Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
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.
