Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 25 страниц)

Сопротивление току

Всякий без исключения проводник электрического тока способен в силу особенностей своего атомарного строения оказывать сопротивление движущимся зарядам. Это легко заметить на простейшем опыте, который можно провести поздним вечером в каждом городе, когда включается освещение улиц. Фонари вспыхивают один за другим, по очереди, как будто бы ток бежит неторопливо, с легким запозданием.

Если принять во внимание скорость электронов, почти равную световой, то получится, что человек неспособен увидеть запаздывание зарядов. Ток должен перемещаться по проводам практически мгновенно. Тем не менее этого не происходит. Дело в том, что сам материал проводов тормозит ток.’ Описанное свойство проводников названо в физике электрическим сопротивлением.

Открыт закон Ома

Еще в 1729 г. английский физик Грей обнаружил, что электрический заряд свободно передается от одних тел к другим при наличии своеобразного моста, иными словами, вещества-посредника. Скажем, медная проволока вполне могла служить таким посредником, она хорошо проводила электричество. По шелковой нити же электричество не распространялось, что позволило в дальнейшем использовать этот материал в качестве изоляции. Грей, т. о., пришел к выводу, что в природе существуют проводники и непроводники электричества.

Движение зарядов по проводникам от одного тела к другому ученые назвали электрическим током. К открытию природы электрического тока физиков подвели работы Л. Гальвани и А. Вольта, а также некоторых других исследователей электричества. В частности, Вольта приходит к выводу о существовании разности электрических потенциалов в замкнутой цепи, которую сам же первым собрал. Ученый после открытия контактной разности потенциалов составил т. н. ряд напряжений.

Ранее рассказывалось, что при сочетании разных металлов в гальваническом элементе производится неодинаковый ток, поскольку они заряжены неодинаково. Физик описал сущность контактной разности потенциалов так: «В силу такого соприкосновения электрический флюид (заряд) гонится от… металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра)». Вольта выстроил ряд из разнородных металлов, взятых в контакте, по возрастающему напряжению между ними.

В начале 1820-х гг. А. Ампер вводит в физику понятие силы тока и находит способы измерения этой силы. Немецкий ученый Г. С. Ом решает заняться исследованиями электричества, а в первую очередь изучением количественных соотношений напряжения и силы тока. В 1826 г. в результате своих изысканий Ом пришел к выводу, что напряжение прямо пропорционально силе тока и неизвестной величине, которая выражает собой противодействие среды движущимся зарядам. Электрическое сопротивление проводника сдерживало течение тока.

На протяжении последующих десятилетий закон не обращал на себя внимания. Лишь с начала второй половины XIX столетия известные исследователи электрических явлений, такие как Г. Кирхгоф, К. Гаусс, Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, признали исключительную важность закона Ома для изучения свойств тока и его работы. Они стали широко применять понятие электрического сопротивления в своих изысканиях и тем самым ввели закон в употребление. На сегодняшний день не найдется ни одного инженера, который не знал бы закона Ома. Между прочим, в 1881 г., уже после смерти этого физика, Международный конгресс электриков решил назвать единицу сопротивления именем ученого – первооткрывателя данного свойства проводников.

Сегодня известно, что движение зарядов в проводнике происходит весьма удивительным образом. В любом твердом теле, обладающем кристаллической решеткой, всегда существуют свободные электроны. Они являются общими для всех атомов, расположенных в узлах решетки, и переходят с орбиты вокруг одного атома на орбиту вокруг другого. Если проводник замкнут в цепь, то движение электронов становится цикличным. Оно приобретает характер непрерывного движения. Это движение хаотическое, оно обусловлено присутствием внутри кристаллической решетки энергии, увеличивающей энтропию.

Если на концах замкнутой цепи создать разность потенциалов (напряжение), то заряды придут в упорядоченное движение. Оно и называется электрическим током. Однако характер движения электронов не будет претерпевать существенных изменений. Заряженные частицы по-прежнему перемещаются в таком проводнике, перепрыгивая от одного заряженного ядра к другому. Это их сильно тормозит и вызывает, т. о., потерю энергии.

Нетрудно понять, что расходуемая электронами энергия превращается в теплоту. Разные вещества обладают неодинаковым сопротивлением, поскольку имеют различное атомарное или молекулярное строение. Положительно заряженные атомные ядра в узлах решетки неодинаково воздействуют на поток свободных электронов, но в зависимости от величины своих зарядов и плотности размещения в решетке.

