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

Технической новинкой являются плоские телевизионные и компьютерные экраны на жидких кристаллах. Эти удобные средства отображения информации настолько основательно вошли в нашу жизнь, что большинство людей поддалось иллюзии, будто бы жидкокристаллическим мониторам много десятков лет. На самом деле сооружение первых экспериментальных моделей LCD-устройств (англ. Liquid Crystal Displays — жидкокристаллические дисплеи, или ЖК-дисплеи) началось лишь в середине 1980-х.

Первые образцы продукции для массового покупателя появились в конце 1980-х. Распространение телевизоров на жидких кристаллах и персональных компьютеров «лэптоп» приходится на 1989–1991 гг. Первые большие цветные телеэкраны (диагональ 35 см и более) стали собираться лишь начиная с 1991 г., и то единственным их производителем тогда была японская фирма «Шарп».

Экран LCD собран из стеклянных пластин, уложенных слоями, перемежающимися с прослойками жидкого кристалла. Оптическая структура последнего меняется в зависимости от величины электрического заряда, поступающего на кристалл. Электроника телеприемника или компьютера генерирует электромагнитное поле, в котором молекулы кристалла меняют свою пространственную ориентацию. В результате меняются направления оптических осей кристаллов, и разные области экрана по-разному отражают свет и строят тем самым изображение.

Поскольку сами жидкие кристаллы светиться не могут, то для работы устройств LCD приходится применять подсветку, которая устанавливается в телевизорах и компьютерах. Подсветка необходима даже для работы в дневное время. Солнечный свет в течение суток падает на экран под разными углами и неоднократно меняет мощность. Поэтому картинка на жидкокристаллическом дисплее будет изменчивой и далекой от истинной. Впрочем, начиная с конца 1990-х гг. ведутся успешные разработки мониторов, в которых кристаллы меняют цвет в электрическом поле, а также «активных» (самосветящихся) LCD-устройств.

Единственным недостатком самых ранних ЖК-дисплеев было высокое сопротивление жидкокристаллической среды. Скорость частиц обладающего большой вязкостью жидкого кристалла невелика. Получая новый электрический импульс, кристаллы затрачивали порядка 500 мс (миллисекунд) на переориентацию. Ограничение скорости кристаллов экрана привело к невозможности полноценно работать операторам со средствами ввода информации типа «мышь». Курсор «мыши» при быстром передвижении по экрану нередко попросту пропадал из виду, т. к. реакция кристаллов запаздывала.

В настоящее время помеха устранена благодаря внедрению двух технологий — DSTN и TFT. Первая технология сводится к использованию особого рода кристаллов-нематиков и двойного сканирования. Не так давно эта технология пополнилась методом многолинейной адресации MLA, сократившей замедление реакции экрана до 50 мс. Еще более продвинутой является предложенная фирмой «Тошиба» технология TFT, которая практически полностью сокращает запаздывание. Использование плоского дисплея с технологией TFT позволяет владельцу компьютера не испытывать затруднений во время т. н. «динамичных» компьютерных игр и т. д.

Пользователь LCD-устройства или плоского телевизора должен знать, что качество изображения во многом зависит от угла зрения. Жидкокристаллические экраны сконструированы таким образом, чтобы на них смотрели под прямым углом. Только тогда зритель может рассчитывать на высококачественное изображение. Если плоские компьютерные мониторы удобны своей компактностью, что позволяет устанавливать их на переносные ПК, то жидкокристаллические телевизоры весьма удобны в другом отношении: они не занимают много места и могут быть даже повешены на стену вместо картины. Большинство марок плоских телевизоров, между прочим, способно работать в режиме показа картинки, когда не настроено на прием радиосигнала. К слову, сейчас в продаже имеются настоящие «движущиеся картины», которые изображают слегка меняющиеся пейзажи. Представляющие собой экран на жидких кристаллах, такие картины воспроизводят бег облаков, дрожание листвы на ветру, течение воды в роднике или водопаде и т. п. Нужно заметить, что еще недавно на эти картины мало кто обращал внимание, считая их забавной игрушкой, а сегодня многие спешат приобрести переменчивые пейзажи.

