Детская энциклопедия

ДЭ, том 3. Вещество и жнергия
Часть I

Том 3. Содержание

БЕЗ ФИЗИКИ И ХИМИИ ВАМ НЕ ОБОЙТИСЬ

Здравствуйте, люди будущего!

Действительно, иначе вас не назовешь. Вы и есть люди будущего — сегодняшние школьники, студенты 70-х годов, специалисты 80-х, доктора и академики XXI в, Вам предстоит пользоваться всеми открытиями нашего поколения ученых, предстоит завершить все, что мы задумали, затеяли и не довели до конца. Именно вам вручим мы перечень наших надежд, планы наших открытий. Вы будете исполнителями и одновременно редакторами: кое-что вычеркнете как устаревшее, ненужное, ошибочное; остальное (главное!) осуществите. Едва ли можно предугадать, что именно вы откроете. Но к чему вы должны стремиться, какие задачи выполнять — это можно сказать и нужно.

Главная задача общеизвестна: сделать счастливыми человечество и самих себя, дать максимальное количество благ максимальному числу людей, практически — всем. Это и означает осуществить принцип коммунизма «каждому — по потребностям, от каждого — по способностям». Надо будет удовлетворить все материальные и все духовные потребности каждого человека.

Начнем разговор с материальных потребностей, прежде всего с первейшей — с пищи. На земном шаре сейчас далеко не все сытно едят; есть страны, которые нередко посещает голод, там часто и взрослые и дети умирают из-за недостатка пищи. Идеологи старого мира говорят, что тут ничего не поделаешь: планета, дескать, тесна, земли на всех не хватает. Так ли это? Цифры показывают, что в технически развитых странах, находящихся отнюдь не в самых лучших природных условиях, с каждого гектара снимают урожай в 4—5 раз выше, чем в слаборазвитых странах. Следовательно, дело не в количестве земли, а в техническом развитии.

Том, который вы держите в руках, посвящен физике и химии. Здесь химия предстанет перед вами как наука высоких урожаев, наука изобилия па столе. Химия — это удобрения: азот, фосфор, калий, микроэлементы... Химия — это охрана полей: инсектициды и фунгициды — яды против вредных животных; это гербициды — яды для сорняков, вредителей растительного происхождения. Химия — это чудесные вещества, управляющие ростом и развитием растений, ускоряющие созревание и увеличивающие рост плодов. Есть еще химия почвы — агрохимия, наука о создании наилучших условий для питания растений, для использования минеральных веществ, содержащихся в почве или добавленных в нее.

Для высоких урожаев чрезвычайно важна и селекция, т. е. создание новых, улучшенных сортов, более продуктивных (лучше усваивающих углекислый газ, воду, фосфор, калий, азот, полнее и быстрее превращающих их в белки, углеводы и другие пищевые вещества), засухоустойчивых, болезнеустойчивых, лучше поддающихся механизированной обработке и уборке и т. п.

Чем больше типов растений у селекционера, чем больше разнообразие форм, тем легче найти нужные сорта. Недавно выяснилось, что некоторые сильнодействующие химические вещества вызывают в семенах существенные наследственные изменения, при этом возникают новые наследственные линии с совершенно новыми свойствами,

дающие богатый выбор для селекционера. Так что и в эту, чисто биологическую, казалось бы, работу химия вносит свой вклад.

И если бы сегодня во всем мире люди сумели применить уже существующие передовые методы селекции, механизации и химизации, можно было бы увеличить мировой урожай по крайней мере раз в пять, даже не прибавляя ни одного гектара к существующим посевным площадям.

Но и это не предел. Теория позволяет уже сейчас предвидеть возможность дальнейшего увеличения урожайности. Все вы знаете, конечно, что растение синтезирует пищу для людей и корма для животных из углекислого газа и воды с помощью энергии солнечных лучей. Но, оказывается, растение не так уж идеально использует эту энергию. Растет оно не круглый год, так что зимой, поздней осенью и ранней весной солнечный свет пропадает зря. И в начале роста, когда листочки еще маленькие и редкие, большая часть лучей, минуя растения, бесполезно нагревает почву. Но даже и те лучи, которые попадают на листья, утилизируются не полностью. Инфракрасные лучи для фотосинтеза не пригодны. Отражается и часть видимых лучей, а часть проходит сквозь листья. Кроме того, значительная доля света тратится на испарение воды; таким способом растение предохраняет себя от жары и перегревания. В итоге растение использует только 0,5 — 1% падающего света на построение тканей.

Так что и тут таятся громадные резервы. Но вам надо будет немало поработать, чтобы сделать растения бережливее: заставить их повысить свой к.п. д. Известно, что микроскопическая водоросль хлорелла в мелких водоемах использует на построение органического вещества не 1, а 10—12% падающего света. И если вы добьетесь такой же производительности у растений суши, то превзойдете раз в десять урожайность передовых стран, а среднюю мировую урожайность раз в пятьдесят, сумеете прокормить на существующих посевных площадях не три миллиарда, а миллиардов сто пятьдесят людей, правда, на сегодняшнем, т. е. неважном, уровне питания.

А быть может, вам удастся решить и совсем трудную задачу, почти фантастическую: так изменить природу растения, чтобы оно использовало энергию и инфракрасных лучей, сейчас пропадающих втуне.

Помимо физиологических, есть еще резервы географические. В настоящее время на земном шаре обрабатывается примерно 10% суши, всего лишь десятая часть! Но посевную площадь можно увеличить по крайней мере втрое, главным образом за счет влажных тропических лесов и сухих субтропических пустынь, полупустынь, степей. Джунгли требуют осушения, сухие степи — орошения. Тут нужны будут и каналы, и трубы, подводящие воду, и энергия — много дешевой энергии для машин, насосов, для поливки, строительства. И потребуются химические пленки, покрывающие и подстилающие, экономящие влагу, предохраняющие ее от испарения вверх и от просачивания вглубь. Нужно будет, кроме того, решить проблему опреснения соленой воды: опреснять ли ее физическим методом — кипятить с помощью атомной энергии, пли опреснять химически — осаждать соли ионообменными смолами?

Физика и химия в равной степени важны для решения всех этих задач. Орошение — это энергетика и гидравлика. Теплотехника и оптика создадут благоприятный режим растению. Для механизации нужны механика, теплотехника, электричество. В общем, без химии и физики вам не обойтись, шагу не ступить!

Мы не упоминали еще о необъятных возможностях океана. Океаны в три раза обширнее суши, кроме того, они гораздо производительнее. Ведь водному растению не надо тратить энергию на испарение, предохраняя себя от высыхания; к. п. д. у него получается выше. Сейчас люди слабо используют океан. В нем вылавливают лишь незначительную часть рыбных богатств. Агротехника океана — дело будущего. Вы сами будете решать, как разводить рыбу, как вылавливать планктон и перерабатывать его, как возделывать подводные пашни, засеивать их и убирать,

как пасти подводные стада. Но без физики и химии не обойтись вам и на дне морском.

До сих пор речь шла о растительной пище. Чтобы сделать ее вкуснее и питательнее, вы будете использовать животных. Ведь коровы, свиньи, гуси, куры — все это маленькие заводики, превращающие зеленый корм, зерно или отбросы в мясо, жиры, молоко, яйца. Здесь есть свой расчет и свой к. п. д. Но у растений мы сравниваем поглощенную энергию и калорийность продуктов, а у животных — вес корма и привес тела. Так вот, и тут для повышения к.п. д. тоже важна химия. Чтобы усвоить пищу как следует, животное должно быть здоровым. И выгодным оказалось добавлять в рацион и коровам и цыплятам витамины и антибиотики. Кроме того, важны и химические добавки к пище.

Белки животных тканей состоят из аминокислот. Недавно выяснилось, что аминокислоты не равноценны. Среди них есть и такие, которые организм животного сам для себя приготовить никак не может. Это — так называемые незаменимые аминокислоты. В кормах их мало, но организм животного использует их полностью. Все же остальные аминокислоты усваиваются только в строго определенной пропорции к незаменимым. Если каких-либо не незаменимых аминокислот не хватит, организм животного все же может создать их для себя из других не незаменимых кислот, а излишние аминокислоты будут из организма выброшены. Так, при постройке дома ведущий материал — кирпич, а известка, цемент, штукатурка, краска расходуются в зависимости от того, сколько пошло кирпича. Но если незаменимую аминокислоту изготовить химически (химически!) и добавить ее в корм, тогда и излишки прочих аминокислот тоже пойдут в дело — на построение тканей. Животное будет усваивать больше аминокислот, расти быстрее, к.п.д. его повысится.

Некоторые увлекающиеся ученые предполагают, что и вообще вся пища будущего будет химической. Быть может, химическая пища не всем придется по вкусу. Выше много говорилось о несовершенстве растений, но они несовершенны как аккумуляторы энергии. Зато как повара растения на высоте, они изготовляют из углекислого газа именно ту пищу, к которой мы привыкли. И тут техника оказалась бы в положении догоняющего подражателя, стремящегося и никогда не приближающегося к идеалу, дающего только суррогаты. Так что пускай нас кормит биология, а химия только подкармливает.

Итак, на суше и в океане с непременной помощью химии и физики вы получите вкусную и обильную пищу для сотен миллиардов людей. Но ведь человеку нужна не только еда. Нужны еще одежда, жилье, общественные и промышленные здания, орудия труда, машины, аппараты, технические и бытовые приборы, оборудование для транспорта и связи... Из какого материала вы будете все это изготовлять?

Вообще материал — наиболее неподатливая, наиболее косная, я бы сказал, часть производства. Недаром историки обозначают эпохи по главному материалу: век каменный, век бронзовый, железный век. С этой точки зрения ваш век будет веком химическим, эрой синтетических и химически переработанных материалов.

Одежда будущего — в основном химическая. Синтетическая кожа, синтетический мех, синтетические волокна — прочные, гибкие, непроницаемые, водоотталкивающие, ткани пористые, ткани несгораемые, даже нетканые «ткани», которые надо не сшивать, а склеивать.

Металл не уйдет из вашей жизни, но он изменит свои свойства. Теоретически уже доказано, что современные металлические изделия могли бы быть раз в десять прочнее. Уменьшают их прочность сверхмикроскопические неоднородности — ничтожные трещинки, сдвиги, неправильности, вакансии (пустоты, не занятые атомами). В лабораториях уже удалось получить тонкие нити — они называются «усами» — однородного металла, он действительно раз в десять прочнее

стали. Но от этих «усов» до монолитных брусков, до массового производства еще очень далекий путь. Вам предстоит пройти его, чтобы строить ажурные станки с осями-спицами, легчайшие автомашины и самолеты, переносные дома и кружевные мосты, почти прозрачные на вид.

У керамики и стекла прочность еще дальше от теоретической, чем у металла. Но недавно удалось повысить прочность стекла во много десятков раз путем специальной химической обработки его поверхности. Придавая стеклу мелкокристаллическое, как у металлов, строение, удалось значительно повысить и его жаростойкость.

И огнеупорные материалы понадобятся вам для высокотемпературных печей, для электротехники. Кое-что уже найдено: окись магния, окись тория, нитриды, бориды, карбиды с температурой плавления от 2500 до 3500°. Вероятно, вы захотите превзойти эти рекорды.

Для вычислительных машин, для автоматов, для радиосвязи и телевидения, а также для превращения тепла и световых лучей в электричество вам понадобятся полупроводники. Современные германий, кремний, селен не совсем хороши — они слишком чувствительны к температуре. И здесь уже есть находки, но вам придется поискать еще, чтобы ваши машины безотказно работали и в космосе, и в глубинах Земли, и в огненных печах, и около абсолютного нуля.

Нужны новые материалы и для квантовых генераторов: лазеров и мазеров — этих чудесных аппаратов, рождающих могучие лучи, режущие, плавящие, испаряющие, сверлящие и посылающие сигналы хоть на Луну, хоть на Марс, хоть к далеким звездам. В нынешних лазерах луч генерируется в кристалле искусственного рубина. Найдено немало и других веществ для генераторов: твердых — с неодимом, самарием, диспрозием; газовых — гелий-неоновых, неон-кислородных, аргоновых, криптоновых, цезиевых... Как видите, чуть не всю таблицу Менделеева приходится перебирать. Но ведь захочется же вам иметь в кармане этакий лучевой нож с батарейкой, чтобы в любую минуту срезать дерево, снести мешающую скалу или выточить из куска металла нужную детальку. Здесь также встретитесь вы с неизбежной проблемой к. п. д. В лазерах электрическая энергия превращается в свет; работать «лучевыми резцами» будет выгодно при небольших потерях. Если вы добьетесь большого к. п. д., то сумеете передавать энергию не по проводам, а лучами, скажем, из Якутии на Луну или на специальный отражательный спутник, а оттуда — в Москву. Видимо, в космическом вакууме такая передача будет возможна; но я не уверен, получится ли она в воздухе. Для поверхности Земли есть и другая очень заманчивая идея — передача с помощью сверхпроводников. Напоминаю вам, что во многих металлах и сплавах при температурах, близких к абсолютному нулю, совсем нет электрического сопротивления, ток идет без потерь. К сожалению, свойство это исчезает, когда температура повышается всего лишь на несколько градусов. И магнитное поле — а у всякого тока есть магнитное поле — тоже разрушает сверхпроводимость. Недавно найдены сплавы магнитоустойчивые и даже более или менее температуроустойчивые. Если бы вам удалось довести температуроустойчивость пусть не до комнатной температуры, а хотя бы до температуры жидкого кислорода, вы сумели бы передавать мощнейшие токи на любое расстояние и без потерь по самому тоненькому проводу.

Материалов в природе немало, казалось бы, хватит на все нужды. Но, к сожалению, они вас удовлетворить не смогут — выбор мал и качество не то. Придется вам создавать новые, и потому все-таки чаще всего вы будете иметь дело с искусственными, синтетическими материалами, и в особенности с полимерами. Полимеры будут у вас всякие: волокнистые, монолитные и со спутанными волокнами, как у минерала нефрита, полимеры тверже стали и прозрачнее стекла, огнеупорные, кислотоупорные, немагнитные и магнитные.

Говоря о пище, мы все время занимались расчетами: какова площадь пашен, да сколько поступает лучей, да сколько поглощается, все ли используется. Для материалов такие проблемы не стоят; материалы готовятся из атомов, которые встречаются повсеместно — в земной коре и в морской воде, а нередко и в воздухе. Однако нужно не только найти их, но еще и выделить, сконцентрировать, перетасовать или соединить, затратив на все это достаточное количество энергии. Проблема тут в энергии, и вы имеете право задать вопрос: где брать энергию для всех ваших будущих дел?

В наше время на Земле энергии добывается явно недостаточно: в среднем 0,1 квт на одного жителя планеты. Десятая эта доля никак не может избавить людей от самого грубого физического труда: от пахоты на волах, от копания земли лопатой, от переноски тяжестей на спине. Чтобы довести энерговооруженность технически отсталых стран хотя бы до уровня передовых, нужно увеличить ее раз в сорок. Возможен ли такой скачок? Мы знаем, что возможен ... в условиях социализма. Известно, что за годы Советской власти выработка энергии в нашей стране увеличилась в 200 раз.

Сейчас-то мировая энергетика опирается на нефть и уголь, в меньшей степени — на гидроэнергию. Но запасы угля и нефти ограниченны; далеко не все страны так богаты ими, как наша. В будущем, даже не в очень отдаленном, вам всерьез придется решать проблему источников энергии.

Самый щедрый из всех имеющихся у вас в запасе источников энергии — обыкновенная вода. Она состоит из водорода и кислорода, а в водороде на каждые 6700 обычных атомов приходится один атом тяжелого водорода — дейтерия. Один грамм дейтерия, превращаясь в гелий, может дать столько же энергии, сколько дает 10 т угля. Термоядерная энергия, добытая из воды небольшого пруда, равноценна всей современной добыче угля. Однако пока что этот заманчивый клад не дается в руки. Термоядерные реакции протекают при температуре в десятки и сотни миллионов градусов, любая печь превратится в атомный пар от такого жара. Однако в принципе можно предохранить стенки котла с помощью мощного магнитного поля. Техническое решение еще не найдено. Но, думаю, эта трудная задача рано или поздно будет решена.

Быть может, доступнее для нас «желтый уголь»: неиссякаемая энергия солнечных лучей. Подсчитано, что на каждый квадратный километр земной поверхности Солнце льет поток мощностью примерно в 100 000 квт. Цифра примерная, потому что ее очень заметно изменяют географическое положение местности, время года и дня, состояние атмосферы — ясное небо или облака. Превращать тепло и свет в электричество инженеры уже умеют; созданы термоэлементы и фотоэлементы с к. п. д., равным 7—10%. Если вы доведете к. п. д. процентов до тридцати — сорока и покроете фотоэлектрической пленкой, скажем, 5% — одну двадцатую долю суши,— и то вы получите энергии в десятки тысяч раз больше, чем производится сейчас во всем мире, в тысячу раз больше, чем нужно для полного избавления человека от тяжелого физического труда.

Третий перспективный источник энергии — подземное тепло. Недра нашей планеты нагреты до 1000° и выше. Мы живем на каменной облицовке громадной печи — планеты. Но как добыть из-под облицовки глубинный жар? Использовать гейзеры, теплые подземные воды, горячие пары? Температура их низковата для техники. Использовать вулканы, эти естественные отдушины, извергающие расплавленную лаву?

Но как управлять потоком лавы, как избежать ее затвердевания? Бурить 30-километровые скважины вплоть до глубин с температурой в 1000°, спускать туда термоэлементы? Но и эти глубины остынут со временем, вам придется перемещать приемники тепла или ставить их на автоматически роющие машины. Как видите, есть над чем поломать голову.

Конечно, получение энергии касается разделов физики: теплотехники, оптики, атомной физики, электротехники.

Уже можно смело мечтать о близких временах, когда потоки добытого из воды электричества зальют наши дома, поля и цехи. Получив в руки неисчерпаемые запасы энергии, вы, наверное, захотите управлять погодой, научитесь укрощать ураганы и штормы, направлять их бессмысленное буйство на полезную работу: пусть несут дожди в пустыню!

Вода и солнце дадут силу, а работать будут машины. Машины попроще возьмут на себя тяжелый труд, а сложные вычислительные машины — они уже появились — заменят вас на скучной, однообразной работе: в канцеляриях, при учете и расчетах, на заводах, при наблюдении за станками-автоматами и автоматическими линиями, на транспорте, в первую очередь на рельсах, потом на воде, под водой и в воздухе. Все тяжелое и скучное вы передадите машинам.

Только не думайте, что самим вам придется работать каких-нибудь три-четыре часа в сутки. Слово «коммунизм» — это не синоним безделья. Трудиться вам придется не меньше, чем нам, а может быть, даже и больше, но, конечно, продуктивнее. При коммунизме труд для всех членов общества станет первой жизненной потребностью, гармонически сливающейся с другими потребностями человека: стремлением к искусству и красоте, с тягой к путешествиям (наверное, и на другие планеты) и, самое главное, с потребностью творить.

Творческая жилка в человеке наиглавнейшая. Ничто не дает такого удовлетворения, подлинного, глубокого и чистого счастья, как процесс узнавания и созидания, как возможность видеть дело твоих рук и твоего ума. Творческая жилка есть у каждого человека, но частенько она подавляется первоочередными материальными заботами, а в капиталистических странах просто не все допускаются к творчеству, творчество там доступно только избранным, а угнетенные классы и даже угнетенные нации вообще не допускаются к образованию, не говоря уже о вершинах науки. Сегодня на земном шаре, в странах колониальных и полузависимых огромное количество неграмотных. Но в будущем, в обществе, разумно устроенном, при щедром изобилии пищи, материалов, энергии и машин, которое вы создадите, когда все материальные нужды будут легко обеспечиваться, первостепенными будут духовные потребности, и главная из них — потребность творить.

Творить можно в любой области: в искусстве, в производстве, в воспитании, в любой науке. Мне лично интереснее всего представляются творческие поиски в трех обширных и неиссякаемых направлениях: в изучении самого далекого, самого малого и самого сложного.

Самое далекое, конечно, в космосе. Вам предстоит изучать изъеденную кратерами Луну, Марс, Венеру, далекие холодные планеты с их промерзшими лунами, угловатые астероиды, кометы, Солнце, все околосолнечное пространство, а затем и бесчисленные звезды, одну дальше другой. Однако вы и так все рветесь в космос; едва ли нужно вам рассказывать, как заманчивы многообещающие космические поиски. Я только напомню вам, что космонавтика — это небесная механика и кинематика тел в физическом поле тяготения, это спектральный анализ, это радиосвязь и лазерная связь, это термодинамика и двигатели. Это — все разделы физики и все разделы химии. Мир самого малого принадлежит физике почти целиком. Здесь вам предстоит разобраться в свойствах элементарных частичек — лептонов, мезонов, нуклонов, гиперонов, таинственных нейтрино, резонансов и особенно новых гипотетических частиц, быть может, наиболее первичных — так называемых кварков. Кто знает, сколько их еще

откроют, пока вы будете учиться? Вы будете иметь дело с ничтожными долями микрона и микросекунды, с исчезающе малыми величинами и исчезающе малыми мгновениями. Пылинки микромира — это кирпичики, из которых построены окружающие нас предметы. Их свойства так или иначе отражаются в свойствах атомов, химических молекул, а через них и в свойствах крупных тел. В ничтожно малом внутриатомном мире таятся великие силы, оттуда приходит термоядерная энергия, о величине которой вообразить трудно, и энергия аннигиляции, превосходящая термоядерную в десятки раз.

◊

Мир самого сложного — это жизнь. Только недавно, лет 10—15 назад, ученые начали постепенно разбираться в химической стороне процесса жизнедеятельности; от поверхностного общего наблюдения перешли к химически точным анализам. И сразу же изменилось наше отношение к биологии. Прежде считали: техника давным-давно превзошла природу, природа — нечто отсталое, устаревшее, слабое, учиться там нечему. Оказалось, что это совсем не справедливо. Да, мы, люди, далеко превзошли природу мощностью, скоростью, температурой, размерами наших установок. Но природа безмерно превосходит любой завод необыкновенной слаженностью процессов, ювелирной точностью результатов, экономичностью и рациональностью.

Привычный пример — связывание атмосферного азота. На химических заводах для этого берут чистый азот, добытый из воздуха, соединяют его с чистым водородом, извлеченным из природного газа; процесс ведут при высокой температуре и высоком давлении. А клубеньковые бактерии, те, что сидят на корнях гороха и фасоли, умеют получать связанный азот из обычного неочищенного воздуха, чистым водородом не пользуются, не применяют ни высокое давление, ни повышенную температуру, ведут реакцию на своих «микрозаводах» — внутри клетки, где наряду с азотсвязующими молекулами существуют миллионы других, занятых своими делами. Изумительная целенаправленность и точность в чрезвычайно сложной обстановке! Интересна и загадка зеленого листа, основного производителя пищи на нашей планете. О том, что зеленый лист добывает углеводы из углекислого газа, используя энергию солнечных лучей, известно давно. Но вот что еще обращает внимание: ведь кванты света сами по себе не способны разбить ни молекулу углекислого газа, ни молекулу воды. В клетках листа существуют для этого особые «микрозаводы» — так называемые хлоропласты, которые собирают лучи, накапливают их энергию и при обычной температуре решают проблему, как расщепить прочные молекулы углекислого газа и воды, получить крахмал и другие питательные вещества.

Перед вами стоит грандиозная задача; раскрыв тайну фотосинтеза, научиться самим проводить реакции, осуществляемые природой в химических комбинатах зеленых листов, в подземных лабораториях корней. Нужные продукты вы будете получать непосредственно из углекислого газа, из воды и из азота воздуха. И быть может, я даже уверен в этом, вы сумеете это делать лучше, экономичнее и масштабнее, чем зеленый лист. Ведь технике не нужно приспосабливаться к сложнейшей обстановке живого организма со всеми его запутанными связями.

В мышцах есть нечто сходное с зеленым листом. Там энергия, полученная при сжигании пищи в кислороде, тоже накапливается постепенно. Ее собирают молекулы адезинтрифосфорной кислоты. По приказу, полученному от нерва, они одним ударом растягивают или сжимают гибкие белки мускулов. К. п. д. здесь очень велик, процесс рационален, и вам, искателям будущего, надо будет задуматься, не стоит ли жесткие рычаги, валы и оси машин, привычные вам с детства, заменить для ряда машин мускулоподобными гибкими тяжами с химическими двигателями внутри них?

Но можно ли повторять живое в технике, спросите вы. Ведь есть же принципиальная разница между живым и неживым —мо-

лекулы живого организма как-то отличаются от простеньких молекул неживого мира. Вот тут-то и возникает вопрос: верно ли это? И недаром сейчас ученые особенно интересуются тем, что лежит на границе живого и неживого. Существуют ли живые молекулы? Существуют ли живые организмы, состоящие всего из нескольких молекул? Вы, конечно, слышали о вирусах. В настоящее время известно, что размерами вирус не отличается от крупнейших молекул. И в то же время вирус — это простейший организм, который живет, размножается. Нужно еще и еще работать, чтобы лучше понять тайны процессов, которые превращают сложную молекулу в организм с его удивительными экономичными, рациональными и точными устройствами.

Основа жизни — белок. Тайна строения белка начала открываться в последние годы. Выяснилось, что белки — это нити, состоящие из аминокислот всего лишь двух десятков типов.