Реально ли победить электрическое сопротивление. Полностью этого добиться невозможно, однако значительно уменьшить его вполне допустимо. Эффект сверхпроводимости был открыт в 1911 г. нидерландским физиком Г. Камерлинг-Ониссом. Он установил, что при очень низких температурах металлы и сплавы почти на 100 % утрачивают способность тормозить ток, поэтому электрическая энергия начинает в полном смысле слова течь по проводнику, не испытывая и малейших затрат. К сожалению, физиков вскоре ждало разочарование, поскольку использовать сверхпроводники для передачи тока высокого напряжения невозможно.

Требовались дальнейшие исследования, которые были призваны установить, что именно мешает человеку применять в промышленности перспективные материалы. Природа загадочного явления получила научное объяснение только в 1957 г. в работах отечественного физика Н. Н. Боголюбова и американцев Дж. Бардина, Дж. Шриффера и Л. Купера. Оказывается, в сверхпроводниках электроны объединяются в пары. Ток парных зарядов обладает уникальными свойствами, поскольку при движении частиц на строго определенной скорости они не испытывают трения. Во всех остальных случаях электроны встречают сопротивление со стороны атомных ядер.

Сегодня установлено, что ряд материалов можно заставить работать, как сверхпроводники, при сравнительно высоких температурах. Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости. Изучены и многие другие любопытные свойства проводников такого рода. Возможности практического применения открытого явления рассматривает криоэлектроника и ряд других наук. Приставка в названии криоэлектроники, происходящая от греческого слова krios, означает в переводе на русский язык «мороз, холод» и подразумевает, что такая электроника работает при специальном охлаждении.

Проводники способны не только увеличивать свои проводящие способности, но и снижать их. Во-первых, проводимость вещества зависит от размеров конкретного образца.

Если взять ничтожно мелкую частицу металла, то она не обязательно будет проводником, хотя сам металл таковым является. С уменьшением размеров свойство проводимости электрического тока постепенно убывает. Причиной тому служат физические особенности природы электронов, переносящих электрический ток.

Эти частицы ведут себя одновременно и как электромагнитные волны. Если внутри крупицы металла определенных размеров электроны-корпускулы и могли бы передвигаться, то волны здесь двигаться никак не могут. Для проявления волновых свойств электронов в крупицах определенного размера просто не хватает места. Предельный размер был найден опытным путем, он составляет 10 нм. Именно такую величину должны иметь крупицы проводника, чтобы он полностью потерял свои проводящие свойства.

Может показаться, что эти исследования носят чисто академический характер. На самом же деле практическое значение открытия колоссально, поскольку оно показывает нам на предел миниатюризации интегральных схем. Современные чипы уже давно собираются из элементов, габариты которых отвечают уровню микромира.

Утрата проводимости при уменьшении размеров до 10 нм служит естественным препятствием для дальнейшей миниатюризации схем и заставляет искать обходные пути для последующего развития электронной техники. Кроме того, открытие проливает свет на перспективы нанотехнологий.

Изобретена лампа накаливания

Электрическое сопротивление зачастую очень вредно, поскольку поглощает колоссальное количество энергии. Трудно вообразить, сколько драгоценного электричества, получаемого с таким трудом, расходуется впустую – превращается в теплоту, идущую на бесцельный нагрев проводов. Вредная работа электрического тока, однако, нашла свое применение во многих устройствах. В первую очередь это касается такой бытовой техники, как электрообогревательные приборы, чайники, утюги, кипятильники, титаны.

Здесь перевод тока в теплоту не только оправдан, но и необходим. Можно подумать, что в таких устройствах сопротивление материала стремится к бесконечности. Таким образом, движение электронов внезапно прекращается, и они отдают всю свою энергию. Но на самом деле этого не происходит. Если бы движение электронов было приостановлено, то цепь мгновенно оказалась бы разорванной, а прибор отключенным. Произошло бы самоотключение. Однако в действительности ток все равно продолжает течь через прибор, преодолевая его колоссальное сопротивление.