И последнее замечание, которое касается плоских экранов. Обычно принято считать, что любой плоский экран построен на жидких кристаллах. Если в отношении современных персональных ЭВМ это в целом верно, то плоские экраны телевизоров могут быть конструированы с использованием многих других материалов. Преимущественно в роли таких аналогов выступают электролюминесцентные элементы и цветные светодиоды. Однако жидкие кристаллы занимают, безусловно, главенствующее положение.

Четвертое состояние

Подавляющее большинство веществ не образует стекол или жидких кристаллов. Почти все известные науке химические соединения, за редким исключением, способны существовать лишь в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. При очень высоких температурах, не встречающихся на Земле в естественных условиях, практически любое вещество можно перевести в плазменное состояние. Однако молекулы вещества окажутся полностью разрушены. В чем же заключается плазменное состояние материи, сокращенно называемое плазмой?

Открытие плазмы

Плазма — значительно ионизированный газ, который по своим физическим свойствам резко отличается от обыкновенного, нейтрального газа. В природных условиях у поверхности Земли невозможно наблюдать плазму ни в какой ее форме, поскольку ионизационные процессы в воздухе очень слабы. Приземный воздух насыщен разнообразными ионами, причем для человека наиболее важны катионы (отрицательно заряженные молекулы), поскольку именно они поддерживают наше дыхание.

Естественно, избыточные электроны появляются у атома лишь потому, что их потерял другой атом. Процесс утраты электронов атомом, называемый ионизацией, приводит к образованию плазмы. Но если сравнить воздух с настоящей плазмой, то окажется, что нас окружает в целом нейтральная газовая смесь. Число катионов и анионов, называемых в совокупности аэроионами, ничтожно, а главное — слишком мала степень их ионизации.

Степень ионизации как величина означает количество электронов, утерянных ранее нейтральным атомом. Степень ионизации — очень важная физическая величина, потому что она может рассказать о свойствах плазмы и ее разновидностях. Во время грозовых разрядов, случающихся на нашей планете по 8 млн раз в день, на короткое время у земной поверхности рождается самая настоящая плазма с очень высокой температурой и большой степенью ионизации. В канале молнии (стримере) течет поток ионов, представляющих собой атомарные кислород и водород, и противоположный ему поток свободных электронов.

Напряжение, вызывающее разряд, равно 300 000 В, а сила тока достигает 1 А. Температура газов в канале молнии равна +27 тыс. °С. Этого вполне достаточно, чтобы вызывать кратковременные термоядерные реакции. В частности, во время примерно 1,24 % всех грозовых разрядов рождаются в ходе таких реакций потоки элементарных частиц нейтрино. Но постоянно такая плазма существовать не может, она быстро разрушается.

Человек научился создавать плазму самостоятельно. Ионизированный искусственным путем газ можно найти сейчас в каждой рекламной трубке. Неоновое газоразрядное свечение очень слабо ионизирует газ, ионы в нем холодны и движутся медленно. Зато электроны под действием постоянного напряжения разогреваются и разгоняются до больших скоростей.

Температура электронов в рекламной трубке достигает +10 000 °C, во что трудно поверить. Однако они действительно настолько горячи, вот только не способны передать свою тепловую энергию окружающим атомам. Электроны существуют совершенно независимо от ионов, образуя т. н. электронный газ. Вообще, настоящая плазма всегда представляет собой смесь из двух независимых газов — ионного и электронного.

На большой высоте над земной поверхностью царят подходящие условия для длительного существования слабо ионизированной низкотемпературной плазмы. Здесь происходят естественные процессы фотоионизации молекул воздуха под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Слой этой плазмы, начинающийся на высоте около 60 км, получил название ионосферы. Ионосферой обладают и другие планеты Солнечной системы.

При слабой ионизации заряженные частицы составляют лишь 1 % от общей плотности плазмы. Космос является миром газа, подвергшегося более значительной ионизации. Громадными скоплениями такого газа оказались сильно разреженные туманности, сложенные продуктами взрывов сверхновых и т. д. Высокотемпературная сильно ионизированная плазма существует на горячих поверхностях звезд. Температура солнечной поверхности сравнительно холодна, она равняется +6000 °C. Существуют и более низкие звездные температуры — много менее +3000 °C. Самые горячие звезды, светила т. н. бело-голубого класса, нагреты до +20 000 °C и более.