Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 21 страниц)

Рис. 10. В ящик В помещен металлический элемент Р, расположенный перед отверстием О, открывающимся лишь в моменты, когда вращающийся диск Д открывает его. Таким образом модулируется воздействие электрического поля на Р.

Н. – В принципе это несколько напоминает мне метод, применяемый одним из моих друзей, работающим на циклотроне…

Л. – У него дома есть циклотрон???

Н. – Да нет, в Научно-исследовательском центре в г. Орсей. Там для измерения поля магнита используется небольшая катушка, помещенная на конце палки и вращаемая двигателем. Мой приятель замеряет наводимый в этой катушке ток.

Л. – Действительно, это классическая система для измерения постоянных магнитных полей. Впрочем, можно поступить иначе. Как ты знаешь, сталь и ферриты (магнитные окислы железа, имеющие структуру керамики) обладают одним свойством, которое обычно считается неприятным: они насыщаются в магнитном поле. Следовательно, достаточно поместить в магнитное поле стальной или ферритовый стержень, насыщение будет изменять магнитную проницаемость (стержень концентрирует магнитные силовые линии и повышает коэффициент самоиндукции катушки, в которую он введен). И теперь остается лишь определить эту проницаемость, для чего нужно просто измерить коэффициент самоиндукции катушки, надетой на стержень, и мы будем знать напряженность магнитного поля.

Н. – Но скажи мне, ведь если магнитное поле будет переменным, то это внесет порядочный хаос в твою систему с вращающейся катушкой или с переменным током, который ты несомненно используешь для измерения коэффициента самоиндукции?

Л. – Дорогой Незнайкин, ты просто ищешь трудности. При переменном магнитном поле катушку оставляют неподвижной и измеряют наведенное в ней напряжение.

Н. – Действительно, это проще. Итак, подведем итоги: ты говорил мне о преобразователях постоянного напряжения (вибропреобразователях), о преобразователях очень высокого напряжения (резистивных или емкостных делителях напряжения), о преобразователях электрических или магнитных полей (вращающейся катушке или насыщающемся феррите). О чем же ты расскажешь мне теперь?

Механические преобразователи

Л. – Я полагаю, что было бы интересно поговорить о преобразователях, чувствительных к механическим воздействиям.

Н. – Мне представляется, что силу можно измерить электрическим методом. Если изучаемую силу приложить к проволоке, на конце которой укреплена пружина, то в зависимости от величины силы пружина растянется больше или меньше. Если эту проволоку обернуть вокруг оси потенциометра, то с помощью электрических измерений можно определить, на сколько повернулась ось потенциометра.

Л. – Незнайкин, ты положительно находишься в прекрасной форме! Твою систему, правда в несколько измененном виде, часто используют: потенциометр заменен ползунком, скользящим по проволоке, имеющей высокое удельное сопротивление и намотанной на прямом стержне; при такой конструкции нет необходимости обматывать нить вокруг оси и ее привязывают непосредственно к ползунку.

Источник постоянного напряжения (рис. 11) подключен к описанному переменному резистору, а вольтметр V, соединенный с одним выводом этого резистора и ползунком, позволяет определить место, занимаемое последним, а следовательно, и определить силу через соответствующее напряжение. Но существует и другой, получивший очень широкое распространение тип преобразователя силы: проволочный тензометрический преобразователь.

Рис. 11. В зависимости от величины приложенной силы F ползунок потенциометра больше или меньше перемещается влево, благодаря этому величину силы можно определить по показаниям вольтметра V.

Н. – Название меня заинтриговало, но это должно быть дьявольски сложно!

Л. – Сложно лишь название. Видишь ли, Незнайкин, сопротивление проволоки изменяется, когда эту проволоку растягивают.

Н. – А! Теперь я понимаю, почему говорят: «Не тяните за выводы резисторов в приемнике», ведь это изменило бы сопротивление резисторов и…

Л. – О! Причина совсем не в этом. Прежде всего изменения сопротивления, о которых я говорил, составляют всего лишь несколько тысячных долей его первоначальной величины (максимум 0,5 %), а кроме того, эти изменения происходят по известному закону и только у резисторов, сделанных из металлической проволоки. Совет, который тебе дали и который я считаю очень разумным, имеет целью предотвратить механическое повреждение используемых для монтажа аппаратуры резисторов. Посмотри, наши измерительные резисторы сделаны из очень тонкой проволоки, укрепленной в виде зигзага на кусочке бумаги (рис. 12).