Молекула белка как бы написана двадцатью литерами, но всего знаков в этом белковом слове десятки тысяч, целая брошюра нужна, чтобы записать буквами строение одного белка. И вот эту длинную, перевитую, местами склеенную нить организм штампует с удивительной быстротой и точностью, безошибочно вставляя нужные «буквы» — аминокислоты — в нужные места. Ведь если мы в белке поменяем местами хотя бы две аминокислоты, т. е. две буквы, то получим другой белок, с другими свойствами, иначе регулирующий жизненный процесс, и такая замена иногда даже приводит к неизлечимым заболеваниям, в частности к злокачественным опухолям, к психическим расстройствам...

Значит, как правило, организм не ошибается ни в одной букве. Мы, химики, можем только завидовать и руками разводить. Мы умеем тоже изготовлять «многобуквенные» нити — полимеры (нейлон, капрон и пр.), но наши полимеры все состоят из одинаковых букв, в лучшем случае написаны двумя буквами, а это гораздо легче.

Попробуйте перенять у природы ее типографское искусство, научитесь изготовлять нужные вам любые вещества любой сложности при нормальной температуре и в хаосе посторонних молекул.

Нам известно уже, что живое тело «печатает» белки по матрицам нуклеиновых кислот. Нуклеиновая кислота — это и есть та брошюра, где записано непомерно длинное слово — белок. Каждый организм получает от своих родителей полный набор этих брошюр, целую библиотечку. В них условными молекулярными знаками (всего лишь четырьмя) записан план построения организма, вся полученная от родителей наследственность.

И когда вы разберетесь в этой биологической грамоте, когда вы сумеете расставлять атомы по своему желанию и с той точностью, с какой делает это нуклеиновая кислота, тогда, возможно, вы даже наследственность сумеете регулировать, будете по своему плану изменять формы животных и растений, даже создавать совершенно новые.

Проектирование новых типов организмов, проектирование молекул, накопление квантов, выявление новых физических сил, поиски в самом далеком, самом малом и самом сложном, «умные» машины, добыча энергии, материалов и пищи — все это необходимо для всеобщего изобилия! Кажется, я перечислил достаточное количество проблем, чтобы каждый выбрал дорожку по своему вкусу, с удвоенным интересом взялся бы за изучение нужных ему разделов физики и химии. Если же кто-нибудь из читателей мечтает отыскать свои, принципиально новые, непредвиденные дорожки, могу обещать, что и непредвиденные пути тоже (и даже особенно!) понадобятся.

Поясню на примере энергетики. Ваши деды и прадеды отапливали дома дровами, дрова сжигали в топках паровых котлов на фабриках и в паровозах. Но если бы мы вздумали сейчас питать нашу промышленность дровами, то свели бы все леса под корень задолго до конца XX в.

Дров не хватило, и мировая промышленность перешла на уголь, на нефть. Выше говорилось, однако, что для наших энергетических планов угля тоже хватит ненадолго. И указывались возможные повороты с угольной дороги на солнечную и термоядерную. Просторные эти пути позволяют увеличить энергопроизводство в десятки тысяч раз...

А что если вам понадобится увеличить их в миллион раз? Тогда даже широченные гелиошоссе и атомо-страды окажутся непригодными.

Дело в том, что человек становится сейчас, при вас станет окончательно, существом космического масштаба. Я говорю здесь не о путешествиях в космос, а о том, что человек будет способен изменять природу на всей своей планете. К энергетике все это имеет прямое отношение.

Запасы термоядерной энергии необъятны. В одном только озере Байкал хватит дейтерия, чтобы на целый год заменить Солнце. А сколько же Байкалов вмещается в океане! Но, оказывается, нельзя выпускать в атмосферу такое количество тепла безнаказанно. К солнечным лучам можно добавить 3—5, от силы 7%. Увеличив количество тепла на Земле процентов на десять, мы уже нарушим климат, перегреем нашу планету, засушим умеренные зоны, растопим полярные льды и переполним океаны. То же относится и к подземной энергии; это тепло дополнительное, его надо вносить с осторожностью. Значит, дойдя до некоторого предела, вам придется сворачивать с уже проторенных дорог энергетики: то ли отводить излишки тепла в космос, охлаждая атмосферу, как мы охлаждаем паровые котлы, отводя тепло в воздух, то ли выводить в космос энергоемкие производства, как сейчас вредные производства мы выводим из людных городов. Видимо, у космоса будет в следующем тысячелетии сложная роль. До наших дней он в основном был астрономическим музеем: мы обращались к небу, чтобы изучать и учиться. Сейчас космос постепенно становится лабораторией физико-химико-биологической, там мы ставим и будем ставить опыты. В перспективе же космос превратится в «деловой двор» человечества, в пригород планеты-сада, именуемой Землей, в космос будут выведены производства опасные, вредные, пыльные, жаркие... Конечно, это проблемы очень отдаленного будущего; их начнут решать к концу XXI в., а может, и позже... Но я назвал их, чтобы вы не думали, что все задачи уже решены вашими дедами и жизнь оставит вас без творчества.

В свое время вы решите и эти проблемы, кто-нибудь из вас сам напишет статью для будущего издания Детской энциклопедии о проблемах дальнейшего освоения космоса и закончит ее примерно так: «Нам трудно представить все поразительное, что вы, дети, сотворите на Земле и в космосе. В одном мы уверены твердо: все, что вы сотворите, будет сделано из материалов, предоставленных вам химией, с помощью сил, открытых для вас физикой». Так что без физики и химии вы не обойдетесь и тогда.

ДВИЖЕНИЕ И ЭНЕРГИЯ

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАШИХ ДНЕЙ

РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Механика изучает движение тел и действие сил между ними. Главное свойство всякого движения — перемещение тела в пространстве. Наблюдая движущийся по шоссе автомобиль, мы прежде всего замечаем, что его положение относительно нашего «наблюдательного пункта» меняется. Если мы, начиная с некоторого момента, каждую секунду станем определять расстояние от автомобиля до нас, то получим представление о его движении. Действительно,

при движении изменяются сразу две величины — расстояние и время. Расстояние относится к пространству, в котором происходит движение; время — независимая от движения величина, измеряемая часами. Чтобы описать движение тела, обычно рисуют график, на котором показано, как далеко ушло тело в каждый момент движения (рис. 1).

Одно и то же механическое тело, наблюдаемое из разных пунктов, совершает неодинаковые движения. Два человека, одновременно следящие за одним и тем же автомобилем и опре-

деляющие расстояние до него, могут утверждать, что от одного наблюдателя автомобиль убегает, а к другому приближается, расстояние от автомобиля до первого наблюдателя увеличивается, а до второго уменьшается. Так кто из них прав?

Рис. 1.

Или вот еще пример. Два автомобиля двигаются друг за другом с одинаковой скоростью; наблюдателю, сидящему в одном из них, другой автомобиль будет казаться неподвижным.

Из всего этого следует очень важный вывод: движение тел относительно разных наблюдателей различно, а само движение относительно. Поэтому, когда хотят точно описать движение какого-либо тела, заранее уславливаются, какой именно наблюдатель его видит.

На первый взгляд кажется, что такое условие только мешает изучать движение. Действительно, что можно сказать о движении тела, если относительно одного наблюдателя оно удаляется, к другому приближается, а для третьего и вовсе стоит на месте. Нельзя ли выбрать такой «наблюдательный пункт», относительно которого движение тела выглядело бы «настоящим», «абсолютным»?

Ответ на этот вопрос ученые искали с тех времен, когда Ньютон построил стройное здание так называемой классической механики. И эти поиски привели к тому, что в начале XX в. классическую механику пришлось дополнить новой, так называемой релятивистской механикой, которую создал Эйнштейн.

До Эйнштейна классическая механика отвечала на этот вопрос так. Если тело двигается равномерно и прямолинейно, то на прямолинейном пути оно проходит за равные отрезки времени одно и то же расстояние. График такого движения изображен на рисунке 2. Каждая точка графика показывает, какое расстояние прошло тело от наблюдателя, находящегося в точке О за время t. Этот путь выражается формулой:

x=vt, (1)

где v — скорость тела. Можно построить график движения и для наблюдателя в точке О₁, находящейся на расстоянии s от первого наблюдателя. Если обозначить расстояние тела от этого второго наблюдателя через х₁, то легко получим:

х₁ = х − s = vt − s. (2)

Таким образом, зная, как двигается тело относительно одного наблюдателя, можно определить, как оно будет двигаться относительно любого другого, находящегося на пути движения тела. В нашем случае, когда vt<s, тело будет ко второму наблюдателю приближаться и в момент t₀ = s/v — поравняется с ним, а при vt > s начнет от него удаляться.

Что же будет, если второй наблюдатель сам двигается со скоростью v₀? Это значит, что расстояние s между неподвижным и подвижным наблюдателями зависит от времени и выражается формулой:

s = v₀ t.

Подставив это выражение в формулу (2), мы получим

х₁ = х − v₀ t = (v − v₀) t. (3)

Из этой формулы видно, что движение тела относительно подвижного наблюдателя существенно зависит от соотношения скоростей. Если скорость наблюдателя меньше скорости тела, оно от него удаляется, если больше — приближается, и, наконец, если скорости наблюдателя и двигающегося тела равны, то они относительно друг друга неподвижны.

Таким образом, формулы (2) и (3) легко позволяют нам определить график движения относительно любых наблюдателей, подвижных или неподвижных, и это сразу снимает все неудобства при описании относительного движения.

Во всех этих рассуждениях мы предполагали, что у всех наблюдателей время течет одинаково, т. е. часы идут совершенно синхронно, и их относительное движение не влияет на их ход. Если к формуле (3) добавить утверждение, что

t = t₁ (4)

т. е. что время у обоих наблюдателей одно и то же, то мы получим формулы, которые называются преобразованиями Галилея. Галилео Галилей жил в XVII в. Он первым сформулировал в классической механике принцип относительности движения.

Галилео Галилей.

У преобразований Галилея более глубокий смысл, чем это кажется на первый взгляд. Классическая механика утверждает, что эти формулы справедливы не только на Земле, но и во всей Вселенной. Следовательно, нужно предположить, что пространство обладает свойством однородности, т. е. оно всюду одинаково. Если эти формулы справедливы при движении в любом направлении — вверх, вниз, направо, налево и т. д.,— то пространство должно обладать и свойством изотропности, т. е. его свойства во всех направлениях одинаковы.

Образно говоря, для пространства не существует ни верха, ни низа, ни правого, ни левого направления. Именно этими качествами и наделяет пространство классическая механика. Итак, изучая даже самое простое механическое явление — прямолинейное и равномерное движение тела,— мы должны признать очень важные гипотезы, чтобы не запутаться в описании движения относительно различных наблюдателей. Время универсально (едино для всех), пространство однородно и изотропно, и во всей Вселенной справедливы преобразования Галилея.

НЕРАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Равномерное и прямолинейное движение редко встречается в природе. Если говорить точно, то на Земле его вовсе нет. И тем не менее первый закон Ньютона утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения, пока на это тело не подействует внешняя сила.

Правда, относительно покоящихся тел у нас не возникает никаких сомнений, потому что относительно Земли многие тела действительно находятся в состоянии покоя. Но зато они движутся вместе с Землей. А что касается равномерного прямолинейного движения, то дело обстоит сложнее. Трудно в условиях Земли поставить эксперимент, в котором на тело не действовали бы внешние силы. Даже если исключить все механические силы, то и тогда на любое материальное тело будет действовать притяжение Земли. Значит, на Земле нет тела, на которое не действовали бы силы. Тогда как же Ньютон мог сформулировать свой закон?

Во-первых, он заметил: чем слабее сила, действующая на тело, тем меньше изменяется его скорость. А во-вторых, на Земле все-таки существуют движения, очень близкие к равномерному и прямолинейному. Например, равномерное и прямолинейное движение парохода по гладкой поверхности озера.

Правда, на пароходе работают двигатели и на него действует тяговая сила винтов. Но эта сила всего лишь преодолевает трение пароходного корпуса о воду. Во время равномерного движения трение и тяга двигателей полностью уравновешиваются и пароход движется по инерции, равномерно и прямолинейно, в соответствии с первым законом Ньютона. То же можно сказать и о прямолинейном движении автомобиля, поезда, самолета. Главное

назначение двигателей у всех видов транспортных машин — сообщить такую скорость, при которой была бы скомпенсирована сила трения. Как только этот момент наступает, тело начинает двигаться равномерно.

Неравномерное движение изображается графиком, примерно таким, какой дан на рисунке 3. На нем видно, что в равные промежутки времени тело проходит неравные расстояния. В связи с этим понятие скорости для неравномерного движения несколько иное, чем для равномерного. Например, можно ввести так называемую среднюю скорость за время движения. Она будет равна, как и в случае равномерного движения:

V_ср = x ⁄ t.

Можно ввести среднюю скорость за некоторый промежуток времени, она уже не будет равна средней скорости за все время движения. И наконец, в механике для неравномерного движения вводится мгновенное значение скорости. Она получается из средней скорости, если промежуток времени сокращать до нуля:

V_мгн = x₂ − x₁
----------------
t₂ − t₁ при t₂ → t₁ рис.

(стрелка → означает «стремится к...»).

Простейший пример неравномерного движения — равномерно ускоренное движение. При этом скорость тела в равные промежутки времени увеличивается на одну и ту же величину. Прирост величины скорости за одну секунду называется ускорением. При равноускорен-

ном движении легко для любого момента времени вычислить мгновенную скорость: v = at. Зная ускорение а, можно определить путь, который проделает тело за время t:

На примере равномерно ускоренного движения можно установить, как будет выглядеть любое неравномерное движение тела относительно подвижных и неподвижных наблюдателей.

Путь, пройденный телом при равномерно ускоренном движении, выражается формулой (5). Эта формула справедлива для неподвижного наблюдателя, который в момент времени t =0 находится рядом с движущимся телом.

Найдем, как выглядит равномерно ускоренное движение относительно наблюдателя, который движется по тому же пути, что и равномерно ускоренное тело, но с постоянной скоростью v₀. Для этого нужно формулу пути ускоренного тела, как говорят, «подвергнуть преобразованиям Галилея». В формуле (3)

заменим х на at² /2, тогда путь относительно подвижного наблюдателя выразится так:

Мы заменили t на t₁, чтобы подчеркнуть, что теперь формула относится к подвижному наблюдателю. Но не забывайте, что t₁ =t.

Теперь легко вычислить мгновенную скорость и мгновенное ускорение тела относительно подвижного наблюдателя. Для этого по графику 3 определим расстояние, пройденное телом

к моментам t¹₁ и t¹₂, и разделим этот путь

на интервал t ¹₂ -t ¹₁ :

Мгновенное значение скорости получится, если этот интервал уменьшать до нуля. Тогда t ¹₁ =t ¹₂. И, значит, мгновенное значение скорости тела относительно подвижного наблюдателя будет: v =at₁ -v₀, т. е. от мгновенной скорости тела относительно неподвижного наблюдателя нужно лишь отнять (или прибавить к нему) скорость наблюдателя.

Чтобы определить ускорение относительно подвижного наблюдателя, воспользуемся прежним приемом и вычислим мгновенное значение ускорения а, оно равняется приросту скорости тела за единицу времени:

Получается интересный результат: ускорение тела относительно равномерно двигающегося наблюдателя в точности равно ускорению относительно неподвижного наблюдателя. Значит, все неподвижные наблюдатели и все наблюдатели, двигающиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга, изучая равномерно ускоренное движение, будут определять различные мгновенные скорости тела, но одно и то же ускорение. Если скорость тела в классической механике относительна, то ускорение абсолютно, т. е. не зависит от равномерного движения наблюдателя.

Это очень важный вывод, особенно если вспомнить, что, согласно второму закону Ньютона, сила, действующая на тело, пропорциональна массе тела, умноженной на ускорение. Так как масса тела не зависит от наблюдателя, значит, сила в классической механике величина абсолютная, она не зависит от равномерного и прямолинейного движения наблюдателя.

В этом смысле все покоящиеся относительно тела наблюдатели, а также все наблюдатели, двигающиеся равномерно и прямолинейно, равноценны. Изучая движение тел и определяя действующие на них силы, все эти наблюдатели получат один и тот же результат.

Мы предполагаем, что наблюдатели снабжены хорошими часами и измерительными приборами. Изучая движение тел, они измеряют расстояния до них, а при расчетах пользуются формулами механики. Поэтому вместо того, чтобы говорить «наблюдатель», часто применяют термин «система отсчета». Сами системы отсчета принято называть инерциальными, потому что прямолинейное и равномерное движение тел возможно лишь по инерции.

Полученный вывод можно сформулировать так: ускорения и силы, действующие на тела относительно инерциальных систем отсчета, имеют одно и то же значение.

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА

Мы очень подробно остановились на изучении движения тел относительно различных наблюдателей потому, что это имеет фундаментальное значение не только для механики, но и для всей физики. Физика изучает различные явления природы и стремится подметить законы, управляющие этими явлениями. Например, утверждение Ньютона, что сила равна массе,

умноженной на ускорение,— это закон природы. Закон природы потому и называется законом, что он действует всегда независимо от того, кто и как наблюдает его проявления. Физики условились называть «настоящими» законами природы только такие, которые не зависят от состояния и движения системы отсчета. В этом смысле утверждение «сила равна массе, умноженной на ускорение» есть закон природы, справедливый для всех инерциальных систем отсчета.

Поясним это на примерах. При падении на землю любого тела проявляется закон сохранения энергии. Приращение кинетической энергии в любой момент равно убыли потенциальной энергии. Для наблюдателя, стоящего на земной поверхности, в течение всего времени справедливо соотношение:

mv² /2+ mgh =Е,

где m — масса тела, v — его мгновенная скорость относительно земного наблюдателя, g — коэффициент ускорения, h — расстояние от Земли, Е — постоянная энергия падающего тела. Для наблюдателя, двигающегося равномерно вверх, формулу этого закона следует преобразовать, как это показано в формулах (3) и (4):

(mv₁ -v₀)² / 2 + mgh = Е.

Здесь v₀ — постоянная скорость движения наблюдателя, а v₁ — мгновенная скорость тела относительно движущегося наблюдателя.

Это уравнение подтверждает закон сохранения энергии, он, как говорят физики, инвариантен, т. е. остается неизменным при преобразованиях Галилея. Таким образом, закон сохранения энергии — «настоящий» закон природы, не зависящий от наблюдательного пункта.

Рассмотрим также другой закон природы — закон сохранения количества движения, или, как он иначе называется, закон импульса (рис. 4). Представим себе, что из лодки, двигающейся со скоростью течения реки v, прыгает в воду пловец с начальной скоростью v₁.

Рис. 4. По закону о сохранении движения ( m+M) v = mv₁ + Mv₂ .

Масса лодки и масса пловца соответственно равны т и М. Тогда относительно неподвижного наблюдателя закон сохранения количества движения можно записать формулой:

К этой лодке приближается другая — с наблюдателем. Если скорость лодки относительно течения реки будет v₀, наблюдатель запишет закон сохранения импульса в таком виде:

(т+ M)v₁ =mv ¹₁ +Mv ¹₂.

Скорости v₁, v¹₁, v¹₂ для подвижного наблюдателя получаются после простых преобразований по формулам Галилея. Итак, для подвижного наблюдателя закон сохранения импульса имеет такой же вид, как и для неподвижного. Такой же способ применяется во всех случаях, когда надо определить, возможно ли назвать законом природы экспериментально обнаруженную или выведенную теоретически закономерность. Для этого нужно написать соотношение между физическими величинами для неподвижного наблюдателя и применить к нему преобразования Галилея. Если соотношение не изменится, значит, закономерность — закон природы. Если соотношение физических величин при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой изменится радикальным образом, то эта закономерность представляет собой лишь частную зависимость, свою для каждой инерциальной системы отсчета.

СИЛА

Понятие силы имеет очень важное значение для всей физики, потому что именно сила — причина, которая изменяет движения физических тел. Хотя мы очень часто чувствуем на себе действие различных сил, определить, что такое сила, довольно сложно. Механика изучает различные силы главным образом по их действию на тела. Если мы замечаем, что какое-либо тело изменило скорость или направление движения, то мы говорим, что на него подействовала сила. Поэтому наиболее употребительно определение: сила — это действие одного тела на другое. Но в этой формулировке очень мало положительного содержания, так как она не вскрывает механизм действия.

То, что у сил различная природа, видно хотя бы из следующих примеров. Мускульным усилием мы сдвигаем нагруженную тележку, и она, достигнув определенной скорости, катится равномерно. Здесь проявляется действие одного тела (наших рук) на другое (тележка). Сила трения постепенно останавливает железнодорожный вагон, который двигается по инерции.

Но вот пример другой силы: камень падает на землю с равномерным ускорением. На него действует сила тяготения. Эта сила несколько необычна, потому что здесь одно тело (Земля) действует на другое (камень) на расстоянии без какого-либо промежуточного контакта. Силы всемирного тяготения распространяются на всю Вселенную и действуют между всеми материальными телами, как бы далеко они друг от друга ни находились. Силы электростатического и магнитного притяжений похожи на силу тяготения потому, что эти силы тоже действуют на расстоянии.

Существует и третий вид силы, она называется силой инерции. Ее мы особенно хорошо чувствуем, когда автобус сильно тормозит или делает резкий поворот.

Мы уже говорили, что силы, действующие между различными телами, одинаковы относительно инерциальных систем отсчета. Здесь уместно сказать несколько слов о неинерциальных системах отсчета. Можно себе представить наблюдателя, который двигается не равномерно, а с ускорением. Тогда весь физический мир будет ему казаться совершенно иным, и он обнаружит, что на тела действуют силы, которых фактически нет.

Пусть, например, некто ведет свои наблюдения сквозь стеклянные стенки кабины лифта, которая свободно падает в глубокий колодец. При таком падении наблюдатель будет в состоянии невесомости; следовательно, он может считать, что сила тяжести на него не действует! Измеряя скорость движения различных тел относительно себя (например, скорость движения стены шахты, в которой происходит падение), он установит, что стена двигается равномерно ускоренно и, значит, по закону Ньютона на нее должна действовать сила.

Но здравый смысл подсказывает парашютисту в затяжном прыжке, что Земля все быстрее и быстрее приближается к нему не потому, что ей сообщает ускорение какая-то сила. Он знает, что закон Ньютона здесь следует понимать так: именно он, парашютист, падает с равномерным ускорением.

В земных условиях сравнительно просто определить, к какому телу приложена сила. Но представим себя в космическом пространстве. Мы наблюдаем за какой-нибудь далекой звездой и обнаруживаем, что она ускоренно движется к нам. Предположим, что нам известна ее масса. Тогда мы определим действующую на нее силу и на основании этого можем сделать несколько различных предположений:

1. Звезда неподвижна, никакая сила на нее не действует, а мы падаем на ее поверхность.

2. Мы двигаемся равномерно и прямолинейно, а звезда — это гигантский космический корабль, набирающий скорость.

3. И мы и звезда двигаемся под действием разных сил. Может быть, звезду притягивает к себе какое-то огромное, невидимое материальное тело.

Решить, какое из предположений правильно, очень трудно, пока не будут проведены дополнительные исследования. Эти трудности возникают потому, что в неинерциальных системах отсчета, кроме «обычных» сил, появляются еще «фиктивные» силы как внутри системы отсчета, так и вне ее. Пример действия фиктивной силы — ускоренное движение стен шахты, наблюдаемое из свободно падающей кабины лифта. Фиктивные силы мы определяем только на основании измерений. Однако внутри неинерциальной системы обычные, нефиктивные силы не менее реальны, чем и вне этой системы.

Вспомним, например, силу перегрузки, которую испытывает космонавт на активном участке траектории космического корабля. Двигаясь ускоренно против силы тяжести, можно создать перегрузку в несколько раз большую, чем сила тяжести на поверхности Земли. Недаром перегрузки обычно измеряются в единицах g ( g — ускорение силы тяжести на поверхности Земли). Если космонавт испытывает перегрузку в 5g, то это значит, что его вес становится в пять раз больше, чем на Земле.

Эти силы вызваны инерцией: тело, в соответствии с первым законом Ньютона, стремится сохранить состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения. Изменение этого состояния приводит, по закону действия и противодействия, к «сопротивлению» тела. Вот почему иногда закон действия и противодействия записывают в форме:

F-m а =0,

где F — действующая сила, а ma — сила инерции. Сила инерции пропорциональна массе тела.

В механике, по существу, приходится иметь дело с двумя видами массы. Чтобы в этом разобраться, запишем второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения:

F = m а,

f= g mM/R².

Вторая формула выражает силу взаимного притяжения между массами m и M, R — расстояние между телами, а g — так называемая гравитационная постоянная. В одном случае тело находится под действием силы F, а во втором — под действием силы притяжения f. Должны ли мы в обоих случаях под массой т понимать одну и ту же величину?

Считается, что обе массы одинаковы, хотя в классической механике это ниоткуда не следует и никак не доказывается. Действительно, во втором законе Ньютона масса т — это мера «сопротивляемости» тела действию силы или мера инерции. Чем больше масса, тем больше она сопротивляется воздействию силы и поэтому при одном и том же значении действующей силы приобретает меньшее ускорение.

В законе же всемирного тяготения масса т участвует в некоем «таинственном» взаимодействии с другой массой, отделенной от нее расстоянием R. Здесь масса «активна» в ее действии на другую массу, в отличие от «пассивной», сопротивляющейся массы инерции. Эту активную массу называют гравитационной.

Она «имеет право» быть отличимой от инерционной массы. Эйнштейн рассматривал всемирное тяготение не как свойство, присущее материальным телам, а как свойство пространства вблизи материальных тел. Он исходил из того, что гравитационное притяжение не зависит от внутренней структуры вещества.

А в природе существуют силы, для которых внутренняя структура тел не безразлична. Магнит, например, притягивает далеко не каждое тело. Диамагнитные вещества магнитное поле даже отталкивает. Причина этого в глубоких особенностях атомной и молекулярной структуры.

