Текст книги "Чудесные кристаллы"
Автор книги: В. Рачков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
САМОЕ ТОЧНОЕ ВРЕМЯ
Ежедневно люди проверяют свои часы по радиосигналам точного времени. Услышав ритмичные щелчки и следующие за ними сигналы, вы невольно смотрите на свои часы и, если разница хода часов и сигнала значительная, спешите перевести стрелки.
Для личных нужд точность хода ручных, карманных и стенных часов вполне достаточная. Да вы на своих часах и не заметите погрешность меньше секунды. Но для научных и технических целей такая точность далеко недостаточна. При этом разнообразие отраслей науки и техники, где необходимо точное время, так велико, что перечислить их все практически трудно. Вот наиболее важные из них.
Воздушная и морская навигация. Здесь точное время необходимо для определения места и прокладки курса кораблей и самолетов. Если полет или плавание происходит вне пределов действия радиомаяков и вдали от побережья, местоположение корабля или самолета определяется по положению звезд и точному времени. Для этих же целей точное время необходимо в геодезии и картографии – науках, занимающихся изучением строения земной поверхности и составлением карт.
Космонавтика. Здесь точное время крайне необходимо. Ведь момент запуска ракеты должен соблюдаться с точностью до одной секунды. Ошибка в скорости космической ракеты должна быть не более нескольких метров в секунду. Но разве можно с такой точностью измерить скорость ракеты, составляющую свыше 11 километров в секунду, не зная точного времени?
В связи с запуском искусственных спутников Земли и проведением работ по программе Международного геофизического года теперь по радиостанциям Советского Союза вместо прежних сигналов ежечасно передаются сигналы точного времени, состоящие из шести коротких сигналов с интервалами в одну секунду. Погрешность этих сигналов не превышает 0,03 секунды.
Мы уже несколько раз упоминали слово погрешность. Вот и сейчас говорим, что «погрешность радиосигналов не превышает 0,03 секунды». Относительно чего определяется эта погрешность? Что является самой точной мерой, эталоном времени?
Единственными часами, с которыми сравниваются все прочие меры времени, является Земля. С давних пор в основу всего исчисления времени положена одна и та же единица времени – период вращения Земли вокруг ее оси. Однако для практических нужд пользоваться этим временем невозможно, поэтому применяют часы, способные хранить единицу времени с наибольшей точностью.
В течение многих лет эту роль выполняли маятниковые часы специальной конструкции. Их называли астрономическими часами, потому что показания их проверяли при помощи астрономических наблюдений. Эти часы помещались в глубоких подвалах, где колебания окружающей температуры были незначительными. Часы укреплялись на столбах-фундаментах, уходящих глубоко в землю.
Такие часы давали удовлетворительную точность хода и были вполне пригодны для практики, если бы не было землетрясений. Землетрясения нарушали работу часов и точность их хода заметно снижалась.
На помощь пришла, как вы уже догадываетесь, знакомая нам кварцевая пластинка. Являясь наиболее совершенным из всех колебательных систем, кварцевый генератор создает электрические колебания исключительно высокой стабильности. Такие генераторы являются эталоном частоты. Высокостабильные генераторы и стали применять для хранения единицы времени.
Некоторым из вас известны так называемые синхронные электромоторы. Число оборотов их зависит от частоты переменного электрического тока, питающего мотор. Если частота питающего тока строго постоянна, то строго постоянно и число оборотов в единицу времени.
Подведем к такому мотору переменный ток, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, а вал электромотора соединим с часовыми стрелками при помощи зубчатого механизма. Все устройство в целом и будет называться кварцевыми часами (рис. 42). Такие часы будут спешить или отставать за сутки всего лишь на несколько десятитысячных долей секунды. Лучшие экземпляры кварцевых часов имеют исключительное постоянство хода: колебания суточного хода их не превышают 0,0001 секунды. Правда, прежде чем достигнуть такой точности хода, пришлось немало потрудиться.
Рис. 42. Упрощенная схема кварцевых часов
Первое, что надо было сделать, – постараться уменьшить зависимость частоты, вырабатываемой кварцевым генератором, от изменений окружающей температуры. Для этого были исследованы многочисленные срезы кристаллов кварца и выбраны наименее зависимые от температуры. Кроме того, пластинки помещали в специальные термостаты, в которых поддерживалась постоянная температура: до нескольких долей градуса.
