СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ПУЛЬСАЦИЮ ЧАСТИЦ ОДНОГО ДИЭЛЕКТРИКА, РАСПРЕДЕЛЕННЫХ В ОБЪЕМЕ ДРУГОГО ДИЭЛЕКТРИКА Российский патент 1996 года по МПК B01J19/12 

Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных излучений и может применяться, например, в биологии, медицине и других областях.

Известен способ очистки минеральных материалов с помощью радиочастотных колебаний, которыми нагреваются и испаряются посторонние дисперсные вещества, загрязняющие основной материал [1]
Этот способ имеет узкое применение из-за того, что постороннее дисперсное вещество должно резко отличаться от основного по характеру воздействия на него радиочастотных колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому является способ приведения в пульсацию частиц топлива в топливно-воздушной смеси, заключающийся в облучении смеси электромагнитным сигналом с частотами, соответствующими частотам ядерного магнитного резонанса хотя бы одного из компонентов топлива [2]
Этот способ ограничен в применении только для топливных смесей.

Для преодоления этого недостатка в способе пpиведения в пульсацию частиц одного диэлектрика, распределенных в объеме другого диэлектрика, заключающемся в непрерывном облучении этого объема электромагнитным сигналом с заданными параметрами, заранее определяют частоты собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика, при превышении этими частотами заранее установленного значения выбирают величину несущей частоты электромагнитного сигнала вблизи половинной частоты какой-либо, начиная со второй, моды собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика, а при недостижении заранее определяемыми частотами заранее установленного значения модулируют несущую частоту электромагнитного сигнала по амплитуде с частотой модуляции вблизи частоты какой-либо, начиная со второй, моды собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика.

Объекты с такой совокупностью существенных признаков не известны из уровня техники, что позволяет считать предлагаемое соответствующим критерию "новизна". Из уровня техники не известны также объекты с совокупностью отличительных признаков данного предлагаемого изобретения, что позволяет считать его соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлены силы, действующие при падении электромагнитной волны на границу двух диэлектриков; на фиг.2 изменение формы сферической капли диэлектрика при действии электромагнитного сигнала; на фиг.3 изменение величин зарядов вокруг частицы диэлектрика; на фиг.4 случай, когда частица диэлектрика имеет форму цилиндра; на фиг.5 случай сферической частицы, когда соотношение диэлектрических проницаемостей частицы и окружении обратно по отношению к фиг.3; на фиг.6 случай фиг.4, но с обратным соотношением диэлектрических проницаемостей; на фиг.7 изменение формы частицы при действии модулированного электромагнитного сигнала.

В основе предлагаемого способа лежат следующие процессы.

Пусть окружающий диэлектрик может иметь как более высокую плотность ρ₁ а следовательно и более высокую диэлектрическую проницаемость ε₁ так и меньшую плотность и меньшую диэлектрическую проницаемость, чем внутренний диэлектрик с плотностью ρ ₂ и диэлектрической проницаемостью ε₂ При воздействии электромагнитной волны на внутреннее диэлектрическое тело на его поверхности возникают различные силы, приводящие к пульсации. Это обобщенная сила Кулона, обобщенная сила Ампера и пондеромоторная сила. Последняя возникает на границе двух диэлектриков, перпендикулярна к границе раздела и всегда направлена в сторону диэлектрика с меньшей плотностью и меньшей диэлектрической проницаемостью (фиг.1). Величина пондеремоторной силы вычисляется по формуле
= ε_o(ε₂-ε₁)+ (1) где ε _o диэлектрическая проницаемость вакуума; E_1t, E_1n тангенциальная и нормальная составляющие вектора электрической компоненты волны Е₁ во внешнем диэлектрике. Через граничные условия Е_1t= E_2t ε₁E_1n ε₂ E_2n формула (1) может быть записана для электрической составляющей волны Е₂ во внутреннем диэлектрике.