Гравитационное же притяжение масс не зависит от их химической и физической природы. Кроме того, доказано и опытным путем, и теоретически, что скорость падения различных тел на Землю не зависит от их массы. В вакууме пушинка и килограммовая гиря будут падать с любой высоты с одинаковой скоростью.

Утверждая справедливость преобразования Галилея (см. стр. 26), мы выдвинули гипотезу

об изотропном и однородном пространстве. Такая гипотеза верна, если предположить, что свойства пространства не зависят от присутствия в нем материальных тел. Эйнштейн, исходя из тождественности инерционной и гравитационной масс, высказал предположение, что пространство изменяет свои свойства вблизи материальных тел, что оно перестает быть однородным и изотропным, а траектории движения других тел в таком пространстве искривляются. Наблюдатель воспринимает такое изменение пространственных свойств как действие закона всемирного тяготения. Предположение Эйнштейна впоследствии было неоднократно подтверждено на опытах.

Чтобы закончить рассказ о силах, мы рассмотрим один интересный класс сил, которые действуют не в направлении движения тел.

Скорость и ускорение тела и расстояние до него от исходной точки отсчета — все это величины векторные, т. е. у них есть направление. Если тело свободно передвигается в пространстве, направление его движения совпадает с направлением действия силы.

Однако это происходит иначе, если движение тела «связанно». Например, движение по круговой траектории обладает замечательным свойством: направление скорости движения и направление действия центростремительной силы взаимно перпендикулярны. Планеты, двигаясь по эллиптическим орбитам вокруг Солнца, испытывают действие центростремительных сил, которые направлены под углом к вектору их движения. Центростремительная сила уравновешивается силой притяжения к Солнцу, так что результирующая сила равна нулю и планеты движутся по инерции.

«Колесо смеха».

Рис. 5. Вращение Земли заставляет воду подмывать правый берег у рек, текущих с севера на юг и с юга на север.

Может показаться странным, что мы говорим об инерции на криволинейной орбите, ведь инерциальное движение, согласно учению Ньютона, возможно лишь по прямым линиям. Именно здесь-то и сказывается выдвинутое Эйнштейном положение о том, что прямые, по которым могут двигаться тела по инерции, становятся вблизи материальных тел кривыми. Опыты показали, что вблизи Солнца даже свет искривляет свой путь. А ведь его прямолинейное распространение раньше не вызывало сомнения.

Существует инерционная сила, действие которой не проявляется, пока тело неподвижно, но она сразу же обнаруживает себя, как только тело начинает двигаться. По радиусу вращающегося диска («колеса смеха») передвигается тело за время t из точки А в точку В. Если точка А находится от центра на расстоянии R₁, а точка В — на расстоянии R₂, то линейная скорость вращения этих точек будет w R_l и w R₂, где w — круговая частота вращения диска. Значит, за время t скорость тела в направлении, перпендикулярном радиусу, изменится на величину w ( R₂ - R₁). Следовательно, на него будет действовать ускорение

а= w (R₂ -R₁ )/t,

или сила F = m w v .

Если скорость тела v вдоль радиуса диска равна нулю, сила F тоже равна нулю. Действует эта сила перпендикулярно движению тела по диску. Называется она силой Корио-

лиса. На Земле эта сила, например, проявляется при течении рек вдоль меридианов (рис. 5). Если река течет с севера на юг, то вследствие вращения Земли с запада на восток действует сила Кориолиса и вода подмывает западный берег; если с юга на север — то восточный. В южном полушарии все это происходит наоборот.

КОЛЕБАНИЯ

Колебания — очень распространенный вид механических движений, и не только механических. Колебательное движение настолько всеобще в природе, что часто его очень трудно отделить от поступательного, особенно в движении элементарных частиц (электронов, атомных ядер и др.). С понятием «колебания» у нас ассоциируется представление либо о волнах на поверхности озера, либо о качании маятника. О волнах подробно рассказано в статьях «Свет», «Звук» и «Электромагнитное поле». Здесь мы остановимся лишь на механических колебаниях, особенно на колебаниях маятника.

Маятником называется тяжелое тело, подвешенное на нити к одной точке. Отклоняя

Рис. 6. Маятник.

маятник от положения равновесия, мы сообщаем ему потенциальную энергию величиной mgh (рис. 6). Опустив маятник, мы разрешаем ему падать, но не свободно, а по круговой траектории, радиус которой равен длине нити.

За время движения по участку M₁ N потенциальная энергия тела постепенно переходит в кинетическую и в точке N переход полностью завершится. Здесь скорость маятника можно определить, сравнивая его потенциальную и кинетическую энергии. Скорость в этой точке наибольшая, и тело не останавливается, а двигается дальше по инерции, взбираясь все выше и выше, пока снова в точке М₂ вся его кинетическая энергия не перейдет в потенциальную. Здесь скорость равна нулю. С этого момента все начнется сначала. Таким образом, колебания маятника обусловлены периодическим переходом потенциальной энергии в кинетическую, и обратно.

Время полного колебания, т. е. время, за которое тело, покинув какую-то точку траектории, вернется в нее снова, называется периодом колебания. Наибольшее отклонение тела от точки равновесия называют амплитудой колебания.

При очень малых отклонениях период колебаний не зависит от массы маятника и равен:

I =2 p √^‾l/g.

В эту формулу входят ускорение силы тяжести g и длина маятника l. Эти величины не изменяются при преобразованиях Галилея. Значит, период колебаний одного и того же маятника, наблюдаемый в различных инерциальных системах отсчета, есть величина инвариантная, т. е. не зависящая от движения наблюдателя.

С колебаниями мы встречаемся и тогда, когда оттянем от положения равновесия груз, укрепленный на конце пружины. В этом случае потенциальная энергия сжатой пружины также периодически переходит в кинетическую энергию груза, и обратно.

Колебания маятника или колебания груза на пружине, если на них не действуют никакие силы, называются свободными или собственными, в отличие от вынужденных колебаний, которые совершают эти тела, если на них действует периодически меняющаяся сила. При длительном действии периодической силы маятник и груз начнут, в конце концов, колебаться с частотой действия этой силы. Явление, которое при этом можно наблюдать, называется резонансом.

Если периодическая сила действует на маятник с частотой его свободных колебаний, амплитуда его колебаний очень быстро растет. Даже незначительных сил достаточно, чтобы сильно раскачать маятник.

Собственные колебания механических тел — очень важное понятие. Почти у любого тела и любой конструкции, с которыми мы встречаемся в технике и в повседневной жизни, есть свое собственное колебание (рис. 7). Часто эти колебания очень сложны, и их нельзя представить так наглядно, как колебание маятника или пружины. Более того, у сложного механического тела может быть много собственных колебаний.

Рис. 7. У сложного механического тела может быть много собственных колебаний.

Если конструкция или прибор находится под действием внешних периодических сил, то очень важно, чтобы период их действия не совпадал с периодом какого-либо из собственных колебаний. В противном случае может наступить резонанс, амплитуда колебаний конструкции выйдет за допустимые пределы, и она разрушится. Были случаи, когда рушился мост, по которому в ногу шла большая группа солдат. Отталкиваясь от моста с частотой его собственных колебаний, они раскачивали его, как качели, и он в конце концов обрушивался.

ОТ МЕХАНИКИ КЛАССИЧЕСКОЙ К МЕХАНИКЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ

В этой статье мы не пересказываем школьный курс механики. У нас задача другая: показать, как следует рассматривать движения механических тел в пространстве и во времени. Особое внимание мы обратили на некоторые интересные случаи механических движений.

Хотя механика самый старый раздел физики, в ней за последние полвека появилось много нового и неожиданного. Это новое и неожиданное возникло в связи с углубленным изучением таких важнейших физических понятий, как пространство и время. Разбирая силы тяготения,

мы уже отметили, что Эйнштейн объяснил их не столько свойствами притягивающихся материальных тел, сколько свойствами окружающего их пространства. По существу, Эйнштейн воедино связал пространство, время и материю. Это вполне соответствует принципу диалектического материализма: пространство и время — формы существования материи и от нее неотделимы.

Зависимость свойств пространства от присутствия материи Эйнштейн обнаружил позже, чем зависимость от движения наблюдателя. Вот как это было. Ньютон в своей «Механике» допускал существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Он писал: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным»; «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».

Ньютон не указал, откуда берутся абсолютные пространство и время и как их обнаружить. Просто предполагалось, что вся Вселенная погружена в некую неподвижную пустоту, которая и есть абсолютное пространство, и в этой пустоте равномерно течет абсолютное время. Если это так, то тогда следовало бы найти способ, как измерять движения тел, используя систему отсчета, связанную с абсолютным пространством. Такая система выгодно отличалась бы от инерционных систем, которые, как мы видели, все относительны. Но как обнаружить это абсолютное пространство? Какое явление природы может указать на то, что оно существует?

Предполагалось, что на это указывает распространение света в пустоте. Действительно, чтобы свет звезды дошел до земного наблюдателя, он должен пройти миллионы и миллиарды километров в космическом пространстве, где плотность материи ничтожна. Свет лучше всего распространяется там, где ему не мешает непрозрачное вещество, и можно думать, что «родная стихия» для света — именно пустое пространство.

Это предположение надо было проверить экспериментом. Если луч света распространяется в абсолютном пространстве, то можно установить, что его скорость различна для разных наблюдателей. Другими словами, здесь также должны быть справедливыми преобразования Галилея, как и для всякого механического дви-

ИСААК НЬЮТОН

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН

жения. Двигаясь навстречу световому лучу, мы должны измерить большую скорость, чем при движении вдоль него. Тогда, по аналогии с механическим движением, мы сделали бы вывод, что при движении вдоль луча со скоростью света наблюдатель увидел бы этот луч неподвижным.

В конце прошлого века было поставлено множество опытов, определявших скорость света при разных условиях: и когда он идет навстречу к наблюдателю и когда он уходит от него. Наиболее точный опыт впервые поставил американский ученый Майкельсон в 1881 г. В этом и во всех дальнейших экспериментах результат был один и тот же: скорость света остается постоянной и не зависит от движения наблюдателя (или источника света).

Этот вывод резко противоречил всему, что было известно в классической механике. Если мы двигаемся навстречу автомобилю, его скорость складывается с нашей; если двигаемся от него, то вычитается.

А вот со светом получается иначе. Двигаемся ли мы навстречу световому лучу или убегаем от него, в любом случае его скорость относительно нас остается одной и той же: округленно — 300 000 км/сек ! Было сделано много попыток объяснить такое странное явление, но все они оказались неудовлетворительными.

Только у Эйнштейна хватило научного мужества заявить, что здесь мы имеем дело с новым законом природы: скорость света есть инвариантная величина, не зависящая от движения наблюдателя. Простые алгебраические расчеты показывают, к каким революционным изменениям в наших представлениях о пространстве и времени привело это, казалось, «простое» утверждение.

Пусть, как и раньше, мы имеем две системы отсчета: одну — неподвижную и вторую — двигающуюся относительно первой со скоростью v, как только подвижный и неподвижный наблюдатели оказываются рядом, вспыхивает световой сигнал.

Согласно Эйнштейну, скорость распространения этого сигнала одинакова и в первой и во второй системе отсчета.

Путь, пройденный светом в первой системе отсчета, будет: х= ct, путь, пройденный светом в подвижной системе, будет: x₁ = ct₁ (с= 300000 км/сек).

Легко показать, что преобразования Галилея несовместимы с законом постоянства распространения света. Действительно, по Галилею, х₁ = х- vt₁, и, следовательно, х₁ =( с - v)t₁, т. е.

в подвижной системе отсчета скорость света получается иной, что противоречит закону независимости скорости света от скорости наблюдателя.

Предположение Эйнштейна, что скорость света не зависит от скорости источника или наблюдателя, было тщательно проверено. Выводы оказались почти фантастическими. Оказывается, преобразования Галилея верны лишь приблизительно, их можно применять, когда скорость наблюдателя во много раз меньше скорости света. Но если наблюдатель будет двигаться с огромной скоростью, приближающейся к скорости света, начнут проявляться такие явления, о которых классическая механика и не подозревала,— так называемые релятивистские эффекты.

Во-первых, с точки зрения неподвижного наблюдателя геометрические размеры всех пролетающих мимо него тел изменяются: в направления движения они сокращаются, «сплющиваются». Например, при очень большой скорости пролетающий мимо шар превратится в плоский блин. Во-вторых, и это, пожалуй, самое неожиданное, время у двигающегося наблюдателя идет медленнее, чем у неподвижного (рис. 8), при

Рис. 8. Время у движущегося наблюдателя идет медленнее, чем у неподвижного.

этом чем больше скорость, тем больше замедляется время. Если бы можно было достичь скорости света, время в полном смысле этого слова остановилось бы! В-третьих, масса двигающихся тел тоже оказывается не постоянной, а растет вместе со скоростью.

Из теории относительности следует важный вывод о предельном значении скорости света. Тела не могут двигаться быстрее света.

Не следует думать, что выводы теории относительности — фантастика. Увеличение массы двигающихся тел начинает играть существенную роль в ускорителях ядерных частиц. При конструировании этих ускорителей уже принимают специальные меры, чтобы преодолеть

возрастающую инерцию разгоняемых ядерных частиц, им придают дополнительную энергию. В ядерной физике было доказано и замедление времени. Оказалось, что неустойчивые частицы — мю -мезоны, которые обнаруживаются в космических лучах, живут дольше, чем мю -мезоны, полученные в ускорителях. Удлинение их жизни объясняется тем, что из-за большой скорости движения их время течет медленнее, чем время у их земных двойников.

В эпоху космических полетов вывод теории относительности о замедлении времени для быстро двигающихся тел может приобрести практическое значение. Ведь если двигаться достаточно быстро, то за время жизни человека можно посетить самые отдаленные уголки Вселенной! Подсчитано, что при скоростях, близких к скорости света, можно побывать у далеких звезд, находящихся от Земли на расстоянии в несколько миллионов световых лет, например в туманности Андромеды, и вернуться обратно. Самым удивительным окажется то, что за время путешествия такого «субсветового» космического корабля на Земле время будет течь обычным темпом и пройдет несколько сотен, тысяч и даже миллионов лет! Вполне мыслима и такая ситуация, когда отправившийся в «ближний» звездный полет отец вернется на Землю и обнаружит, что его сын старше его.

Теория относительности предсказывает, что не только ход часов, но и скорость течения всех физических процессов на скоростном космическом корабле будет замедлена. А это значит, что путешественники никак не смогут заметить те удивительные превращения, которые произойдут с ними и со всем, что их окружает.

Правда, ученые все еще спорят: замедлится пли не замедлится в космическом корабле, двигающемся с фантастической скоростью, само течение жизни. Сейчас ответить на этот вопрос очень трудно. Будущие эксперименты в космическом пространстве, может быть, прояснят и эту интересную проблему.

Многие волнующие загадки, связанные с выводами теории относительности, были бы решены, если бы удалось построить аппарат, двигающийся с околосветовой скоростью. На Земле нет еще топлива, которое могло бы так разогнать корабль. Такая скорость была бы у космического корабля, если бы силу его тяги создавал ... поток света. Это так называемые фотонные, или аннигиляционные, двигатели. Их конструкцию и принцип действия пока что пытается предсказать только научная фантастика.

«ВОЛЧОК»

Кто в детстве не увлекался замечательной пестро раскрашенной игрушкой — волчком? Она зачаровывает своим удивительным поведением: стоит ее раскрутить — и она «как живая».

В магазине можно купить большой красивый волчок; он состоит из двух соединенных полуконусов, по оси которых пропущен стержень со спиральной навивкой. Поднимая и опуская заводную ручку, волчок можно сильно раскрутить. Однако это не обязательная конструкция волчка. Можно просто вырезать диск из плотного картона и в его центр вставить спичку. Очень хорошие волчки получаются из массивных металлических дисков с тонкой осью и острой ножкой. Старые часы — это целый клад волчков, больших и маленьких. Там что ни зубчатое колесико с осью, то и волчок.

До того, пока волчок не раскрутили, он ничем не интересен. Никакие попытки заставить волчок «стоять», когда он неподвижен, не увенчаются успехом. Но стоит сообщить ему вращательное движение, и он прочно стоит на своей ножке, причем тем прочнее и устойчивее, чем быстрее вращается и чем острее его ножка, т. е. чем меньше сила трения в точке упора. Именно вращательное движение — причина его устойчивости. Из-за трения скорость его постепенно падает, он начинает качаться и, наконец, остановившись, валится на бок.

Если волчок хорошо раскрутить, то он обязательно стремится стать вертикально, даже если первоначально его ось была наклонена. Более того, стоит легонько толкнуть его, он качнется раз-другой и снова примет вертикальное положение. По законам своего движения волчок устанавливается всегда так, чтобы направление силы тяжести и ось вращения совпадали.

Если ножка волчка недостаточно остра или если скорость вращения мала, волчок не стоит как вкопанный, а совершает своеобразные колебания, которые называются прецессией: ось волчка описывает в пространстве конус вокруг вертикальной линии.

Волчок — это лишь один из многочисленных примеров вращающихся тел. В общем виде законы вращения тел очень сложны, но, если у тела правильная геометрическая форма, его вращение подчиняется довольно простым закономерностям. Главная из них — устойчивость вращающегося тела относительно оси вращения.

Чтобы пуля при полете не «кувыркалась» в воздухе, ей придается вращательное движение. Это достигается винтовой нарезкой в ружейном стволе (отсюда и название — винтовка). Вращающаяся пуля на протяжении своего полета сохраняет направление своей оси.

Видали ли вы в цирке, как эквилибрист вращает на тонких палочках тарелки? Вращаясь, они приобретают ту же самую устойчивость, что и волчок. Эквилибристу остается лишь следить, чтобы ось вращения в точности проходила через центр тяжести тарелочки (рис. 9).

Рис. 9. Самое сложное в работе этого эквилибриста — координировать движения рук, ног и головы. А вращать тарелки на палочках сравнительно несложно: надо лишь следить, чтобы конец палочки был точно в центре дна тарелки.

Волчок — это не только игрушка. Удивительная устойчивость вращающегося диска широко применяется в науке и технике. В так называемом гироскопическом стабилизаторе вращающийся диск придает устойчивость всей системе, в которой он закреплен. Быстро вращаясь, диск активно «сопротивляется» изменению оси вращения. На этом принципе на морских судах работают механизмы, гасящие качку.

Изобретен и такой волчок: его ось заключена в специальной подвеске и может свободно в ней вращаться. Диск волчка раскручивается электромотором. Это так называемый гироскоп (рис. 10). Гироскоп, оказывается, может выполнять роль компаса! Если его сильно рас-

Рис. 10. Гирокомпас с электрическим приводом.

крутить, ось его принимает направление земного меридиана, т. е. будет направлена с юга на север. Такой волчок называется гирокомпасом. У него ряд преимуществ перед магнитным компасом. В частности, магнитные силовые линии Земли направлены не строго по меридианам, и, следовательно, магнитная стрелка не всегда правильно показывает север или юг. Особенно это заметно вблизи полюсов Земли. Здесь-то лучше всего пользоваться гирокомпасом.

Кстати, сама Земля — гигантский волчок, который делает один оборот за сутки. Любопытно, что вращение Земли вокруг оси подвержено прецессионным колебаниям, как будто бы ее ось «толкнули». Солнце — тоже гигантский волчок; скорость вращения его экваториальных областей — один оборот за 25 дней и 9 часов. По-видимому, все звезды во Вселенной вращаются вокруг своей оси, и не только звезды, но и звездные скопления — туманности и галактики.

Вращение физических тел распространяется не только на космические тела, но и в глубь материи, на молекулы, атомы и элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и т. д.). У элементарных ядерных частиц это вращение получило специальное название — спин (по-английски to spin значит вращаться). Многие свойства вещества объясняются вращением элементарных частиц, атомов и молекул.

Глядя на как бы неподвижный поющий волчок, который так прочно стоит, опираясь на одну точку, вспомни, что он воспроизводит явление, присущее всей природе.

ПОЛЕТ В КОСМОСЕ

ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО

В 1903 г. в Петербурге была опубликована статья Константина Эдуардовича Циолковского «Исследования мировых пространств реактивными приборами». В статье доказывалось, что единственный летательный аппарат, способный

проникнуть за атмосферу и покинуть Землю, — это ракета. Циолковский разработал теорию ракеты, дал ей математический расчет, указал наиболее выгодное топливо для нее, произвел расчет «ракетных поездов» (многоступенчатых ракет) и пришел к выводу о целесообразности искусственных спутников как стартовых пло-

щадок для ракет, отправляющихся к планетам солнечной системы.

Почему же только ракета может покинуть Землю? Давно утратили значение дирижабли и воздушные шары — летательные аппараты легче воздуха. Огромные, неуклюжие, боящиеся ветра и с трудом поддающиеся управлению, они не годились для покорения воздушной стихии. Но, может быть, на них можно просто подняться ввысь и улететь, например, к Луне?

Нет, наполненный газом шар всплывает в воздушном океане, как кусок дерева в воде. На высоте нескольких десятков километров плотность воздуха падает, и шар становится тяжелее воздуха. А за атмосферой шару просто не в чем плавать.

Люди давно поняли это и принялись совершенствовать летательные аппараты тяжелее воздуха — самолеты. Принцип планирования, скольжения по воздуху подсказали людям птицы, которые тоже тяжелее воздуха. Но крыло может быть полезным только в воздушной стихии. Летательные аппараты, опирающиеся на подъемную силу крыла, беспомощны в сильно разреженной атмосфере. Остается одно — обратиться к реактивным двигателям.

Выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся весу ружья, они разлетались бы с одинаковой скоростью на равные расстояния. Отдача произойдет и при холостом выстреле, правда, значительно меньшая, но не потому, что струя пороховых газов оттолкнется от воздуха; отдача произошла бы и на Луне, где воздуха нет.

Раскаленные газы, вытекающие из ракет,— это мельчайшие частицы, имеющие массу и вес. Каждая молекула подобна пуле. Разница в весе и в массе, между молекулой и ракетой, конечно, огромна, но количество непрерывно отбрасываемых частиц газа колоссально, так что скорость ракеты может приблизиться к скорости газов и даже превысить ее.

Отбрасываемые газы и создают реактивную силу, благодаря которой ракета может двигаться и в воздухе, и в безвоздушном пространстве. Она как бы «отталкивается» от струи газов. Чем больше вес и скорость истекающих газов, тем больше реактивная сила, толкающая ракету. Любая ракета состоит из корпуса, двигателя и отсека с полезным грузом. Большая часть корпуса заполнена топливом. Двигатель в основном состоит из камеры сгорания и сопла, которому по ряду причин придается форма раструба. Горючее может располагаться прямо в корпусе или в отдельных баках. Сопло — это

выходное отверстие для газов, образующихся при сгорании топлива.

Циолковский вывел математическую формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета:

v = c • ln( M₁ / M₂) = c • ln Z .

Эта скорость зависит в первую очередь, конечно, от скорости истечения газов (с) из сопла ракеты, а скорость газов — от вида топлива и температуры в камере сгорания. Значит, для ракеты нужно наиболее калорийное топливо, т.е. топливо, дающее при сгорании наибольшее количество тепла. Из формулы следует, что скорость зависит также от начальной (М₁) и

Общая схема ракеты.

конечной ( M₂) массы ракеты, т. е. от того, какая часть массы ракеты приходится на горючее, а какая на конструкцию — корпус, механизмы управления, рули, камеру сгорания и сопло.

На формуле Циолковского зиждется весь расчет современных ракет. Один из основных элементов этой формулы — отношение общей стартовой массы ракеты к массе ракеты в конце работы двигателя (Z) — в честь великого ученого назван числом Циолковского.

Из этой формулы следует вывод: в безвоздушном пространстве скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истечения газов при той же массе топлива и чем больше отношение начальной массы (веса) ракеты к конечной, т. е. число Циолковского. Чтобы уменьшить конечную массу ракеты, Циолковский предложил разбить ракету на несколько самостоятельных ракет. Ракетный «поезд» будет двигаться сначала с помощью самой нижней ракеты, которая разгонит его до определенной скорости и после того, как топливо выгорит, будет отброшена. Вторая ступень еще больше увеличит скорость и также отделится от ракеты. Масса (вес) ракеты будет уменьшаться, а скорость — расти.

На первый взгляд может показаться, что выгодно делать в ракете как можно больше ступеней. Но расчет убеждает, что это не так: после шести ступеней максимальная скорость практически остается постоянной.

Циолковский, на много лет опередив своих современников, предсказал на точном языке математики, как человек овладеет безбрежными далями космического пространства. Он указал конкретный путь, по которому должна идти техника межпланетных сообщений.

ОТ ОГНЕННЫХ СТРЕЛ ДО БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ

Первые ракеты были построены китайцами около двух тысяч лет назад. Это были «огненные стрелы» — небольшие бамбуковые трубки, набитые пороховой массой и закрепленные на палке, служившей стабилизатором. Их применяли для поджога крепостей и против конницы. Иногда ракеты прикреплялись к стрелам, подожженная ракета увеличивала дальность и поражающее действие стрелы. У ракет было и мирное назначение: их запускали в дни больших торжеств.

С течением веков китайцы перестали пользоваться ракетами, но в Индии продолжали применять ракеты как боевое оружие. Тут с ними впервые и столкнулись европейцы. Впечатление было сильным: в Европе такое оружие было неизвестно — древние греки и римляне применяли метательные орудия совсем другого типа. Их катапульты использовали упругую силу туго скрученных волокон. Баллиста была еще проще: огромный лук, укрепленный на деревянной раме. Катапульта и баллиста просуществовали в Европе вплоть до XIII в., т. е. до вторичного изобретения пороха, когда на смену каменным ядрам пришли разрывные гранаты.

