| 21970318 23552 19854 932 1ма и др. понятия геометрии многих измерений. Понятие Ф. п.- основное для классич. статистич. механики, изучающей функции распределения системы многих частиц. Методы Ф. п. успешно применяются также в теории нелинейных колебаний.
ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ, одновременное существование термодинамически равновесных фаз в многофазной системе. Простейшие примеры - равновесие жидкости со своим насыщенным паром, равновесие воды и льда при темп-ре плавления, расслоение смеси воды с триэтил-амином на два несмешивающихся слоя (две фазы), отличающихся концентрациями. В равновесии могут находиться (в отсутствии внеш. магнитного поля) две фазы ферромагнетика с одинаковой осью намагничивания, но различным направлением намагниченности; нормальная и сверхпроводящая фазы металла во внешнем магнитном поле и т. д.
При переходе в условиях равновесия частицы из одной фазы в другую энергия системы не меняется. Другими словами, при равновесии химические потенциалы каждой компоненты в различных фазах одинаковы. Отсюда следует фаз правило Гиббса: в веществе, состоящем из k компонент, одновременно могут существовать не более чем k +2 равновесные фазы. Напр., в однокомпонентном веществе число одновременно существующих фаз не превосходит трёх (см. Тройная точка). Число термодинамич. степеней свободы, т. е. переменных (физ. параметров), к-рые можно изменять, не нарушая условий Ф. р., равно k + 2 -ф, где ф - число фаз, находящихся в равновесии. Напр., в двухкомпонентной системе три фазы могут находиться в равновесии при разных темп-pax, но давление и концентрации компонент полностью определяются темп-рой.
Изменение темп-ры фазового перехода (кипения, плавления и др.) при бесконечно малом изменении давления определяется Клапейрона-Клаузиуса уравнением. Графики, изображающие зависимость одних термодинамич. переменных от других в условиях Ф. р., называются линиями (поверхностями) равновесия, а их совокупность - диаграммами состояния. Линия Ф. р. может либо пересечься с другой линией равновесия (тройная точка), либо кончиться критической точкой.
В твёрдых телах из-за медленности процессов диффузии, приводящих к термодинамич. равновесию, возникают неравновесные фазы, к-рые могут существовать наряду с равновесными. В этом случае правило фаз может не выполняться. Правило фаз не выполняется также и в том случае, когда на кривой равновесия фазы не отличаются друг от друга (см. Фазовые переходы).
В массивных образцах в отсутствии дальнодействующих сил между частицами число границ между равновесными фазами минимально. Напр., в случае двухфазного равновесия имеется лишь одна поверхность раздела фаз. Если хотя бы в одной из фаз существует дальнодейст-вующее поле (электрич. или магнитное), выходящее из вещества, то энергетически более выгодны равновесные состояния с большим числом периодически расположенных фазовых границ (домены ферромагнитные и сегнетоэлектрические, промежуточное состояние сверхпроводников) и таким расположением фаз, чтобы даль-нодействующее поле не выходило из тела. Форма границы раздела фаз определяется условием минимальности поверхностной энергии. Так, в двухкомпонентной смеси при условии равенства плотностей фаз граница раздела имеет сферич. форму. Огранка кристаллов определяется теми плоскостями, поверхностная энергия к-рых минимальна.
Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, 2 изд., М., 1969; Френкель Я. И., Статистическая физика, М. - Л., 1948.
В. Л. Покровский.
2715.htm
ФАЗОВО-КОНТРАСТНАЯ МИКРОСКОПИЯ, метод микроскопич. исследования, основанный на получении с помощью спец. приспособлений контрастного изображения различающихся по плотности структур бесцветных прозрачных микрообъектов, напр. живых микроорганизмов и тканевых культур. Подробнее см. в ст. Микроскоп, раздел Методы освещения и наблюдения (микроскопия).