Рис. 12. Тензометрический преобразователь представляет собой проволоку с высоким электрическим сопротивлением, уложенную в виде зигзага и прикрепленную к листу бумаги.

Это приспособление наклеивают на деталь (обычно металлическую), которая подвергается воздействию силы, вызывающей деформацию, приводящую к внутренним напряжениям. Если деталь подвергается растяжению, то участок, где наклеен измерительный резистор, удлиняется; это же происходит с резистором, и его сопротивление изменяется.

Вопрос эластичности…

Н. – Любознайкин, но это совсем не годится! Ты говоришь мне о металлической детали…

Л. – Необязательно, это только наиболее распространенный случай.

Н. – Если бы ты сказал мне о резине, я охотно допустил бы, что она деформируется под воздействием силы, но о металле этого сказать нельзя.

Л. – Посмотри на этот металлический стержень; он совершенно прямой, если его держать вертикально. А теперь я перевожу его в горизонтальное положение и один конец зажимаю в тисках; ты видишь, что стержень прогнулся. Теперь ты вынужден признать, что расположенные сверху волокна металла удлинились, а расположенные внизу – укоротились.

Н. – Тебе не следовало говорить мне этого! Теперь, проходя по мосту, я всегда буду думать, что детали его настила удлиняются под моим весом.

Л. – До тех пор, пока ты не заставишь их превысить предел эластичности, их удлинение остается строго пропорциональным вызывающей его силе, и опасаться совершенно нечего. Мост рассчитан на большие нагрузки. А кроме того, к счастью для нашего преобразователя, провод которого без риска обрыва может удлиниться не больше чем на долю процента, удлинение изучаемой детали очень мало.

Н. – Допускаю, но меня беспокоит другое: ты мне сказал, что изменение сопротивления не превышает 0,5 %, а такое ничтожное изменение несомненно нельзя заметить по стрелке омметра.

Измерение малых изменений сопротивления

Л. – Разумеется, поэтому в этом случае пользуются не омметром. Измерения производят с помощью схемы, наводящей ужас на многих студентов последних курсов, ибо они не понимают простоты – моста Уитстона.

Н. – О, опять этот ужас! Я никогда не понимал этого отвратительного сооружения: четыре уравнения с четырьмя неизвестными…

Л. – Мы поступим иначе. Посмотри на схему, изображенную на рис. 13. Что это такое?

Рис. 13. Мост Уитстона состоит всего лишь из двух делителей напряжения. Напряжение между точками А и В равно нулю, когда мост сбалансирован (U_х = U_Q).

Н. – Здесь нет ничего таинственного: батарея и два делителя напряжения.

Л. – Хорошо, но можешь ли ты назвать величины напряжений U_Х и U_Q?

Н. – Хм… давай посмотрим. Кажется, я догадался, если воспользоваться схемой, представленной на рис. 5, то получим:

Л. – Незнайкин, 20 из 20![3]3
  В учебных заведениях Франции пользуются 20-балльной системой оценок. (Прим. перев.)


[Закрыть] А теперь скажи мне, когда U_Х будет равно U_Q?

Н. – Ну разумеется, когда

Л. – Хорошо, а теперь следи за мной. Деля обе части уравнения на U_вх, я получаю:

В этой пропорции произведение крайних членов равно произведению средних членов, следовательно,

X(R₂ + Q) = Q(R₁ + X) или XR₁ + XQ = QR₂ + XQ.

Из обеих частей уравнения я вычитаю величину XQ и в результате получаю:

XR₂= QR₁

Н. – До сих пор я уследил за тобой…

Л. – Вот и хорошо, а теперь остановись, расчеты закончены. Только что полученное выражение представляет собой условие равновесия (баланса) моста Уитстона, показывающее что в нашей схеме (а она и есть мост Уитстона) U_Х = U_Q. Это подтверждается тем, что чувствительный вольтметр, включенный между точками А и В, показывает нуль.

Н. – Согласен, мост Уитстона – это очень просто. Но что он даст нам для наших тензометрических преобразователей?

Л. – Представь себе, что R₂, Q и X – постоянные резисторы, a R₁ – резистор, чувствительный к увеличению длины. Мы начнем с уравновешивания моста путем воздействия на резисторы R₂ и Q. Тогда включенный между точками А и В вольтметр покажет нуль. Если сопротивление резистора изменится хотя бы и очень немного, напряжения U_Х и U_Q перестанут быть равными и стрелка вольтметра отклонится и возможно до самого края шкалы, если прибор очень чувствительный.

