层；层流底层与紊流旋涡
22、之间为缓冲区，层流阻力比紊流小。B.Thoms发现，在液体中添加聚合物可以将管内流动从紊流转变成层流，从而大大降低输送管道的阻力。减阻机理：管道中的流体流态大多为紊流，而减阻剂恰恰在紊流时起作用。缓冲区是紊流最先形成的地方。减阻高聚物主要在缓冲区起作用。减阻高聚物分子可在流体中伸展，吸收薄间层的能量，干扰薄间层的液体分子从缓冲区进入紊流核心，阻止其形成紊流或减弱紊流程度。,E39 爆炸,物理爆炸：物质状态或压力突变形成。如容器内液体过热气化，压缩气、液化气超压等，物质性质及成分不变；化学爆炸：极速化学反应产生高温、高压。1)简单分解：爆炸时不一定燃烧，所需热量由分解产生。如叠氮铅、炔银、炔酮、
23、碘化氮、氯化氮等；2）复杂分解：炸药。燃烧，所需氧由分解供给。各种氮及氯的氧化物、苦味酸等；3）爆炸性混合物：可燃气体、蒸气及粉尘与空气混合所形成的混合物。需要条件如爆炸物含量、氧含量及激发能等。核爆炸：原子核裂变或聚变连锁反应，瞬时释放巨大能量，形成高温高压并辐射多种射线。,E 40 振动,物体经过其平衡位置所作的往复运动，或某一物理量在其平衡值附近的来回变动。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。如弹簧振子模型、单摆模型等。特点：1，有一
24、个平衡位置（机械能耗尽之后，振子应该静止的唯一位置）。2，有一个大小和方向都作周期性变化的回复力；3，频率单一、振幅不变。广义振动是指描述系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下交替变化的过程，电磁振动习惯上称为振荡。振动影响仪器设备功能，降低设备工作精度，加剧构件磨损，引起结构疲劳破坏；有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。,E 41 共振,系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫共振。一个系统有无数个固有频率，我们常研究低范围的系统频率。一些共振的例子比如有：乐器的音响共振、太阳系一些类木行
25、星的卫星之间的轨道共振、动物耳中 基底膜的共振，电路的共振等等。一个系统有多个共振频率，这些频率上振动比较容易。假如引起振动的频率比较复杂（比如是一个冲击或者是一个宽频振动），一个系统一般会“挑出”其共振频率随此频率振动，将其它频率过滤掉。电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振。,E 42 弹性波,弹性介质中物质粒子间有弹性相互作用，当某处物质粒子因受到扰动或外力的作用离开平衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性恢复力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为弹性波，并伴随有能量的传递。在液体和气体
26、内部只能由压缩和膨胀而引起应力，所以液体和气体只能传递纵波。而固体内部能产生切应力，所以固体既能传播横波也能传播纵波。,E43 干涉,频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。产生条件：1.频率相同；2.振动方向相同；3.相位相同或相位差恒定。性质：1、波的独立传播原理-各波源所激发的波可以在同一介质中独立地传播，它们相遇后再分开，其传播情况（频率、波长、传播方向、周相等）与未遇时相同，互不干扰；2、位移矢量叠加原理-在其重叠区域里，介质质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的
27、位移的矢量和；3、一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象。,E 44 驻波,频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，但上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波在行波中能量随波的传播而不断向前传递，其平均能流密度不为零；但驻波的平均能流密度等于零，能量只能在波节与波腹间来回运行，以动能和位能的形式交换储存，亦传播不出去。为得到最强的驻波，弦或管内空气柱的长度L必须等于半波长的整数倍。,E 45 反射,光在两物质界面上改变传播方向又返回原来介质中的现象。“三线共面，两线分居，两角相等，光路可逆”,E 46 折射,光从一种介质斜射入另
28、一介质时传播方向会发生变化。交界处既发生折射也发生反射。反射光光速与入射光相同，折射光光速与入射光不同（费马最小时间原理）。折射定律：光从空气斜射入水或其他介质中时，反射光线与入射光线、法线在同一平面，折射光和入射光分居法线两侧；折射角小于入射角；入射角增大时，折射角随着增大；当光线垂直射向介质表面时，传播方向不变，光路可逆。,i,r,E 47 发射聚焦,控制一束光或粒子流使其尽可能会聚于一点的过程。如凸透镜能使平行光线聚焦于透镜的焦点；在电子显微镜中利用磁场和电场可使电子流聚焦；雷达利用凹面镜使甚高频聚焦。聚焦是成像的必要条件。,E 48 法拉第效应（磁致旋光）,一束平面偏振光穿过媒质时，若
29、在媒质中沿光传播方向加一磁场，就能观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使媒质具有旋光性。,Verdet常数,磁感应强度,光在介质中经过的路程,旋光角,不同物质偏振面旋转的方向也可能不同。旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正（右）旋V0；反之叫负(左)旋V0。对于旋光性晶体或溶液，当平面偏振光通过介质后被反射回来沿反向再通过该介质，其出射光偏振面仍为入射介质前的偏振状态，旋光角相消为零。而法拉第效应是不可逆光学过程，光线往返一周，出射光偏振面旋转角度增加一倍。,E 49 电光克尔效应,各向同性介质在外电场作用下变为呈单轴双折射晶体性质，其光轴平行于外电场，由于各向异性而产生双
30、折射，称为克尔效应；各向异性介质在外电场作用下要改变原有的双折射性质，晶体变双轴晶体，称为泡克尔斯效应；这两种现象都称为电致双折射效应。,电场强度,克尔常数,e光与o光的光程差,e光与o光的相位差,电场电压,o 光在晶体中的折射率,电压,电光常数,泡克尔斯效应相位差,在外磁场作用下某些非晶体也会显示出双折射性质，称为人为磁致双折射效应。佛克脱效应发生于蒸汽中，科顿-穆顿效应发生于液体中。,光在真空中的波长,磁场强度,常数,E 50 热电现象,塞贝克效应，即两种不同金属构成闭合回路，当两接头存在温差时，回路中将产生电流。利用PbTe和Sb2Te3材料分别作N、P 臂的单级温差电致冷器的最大温差约
