Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Главная страница


Дополнительного педагогического




страница14/15
Дата15.05.2017
Размер3.46 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15

Эксперимент №2

Выявить экспериментальным путём оптимальную форму диффузора

Цели и задачи: выявить экспериментальным путём оптимальный угол при вершине конусообразного диффузора для использования его в динамике СЧ.

Приборы и материалы: испытательный стенд (см. рис.) ; конусы с радиусом 150 мм и углами при вершине в 60, 90, 120, 160 градусов; шумомер, микрофон.

И
Рис. 20
спытательный стенд
см. эксперимент № 1

Для удобства расчёта и создания диффузора была сделана развёртка в программе SolidWorks 2012 (см. рис. 20)


Ход эксперимента:

  1. Собрал модель динамика(см. рис.)

  2. Сгенерировал изменяющуюся звуковую волну в диапазоне 20 Гц – 15 Гц и подал стенд.

  3. Измеряются показания микрофона (В) и шумомера (Дц) на разной высоте от источника звука.

  4. Составил сводную таблицу данных (см. ниже).

  5. Составил диаграмму зависимостей результатов эксперимента и условий его проведения

Показания микрофона и шумомера в ходе эксперимента

Место измерения, см

-5

0

10

30

Угол, градус

Площадь, см^2

Уровень шума, Дц

84,5

77

67

64

60

626




89

87

82,5

73

90

442




84

80

71

64

120

362







77

69

62

150

324

Мощность звука, В

0,16

0,1

0,04

0,027

60

626




0,31

0,25

0,13

0,06

90

442




0,23

0,13

0,05

0,025

120

362







0,16

0,06

0,03

150

324


Вывод: оптимальным углом при вершине конусообразного диффузора для воспроизведения СЧ является угол в 90⁰, что подтверждает сказанное в разделе “ Распространение волн разных частот”. Если использовать диффузор с углом 90⁰ то НЧ и ВЧ воспроизводятся тихо.

Из эксперимента №2 видно, что для широкодиапазонного динамика использовать один конусообразный диффузор не получится. Есть два варианта как выйти из сложившийся ситуации: собрать колонку из 3 различных диффузоров (НЧ, СЧ, ВЧ) или попробовать сделать диффузор сложной формы, чтобы он включал в себя все 3 вышеописанных. Я веберу второй вариант, потому что первый достаточно известный и широко используемый, а мне интересно попробовать другие варианты расширения диапазона воспроизводимых частот.

Итоговая конструкция совмещает в себе диффузоры для разных часто, т. к. составляет тороидальную поверхность, учитывающую особенности распространения всех частот.

Готовый динамик

Для изготовления был сделан чертёж в программе SolidWorks 2012



Далее чтобы сделать его громче я усилил входной сигнал с помощью усилителя.

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц.

Виды:

  1. Ламповый

  2. Транзисторный


Плюсы и минусы ламповых усилителей

Плюсы:

  1. Плавный переход в амплитудное ограничение;

  2. Большой динамический диапазон (поскольку амплитудное ограничение не так заметно при полной мощности);

  3. Перегруженный звук (овердрайв) — "музыкальный" (то есть мягкий, не резкий);

  4. Разные модели дают постоянный стандартный узнаваемый звук;

  5. Большой ограниченный диапазон частот (усилитель и динамик в комбинации обычно дают от 80 до 6000 Гц).

Минусы:


  1. Усилители имеют большой вес из-за выходного трансформатора;

  2. Лампы обычно приходится заменять не реже одного раза в год для поддержания оптимального звука, причем лампы необходимо подобрать на точное соответствие друг другу по амплитудно-частотным характеристикам;

  3. Лампы "шумнее" (выдают шипение, т.н. микрофонный эффект);

  4. Усилители греются при работе (и только у немногих есть охлаждающие вентиляторы!);

  5. Дороги по цене и содержанию.


Плюсы и минусы транзисторных усилителей

Плюсы:


  1. Отсутствие накала. Мгновенная готовность к работе — весьма ощутимый плюс;

  2. Высокая механическая прочность. Надо ли говорить, как важна высокая механическая надежность усилителя для практической работы;

  3. Низкая стоимость транзисторов. По отношению к лампам той же суммарной мощности транзисторы стоят значительно дешевле;

  4. Неограниченный срок службы. Потеря эмиссии у ламп — вещь крайне неприятная и, увы, неизбежная, и транзисторы здесь выглядят куда привлекательнее;

  5. Отсутствие необходимости использовать выходной трансформатор. Отсутствие
    ограничений со стороны выходного трансформатора позволяет добиваться характеристик, которые для ламповых аппаратов недостижимы;

  6. Малые размеры и вес. Тоже весьма неплохое дополнение к предыдущим плюсам.