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ, устройство автоматики, преобразовательной и измерительной техники, служащее для измененияфазы электромагнитных колебаний. Конструкция Ф. зависит от диапазона частот, для к-рого он предназначен, пре делов изменения фазы и точности её установки. На низких частотах и в диапазоне радиочастот (до неск. Мгц) в качестве Ф. обычно применяют четырёхполюсники, состоящие из сопротивлений, индуктив-ностей и ёмкостей. Простейший Ф.- фазосдвигающая цепь, состоящая из резистора и конденсатора или резистора и катушки индуктивности. Такие Ф. обычно используют для создания фиксированного фазового сдвига в пределах от 0 до 90°. Более совершенны Ф., выполненные в виде мостовой цепи из 3 резисторов и 1 конденсатора, к-рые обеспечивают регулируемый сдвиг в пределах от 0 до 180° (при мало изменяющейся величине выходного сигнала). Применяют также транзисторные (ламповые) мостовые Ф., в состав к-рых входит фазоинвертор с разделённой нагрузкой; такие Ф. дают сдвиг фазы на 180°. Фазовый сдвиг, вносимый перечисленными Ф., зависит от частоты. Этот недостаток устраняется в следящих Ф., у к-рых при отклонении фазового сдвига от заданного значения параметры автоматически изменяются так, чтобы это отклонение уменьшилось. Для регулирования фазы в цепях переменного тока пром. частоты применяют вращающиеся трансформаторы, сельсины, а также трёхфазные асинхронные электродвигатели с заторможенным ротором (см. Фазорегулятор). В диапазоне дециметровых и более коротких волн применяют Ф., собранные из отрезков коаксиальных линий и волноводов (см. Фазовращатель СВЧ). Погрешность установки фазы в электро-механич. Ф. составляет 0,5-1°, в электронных 0,05-0,1°.
Лит.: Валитов Р. А., Сретенский В. Н., Радиотехнические измерения, М., 1970; Авраменко В. Л., Галямичев Ю. П., Ланнэ А. А., Электрические линии задержки и фазовращатели. (Справочник), М., 1973; Кушнир Ф. В., Радиотехнические измерения, 3 изд., М., 1975.
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ, фазосдвигатель СВЧ, устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ (полого или диэлектрич. радиоволновода, коаксиальной длинной линии, полосковой линии) относительно фазы колебаний на её входе, осуществляемого посредством изменения электрич. длины этой линии. (Электрич. длина линии равна 2пI/ЧВ, где l - её геометрич. длина, ЧВ - длина волны в линии.) Ф. подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
Регулируемый Ф.- участок фидера, вносящий фазовый сдвиг на определённой частоте (или требуемые сдвиги фаз в заданной полосе частот), к-рый при необходимости можно регулировать по величине. Различают Ф. с механич. (или электромеханич.) управлением фазовым сдвигом и ф. с электрич. управлением. К первым относятся: раздвижная секция коаксиальной линии, регулируемая посредством изменения l;волноводный диэлектрический Ф.- отрезок волновода, содержащий перемещаемую пластину из диэлектрика, управление сдвигом фаз в к-ром основано на изменении фазовой скорости волны и ЧВ при изменении положения пластины в волноводе; сжимная секция - отрезок прямоугольного волновода, узкие стенки к-poro снабжены упругими подвесками, позволяющими изменять ширину волновода (и тем самым ЧВ); м о-стовой Ф.- многоплечее устройствоСВЧ (коаксиальное или волноводное), снабжённое двумя согласованно изменяемыми по длине короткозамкнутыми шлейфами и являющееся, по существу, направленным ответвителем. Ко вторым относятся Ф. с полупроводниковыми элементами (такими, как полупроводниковые диоды с р-i-n-структурой; варакторы, или вари-капы); с ферритовыми устройствами; с сегнетоэлектри-ком; плазменные. Наиболее перспективны Ф. на р-i-n-диодах, используемых в качестве коммутац. элементов. Диоды позволяют изменять фазовый сдвиг ступенчато, посредством либо прямого изменения l, либо подключения к линии (через диоды) набора шлейфов. Распространены также ферритовые Ф., работа к-рых основана на взаимодействии электромагнитной волны с нескомпенсированными магнитными моментами под-решёток феррита. Ферритовые Ф. бывают взаимные, обеспечивающие одинаковый сдвиг для обоих направлений распространения волны, и невзаимные (частный случай последних - гиратор).
