Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

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.

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.

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].

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.

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]. 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?

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.