Имитатор процессов общей поляризации воды

Полезная модель относится к системам управления и может быть использована в молекулярной физике и физической химии для исследования временных и частотных характеристик элементарного объема обыкновенной воды. Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является эффективное моделирование широкодиапазонных диэлектрических спектров воды, имеющих место при заданных параметрах внешнего электрического поля. Поставленная задача достигается за счет того, что в рассматриваемую систему, содержащую блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен ко входу второго осциллографа и входам каждого из пяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой электронной поляризации воды, выходы каждого из которых соединены со входом второго блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, а также содержащую блок усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом 2/3₀, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, дополнительно вводятся семь блоков формирователей передаточных характеристик, вход каждого из которых соединен с выходом первого сумматора, при этом выходы первых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих валентным колебаниям, характерным для упругой ионной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора; выходы вторых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих деформационным колебаниям, определяющим упругую ионную поляризацию, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы четвертого сумматора, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора; выходы пятого и шестого дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой дипольной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы шестого сумматора; выход седьмого дополнительного блока формирователя передаточной характеристики, соответствующего релаксационной поляризации, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого, как и выходы пятого и шестого блоков суммирования, а также выход блока усилителя, соответствующего упругой электронной поляризации, соединен со входом седьмого блока суммирования, выход которого подключен ко входу блока усилителя с коэффициентом N.

Полезная модель относится к системам управления и может быть использована в молекулярной физике и физической химии для исследования временных и частотных характеристик элементарного объема обыкновенной воды.

Известна подобная полезная модель, предназначенная для имитирования процессов упругой электронной поляризации молекулы воды (патент на полезную модель 110491 от 20.11.2011). Данная система состоит из блока генерирования входного сигнала, соответствующего напряженности внешнего поля; сумматоров, осциллографов, а также пяти блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой электронной поляризации воды, и блоков усилителей.

Основными недостатками данной системы являются: узкий диапазон ультрафиолетовых и видимых частот для моделирования спектров оптических постоянных Н₂О, в то время как предлагаемая модель предназначена для исследования поляризационных свойств воды в широком диапазоне; достаточно сложная структура представления коэффициента , предназначенная для выделения вкладов деполяризующего и усиливающего полей, с технической точки зрения не представляющего принципиальной разницы.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является эффективное моделирование широкодиапазонных диэлектрических спектров обыкновенной воды, имеющих место при заданных параметрах внешнего электрического поля.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в рассматриваемую систему, содержащую блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен ко входу второго осциллографа и входам каждого из пяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой электронной поляризации воды, выходы каждого из которых соединены со входом второго блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, а также содержащую блок усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом , где ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, дополнительно вводятся семь блоков формирователей передаточных характеристик, вход каждого из которых соединен с выходом первого сумматора, при этом выходы первых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих валентным колебаниям, характерным для упругой ионной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора; выходы вторых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих деформационным колебаниям, определяющим упругую ионную поляризацию, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы четвертого сумматора, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора; выходы пятого и шестого дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой дипольной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы шестого сумматора; выход седьмого дополнительного блока формирователя передаточной характеристики, соответствующего релаксационной поляризации, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого, как и выходы пятого и шестого блоков суммирования, а также выход блока усилителя, соответствующего упругой электронной поляризации, соединен со входом седьмого блока суммирования, выход которого подключен ко входу блока усилителя с коэффициентом N.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. представлена блок-схема имитатора процессов общей поляризации обыкновенной воды, в которую входят: 1 - блок генерирования входного сигнала Е₀, соответствующего напряженности внешнего поля, представленной гармонической функцией E₀(t)=A _E0·sin(_E0t) (где A_E0 и _E0 - соответственно амплитуда и частота колебания внешнего электрического поля); 2 - первый блок суммирования; 3 - первый осциллограф; 4 - второй осциллограф; 5-9 - блоки формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой электронной поляризации, характеризуемой деформациями 1s, 2s, 2р, 3s и 3p-орбиталей электронных оболочек частиц кислорода О^2- и водорода Н⁺; 10-11 и 12-13 - блоки формирователей передаточных характеристик, определяющие, соответственно, валентные и деформационные колебания молекулы воды, характерные для упругой ионной поляризации; 14-15 - блоки формирователей передаточных характеристик, соответствующие либрационным колебаниям молекулы Н₂О относительно молекулярных осей y и x, которые обуславливают упругую дипольную поляризацию; 16 - блок формирователя передаточной характеристики, соответствующий релаксационной поляризации воды; 17 - второй блок суммирования; 18-25 - блоки усилителей с соответствующими коэффициентами, определяющими конкретный вид поляризации; 26-30 - третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой блоки суммирования, соответственно; 31 - блок усилителя с коэффициентом N, эквивалентным концентрации молекул воды в элементарном объеме воды; 32 - блок усилителя с коэффициентом 2/3₀; Е - сигнал на выходе системы, соответствующий напряженности эффективного поля.

Учитывая совокупность всех разновидностей происходящих поляризационных явлений, возникающих в результате взаимодействия слабого электромагнитного поля света с микрочастицами, образующими разбираемую жидкость, оказывается возможным выделить следующие ее виды. С одной стороны, это молекулярные колебания воды, к которым относятся деформация электронных оболочек частиц, составляющих молекулу (упругая электронная поляризация); изменения длины валентных связей ОН, а также валентных углов НОН (упругая ионная поляризация); изменения положения молекул Н₂О относительно их исходных уравновешенных состояний (упругая дипольная поляризация). Стоит отметить, что совпадение молекулярной оси z с направлением собственного дипольного момента молекулы воды для случая рассмотрения процессов ее упругой дипольной поляризации определяет переориентации только относительно осей x и y.