Нерегулируемый Ф. реализуют в виде калиброванного по фазе отрезка фидера, фазовый сдвиг в к-ром достигается подбором значения его длины, размеров поперечного сечения (при использовании волновода) либо эффективной диэлектрич. проницаемости.
Ф. используют в различных устройствах сверхвысоких частот техники, напр. в системах с большим числом потребителей - для обеспечения требуемого распределения начальных фаз поступающих к ним сигналов, в фидерах радиосистем- для выравнивания электрич. длин фидеров, в фазированных антенных решётках и др. когерентных радиосистемах.
Лит.: СВЧ устройства на полупроводниковых диодах, М., 1969; Лебедев И. В.. Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, М., 1970; Бова Н. Т., Стукало Н. А., Храмов В. А., Управляющие устройства СВЧ, К., 1973. Р. И. Перец.
ФАЗОВЫЙ КОНТРАСТ, метод получения изображений микроскопич. объектов, у элементов структуры к-рых преломления показатель и способность поглощать оптич. излучение разнятся настолько мало, что эти элементы неразличимы при иных методах наблюдения и получения изображений в микроскопе. В то же время сдвиги фаз световых волн, вносимые такими элементами, могут заметно отличаться один от другого, образуя т. н. "фазовый рельеф", на к-рый не реагируют ни глаз, ни фоточувствит. слой. Метод Ф. к. состоит в преобразовании (с помощью вспомогат. оптич. устройства) "фазового рельефа" в изменения интенсивностей (амплитуд) световых волн - в т. н. "амплитудный рельеф", к-рый и регистрируется фотоприёмником. Метод Ф. к. разработан Ф. Цернике в 1935. Подробнее см. Микроскоп, раздел Методы освещения и наблюдения (микроскопия), а также лит. к этой статье.
ФАЗОВЫЙ ОБЪЁМ, объём в фазовом пространстве. Для механич. системы с N степенями свободы элементарный Ф. о. равен dpdq = dp1dq1 ...dpNdqN, где q1 ,..., qN - обобщенные координаты, а p1, ..., pN - обобщённые импульсы системы. Ф. о. конечной фазовой области G равен 2N-мерному интегралу fGdpdq. Если система описывается уравнениями Гамильтона (см. Механики уравненияканонические), то при движении системы её Ф. о. остаётся неизменным (Лиувилля теорема); это позволяет ввести нормированные функции распределения в фазовом пространстве.
ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД, фазовое превращение, в широком смысле - переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий - темп-ры, давления, магнитного и элект-рич. полей и т. д.; в узком смысле - скачкообразное изменение физ. свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Различие двух трактовок термина "Ф. п." видно из следующего примера. В узком смысле переход вещества из газовой фазы в плазменную (см. Плазма) не является Ф. п., так как ионизация газа происходит постепенно, но в широком смысле это - Ф. п. В данной статье термин "Ф. п." рассматривается в узком смысле.
Значение темп-ры, давления или к.-л. другой физ. величины, при к-ром происходит Ф. п., называют точкой перехода.
Различают Ф. п. двух родов. При Ф. п. первого рода скачком меняются такие термодинамич. характеристики вещества, как плотность, концентрация компонент; в единице массы выделяется или поглощается вполне определённое количество теплоты, носящее назв. теплоты перехода. При Ф. п. второго рода нек-рая физ. величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растёт (от нуля) при удалении от точки перехода в другую сторону. При этом плотность и концентрации изменяются непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается.
