2.Описание экспериментальной установки и методики эксперимента

Экспериментальная установка изображена на рис.5. Ультразвуковой генератор 1 позволяет получать частицы воды диамет­ром около 100 мкм методом акустической (ультразвуковой) кавитации. Интенсивная ультразвуковая волна, распространяющаяся в жидкости, создает области высокого гидростатического давления. В этих местах возникают кавитационные пузырьки.

Рис. 5. Блок-схема экспериментальной установки.

1 – звуковой генератор; 2 – ячейка; 3 – стеклянная трубка; 4 – оптоэлектронная пара; 5 – вольтметр.

Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа в пузырьках до температуры порядка 10^{4 0}С. Акустическая кавитация разрушает связи между молекулами жидкости. Частицы из ячейки 2 вылетают в вертикальном направлении через отверстие S₀. Стеклянная трубка 3 сечением S_T ограничивает пространство, заполненное частицами.

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

Лабораторная установка такой конструкции позволяет реализо­вать несколько лабораторных работ различной сложности, теоретического обоснования расчетных соотношений, положенных в основу обработки результатов измерений.

Экспериментальная установка УКЛО – 4Б снабжена необходимыми электроизмерительными приборами. На передней панели (рис.6) расположены мультиметр 1, тумблер включения осветителя 2 – «лампа» с индикацией, тумблер включения установки «сеть» 3 с индикацией, ручка «выход» 4 регулировки количества частиц в потоке, линейка 5 для отсчета положения измерительного блока (оптоэлектронной пары 6), ячейка для исследуемой жидкости 7 со стеклянной трубкой 8 генератора «Ореол» 9 .

2.1 Соотношение Эйнштейна

Рассмотрим случай стационарной работы генератора (рис. 5.). Здесь имеет место два про­цесса. Во-первых, диффузионный поток частиц из ячейки в вертикальном направлении, во-вторых, движение частиц в постоянном и однородном силовом потенциальном поле Земли. В силу стационарно­сти процесса, концентрация частиц меняется в пространстве в соответствии с формулой Больцмана:

, (2.1)

где T –эффективная температура частиц.

Тогда из условия равновесия диффузионного и «силового» потоков можно получить:

. (2.2)

Это соотношение было установлено Эйнштейном и носит его имя. Из распределения Больцмана (2.1), найдем значение эффективной температуры, которое имеет вид:

. (2.3)

Для нахождения отношения концентраций используется закон Бугера. Поскольку, в лабо­раторной работе используется оптоэлектронная пара, то показания вольтметра 5 (рис.5) про­порциональны интенсивности излучения лампочки:

, (2.4)

где – коэффициент поглощения,а – константа, – расстояние пройденное излу­чением. Тогда, для эффективной температуры частиц можно получить выражение:

, (2.5)

где величину удобно определить в результате измерений на высоте, когда концентра­цией частиц можно пренебречь. Такой способ позволяет учесть прозрачность колбы и геометрические параметры установки. Тогда область изменения интенсивности определя­ется как.