Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 12
Казалось бы, повернув второй поляроид, мы снова добьемся полного затемнения. Но нет, с обычным стеклом этого не получится. Вот если взять кусок специального оптического стекла, то после поворота второго поляроида оно уже видно не будет. Особенно яркая радужная картина получается, если поместить между поляроидами кусок смятого целлофана.
Обе картины объясняются двойным преломлением лучей. Очень многие твердые вещества способны один и тот же луч света разделить на две части, идущие немного в разных направлениях (рис. 3).
Фазы световых волн и плоскости поляризации в этих лучах оказываются немного сдвинуты относительно друг друга, но частоты полностью совпадают. Благодаря этому в них происходит интерференция, приводящая к яркой игре красок.
Способность к двойному преломлению лучей обычного оконного стекла без поляроидов никому не заметна и не мешает. Но из такого стекла невозможно изготовить хорошую линзу. (Вместо изображения одной точки может получиться две.)
Возникает же эта способность в стекле при его быстром неравномерном охлаждении в процессе изготовления. Отдельные его участки оказываются неравномерно растянуты в различных направлениях и по-разному преломляют свет. Поэтому лучшие сорта оптического стекла после отливки длительно, порою до полугода, охлаждают. Вот почему за некоторые фотообъективы приходится платить большие деньги.
Но двойное преломление лучей бывает и полезно.
Возьмите кусок полиэтилена, надрежьте его и, поместив между затемненными поляроидами, потяните. В районе надреза появятся радужные линии (рис. 4).
При усилении натяжения полиэтилен начнет рваться, а радужные разводы усилятся. Все эти линии есть не что иное, как линии распределения сил (процесс можно отчетливо видеть на экране).
Мост или крыло самолета всегда начинают разрушаться в каком-то одном месте, где происходит опасная концентрация сил. Стараясь заранее определить и усилить опасное место, проектировщики делают модель из прозрачного материала, помещают ее между двух поляроидов и подвергают нагрузке. Возникающий узор раскрывает картину распределения сил, а измерение яркости отдельных участков ее позволяет найти величину этих сил. Работа эта кропотлива, но ее результаты очень важны.
Точно определить содержание сахара во фруктовом соке нелегко. Выручит все та же поляризация. Поместите между поляроидами прозрачную кювету с плоскими стенками, создайте темное поле и налейте в нее раствор сахара. Кювета тотчас же станет видна. Прошедший через раствор сахара свет немного повернул плоскость поляризации. Если второй поляроид повернуть, поле снова сделается темным. Концентрация сахара оказывается пропорциональна повороту анализатора.
Кстати, раз уж здесь зашла речь о сахаре… В XIX веке он стоил очень дорого. Ученые приложили немало сил, пытаясь синтезировать его из угля или нефти, но — к счастью! — успеха не добились: процесс получался сложным и дорогим. Правда, оказалось, что если слить два сильнейших яда — раствор синильной кислоты и формалина, — то в колбе со временем появляется сахар. Его химическая формула полностью совпадает с формулой лучшего тростникового сахара. Вот только плоскость поляризации он вращает не так, как обычный сахар, а в противоположную сторону. Оказалось, что его молекула по форме зеркальна молекуле обычного сахара. Этот «зеркальный» сахар был сладок, но организмом не усваивался.
Способность вращать плоскость поляризации имеют очень многие вещества. Еще знаменитый физик Майкл Фарадей обнаружил, что магнитное поле способно вращать плоскость поляризации света, проходящего через вещество. Вот один из его экспериментов.
В катушку с большим числом витков помещалась кювета с жидкостью. Вдоль нее пропускался луч поляризованного света. При включении тока положение плоскости поляризации света значительно изменялось.
В своих опытах Фарадей использовал катушку длиной около 0,5 м и внутренним диаметром 40 мм. Она содержала 150 витков изолированной проволоки диаметром 5 мм и работала от батареи напряжением 48 В. Изготовить такую катушку несложно, а питаться она может от выпрямителя. Но можно использовать катушку от набора по электромагнетизму и конденсатор емкостью 100 мкФ. Внутрь катушки следует поместить кювету с плоскими стенками, склеенную из оргстекла. Опыты следует проводить только в присутствии учителя!