Ф. п.- широко распространённое в природе явление. К Ф. п. I рода относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твёрдую фазу, нек-рые структурные переходы в твёрдых телах, напр. образование мартенсита в сплаве железо-углерод. В антиферромагнетиках с одной осью намагничивания магнитных подрешёток Ф. п. I рода происходит во внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси. При определённом значении поля моменты магнитных подрешёток поворачиваются перпендикулярно направлению поля (происходит "опрокидывание" подрешёток). В чистых сверхпроводниках магнитное поле вызывает Ф. п. I рода из сверхпроводящего в нормальное состояние (см. Сверхпроводимость).
При абсолютном нуле темп-ры и фиксированном объёме термодинамически равновесной является фаза с наинизшим значением энергии. Ф. п. I рода в этом случае происходит при тех значениях давления и внешних полей, при к-рых энергии двух разных фаз сравниваются. Если зафиксировать не объём тела V, а давление р, то в состоянии термодинамич. равновесия минимальной является энергия Гиббса Ф (или G), а в точке перехода в фазовом равновесии находятся фазы с одинаковыми значениями Ф (см. Гиббсо-ва энергия).
Многие вещества при малых давлениях кристаллизуются в неплотноупакованные структуры. Напр., кристаллич. водород состоит из молекул, находящихся на сравнительно больших расстояниях друг от друга; структура графита представляет собой ряд далеко отстоящих слоев атомов углерода. При достаточно высоких давлениях таким рыхлым структурам соответствуют большие значения энергии Гиббса. Меньшим значениям Ф в этих условиях отвечают равновесные плотно-упакованные фазы. Поэтому при больших давлениях графит переходит в алмаз, а молекулярный кристаллич. водород должен перейти в атомарный (металлический). Квантовые жидкости 3Не и 4Не при нормальном давлении остаются жидкими вплоть до самых низких из достигнутых темп-р (Т~0,001 К). Причина этого - в слабом взаимодействии частиц и большой амплитуде их колебаний при темп-pax, близких к абс. нулю (т. н. нулевых колебаний, см. Неопределённостей соотношение). Однако повышение давления (до 20 атм при Т=О К) приводит к затвердеванию жидкого гелия. При отличных от нуля темп-pax и заданных давлении и темп-ре равновесной по-прежнему является фаза с минимальной энергией Гиббса (минимальная энергия, из к-рой вычтена работа сил давления и сообщённое системе количество теплоты).
Для Ф. п. I рода характерно существование области метастабильного равновесия вблизи кривой Ф. п. I рода (напр., жидкость можно нагреть до темп-ры выше точки кипения или переохладить ниже точки замерзания). Метастабилъные состояния существуют достаточно долго по той причине, что образование новой фазы с меньшим значением Ф (термодинамически более выгодной) начинается с возникновения зародышей этой фазы. Выигрыш в величине Ф при образовании зародыша пропорционален его объёму, а проигрыш - площади поверхности (значению поверхностной энергии). Возникшие маленькие зародыши увеличивают Ф, и поэтому с подавляющей вероятностью они будут уменьшаться и исчезнут. Однако зародыши, достигшие нек-рого критического размера, растут, и всё вещество переходит в новую фазу. Образование зародыша критич. размера - очень маловероятный процесс и происходит достаточно редко. Вероятность образования зародышей критич. размера увеличивается, если в веществе имеются чужеродные включения макроскопич. размеров (напр., пылинки в жидкости). Вблизи критической точки разница между равновесными фазами и поверхностная энергия уменьшаются, легко образуются зародыши больших размеров и причудливой формы, что отражается на свойствах вещества (см. Критические явления).
Примеры Ф. п. II рода - появление (ниже определённой в каждом случае темп-ры) магнитного момента у магнетика при переходе парамагнетик - ферромагнетик, антиферромагнитного упорядочения при переходе парамагнетик - антиферромагнетик, возникновение сверхпроводимости в металлах и сплавах, возникновение сверхтекучести в 4Не и 3Не, упорядочение сплавов, появление самопроизвольной (спонтанной) поляризации вещества при переходе параэлектрик- сегнетоэлектрик и т. д.