В Советском Союзе для этих целей группа кварцевых резонаторов была помещена в металлический цилиндр длиной 1,4 метра и диаметром 90 миллиметров. Цилиндр был опущен в подземную скважину на глубину 25 метров. Температура на этой глубине была исключительно постоянной. Как показали наблюдения, суточные отклонения колебаний у таких генераторов не превышают десятимиллионных долей процента.
Немало потрудились ученые и над явлением, называемым старением кварца. Дело в том, что в кристаллах кварца с течением времени происходят процессы, вызывающие самопроизвольное изменение частоты генераторов. Эти процессы еще полностью не изучены.
Для получения высокой стабильности частоты кварцевые пластинки подвергаются искусственному старению, для чего их многократно нагревают и охлаждают.
В короткий срок кварцевые часы получили широкое признание. Это самые точные часы, сконструированные человеком. Они дают возможность не только определять погрешность хода маятниковых часов, но и более точно изучать неравномерности вращения Земли.
ТВОРЧЕСКОЕ СОДРУЖЕСТВО
Пьезоэлектричество и ультразвук. На редкость плодотворным оказалось содружество этих физических явлений. Пьезоэлектрические приемники и излучатели ультразвука с успехом применяются в промышленности и народном хозяйстве.
Советский Союз стал родиной ультразвуковой дефектоскопии – области техники, занимающейся обнаружением изъянов в различных деталях («дефект» – недостаток, «скопео» – смотрю). В 1927 году советский ученый С. Я. Соколов предложил использовать ультразвуковые сигналы для обнаружения изъянов в металлических отливках.
Внутри металла дефекты невидимы для человеческого глаза, но не для ультразвука. Существуют два способа ультразвуковой дефектоскопии. Один из них основан на отражении ультразвуковых сигналов, другой называется способом сквозного прозвучивания.
Отражательный дефектоскоп в принципе не отличается от гидролокатора. Только вместо воды здесь металл, а вместо подводной лодки – дефект. Как и в гидролокаторе, кварцевая пластинка излучает «порцию» ультразвука, которая отражается от дефекта и в виде эхосигнала возвращается обратно. На экране электронно-лучевой трубки принятое кварцевой пластинкой эхо становится видимым, а зная скорость распространения звука в металле, можно определить место дефекта (рис. 43).
Еще проще способ сквозного прослушивания. Излучатель ультразвука прикладывается с одной стороны металлической детали. С противоположной стороны прикладывается приемник ультразвука.
Рис. 43. Отражательный дефектоскоп:
1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – дефект
Если деталь без изъянов, то ультразвуковой сигнал, пройдя толщу металла, воспринимается приемником, усиливается и стрелка индикатора отклоняется. Если же на пути луча встречается изъян, то в этом месте ультразвуковые колебания поглощаются, ультразвук не доходит до конца и стрелка прибора не отклоняется.
Дефектоскопы, использующие способ сквозного прослушивания, получили название теневых дефектоскопов. Поскольку они обычно работают же в импульсном режиме, устройство их значительно упрощается. Чаще всего теневые дефектоскопы применяют для контроля расслоения в тонких листовых материалах, контроля проволоки, проверки качества склеивания листов. Примеры применения теневых дефектоскопов приведены на рис. 44.
Трудно переоценить значение дефектоскопии в промышленности и народном хозяйстве. Ведь малейший дефект в ответственных деталях, таких, как коленчатый вал, может привести к выходу из строя всей машины. При помощи дефектоскопии можно проверить доброкачественность сварных швов и прочность железнодорожных рельсов. Достижения ультразвуковой дефектоскопии позволили не только заметить дефект, но и узнать его форму и размеры. Зоркий глаз дефектоскопа выявляет изъяны не только в металле, но и в бетоне, резине, пластмассе и других материалах.