Минусы:


  1. Термозависимость. Усилителю необходимо постоянное охлаждение, т.к. при повышении температуры кристалла транзистора выше 25 градусов по Цельсию мощность усилителя падает до нуля;

  2. Нелинейность входной характеристики. Главный недостаток, с точки зрения поборников лампового звука. Действительно, входная характеристика транзисторного усилителя имеет резкий излом, поэтому использование транзистора в качестве усилителя напряжения заведомо ограничивает получение звука высокого качества;

  3. Транзисторные усилители гораздо беднее ламповых по сочности, насыщенности звучания.


Используемая литература

  1. Справочник по элементарной физике (Н. И. Кошкин и М. Г. Ширкевич; Москва 1965)

Интернет-ресурсы

1. http://www.rgkiu.ru/

2. http://www.audio-hi-fi.ru/

3. http://www.mymus2011.narod.ru/

4. http://www.abitura.com/ ( Электронный справочник по физике создан на основе книги авторов И. М. Гельфгата, Л. Э. Генденштейна, Л. А. Кирик, Е. Ю. Свириновской Физика в таблицах, изд-во "Илекса", "Гимназия" Москва - Харьков, 1998.)

Изучение спектров излучения некоторых металлов в процессе горения
Смирнов Григорий,

ученик 9 класса ГБОУ СОШ № 473,

руководитель - Волкова Ирина Александровна,

учитель физики ГБОУ СОШ № 473
Тестируя очередной состав цветного пламени, я задался вопросом, который двигает человечество вперед: «Почему?». Если быть точнее, в моем случае он звучал примерно так: «Почему же пламя окрашивается в различные цвета при добавлении к нему некоторых веществ?». На этот вопрос мне дало ответ направление науки, под названием Спектральный Анализ. Благодаря этому направлению человек знает состав звезд, температуру, скорость и т.д. Например наше солнце содержит много гелия (He) и натрия (Na), которые имеют в эмиссионном спектре желтые полосы. Именно поэтому солнце желтое.

Меня заинтересовало: действительно ли по цвету пламени можно определить химический состав смеси? Как широко человек может использовать возможность определять состав веществ при помощи спектрального анализа?

Целью моей работы является приготовление и проведение эксперимента по проявлению различных цветовых эффектов при горении ионов металлов , а так же рассмотрение способов применения спектрального анализа в различных областях деятельности человека,

Задачи:


  1. Познакомиться с понятием и начальными знаниями по спектральному анализу.

  2. Познакомиться с областями применения спектрального анализа в деятельности человека

  3. Выбрать вещества, при горении которых, будут проявляться необходимые линии спектра.

  4. Приготовить спиртовые и твердые смеси.

  5. Провести эксперимент по получению различных цветовых эффектов.

  6. Сделать вывод по возможности использования на практике спектрального анализа и проявлений цветовых эффектов при горении различных ионов металлов.

Человек заинтересовался огнем с момента первого «знакомства». Немногим позже люди приспособили его для своих целей. Однако во время пользования, в костер попадали различные вещества. При этом пламя иногда окрашивалось в различные цвета. Переливы пламени завораживали человека.

Еще не занимаясь научными исследованиями, человек наблюдал за горящим пламенем, северным сиянием, миганием звезд. Но смог объяснить эти явления человек, только привлекая научные исследования. Одним из направлений этих исследований стал метод спектрального анализа.

История спектрального анализа началась в 1802 году, когда англичанин Волланстон, наблюдая спектр Солнца, впервые увидел темные линии поглощения. Он не смог объяснить их и не придал своему открытию особого значения. Их обнаружил повторно и объяснил И.Фраунгофер, в честь которого они названы. Работы И.Фраунгофера (1787-1826) по обнаружению в спектре пламени сальной свечи двух близко расположенных ярких желтых линий, отчетливо выделяющихся на фоне сплошного спектра, по изобретению и использованию дифракционной решетки из параллельных нитей в исследованиях спектров излучения вещества и по составлению рисунка солнечного спектра, обозначая наиболее интенсивные линии латинскими буквами от А до Н, знаменуют один из важных этапов в становлении и развитии спектроскопии.

С помощью разработанного метода спектрального анализа Г.Р.Кирхгоф и Р.В.Бунзен открыли два новых химических элемента: цезий Cs (1860 г.) и рубидий Rb (1861 г.).

Вывод Г.Р.Кирхгофа о возможности исследования химического состава достаточно удаленных небесных тел относится к числу фундаментальных в естествознании.

Газовая горелка Р.В.Бунзена, служившая источником света в исследованиях по спектральному анализу вещества, и разработанные им точные методы газового анализа положили начало регулярного и систематического применения достижений спектроскопии в решении задач химического анализа газов, жидкостей и твердых тел, поставленных в исследовательских и заводских лабораториях.

Основанные на законе об индивидуальности линейчатых эмиссионных спектров для каждого химического элемента, сформулированном в 1859 г. Г.Р.Кирхгофом и Р.В.Бунзеном, систематические спектральные исследования, проведенные во второй половине девятнадцатого и первой половине двадцатого веков, привели физиков и химиков к открытию 14 новых элементов ( Cs, Rb, Tl, In, He, Ga, Ge, Pr, Nd, Sm, Ho, Tm, Yb и Lu ), представленных в настоящее время в соответствующих ячейках периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева.