Н. – Изумительный метод! И до чего практичен этот резистор R₁, чувствительный к механическому натяжению проволоки, из которой он сделан!

Влияние температуры

Л. – Это было бы слишком хорошо; резистор чувствителен к температуре по крайней мере в такой же степени, как и к воздействию силы. Но в этом случае мост Уитстона проявил себя еще лучше; в X вводится идентичный R₁, но не подвергающийся механическому напряжению резистор. Его размещают рядом с резистором R₁ (рис. 14), чтобы он находился при той же температуре, но приклеивают к детали только одним концом (чтобы он не испытывал воздействия механических усилий). Изменение температуры одинаково сказывается на R₁ и X и не нарушает равновесие моста; и только удлинение проволоки резистора R₁ может вывести мост из равновесия.

Рис. 14. Тензометрический преобразователь R₁ наклеен на исследуемую деталь и подвергается тем же, что и деталь, деформациям. Резистор X приклеен только одним концом, поэтому он не подвергается воздействию силы, но находится в тех же температурных условиях, что и R₁, это позволяет скомпенсировать вредное влияние температуры на работающий преобразователь R₁.

Н. – Чертовски хитрый метод! Но досадно, что резистор X служит лишь для компенсации.

Л. – Можно сделать еще лучше. В рассмотренном ранее примере с металлическим стержнем верх стержня растягивается, а низ сжимается. Если мы укрепим (рис. 15) тензометрические преобразователи R₁ и X один сверху, а другой снизу, то температурное воздействие, как и раньше, будет скомпенсировано (если только верх стержня не нагрет больше, чем его низ), но увеличение сопротивления R₁ (удлиняется) в сочетании с уменьшением сопротивления X (сжимается) повысит чувствительность прибора. Можно было бы еще повысить чувствительность, если вместо резисторов R₂ и Q использовать тензометрические преобразователи и подвергнуть их воздействию растяжения и сжатия, наклеив их для этой цели в соответствующих местах исследуемой детали.

Рис. 15. При исследовании изгибающейся балки можно заставить компенсирующий тензометр X более активно участвовать в измерении: его наклеивают с другой стороны балки и он подвергается сжатию, а тензометр R₁ – растяжению.

Вибрирующие струны

Н. – Но признайся, Любознайкин, наверное иногда при использовании твоих тензометрических преобразователей приходится сталкиваться с определенными трудностями? Я имею в виду те случаи, когда измеряют механические напряжения (несомненно с помощью тензометрических преобразователей) на больших плотинах, где измерительные приборы сосредоточивают в одном месте, относительно удаленном от точек, где нужно измерить напряжения. При большой длине проводов температурные воздействия и различные утечки исказят все результаты.

Л. – Рассуждаешь ты абсолютно правильно. В слишком неблагоприятных условиях используют другое свойство натянутой проволоки: изменение ее резонансной частоты при изменении силы натяжения.

Н. – Каким образом? Делают колебательный контур из проволоки и конденсатора?

Л. – Ты не совсем угадал. Я говорю о механическом резонансе этой проволоки. Ты, конечно, видел и слышал, как скрипач настраивает свой инструмент: от натяжения струны изменяется нота. В нашем акустическом тензометр и чес ком методе (так называют технику измерения растяжений и сжатий) струна закрывается защитной металлической трубкой Т и помещается между полюсами магнита М (рис. 16).

Рис. 16. Натянутая вибрирующая струна помещена между полюсами магнита в защитной трубке Т. Под воздействием силы изменяется частота собственных механических колебаний струны, что позволяет измерить приложенную силу.

Струна может вибрировать в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, когда по ней пропускают переменный ток, и тогда легко, даже издалека, измерить ее резонансную частоту. Можно, например, послать в струну очень короткий импульс тока, создающий эффект удара молоточка по струне пианино. Струна начинает вибрировать, но ее колебания затухают. При движении струны между полюсами магнита в ней возникает напряжение, частоту которого и измеряют. Это измерение легко произвести и на большом расстоянии. Таким образом, натянув струну между двумя точками, например, какой-либо балки, мы можем легко обнаружить любое изменение расстояния между этими двумя точками.

Н. – Таким образом мы располагаем еще одним преобразователем для измерения силы. Я полагаю, что на этом серия преобразователей закончилась?