В настоящее время большое распространение получили так называемые акустические методы Контроля состояния среды и измерения свойств вещества. При распространении ультразвука в среде он будет поглощаться. Величина поглощения зависит от свойств среды. Измерив при помощи чувствительного пьезокристалла величину этого поглощения, можно контролировать состояние и определять структуру различных сложных сред.
Рис. 44. Примеры применения теневого дефектоскопа для выявления:
1 – расслоения листов; 2 – расслоения и трещин в резервуарах и котлах; 3 – качества спая проводов; 4 – трещин и разрывов в стержнях; 5 – трещин в турбинных лопатках; 6 – однородности заливки вкладышей подшипников; 7 – качества сварных швов; 8 – трещин проволоки; 9 – качества сварки рельсов
В атмосфере угольной шахты достаточно очень небольшого количества рудничного газа метана, чтобы произошел взрыв и пожар. На помощь пришел ультразвуковой контролер. Этот прибор сравнивает условия распространения ультразвука через исследуемый воздух и через тот же воздух, но очищенный от метана при помощи специального химического фильтра. По разности показаний стрелочного индикатора можно сразу определить процентное содержание метана.
Подобные ультразвуковые контролеры применяются и для проверки состояния твердых тел. Известно применение ультразвуковых колебаний для непрерывного наблюдения за отвердеванием и увеличением прочности бетонной кладки. Ценность этого способа в том, что нет необходимости для исследований этих процессов разрушать кладку, как это делалось раньше.
Ультразвук и пьезоэлектричество произвели переворот в технике пайки металлов. Беда заключалась в том, что многие цветные металлы, например алюминий, очень плохо паялись и сваривались. Всему виной была тонкая пленка окислов, образующаяся на поверхности металла. Но если паять под непрерывным воздействием ультразвука, то пленка окислов разрушается и не восстанавливается. Качество пайки в таких условиях отличное.
Способность разрушать поверхностные пленки и слои позволила применять ультразвук для очистки накипи в паровых котлах, а также для очистки подводной части корабля от нежелательных обрастаний.
Применяется ультразвук и в химической промышленности, где ультразвуковые колебания размельчают в порошок очень твердые тела.
В сельском хозяйстве ультразвук повышает всхожесть семян многих растений и ускоряет сроки их вызревания.
Разнообразное применение ультразвука в промышленности и народном хозяйстве привело к созданию новых конструкций пьезоэлектрических излучателей и приемников. Для усиления ультразвукового излучения в последнее время стали применять фокусирующие излучатели. Рабочей поверхностью таких излучателей является отрезок сферы или цилиндра из титаната бария (рис. 45). Ультразвуковые волны, излученные такой поверхностью, собираются вблизи центра сферы или оси цилиндра.
Сферические фокусирующие излучатели создают большое усиление ультразвука на небольшой поверхности. Они применяются в тех случаях, когда нужно воздействовать ультразвуком на небольшой и неподвижный предмет.
Цилиндрические излучатели дают меньшее усиление, зато излучение создается в виде полосы, длина которой равна длине цилиндра. Эти излучатели применяются в тех случаях, когда облучение необходимо производить в режиме потока. В этом случае обрабатываемая деталь по конвейеру проходит в полосе облучения.
Рис. 45. Фокусирующие излучатели из титаната бария:
а – отрезок сферы; б – отрезок цилиндра
Наряду с созданием новых конструкций излучателей разработаны новые пьезоэлектрические приемники ультразвука, позволяющие обнаружить и измерить ничтожные изменения звукового давления. Размеры пьезоэлектрических приемников могут быть самые различные.
Рассказ о содружестве ультразвука и пьезоэлектричества можно было бы продолжать еще долго. Мы остановимся лишь на одном замечательном достижении советской науки – ультразвуковом микроскопе.
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП
Пожалуй, мало кому из вас не знаком оптический микроскоп. Но попробуйте с его помощью получить изображение предмета, скрытого от человеческого глаза толстым слоем непрозрачного вещества, или увидеть небольшой предмет в непрозрачной жидкости. Ясно, что для таких целей оптический микроскоп не подходит. Эту задачу успешно решает ультразвуковой микроскоп.