В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии неизвестного элемента, названного гелием (греч. helios «Солнце»). Через 27 лет небольшое количество этого газа обнаружилось и в земной атмосфере. Сегодня известно, что гелий – второй по распространенности элемент во Вселенной.

В 1918–1924 годах вышел в свет каталог Генри Дрепера, содержащий классификацию спектров 225 330 звезд.

Спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Изучение спектров дает информацию о температуре, скорости, давлении, химическом составе и о других важнейших свойствах астрономических объектов, к примеру.

Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. Для нагревания широко используют пламя или плазму различных газов, а так же дугу переменного тока.

На рисунке слева мы видим горелку Бунзена. Принцип действия очень прост. Через отверстие 1 подается анализируемое вещество, которое выталкивается аргоном. Через отверстия 5 и 6 подаются горючий газ и кислород, дающие при горении температуру. Затем в пламени происходит свечение.

На рисунках выше изображен спектроскоп. Из горелки Бунзена в коллиматор этого прибора попадают лучи, испускаемые при горении. Далее этот луч расщепляется призмой на свойственные веществам линии и попадает в зрительную трубу или фотокамеру. Затем происходит анализ и сопоставление характера и интенсивности этих линий.

Как видно, прибор прост, компактен и не требует специальных приготовлений, навыков и т.п. Поэтому этот метод и нашел такое широкое применение, об этом ниже.

Значение спектрального анализа

В наше время спектральный анализ применяется очень широко, ввиду простоты, возможности вести исследования издалека, дешевизны и точности. Поэтому этот метод часто используется во многих отраслях промышленности, таких как:



  1. Аналитическая химия

  2. Металлургия (состав сплава, руды и т.д.)

  3. Медицина (инородные вещества в теле человека и т.д.)

  4. Астрофизика (определение состава небесных тел, температуры и т.д.)

  5. Геология (анализ состава почвы и т.д.)

  6. Археология и др.

В металлургии

Спектральный анализ позволяет определять состав вещества — и атомный, и молекулярный. С его помощью стало возможным проведение качественного обнаружения отдельных компонентов анализируемой пробы и количественного определения концентраций каждого из них.

Вещества с близкими химическими свойствами, которые сложно или даже невозможно подвергнуть анализу химическими методами, можно легко определить спектрально. Методы количественного и качественного атомного спектрального анализа на сегодняшний день разработаны гораздо лучше, чем молекулярного, чем и объясняется их более широкое применение на практике. Атомный спектральный анализ используется при необходимости анализа самых разнообразных объектов. Областями его применения являются, в первую очередь, отрасли черной и цветной металлургии, машиностроения.

Сущность спектрального анализа стали состоит в следующем. Участок испытуемого изделия (заготовки, отливки, готовой детали) очищают от грязи, окалины, краски, приближают к нему электрод до возникновения электрической дуги. Химические элементы исследуемой стали под воздействием высокой температуры электрической дуги испаряются. Пары различных элементов (молибдена, хрома и пр.) своим свечением создают спектральные линии различных цветов. По цвету спектра, видимому в оптический прибор, можно судить об имеющихся в проверяемом образце стали тех или иных легирующих элементов.



Один из способов применения в медицине (микроэлементный состав волос)

Спектральный анализ волос - это современный метод диагностики, с помощью которого можно выявить нарушения минерального обмена веществ в организме человека. Спектральный анализ волос позволяет определить предрасположенность человека к различным заболеваниям, (связанным с дефицитом минералов, нарушением их баланса в организме или токсическим воздействием), проводить их профилактику и эффективное лечение. Проведённые исследования доказали, что волос - это своего рода «минеральный паспорт» нашего организма, а каждый человек имеет свой неповторимый "элементный статус", который соответствует его возрасту, полу, темпераменту, образу жизни, условиям проживания и т.д.

При помощи спектрального анализа волос можно выявить не только заболевание волос, но и всего организма, такие как  снижение иммунитета, заболевания сердечно-сосудистой системы, остеопороз, анемии, импотенции и многих других заболеваний.… Для исследования с затылочной части головы берется прядь волос длиной 3-4 см. Этого достаточно для того, чтобы определить изменения в организме, происходящие на протяжении последних трех месяцев. Если взять более длинные волосы, можно проследить и ранние изменения. Срезанную прядь обезжиривают, промывают и добавляют азотную кислоту. Там они растворяются, и полученный субстрат попадает в спектрометр, куда по специальным трубкам подается газ аргон. Полученный состав сжигают в этом приборе. Прибор анализирует цвет пламени, который зависит от содержания микроэлементов. Так, углерод дает пламени голубой оттенок, натрий – желто-оранжевый, кальций, литий, стронций – красный, калий – фиолетовый, медь, барий и молибден дают оттенки зеленого. Далее происходит сравнение полученных данных с региональными нормами для пола, возраста и выявляется характер отклонения.