Командующий английскими войсками в Индии генерал Конгрев, убедившийся в силе ракет, вывез в Англию образцы и организовал их производство. В первой половине XIX в. реактивная артиллерия была принята на вооружение большинством европейских государств. Значительного развития этот вид оружия достиг в русской армии. Первые образцы русских боевых ракет были созданы генералом А. Д. Засядко. Их применяли в 30-х годах XIX в. в войне на Кавказе и в войне с Турцией.

Ракета была легче и подвижнее пушки, да и стоила гораздо дешевле. А по дальности и точности огня гладкоствольная артиллерия ненамного превосходила ракеты. Казалось, будущее принадлежит ракете. Но случилось иначе: на смену гладкоствольным пушкам появились нарезные орудия; был изобретен бездымный порох, намного увеличивший дальность

и мощь огня артиллерии. Соперничать с мощными орудиями боевая ракета не могла. К началу XX в. она была забыта.

Но ракета вернулась в строй. В начале Великой Отечественной войны на полях сражений прозвучал грозный голос советских гвардейских минометов — «катюш». «Катюша» представляла собой ракету с бездымным порохом, в головной части ее укреплен боевой заряд. Несколько ракет одна за другой стартовали при залпе по направляющим полозьям — рельсам, установленным на подвижном автолафете. Залп с нескольких автолафетов накрывал большую площадь, уничтожал живую силу и выводил из строя боевую технику врага.

Это оружие вызвало многочисленные попытки подражания как у наших союзников, так и в стане врагов.

Еще в 30-х годах, подготавливаясь к захватнической войне, фашисты начали работу над созданием боевой ракеты на жидком топливе. Испытав на себе сокрушительные удары Советской Армии, гитлеровцы удесятерили попытки создать «новое секретное оружие», с помощью которого можно было бы выиграть войну. Так появились реактивные самолеты-снаряды дальнего действия «Фау», которые обрушились на Лондон.

Первый образец получил название Фау-1. Это была 8-метровая воздушная торпеда весом 2,2 т с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем. Строго говоря, Фау-1 еще нельзя назвать ракетой. Это был самолет-снаряд с небольшими крыльями, да и скоростью Фау-1 не превосходил лучшие истребители тех лет. После первого замешательства английские летчики научились расстреливать его в воздухе.

В 1944 г. в ночном небе появились пикирующие со скоростью 1,5 км/сек ракеты Фау-2. Это была уже настоящая ракета. Без крыльев, с небольшим хвостовым оперением 12-метровая сигара, снабженная жидкостным ракетным двигателем, развивала на некоторых участках сверхзвуковую скорость и забиралась на высоту до 100 км. Дальность ее доходила до 320 км.

Залп «катюш» .

Если из всех Фау-1 треть вообще не долетала до Англии и только треть добиралась до Лондона, то уже половина Фау-2 попадала в круг радиусом 8—10 км.

После создания атомной бомбы внимание военных кругов Запада было обращено на стратегическую авиацию. Но к концу 50-х годов у стратегической авиации появился могучий соперник межконтинентальные

баллистические ракеты.

Межконтинентальная ракета, как правило, многоступенчатая. В головной ее части размещается боевой заряд, позади него — приборы управления, баки и двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты может в 100—200 раз превышать вес полезного груза. Современная межконтинентальная ракета огромное сооружение. Американская ракета «Атлас-С» весит, например, 92 т при длине в 30 м, т. е. достигает высоты десятиэтажного дома.

Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Например, необходимо, чтобы сила тяги всегда проходила через центр тяжести ракеты. По мере сгорания топлива центр тяжести должен перемещаться строго по оси симметрии ракеты, иначе она начнет отклоняться от курса или вращаться. Придерживаться курса ракета может с помощью аэродинамических (обычных самолетных) рулей, а в разреженной атмосфере — применить предложенные еще Циолковским газовые рули, отклоняющие направление газовой струи. Но аэродинамические рули хорошо действуют только в плотной атмосфере, а газовые делаются из графита или керамики и потому хрупки. Конструкторы пришли к выводу, что проще поставить несколько дополнительных сопел с регулируемой силой тяги или, что еще результативней, поворачивать сам двигатель внутри ракеты. На американской ракете, например построенной по проекту «Авангард», двигатель подвешивают на шарнирах, и его можно отклонять в сторону от оси ракеты на 5—7°. Автопилот следит за курсом и, как только появляется отклонение, дает сигнал, который приводит в действие так называемые сервомоторы. Они поворачивают дви-

Схема многоступенчатой ракеты: 1 — корпус первой ступени; 2 — корпус второй ступени; 3 — корпус третьей ступени; 4 — полезный груз; 5 — реактивный двигатель третьей ступени; 6 — система управления; 7 — бак со сжатым газом; 8 — бак с окислителем, 9 — бак с горючим; 10 — жидкостнореактивный двигатель; 11 — сопло; 12 — насос для подачи топлива; 13 — насос для подачи окислителя; 14 — газовая турбина, вращающая насосы.

гатель так, что его тяга направляется под углом к оси и ракета возвращается на правильный курс.

Каждая ступень ракеты работает в различных условиях, которые и определяют ее устройство. Мощность и время работы каждого следующего двигателя должны быть меньше, а значит, и конструкция может быть проще. Двигатели баллистических ракет работают как на твердом топливе — порохе, так и на жидком. В качестве жидкого горючего обычно применяют керосин, спирт, а также гидразин, анилин, а в качестве окислителей — азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород, перекись водорода. Как окислители еще активнее фтор и жидкий озон, но они очень взрывоопасны. Горючее и окислитель подаются к двигателю под высоким давлением по раздельным трубопроводам, впрыскиваются в камеру сгорания, смешиваются и, сгорая, вырываются из сопла.

Наиболее ответственная часть ракеты двигатель, а в нем — камера сгорания

Некоторые типы современных боевых ракет.

и сопло. Их изготовляют из особо жаропрочных материалов и в них применяют сложные методы охлаждения, так как температура при сгорании топлива доходит до 3500°. Обычные стали и сплавы не выдерживают такую жару.

Сложны и агрегаты, обслуживающие двигатель; например, насосы, которые подают горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете Фау-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. Часто вместо насосов применяют баллоны со сжатым воздухом или другим газом, который вытесняет горючее из баков и гонит его в камеру сгорания.

Запускается баллистическая ракета со стартового устройства. Часто это металлическая мачта или башня, около которой ракету собирают. Площадки на башне размещаются против смотровых люков, через которые проверяют и налаживают оборудование. После наладки ракету заправляют топливом и башня отъезжает. Ракета остается стоять на

Наладка боевой ракеты.

«столе» — массивной железобетонной плите, в центре которой сделан канал для равномерного отвода газовой струи.

Чтобы обеспечить безопасность и неуязвимость боевых ракет, все стартовое устройство размещают иногда под землей, в стволе вертикальной шахты. Почти так же неуязвимы ракеты подводных лодок, стартующие из-под воды.

Подводный старт ракеты — величественное зрелище. Ровная поверхность моря вдруг начинает бурлить, и вот возникает бурун — клокочущий холм из белой пены. Из его центра стремительно вылетает длинный блестящий корпус ракеты. Еще мгновение — и бурун осел, вместо него в воде образуется воронка, которую роет столб пламени, рвущийся из сопел ракеты...

По поверхности воды расползаются бурно растущие клубы дыма, а ракета сначала медленно, как бы нехотя, а потом все стремительнее вертикально устремляется в небо. Рев двигателя затихает, и одновременно тает в воздухе пламя — след огненного хвоста...

По заранее рассчитанной траектории ракету ведет система управления. Одна за другой сбрасываются отработавшие ступени, и, когда подается команда о выключении последнего двигателя, головная часть ракеты уже приобрела заданные скорость и направление. Дальше ракета летит по инерции, описывая почти строго эллиптическую траекторию. Значительная часть траектории проходит там, где сопротивление воздуха практически отсутствует,— на высоте больше тысячи километров над Землей.

Первый запуск межконтинентальной баллистической ракеты был осуществлен в СССР в августе 1957 г. Пройдя несколько тысяч километров, ракета попала точно в заданный район. Неоднократные запуски наших межконтинентальных ракет в район Тихого океана показали исключительную точность систем наведения. Пролетев около 12 500 км, предпоследняя ступень ракеты отклонялась от расчетной точки всего на несколько километров. Стратегические ракеты за 30—35 минут покрывают расстояние свыше 10 тыс.км — современному бомбардировщику на это потребуется минимум 10 часов. Чтобы лучше предста-

Автоматическая космическая станция исследует одну из планет, проходя вблизи ее поверхности.

Так можно представить себе мягкую посадку космической ракеты на поверхность далекой планеты.

вить себе скорость полета современной ракеты, достаточно сказать, что она более чем в 10 раз превышает начальную скорость пушечного снаряда!

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАКЕТЫ — ОРУДИЕ НАУКИ

Еще в 20-е годы ученые нашей страны начали создавать ракеты для исследования атмосферы. В 1933 г. была запущена первая ракета с жидкостным двигателем.

С 1949 г. у нас регулярно ведется исследование атмосферы метеорологическими ракетами. В 1957 г. такая ракета вызвала восхищение всех участников Международной конференции ученых-метеорологов.

Метеорологической ракете практически незачем подниматься выше 90 км. Для изучения же физики верхних слоев атмосферы применяют специальные исследовательские ракеты. Это более «солидные» аппараты. Они должны подняться как можно выше и получить данные обо всех слоях атмосферы и даже о заатмосферном пространстве.

На первых ракетах исследовательская аппаратура весила всего 120—130 кг. Ракета, стартовавшая в мае 1957 г., несла на борту аппаратуру весом уже в 2200 кг и поднялась на высоту 212 км.

В феврале 1958 г. мощная советская ракета несла более полутора тонн научной аппаратуры, достигла высоты 473 км и установила мировой рекорд высоты для одноступенчатых ракет. В течение всего полета ракета стабилизировалась специальными устройствами, которые не давали ей вращаться. Это увеличило точность измерений; их результаты непрерывно передавались по радио или записывались на магнитную пленку.

Большая грузоподъемность советских ракет позволила, кроме аппаратуры, поднимать и подопытных животных. Контейнер с животным снабжали устройством для регенерации (восстановления) состава воздуха, киноаппаратом и приборами, контролирующими поведение животного в полете.

На первом этапе этих опытов герметическая кабина с собакой спускалась на парашюте с высоты 100—210 км. Исследования показали, что ускорения, возникающие при взлете ракеты и при вхождении кабины в плотные слои атмосферы, животные переносят без вреда для себя. Так же перенесли они и состояние невесомости, которое длилось 6 минут.

Старт стратегической ракеты.

Второй этап исследований должен был дать ответ на более сложный вопрос: сможет ли животное покинуть ракету на большой скорости и большой высоте? Ученые разработали герметические кабины и скафандры, в которых автоматически поддерживались необходимое давление воздуха и нужное содержание кислорода. В них животные катапультировались, т. е. как бы «выстреливались», с высоты до 110 км при скорости полета 1 — 2 км/сек. Катапультирование производилось в наиболее сложных условиях: на нисходящих траекториях и даже во время беспорядочного падения ракеты. Опыты удались. Даже у тех животных, которые поднимались в верхние слои атмосферы несколько раз, не обнаружено никаких вредных последствий от такого приземления.

Ракеты нужны для исследования атмосферы, даже если существуют искусственные спут-

Исследовательская ракета.

ники Земли. Спутник летит, как правило, значительно выше 200 км, поэтому слои, лежащие ниже его орбиты, остаются неизученными. Кроме того, ракеты позволяют сделать «высотный разрез» атмосферы, т. е. провести наблюдения в одно и то же время на разных высотах. Ракетные исследования, искусственные спутники, а также изучение ионосферы радиометодами взаимно дополняют друг друга.

Программа Международного геофизического года предусматривала обширные ракетные исследования. Ракеты стартовали в средних широтах, и с Заполярья, с Земли Франца-Иосифа, и в Антарктиде, где первая ракета была запущена с экспедиционного судна «Обь». Все это дало возможность накопить ценнейшие сведения о физических явлениях в верхних слоях атмосферы и сделать интересные биологические наблюдения.

ПЕРВЕНЦЫ КОСМОСА

4 октября 1957 г. на Земле началась космическая эра. Советская ракета превысила первую космическую скорость и вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли. Вес его был сравнительно мал, но его знаменитые позывные «бип-бип» разнеслись по всей планете. В те незабываемые дни блестящий металлический шар с усиками антенн стал символом человеческого гения.

Первый спутник весил всего 83,6 кг, но вывести на орбиту его могла только огромная ракета невиданной до той поры мощности. Последняя ступень космической ракеты составляет 4—5% ее общего веса, а вес самого спутника должен быть в несколько раз меньше. Если увеличить его вес только на 1 кг, то ракета должна стать тяжелее на 250—300 кг. Тем значительнее успех советских ученых и инженеров, запустивших второй спутник ве сом более 500 кг, а третий — свыше 1300 кг ! Вес наших спутников красноречивее всяких слов свидетельствовал, что была создана и удачная конструкция баллистической ракеты, и мощные, но в то же время легкие двигатели, найдено прекрасное топливо и разработана точнейшая система управления.

Наш первенец был одет в легкий «костюм» из алюминиевых сплавов. Защитная оболочка спутника прежде всего должна быть достаточно прочной, чтобы предохранить приборы от грозного врага — метеоритов.

Когда спутник освещается Солнцем, он сильно нагревается; когда находится в тени, резко охлаждается. Разность температур может достигать примерно 100°. А ведь для приборов необходим нормальный тепловой режим. Это не только сложная, но и совершенно новая задача. И ее решили! Поверхность оболочки спутника обработали так, что она отражала основную массу солнечных лучей, а в тени не давала теплоте спутника излучаться в пространство. Чтобы распределить теплоту по всему спутнику равномерно, его заполнили азотом. При помощи вентиляционных устройств азот циркулировал между приборами и оболочкой, нагреваясь у более теплых частей и отдавая теплоту более холодным.

На первом спутнике были установлены два радиопередатчика. Обычные любительские приемники принимали их сигналы на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Эти сигналы не только рассказывали, где именно находится спутник и какова траектория его полета. Едва приметные изменения частоты и длительности сигналов сообщали ученым о том, что происходит со спутником, и в первую очередь о величине и колебаниях температуры внутри его оболочки.

Первый искусственный спутник Земли.

Для сложных приборов, особенно для системы терморегулирования и двух передатчиков, нужны были достаточно мощные, а значит, и тяжелые источники питания. Поэтому много места и, очевидно, веса было отведено

Первый космический пассажир — Лайка — в раскрытом контейнере.

батареям химических источников электропитания. Они иссякли примерно через 20 дней, и спутник умолк.

Запуск второго спутника 3 ноября 1957 г. ознаменовал новый этап разведки космического пространства: была создана заатмосферная научная лаборатория со сложной аппаратурой и живым существом — собакой Лайкой.

Сам контейнер с собакой весит не так уж много, но живому существу нужна подходящая температура, свежий воздух, питание, и, чтобы снабдить его всем этим, нужны сложные устройства. Автоматические приборы вовремя проветривали контейнер, перемешивали воздух, поддерживали нормальную температуру, кормили и поили собаку и удаляли продукты жизнедеятельности животного. Вместо тяжелых баллонов с жидким кислородом в контейнер поместили высокоактивные химические соединения, выделяющие кислород. Другие соединения поглощали избыток водяных паров, углекислоту и аммиак. Так, в кабине с помощью особых устройств — системы регенерации — поддерживалось содержание кислорода в пределах 20—40%, углекислого газа — не выше 1 % и обеспечивалось нормальное атмосферное давление. Первое космическое жилье оказалось надежным и удобным.

Лайка была обеспечена и едой и питьем. Воду в состоянии невесомости нельзя налить в блюдечко: она соберется в шар и будет висеть в воздухе или растечется, смачивая стенки. Из резервуара ее нужно выдавливать. Если просто положить перед Лайкой мясо, оно начнет свободно перемещаться по всему контейнеру, а если собака станет прыгать за мясом, она разобьется о стенки или потолок. Поэтому движения Лайки ограничили, а поили и кормили ее специальные приборы по расписанию.

В корпусе ракеты располагались также приборы для изучения космических лучей и основная часть источников энергии. Одно лишь помещение для собаки со всеми вспомогательными приборами и механизмами требовало значительного количества электроэнергии. Кроме того, батареи должны были питать физические измерительные приборы и аппаратуру телеметрии. Поэтому мощные передатчики, расходовавшие много энергии, перестали работать на втором спутнике гораздо быстрее, чем на первом.

15 мая 1958 г. на орбиту вышел третий советский искусственный спутник Земли. Газеты всего мира запестрели волнующими заголовками: «Красная луна весом в полторы тонны»; «Россия выстрелила гигантским спутником»; «Спутник в сто раз больше нашего». Этот новый блестящий триумф советской науки — яркое свидетельство неоспоримых успехов прежде всего нашей ракетной техники и радиоэлектроники.

Третий советский спутник принципиально ничем не отличался от первых двух. Но с технической и научной точки зрения это был огромный шаг вперед. Прежде всего были подняты в космос и выведены на орбиту 1327 кг полезного веса (вес автомобиля «Волга»). Орбита спутника охватывала еще большую часть околоземного пространства; сразу после запуска высшая ее точка находилась в 1880 км над Землей — в два раза выше, чем у первого спутника.

Каждый новый спутник, даже самый маленький, обогащает науку. Но для фундаментального изучения космического пространства единственное радикальное средство — это искусственные спутники большого веса. Третий советский спутник, большой и тяжелый, вместил в себя приборы для измерения давления и ионного состава воздуха, концентрации положительных ионов, напряженности магнитного поля, интенсивности корпускулярного излучения Солнца и другую аппаратуру. Все это могло быть поднято в космос благодаря огромной мощности ракеты.

Для вычисления координат любых спутников используют электронно-счетные машины. Данные с наблюдательных пунктов передаются в общий координационно-вычислительный центр, там их автоматически вводят в быстродействующие счетные машины, которые и вычисляют основные параметры орбиты. Слож-

ный комплекс электронных и радиотехнических устройств обеспечивает быстрое и точное определение координат летящей лаборатории.

Третий советский спутник.

ЗАПУСК СПУТНИКОВ В США

31 января 1958 г., через четыре месяца после запуска первого советского спутника, с полигона на мысе Канаверал (ныне мыс Кеннеди) стартовала 30-тонная ракета. Ее четвертая ступень с приборным отсеком стала первым американским спутником.

Свой первенец американцы назвали «Эксплорер» («Исследователь»). Это был тонкий металлический цилиндр, похожий на артиллерийский снаряд, длиной 2м и диаметром 15см. Весил спутник чуть больше 13 кг, а его научные приборы — 4,5 кг. «Эксплорер» нес на борту два слабых радиопередатчика, счетчик Гейгера для регистрации космических лучей, термопары для измерения внутренней и наружной температуры, пьезопластинки для регистрации метеоритов и батареи электропитания, которые должны были обеспечить двухнедельную работу одного передатчика и двухмесячную работу другого.

Второй американский спутник весил всего 1,5 кг и представлял интерес в основном для конструкторов ракеты «Авангард», доказавших, что эта ракета все-таки может вывести спутник на орбиту. Третий спутник был точной копией первого, правда, весил он на 600 г больше. Лишь восьмой американский спутник имел ощутимый полезный вес — 67,5 кг, но и он не превысил размеры первого советского спутника.

В 1964 г., создав мощную ракету-носитель «Сатурн», американцы смогли, наконец, вывести на орбиту два многотонных спутника.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ

2 января 1959 г. наша страна изумила мир новым поразительным достижением: была запущена ракета в сторону Луны.

Пробив в вертикальном полете наиболее плотные слои земной атмосферы, ракета стала постепенно отклоняться от вертикали, выходя на заданную ей траекторию. В конце участка разгона последняя ступень ракеты набрала расчетную скорость и автоматическая система управления выключила ракетный двигатель. Скорость ракеты расходовалась на то, чтобы преодолеть притяжение Земли. На высоте 10 000 км эта скорость упала до 3,5 км/сек и продолжала уменьшаться, пока не начала снова расти под влиянием возрастающего притяжения Луны.

Через 34 часа полета, пройдя 370 тыс.км, ракета пересекла орбиту Луны и вышла в межпланетное пространство. Так как 2 января Луна находилась впереди Земли с внутренней стороны ее орбиты, ракета, миновав Луну, некоторое время также находилась внутри орбиты Земли. Внутри земной орбиты ракета пробыла больше двух месяцев и прошла около 900 млн.км. Затем она пересекла земную орбиту и стала первым искусственным спутником Солнца, двигаясь вокруг него со скоростью 32 км/сек. Плоскость орбиты этой маленькой «планеты» почти совпадает с плоскостью орбиты Земли. Но орбита новой «планеты» не так симметрична относительно Солнца, как орбита Земли; приближаясь в перигелии (ближайшая к Солнцу точка орбиты) на 146 млн.км, она в афелии (наиболее далекая от Солнца точка орбиты) удаляется на 197 млн.км.

Искусственная планета подходит в четыре раза ближе к Марсу, чем Земля,— до Марса осталось бы лететь всего 15 млн.км. Стоит еще немного вытянуть орбиту этой новой планеты, и она дойдет до орбиты Марса. Это означает, что советские ученые уже тогда могли обеспечить такую скорость, которая необходима для полета ракеты к Марсу или к Венере.

Орбиты Земли и маленькой «планеты» пересекаются. Значит ли это, что они могут встретиться? Новая «планета» обращается вокруг Солнца медленнее, чем Земля. Так как ракета и Земля движутся вокруг Солнца с разными скоростями, расстояние между ними будет то увеличиваться, то уменьшаться. Если бы на полет ракеты влияло только притяжение Солнца, то, облетев вокруг него по эллипсу, она вернулась бы в ту же точку и встреча ее с Землей была бы возможна. Но так как ее уже отклонила Луна, а в дальнейшем ее движение, как говорят астрономы, будет подвергаться возмущениям под влиянием других планет, она уже не вернется к месту старта.

Эта ракета была оснащена научной и измерительной аппаратурой и имела 4 мощных радиопередатчика. Все приборы и батареи электропитания были размещены в шарообразном контейнере, установленном в носовой части последней ступени ракеты.

Когда кончился участок разгона ракеты, автоматика выключила двигатель последней ступени и подала сигнал об отделении контейнера от ракеты. Специальный механизм вытолкнул контейнер вперед. Толчок был не очень сильным, контейнер отдалился на небольшое расстояние от ракеты, и они продолжали свой путь по намеченной орбите. Этот контейнер и стал спутником Солнца.

Отделить контейнер от ракеты нужно было для того, чтобы исключить влияние ее металлических конструкций на показания прибора, предназначенного для измерения магнитного поля Луны. Корпус последней ступени ракеты мог бы стать помехой и в работе антенн, так как для ультракоротких волн (1,6 м) он оказался бы экраном и создал бы своеобразную радиотень. Приборы нужно защищать не только от метеоритов, но и от резких колебаний температуры; если контейнер не отделить от ракеты, пришлось бы регулировать температуру и ее корпуса.

12 сентября 1959 г. в нашей стране была запущена в сторону Луны вторая космическая ракета. Конструкцией и оснащением она была похожа на свою предшественницу. В приборном контейнере ракеты находился вымпел с изображением Герба Советского Союза. Он был доставлен на Луну как памятник великому подвигу советского народа, проложившего человечеству путь в космос. Чтобы составить себе представление о степени точности, которую необходимо было выдержать при запуске этой ракеты, достаточно привести несколько цифр. Ошибка в скорости ракеты всего на 1 м/сек, т. е. на 0,01% от величины полной скорости, отклонила бы точку встречи с Луной на 250км. Если вектор скорости отклонился бы от расчетного направления на одну угловую минуту, точка встречи сместилась бы на 200км. Существенно влияли на точку встречи и координаты места, где двигатель был выключен. И наконец, опоздание со стартом на 10сек отклонило бы точку встречи также на 200км. То, что ракета успешно достигла Луны, убедительно свидетельствовало о том, что к этому времени наша страна располагала не только самыми мощными в мире ракетами, но и самой совершенной системой автоматического управления.

«Луна-3».

Прошло 20 дней, и в Советском Союзе во вторую годовщину запуска первого спутника была запущена третья космическая ракета. «Луна-3» весила 2,5т. На этот раз ракета, оснащенная фототелевизионной аппаратурой, обогнула Луну и вернулась в район Земли. Эта станция весила 278,5кг. Она сфотографировала и передала на Землю фотографию невидимой нам стороны Луны (подробнее об этом полете см. в т. 2 ДЭ, в ст. «Человек вышел в космос»).

Полеты к Луне продолжаются. В 1965—1966гг. на советских станциях «Луна-6», «Луна-7», «Луна-8», достигших поверхности Луны, отрабатывалось взаимодействие устройств, обеспечивающих мягкую посадку на эту планету. «Луна-9» совершила мягкую посадку и передала первые детальные снимки лунного ландшафта.

Дальний космос начали изучать в нашей стране с автоматической станции «Венера-1». Затем был запущен «Марс-1». Сейчас изучение ведется станциями типа «Зонд-1». Все они стартуют с тяжелых спутников, выведенных на промежуточную орбиту. В этих полетах отрабатываются различные системы станций в условиях длительного пребывания в космосе: системы ориентации и коррекции полета, радиосистемы, обеспечивающие передачу многочисленных сообщений через громадное космическое расстояние. Кроме того, накапливается опыт в фотографировании планет и проводятся научные исследования.