Есть и более оригинальные способы применения вредного электрического сопротивления в современной бытовой технике. Во-первых, это различные реостаты, т. е. переменные сопротивления, которые используются в электронике в качестве основного устройства для переключения режима работы. Скажем, ручки для регулировки громкости связаны с реостатом. Благодаря изменению сопротивления цепи происходит изменение в ней силы тока, соответственно меняется и величина производимой устройством работы. Во-вторых, это осветительные приборы, в которых используются лампы накаливания.

Использовать электричество для освещения впервые начали в 1860-х гг., однако применялись такие осветительные приборы только на маяках. В быту и на предприятиях использовать первые лампы было крайне неудобно. Дуговая лампа представляла собой электрическую дугу, открытую в 1812 г. англичанином Дэви. Однако на самом деле первую электрическую дугу создал русский изобретатель В. В. Петров в 1803 г. На его книгу в России не обратили внимания, а за рубежом она была неизвестна, т. к. технических переводчиков с русского языка в то время за границей не было. Поэтому значение для дальнейшего развития электротехники имела именно лампа Дэви. К сожалению, ее приходилось часто регулировать. По мере выгорания углей, между которыми горела электрическая дуга, их концы расходились слишком далеко. Увеличение расстояния приводило к разрыву в цепи и прекращению работы лампы. Дуга гасла. Дуговую лампу значительно усовершенствовал другой выдающийся русский изобретатель П. Н. Яблочков. В 1876 г. он запатентовал свое изобретение – продукт многолетних трудов. Детище ученого получило в технике название свечи Яблочкова.

Угли (электроды) здесь были направлены не навстречу друг другу, а шли параллельно. Между этими электродами находилась прослойка изолирующего вещества, сгоравшего вместе с углями. Дуговое горение протекало на концах электродов и было направлено сверху вниз, причем угли не расходились. Они всегда были удалены на одинаковое расстояние, определяемое толщиной изоляционной прослойки. Далекие от физики люди именовали изобретение «русским светом». «Русский свет» использовался во всех странах Европы, а также в США и некоторых азиатских государствах.

Лампа накаливания устроена по совершенно другому принципу. В ней используется сопротивление металлического проводника, нагреваемого электрическим током до высокой температуры, при которой металл начинает светиться, т. е. испускать электромагнитные волны видимого диапазона. Свечение является попыткой вещества избавиться от избыточной тепловой энергии. Всякое обладающее температурой тело что-то излучает. В большинстве случаев это инфракрасные лучи и радиоволны, однако высокие температуры заставляют вещество испускать видимый свет и ультрафиолетовые лучи.

Создателем лампы накаливания является русский инженер А. Н. Лодыгин. Он сконструировал свою лампу в начале 1870-х гг. В 1873 г. изобретатель провел публичные испытания своего детища, а в 1874 г. был награжден за это изобретение Ломоносовской премией Академии наук. На Западе получили распространение «фонари Эдисона», разработанные независимо от Лодыгина в 1879 г. знаменитым американским изобретателем и бизнесменом Т. А. Эдисоном.

Этот удивительный человек не занимался наукой профессионально, но был изобретателем-любителем. И вместе с тем он обладал огромными техническими знаниями и увековечил свое имя, создав немало разных прогрессивных устройств. Эдисон считал изобретательство родом предпринимательства и направлял свои занятия физикой и техникой на получение прибыли. Из-за этого научный мир относился к гению с недоверием.

Нужно заметить, что лампы Лодыгина и Эдисона, а также последующие поколения электрических лампочек выпускались пустотными, т. е. из их баллонов выкачивался воздух. Нить накала появилась впервые в лампе Эдисона. Эта нить представляла собой металлическую дугу. Современные электролампы существенно отличаются от своих предшественниц. Если внимательно рассмотреть содержимое стеклянного баллона электрической лампочки, то можно заметить, что спираль, или т. н. нить накаливания, крепится на молибденовых крючочках, которые установлены на тоководы из никелевого сплава. Молибден способен стойко выдерживать высокие температуры, что и определило выбор материала.

Сама нить, являющаяся рабочей частью лампочки, изготовляется из самого тугоплавкого металла в природе – вольфрама. Температура его плавления равна +3420 °C. Как только на спираль поступает ток, она под его тепловым действием раскаляется добела. Диаметр нити и ее протяженность подобраны таким образом, чтобы нагрев материала был максимальным, поскольку от этого зависит яркость лампочки. Вместе с тем размеры нити достаточно велики и не дают ей мгновенно испариться от собственной же температуры, которая поддерживается на уровне +2700 °C.