Преимущество метода спектрального анализа в том, что он безболезненный, не нарушает жизнедеятельности пациента, не представляет риска для здоровья.



В астрофизике

Астроспектроскопия — раздел астрофизики, который состоит из приложения спектрального анализа к изучению небесных тел. Первые исследования спектра Солнца были предприняты одним из изобретателей спектрального анализа, Кирхгофом, в 1859 г. Результатом этих исследований был рисунок солнечного спектра, из которого можно было определить уже с большой точностью химический состав солнечной атмосферы. Раньше Кирхгофа высказывались только иногда отдельные предположения о возможности анализа солнечной атмосферы посредством спектроскопа и в особенности о существовании на Солнце натрия вследствие найденной в спектре его тёмной линии D натрия. Такие предположения высказывались, напр., Фуко в Париже, Стоксом в Кембридже. Между тем ещё незадолго до этого Огюст Конт высказал в своей «Положительной философии» убеждение в невозможности когда бы то ни было узнать химический состав небесных тел, хотя уже в 1815 г. Фраунгофер знал о существовании тёмных линий в спектре Солнца и о существовании характеристических спектров у некоторых отдельных звёзд Сириуса, Капеллы, Бетельгейзе, Проциона, Поллукса. После первых исследований Кирхгофа спектральным анализом небесных тел занялись с большим усердием несколько астрофизиков, которые вскоре представили чрезвычайно обстоятельные исследования спектров Солнца и неподвижных звёзд. Ангстром изготовил чрезвычайно точный атлас солнечного спектра, Секки произвёл обозрение большого числа звёзд посредством спектроскопа и установил четыре типа звёздных спектров, Хаггинс начал ряд исследований над спектрами отдельных ярких звёзд. Область применения спектроскопа постепенно расширялась. Хаггинсу удалось наблюдать спектр некоторых туманностей и подтвердить уже неопровержимым образом предположение о существовании двух типов туманностей — звёздных, состоящих из куч звёзд, которые при достаточной оптической силе инструмента могут быть разложены на звёзды, и газообразных, действительных туманностей, относительно которых можно предполагать, что они находятся в фазе образования отдельных звёзд путём постепенного сгущения их вещества. С середины 60-х годов XIX века изучение поверхности Солнца посредством спектроскопа во время затмений и вне их вошло в состав непрерывных наблюдений, производящихся в настоящее время во многих обсерваториях. Хаггинс, Локьер в Англии, Жансен во Франции, Фогель в Германии, Такини в Италии, Гассельберг в России и др. дали обширные исследования, уяснившие строение верхних слоёв солнечной атмосферы. В то же время с 1868 года по мысли Хаггинса спектроскоп был применён и к исследованию собственных движений звёзд по направлению луча зрения посредством измерения перемещений линий их спектров, которые в настоящее время также производятся систематически в Гринвичской обсерватории.



В геологии

Используют спектральный анализ так же в горном деле и геологии для установления химического состава горных пород, руд, минералов, технологических проб в процессе их обогащения и переработки, в геохимических исследованиях. Например, атомный эмиссионный спектральный анализ применяется на всех стадиях поисковых и разведочных работ, при изучении месторождений, в минералогических исследованиях для определения свыше 70 элементов при содержаниях от 10-6 — 10-5 % до десятка % с возможностью одновременного определения в каждой пробе до 40 элементов. Рентгеновская флуоресценция используется для определения элементов (с атомным номером более 10) при концентрациях от 10-4% до десятков %, обладает высокой воспроизводимостью. В геологии нефтей при изучении их состава, исследовании минералов и шлифов, выяснении природы окраски и т.д. эффективно применяется молекулярный спектральный анализ. (см. Использованная литература [5])



В археологии

Метод спектрального анализа в археологии начали широко применять лишь после второй мировой войны. Спектральный анализ позволяет не только значительно быстрее, чем это делалось с помощью химических анализов, установить, из каких веществ изготовлено то или иное изделие, но и определить их количество, как бы мало оно ни было. При помощи этого метода можно ответить на вопрос, из каких веществ сделана вещь, а иногда - и где она сделана.

Например, спектральному анализу был подвергнут металл, из которого изготовлены найденные в раскопках древние мечи. Некоторые элементы, обнаруженные при исследовании, явно не были добавлены в сплав древним металлургом, а содержались в использованной руде. Если известно, в какой местности встречаются руды с подобными примесями, то можно решить, где изготовлены мечи, как далеко они завозились от места изготовления.

Спектральный анализ древнерусских стеклянных изделий показал, что на протяжении пяти веков (XI-XVI) русские мастера несколько раз меняли технологию изготовления стекла. Начав с заимствованного у византийцев рецепта варки стекла, они упорно искали свою, наиболее выгодную рецептуру и в начале XII в. нашли состав стекла из местного, дешевого сырья.