Принимая во внимание небольшие значения величин коэффициентов затухания колебаний частиц, характерные для вышеперечисленных процессов и обусловленные слабостью сил внутреннего трения, каждый из них представляет соответствующий вид именной упругой поляризации.

С другой стороны, отдельно выделяются процессы релаксационной поляризации воды, т.е. сильно затухающие гармонические колебания ее многомолекулярных образований типа (Н₂O)_n, имеющих место в рассматриваемой жидкости за счет автономного образования водородных связей ОНО. При этом подобные явления, учитывая высокую инерционность участвующих в них частиц, начинают проявляться только в области достаточно низких частиц оптического спектра, соответствующих техническому диапазону.

Учитывая, что совокупность упругих видов поляризации исследуемого жидкого диэлектрика может быть достаточно эффективно описана набором линейных дифференциальных уравнений, отражающих вынужденные затухающие колебания частиц изолированных молекул Н₂О и учитывающих обратные связи, объективно существующие в любой диэлектрической системе; а также математическую модель вынужденной переориентации молекулярных ассоциатов (Н₂O)_n, обусловленной действием переменного электрического поля малой амплитуды, наиболее адекватным математическим описанием общей совокупности процессов поляризации воды, представленной отдельными молекулами Н₂О, а также их кластерными или конгломератными соединениями, является кибернетическая модель вида (1).

где µ_l(t) - наведенные дипольные моменты соответствующих частиц; b_l и _0l - соответственно, коэффициент затухания и частота собственных колебаний молекулярного клатрата воды определенного вида ( с учетом наличия пяти электронных пар, имеющихся у молекулы воды); е и m_е - заряд и масса электрона; m_H - масса иона водорода; - величина валентного угла НОН; µ_OH и I_OH - собственный дипольный момент и момент инерции химической связи ОН; µ₀ - собственный дипольный момент молекулы Н₂О; I_y и I_x - моменты ее инерции относительно молекулярных осей y и x; µ - суммарный дипольный момент водного ассоциата; I - суммарный момент инерции рассматриваемой молекулярной связки; E₀(t) и E(t) - функции напряженности внешнего и эффективного полей; ₀ - электрическая постоянная; N_i - концентрации одинаковых частиц.

Стоит отметить, что в системе (1) упругую электронную поляризацию молекул воды определяют процессы 1-5, ионная поляризация характеризуется процессами 6-9, процессы 10-11 описывают упругую дипольную поляризацию, процесс 12 обуславливает релаксационную поляризацию.

При этом именно возможность представления системы (1) с точки зрения технической кибернетики в виде некоторой замкнутой линейной системы управления с явно выраженной отрицательной обратной связью позволяет сформировать описанное выше устройство.

Система управления функционирует следующим образом.

Сигнал E₀ с выхода блока генерирования входного сигнала 1 поступает на первый вход первого блока суммирования 2, а также на вход первого осциллографа 3, где отображается наглядно. Сигнал Е с выхода первого блока суммирования поступает на вход каждого из двенадцати параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик 5-16 и на вход осциллографа 4, предназначенного для графического отображения динамики изменения выходной переменной. Сигналы с выходов блоков 5-9 после суммирования на блоке 17 при прохождении через блок усилителя 18 поступает на вход блока суммирования 30. Сигналы с выходов каждого из блоков 10 и 11, а также 12 и 13 при прохождении, соответственно, через блоки усилителей 19, 20, 21 и 22 поступают на входы соответствующих блоков суммирования 26 и 27, сигналы с выходов которых поступают на вход блока суммирования 28, выходной сигнал с которого поступает на второй вход сумматора 30. Сигналы с выходов блоков 14 и 15 после прохождения через соответствующие блоки усилителей 23 и 24, складываясь в сумматоре 29, поступают на третий вход блока суммирования 30. Выходной сигнал с блока 16 после прохождения блока усилителя 25 также поступает на вход блока суммирования 30, выходной сигнал с которого при прохождении через блок усилителя 31 с коэффициентом N и блок усилителя 32 с коэффициентом поступает на второй вход первого блока суммирования 2, где складывается с сигналом E₀.

Технический результат использования полезной модели заключается в получении устройства для наглядного представления процессов общей поляризации обыкновенной воды, позволяющей при исследовании взаимодействия поляризационных свойств диэлектрика с параметрами приложенного к нему электрического поля анализировать не только частотные, но и временные диэлектрические спектры, которые зачастую не рассматриваются в силу наличия физических затруднений, вызванных чрезмерно малым временем установления поляризационных процессов, составляющих порядка 10^-18÷10^-10 с.

Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.

Имитатор процессов общей поляризации воды, включающий блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен со входом первого осциллографа и первым входом первого блока суммирования, выход которого подключен ко входу второго осциллографа и входам каждого из пяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой электронной поляризации воды, выходы каждого из которых соединены со входом второго блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, и блок усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом 2/3₀, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, отличающийся тем, что дополнительно содержит семь блоков формирователей передаточных характеристик, вход каждого из которых соединен с выходом первого сумматора, при этом выходы первых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих валентным колебаниям, характерным для упругой ионной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора; выходы вторых двух дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих деформационным колебаниям, определяющим упругую ионную поляризацию, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы четвертого сумматора, выход которого соединен со вторым входом пятого сумматора; выходы пятого и шестого дополнительных блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих упругой дипольной поляризации, соединяются с соответствующими входами блоков усилителей, выходы каждого из которых поступают на входы шестого сумматора; выход седьмого дополнительного блока формирователя передаточной характеристики, соответствующего релаксационной поляризации, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого, как и выходы пятого и шестого блоков суммирования, а также выход блока усилителя, соответствующего упругой электронной поляризации, соединен со входом седьмого блока суммирования, выход которого подключен ко входу блока усилителя с коэффициентом N.