Еще об измерении силы

Л. – Далеко не так. Попутно я назову тебе конденсатор, подвижная или деформируемая обкладка которого под воздействием приложенной силы может в большей или меньшей степени отходить от другой обкладки, изменяя тем самым емкость конденсатора. Можно также использовать изменение расстояния между двумя соединенными последовательно катушками: изменение коэффициента связи вызывает изменение самоиндукции всего устройства. Используя эти типы преобразователей, можно сделать генератор, частота которого модулируется изменяемым элементом. Стоит также назвать пьезоэлектрические кристаллы, в которых при механическом воздействии возникает электрическое поле. Из кристаллического материала (керамика, кварц или специальная соль) вырезают по правильному направлению кристалла пластинку и металлизируют ее с обеих сторон; когда такой конденсатор подвергают механическим воздействиям, на его обкладках появляется напряжение.

Н. – Я думаю, что с присущим тебе юмором ты сейчас объявишь мне, что все перечисленное тобой, от чего у меня уже начинает вспухать голова, всего лишь ничтожная часть перечня преобразователей, чувствительных к механическим воздействиям.

Л. – Незнайкин, когда-нибудь ты должен стать пророком-ясновидцем. О механических преобразователях можно было бы написать целые тома, но мне кажется, что ты начинаешь с беспокойством поглядывать на свои часы. Это несомненно связано с Поленькой и меня совершенно не удивляет.

Н. – Я вижу, что ты тоже большой мастер читать чужие мысли, и говорю тебе «до завтра».

Беседа третья
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСКОРЕНИЯ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Любознайкин, открывает своему другу тайну, скрывающуюся под хорошо известным словом «ускорение», и рассказывает, как это ускорение измеряют. Речь пойдет также о преобразователях, чувствительных к звуку, теплоте и, наконец, к свету (знаменитые фотоэлектрические элементы, с которыми так хотел познакомиться Незнайкин).

Незнайкин. – Надеюсь, что ты, Любознайкин, не займешь весь сегодняшний вечер разговорами о механических преобразователях. Откровенно говоря, мне кажется вполне достаточно того, что я о них услышал.

Любознайкин. – Успокойся. Прежде чем перейти к другой теме, я намерен рассказать тебе лишь о преобразователях положения, т. е. о таких преобразователях, которые позволяют превратить в электрический сигнал положение подвижного элемента.

Н. – Мне представляется, что многие приспособления, о которых ты говорил мне вчера, могли бы оказаться полезными для этой цели. Например, потенциометр с линейной намоткой катушки или же конденсатор переменной емкости.

Л. – Совершенно верно. Можно также использовать (рис. 17) пластинку, больше или меньше перекрывающую световой поток, оставшаяся часть которого измеряется фотоэлементом (этот прибор скоро станет предметом нашего разговора). Но перейдем к преобразователям скорости; рассмотрим для начала способы измерения угловой скорости (или частоты вращения).

Рис. 17. В зависимости от положения подвижной заслонки изменяется освещенность фотоэлемента.

Измерение скорости

Н. – Здесь, должно быть, можно использовать регулятор с шарами, как в паровых машинах; ты прекрасно знаешь, что он представляет собой ось, на которой вращаются два шара, соединенных с нею рычагами: когда ось вращается быстро, центробежная сила разводит эти шары в стороны.

Л. – Да, это вполне реально. Но значительно проще соединить ось с маленькой динамомашиной (рис. 18); величина создаваемого ею напряжения пропорциональна частоте вращения, на таких приборах указывается, на сколько вольт увеличивается напряжение на один оборот в секунду оси динамомашины. Можно также соединить ось с валом маленького электрогенератора переменного тока и измерять частоту тока.

Рис. 18. Динамомашина вырабатывает напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения; измеряя напряжение, можно определить скорость вращения.

Н. – Все это очень хорошо, но динамомашина или генератор переменного тока, должно быть, тормозят движение оси?

Л. – Совершенно верно, но, если вал приводится в движение дизелем мощностью в 1000 л. с., это не имеет большого значения. Однако в случае использования генератора переменного тока можно избежать какого бы то ни было торможения: на вращающемся валу крепится небольшой магнит; вращаясь поблизости от катушки, он наводит в ней электрический ток.

