Имитатор электронной поляризации молекулы 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, приближающееся к достоверному, моделирование диэлектрических спектров обыкновенной воды, имеющих место при заданных параметрах внешнего электрического поля. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в имитаторе электронной поляризации молекулы воды, включающем блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен к входу второго осциллографа и входам блоков формирователей передаточных характеристик, подключенных параллельно, а так же блоки усилителей, блоки суммирования, выход первого из девяти блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомной орбитали 1s², заселенной двумя электронами, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого соединен со вторым блоком суммирования, выход последнего, в свою очередь, подключен ко входу соответствующего блока усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом 2/3₀, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, причем выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 2s¹2p³, соединяются с соответствующими входами третьего блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования, а выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 3s ¹3p³, подключены ко входам четвертого блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования.

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 то, что, учитывая полное отсутствие электронов у ионов водорода, физическая модель электронной конфигурации молекулы воды была представлена исключительно совокупностью внутренней (первой) и внешней (оптической) оболочек частицы O^-2, образованных ее 1s-, 2s- и 2p-электронами. Таким образом, общее число электронных пар, имеющихся у молекулы воды, рассматривалось равным пяти. При моделировании диэлектрических и оптических характеристик, исходя из ранее предлагаемого описания электронной конфигурации, полученные результаты имели достаточно большое отклонение от данных физического эксперимента. Это говорит о необходимости модифицирования ранее рассмотренного описания электронной конфигурации. Предлагаемая модель электронной конфигурации молекулы воды имеет следующее представление: 1s-орбиталь, на которой расположена электронная пара; 2s на которой расположен один электрон; три электрона располагаются поодиночке на каждой из трех 2p-орбиталей, на 3s-орбитали расположен один электрон; три электрона располагаются поодиночке на каждой из трех 3p-орбиталей. Таким образом, вместо совокупности пяти уравнений, предлагается рассмотреть совокупность девяти уравнений. Моделирование оптических и диэлектрических характеристик опирающееся на предлагаемую конфигурацию, дает не только совпадение характера реального диэлектрического спектра, но достаточно небольшое отклонение от него.

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

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в имитаторе электронной поляризации молекулы воды, включающем блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен к входу второго осциллографа и входам блоков формирователей передаточных характеристик, подключенных параллельно, а так же блоки усилителей, блоки суммирования, выход первого из девяти блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомной орбитали 1s², заселенной двумя электронами, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого соединен со вторым блоком суммирования, выход последнего, в свою очередь, подключен ко входу соответствующего блока усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом 2/3₀, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, причем выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 2s¹2p³, соединяются с соответствующими входами третьего блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования, а выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 3s ¹3p³, подключены ко входам четвертого блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена блок-схема имитатора электронной поляризации молекулы воды, в которую входят: 1 - блок генерирования входного сигнала E0, 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 - блок формирователя передаточной характеристики, соответствующей колебаниям орбитали электронной оболочки 1s, заселенной двумя электронами; 6 - блок формирователей передаточной характеристики, соответствующей колебаниям орбитали электронной оболочки 2s заселеной одним электроном; 7-9 - блоки формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям орбиталей электронных оболочек 2p, на каждой из которых находится по одному электрону; 10 - блок формирователя передаточной характеристики, соответствующей колебаниям орбитали электронной оболочки 3s, заселенной одним электронам; 11-13 - блоки формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям орбиталей электронных оболочек 3p, на каждой из которых находится по одному электрону; 14 - третий блок суммирования; 15 - четвертый блок суммирования; 16-18 - блоки усилителей с соответствующими коэффициентами; 19 - второй блок суммирования; 20 - блок усилителя с коэффициентом N, эквивалентным концентрации молекул воды в элементарном объеме воды; 21 - блок усилителя с коэффициентом 2/3₀; E - сигнал на выходе системы, соответствующий напряженности эффективного поля.

Учитывая, что упругая электронная поляризация 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, наиболее адекватным математическим описанием процесса упругой электронной поляризации воды, представленной отдельными молекулами H ₂O, является кибернетическая модель вида (1).

где µ_k(t) - наведенные дипольные моменты соответствующих частиц; b_k и _0k - соответственно, коэффициент затухания и частота собственных колебаний орбиталей электронных оболочек (); e и m_e - заряд и масса электрона; E₀ (t) и E(t) - функции напряженности внешнего и эффективного полей; ₀ - электрическая постоянная; N - концентрация.

Стоит отметить, что в системе (1) описываются колебания каждой из орбиталей электронных оболочек молекул воды, процесс 1 описывает колебания 1s оболочки, заселенной двумя электронами; 2-9 - описывают колебания каждой из 2s, 2p, 3s, 3p оболочек, на каждой из которых расположен только один электрон.

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 с выхода первого блока суммирования поступает на вход каждого из девяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик 5-13 и на вход осциллографа 4, предназначенного для графического отображения динамики изменения выходной переменной. Сигналы с выхода блока 5, после прохождения блока усилителя 16, поступают на блок суммирования 19. Сигналы с выходов блоков 6-9, после суммирования на блоке 14 и затем прохождения через блок усилителя 17, поступают на вход блока суммирования 19. Сигналы с выходов каждого из блоков 10 и 11, а также 12 и 13, после прохождения блока усилителя 15, а затем блока усилителя 18, поступают на вход блока суммирования 19, выходной сигнал с которого, после прохождения через блок усилителя 20 с коэффициентом N и через блок усилителя 21 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 и достоверного представления процесса электронной 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 электронной поляризации молекулы воды, включающий блок генерирования входного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен к входу второго осциллографа и входам блоков формирователей передаточных характеристик, подключенных параллельно, а также блоки усилителей, блоки суммирования, отличающийся тем, что выход первого из девяти блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомной орбитали 1s ², заселенной двумя электронами, подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход которого соединен со вторым блоком суммирования, выход последнего, в свою очередь, подключен ко входу соответствующего блока усилителя с коэффициентом N, выход которого соединен со входом блока усилителя с коэффициентом 2/3₀, выход последнего подключен ко второму входу первого блока суммирования, причем выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 2s¹2p³, соединяются с соответствующими входами третьего блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования, а выходы последующих четырех блоков формирователей передаточных характеристик, соответствующих колебаниям атомных орбиталей 3s ¹3p³, подключены ко входам четвертого блока суммирования, выход которого подключен ко входу соответствующего блока усилителя, выход последнего подключен ко входу второго блока суммирования.