По нелепому недоразумению принято считать, будто современные лампы накаливания пустотные. На самом деле вакуумные лампы уже давно не создаются. Причиной тому служит тот факт, что они быстро перегорают. Внутри лампы создается низкое давление, чтобы нагреваемый металл медленнее испарялся. Однако это давление вовсе не стремятся довести до высокого вакуума. Производителей ламп больше всего настораживает не давление воздуха, но давление паров самого вольфрама. Эти пары образуются под действием высокой температуры, до которой разогревается нить накаливания.

Естественно, оставлять в лампе воздух неразумно, т. к. активный кислород легко вступит в реакцию с раскаленным вольфрамом. Поэтому воздух из лампочек действительно выкачивают, чтобы затем заправить стеклянный баллон неактивным газом при низком давлении. Этот газ препятствует образованию паров вольфрама, давление которых вызовет ускоренное перегорание спирали. В прежние времена, когда в ходу были пустотные лампы, проблему решали уменьшением их светимости. На нить подавалась меньшая нагрузка, отчего вольфрам медленнее испарялся, но и светился тусклым красноватым светом.

Сейчас яркость электролампочек удалось повысить, одновременно продлив срок их службы, посредством неактивного газа-наполнителя. В роли такого газа не так давно выступал чистый азот, а в последние 15 лет исключительно азотокриптоновая или азото-аргоновая смесь. Последняя, содержащая 86 % аргона, применяется наиболее часто. Криптон добавляют в лампы-«грибки», что делает их вдвое долговечнее аргоновых лампочек. Важным достоинством криптона являются его тепловые свойства, которые позволили уменьшить размер стеклянного баллона таких ламп.

Еще одним способом продлить срок работы лампочки является применение галогенной смеси. То есть баллон галогенных ламп заполняют смесью неактивного азота и какого-нибудь газа из группы галогенов. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого добавочного наполнителя используется йод. Вообще-то, металлический вольфрам реагирует с газообразным йодом уже при температуре +700 °C, но именно активная реакция этих двух веществ необходима производителям лампочек.

Галогены обладают одной интересной особенностью. Они настолько активны, что вступают в реакцию не только с вольфрамом нити, но и с испарившимся металлом, осевшим в виде кристаллов на внутренней поверхности баллона. В результате атомы йода превращаются в транспортную систему, которая захватывает вольфрамовые пары и осадок и возвращает атомы металла обратно в нить. Работает же эта транспортная система исключительно благодаря кислороду. Он в малых долях, в качестве побочной примеси присутствует в газовой среде галогенной лампочки, образуя молекулы оксид-йодида вольфрама. Эти молекулы в конечном итоге и нужно считать переносчиками атомов металла.

Галогенные лампы изобретены в 1949 г., но до недавнего времени принцип их действия понимался неправильно. В конце концов физики пришли к выводу, что галогенные лампы работают в обход всех законов природы. Лишь развитие технологий очистки металлов (титана, гафния, ниобия и т. д.) посредством галогенов, а также более глубокие изучения сложной природы переходного металла вольфрама дали ответ на вопрос, почему же светят удивительные лампочки.

Одним из плюсов галогенных лампочек, кроме длительного срока исправной службы, следует назвать их компактность и мощность. Температура нити накаливания достигает в таких лампочках +3000 °C, что соответственно вдвое увеличивает их светимость. Автомобильные фары, фонарики для подсветки витрин, лампы кино– и диапроекторов наполнены йодистой смесью, потому что от этих источников света требуется большая яркость, долговечность и малые размеры.

Что касается мощности электрической лампы, то она также высчитывается посредством замера сопротивления и силы тока. Мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление. Величина удельного электрического сопротивления вольфрама очень низка, она равняется всего 0,055 мкОм·м (микроом-метр). Более низкое значение имеют некоторые другие металлы, но их использовать невыгодно. Скажем, алюминий (0,028 мкОм·м) слишком легкоплавкий.

Эта же формула объясняет причину, по которой лампочки перегорают. Толщина спирали неодинакова на всем ее протяжении, и ее разрыв происходит, разумеется, в самом тонком месте. Пословица гласит в таком случае: «Где тонко – там и рвется». А вот физика объясняет, почему рвется тонкий участок нити накала. Поскольку сопротивление проводника напрямую зависит от площади его поперечного сечения, то нетрудно понять, что в тонком участке сопротивление резко увеличивается. Одновременно растет и мощность тока. Естествен но, с повышением мощности степень нагрева тонкого участка также возрастает. Этот участок активнее разрушается и в конечном итоге оплавляется, что приводит к разрыву нити.