Л. Д. Ландау (1937) предложил общую трактовку всех Ф. п. II рода, как точек изменения симметрии: выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Напр., в магнетике выше точки перехода направления элементарных магнитных моментов (спинов) частиц распределены хаотически. Поэтому одновременный поворот всех спинов не меняет физ. свойств системы . Ниже точки перехода спины имеют преимущественную ориентацию. Одновременный их поворот изменяет направление магнитного момента системы. Другой пример: в двухкомпонентном сплаве, атомы к-рого А и В расположены в узлах простой кубической кристаллической решётки, неупорядоченное состояние характеризуется хаотическим распределением атомов Л и В по узлам решётки, так что сдвиг решётки на один период не меняет её свойств. Ниже точки перехода атомы сплава располагаются упорядочение: ...АВАВ... Сдвиг такой решётки на период приводит к замене всех атомов Л на В или наоборот. В результате установления порядка в расположении атомов симметрия решётки уменьшается.
Сама симметрия появляется и исчезает скачком. Однако величина, характеризующая асимметрию (параметр порядка), может изменяться непрерывно. При Ф. п. II рода параметр порядка равен нулю выше точки перехода и в самой точке перехода. Подобным образом ведёт себя, напр., магнитный момент ферромагнетика, электрич. поляризация сег-нетоэлектрика, плотность сверхтекучей компоненты в жидком 4Не, вероятность обнаружения атома А в соответствующем узле кристаллич. решётки двухкомпонент-ного сплава и т. д.
Для Ф. п. II рода характерно отсутствие скачков плотности, концентрации, теплоты перехода. Но точно такая же картина наблюдается и в критич. точке на кривой Ф. п. I рода (см. Критические явления). Сходство оказывается очень глубоким. Вблизи критич. точки состояние вещества можно характеризовать величиной, играющей роль параметра порядка. Напр., в случае критич. точки на кривой равновесия жидкость - пар это - отклонение плотности от среднего значения. При движения по критич. изохоре со стороны высоких темп-р газ однороден, и эта величина равна нулю. Ниже критической температуры вещество расслаивается на две фазы, в каждой из к-рых отклонение плотности от критической не равно нулю. Поскольку вблизи точки Ф. п. II рода фазы мало отличаются друг от друга, возможно образование зародышей большого размера одной фазы в другой (флуктуации), точно так же, как вблизи критич. точки. С этим связаны многие критич. явления при Ф. п. II рода: бесконечный рост магнитной восприимчивости ферромагнетиков и диэлектрической постоянной сегнетоэлектриков (аналогом является рост сжимаемости вблизи критич. точка жидкость-пар), бесконечный рост теплоёмкости, аномальное рассеяние электромагнитных волн [световых в жидкости и паре (см. Опалесценция критическая), рентгеновских в твёрдых телах], нейтронов в ферромагнетиках. Существенно меняются и динамические явления, что связано с очень медленным рассасыванием образовавшихся флуктуации. Напр., вблизи критич. точки жидкость-пар сужается линия рэлеевского рассеяния света, вблизи Кюри точки ферромагнетиков и Нееля точки анти ферромагнетиков замедляется спиновая диффузия (см. Спиновые волны) и т. д. Ср. размер флуктуации (радиус корреляции) R растёт по мере приближения к точке Ф. п. II рода и становится в этой точке бесконечно большим.