Изучая свойства ультразвука, ученые давно заметили, что с укорочением длины волны сходство ультразвуковых и световых волн возрастает. Ультразвуковая волна, так же как и световая, отражается и преломляется. Если световую волну можно сфокусировать в оптической линзе, то и ультразвук поддается фокусировке при помощи специальной ультразвуковой линзы. Такие линзы и применяются в ультразвуковом микроскопе для увеличения изображения.
Рис. 46. Ультразвуковой микроскоп:
1 – сосуд с непрозрачной жидкостью; 2 – линза, фокусирующая ультразвук; 3 – рассматриваемый предмет; 4 – излучатель ультразвука; 5 – электронно-акустический преобразователь с кварцевой мозаикой; 6 – усилитель; 7 – телевизионная трубка
Работу ультразвукового микроскопа можно объяснить следующим образом. Предмет, изображение которого мы хотим увеличить, помещен в сосуд с непрозрачной жидкостью (рис. 46). На него направлен пучок ультразвуковых волн, излучаемый пьезокварцевой пластинкой. Отраженные от предмета ультразвуковые волны фокусируются линзой и попадают на пьезокварцевую мозаику, составленную из множества приемников звука. Ультразвуковое изображение заставляет колебаться те приемники, которые попадают в зону изображения, причем интенсивность этих колебаний определяется интенсивностью соответствующей части изображения. Под воздействием этих колебаний на приемниках появятся электрические заряды.
Так акустическое изображение превращается в электрическое. Превратить же электрическое изображение в оптическое – задача телевидения.
По аналогии с обычным телевидением прибор, воспринимающий звуковое изображение и преобразующий его в электрическое, назвали ультразвуковым иконоскопом. Такой прибор впервые предложил советский ученый С. Я. Соколов. В настоящее время разработано несколько конструкций ультразвуковых иконоскопов, или, иначе, электронно-акустических преобразователей. Один из них показан на рис. 47.
Рис. 47. Внешний вид электронно-акустического преобразователя
При помощи ультразвукового микроскопа можно добиться увеличения изображения в сотни и даже тысячи раз. Качество изображения зависит от частоты ультразвука. Чем короче длина волны, тем больше разрешающая способность микроскопа, т. е. тем подробнее мы сможем рассмотреть увеличенное изображение.
Однако ультразвуковая микроскопия делает лишь первые шаги, не выходя из стадии лабораторных исследований. Но есть все основания надеяться, что этот метод будет быстро развиваться и совершенствоваться.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Все готово к старту космической ракеты. Проверены все приборы, двигатели. Космонавт занимает свое место. Еще мгновение – и ракета устремляется ввысь.
Несмотря на необычные условия, космонавт чувствует себя хорошо. Исправно работает и вся бортовая аппаратура космического корабля. Полет ракеты успешно продолжается.
Каким образом это стало известно нам, находящимся на Земле, от которой ракета удаляется на тысячи километров? Ведь для того чтобы знать состояние бортовой аппаратуры и тем более человека, необходимы многочисленные сведения о температуре, давлении, скорости, ускорении и т. д.
Оказывается, все эти сведения можно получить при помощи приборов, называемых датчиками. Это они собрали интересующие нас данные и преобразовали их в электрические сигналы, которые при помощи радиопередатчика были переданы на Землю. В результате расшифровки и обработки полученных данных мы знаем о состоянии космонавта и можем судить о работе разнообразных приборов, находящихся на космическом корабле.
Датчики применяются не только в космонавтике. Существуют многочисленные отрасли науки, техники и военного дела, где эти приборы крайне необходимы.
В многочисленном семействе датчиков почетное место занимают пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Наиболее распространены пьезоэлектрические датчики давления.
Простейший манометр, например манометр для измерения давления пара в паровом котле, представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную жидкостью. Одно из колен трубки соединено с котлом. При повышении давления в котле пар давит на жидкость и в этом колене уровень жидкости падает, а в свободном колене повышается. Величина давления определяется по разности уровней жидкости в коленах.
Существуют и другие, более совершенные виды датчиков давления – манометры. Но все они имеют существенные недостатки: нельзя измерять как очень большие, так и очень слабые давления, а главное – они не успевают отмечать изменения при быстрых отклонениях давления. К тому же показания таких манометров очень трудно, а иногда и совсем невозможно передать на расстояние.