Заканчивая рассказ о проводящих свойствах материалов, нельзя не затронуть явление сверхпроводимости. Обычно физики в широкой печати сетуют на то, что их преследуют неудачи в изучении секретов сверхпроводимости. В связи с этим далекие от физико-технических наук читатели обычно заключают, что сверхпроводящие материалы появятся лишь в далеком будущем, а пока являются чем-то из области фантастики.

В действительности же в наши дни многие загадки феномена сверхпроводимости разгаданы, получены некоторые необычные материалы, применяемые в современной технике. Получение таких материалов затруднено, поэтому они и не имеют широкого распространения. Но в любом случае недооценивать возможности науки нельзя. На сегодняшний день получены низкотемпературные, высокотемпературные и керамические сверхпроводники. К низкотемпературным относятся почти все виды данных проводящих материалов.

Высокотемпературные представлены несколькими веществами, в первую очередь сплавом из германия и ниобия, который проявляет сверхпроводящие свойства при температуре -251 °C. Он обозначает нижнюю температурную границу, а верхнюю границу физики желают поднять как можно выше. С 1987 г. ученые нашли немало материалов, которые становятся сверхпроводящими при температуре всего -148 °C. Керамические сверхпроводники были открыты в 1986 г. швейцарскими физиками. Это вещества группы металл оксидных керамик, которые начинают беспрепятственно пропускать ток при высоких температурах, около -230 °C.

Подобные материалы служат главным образом науке. На ускорителях заряженных частиц на питание магнитов затрачивается большая энергия, которая могла бы использоваться в других целях. Сверхпроводящие магниты обладают колоссальной мощностью при меньших энергетических затратах. Созданы диагностические медицинские приборы – компьютерные томографы, в которых применяется т. н. ядерно-магнитный резонанс. Магнитное устройство томографа, изготовленное из обычных проводников, делало бы его слишком громоздким и совершенно неудобным для работы врачей. Сверхпроводящие материалы обеспечили необходимую компактность и доступность универсального средства диагностики.

Во многих странах создаются экспериментальные «левитирующие» поезда на магнитной подвеске. Они разработаны специалистами Японии, США, Канады, Германии и Франции. Это сверхскоростные транспортные средства, движущиеся без трения. Они летят над монорельсом за счет магнитных сил, удерживающих их в воздухе и ведущих вперед.

Естественно, чудо-магнит удалось создать благодаря применению сверхпроводников. Магнитная подвеска для такого поезда должна обладать свойством сверхпроводимости. Еще в 1913 г. удалось установить, что сверхпроводящие материалы боятся интенсивных магнитных полей, но стремятся вытеснить их. Приближая к сверхпроводнику магнит, можно возбудить в поверхностном слое первого незатухающие токи. Они заэкранируют внешнее магнитное поле и заставят магнит висеть над проводником.

Другим замечательным применением сверхпроводимости в науке стало создание высокочувствительных приборов – измерителей напряженности магнитного поля, т. н. СКВИДов. Поскольку сверхпроводники стремятся заэкранировать внешнее магнитное поле, то они на него очень чутко реагируют. Магнитное поле проникает внутрь замкнутого проводника постепенно, квантами. Квант, как известно, является чрезвычайно малой величиной. Вот почему чувствительность СКВИДов очень велика. Они способны зарегистрировать проникновение минимальной величины магнитного потока. Применение СКВИДов позволило точно замерить магнитные поля сердца и головного мозга человека, что было бы невозможным с применением обычной аппаратуры.

Одним из самых примечательных достижений будущего в области техники сверхпроводников станет постройка электронной вычислительной машины на подобных материалах. Сверхпроводящие элементы, используемые в ядре чипа, будут обладать многочисленными достоинствами. Во-первых, крайне низкое сопротивление току приведет к ничтожному выделению тепла. А именно высокое тепловыделение элементов микросхем препятствует повышению их компактности. Во-вторых, скорость переключения такого элемента составит всего 10¹¹ с, т. е. 10 миллиардных долей секунды! Сверхпроводящий компьютер будет отличаться высокой скоростью действия.