18 июня 1965 г. была запущена в направлении к Марсу автоматическая станция «Зонд-3». Она оснащена аппаратами для изучения космоса, проверки новых систем ориентации, отработки плазменных двигателей, испытания различных металлов, сплавов и пластмасс при воздействии космического пространства.

Проходя мимо Луны, станция сфотографировала на ее невидимой стороне те участки, которые не попали в снимки 1959 г. Траектория полета мимо Луны была выбрана так, чтобы лунная поверхность находилась в определенных условиях освещенности, когда горы отбрасывают большую тень.

Станция начала фотографировать Луну с расстояния в 11,5 тыс.км, а закончила на расстоянии в 9,9 тыс.км. Наибольшее ее приближение к Луне - 9,2 тыс.км. Метод фотографирования был такой же, какой применялся на станции «Луна-3», но передача шла с разложением кадра на 1100 строк (в обычном телевидении четкость соответствует 500—600 строкам).

С «Зонда-3» было получено 25 снимков. Качеством эти фотографии не уступают лучшим снимкам видимой стороны Луны, получаемым с помощью телескопа на наземных обсерваториях.

Астрономы, изучив снимки, оценили количество и размеры кратеров и «морей». Выводы, сделанные на основании снимков 1959 г., подтвердились: на обратной стороне мало «морей» и вся она более светлая и гористая. Вдоль гигантских трещин расположены цепочки кратеров. Таких образований на видимой стороне Луны нет.

16 сентября на «Зонде-3» была проведена коррекция полета. Система астронавигации сориентировалась по Солнцу и звезде Канопус и развернула станцию в заданное положение. По команде с Земли был включен двигатель, и направление полета изменилось, как и было предусмотрено.

Зондирование космоса продолжается. Посланцы человеческого разума все дальше проникают в космос и подготовляют пути для полетов человека.

«Зонд-3» в момент фотографирования Луны.

Разведку Луны ведут и в США. В марте 1959 г. ракета «Пионер-IV» прошла на расстоянии 60 000 км от Луны (вместо расчетных 25 000км) и вышла на орбиту вокруг Солнца. Из девяти попыток запуска ракет к Луне по проекту «Пионер» только две увенчались относительным успехом. Более удачными были запуски двух аппаратов «Рейнджер» («Странник»). «Рейнджер-III» упал на обратную сторону Луны, причем вся радиоаппаратура вышла из строя задолго до этого. «Рейнджер-IV» сфотографировал Луну, но снимки оказались не годными. И только полеты «Рейнджер-VII» и «Рейнджер-VIII» увенчались успехом. Сближаясь с Луной, аппараты беспрерывно вели телевизионную съемку и передавали на Землю изображение лунной поверхности. «Рейнджер-VII» падал на Луну со скоростью 2км/сек. Его телекамера схватывала все более мелкие детали — отдельные вершины, глыбы, трещины. Потом уже снимки, переданные на Землю, были смонтированы в виде киноленты. И ученые, просматривая этот фильм, получили полную иллюзию, будто они сами падают на Луну. Ракета упала и разбилась. Но в последние моменты работы ее телекамерами можно было различить на поверхности Луны детали размером около 50м.

К ВЕНЕРЕ И МАРСУ

Советские ракеты приобретают все большую и большую мощность, а вместе с этим растет и возможность познавать окружающее нас космическое пространство. Ракета-носитель второго советского спутника могла бы доставить на Луну груз в несколько килограммов, а уже через два года к Луне была послана автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» с общим весом ракеты 2,5 т.

Но не только мощность двигателей определяет возможности космических кораблей, не менее важно совершенствовать систему управления. Оно должно быть чрезвычайно точным. Если полет ракеты рассчитан на 8—10 км/сек, ошибка в скорости даже на несколько метров в секунду считается недопустимой. Также недопустима и ошибка на доли градуса в направлении полета. Но мало этого. Чтобы послать к Марсу или к Венере насыщенную приборами автоматическую станцию, нужно увеличить мощность ракеты или резко усложнить схему старта, т. е. стартовать со спутника, как предлагал еще Циолковский.

Эта задача была блестяще решена советскими учеными и инженерами. 12 февраля 19(51 г. с тяжелого спутника, выведенного предварительно на орбиту вокруг Земли, стартовала космическая ракета с автоматической станцией «Венера-1». Когда ракета достигла заданной точки пространства с заданными направлением полета и скоростью, ее двигатель выключили.

В тот же момент автоматическая станция отделилась от ракеты и начала свой свободный полет к Венере.

Смысл такого сложного запуска в том, что затрата энергии на полет ракеты зависит от географической широты, на которой дан старт. Запуск ракеты с промежуточной орбиты позволил выбрать оптимальную (наивыгоднейшую) точку старта, а это дало возможность уменьшить вес топлива и соответственно увеличить вес станции.

«Венера-1».

Кроме того, в этом случае ракета может достаточно долго находиться на круговой орбите. При кратковременном наблюдении удаляющейся ракеты даже электронно-счетная машина не может достаточно точно вычислить ее орбиту. Если же ракета сделает до старта несколько витков, можно провести достаточное количество измерений ее положения в пространстве и по ним вычислить орбиту ракеты с очень большой точностью. Тогда и оптимальная точка старта с орбиты будет определена точнее.

При подходе к выбранной оптимальной точке тяжелый спутник был стабилизирован — «успокоен»; система ориентации так развернула его, что ракета приняла положение, соответствующее направлению старта. В точно рассчитанной точке пространства включился двигатель, и с плывущего в состоянии невесомости космического «ракетодрома» стартовала ракета, несущая к Венере автоматическую станцию весом 643,5 кг.

Орбита Венеры проходит между орбитой Земли и Солнцем. Поэтому ракета должна стартовать в сторону, противоположную движению Земли, т. е. уменьшать свою скорость, чтобы «падать» в сторону Венеры.

Через каждые 5 дней проводились сеансы связи со станцией, было получено много новых сведений об околосолнечном пространстве. 27 февраля 1961 г., когда наступило время очередного сеанса, войти в связь по неизвестной причине не удалось. 19—21 мая станция прошла примерно в 100 тыс.км от Венеры и стала искусственной планетой — спутником Солнца.

Из ближайших планет, кроме таинственной Венеры, покрытой сплошным облачным покрывалом, наибольший интерес всегда вызывал Марс. В сильные телескопы можно увидеть на Марсе белые полярные шапки, линии «каналов» и огромные различно окрашенные области. Окраска и форма пятен на Марсе изменяются в зависимости от времени года. Новейшие спектрографические исследования дают возможность предполагать, что на планете возможно существование живых организмов.

Разгадать тайны Марса, только наблюдая его в телескоп, нельзя. Нужны полеты ракет. 1 ноября 1962 г. в Советском Союзе была запущена автоматическая межпланетная станция «Марс-1». Полет был осуществлен тем же способом, что и при запуске станции к Венере. Только орбита ее была иной. (Возможные орбиты полетов к Марсу описаны в т. 2, в ст. «Человек вышел в космос».)

Схема старта космической ракеты с околоземной орбиты.

Осуществить полет к Марсу было сложнее, чем к Венере, из-за большего расстояния до планеты, да и вес станции был больше — 893,5кг.

Первые космические станции, начавшие исследовать околосолнечное пространство,— это полностью автоматизированные космические роботы. Они умеют регулировать температуру внутри приборных отсеков, разворачиваться и лететь в определенном положении, ориентируясь на Солнце или какую-либо звезду, направлять свои радиоантенны к Земле, а солнечные батареи — к Солнцу. В сторону исследуемой планеты станция направляет объективы

фотоаппаратов и телевизионных камер, антенны радиотелескопов и исследовательских радиолокаторов и щупальца других приборов. Станция может, получив команду с Земли, запомнить ее и выполнить в заданное время. По команде с Земли на расстоянии в сотни миллионов километров на такой станции можно включить реактивный двигатель и тем самым подправить орбиту, чтобы станция подошла ближе к заданной планете.

«Марс-1».

«Марс-1» оснастили обширным комплексом аппаратов. Телевизионное устройство должно было получить снимки с поверхности планеты, спектрорефлексометр — обнаруживать органические покровы, спектрограф — изучить полосы поглощения озона в атмосфере Марса, магнитометры — обнаруживать магнитные поля Марса и измерять магнитные поля в космическом пространстве. Кроме того, на станции были два вида счетчиков космических частиц, радиотелескоп, чтобы изучать космическое радиоизлучение, протонные ловушки и, наконец, датчики для регистрации микрометеоритов.

Корпус станции состоял из двух герметичных отсеков — орбитального и планетного. В первом была аппаратура, работающая во время полета к Марсу; во втором — научные приборы, которые должны были включиться в непосредственной близости от планеты. Автоматическая станция напоминает огромного жука, раскинувшего во все стороны крылья солнечных батарей, усы и зонтики антенн, шары ионных ловушек и трубки магнитометров. Блестят зрачки-объективы фототелевизионной аппаратуры и корпуса других приборов. Этот «жук» ощетинился своими усами сразу же после отделения от ракеты, стартовавшей со спутника.

Наибольшую нагрузку на станции несли приборы орбитального контейнера. Система ориентации обеспечивала такое положение станции, чтобы солнечные батареи все время получали энергию от Солнца.

Сложная жидкостная система терморегулирования состояла из теплообменников, расположенных внутри отсеков, и полушарий-радиаторов вне корпуса станции. Разноцветные полосы полусферических радиаторов — это различные покрытия бачков, по-разному отражающие солнечные лучи, а значит, и по-разному нагреваемые Солнцем. В зависимости от температуры внутри станции нагнеталась из внешних радиаторов во внутренние холодная или теплая жидкость. Переданные из космоса измерения свидетельствовали о том, что в станции поддерживалась практически «комнатная» температура: 20—30°.

Напряженно работал радиокомплекс станции. С Земли шли десятки радиосигналов, которыми последовательно включались те или иные приборы. Три радиопередатчика, работающих в метровом (1,6 м), дециметровом (32 см) и сантиметровом диапазонах (5 и 8 см), сообщали нам о скорости, направлении и местонахождении станции. Сеансы радиосвязи со станцией могли производиться через 2, 5 и 15 суток. Эти интервалы были выбраны с таким расчетом, чтобы обеспечить подзарядку бортовых аккумуляторов от солнечных батарей и чтобы радиосвязь устанавливалась в то время, когда «радиовидимость» станции наилучшая.

Многие сведения, переданные с «Марса-1», по-новому осветили физические процессы, происходящие в околосолнечном пространстве. Некоторые сведения были неожиданными. Отмечен чрезвычайно интенсивный поток солнечных корпускул, как бы порыв «солнечного ветра». Установлено, что несколько возросла интенсивность космического излучения со времени полета лунников. На сравнительно небольшом расстоянии от Земли датчики станции зарегистрировали неоднократные столкновения с микрометеоритами; когда же станция удалилась на несколько сотен тысяч километров, число соударений резко сократилось.

21 марта 1963 г. был проведен очередной сеанс радиосвязи на расстоянии в 106 млн.км. Но это был последний сеанс. Станция начала беспорядочно вращаться, и ее антенна не ориентировалась больше на Землю. Как показали расчеты, станция должна была пройти около Марса на расстоянии 193 тыс.км. Если бы система ориентации работала нормально, полет станции был бы подправлен ракетным двигателем.

«ЛУНА-9»
HA
ОКЕАНЕ БУРЬ

События, отмечающие знаменательные этапы космической эры, следуют одно за другим: запуск первого спутника Земли — первой ракеты, преодолевшей земное притяжение и ставшей «планетой» солнечной системы; первый человек, стартовавший на ракете в космос; первая ракета, достигшая Луны; первый человек, вышедший из космического корабля и шагнувший в космос; первая фотография обратной стороны Луны. И, наконец, мягкая посадка станции «Луна-9» на поверхность Луны.

Впервые аппарат, созданный человеком, не только достиг Луны, но и совершил на нее посадку. Впервые на другую планету опустилась автоматическая лаборатория, созданная на Земле, передала научные сведения, полученные непосредственно с лунной поверхности, и сфотографировала детали этой поверхности.

Рис. 1. Схема полета автоматической станции «Луна-9».

Рис. 2. Схема полета автоматической станции Луна-9» на участке торможения 3 февраля 1966 г.

На Луне различают два основных типа поверхностных структур: сильно изрезанные кратерами «материки» и сравнительно ровные «моря». Момент для запуска автоматической станции «Луна-9» был приурочен к наступлению лунного утра в типичном для Луны районе — на Океане бурь. Это — крупнейшая равнинная область на видимой части Луны.

Лунное утро обеспечивало наиболее выгодные условия, чтобы распознавать и расшифровывать детали на фотографиях лунной поверхности. Камни и неровности почвы в это время отбрасывают длинные тени. Кроме того, утром на Луне благоприятны и температурные условия: промерзшая за двухнедельную ночь поверхность только что начала отогреваться. Через несколько дней она должна была раскалиться под лучами Солнца более чем до ста градусов.

31 января 1966 г. ракета-носитель вывела автоматическую станцию на орбиту спутника Земли. Радиосигналом был включен ракетный блок, который обеспечил станции разгон с орбиты спутника и выход на траекторию полета к Луне.

С наземных пунктов была измерена траектория полета автоматической станции и установлено, что станция движется по траектории, удаленной от центра Луны на 10 тыс.км. Затем были определены величина и направление корректирующего импульса, т. е. было вычислено, на какое время нужно включить ракетный двигатель, находящийся на автоматической станции, и в каком направлении должна действовать тяга этого двигателя, чтобы подправить полет и обеспечить станции встречу с Луной в заданном районе. 1 февраля 1966 г. эти данные, соответствующим образом закодированные, были переданы по радио на борт станции. После радиокоманды с Земли работа всех систем станции проходила автоматически и последовательно по заранее предусмотренной программе, заложенной в бортовую автоматику.

Автоматическая станция на поверхности Луны (рисунок).

Сначала станция «нашла» Солнце, затем, не «теряя» его, начала поиск Луны. Когда оптическая система станции «поймала» Луну в свои объективы, автоматика повернула корпус станции так, чтобы ось оптической системы соответствовала данным, полученным с Земли, а сопло двигателя заняло бы нужное положение. После ориентировки была включена двигательная установка, скорость автоматической станции уменьшилась на 71,2 м/сек, и она перешла на траекторию, которая практически проходила через расчетную точку в районе Океана бурь.

Новые сеансы измерений позволили уточнить, когда должно начаться торможение. Поправки были введены в систему ориентации и был уточнен момент, когда включить тормозной двигатель. Все эти данные были переданы на борт станции к 16 часам 3 февраля. А примерно за час до сближения с Луной корпус станции был ориентирован так, чтобы сопло двигателя оказалось направленным на Луну, а траектория полета проходила бы точно через центр тяжести Луны. Такое положение станции поддерживалось все время, оставшееся до прилунения.

На высоте около 75 км до поверхности Луны, за 48 секунд до посадки, была включена по команде радиовысотомера тормозная двигательная установка. А перед этим от станции были отделены два отсека с аппаратурой, ненужной при посадке, чтобы не тратить горючее на мягкое прилунение лишней тяжести.

Тяга тормозного двигателя затормозила полет станции и снизила ее скорость с 2,6 километра до нескольких метров в секунду. Когда аппарат коснулся поверхности Луны, шарообразная станция вместе с системой амортизации (дополнительно смягчающей удар о почву) была отделена от всей установки и прилунилась отдельно поблизости.

На схеме видны примерные контуры станции «Луна-9». Она состояла из трех основных частей: лунной автоматической станции, двигательной установки и отсеков с приборами. Контейнер яйцеобразной формы, расположенный на стороне, противоположной двигателю, и есть лунная станция. В ее герметичном корпусе размещены приемники и передатчики, система терморегулирования, источники питания, научная аппаратура и автоматическое программно-временное устройство, которое обеспечило в заданной последовательности выполнение всех операций при ориентации и после прилунения. Верхняя часть шара прикрыта четырьмя металлическими «лепестками».

В сложенном виде они образуют замкнутую полусферу, а в раскрытом форма «лепестков» хорошо видна на рисунке.

Шар, отброшенный в сторону в момент соприкосновения двигательного отсека с лунной поверхностью, упал невдалеке. Яйцеобразная форма станции и «лепестки», раскрытые сильными пружинами,— все это обеспечило устойчивое вертикальное положение для объектива телевизионной системы.

Через 4 минуты 10 секунд после прилунения раскрылись антенны станции и начался первый сеанс радиопередачи с поверхности Луны. Радио сообщило, что все системы станции работают нормально и что радиоаппаратура надежно управляется радиокомандами с Земли. 4 февраля в 4 часа 50 минут по московскому времени «Луна-9» по команде с Земли начала обзор лунного ландшафта и передачу его изображения. За трое суток было проведено 7 сеансов радиосвязи общей продолжительностью 8 часов 5 минут.

Телевизионные изображения позволили нам, землянам, рассматривать Луну как бы «стоя на ее поверхности». Объектив телевизионной камеры давал изображение круговой панорамы, т. е. местности вокруг всей станции. Прилунившись на сравнительно пологом склоне, станция оказалась слегка наклоненной. Детали на переднем плане панорамы телевизионная камера просматривала с разрешающей способностью 1:2 мм, т. е. различала предметы величиной в несколько миллиметров. О размерах камней и впадин, видимых на снимке, можно судить по кончику «лепестка» на переднем плане снимка. Наружный край этого «лепестка» — 4см. Линия горизонта на снимке очень четкая, без переходов в полутона, так как на Луне практически полностью отсутствует атмосфера и небо там воспринимается как совершенно черное.

Свой первый сеанс станция начала сразу же после восхода Солнца, когда его высота была всего лишь 7 градусов. Поэтому все выступы, камни и бугорки отбрасывали длинные тени, примерно в десять раз превышающие высоту предметов. При втором сеансе длина теней уменьшилась вдвое, а 5 февраля Солнце находилось уже на высоте в 27 градусов и длина теней сократилась в четыре раза по сравнению с первым сеансом. Таким образом была получена серия фотографий одних и тех же участков лунной поверхности, но при разной высоте Солнца. И это предоставило ученым возможность детально изучить структуру лунной поверхности.

Фотографический снимок поверхности Луны, сделанный телеобъективом автоматической станции «Луна-9».

Анализ снимков показал, что поверхность Луны очень шероховата, она покрыта бугорками и углублениями, и на ней разбросаны редкие отдельные камни. Некоторые из этих камней хорошо видны на снимках. Один из них находится рядом со станцией. Его величина около 15см. Несколько далее видны небольшие впадины шириной от десятка сантиметров до нескольких метров. В районе обзора «Луны-9» нет ни больших кратеров, ни гор, только на горизонте заметны невысокие холмы. Тщательное изучение снимков дало астрономам богатейший материал, чтобы уточнить, какова структура поверхностного слоя Луны.

Один из важнейших результатов рейса «Луны-9» — это успешное прилунение аппарата весом в 100кг без заметного погружения в грунт. Это убедительно свидетельствует, что посадка космического корабля на лунную поверхность возможна. Представления писателей-фантастов и многих ученых о том, что Луна покрыта зыбкой, всепоглощающей толщей пыли, оказались несостоятельными.

Прилунение советского космического аппарата открыло новый этап в развитии космонавтики. Оно вселило уверенность в том, что полет человека на Луну будет совершен в очень близком будущем. Человек начал осваивать ближайшие к Земле планеты.

Район посадки станции «Луна-9». Стрелкой указано место прилунения.

Схемы, рисунок и фотографии взяты из № 37(17354) газеты «Правда» от 6 февраля 1966 г

Одновременно с советской ракетой, идущей к Марсу, двигалась к Венере американская ракета «Маринер-II». Это был космический автомат такого же типа, и предназначался он для решения тех же проблем. Когда еще работал двигатель последней ступени, ракета неожиданно начала вращаться, приобрела лишнюю скорость и отклонилась от курса. Но американским ученым удалось на расстоянии 2,4 млн.км включить корректирующий двигатель и подправить полет; «Маринер-II» прошел в 37 000 км от Венеры и передал на Землю результаты научных измерений.

В США в конце ноября 1964 г. запустили в сторону Марса автоматическую станцию «Маринер -IV». Ориентиром служила ей звезда Канопус. В работе системы астроориентации возникли серьезные неполадки: система «хваталась» за звезды менее яркие, чем Канопус. Кроме того, несколько раз система ориентации начинала повторный поиск звезды. По предположениям ученых это происходило из-за того, что микрометеориты выбивали из корпуса станции мельчайшую металлическую пыль. Светясь в солнечных лучах, эта пыль давала яркие вспышки, которые

Снимок поверхности планеты Марс, сделанный автоматической станцией «Маринер-IV».

На земной наблюдательной станции. На электронно-счетной машине рассчитывают орбиту космической автоматической станции.

заставляли срабатывать систему ориентации. Радиокомандами с Земли удалось исключить влияние этих факторов и заставить автоматы «ухватиться» за нужную звезду.

В середине июля 1965 г. космический аппарат прошел примерно в 10 тыс.км от Марса, провел ряд физических измерений и сфотографировал загадочную планету.

Десять дней «Маринер-IV» передавал по радио 21 снимок планеты. Передача каждого из них шла 8 часов 20 минут. Фотографии поверхности Марса показали, что ее структура весьма схожа с лунной. Знаменитые марсианские «каналы» пока не обнаружены. Научные приборы передали, что, как и у Луны, у Марса нет заметного магнитного поля, нет и поясов радиации. Не обнаружены также у Марса и новые спутники, кроме известных Деймоса и Фобоса.

За 228 дней полета было зарегистрировано 10 солнечных вспышек, а в корпус станции ударились 190 метеоритов. Все это говорит о том, что полет человека к Марсу неизмеримо сложнее, чем полет к Луне, в котором можно руководствоваться прогнозами и выбрать период, свободный от солнечных вспышек. Вероятность встреч же с метеоритами за несколько дней полета весьма мала.

12 и 16 ноября 1965 г. в СССР были запущены в сторону Венеры две АМС — «Венера-2» и «Венера-3». Аппаратура станций была предназначена для широких научных исследований в космическом пространстве, особенно вблизи Венеры. Конструкция и состав аппаратуры обеих АМС различались незначительно.

ОБОРУДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ

Основная часть научной аппаратуры на космических ракетах и спутниках размещается в отсеках и контейнерах, расположенных внутри герметичного корпуса. Здесь же находятся и радиопередатчики, которые передают на Землю данные научных измерений. Они же контролируют положение ракеты, давление и температуру внутри контейнера и на его поверхности. Внутри корпуса находится и аппаратура для изучения газового состава среды в межпланетном пространстве. Протонные же ловушки этой аппаратуры размещены на поверхности внешней стороны оболочки. Вне корпуса установлены также счетчики космических лучей и «чувствующие» элементы аппаратуры, измеряющей магнитное поле. Эти элементы расположены на конце длинной алюминиевой трубки, чтобы исключить влияние магнитной массы контейнера.

Физики уже давно доказали, что космические лучи — это не лучи и не электромагнитные волны, а поток заряженных частиц с самыми различными энергиями, намного превосходящими энергию частиц, разогнанных даже в мощнейших ускорителях.

На советских космических ракетах были установлены разнообразные приборы, позволяющие всесторонне изучать состав космических лучей в межпланетном пространстве. Эти приборы делятся на две группы: газоразрядные счетчики космических частиц и люминесцирующие кристаллы с фотоумножителями— сцинтилляционные счетчики.

Газоразрядные счетчики — это обычно небольшие стеклянные трубочки, наполненные смесью газов. Внутри каждой из них натянута проволочная нить, а поверхность стекла покрыта проводящим слоем. Это катод. Между нитью и катодом подают напряжение в несколько тысяч вольт, и в трубочках образуется сильное электрическое поле.

Заряженная космическая частица, попадая в счетчик, ионизирует молекулы газа, разбивает их на электроны и положительные ионы, которые разгоняются электрическим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы. Так образуется лавина заряженных частиц, возникает импульс тока.

Радиосхемы усиливают эти импульсы во много раз и с помощью телеметрического устройства передают их на Землю. Сигнал на Землю идет лишь в том случае, когда через счетчики пройдет определенное количество импульсов. Поэтому легко подсчитать и число космических частиц, пронизывающих определенную площадь за секунду, т. е. узнать интенсивность космических лучей.

Работа другой группы приборов — сцинтилляционных счетчиков — основана на том, что частицы, летящие с космическими скоростями, при прохождении через кристаллы некоторых веществ вызывают в них вспышку света. Эту вспышку улавливают фотоэлементы — электровакуумные приборы, способные «поймать» даже ничтожное количество лучистой энергии. Фотоумножитель «умножает» в несколько миллионов раз слабую вспышку света и создает ощутимый импульс тока.

Чтобы изучить процентный состав частиц с различными энергиями, устанавливают три «барьера». Через самый низкий проходят импульсы от слабых частиц, через средний — от более энергичных, через самый высокий — от самых быстрых частиц, в том числе и импульсы от частиц, летящих почти со скоростью света.

После усиления сигналы поступают в блоки радиотелеметрии и передаются на Землю. Подсчитав число импульсов на разных уровнях, ученые устанавливают, в какой пропорции находятся в космическом излучении частицы с различными энергиями.

Кроме частиц межзвездного газа, в межпланетном пространстве двигаются потоки частиц, излучаемых Солнцем. Для их изучения на ракетах устанавливают протонные ловушки. Каждая ловушка состоит из трех полусферических электродов. Два внешних электрода сделаны из металлической сетки, а внутренний — сплошной; он служит коллектором, собирателем протонов. Чем больше протонов попадает

в ловушку, тем больший ток течет через ее коллектор.