Обобщенная сила Кулона описывает силу притяжения между двумя наведенными зарядами q₁ и q₂ и равна
F_k= (2) где R расстояние между наведенными зарядами; ε диэлектрическая проницаемость среды.

Обобщенная сила Ампера описывает силу притяжения между двумя наведенными токами (токами поляризации или смещения) и равна
F_A= (3) где , векторы наведенных токов; μ магнитная проницаемость среды.

Приведенные силы позволяют пояснить эффект пульсации внутреннего диэлектрика под воздействием падающей электромагнитной волны с определенной модуляцией по мощности.

Если внешний диэлектрик имеет более высокую плотность, чем внутренний, а следовательно, ε₁ > ε₂ то при воздействии электромагнитной волны на внутренний диэлектрик, форма которого имеет, к примеру, вид сферы, на него будут действовать силы, показанные на фиг.2. По всему периметру внутрь будут направлены пондеромоторные силы, параллельно вектору падающей волны будут направлены внутрь обобщенные силы Кулона, вызванные наведенными на границе раздела зарядами, и перпендикулярно вектору будут действовать обобщенные силы Ампера, вызванные токами смешения (поляризации) I_пол. Если внутренний диэлектрик может сжиматься (как, например, газ), то действующие силы приведет к уменьшению объема внутреннего диэлектрика, пока эти силы не уравновесятся механическими силами, направленными в обратную сторону. Если же внутренний диэлектрик несжимаем, то сфера деформируется в сфероид в соответствии с превышением одних действующих сил над другими. Изменение величины в падающей электромагнитной волне приводит к изменению величины действующих сил, а следовательно, к изменению величины сжатия или деформации.

Примерами сферических тел могут служить пузырьки воздуха в жидкости или капли менее плотной жидкости внутри более плотной. Воздух или другой газ может при этом сжиматься, а капли будут деформироваться.

Заметим, что во времени максимальные значения обобщенной силы Кулона и пондеромоторной силы совпадают, но они будут сдвинуты на четверть периода колебаний электромагнитного сигнала по отношению к максимуму обобщенной силы Ампера. На фиг.3 показано изменение зарядов вокруг газового пузырька и величины тока поляризации, а также изменение во времени газового пузырька. Сжатие по вертикальной оси координат происходит больше, чем по горизонтальной за счет сложения обобщенной силы Кулона и пондеромоторной силы.

Если внутренний диэлектрик имеет форму цилиндра и (как и раньше) его плотность и диэлектрическая проницаемость меньше, чем у внешнего диэлектрика, то действующие силы, наведенные падающей электромагнитной волной, это все те же обобщенные силы Кулона и Ампера и пондеромоторная сила направлены внутрь цилиндра, т.е. диэлектрика с меньшей плотностью и меньшей диэлектрической проницаемостью (фиг. 4). В отличие от сферы токи смещения наводятся несколько по-разному тангенциальной и нормальной составляющими вектора . Изменение величины также приводит к изменению величины действующих сил и, следовательно, к изменению сжатия или деформации. Причем, как и для сферы, деформация цилиндра с круглым сечением в цилиндр с эллипсообразным сечением будет происходить вследствие неравенства действующих сил с разных направлений и несжимаемости внутреннего диэлектрика.

Примерами цилиндрических тел могут служить капилляры растений, а также кровеносные и лимфатические сосуды человека и животных. Заметим, что во времени сечение цилиндрического сжимаемого диэлектрика будет меняться аналогично показанному на фиг.3.

Если внешний диэлектрик имеет меньшую плотность, чем внутренний, а следовательно, ε₁ < ε₂ то при воздействии электромагнитной волны на внутренний диэлектрик, имеющий форму сферы, в нем наводятся заряды и токи поляризации по тем законам, что приведены выше. Отличие будет заключаться в том, что пондеромоторная сила будет направлена из внутреннего диэлектрика во внешний и будет противоположного знака с обобщенной силой Кулона, стягивающей сферу по вертикали (фиг.5). При этом пондеромоторная сила будет растягивать сферу по горизонтали на тех участках, где обобщенная сила Кулона практически равна нулю, а также будет образовывать равнодействующую силу, направленную на растягивание сферы, и на остальных участках ее поверхности.