Методика исследования

  1. Основываясь на знаниях, накопленных человеком, провести отбор веществ, необходимых для доказательства возможности определять по цвету пламени химический состав горящего вещества.

  2. Определиться в источнике горения. Выявить основные компоненты, обеспечивающие получение пламени.

  3. Перед проведением эксперимента познакомиться с различными типами горения и дать им классификацию.

  4. Приготовить составы для получения излучения определенного цвета, заранее предусмотренного при изучении метода спектрального анализа.

  5. Составы, в соответствии с технологиям из литературы, получить следующим образом:

  • Жидкие спиртовые смеси приготовить смещением компонентов (этиловый спирт и соли определяемых ионов металлов).

  • Твердые составы приготовить по тем же технологиям, что и на пиротехнических производствах. Сначала измельчить все компоненты , затем смешать, далее разбавить растворителями, придать форму и высушить. В результате должны получиться твердые цилиндрики или шарики (в зависимости от формы, которая им придавалась). В пиротехнике они называются звездки.

  1. Провести эксперимент по сжиганию приготовленных составов и сравнить полученный цвет излучения с заданным по изученным литературным источникам.

  2. Ввиду отсутствия нужных приборов оценку и сравнение цвета полученного пламени с литературными источниками проводить на глаз.

  3. Сделать выводы по проведенным экспериментам. Запланировать возможность дальнейшей разработки темы исследования.

  4. Во время всех приготовлений и испытаний жестко соблюдать требования техники безопасности.

Классификация типов горения

Чтобы получился огонь, нужны три вещи: топливо (то, что горит), окислитель (точнее, кислород в воздухе или вещество-окислитель) и начальный импульс тепла (спички, зажигалка или две сухие палочки, если очень повезет).






  1. При поджигании воск плавиться, пропитывает фитиль и испаряется.

  2. Пары воска из-за температуры начинают светиться.

  3. В пламя попадают твердые частицы, и оно начинает светиться ярче.

  4. Частицы сгорают, давая еще большую температуру и свечение.

1-й тип горения – медленное.

Когда мы зажигаем свечку, огонь спички плавит воск вокруг фитиля. Жидкий воск пропитывает фитиль, закипает и превращается в газ. Этот газ выходит из фитиля как пар. Таким образом, воск, превратившийся в газ, начинает светиться с голубоватым оттенком. Но из-за недостатка кислорода появляются твердые недогоревшие частицы. Именно они дают небольшое свечение, которое перебивает голубоватый оттенок. В верхней части пламени содержится больше кислорода, поэтому твердые частицы, сгорая, дают большую температуру и свечение.

Такой тип горения мы видим постоянно. Огонь служит в наших домах для обогрева, приготовления пищи и т.д. Горение природных углеводородов, которое образует пламя голубоватого оттенка.

Или же горение дров в костре или камине. Конкретных линий спектра выделить невозможно из-за присутствия большого количества веществ в древесине.

Это медленное горение конкретного вещества или группы веществ.

Горение спиртовых смесей тоже относится к этому типу. Было проведено несколько испытаний по окрашиванию пламени спирта ионами различных металлов. Проведено наблюдение за цветом пламени и сделано сравнение с литературными источниками. (см. приложение).

2-й тип – быстрое, в бытовом понимании человека горение вещества.

К такому горению мы можем отнести горение дымного пороха, различных фейерверков и сигнальных составов.

В этом процессе участвуют вещества:


  1. Цветообразователи (спектр испускания которых мы и видим при горении)

  2. Окислители - вещества, которые могут отдавать кислород при нагревании (этот кислород необходим для самого процесса горения)

  3. Топливо – восстановитель, вещество, которое горит.

Топливо в механической смеси с окислителями (Топливно-окислительная смесь, ТОС) может гореть без доступа кислорода воздуха. В этих составах роль, например, цветообразователя и окислителя может играть одно и то же вещество. ТОСы активно применяются в пиротехнике, как зажигательные, сигнальные составы ввиду красочности горения некоторых составов. Чем мельче частицы, тем быстрее горит смесь. Скорость горения таких смесей на открытом воздухе в прессованных шашках приблизительно 1-3см/сек.

Горение твердых смесей относится к этому типу. Было проведено несколько испытаний по изучению цвета пламени этих смесей. Проведено наблюдение за цветом пламени и сделано сравнение с литературными источниками.



3-й тип – моментальное горение.

Однако если поместить ТОС в закрытый объем, то скорость горения резко возрастает по сложным физико-химическим законам. Скорость горения черного пороха в закрытом сосуде около 400 м/сек. Это очень активно применяется в оружейном деле (Дымный Порох) и развлекательном (петарды, салюты). Это уже взрыв, но не самый мощный. В данном случае цветовые эффекты человека не интересуют, поэтому мы не видим красочного сочетания цвета.

Этот тип горения экспериментально не исследовался.

4-й тип - детонация.