Если ты не хочешь создавать никакого торможения, то можно также укрепить на валу диск с отверстиями, который n раз перекрывает луч света, попадающий на…

Н. – … фотоэлектрический элемент! Я полагаю, что пока не изучу эти элементы, я не пойму электронику!

Л. – Да, они используются очень широко. Но сначала позволь мне рассказать тебе о преобразователях скорости, используемых для измерения скорости прямолинейного движения.

Н. – О! В этом случае к движущемуся предмету привязывают нить и наматывают ее на барабан. Здесь, как в математике, «приводят к предыдущему случаю».

Л. – В предложенной тобой системе есть положительные качества. Можно также укрепить на подвижном предмете магнит, перемещающийся в катушке: наводимое в этой катушке напряжение будет функцией скорости перемещения.

Прежде чем закончить этот раздел, я хотел сказать тебе несколько слов о преобразователях ускорения или акселерометрах.

Ускорение

Н. – Постой. Ведь ускорение не что иное, как изменение скорости. Значит можно было бы ограничиться преобразователем скорости и по его показаниям рассчитать ускорение.

Л. – В какой-то мере ты прав. Но только отчасти; прежде всего ты руководствуешься классическим представлением, по которому ускорение представляет собой изменение лишь абсолютного значения скорости, а это справедливо только для прямолинейного движения. В этом конкретном случае действительно можно удовлетвориться преобразователем скорости, передавая его показатели на дифференцирующую схему…

Н. – Ну, это совсем не то!..

Л. – Это намного проще, чем ты думаешь. Но ускорение имеет несколько иной, чем ты себе представляешь, смысл: ускорением называют всякое изменение скорости как по абсолютной величине, так и по направлению. Так, например, на поворотах у автомобиля, идущего с постоянной скоростью, возникает ускорение; ты чувствуешь это ускорение, потому что сила (именуемая центробежной) прижимает тебя к дверце машины точно так, как воздействует на тебя сила при изменении абсолютного значения скорости машины, идущей по прямой дороге.

Н. – Ну, эти-то силы я хорошо знаю. У одного из моих приятелей есть спортивный автомобиль; когда он срывается с места, я едва удерживаюсь, чтобы не вылететь на заднее сидение, а каждый раз, когда он тормозит, я рискую пробить своей головой ветровое стекло.

Л. – Познакомь меня со своим другом: если когда-нибудь он предложит мне поездку в машине, то я смогу сэкономить деньги на железнодорожном билете… А пока, представь себе, Незнайкин, что в машине своего друга ты сидишь на безукоризненно ровном и гладком сидении и что (для твоего же блага) привязан веревками к четырем преобразователям силы…

Н. – Это мне совсем не понравится…

Л. – Сейчас это не столь существенно. Главное в том, что, обладая определенной массой, твое тело будет иметь тенденцию сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения[4]4
  Эту способность называют инерцией тела. (Прим. ред.)


[Закрыть]…

Н. – Ах, Любознайкин! Ведь от природы я совсем не такой инертный!

Л. – Сейчас речь идет не о твоем характере, а о законе физики. Всякий обладающий массой предмет стремится оставаться неподвижным или сохранять постоянную по величине и направлению скорость (иначе говоря, равномерное прямолинейное движение). Для измерения твоей скорости к тебе нужно приложить силу в направлении движения (чтобы увеличить скорость), в обратном направлении (чтобы уменьшить скорость) или в направлении, перпендикулярном движению (чтобы изменить направление скорости). Однако, когда к тебе прикладывают силу, ты реагируешь с такой же, но противоположно направленной силой (здесь также проявляется не твой характер, а закон физики о действии и противодействии). Проявляемая тобою сила воздействует на преобразователи, а они показывают, какому усилию или усилиям подвергаешься ты в каждый момент…

Н. – Совершенно независимо от моего желания и воли…

Л. – Но тем не менее подвергаешься. Система, состоящая из автомобиля, тебя и преобразователей силы, представляет собой акселерометр, который в каждый момент показывает ускорение автомобиля.

Экономичный акселерометр

Н. – Так, значит, для создания акселерометра требуется автомобиль, человек и…

Л. – Где твоя серьезность, Незнайкин? Ты несомненно прекрасно понимаешь, что для этой цели достаточно иметь (рис. 19) соединенную с подвижным предметом А коробочку В, в которой предмет, обладающий массой М, соединен с преобразователем силы F (на пьезоэлектрическом элементе, на потенциометрах или иной конструкции). Но обычно устанавливают несколько акселерометров, как правило, три, чтобы обнаружить ускорения в трех направлениях: два в горизонтальной плоскости и одно в вертикальной (последнее не представляет интереса для автомобиля). В автомобиле вертикальное ускорение возникает лишь при езде по рытвинам…!