Над поверхностью контейнера первой советской космической ракеты находились четыре ловушки. Две из них собирали все протоны межзвездного газа, а две другие улавливали только протоны с большой энергией, летящие от Солнца.

Для исследования метеоритного вещества были установлены на космических ракетах баллистические пьезоэлектрические датчики. Что такое пьезодатчик?

Некоторые кристаллы обладают так называемым пьезоэффектом: при сжимании, растягивании или ударе на гранях кристалла возникают электрические заряды. Метеоритная частица ударяется в поверхность пьезодатчика, и на нем появляется электрический импульс, величина которого зависит от массы и скорости частицы. После усиления импульсы разделяются по величине на три «сорта». О числе импульсов каждого «сорта» сообщается на Землю.

Подробное исследование метеоритных частиц проводят американские ученые. Для этого служат специальные спутники «Пегас-I» и «Пегас-II», с огромными крыльями-створками. При старте эти крылья были сложены «гармошкой», а в космосе развернулись на полный размах — 30м. На крыльях множество датчиков, которые обнаруживают метеоритные частицы.

Каждый датчик — это заряженный электрический конденсатор, между пластинами которого проложен специальный материал. Если метеоритная частица пробьет конденсатор, прокладка между пластинами в этом месте мгновенно испарится.

Облачко ионизированного газа замкнет обкладки конденсатора, и он разрядится. Импульс тока отметит попадание частицы.

Электро- и радиосистемы «Пегаса» рассчитаны на действие в течение года. Но американские инженеры предполагают, что через несколько лет, когда будет отработана техника сближения космических аппаратов, удастся подвести к «Пегасу» корабль, сложить его крылья и спустить на Землю для тщательного изучения.

Продолжая научные эксперименты в космосе, советские ученые создали уникальную космическую станцию «Протон-1» весом в 12,2 т. 16 июля 1965 г. эту станцию вывела в космос ракета-носитель мощностью свыше 60 млн. лошадиных сил (свыше 44 млн.квт).

Большие размеры станции позволили разместить в ней приборы для исследования космических лучей со сверхвысокими энергиями. Для изучения частиц с энергиями в 10¹¹ — 10¹⁵ электрон-вольт вес спутника должен быть более 10 т, так как основная деталь служащей для этого аппаратуры — ионизационный калориметр — состоит из большого количества стальных плит. Между ними расположены пластмассовые сцинтилляторы (см. ст. «Как видят невидимое»). И чем выше энергия изучаемых частиц, тем больше должно быть в калориметре стальных плит.

Проходя сквозь стальную пластину, частица сталкивается с ядрами железа и рождает вторичные частицы, которые в свою очередь рождают частицы следующих поколений. В результате вся энергия первичной частицы переходит к большему числу вторичных частиц, которые поглощаются в толще ионизационного калориметра.

Поглощение энергии сопровождается световыми вспышками в сцинтилляторах. Чем больше энергия первичной частицы, тем ярче эти световые вспышки. Вспышки регистрируются электронными фотоумножителями, импульсы тока от них измеряются, и результаты передаются по радио на Землю.

Кроме устройства для измерения заряда частиц, на космической станции «Протон-1» установлена аппаратура для измерения энергии электронов, регистрации гамма-квантов, изучения энергетического спектра и химического состава космических лучей солнечного происхождения и для решения ряда других задач. Такое же оборудование установлено на космической станции «Протон-2», запущенной в конце того же года.

Тяжелые спутники типа «Протон» необходимы, чтобы проникнуть в структуру элементарных частиц. Для подобных исследований в земных условиях нужны мощнейшие ускорители частиц. Современный, еще не достигнутый предел таких ускорителей ограничивается мощностью в 10¹² электрон-вольт. Но ученые и инженеры блестяще обошли этот предел — они вывели приборы туда, где работают природные «ускорители»,— в космос.

НА КОСМОДРОМЕ

Люди бережно хранят имена героев и даты великих событий, которыми гордится все человечество. Немногие подвиги, совершенные людьми за тысячелетия, оставят такой глубокий след, как первый полет человека в космос.

12 апреля 1961 г. с космодрома Байконур стартовал первый космонавт человечества Юрий Гагарин.

Могучая советская ракета вывела на орбиту вокруг Земли первый космический корабль, пилотируемый человеком.

Вслед за Гагариным, сделавшим виток вокруг нашей планеты на корабле «Восток», стартовали другие советские космонавты, увеличивая от полета к полету время пребывания на орбите. С каждым полетом все совершеннее становилось оборудование кораблей, усложнялись научные наблюдения, проводимые космонавтами в полете. Гагарин и

Общий вид стартовой площадки на одном из американских ракетодромов Идет сборка ракеты.

Титов летали в одиночку, Николаев и Попович, Быковский и Терешкова совершили групповые полеты, а Комаров, Феоктистов и Егоров летели в трехместном космическом корабле.

Гагарин вел первый телефонный разговор из космоса. На корабле «Восток-2» испытывалась высококачественная телевизионная система, а с последующих кораблей изображения космонавтов транслировались на весь мир.

Космодром Байконур раскинул свои службы на просторах южной степи. Сердце космодрома — стартовая площадка. На некотором удалении от нее — командный пункт, расположенный в защитном железобетонном бункере. Оттуда ведется дистанционное управление стартом и наблюдение (через перископы) за первыми секундами полета. Еще дальше отнесены открытые наблюдательные пункты, монтажный корпус, служебные здания, жилые домики.

В монтажном корпусе ведется сборка ракеты, здесь же соединяют космический корабль с последней ступенью ракеты-носителя. Могучий кран легко поднимает многотонный корабль, и крановщик точно подводит его к ракете. Надежно затянуты крепежные болты—корабль занял свое место.. Последним закрепляется защитный колпак. Сборка закончена.

Нажатием кнопки раздвигаются в сторону ворота, и ракета с кораблем выезжает из монтажного корпуса. Электровоз медленно тянет «космический поезд». Вот и стартовая площадка. Ракета уже стоит на своем «рабочем месте», ее стройный сверкающий корпус серебряной свечой устремлен в небо. Перед полетом все системы ракеты подвергают тщательной проверке. Государственная комиссия слушает доклад генерального конструктора о готовности техники и утверждает командира корабля и его дублера, который займет место в кабине, если первый пилот внезапно заболеет,

За полтора-два часа до старта проводится последний медицинский осмотр космонавта. Его облачают в космические «доспехи».

На космонавта надевают датчики, которые будут регистрировать температуру, пульс, ритм дыхания, снимать кардиограмму сердца и другие данные о состоянии организма в полете. Затем надевается теплозащитная одежда, в которую вмонтирована система вентиляции. В кармашках этой одежды устанавливают усилители сигналов, поступающих с медицинских датчиков. После этого надевается прочная серо-голубая герметическая оболочка. Это основа скафандра, она сшита из прочного и эластичного лавсана. Сверху натягивается оранжевый комбинезон с карманами, гермошлем, перчатки — космонавт готов.

Автобус быстро доставляет космонавта и его дублера к стартовой площадке. Космонавт направляется к председателю Государственной комиссии. Короткий рапорт, прощание с друзьями. Поднявшись по небольшой лесенке к площадке у лифта, космонавт еще раз приветствует провожающих и проходит в лифт. Мимо ажурных металлических конструкций плавно ползет кабина к самой вершине ракеты. Люк корабля открыт. Космонавт занимает свое место.

На командном пункте за толстыми стенами бункера прохладно. В операторской сотни приборов непрерывно сообщают о самочувствии космонавта, о состоянии устройств ракеты-носителя и космического корабля. Объявлена «пятиминутная готовность». Это значит, что еще раз проверены все устройства, космонавт к полету готов и до старта осталось 5 минут.

У одного из перископов, нацеленных на ракету, заместитель генерального конструктора. Справа от него огромный хронометр, ведущий точный счет секундам. Около хронометра лист с предписанием о точном времени старта.

И вот нажата кнопка, дающая волю 20 млн. лошадиных сил. Сразу доносится гром работающих двигателей.

На одном из американских ракетодромов/ Сборка ракеты закончена, фермы обслуживания отъехали по рельсам, идет последняя проверка аппаратуры через кабель, подведенный к последней ступени ракеты.

Дрожат стены бункера. Плавно поднявшись, огромная ракета быстро набирает скорость, и вот уже исчезла яркая точка, растаяв в бездонной небесной синеве.

Проходит 15—20 минут, и космонавт радирует: «Чувствую себя хорошо. Вижу Землю!»

После старта на космодроме вступает в жизнь новый график работы. Он подчинен теперь другой задаче — следить за полетом корабля и состоянием космонавта. На командном пункте дежурят оперативные группы Государственной комиссии. Каждая группа докладывает комиссии о том, как протекает полет.

УСТРОЙСТВО КОРАБЛЯ «ВОСТОК»

Опыт, накопленный советскими учеными и конструкторами при запусках спутников, лун-

ников и автоматических межпланетных станций, позволил создать космический корабль для полета человека. В марте 1961 г. были произведены два последних контрольных пуска корабля «Восток». В кресле пилота сидел манекен, облаченный в космический скафандр. Кроме того, в кабине находились собаки. Оба полета прошли в точном соответствии с программой и подтвердили высокую надежность конструкции и всех систем, а также полную безопасность полета для человека.

Корабль «Восток» состоит из кабины сферической формы, рассчитанной на одного пилота, приборного отсека и отсека с тормозной двигательной установкой. После выведения на орбиту корабль-спутник отделяется от последней ступени ракеты-носителя.

Внешняя поверхность кабины покрыта слоем тепловой защиты, предохраняющим ее от высокой температуры, которая развивается от трения при спуске в плотных слоях атмосферы.

Через три иллюминатора с толстыми жаропрочными стеклами космонавт видит Землю и звезды, фотографирует. Наблюдая за линией горизонта и направлением «бега» поверхности Земли, космонавт может ориентировать корабль в пространстве с помощью двигателей системы ориентации. Для предохранения глаз от лучей Солнца, которое, по словам Гагарина, настолько ярко, что на него нельзя смотреть даже зажмурившись, иллюминаторы снабжены шторками.

Кресло пилота — это и его рабочее место, и своеобразный домик, в котором есть все для жизненных нужд. В кресле находится запас кислорода и вентилирующее устройство для отвода тепла из скафандра. В кресле размещены приемо-передающие радиостанции, запас продуктов и предметов первой необходимости, которые могут понадобиться после приземления. Поверхность кресла точно соответствует форме тела космонавта и выложена мягкими пластмассовыми подушками.

При аварийной ситуации на старте или в процессе вывода на орбиту кресло с космонавтом автоматически катапультируется через люк, быстро открывающийся в корпусе кабины. Парашютные системы кресла обеспечивают плавный спуск на землю или воду. При спуске на воду автоматически разворачивается надувная лодка. Но и без нее поддерживать космонавта на воде может скафандр. Теплоизоляция скафандра и его герметичность таковы, что космонавт не ощутит холод, даже находясь 12 часов в ледяной воде.

При возвращении на Землю совсем не обязательно отделяться от корабля катапультируясь и спускаться на парашюте. Система механизмов обеспечивает безопасное приземление всей кабины корабля «Восток». Оба эти способа были успешно опробованы при запуске тяжелых кораблей-спутников.

Кабина корабля «Восток» значительно просторнее кабины пилота на современном военном самолете. У космонавта, пристегнутого к креслу ремнями, удобный доступ ко всем приборам: он может вести наблюдения через иллюминаторы, поддерживать радиосвязь с Землей, управлять ориентацией корабля, включать систему приземления, регулировать температуру в кабине и т. п.

МНОГОМЕСТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ВОСХОД»

12 октября 1964 г. ракета-носитель вывела в космический орбитальный полет советский трехместный корабль «Восход». Это был первый в истории покорения космоса многоместный космический корабль. От полетов мужественных одиночек советские космонавты перешли к коллективным полетам специалистов разных профессий. Экипаж корабля состоял из командира корабля летчика-космонавта Владимира Михайловича Комарова, научного работника кандидата технических наук Константина Петровича Феоктистова и врача Бориса Борисовича Егорова.

В новом корабле уже можно различить черты будущих космических лабораторий и космических стратопланов. Если в нем пока еще не очень просторно, нельзя, например, ходить, нет спальных мест и письменных столов, то нет уже и катапультируемых кресел и космонавты не одеты в стесняющие движения скафандры...

Три специалиста разных профилей вели одновременно комплексные физико-технические и медико-биологические исследования, помогая и дополняя друг друга

Врач проверял на себе действие невесомости и сравнивал свои впечатления с ощущениями других членов экипажа; ученый наблюдал за горизонтом, полярным сиянием, светящимися частицами за окнами иллюминаторов; а командир экипажа оценивал управляемость корабля, проверял ориентировку по звездам и наблюдал ориентиры на Земле. Все трое могли проверить и сравнить свои впечатления, обменяться мне-

ниями, посоветоваться друг с другом и, наконец, поспорить.

Сбор научной информации в космосе не прекращался ни на минуту. Их предшественники вынуждены были часть времени в полете тратить на сон, на прием пищи и прерывать исследования. А на «Восходе» постоянно работали два члена экипажа, а один отдыхал. За сутки полета ракета сделала 16 витков вокруг Земли, и трое космонавтов провели обширные наблюдения и даже исследования.

Программа полета полностью выполнена. Испытаны конструкция и эксплуатационные характеристики нового пилотируемого корабля, его системы и оборудование; исследованы работоспособность и взаимодействие в полете группы космонавтов; проверены в полете их режим труда и отдыха и взаимозаменяемость на некоторых этапах полета; проведены научные исследования в условиях длительного космического полета; продолжено изучение, как влияют различные факторы космического полета на человеческий организм.

На корабле «Восход» было установлено новое, более совершенное и разнообразное оборудование. Кроме использовавшихся ранее систем ориентации, была применена новая, позволяющая точно определять расположение корабля в пространстве и уточнять положение его относительно поверхности Земли. Космонавты располагали многочисленными средствами радиосвязи и новой, более совершенной системой телевидения.

От всех своих предшественников «Восход» качественно отличался принципиально новой системой мягкой посадки. Самый трудный участок полета — спуск и приземление — перестал быть трудным. Многотонный корабль коснулся земли практически с нулевой скоростью, т. е. повис в воздухе, как вертолет, и неслышно опустился на поверхность Земли. Именно так рисуют обычно писатели-фантасты посадку ракетопланов в грядущих веках на неведомые планеты. Далекие, казалось бы, мечты о комфортабельном космическом полете советские ученые и инженеры уже сегодня воплотили в жизнь,

Старт «Восхода» ощущался космонавтами также намного более мягким и спокойным, чем в предыдущих ракетах. Вот как описывает его К. П. Феоктистов: «Шум не слишком сильный (сравним с шумом в кабине современного реактивного самолета); вибрации не слишком большие; легкое покачивание ракеты, напоминающее покачивание поезда в пути; легкопереносящиеся перегрузки. К концу работы каждой ступени они увеличиваются и в начале работы последующей падают почти до обычного уровня. В общем, полет на ракете переносится легко».

Создание корабля «Восход» впервые показало, что космический многоместный корабль-стратоплан — орбитальный корабль-лаборатория, на котором выйдут в космос «обычные» люди, космонавты-пассажиры, космонавты-ученые и космонавты-строители,— дело ближайшего будущего.

ЗА БОРТОМ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ

Выделяя основные вехи освоения космоса человеком, многие ученые в один ряд с запуском первого советского спутника и полетом Ю. А Гагарина ставят выход человека из кабины корабля в космическое пространство. Этот эксперимент подтвердил, что стало возможным активное пребывание человека в открытом космосе — пересадка с корабля на корабль, монтажные работы при сборке лабораторий и орбитальных станций и, конечно, выход на поверхность других планет и Луны. Человек перестал быть пленником космической ракеты.

Этот замечательный полет начался 18 марта 1965 г. Двухместный космический корабль «Восход-2» вышел на орбиту вокруг Земли, имея задание провести новый эксперимент — выход человека из корабля в космическое пространство. Командир корабля Павел Иванович Беляев и летчик-космонавт Алексей Архипович Леонов прошли специальную тренировку, до автоматизма отработали взаимодействие друг с другом, особенно на самых ответственных этапах — в момент выхода в космос и возвращения обратно в корабль.

Выход космонавта похож на выход водолаза из подводной лодки. Сначала человек, одев скафандр, из основного отсека переходит во вспомогательную камеру — шлюз — и закрывает входной люк. В подводной лодке после этого в шлюз постепенно напускают воду, а в космосе — выпускают, «стравливают» воздух, т. е. образуют в шлюзе вакуум. И в том и в другом случае шлюз заполняется той средой, которая окружает корабль. Выровняв давление, можно открывать выходной люк шлюза. Когда «Восход-2», совершая второй виток, пролетал на высоте 460 км над Черным морем, Леонов

вошел в шлюз. Конечно, космонавт чувствует себя иначе, чем моряк в подводной лодке. Леонов не вошел, а, паря в невесомости, «вплыл» в шлюзовую камеру. Дав давление в скафандр, космонавт проверил его герметичность и подачу кислорода. Затем он проверил положение светофильтра на гермошлеме. Это было необходимо: когда командир корабля открыл крышку выходного люка, ослепительно яркий солнечный свет заполнил камеру.

Выбравшись из люка, Леонов легким толчком отделился от корабля и плавно отплыл в сторону на длину троса-фала, соединявшего его с кораблем. Медленно вращаясь, человек, впервые оказавшийся лицом к лицу с бесконечной Вселенной, с восторгом осматривался вокруг. Как и предсказывали ученые, как многократно описывали писатели-фантасты, яркое солнце и немигающие звезды сияли на «фоне темно-фиолетового с переходом в бархатную черноту бездонного неба...». Космонавт отчетливо различал очертания Крымского побережья, голубую линию Волги, хребет Урала, Обь, Енисей — огромная красочная карта нашей планеты медленно открывалась его взору.

Выполняя программу, Леонов совершал различные эволюции: разбросав руки, парил в космосе, подтягивался за трос к кораблю и отталкивался от него.

Перед возвращением на корабль космонавт снял с кронштейна киноаппарат, намотал на руку фал и вошел в шлюз. Командир закрыл люк, выровнял давление в шлюзе и кабине, и Леонов снова оказался в своем кресле.

Какие же основные физические особенности пребывания в космосе удалось наблюдать в этом полете?

Два небесных тела — корабль и человек — это такая же планетная система, как, например, Земля — Луна, и так же подчиняются законам космической механики. Они движутся по своим орбитам, вращаясь вокруг общего центра масс. Этот центр всегда остается на орбите, предназначенной кораблю. Но массы корабля и человека сравнительно ненамного отличаются друг от друга, значительно менее, чем, скажем, Земля и Луна. Поэтому, когда космонавт отталкивался от корабля, было заметно, что и корабль «отталкивается» от космонавта — любое перемещение Леонова вызывало соответствующее перемещение корабля. Леонов, рассказывая о своих впечатлениях, подчеркивал, что очень заметно ощущение упругости при отталкивании от корабля — при толчке космонавт чувствует, как весь корабль мягко отходит в противоположную сторону.

Интересно также, что при малейшем смещении направления силы толчка космонавт начинал вращаться вокруг своей собственной оси. Остановить вращение какими-либо движениями невозможно, так как для этого нужно от чего-то оттолкнуться, куда-то приложить силу, а точки опоры нет. Единственный выход — использовать реактивную силу. В будущем для стабилизации своего положения вне корабля космонавтам, очевидно, придется прибегать к крошечным реактивным двигателям, или, как пишут фантасты, к реактивным пистолетам.

При перемещениях в невесомости крайне необходимо соразмерять и силу толчков. Вот что, например, рассказал Леонов: «Я довольно энергично подтянулся за фал и был вынужден руками обороняться от начавшего стремительно надвигаться на меня корабля. Прежде всего подумал о том, как бы не удариться иллюминатором гермошлема о корабль. Но, подлетев к шлюзу, я самортизировал удар руками. Это оказалось очень легко сделать...»

Командир все время наблюдал за действиями Леонова с помощью телевизора, вел с ним телефонный разговор по проводам, проложенным в фале, по приборам в кабине контролировал пульс, дыхание и работу системы жизнеобеспечения. Кроме того, все прикосновения к внешней оболочке корабля хорошо прослушивались внутри. Это использовалось как своеобразная дополнительная система звукового контроля. Звук в космическом вакууме не распространяется, но каждое прикосновение к обшивке корабля отчетливо слышно внутри его, В случае необходимости командир мог прийти на помощь космонавту, находившемуся за бортом корабля.

За выходом Леонова в космос следила вся страна. Телевизионная камера, установленная на внешней поверхности корабля, позволила миллионам людей стать свидетелями космического подвига. Автоматическая кинокамера вела съемку непосредственно в космосе.

Очень интересно было проверить, можно ли работать за бортом корабля, ведь в будущем предстоят огромные монтажные работы. Леонов подтверждает, что работать в космосе можно: он намотал на руку фал, убрал крышку с объектива киноаппарата, перед возвращением сам снял киноаппарат со стойки и т. п.

Но он отметил, что двигаться и работать в надутом воздухом скафандре трудно. В част-

ности, войти обратно в люк оказалось не таким уж легким делом. Прогулка в космос потребовала значительных физических усилий.

Многих интересует так называемая метеоритная опасность. Ведь Леонов вышел в космос в легком скафандре, а не в рыцарских доспехах. Степень опасности не так уж велика. Подсчитано, что, если стальная броня корабля равна 1,3мм, один поражающий удар метеорита может происходить в среднем в каждые 180 лет. Однако метеоритная опасность увеличивается, если уменьшается толщина защиты.

Поэтому, прежде чем выпустить в космос человека, одетого в легкий скафандр, нужно было детально изучить действие мельчайших метеоритных тел и выбрать соответствующий материал для скафандра. Общая масса микрочастиц, падающих каждую секунду на космонавта, равна всего стомиллиардной доле грамма. Такая бомбардировка, конечно, не опасна. Наши ученые создали условия, при которых кратковременный выход в космос не опаснее городской автомобильной поездки.

«Восток-1»

Гораздо серьезнее радиационная опасность. Орбиты космических кораблей пока пролегают ниже земных поясов радиации, и за неделю полета доза облучения (около половины рентгена) не превышает допустимую норму. Однако при ядерных взрывах на Солнце — хромосферных вспышках — космонавт и вблизи Земли может получить смертельную дозу облучения. Например, при одной из мощных вспышек, отмеченных в феврале 1956 г., космонавт получил бы дозу радиации около 10 000 рентген, что в десятки раз превышает смертельную дозу.

Первые шаги человека в космическом пространстве. Так был виден на экране телевизора выход А. А. Леонова из корабля в космос. Направо от космонавта открытая крышка люка.

Однако, находясь внутри корабля со стальной стенкой, например, в 18 мм, космонавт получил бы около 100 рентген, что не смертельно, но значительно выше допустимой нормы.

Чтобы исключить вероятность чрезмерных облучений, советские ученые разработали методы заблаговременного прогнозирования хромосферных вспышек на Солнце, и это значительно увеличило безопасность полетов.

Через несколько дней после знаменательного полета корабля «Восход-2» мир узнал о значительном успехе американских космонавтов Гриссома и Янга. Американским ученым впервые удалось осуществить полет двухместного корабля, который, сделав 3 витка вокруг Земли, благополучно приводнился в Атлантическом океане.

Через некоторое время после выхода в открытый космос нашего космонавта Леонова, такой же эксперимент удалось повторить и американцам. 3 июня 1965 г. после трех оборотов вокруг Земли американские космонавты Джеймс Макдиватт и Эдвард Уайт, стартовавшие на космическом корабле «Джеминай-IV», открыли люк и Уайт вышел в космос.

По разработанной ранее программе космических исследований в этом полете планировалась только разгерметизация кабины — намечалось открыть люк, проверить действие всех устройств в разреженном пространстве и снова

«Джеминай-IV»

закрыть люк. Но успешный выход Леонова рассеял все опасения и позволил сократить программу.

Так же, как и советский космонавт, Уайт был соединен с кораблем гибким фалом длиной в 7,6 м и пробыл в космосе около 20 минут. В открытом пространстве Уайт мог перемещаться с помощью реактивного пистолета, которым авторы научно-фантастических романов обычно снабжают космонавтов, ведущих работу в космосе. Пистолет — это маленький реактивный двигатель, в двух баллонах которого размещено «горючее» — сжатый кислород. Открывая клапан, Уайт выпускал струю газа в то или иное сопло и перемещался вместе с пистолетом в сторону, противоположную

струе. Уайт отметил, что он очень быстро освоил пистолет и свободно управлял положением своего тела.

Сжатый газ в пистолете американского космонавта быстро кончился (его было всего 600 г), и большую часть времени, проведенного в космосе, Уайт перемещался, подтягиваясь за фал.

Макдиватт и Уайт получили для полета весьма обширную программу, но значительную часть ее выполнить не удалось из-за неполадок и неожиданных препятствий. Не удалось выйти на втором витке, не удалось сблизиться с последней ступенью ракеты, не удалось спланировать при входе в атмосферу Земли, и перегрузки доходили до 8 вместо 4—5 g.

Во время полета космонавты пережили несколько неприятных минут. После возвращения Уайта в корабль долго не удавалось закрыть люк. Только через 25 минут удалось с этим справиться. От повторного открывания люка на следующем витке пришлось отказаться.

Готовясь к выполнению своей программы полета к Луне, американцы 21 августа 1965 г. вывели в космос корабль топ же серии «Джеминай -V». Космонавты Купер и Конрад 8 суток пробыли в космосе, проверяя работу различных устройств корабля, проводя научные и технические эксперименты и измерения. Неполадки в электропитании корабля чуть не прервали этот длительный полет.