Другое дело, когда кислород находиться не в механической связке, а химической. Взрывчатые вещества (ВВ), как правило, представляют именно такие вещества (тротил, гексоген…). Они не просто быстро сгорают, они детонируют. Скорость детонации, в зависимости от вещества, от 1-2 км/сек до 10 км/сек. ВВ применяются во промышленности (в горном деле, ….) и военном деле (при изготовлении различного оружия). Здесь тоже человека интересует не красота процесса, а его энергия. Поэтому не происходит подбора состава на красоту вспышки.



Изучение цвета пламени.

Меня заинтересовал именно цветовой эффект, поэтому я подбирал составы вещества для получения специального цвета пламени учитывая их спектральные линии.

Если мы знаем, что некое вещество испускает волны определенной длины (т.е. светиться нужным цветом) при определенных условиях, это можно использовать.

Каждый цвет получается в результате воздействия на некоторые атомы или вещества. Например, соли бария окрашивают пламя в зеленый цвет, натрия в желтый, стронция в красный, меди в синий цвет.



Но не все вещества, содержащие эти атомы или ионы, могут придать цвет огню. При горении состава происходят сложные физико-химические процессы, образуются новые вещества, выделяется много энергии.

Составляя состав определенного цвета, необходимо в первую очередь учитывать образование того вещества, которое светиться, а затем при каких условиях оно светиться.

Белое пламя

Для получения белого огня нужен металл. Например, Mg, Ti или Al, реже Zn. Используются эти металлы, потому что их горение сопровождается ярким свечением и высокой температурой. Происходит саморазогрев смеси. Частицы начинают светиться, как при раскалении, например, гвоздя в пламени зажигалки. С повышением температуры - белее и ярче. Поэтому металлы в составы других цветов добавляют в небольшом количестве, иначе пламя выцветает и становиться белым.

При составлении смеси белого огня, я брал магний, т.к. он дает большую температуру и яркость. Ba(NO3)2 т.к. он одновременно выполняет роль цветообразователя и окислителя, а так же потому, что без донора хлора светиться белым. И органческий цементатор (клей) идитол.

Желтое пламя

Желтое пламя получается так же не сложно. Это объясняется тем, что у натрия в спектре излучения только желтый цвет. А для его свечения не нужно каких-либо особых условий по сравнению с другими цветами. Поэтому примеси солей натрия очень пагубно влияют на другие цвета.

При составлении смеси желтого огня, я брал NaNO3 как одновременно цветообразователь и окислитель. Алюминий как топливо. Декстрин как связующее.

К сожалению, алюминий оказался слишком мелкой фракции, поэтому при горении он давал чрезмерное свечение и желтое пламя выцвело




Красное пламя

Для получения красного цвета пламени требуются более конкретные условия. Наиболее подходят для этого соли стронция (Sr). Однако очень было установлено, что атомарное свечение атомов стронция дает линию в коротковолновой области спектра и использование его для создания красного окрашивания невозможно. Более тщательные исследования показали что окраска пламени вызвана моногидрокисью стронция (SrOH) образующейся в пламени при высокой температуре. Более того, оказалось что красное окрашивание дают и другие высокотемпературные соединения стронция - монохлорид (SrCl) и монобромид (SrBr). Таким образом, для создания красной окраски пламени необходимо использовать такие соединения и смеси, которые в условиях горения способны образовывать молекулы моногалогенидов и моногидрокиси стронция. Человеку знакомому с химией существование этих соединений может показаться несколько странным, ведь стронций находится во второй группе таблицы Менделеева и существование этих соединений противоречит периодическому закону. На самом деле никакого противоречия здесь нет, дело в том, что эти соединения существуют только при высокой температуре, при которой строение электронной оболочки атомов стронция изменяется и позволяет быть ему одновалентным. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений стронция используемых на практике:



Из этого можно сделать вывод, что при составлении составов красного огня желательно создать такие условия, чтобы образовывалось как можно больше монохлорида и монобромида стронция. Поэтому в составы вводят хлорсодержащие вещества (доноры хлора). При составлении смеси красного огня, я брал Sr(NO3)2 как окислитель и цветообразователь. Магний как топливо. Хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ) выполнял роль донора хлора и связующего.



Зелёное пламя

Для получения зеленого пламени в пиротехнике применяют соли бария. Поскольку барий и стронций в химическом плане являются совершенными аналогами, то стоило бы ожидать, что они будут аналогами и в отношении к окрашивания пламени (за исключением цвета конечно), и действительно - аналогия поведения стронция и бария проявляется во многом. Барий так же как и стронций не способен давать нужного атомарного свечения так как образует ряд линий в различных частях спектра; он так же как и стронций окрашивает пламя высокотемпературными моногалогенидами (BaCl, BaBr). Первым же серьезным отличием бария от стронция является неспособность бария образовывать окрашивающий пламя моногидроксид (ВаОH). Его излучение лежит большей частью вне видимого диапазона, а окись бария неспособна давать зеленое окрашивание. Этот момент приводит к тому, что использование составов на солях образующих окись, без применения доноров хлора оказывается невозможным. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений бария:



Поэтому в составы с барием необходимо вводить доноры хлора, иначе пламя окрашивается в белый цвет.