Токи поляризации также в соответствии с обобщенным законом Ампера будут стягивать сферу по горизонтали, но со сдвигом по времени на четверть периода электромагнитного колебания. В результате сфера будет подвергаться периодическому воздействию сил, стремящихся привести ее в пульсацию.

Примерами таких сферических тел могут служить ядра в клетках живых организмов или капли более плотной жидкости внутри менее плотной. Другим примером являются зерна спрессованного вещества, например, твердого топлива в ракетных двигателях и т.п.

Если внутренний диэлектрик имеет форму цилиндра и его плотность ρ₂и диэлектрическая проницаемость ε₂ превышают аналогичные параметры внешнего диэлектрика (фиг.6), то на него будут действовать те же силы, что изображены на фиг. 4 с той лишь разницей, что пондеромоторная сила по всему периметру цилиндра направлена в сторону внешнего диэлектрика и как бы растягивает цилиндр во все стороны. При взгляде на сечение цилиндра сверху видно, что он подвергается аналогичному действию сил, что и сфера, стремящихся привести его в пульсацию.

Примером описанного цилиндра может служить стебель растения целиком. Величина деформации внутреннего диэлектрика зависит от двух факторов: мощности падающей электромагнитной волны и степени близости удвоенной несущей частоты (фиг.3) электромагнитной волны к собственным механическим резонансным частотам тела внутреннего диэлектрика. В этом случае изменение формы сферы жестко связано (сфазировано) с несущей частотой колебания падающей электромагнитной волы. Если же частота несущего колебания значительно выше собственных механических резонансных частот сферы, то привести сферу в пульсацию можно путем наделения падающей электромагнитной волны амплитудной модуляцией, причем частота амплитудной модуляции должна быть равна или близка к собственным резонансным частотам сферы. Возможность приведения в механический резонанс за счет совпадения собственной резонасной частоты с частотой амплитудной модуляции обусловлено тем, что при изменении направления вектора Е на противоположное в течение одного периода несущего колебания падающей электромагнитной волны направление сил, деформирующих тело, остается неизменным. Следовательно, приведение в механическое резонансное колебание (пульсацию) внутреннего диэлектрика в этом случае возможно только за счет изменения мощности волны, обусловленного введением в волну амплитудной модуляции, т.е. за счет периодического изменения среднего значения силы, приложенной к телу (фиг.7).

Аналогичный механизм приведения в пульсацию действует и по отношению к диэлектрическому цилиндру.

Выбор несущей частоты облучающей электромагнитной волны или частоты амплитудной модуляции для приведения внутреннего диэлектрика, имеющего форму сферы или цилиндра, в пульсацию осуществляется следующим образом.

Если внешний диэлектрик имеет плотность ρ₁ а внутренний ρ ₂ то частоты резонансных колебаний сферы выражаются формулой
f_n= 2π (n-1)n(n+1)(n+2) (4) где n 0,2,3, порядковые номера моды собственных резонансных колебаний; Т_пн сила поверхностного натяжения на границе внешнего и внутреннего диэлектриков; а радиус сферы внутреннего диэлектрика. Размерности входящих в (4) величин следующие: частота в Гц; радиус а в см; плотность ρ в г/см³, сила Т_пн в дин/см. Формула (4) описывает приближенно частоты колебаний диэлектрического цилиндра в сечении, перпендикулярном оси цилиндра. Нулевая мода колебания (n 0) приводит к мнимому значению частоты f_п, т.е. к сжатию внутреннего диэлектрика. При n= 1 моды не существует. При n 2 существует мода, называемая дипольной, приводящая к показанной на фиг.7 деформации внутреннего диэлектрика в процессе пульсации. С ростом n амплитуды деформаций уменьшаются, поэтому ориентироваться при выборе частоты в облучающей электромагнитной волне необходимо на дипольную моду.