Купер и Конрад наблюдали из космоса тропический шторм, разыгравшийся в Тихом океане. Они разглядели авианосец и эсминец, шедшие в один из американских портов на побережье Атлантического океана. По поручению военного министерства они наблюдали и фотографировали запуск баллистической ракеты и провели серию других наблюдений.

Длительность полета — 8 суток — была запланирована не случайно. Это примерно тот срок, который необходим для первого путешествия человека на Луну и обратно. Полет показал, что современный космический корабль с людьми может находиться в космосе длительное время.

НЕВЕСОМОСТЬ

При длительных полетах, вроде пятидневного полета Валерия Быковского, усидеть в кресле трудно. Да в этом и нет необходимости. Просторная кабина позволяет, отстегнув ремни, выходить из кресла, сделать зарядку и свободно «поплавать» в кабине.

Гагарину еще не разрешали выходить из кресла: было неясно, как отразится длительная невесомость на состоянии человека, сможет ли он снова надежно пристегнуться ремнями к креслу и т. д. Но первые же полеты исключили все сомнения. Николаев и Попович по нескольку раз отстегивались и «плавали» по кабине. К их полетам кабина была несколько перестроена — стало проще и удобнее выходить из кресла.

Космонавты рассказывали, что они с нетерпением ждали этот час, предписанный программой полета, отстегивались, делали зарядку и подолгу парили в невесомости.

Многие устройства в кабине рассчитаны на невесомость. Вся внутренняя поверхность кабины выложена мягким материалом, чтобы оградить выходящего из кресла пилота от ушибов. Все предметы закреплены или помещены в карманы, тюбики и пакеты с пищей уложены в закрытый ящик, а карандаш, которым космонавт вносит записи в бортжурнал, привязан на длинном шнуре.

Валерий Быковский особенно подробно демонстрировал состояние невесомости. На экранах телевизоров весь мир мог видеть, как перед лицом космонавта повисал тюбик с питательным желе, как от толчка пальцем тюбик отправлялся путешествовать по кабине корабля или начинал вращаться.

Но невесомость приводит не только к забавным положениям из-за того, что предметы теряют вес и беспорядочно плавают по кабине. Невесомость накладывает свои отпечаток на работу человеческого организма, на его ощущения, особенно на работу так называемого вестибулярного аппарата.

Этот орган обеспечивает равновесие и вертикальное хождение человека — эхо как бы датчик вертикали в нашем организме. Работа этого органа определяется воздействием силы тяжести.

Специальные полеты на самолетах, а затем полеты космонавтов показали, что исчезновение тяжести не вызывает неприятные ощущения. Наиболее всесторонние наблюдения велись на корабле «Восход». Каждый человек воспринимает невесомость по-своему. Тщательно анализируя свои ощущения, Егоров и Феоктистов обнаружили, что, когда глаза закрыты, начинает казаться, что ты находишься в перевернутом положении. Егорову, например, казалось, что его лицо направлено вниз, а у Комарова вообще не возникало никаких иллюзий «перевернутого положения». Все трое отмечали, что эти ощущения не были особенно неприятными и появлялись лишь, когда на них сосредоточено внимание. Наблюдая за своими ощущениями, космонавты заметили также, что резкие движения головой вызывают легкое головокружение. Но, во всяком случае, все эти отклонения от нормального состояния не мешали работе.

Интересно, что проверка тонкой координации движений показала, что они совершались без затруднений. Например, почерк в невесомости не изменяется. Работа с любым точнейшим научным прибором, требующим многочисленных манипуляций, не вызывает затруднений. А эти выводы очень важны для будущих длительных полетов целых коллективов ученых, установлено, что можно и в условиях невесомости работать с самыми разнообразными научными приборами.

Врач Егоров провел также и другие специальные медицинские исследования. На борту корабля он брал у космонавтов кровь для последующего анализа на Земле, записывал биотоки головного мозга, регистрировал работоспособность мышц кисти руки, провел наблюдение над состоянием зрения и, что особенно интересно, измерял давление крови. С каждым полетом углубляются исследования, как ведет себя человеческий организм в космическом полете, и с уверенностью можно сказать, что в ближайшем будущем для врачей будет оставаться все меньше и меньше вопросов, связанных с условиями космического полета.

До первых полетов в космос ученым было во многом загадкой, как организовать в состоянии невесомости прием пищи. Было известно, что жидкость либо соберется в шар, либо растечется по стенкам, смачивая их. Можно ли будет пить воду, например, из стакана? Наверняка нет! Кусочки пищи разлетятся по кабине. Особенно опасными казались мелкие крошки: будучи взвешены в воздухе, они могут затруднить дыхание. Поэтому было предложено готовить пищу в виде питательной пасты-паштета, помещать ее в тюбики, из которых космонавт должен выдавливать ее прямо в рот. Воду предлагалось космонавту высасывать из сосуда.

Практика в основном подтвердила эти предположения, но и внесла некоторые существенные поправки. Питаться из тюбиков оказалось удобно, но, соблюдая аккуратность, можно есть пищу и в ее земном виде. Космонавты брали с собой жареное мясо, ломти хлеба. На корабле «Восход» было организовано для эки-

пажа четырехразовое питание. А при полете Быковского телезрители видели, как он ел зеленый лук, пил воду из пластмассового флакончика и с особым удовольствием ел воблу.

Невесомость грозила сильно усложнить процесс дыхания. Высказывалось предположение, что выдыхаемая углекислота будет скапливаться у рта, мешая доступу свежего воздуха. Создатели корабля позаботились о хорошем перемешивании воздуха в кабине. Это нужно для того, чтобы воздух непрерывно поступал в систему регенерации, где он фильтруется и обогащается кислородом, и в систему терморегулирования для охлаждения или подогрева.

При невесомости резко нарушается передача тепла через газовую среду. В земных вентиляционных и отопительных системах теплый воздух, как более легкий, поднимается вверх, а холодный опускается вниз, поэтому и происходит циркуляция воздушной массы. В космосе, где нет ни верха, ни низа и нет веса, циркуляция может быть налажена только принудительным перемешиванием.

МИКРОКЛИМАТ

Для нормальной жизнедеятельности космонавту нужен постоянный микроклимат, т. е. постоянные климатические условия, на которые не влияет окружающая ракету среда. С высокой точностью поддерживаются в кабине барометрическое давление, температура, влажность и газовый состав воздушной среды. Система регенерации (восстановления) воздуха поглощает углекислый газ и влагу, выделяющиеся при дыхании, и поддерживает в воздухе постоянное содержание кислорода. На всех кораблях воспроизводилась земная атмосфера, и космонавты чувствовали себя в этом отношении как дома.

РАДИОСВЯЗЬ

На Земле поддерживается с кораблем четкая, удобная и непрерывная радиосвязь. Чтобы связь была регулярной и днем и ночью и на любом участке полета, в каждой ракете устанавливается несколько приемопередатчиков, работающих на разных волнах. Голос друзей звучит в шлемофонах и в нескольких громкоговорителях. Терешкова и Быковский в полете разговаривали друг с другом. А Комаров, Феоктистов и Егоров уже не нуждались в радиосвязи между собой. Система связи, отработка которой началась еще при пусках кораблей с животными, обеспечила двусторонние радиотелефонные переговоры с Землей и возможность наблюдать за космонавтом в телевизор. Объектив телевизора как бы приближал космонавта к Земле.

Телевизионная система на корабле «Восход» позволяла, кроме того, «смотреть сквозь стенку» кабины. Она обеспечивала обзор окружающего ракету пространства даже через те участки стенки, где нельзя было прорезать обычный иллюминатор,— со стороны приборного отсека, тормозной и двигательной установок. С «Восхода» передавались на Землю по телевидению картины, которые наблюдали космонавты.

Но самые волнующие кадры были переданы при полете «Восхода-2». Телезрители с затаенным дыханием наблюдали за тем, как впервые в космос вышел человек, как он от-

«Молния-1»

плыл от корабля, совершал различные движения, парил в космосе и снова вернулся к кораблю...

С советских космических кораблей впервые в мире была осуществлена передача из космоса движущихся изображений.

На кораблях «Восток» и «Восход» телевизионные системы были значительно усовершенствованы и позволяли вести передачу из космоса через интервидение на всю планету (см. в т. 5 статьи «Телевидение» и «Радиоэлектроника в космосе»).

Космическое телевидение было впервые pea лизовано в нашей стране запуском спутника-ретранслятора «Молния-1», который вышел в апреле 1965 г. на эллиптическую орбиту с высоким апогеем — 40 тыс.км. С помощью телевизионного ретранслятора, установленного на

спутнике, проводилась успешная двухсторонняя передача программ Москва — Владивосток и Владивосток — Москва. В космос на ретранслятор одновременно подавались сигналы с двух наземных передатчиков, и по «радиомосту» осуществлялось как бы «двухстороннее движение». Через космос передавались телефонные разговоры, телеграфные сообщения и даже цветное изображение.

Такие же эксперименты провели и американцы, перебросив через космос радиомост между Америкой и Европой.

СПУСК С ОРБИТЫ

Пока все космические корабли летают по так называемым самотормозящимся орбитам. Первые спутники тормозились от трения об атмосферу, снижались и сгорали в более плотных ее слоях. Чем ниже орбита, тем меньше живет спутник. «Низкие» орбиты позволили максимально обезопасить полет человека: в случае отказа тормозных устройств корабль будет тормозиться в атмосфере и опустится на Землю сравнительно скоро. Конечно, время и место приземления в этом случае нельзя предугадать точно. Орбита корабля «Восход» была поднята над Землей значительно выше (апогей — 409 км). Поэтому уже нельзя было рассчитывать на самоторможение.

Чтобы обеспечить безопасный возврат космонавтов на Землю, на корабле были установлены два тормозных двигателя (один из них — запасной).

Корабли «Восток» и «Восход» могли спуститься с орбиты, используя как автоматическое, так и ручное управление. Перед спуском корабль разворачивается с помощью двигателей ориентации так, чтобы ось тормозного двигателя совпадала с направлением полета, а сила тяги этого двигателя была направлена навстречу полету, т. е. чтобы двигатель «тянул назад» и тормозил корабль. Запас энергии корабля падает, и он снижается... увеличивая скорость! Именно увеличивая, а не уменьшая. Это одно из свойств космических полетов.

Затормозив, корабль оказывается в плотных слоях атмосферы и из орбитального полета переходит на крутоспадающую траекторию спуска. После того как будет пройдена зона воздействия высоких температур, включается система приземления, т. е. дополнительная система торможения в нижних слоях атмосферы, которая обеспечит кораблю приземление с малой скоростью.

Пилот, находящийся на корабле «Восток», может приземлиться как в самом корабле, так и на парашюте после катапультирования и отделения кресла от корабля. Трехместному «Восходу» конструкторы обеспечили «мягкую посадку». Необходимость иметь в запасе еще и катапультирование полностью отпала.

Основная проблема при возвращении из космоса — тепловая защита корабля ниже 250—100 км, когда уже сказывается сопротивление атмосферы. Ученые занялись этой проблемой еще до запуска первых спутников. Уже тогда было ясно: какую ни выбрать

Постепенное торможение космического корабля. В апогее (?! - перигее) орбиты, при проходе через верхние слои атмосферы корабль тормозится, и на следующей орбите его скорость уже уменьшается.

траекторию спуска, придется защищать аппарат от перегрева и выдерживать весовые перегрузки. Проще всего было бы спускаться по планирующей траектории, тогда торможение может быть как угодно медленным, будут малыми перегрузки и перегревы. Но для планирующего спуска кораблю нужны крылья. Крылатый корабль мог бы снижаться и по рикошетирующей траектории. Когда-нибудь такие корабли будут как бы нырять в земную атмосферу, тормозиться в ней и снова выскакивать, чтобы остывать, — и так несколько раз, пока не будет погашена большая часть скорости корабля.

Но пока такие планирующие космопланы не созданы, наиболее эффективный способ — применять тормозной двигатель. Предлагались, правда, и тормозящие «паруса», но, чтобы спуститься с высоты 500 до 80 км при помощи «паруса» в 200 м², кораблю пришлось бы сделать миллион оборотов вокруг Земли.

Тяга тормозного двигателя должна быть направлена строго по касательной к траектории полета. Чем резче будет тормозиться корабль, тем меньше понадобится ему горючего и тем, следовательно, он может быть легче.

При быстром прохождении атмосферы поверхность кабины нагревается очень сильно. Гагарин наблюдал при спуске, как за жаропрочным иллюминатором буквально бушевало пламя. Но за малое время спуска сгореть успевает только слой тепловой защиты, да и то лишь частично, а сама кабина не прогревается. При медленном торможении поверхностный нагрев будет меньше, но общее количество выделившегося тепла больше, а значит, отвести тепло и изолировать кабину сложнее.

Тормозить корабль в воздухе могут парашюты. Парашютные системы открываются сразу же после входа корабля в плотные слои атмосферы. Но последний этап спуска — приземление — они обеспечить не могут. Если бы корабль приземлялся только на парашюте, удар его о почву мог бы вызвать перегрузку, опасную для жизни космонавта. Именно из-за этого один из полетов в Америке чуть было не окончился трагически.

Для смягчения удара предлагаются разные способы. Можно перед посадкой надувать под кораблем воздушные мешки: в момент посадки воздух сожмется, а частично будет выдавлен через специальные отверстия, на ото израсходуется какая-то энергия, значит, уменьшится и перегрузка. Можно разместить на днище ячеистые соты из тонкой алюминиевой фольги или какой-либо пленки и заполнить их воздухом — такая подушка также смягчит удар.

Схема различных типов траектории при спуске на поверхность Земли.

Предлагается даже «прыгающая» посадка: корабль с плоским овальным днищем должен, подпрыгивая по грунту (как плоский камень по воде), постепенно погасить свою скорость. Правда, пока такой способ рассматривается всерьез лишь для доставки грузов.

Самый идеальный способ приземления «мягкая» посадка, впервые примененная на корабле «Восход». Этот способ самый дорогой и сложный, так как нужно включать двигатель и расходовать топливо, но в принципе он может обеспечить любую скорость (а значит, и «мягкость») посадки. Скорость снижающегося корабля гасится реактивными двигателями, которые автоматически включаются на небольшом расстоянии от Земли. Тормоз-

ные двигатели действуют в сторону, противоположную направлению полета, и плавно снижают скорость корабля. Он как бы повисает в воздухе. Перегрузки при таком приземлении могут быть очень малы, а сам удар может вовсе отсутствовать.

На корабле «Восход» через некоторое время после того, как кончил работать основной тормозной двигатель и корабль стал сходить с орбиты, был отделен от кабины приборный отсек. В «аккуратном» спуске его на Землю нет необходимости, а лишний вес усложнил бы систему приземления.

Скорость была погашена при спуске в основном за счет торможения в атмосфере, где нагрузку приняла тепловая защита кабины корабля. Затем на высоте 5 км при скорости снижения около 220 м/сек были автоматически раскрыты парашюты, на них кабина и продолжала свой спуск. И только перед самой Землей был включен двигатель мягкой посадки.

Из сказанного видно, что строить пассажирские космопланы, выходящие из космоса без сильных перегрузок, станет возможным, лишь когда будут созданы мощные ракеты, способные вывести на орбиту многие тонны полезного груза, в том числе горючее, или крылья и сложные системы термозащиты.

Полеты на кораблях «Восток» и «Восход» подтвердили, что советские ученые и инженеры научились создавать космические корабли, которые полностью обеспечивают активный творческий полет.

ПРОБЛЕМЫ БУДУЩЕГО

Никто не может предсказать, когда именно нога человека ступит на поверхность Луны, Венеры, Марса. Однако многие научно-технические проблемы, связанные с подготовкой и проведением таких полетов, уже сейчас оживленно обсуждаются учеными.

Прежде всего обсуждается проблема топлива. Если бы было можно увеличить его калорийность в 2—3 раза, то уже существующие ракеты с экипажем смогли бы облететь Луну и вернуться на Землю. Увеличение калорийности топлива еще в несколько раз позволило бы совершить такие же полеты к Венере и Марсу.

На этом, по всей вероятности, и кончаются возможности химического топлива. Во-первых, никакие ухищрения не позволяют безгранично увеличивать его калорийность, т. е. запас химической энергии. Во-вторых, любое химическое

топливо занимает много места, оно слишком тяжело и часто таит в себе опасность взрыва.

Чем дальше рейс, тем больше, а значит, и тяжелее должен быть космический корабль: тем больше кислорода, воды и пищи он должен нести в себе, тем больше должны быть источники электропитания. При той скорости, которую может развить ракета на химическом топливе, продолжительность полета к Луне и обратно не превысит 2—3 недель, а полеты к Венере и Марсу продлятся минимум 1—2 года. Полеты к большим планетам, Юпитеру или Сатурну, заняли бы десятилетия.

Ясно, что здесь нужны принципиально новые решения. Наука и техника уже вплотную подошли к созданию таких ракетных двигателей, которые при гораздо меньшем размере и весе будут развивать невиданную еще скорость. В первую очередь это атомные, плазменные и ионные двигатели. Не вдаваясь в детали, скажем только, что с помощью таких ракетных систем можно будет отправлять в полет к планетам космические корабли, весящие многие десятки тонн, и развивать скорость до 100 км/сек. Впервые в мире плазменные двига-

тели были применены на советской автоматической космической станции «Зонд-2». Они были включены в систему ориентации этой ракеты и успешно прошли испытания в космосе.

Из других проблем космонавтики уже сейчас встает перед учеными и инженерами проблема ориентировки в космическом пространстве. Опыт посылки автоматических межпланетных станций говорит, что для точного полета нужно иметь возможность один или несколько раз подправить ракету на космической трассе.

Но в какую сторону и на сколько градусов нужно изменить направление полета? На сколько метров в секунду нужно ускорить или затормозить полет? Все летательные аппараты, трассы которых пролегают вблизи Земли, ориентируются по видимым точкам или радиоориентирам, расположенным на ее поверхности. Все полеты в космосе до сих пор также корректировались с Земли с помощью разветвленной сети наблюдательных станций. Эти станции передавали свои наблюдения в счетно-вычислительный центр, там определялись поправки, которые и посылались на летящую ракету.

Но чем дальше от Земли пролегают трассы космических кораблей, тем труднее следить за ними и тем менее надежна с ними связь. Значит, автоматы или сами космонавты должны ориентироваться по звездам, находить свое место в космическом пространстве и вычислять поправки своей траектории. Они должны знать точное расстояние от Солнца, от Земли и от планеты назначения, иметь приборы, показывающие скорость и количество пройденных километров, акселерометры, автоматически фиксирующие примененные ускорения, они должны знать точное направление своего движения. Одна из важнейших задач космонавтики — создать этот комплекс приборов, а также компактные и надежные электронно-вычислительные машины, способные быстро обрабатывать показания приборов.

Не менее сложно обеспечить космонавтов пищей, водой, кислородом, сконструировать скафандры, приспособленные как к жаре и плотной атмосфере Венеры, так и к разреженному и холодному воздуху Марса. Десятки проблем встают перед наукой, разрабатывающей будущие полеты в космос.

КРЫЛАТЫЙ ПОЛЕТ

Люди издавна мечтали о покорении воздушной стихии. Народная фантазия рисовала ковры-самолеты, крылатые колесницы, огромных сказочных птиц, которые переносили человека по воздуху.

Чтобы полететь, надо преодолеть земное притяжение. «Человек,— говорил отец русской авиации Н. Е. Жуковский,— полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума». Наблюдая природу, человек постепенно постиг физические законы, осознал их и использовал для создания летательных аппаратов разных типов.

Очевидно, по образу и подобию парящих в небе облаков были созданы первые средства полета: летательные аппараты легче воздуха— воздушные шары, дирижабли. Воздушные шары и сейчас используются для изучения атмосферы, для решения задач геофизики и метеорологии.

Птицы опираются в полете на воздух; они подсказали человеку принцип летательных аппаратов тяжелее воздуха — планеров, самолетов и вертолетов. Уже сейчас самолеты летают быстрее звука и превышают скорость артиллерийских снарядов (скорость звука — около 1200км/час, снаряда —около 2000 км/час). Самолеты могут подниматься на 25 и даже на 40 км. Ни одна птица не летает так быстро и так высоко.

Брошенный камень летит по инерции, если ему сообщить достаточную начальную скорость. На этом принципе человек создал ружье, пушку, ракету.

АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА

Воздух, как и жидкость, обладает весом и давлением. На уровне моря 1м³ воздуха весит приблизительно 1,3кг, а атмосферное давление — около 1бар. С увеличением высоты плотность воздуха и давление в нем резко уменьшаются:

Высоту в 40—60км, где плотность и давление воздуха уменьшаются в сотни раз, обычно считают практической границей атмосферы.

«Всякое тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость» — этот закон Архимеда может быть отнесен и к воздуху. Поэтому для преодоления силы тяжести надо, чтобы летательный аппарат был очень легким и при этом вытеснял бы значительный объем воздуха. Такой аппарат можно себе представить просто в виде пустотелого шара, из которого выкачан воздух. Но на такой шар будет действовать большое атмосферное давление, и оболочка его должна быть очень прочной.

При современном уровне техники нельзя сделать оболочку одновременно и легкую и достаточно прочную. Но если шар заполнить газом более легким, чем воздух (т. е. с меньшей плотностью), то давление изнутри и снаружи шара можно уравновесить. Обычно используют водород или гелий: водород в 14, а гелий в 7 раз легче воздуха.

Первые воздушные шары заполнялись нагретым воздухом: при нагревании воздух расширяется и становится легче. Такие воздушные шары были впервые построены в конце XVIII в. во Франции братьями Монгольфье. Модель такого шара нетрудно сделать самому. Надо склеить его из долек папиросной бумаги и снизу через отверстие наполнить теплым воздухом, подержав шар, например, над костром. Шар перестанет летать, когда воздух в нем охладится.

Современный воздушный шар с герметической кабиной для человека называется стратостатом. Чтобы такой шар смог подняться на большую высоту, где плотность воздуха становится все меньше и меньше, он должен вытеснять все больший и больший объем воздуха. Поэтому приходится сначала шар заполнять газом не полностью; по мере того как шар поднимается, давление в атмосфере становится меньше и шар расширяется сам (рис.1). Для полетов на большой высоте шар делают очень большим, диаметр его достигает десятков метров. В 1935 г. в СССР и США стратостаты поднимались на высоту около 22км. Подъемная сила зависит от разницы между плотностями воздуха и газа, наполняющего стратостат. Каждый кубометр водорода на уровне моря обладает подъемной силой:

Чтобы поднять груз с массой в 1кг, нужно приложить силу в 9,81н. На каждый килограмм груза объем воздушного шара, наполненного водородом, должен быть:

на уровне моря — 0,84м³,
на высоте 20км — 11,5м³,
на высоте 30км — 57м³,
на высоте 40км — 260м³.

Рис. 1. На взлетной площадке воздушный шар наполняется не полностью. На большой высоте газ расширяет его оболочку.

Рис. 2. Дирижабль.

Оболочка воздушных шаров должна быть сделана из очень легкого и прочного материала. Современная химическая промышленность изготовляет специальные пленки, 1м² которых весит 30—50г (30 лет назад материал для оболочки стратостатов весил 100—150г/м²).

Воздушные шары почти неуправляемы и летят, куда дует ветер. Поэтому сейчас они используются только для научных исследований атмосферы Земли, для разведки погоды, а иногда и для военной разведки. На таких шарах установлена специальная аппаратура, которая передает полученные сведения по радио. В годы второй мировой войны на привязанных воздушных шарах (аэростатах) поднимались проволочные противоавиационные заграждения.

Аппарат легче воздуха можно снабдить двигателем и рулями, и тогда он летит в нужную человеку сторону. Такой управляемый аппарат называется дирижаблем. Чтобы сопротивление воздуха было как можно меньше, дирижаблю придают вытянутую сигарообразную форму (рис. 2). Для жесткости его оболочка натянута на металлический каркас. Строились и цельнометаллические дирижабли, внутри которых были расположены резервуары с легким газом.

Понятно, что дирижабль не может летать так же высоко, как стратостат, потому что объем его почти постоянен. Обычно дирижабли достигают высоты не более 6км, а максимальная скорость их — около 150км/час.

Строительство дирижаблей развернулось после первой мировой войны. Сначала дирижабли были построены в Германии, затем в США и СССР.

Но широкого распространения они не получили. Водород, которым их наполняли, легко воспламеняется (были случаи, когда дирижабли сгорали в воздухе), дирижабли большого размера могут сломаться, попав в сильный ветер. Наконец, дирижабли оказались непригодными для военных действий: их легко сбить из-за большого размера, малой скорости и малой высоты полета. Но дирижабли не

похоронены. Во многих странах проектируют и начинают строить дирижабли-гиганты для перевозки очень больших грузов.

ПОЧЕМУ ЛЕТАЕТ САМОЛЕТ

При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу — толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время — около 0,002сек. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.

Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он беспрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно для этого и нужны самолету крылья. Если крыло двигается горизонтально и при этом поставлено под углом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз (рис. 3) и тем самым

Рис. 3. Крыло, поставленное под углом атаки, отбрасывает при движении воздух вниз и этим создает подъемную силу.

создает подъемную силу, направленную вверх. Образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона):

m (v₂ - v₁) = Р · t,

где m — масса тела (в нашем случае это масса отбрасываемого воздуха); v₂ - v₁ — изменение скорости тела (в нашем случае — вертикальная скорость отбрасываемого воздуха); P — сила, действующая на тело (в нашем случае она приложена к воздуху и направлена вниз), и t — время.