При составлении смеси красного огня, я брал Ba(NO3)2 как окислитель и цветообразователь. Магний как топливо. Хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ) выполнял роль донора хлора и связующего.

Синее пламя

Для получения синего пламени в пиротехнике применяют соли меди. Составы синего огня являются святым граалем пиротехники, потрачены сотни лет, испытаны тысячи составов но до сих пор не найдено способа добиться чистого синего пламени. Даже самые страшные ухищрения не позволяют поднять чистоту цвета синего пламени выше 40%. Это связано в первую очередь с особенностями спектров и спектрообразования солей меди, а так же множеством практических трудностей связанных с получением хотя бы самого примитивного синего окрашивания. Единственными молекулярными излучателями синего цвета является монохлорид меди (СuCl) и монобромид меди (СuBr), которые в отличие от моногалогенидов стронция и бария устойчивы и при комнатной температуре и весьма капризны как в химическом плане так и в плане своего свечения. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений меди, свечение которых используются для создания синих огней:



Таким образом, при составлении составов синего пламени необходимо уделять внимание чистоте реактивов, избегать содержания атомов, которые могут испортить окраску пламени.

К сожалению, дополнить эксперимент синим пламенем мне не позволило отсутствие реактивов. В теории должно было получиться так:

NH4ClO4 - 79.5%

Уротропин - 15.8%

СuCl - 5.7%



Экспериментальная часть.

Подготовка и проведение эксперимента

Целью экспериментальной части моей работы было получение цветового эффекта при горении ионов металлов и сравнение полученных окрасок пламени с литературными источниками и со спектральными линиями данных ионов.

Задачи эксперимента:


  1. Выбрать вещества

  2. Приготовить из них смеси

  3. Провести испытание этих смесей

  4. Сравнить и проанализировать полученные результаты

Для проведения эксперимента мною были запланированы и проведены две группы испытаний:

I .Приготовлены жидкие смеси следующих солей металлов:

  • Смесь 1. Этиловый спирт, борная к-та (H3BO3), серная к-та (H2SO4). Окраску пламени обеспечивает ион В+3. При горении этой смеси должно было появиться зеленое окрашивание пламени.

  • Смесь 2. Этиловый спирт, сода (NaHCO3). При горении этой смеси должно было появиться желтое окрашивание пламени. Окраску пламени обеспечивает ион Na+.

  • Смесь 3. Этиловый спирт и йодад калия (KJO3). При горении этой смеси должно было появиться смешанное фиолетово-розовое окрашивание пламени. Окраску пламени обеспечивает ионы K+ (фиолетовое окрашивание) и J+5 (розоватое окрашивание).

  • Смесь 4. Этиловый спирт и хлорид меди (II) (CuCl2). В этом случае должно было появиться ярко зеленое окрашивание. Окраску пламени обеспечивает ион Cu2+ .

При приготовлении смесей и проведении эксперимента соблюдалась методика проведения эксперимента, разработанная и записанная в основной части работы.

II. Приготовлены твердые смеси следующих солей металлов:

Методика изготовления этих смесей была взята из следующих источников: [1.2], [0.4] и строго мною соблюдалась.

Были приготовлены следующие смеси:


  • Состав 1. Ba(NO3)2 – 50%, Mg – 40%, Идитол – 10%. При сгорании этой смеси ожидалось появление пламени белого цвета, которое обеспечивают ионы

  • Состав 2. NaNO3 – 60%, Al – 30%, S – 10%. При сгорании этой смеси ожидалось появление пламени желтого цвета, которое обеспечивают ионы

  • Состав 3. Ba(NO3)2 – 60%, ХПВХ – 20%, Mg – 10%, S – 10%. При сгорании этой смеси ожидалось появление пламени зеленого цвета, которое обеспечивают ионы

  • Состав 4. Sr(NO3)2 – 60%, ХПВХ – 20%, Mg – 10%, S – 10%. При сгорании этой смеси ожидалось появление пламени красного цвета, которое обеспечивают ионы

При приготовлении смесей и проведении эксперимента соблюдалась методика проведения эксперимента, разработанная и записанная во введении.

В результате были получены следующие результаты:

Жидкие смеси



  • Смесь 1. Данная смесь дала насыщенное зеленое пламя, но иногда проступали желтоватые языки (связано с особенностями топлива). Окраску пламени обеспечивает ион В+3

  • Смесь 2. Эта смесь дала яркий желтый цвет. Отлично подходит для освещения. Окраску пламени обеспечивает ион Na+.