Этих недостатков не имеют пьезоэлектрические манометры, где чувствительным элементом является пьезокварцевая пластинка, на которую воздействует измеряемое давление. На пластинке возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению. Заряды с поверхностей пластинки снимаются и подаются на усилитель и далее на электроизмерительный прибор. Устройство пьезоэлектрического манометра для измерения давления пара в котле схематично изображено на рис. 48.
Нетрудно видеть, как выгодно отличается такой манометр от стеклянного манометра с жидкостью. Здесь может быть измерено малейшее изменение давления, поскольку самое ничтожное количество электрических зарядов может быть усилено.
Рис. 48. Пьезоэлектрический манометр:
1 – корпус котла; 2 – кварцевые пластинки, 3 – выводы; 4 – электроды. 5 – отверстие для доступа пара
При помощи пьезоэлектрического манометра измеряют давление и на расстоянии. Для этого манометр устанавливают на исследуемом объекте и при помощи проводов соединяют с усилителем, находящимся на месте наблюдения. В случае необходимости электрические сигналы с усилителя могут быть преобразованы в радиосигналы и переданы на значительные расстояния!.
Пьезоэлектрические манометры удобны в обращении, прочны и невелики по размерам.
Все эти свойства обусловили широкое применение пьезоэлектрических датчиков давления в науке и технике. При помощи таких датчиков на железнодорожном транспорте измеряют давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. Разработаны и широко применяются пьезокварцевые датчики для исследования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, в паровых и газовых турбинах, атомных реакторах.
Применяются пьезоэлектрические манометры и в военном деле. При изучении полета артиллерийского снаряда необходимо знать его поведение внутри ствола орудия в момент выстрела. Для этого в ствол монтируется пьезоэлектрический датчик давления, показания которого раскрывают процесс выстрела (рис. 49).
Рис. 49. При помощи пьезоэлектрического датчика давления можно «заглянуть» в ствол артиллерийского орудия в момент выстрела
Необходимы пьезоэлектрические манометры и для определения силы ударной волны при испытательных взрывах зарядов взрывчатых веществ. В этом случае пьезоэлектрические датчики устанавливают на различных расстояниях от центра взрыва. Величины давлений, измеренные датчиками, будут характеризовать силу ударной волны и ее изменение с увеличением расстояния.
Среди пьезоэлектрических датчиков можно найти и пьезоэлектрический акселерометр – прибор для измерения ускорений. Сила инерции зависит от массы тела. Если тело движется, то сила инерции зависит и от ускорения, т. е. прироста скорости за единицу времени. Чем больше масса и ускорение тела, тем больше сила инерции. Если каким-либо образом измерить силу инерции, то, зная массу тела, можно определить ускорение.
Этот принцип и положен в основу устройства пьезоэлектрического акселерометра (рис. 50), В камере акселерометра на пружинах подвешен груз. Одна из пружин прикрепляется к электроду пьезокварцевой пластинки. Движение корпуса вызывает смещение груза, а следовательно, и давление на кварцевую пластинку. Величина электрических зарядов, возникающих на пластинке, пропорциональна смещению груза, а следовательно, и ускорению.
Рис. 50. Схема пьезоэлектрического измерителя ускорений – акселерометра
Пьезоэлектрическими акселерометрами можно измерять не только ускорения, но и вибрацию. Знать, как вибрируют те или иные детали и приборы при движении самолета, ракеты, корабля, очень важно. Дело в том, что при определенных условиях вибрация может достигнуть значительного размаха, и в результате прибор или деталь выйдут из строя.
Чтобы измерить частоту и размах вибрации, на исследуемый прибор устанавливают акселерометр. Под влиянием вибрации груз периодически сдавливает и растягивает кварцевую пластинку. В цепи пластинки возбуждается переменный ток, величина и частота которого пропорциональны вибрации.
Колебания пластинки можно записать на ленту, используя самопишущее устройство, подобное тому, которое применяется в ультразвуковом эхолоте. Такой прибор называется акселерографом. При высокой частоте вибрации эти колебания можно просмотреть на экране электронно-лучевой трубки.