Рис. 19. Акселерометр представляет собой коробку В, прочно соединенную с подвижным предметом А. В этой коробке сила инерции массы М воздействует на преобразователь силы F, когда А испытывает ускорение.

Н. – Нужно набраться терпения и постараться не думать о морской болезни.

Л. – Незнайкин! Вместо того чтобы заниматься шутками, подумай о применении преобразователей ускорения. Большое количество таких приборов устанавливается в различных частях ракет, уносящих в небо искусственные спутники. Самолеты также богато оснащены ими; преобразователи устанавливают и на различные подверженные вибрации детали машин, чтобы измерить вибрационные ускорения, столь опасные для оборудования, где они возникают.

Н. – В самом деле это очень полезно.

А теперь послушаем…

Л. – Оставим на время механику и совершим небольшое путешествие в область акустических преобразователей. Ты уже давно знаком с ними…

Н. – Да ведь это же микрофоны! Последний опыт, когда я пытался использовать микрофон в устройстве охраны от воров, закончился для меня полнейшим провалом.

Л. – Правильно. Известные тебе микрофоны можно рассматривать как акустические преобразователи: они представляют собой (рис. 20) мембрану, воздействующую на преобразователь силы (пьезоэлектрический кристалл, угольный порошок, конденсатор) или на преобразователь скорости (подвижная катушка, лента). Но существуют и другие акустические преобразователи: гидрофоны, предназначенные для восприятия звуков, распространяющихся в воде, и геофоны, предназначенные для прослушивания звуков, распространяющихся в земле.

Рис. 20. В микрофонах может использоваться сжатие пьезоэлектрического кристалла (а) или угольного порошка (б); иногда используется также напряжение, наведенное в катушке или ленте (в), перемещающейся в междуполюсном зазоре магнита.

Н. – Последние были бы очень полезны индейцам племени Сиу.

Л. – Клянусь супергетеродином, я не вижу никакой связи!

Н. – Любознайкин! Разве ты никогда не читал романов Майна Рида или Фенимора Купера? Ведь всем известно, что главный вождь прикладывает ухо к земле, чтобы услышать стук копыт лошадей своих врагов или кареты, на которую индейцы собираются напасть.

Л. – Прости меня, да будет мне позволено немного забыть этих классиков, чтобы… вернуться в Европу. Геофоны, в частности, используют для прослушивания звуков взрыва, чтобы узнать, где расположены подземные слои, отражающие звук взрыва заряда Тринитротолуола. Этот способ широко используется геологами при поисках нефти. Но история с индейцами племени Сиу настолько подогрела мое воображение, что мне представляется логичным перейти к преобразователям, чувствительным к температуре.

Чем можно заменить термометры

Н. – Нашел! Прошлый раз ты мне говорил, что резисторы тензометрических преобразователей чувствительны к температуре. Достаточно один такой преобразователь подвергнуть воздействию не механических напряжений, а температуры, и дело в шляпе!

Л. – Совершенно справедливо, так и делают. Однако в качестве чувствительного к температуре элемента используют не тензометрический преобразователь, в котором все сделано для снижения его чувствительности к температуре, а обычный резистор. Можно сказать, что в среднем при обычной температуре сопротивление металлической проволоки увеличивается на 1 % при возрастании температуры на каждые 3 °C.

Н. – Я думаю, что в этом случае предпочтение отдается наиболее чувствительным к температуре резисторам, которые, как я слышал, называются терморезисторами?

Л. – О, не всегда! Терморезисторы (о них я еще буду говорить) представляют собой полупроводниковые приборы, сопротивление которых при небольших токах (не вызывающих заметного нагревания) уменьшается при повышении температуры.

Впрочем, изменение сопротивления терморезисторов происходит значительно быстрее, чем в классических резисторах; изменение может достигать 4 % на 1 °C, т. е. в 12 раз больше, чем у металлов. Поэтому эти приборы называют терморезисторами или элементами с отрицательным ТКС (что означает температурный коэффициент сопротивления)[5]5
  Слово «отрицательный» указывает на уменьшение сопротивления при возрастании температуры. (Прим. ред.)


[Закрыть].