  • Смесь 3. К сожалению, эта смесь дала лишь фиолетово-розовые оттенки. Окраску пламени обеспечивает ионы K+ (фиолетовое окрашивание) и J+5 (розоватое окрашивание)

  • Смесь 4. Пламя этой смеси насыщенного зеленого цвета, который не перебивается посторонними свечениями. Окраску пламени обеспечивает ион Cu2+.

Твердые составы

  • Состав 1. Данный состав имеет очень высокую яркость. Однако при горении разлетаются горящие частицы, что делает его использование среди людей, например, невозможным. Практически полное соответствие тому, что ожидалось.

  • Состав 2. В этом составе желтое свечение ионов Na+ было перебито белым свечением алюминия. Поэтому конечный цвет получился выцветшим. Скорее всего, если взять алюминий большей дисперсности (частицы большей фракции), он не будет таким ярким и желтый будет видно лучше. В сравнении с тем, что ожидалось, выглядит не очень хорошо. Требует доработки.

  • Состав 3. Этот состав получился действительно очень ярким, насыщенным и чистым. Высокая степень соответствия тому, что ожидалось. Хорошо подходит для подачи сигналов.

  • Состав 4. Этот состав получился действительно очень ярким, насыщенным и чистым. Высокая степень соответствия тому, что ожидалось. Отлично может быть применен для подачи сигналов.

Эти составы, помимо хороших цветовых характеристик, имеют ряд преимуществ:

  • Дешевизна

  • Простота изготовления

  • Механическая устойчивость

  • Не гигроскопичны (не тянут влагу из воздуха)

Это позволяет использовать данные составы как для военных целей, так и для пиротехники.

Во время изучения материала по спектральному анализу, я понял, что это очень точный способ определения содержания веществ (или остатков веществ) в исследуемом объекте. Так же, на результат анализа не влияет возраст объекта. А такие достоинства, как простота, дешевизна, точность и удобство делают этот метод еще более востребованным. Поэтому он применяется во многих отраслях промышленности.

Так как этот способ не требует непосредственного присутствия около исследуемого объекта, он применяется не только на планете Земля, но и в космосе. Многие звезды даже не видно на небе невооруженным глазом, а человек знает их состав, скорость, температуру, размер и т.д.

Я решил проверить, можно ли узнать вещество, по цвету его пламени и как это можно применить в быту.

В ходе эксперимента я доказал, что:

Вещества, которые были взяты мной для проведения эксперимента, действительно имеют в спектре излучения характерные цвета и проявляют их при определенных условиях. Эти цвета соответствуют экспериментальным результатам, описанным в следующих источниках: [0.1], [1.2], [0.4], [0.5].

Полученный результат позволяет предположить, что о химическом составе вещества действительно можно судить по спектрам излучения. А значит, спектральный анализ является гарантированным способом определения химического состава исследуемых веществ и может быть использован в любом направлении практической деятельности человека.

Перспектива работы над проектом

В будущем планируется построить спектрограф и провести анализ большего количества веществ и составов уже при помощи этого прибора. Тогда станет возможным не только исследования компонентов в смеси, но и соотношения их в смеси, а так же нежелательных примесей, которые могут пагубно сказаться на дальнейших экспериментах.

Так же планируется получить синее свечение и попробовать большее количество смесей и веществ – цветообразователей.
Используемая литература

1. Барсуков В. И. Атомный спектральный анализ

2. Каримов М. Ф. Развитие и освоение спектрального анализа вещества в нефтегазовом деле.

3. Мадякин Ф. П. Пиротехнические составы цветных огней

4. Чувирин А. В. Занимательная пиротехника Часть 2 Фейерверк своими руками

5. Шидловский А. А. Основы пиротехники



Интернет-источники

1. http://pirotehnika-ruhelp.com

2. http://college.ru

3. http://zlk-metallurgy.ru/articles/metalloobrabotka/96-spektralnyj-analiz-stali



4. http://www.centrplastiki.ru/

1http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%EE%F2%FB%EB%FC,_%C2%EB%E0%E4%E8%EC%E8%F0_%DF%EA%EE%E2%EB%E5%E2%E8%F7 «Биография В.Я. Мотыля».
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15

  • И Рис. 20 спытательный стенд
  • Показания микрофона и шумомера в ходе эксперимента
  • Усилитель звуковой частоты (УЗЧ)
  • Виды: Ламповый Транзисторный Плюсы и минусы ламповых усилителей Плюсы
  • Плюсы и минусы транзисторных усилителей Плюсы
  • Изучение спектров излучения некоторых металлов в процессе горения
  • Значение спектрального анализа
  • Один из способов применения в медицине (микроэлементный состав волос)
  • Классификация типов горения
  • 1-й тип горения – медленное.
  • 2 -й тип – быстрое, в бытовом понимании человека горение вещества.
  • 3-й тип – моментальное горение.
  • Экспериментальная часть. Подготовка и проведение эксперимента
  • I .Приготовлены жидкие смеси следующих солей металлов
  • II. Приготовлены твердые смеси следующих солей металлов
  • В результате были получены следующие результаты
  • Перспектива работы над проектом