31、40，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为Bi2Te3Sb2Te3Sb2Se3三元合金，最大优值达3.5103/，用这种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到70以上。,E 51 珀尔帖效应,计算证明，有一半的焦耳热传给热电元件的冷端，引起制冷效应降低。,除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的 热量：,(2-161),式中k 长L 的热电元件 总导热系数,若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 及 则：,(2-162),电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的 功率 为,(2-164),因此电偶对的 制冷系数 可以表示为：,(2-165),(2-163
32、),因此，电偶对 的制冷量 应为珀尔贴热量与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即：,热电制冷特性分析,在电流I 为某一定值的情况下，令,最大温差大小与电流大小有关。,若两电偶臂的几何尺寸相同()具有相同的导热系数 及相同的电阻率，则式（2-169）变为,或,(2-170),(2-171),式中 热电元件材料的 电导率,若，则,(2-172),由此可见:热电制冷的 最大温差取决于材料的 组成的一个综合参数及冷端温度。此综合参数称为制造电偶对材料的优质系数Z，即,(2-173),分析电堆的制冷系数与供给热电堆的电流值的关系。对电流取偏导数，令其等于零，得到与最大制冷系数相对应的电流及电压值,式中,故
33、制冷系数 与温差 以及材料优质系数Z有显著关系。,不用制冷剂无机械传动部分冷却速度和制冷温可任意调节可将冷热端互换体积和功率都可做得很小方便的可逆操作可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却 可做成零点仪,E 52 汤姆逊效应,当电流流过两端温度不同的导体时，除产生焦耳热外，导体中还有随电流方向改变而吸收或放热的现象。导体中必定存在一电动势，并且方向随电流方向可逆，称为汤姆逊电动势。设导体两端处于不同的温度T和T0，且TT0。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
34、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）,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,kV,沙里“逃”金,油水分离技术示意图,油颗粒,油水混合物,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.2
35、9,550-552,2000,大颗粒 100 kVm-1 20 min,种子 场强 时间,小颗粒 30 kVm-1 5 min,人工静电场设置技术,数据来源:物理 Vol.29,550 552,2000,蔬 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 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:,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
36、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
37、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,接地放电尖端放电火花放电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
38、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。,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
39、：r1时，可用斯莫鲁科夫斯基公式描述电泳速度v和电势间的关系：,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：r1时，可用休克尔公式描述电泳速度v和电势间的关系：,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
40、定显微镜可分辨的胶粒，一般在200nm以上。,E 61 电介质,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,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,
41、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,压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；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
42、）,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。,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：
43、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
44、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）。,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
45、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
46、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,E 69 居里效应（热磁效应）,根据磁化效果，磁介质可划分为
47、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
48、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
49、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。,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,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
50、场联合作用作用下磁化，呈现似加重现象。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,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