Современные достижения теории Ф. п. II рода и критических явлений основаны на гипотезе подобия. Предполагается, что если принять R за единицу измерения длины, а ср. величину параметра порядка ячейки с ребром R - за единицу измерения параметра порядка, то вся картина флуктуации не будет зависеть ни от близости к точке перехода, ни от конкретного вещества. Все термодинамич. величины являются степенными функциями R. Показатели степеней называют критическими размерностями (индексами). Они не зависят от конкретного вещества и определяются лишь характером параметра порядка. Напр., размерности в точке Кюри изотропного материала, параметром порядка к-рого является вектор намагниченности, отличаются от размерностей в критич. точке жидкость - пар или в точке Кюри одноосного магнетика, где параметр порядка - скалярная величина.
Вблизи точки перехода уравнение состояния имеет характерный вид закона соответственных состояний. Напр., вблизи критич. точки жидкость-пар отношение (р-рк)/(рж-рг ) зависит только от (р-рк)/(рж-рг )*КТ(здесь р - плотность, рк-критич. плотность, рж - плотность жидкости, рг - плотность газа, р - давле-ние, рк - критическое давление, КТ - изотермическая сжимаемость), причём вид зависимости при подходящем выборе масштаба один и тот же для всех жидкостей (см. Критические явления).
Достигнуты большие успехи в теоретич. вычислении критич. размерностей и уравнений состояния в хорошем согласии с экспериментальными данными. Приближённые значения критич. размерностей приведены в таблице.
Дальнейшее развитие теории Ф. п. II рода связано с применением методов квантовой теории поля, в особенности метода ренормалиэационной группы. Этот метод позволяет, в принципе, найти критические индексы с любой требуемой точностью.
Деление Ф. п. на два рода несколько условно, т. к. бывают Ф. п. I рода с малыми скачками теплоёмкости и др. величин и малыми теплотами перехода при сильно развитых флуктуациях. Ф. п.- коллективное явление, происходящее при строго определённых значениях темп-ры и др. величин только в системе, имеющей в пределе сколь угодно большое число частиц.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, 2 изд., М., 1969; Бpayт Р., Фазовые переходы, пер. с англ., М., 1967;
Фишер М., Природа критического состояния, пер. с англ., М., 1968; Стенли Г., Фазовые переходы и критические явления, пер. с англ., М., 1973; Анисимов М. А., Исследования критических явлений в жидкостях, "Успехи физических наук", 1974, т. 114, в. 2; Паташинский А. 3., Покровский В. Л., Флуктуационная теория фазовых переходов, М., 1975; Квантовая теория поля и физика фазовых переходов, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, вып. 6); Вильсон К., Когут Д ж., Ренормализационная группа и s-разложение, пер. с англ., М., 1975 (Новости фундаментальной физики, в. 5).
В. Л. Покровский.
ФАЗОВЫЙ ПОРТРЕТ, совокупность фазовых траекторий, характеризующая состояния и движения динамич. системы (см. Фазовой плоскости метод).
ФАЗОИНВЕРТОР, электрическое устройство, преобразующее входное напряжение в два напряжения, сдвинутые по фазе на 180°. Простейший Ф.-элект-рич. трансформатор с симметричной вторичной обмоткой, имеющей отвод от ср. точки. Часто в качестве Ф. используют колебательный контур, у к-рого имеется отвод от ср. точек в индуктивной или ёмкостной ветвях (от ср. точки катушки индуктивности или общей точки двух последовательно включённых конденсаторов). В радиотехнич. устройствах получили распространение ламповые, а позднее - транзисторные Ф. с разделённой нагрузкой (рис.). В таких Ф. выходные сигналы на аноде (коллекторе) и катоде (эмиттере) имеют разную полярность (сдвинуты по фазе на 180°). Существуют и др. Ф., напр. собранные на лампе (двойном триоде) по схеме с общим катодом или с общей сеткой, а также на т. н. составных транзисторах. Ф. используют также в измерит. аппаратуре, устройствах вычислит. техники и др.
ФАЗОКОМПЕНСАТОР, источник реактивной мощности, включаемый в определённых узлах электрич. сети либо непосредственно на зажимах нагрузки и служащий для компенсации сдвига фаз между напряжением и током. Применение Ф. позволяет |