А. ВАРГИН
Рисунки автора
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Волшебная метла
В ДВ- и СВ-диапазонах работают сотни интереснейших, но очень слабых радиостанций. Как их ловить? Можно строить громоздкие многометровые антенны, состоящие из горизонтально и вертикально натянутых проводов. Но можно обойтись и без них.
Еще в 30-е годы прошлого века на дымовых трубах, на балконах или на отдельных мачтах ставили метелочные антенны. По своей форме и размерам такие антенны действительно напоминали метелки.
Несмотря на малые размеры, метелочная антенна обеспечивала уверенный и громкий прием. В электрическом отношении это был всего лишь вертикальный провод эффективность которого немного улучшала метелка на верхнем конце. Так что заметного эффекта метелочная антенна давать не могла.
Но ведь давала! Почему?
Недавно появилась гипотеза о том, что метелочная антенна одновременно с приемом обеспечивает усиление сигнала. Но для усиления нужны особые свойства и дополнительный источник энергии…
Где же они в простой проволочной метелке? Оказывается, и то и другое у метелки есть. Но давайте по порядку.
В прошлом веке лучшие метелочные антенны выпускала специальная фирма Central Equipment Ltd. Вот как они были устроены.
Каждая антенна собиралась из пучка отрезков медной проволоки от 0,5 до 1 м, и они разводились на угол от 45 до 90 градусов. Нижний конец пучка вставлялся в массивный фарфоровый изолятор, сквозь дно которого присоединялся провод длиной около 15 м, соединяющий антенну с приемником. Провод, идущий от антенны к приемнику, чтобы изолировать его от крыши и стен дома, крепился к специальным кронштейнам-изоляторам и до самого ввода нигде ничего не касался. Ввод же устраивали из эбонитовой трубки.
В этом описании удивляет прежде всего тщательность изоляции антенны. Ее, по всем признакам, делали так, словно рассчитывали на тысячи вольт, хотя, казалось бы, напряжение сигнала на антенне не должно превышать милливольт. В этом противоречии кроется первый след к разгадке тайн метлы.
Как выяснилось, на антенну действительно действует напряжение, измеряемое киловольтами. Это постоянное напряжение атмосферного электричества. Дело в том, что верхние слои атмосферы заряжены положительно относительно земли и их потенциал достигает многих сотен киловольт. Таким образом, мы живем как бы между обкладками конденсатора. В приземном слое воздуха существует электростатическое поле, напряженность которого меняется с интенсивностью 130 В/м.
На высоте нашей головы потенциал атмосферы превосходит 200 В. Но мы этого не чувствуем, потому что воздух хороший диэлектрик и ток, текущий через наше тело, ничтожно мал. Метелочная антенна соединена с землей через катушку приемника (контурную, или связи), поэтому ее потенциал равен потенциалу земли, который обычно принимают за нулевой. Если при этом она установлена где-нибудь на балконе пятого этажа, на высоте 15 м, воздух имеет потенциал около 2 кВ.
В проводе антенны возникает постоянный ток, измеряющийся наноамперами, при мощности в нескольких милливатт. Он тем больше, чем больше в антенне проводов. Это напряжение способно вызвать так называемый тихий разряд. Вольт-амперная характеристика его имеет участок отрицательного сопротивления.
Вот что это такое. При увеличении напряжения на концах обычного проводника (его сопротивление принято считать положительным) ток растет. В проводниках с отрицательным сопротивлением (неоновых лампах, тиристорах, туннельных и лавинно-пролетных диодах) с ростом приложенного напряжения ток падает, поэтому такие проводники и способны усиливать сигнал.
Именно этот процесс и должен происходить при разряде на концах прутьев метелки. Чтобы его усилить, концы прутьев следует делать по возможности острыми. Таким образом, метелочная антенна является устройством, работающим от энергии, запасенной на обкладках «земного» конденсатора.
А теперь несколько советов по изготовлению и установке антенны. Метелка делается из десяти и более медных проволок диаметром не менее 2 мм и длиной от 30 см. Их нужно заострить с одного конца, а с другого — очистить от окислов или лака и залудить оловянным припоем. Затем следует собрать проволоки в пучок и обвязать медной проволокой в двух-трех местах, как это делается на метлах и вениках. В середину пучка следует вставить «хвостик» — еще один отрезок луженой медной проволоки. После этого весь луженый конец метлы смажьте флюсом и запаяйте мощным паяльником или газовой горелкой.