Н. – Но если терморезисторы в 12 раз чувствительнее к температуре, чем металлические резисторы, то я полагаю, что последними для измерений температуры никогда не пользуются.

Л. – Ты не прав. Классические резисторы используются очень широко, так как они выдерживают температуры, которые выводят терморезисторы из строя. А кроме того, зависимость сопротивления резисторов от температуры очень простая, почти линейная, тогда как сопротивление терморезисторов подчиняется относительно сложной закономерности. Резистор из платины может использоваться для измерения температуры от нескольких градусов выше абсолютного нуля (около —260 °C) до 1500 °C. Но имеются также термоэлектрические пары, прочно соединенные два металла (или полупроводниковых материала), контакт между которыми при нагревании превращается в настоящую батарею (рис. 21).

Рис. 21. Термопара состоит из двух спаянных кусочков разных металлов. При нагревании места спая на выводах термопары появляется напряжение, повышающееся при увеличении температуры.

Н. – Чудесно! Значит, достаточно подогреть такие пары металлов и получай электричество. Так это же прекрасное будущее для электростанций!

Л. – Конечно. В частности, в СССР, где занимались этой проблемой, научились получать электроэнергию для транзисторного радиоприемника от батареи термопар, расположенной вокруг стекла керосиновой лампы, используемой для освещения.

Излучение

Н. – А как измеряют высокие температуры, например выше 2000 °C?

Л. – Как ты знаешь, все сильно нагретые тела испускают свет – это форма излучения энергии. Ученые установили, что при не очень высоких температурах полная мощность, излучаемая квадратным сантиметром поверхности нагретого тела, примерно пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т нагретого тела (т. е. его температуры выше абсолютного нуля, который соответствует —273 °C)[6]6
  Закон Стефана – Больцмана. (Прим. ред.)


[Закрыть]. Измерив излучаемую мощность, можно узнать температуру. Этот метод используется для измерения даже очень высоких температур. Но в этих случаях прибегают к слишком смелой экстраполяции законов излучения энергии, а справедливость этих законов для очень высоких температур опровергнута проведением термоядерных взрывов: по этим законам водородная бомба не может взорваться.

Н. – Лично я предпочел бы, чтобы эти законы оказались правильными!!!

Л. – Я тоже, но опыт показал, что бомба взрывается. Следовательно, эти экстраполяции несколько фантастические. Поэтому, когда мне говорят, что температура такой-то звезды равна б миллионам градусов, то я воспринимаю это примерно так же, как если бы мне сказали: «Ее температура 3 тонны или 10 минут».

Н. – Значит, измерения излучения ровным счетом ничего не стоят?.

Л. – Не совсем так. Например, термопары позволили измерить температуру в различных точках Луны и некоторых планет; для этого пришлось полученное с помощью телескопа изображение небесного тела или части небесного тела зеркалом направить на термопару, нагрев которой изменяется в зависимости от температуры наблюдаемого в телескоп тела. Эти измерения дали прекрасные результаты.

Н. – Охотно признаю, но мне хотелось бы, чтобы ты, наконец, рассказал мне о фотоэлементах.

Л. – Я как раз и подхожу к этому вопросу. Но помнишь ли ты, каким образом вырывают электроны из катода электронной лампы?

Н. – Конечно. Для этого повышают температуру тела, что увеличивает подвижность молекул; движущиеся молекулы так толкают электроны, что в конечном счете они вылетают из вещества.

Л. – Примерно так. Для большей точности я добавлю, что вызываемое повышением температуры увеличение энергии электронов позволяет им прорваться через поверхностный слой. Так вот, Незнайкин, энергию электронов можно также увеличить, облучив светом вещество, в котором они находятся…

Н. – Великолепно! Но тогда нагреваемые катоды в электронных лампах можно заменить освещаемыми катодами?

Фотоэлементы

Л. – Твое предложение большой практической ценности не представляет, так как получаемый таким образом ток весьма мал. Чтобы сделать фотоэлемент (рис. 22), нужно взять пластинку, покрытую веществом, способным под воздействием света испускать электроны, и поместить ее в колбу, из которой откачан воздух. В этой же колбе размещается еще одна пластинка, имеющая положительный потенциал относительно первой, называемой катодом. Электроны, испускаемые катодом под воздействием падающего на него света, пойдут к другому электроду (аноду), в результате чего в цепи появляется ток, значение которого зависит от освещенности катода.