Мнимое значение частоты при n=0 означает поглощение электромагнитной волны, что может быть использовано при создании радиопоглощающего слоя защиты персонала радиостанций от вредного облучения длинноволновыми радиосигналами. Радиопоглощающий слой образуется путем создания в кювете с жидкостью завесы из пузырьков воздуха, размеры которых согласованы с длиной волны излучаемых радиостанцией сигналов. С помощью завесы из пузырьков, образованной перед антенной подводной радиосвязи, можно нарушать связь с подводными объектами из-за поглощения посылаемых к ним радиосигналов.

Дипольная мода колебаний (n 2) может применяться для ускорения химических реакций путем придания пульсирующих движений реагирующим компонентам, а также ускорения кристаллизации вещества. Кроме того, придание пульсирующих движений ядрам клеток живых организмов может при малой амплитуде пульсаций привести к ускорению биологических процессов, протекающих в клетке, а при большой амплитуде к гибели клетки или появлению мутации. К аналогичным результатам могут привести пульсации молекул ДНК и РНК или их частей. Совпадение частоты вынужденных колебаний зерен спеченного порошка с собственными колебаниями может ослабить прочность вещества или вызвать его рассыпание. Этим способом можно приводить в негодность пластиковые мины, расположенные на небольшой глубине в земле и необнаруживаемые миноискателями.

Пульсация стеблей растений или капилляров в них приведет к стимулированию подачи питательных веществ к плодам и ускорению их созревания. Пульсация кровеносных сосудов в живых организмах приведет к ускорению прохождения крови по ним, и возможно, к ускорению заживления ран.

Если внутренний диэлектрик имеет более сложную, чем сфера или цилиндр, форму, то пульсация такого тела будет иметь более сложный характер, в них будет иметься значительно больше резонансных частот и мод. Для расчета действующих сил в этом случае необходимо использовать тензор натяжения Максвелла.

Реализация предлагаемого способа осуществима с помощью генератора электромагнитных колебаний соответствующей частоты, нагруженного на направленную антенну и имеющего возможность модулировать генерируемый сигнал по амплитуде.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет привести в пульсацию частицы одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика, что открывает новые возможности в различных областях.

Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных излучений и может быть использован в различных областях. Сущность изобретения: способ иснован на непрерывном облучении объема диэлектрика с частицами иного диэлектрика в нем электромагнитным сигналом с заданными параметрами, при этом предварительно определяют частоту собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика. При превышении этими частотами заранее установленного значения выбирают величины несущей частоты вблизи половинной частоты моды собственных колебаний частиц диэлектрика, а при непревышении этого значения модулируют несущую частоту по амплитуде с частотой вблизи частоты моды собственных колебаний частиц диэлектрика. 7 ил.

СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ПУЛЬСАЦИЮ ЧАСТИЦ ОДНОГО ДИЭЛЕКТРИКА, РАСПРЕДЕЛЕННЫХ В ОБЪЕМЕ ДРУГОГО ДИЭЛЕКТРИКА, заключающийся в непрерывном облучении этого объема электромагнитным сигналом с заданными параметрами, отличающийся тем, что заранее определяют частоты собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика, при превышении этими частотами заранее установленного значения выбирают величины несущей частоты электромагнитного сигнала вблизи половинной частоты какой-либо моды собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика, а при недостижении заранее определяемыми частотами заранее установленного значения модулируют несущую частоту электромагнитного сигнала по амплитуде с частотой модуляции вблизи частоты какой-либо, начиная с второй, моды собственных механических колебаний частиц одного диэлектрика в объеме другого диэлектрика.