Следовательно,

P = (m ⁄ t)(v₂ - v₁)

Так как всякое действие всегда встречает равное по величине и противоположно направленное противодействие (третий закон Ньютона), то подъемная сила Y будет равна силе P, приложена к крылу самолета и направлена вверх: Y = −P.

Величина подъемной силы зависит от массы ежесекундно отбрасываемого воздуха m/t, а она в свою очередь зависит от плотности воздуха ρ, скорости полета v и площади крыла S; вертикальная скорость воздуха v₂ - v₁ зависит от угла атаки крыла и скорости полета. Тогда величину подъемной силы можно выразить формулой:

Y = C_y (ρ v² ⁄ 2) S,

где С_у — коэффициент, который зависит от формы крыла и угла атаки.

Итак, подъемную силу можно создавать довольно просто, но для этого обязательно нужно, чтобы крыло в воздухе двигалось. Решается это по-разному: птицы, например, машут крыльями; планеры используют снижение — сопротивление воздуха преодолевается силой тяжести. Самолету же нужен специальный двигатель. Но, может быть, выгоднее повернуть этот двигатель так, чтобы его тяга компенсировала и тяжесть аппарата? В этом нет необходимости, так как подъемная сила крыла во много раз больше сопротивления воздуха. Отношение получаемой подъемной силы к сопротивлению называется аэродинамическим качеством. В настоящее время для дозвуковых самолетов это отношение достигает 25, а для сверхзвуковых — 7.

Развитие авиации во многом зависит от открытий и изобретений в различных областях науки и техники, и в первую очередь от развития науки об обтекании тел газом — аэродинамики. Начала этой науки заложены исследованиями русских ученых Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, С. А. Христиановича, немецких ученых Р. Прандтля, Т. Кармана и др. Кроме того, большую роль в развитии авиации играют: наука о механике полета, материаловедение, изобретения в промышленности, строящей двигатели, и в приборостроении.

«ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР» И «ТЕПЛОВОЙ БАРЬЕР»

В 50-х годах самолеты преодолели «звуковой барьер» — их скорость стала больше скорости звука, т. е. больше 1200 км/час, или 340 м/сек (на большой высоте, где температура ниже, скорость звука уменьшается). Преодолеть этот барьер было нелегко.

Когда какое-нибудь тело, например крыло самолета, движется, в воздушной среде возникают возмущения в виде волн сжатия и разрежения (рис. 4). Они «подготовляют» воздух к обтеканию крыла: частицы воздуха приобретают скорость и «расступаются» еще до того, как их достигнет передняя кромка крыла. Но так будет лишь в том случае, если скорость движения крыла меньше скорости звука, с которой распространяются возмущения. Только при этом условии возмущения смогут обогнать крыло и «подготовить» воздух к «встрече» с ним. В результате воздух плавно обтекает крыло.

Если же крыло двигается быстрее, чем звук, то возмущения уже не обгоняют крыло и не подготавливают воздух к «встрече». Мало того, распространяясь во все стороны в неподвижном воздухе, эти возмущения будут накопляться, сжимая воздух, как это показано на рисунке, вдоль двух линий, которые называются ударными волнами. Обтекание крыла уже не будет плавным. Это создает дополнительное, так называемое волновое сопротивление. (Когда самолет пролетает со сверхзвуко-

Рис. 4. При дозвуковой скорости возмущения в воздухе обгоняют крыло. При сверхзвуковой скорости эти возмущения сосредоточиваются на двух линиях,

образуя ударную волну.

вой скоростью, то на земле мы часто слышим как бы удары грома — это доходит до нас ударная волна). Поэтому при сверхзвуковой скорости сопротивление движению значительно больше.

В аэродинамике удобно измерять скорость не в метрах в секунду или километрах в час, а в отношении скорости полета к скорости звука. Эта величина называется числом Маха:

Число М =1 соответствует скорости полета около 1200 км/час, или 340 м/сек. Чем больше число М, тем сильнее проявляется сжимаемость воздуха. При небольшой дозвуковой скорости, когда число М меньше 0,7, сжимаемостью воздуха можно пренебречь: воздух ведет себя так же, как любая жидкость. Раздел аэродинамики, изучающий обтекание различных тел воздухом без учета его сжимаемости, называется гидродинамикой, в отличие от газовой динамики, в которой учитывается сжимаемость воздуха.

Преодоление «звукового барьера», т. е. завоевание самолетами скоростей, соответствующих числу М >1, потребовало от ученых и инженеров широких исследований в газовой динамике. Они стремились уменьшить аэродинамическое сопротивление и создать как можно более плавное обтекание самолета. Сейчас летчик даже не замечает, когда самолет превышает скорость звука, а многие первые попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах кончались катастрофой: самолет начинало бросать, он переставал быть управляемым.

Ученые продолжают искать, как еще больше увеличить скорость самолета. И тут обнаруживаются новые интересные явления.

Вот самолет подготовлен к рекордному полету. Он выглядит совсем новым, как будто и не совершили на нем множество тренировочных полетов. «Взлет разрешаю!» — передает по радио руководитель полетов, и самолет стремительно уходит ввысь. Через полчаса, когда он идет еще на посадку, уже известно: в течение нескольких минут самолет превысил скорость звука больше чем вдвое.

Знакомая во всех деталях машина подруливает к ангару. Но что это? Краска, которой написаны большие опознавательные номера, потемнела и обуглилась; сверкающая металлическая поверхность самолета во многих местах покрылась пятнами; помутнели стекла кабины

летчика. Такое впечатление, будто самолет побывал в раскаленной печи. Но ученые и инженеры ждали этого!

Сжатие нагревает газ, и он передает теплоту окружающим предметам. Поэтому, например, нагревается насос, когда накачивают велосипедную шину. То же происходит и с самолетом: при полете с большим числом М он сильно нагревается. Иными словами, преодолев звуковой барьер, самолеты встречаются с тепловым барьером. Если полет происходит в стратосфере (т. е. выше 11 км), где температура воздуха равна — 56,5° Ц, то на поверхности самолета температура может достигать:

Все материалы при нагревании становятся менее прочными. Так, у алюминия, который чаще всего применяется в конструкциях самолетов, прочность снижается очень заметно при температуре около + 200° Ц. Чтобы преодолеть тепловой барьер, будут применены новые жаростойкие материалы из металлов и полимеров (уже сейчас для самолетов начинают применять сталь и титан), но, конечно, изменится и форма самолета. Это сделают ученые и конструкторы. Если еще больше увеличить скорость полета (до числа М =10—15), температура воздуха станет такой большой, что уже необходимо учитывать изменения физических и химических свойств газов, образующиеся у самого крыла. Исследование течения воздуха при таких скоростях началось сравнительно недавно, и получены лишь первые результаты.

ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ И ОБТЕКАНИЕ КРЫЛА

Важнейшие физические законы — закон сохранения энергии и закон сохранения массы— играют существенную роль в аэродинамике.

В простейшем случае, когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно просто. Вся энергия жидкости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется статическим давлением в воздухе. Этот закон, окончательно сформулированный швейцарцем Бернулли, указывает: если скорость жидкости растет, то давление будет уменьшаться; если она уменьшается, давление увеличивается.

Закон сохранения массы говорит о том, что через любое поперечное сечение потока должно проходить в каждую секунду одно и то же количество газа. Для несжимаемой жидкости закон этот прост: произведение площади поперечного сечения потока на его скорость есть величина постоянная, т. е. чем меньше поперечное сечение потока, тем больше должна быть скорость. Этот закон наглядно проявляется в течении реки: она течет быстрее там, где ее русло мелкое или узкое. Следовательно, там, где скорость потока жидкости увеличивается, его поперечное сечение становится меньше, а по закону сохранения энергии уменьшается при этом и давление.

Когда скорость течения воздуха близка к числу М =1, уже нельзя пренебрегать сжимаемостью, нужно учитывать, что всякий газ при уменьшении давления расширяется и стремится занять больший объем. При этом происходит борьба двух явлений: с одной стороны, увеличение скорости требует сужения потока, а с другой,— это же увеличение скорости приводит к уменьшению давления воздуха, что требует уже расширения потока. Оказывается, при дозвуковых скоростях сильнее первое явление, а при сверхзвуковых — второе.

На рисунке 5 показано, что увеличение скорости при числе M <1 сопровождается сужением потока, самое узкое место потока — при скорости, равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости расширяет поток.

Используя эти законы, можно объяснить обтекание крыла самолета. На рисунке 6 показаны траектории частиц воздуха, когда они обтекают поперечное сечение тел (профиль).

Профиль крыла как бы раздвигает поток, и отдельные струйки сужаются, причем особенно сильно в верхней передней части профиля. Но там, где струйки сужаются, скорость будет больше, а давление меньше. В результате давление распределяется по профилю, как показано на рисунке 7. Суммарная подъемная сила направлена вверх и приложена приблизительно на ¹/₄ ширины профиля. Эта подъемная сила в основном получается благодаря разрежению воздуха над верхней частью крыла.

Когда воздух обтекает что-либо со сверхзвуковой скоростью, в нем возникают скачкообразные увеличения плотности и так называемые волны разрежения. Скачок уплотнения — это линия, перейдя которую скорость сверхзвукового потока резко уменьшается, а давление, следовательно, возрастает. В реальных газах толщина этой линии соответствует всего лишь нескольким расстояниям, обычным между молекулами.

Рис. 5. Исследование давлений среды в аэродинамической трубе. При дозвуковой скорости поток сужается и скорость увеличивается. При сверхзвуковой скорости поток расширяется.

Рис. 6. Сопротивление воздуху тел с различной геометрической формой при дозвуковой скорости.

Волной разрежения называют линию, при переходе через которую скорость потока увеличивается с одновременным уменьшением давления.

На рисунке 8 показано, как воздух обтекает профиль крыла при сверхзвуковой скорости. В этом случае суммарная подъемная сила создается как разрежением воздуха над верх-

Рис. 7. Обтекание профиля крыла при дозвуковой скорости.

ней поверхностью крыла, так и давлением на нижнюю поверхность. Приложена подъемная сила приблизительно в середине профиля.

Чем больше угол атаки, тем сильнее изменяется скорость воздуха, обтекающего крыло, и тем больше подъемная сила. Но при углах атаки 10—20° (в зависимости от формы крыла и его профиля) плавное обтекание нарушается. Наступает, как говорят, «срыв потока»: подъемная сила начинает уменьшаться, а сопротивление резко увеличивается.

Основное сопротивление при дозвуковых скоростях — это сопротивление трения. Оно обусловлено тем, что молекулы воздуха как бы прилипают к поверхности тела. При этом в очень узком слое около тела (его называют пограничным слоем) частицы воздуха скользят относительно друг друга. А так как воздух обладает вязкостью, от этого скольжения частиц и создается сопротивление.

Рис. 8. Обтекание профиля крыла при сверхзвуковой скорости.

Сопротивление трения тем меньше, чем более гладка поверхность тела. Его можно сделать еще меньше, если отсасывать воздух через мелкие отверстия внутрь тела. В некоторых конструкциях самолетных крыльев такие отверстия применяются.

Если обтекание тела не проходит плавно, а при этом образуются вихри (подобно вихрям за тупой кормой лодки), то это неизбежно увеличит сопротивление тела. Такое сопротивление называется вихревым. Чтобы уменьшить вихревое сопротивление, хвостовая часть тела должна быть плавной. Только при очень большой сверхзвуковой скорости (при числе М= 5—6) форма задней части тела мало сказывается на величине его сопротивления воздушному потоку.

Совсем другие причины вызывают волновое сопротивление. Оно возникает только при сверхзвуковых скоростях. Это сопротивление обусловлено потерями энергии, которая затрачивается на образование скачков уплотнения. Волновое сопротивление тем меньше, чем тоньше тело и чем более остра его носовая часть. При сверхзвуковой скорости волновое сопротивление — это основная доля общего сопротивления.

Когда угол атаки возрастает, сопротивление увеличивается. Вспомним, что аэродинамическое качество — это отношение подъемной силы к сопротивлению. При малых углах атаки подъемная сила близка к нулю. Поэтому и аэродинамическое качество мало. При больших углах атаки, когда подъемная сила начинает ослабевать, а сопротивление сильно возрастает, аэродинамическое качество тоже уменьшается. Значит, аэродинамическое качество где-то имеет максимальное значение, обычно при углах атаки 3—5°.

Для дозвуковых самолетов выгодно применять длинные узкие крылья, чтобы получить большую величину аэродинамического качества. Такие крылья (рис. 9, а) прочны, конечно, только при достаточно большой толщине. А это значит, что при сверхзвуковых скоростях такие крылья непригодны — они оказывают слишком большое сопротивление полету.

Для сверхзвуковых самолетов крылья должны быть тонкими и, следовательно, короткими (малого удлинения). Их обычно делают треугольными или стреловидными (см. рис. 9,в), что тоже уменьшает волновое сопротивление и увеличивает аэродинамическое качество.

Аэродинамическое качество сверхзвуковых

Рис. 9. Формы крыла в плане: a — для дозвуковых самолетов, б — для околозвуковых самолетов, в — для сверхзвуковых самолетов.

самолетов пока еще в 2—3 раза меньше, чем дозвуковых. Повышение аэродинамического качества — одна из основных проблем аэродинамики.

КАК ПРОВЕРЯЮТ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Многое для самолетов и других летательных аппаратов можно рассчитать теоретически, особенно теперь, когда на помощь ученым и инженерам пришли электронно-счетные машины, производящие десятки тысяч вычислений в секунду. Но одних расчетов недостаточно. Важнейший критерий всякой теории — практика. Поэтому, прежде чем строить самолет, надо убедиться, правильны ли расчеты. На помощь приходят аэродинамические трубы: в них изучают, как воздух обтекает модели летательных аппаратов. Простейшая принципиальная схема аэродинамической трубы изображена на рисунке 10.

В аэродинамических трубах используется принцип относительности движения: в отличие от естественных условий модель аппарата неподвижна, а воздушный поток движется.

Одна из первых действующих аэродинамических труб была построена Н. Е. Жуковским

в 1902 г. Труба была совсем небольшая, квадратного сечения (0,75 X 0,75 м) ; скорость потока в ней доходила всего лишь до 9 м/сек, т. е. 32 км/час. А сейчас строят аэродинамические трубы, в которых небольшие самолеты можно исследовать в натуральную величину. Есть трубы, позволяющие развивать очень большую скорость воздушного потока — до М= 15—20. В таких «скоростных» аэродинамических трубах создаются условия, близкие к условиям реального полета: давление воздуха изменяется в соответствии с «высотой полета», а поток нагревается.

Если воздушный поток с большим числом М создавать в аэродинамической трубе непрерывно с помощью вентиляторов, потребовалась бы мощность в сотни тысяч киловатт. Поэтому такие трубы чаще всего рассчитаны на прерывное действие: в них расходуется воздух, заранее накачанный в газгольдеры мощными компрессорами.

В современных аэродинамических трубах можно специальными весами быстро и точно измерить силы, которые действуют на модель. Обтекание модели воздухом можно даже сфотографировать. При этом используют изменение оптических свойств воздуха при изменении давления. А можно просто наклеить на поверхность модели короткие легкие шелковинки, которые будут струиться вместе с потоком воздуха. Для испытаний в сверхзвуковых аэродинамических трубах изготовляются металлические модели с очень большой точностью — до сотых долей миллиметра. Иногда аэродинамические трубы используют для исследования свободного полета. Для этого модель подвешивается в трубе на специальных подвижных опорах.

Рис. 10. Поток обтекает модель самолета.

Аэродинамические исследования летательных аппаратов обычно сосредоточены в больших институтах. В СССР один из таких институтов — ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского). Он организован по указанию В. И. Ленина в 1919 г. Н. Е. Жуковским и А. Н. Туполевым.

АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Двигатель нужен самолету, чтобы преодолевать силу сопротивления, а при разгоне и силу инерции. Сила тяги двигателя рассчитывается на основании тех же законов механики, что и подъемная сила крыла.

От всех других двигателей авиационные отличаются тем, что они должны сравнительно мало весить при весьма большой мощности. Если двигатель окажется слишком тяжелым, то самолет не поднимется в воздух или не сможет взять с собой достаточное количество груза. Поэтому авиационные двигатели изготовляют из очень легких и вместе с тем достаточно прочных материалов; их детали всегда максимально облегчены. Но поскольку такие двигатели работают в тяжелых условиях (при большой температуре и с большими напряжениями), время их работы до ремонта, как правило, меньше, чем у других двигателей. Сравнительно короткое время работы авиационных двигателей вызвано также требованием особой надежности и безопасности.

Важнейший качественный показатель двигателя — его так называемый удельный вес, т. е. вес, приходящийся на единицу мощности, выраженную по традиции в лошадиных силах. Авиационные поршневые двигатели внутреннего сгорания имели в 30-х годах нашего века удельный вес 0,7—0,9 кг/л. с., современные поршневые — 0,5 кг/л, с., реактивные—всего 0,05— 0,02 кг/л, с., а у современных автомобильных двигателей — более 2 кг/л. с.

Чтобы преобразовать мощность поршневого двигателя в тягу, применяются воздушные винты. Их лопасти, подобно крылу, захватывают воздух и отбрасывают его назад. Это и создает тягу. Теория воздушного винта была создана Н. Е. Жуковским вслед за теорией подъемной силы крыла. На старых самолетах устанавливали деревянные винты. С увеличением скоростей полета потребовалась большая тяга и винты стали делать из металла.

Конструкторы стремятся создать двигатель, который затрачивал бы на получение тяги как

можно меньше мощности. Для этого нужно, например, чтобы каждое сечение лопасти винта имело угол атаки, соответствующий его максимальному аэродинамическому качеству. Но при перемене скорости полета наиболее выгодные углы атаки этих сечений изменяются. Поэтому почти у всех современных воздушных винтов лопасти могут поворачиваться с помощью специальных механизмов вокруг своей оси (рис. 11).

Рис. 11. Угол атаки у лопастей воздушного винта уменьшается с удалением от оси лопасти.

Это позволяет создавать наивыгоднейший угол атаки лопасти при любой скорости полета. Этот же механизм позволяет установить лопасть винта так, что он тормозит самолет, например, при посадке. В современных воздушных винтах управление установкой угла лопастей почти полностью автоматизировано.

На сверхзвуковых самолетах воздушные винты не применяются. Здесь тягу создает реактивный двигатель. Реактивные двигатели делятся на два основных типа — воздушно-реактивные и ракетные.

В простейших воздушно-реактивных двигателях, которые называют турбореактивными (ТРД), используется воздух встречного потока. Воздух сжимается специальным компрессором; затем его сильно нагревают (сжигая, например, керосин); он проходит через турбину, которая вращает компрессор, и с большой скоростью вытекает назад через реактивное сопло (см. цвет. рис. у стр. 65).

Исходя из второго закона Ньютона, можно определить, что тяга двигателя равна ежесекундному приросту количества движения воздуха, протекающего через двигатель. Тяга тем больше, чем больше воздуха проходит через двигатель и чем больше увеличивается скорость воздушного потока. Скорость же эта зависит от температуры, достигнутой в результате сгорания топлива. Чем температура больше, тем лучше. Однако слишком большую температуру допускать нельзя — турбина может

Гиперзвуковые самолеты недалекого будущего.

сгореть. Правда, турбины сейчас делают из специальных огнеупорных материалов, которые позволяют повышать температуру потока до + 1000° Ц. Но пока это предел.

И все же выход найден. Конструкторы предложили вторично нагревать струю воздуха в так называемой форсажной камере уже после того, как эта струя раскрутит турбину компрессора. Тяга двигателя увеличивается на 30—50%.

Основная часть турбореактивного двигателя — его компрессор, к нему приложена вся тяга двигателя.

Современные мощные турбореактивные двигатели развивают тягу до 150 000 н ; следовательно, они должны пропускать много воздуха — более 100 м³ /сек. Поэтому у передней, открытой навстречу потоку части двигателя — воздухозаборника — большие размеры; его внутренний диаметр нередко превышает 1,5 м.

Большая тяга реактивных двигателей требует также и большого количества топлива. На каждый ньютон тяги в течение часа нужно сжигать около 0,1 кг керосина. Много это или мало? Давайте подсчитаем. Если полный вес самолета 50 т, или около 5 • 10⁵ н, а его аэродинамическое качество равно 5, то, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, двигатель должен развивать тягу не меньше 10⁶ н. Следовательно, за один час полета двигатели будут расходовать

100000 нХ 0,1 кг горючего/н тяги в час =10 т керосина.

А это ¹/₅ веса всего самолета. Из этого понятно, какое большое значение имеет экономичность двигателя и аэродинамическое качество самолета.

При большой скорости полета (М = 2 или 3) воздух, пройдя через воздухозаборник, сам сильно сжимается. Компрессор с турбиной становятся ненужными. Поэтому можно применить двигатель другого типа — прямоточный воздушно-реактивный (ПВРД). Однако надо помнить, что на малых скоростях такой двигатель работать не будет.

Если добиться, чтобы турбина в ТРД поглощала почти всю энергию разогретого и ускоренного потока, то такая турбина сможет вращать не только компрессор, но и воздушный винт. На этом основана конструкция турбовинтового двигателя. Его можно сделать значительно более мощным, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. Наибольшая мощность двигателя внутреннего сгорания равна при-

мерно 3000 квт (примерно 4000 л. с.); при этом в двигателе должно быть не меньше 20 цилиндров. А современный турбовинтовой двигатель развивает мощность до 15 000 квт. Можно было бы создать и еще более мощные двигатели, но уже трудно сделать винт, который развивал бы соответствующую тягу и был бы экономичным.

На таких больших самолетах, как ТУ-114, ИЛ-18, АН-10, установлены турбовинтовые двигатели. При скорости. полета около 800 км/час они экономичнее, чем чисто реактивные.

Воздушно-реактивные двигатели создают тягу, отбрасывая назад воздух, взятый из окружающей среды (он же одновременно служит и окислителем при горении топлива). Но с увеличением высоты полета плотность окружающего воздуха уменьшается. Все меньше его проходит через двигатель, тяга падает. От этого недостатка свободны ракетные двигатели (рис. 12), для работы которых нужно иметь запасы и горючего и окислителя. Тяга здесь создается отбрасыванием назад продуктов горения и практически не зависит от окружающей среды.

Ракетные двигатели могут работать на твердом топливе (порох) и на жидком топливе (см. цвет. рис. у стр. 65). Двигатели на жидком топливе несколько более экономичны, но требуют очень осторожного обращения, так как и топливо, и окислитель обычно ядовиты; в качестве окислителя, например, часто потребляется крепкая азотная кислота.

Устройство ракетного двигателя много проще, чем турбореактивного. В нем нет никаких вращающихся деталей. Поэтому он во много раз легче, чем двигатели других типов, которые могут развивать такую же тягу. Но зато в полет надо брать много топлива и окислителя — по весу в 15—18 раз больше, чем для турбореактивного. Если бы мы захотели, например, на сверхзвуковой самолет, весящий 50 т, поставить ракетный двигатель вместо турбореактивного, то на один час полета потребовалось бы не 10 т топлива, а 150—180 т (вместе с окислителем). Это более чем в три раза превышает массу самого самолета!

На самолетах ракетные двигатели используются только как вспомогательные — для

Рис. 12. Схема ракетного двигателя.

кратковременных полетов на очень большой высоте или для быстрого взлета. Широко ракетные двигатели применяются на ракетах, где тяга создается на короткое время: для быстрого разгона зенитной ракеты, для подъема и разгона баллистических ракет, для запуска спутников, для разгона и торможения космических кораблей. Ракетный двигатель позволяет получить очень большую тягу. Уже сейчас для запуска космических кораблей создают двигатели с тягой в несколько сот тонн, или миллионы ньютонов!

На тех же принципах, что и воздушно-реактивные и ракетные двигатели, будут, очевидно, построены и двигатели будущего. Ученые уже думают о реактивных двигателях, в которых воздух будет нагреваться не горением керосина или другого химического топлива, а с помощью управляемой ядерной реакции, подобно тому как нагревается теплоноситель на атомных электростанциях. Разрабатываются ионные двигатели. Они тоже будут работать по реактивному принципу, но в этих двигателях будет отбрасываться не струя газа, а поток ионов. Подумывают ученые и о фотонных двигателях, в которых силу тяги создает отраженный луч света очень большой силы и интенсивности.

КАК ВЫБИРАЮТ РАЗМЕРЫ САМОЛЕТА

Чтобы создать самолет, мало знать, как сделать крыло с достаточной подъемной силой и малым сопротивлением и каким должен быть двигатель. При постройке самолета встает множество других важнейших вопросов. Надо правильно выбрать соотношение веса машины и размеров крыла. Надо обеспечить управление самолетом — возможность изменять направление и скорость полета. Самолет в полете должен быть устойчивым, резкая перемена его положения при малейшем порыве ветра недопустима. Самолет должен быть прочным, но не слишком тяжелым. Надо, наконец, дать возможность летчикам определять направление полета и узнавать место, где пролетает самолет. Кстати, на заре авиации случалось, что летчик должен был для ориентировки снижаться и на большой скорости читать название железнодорожной станции.

Одним словом, очень и очень многое надо учесть и предусмотреть конструкторам, чтобы построить самолет безопасный, экономичный и удобный для пилотирования. Широко известны имена наших авиаконструкторов А. Н. Туполева, С. В. Ильюшина, А. И. Микояна, А. С. Яковлева, О. К. Антонова, под руководством которых строятся замечательные самолеты.

С чего же начинается проектирование самолета? Прежде всего надо точно определить его назначение и исходя из этого решить, каковы должны быть скорость и высота полета, какой груз поднимет самолет и какое расстояние он должен пролетать. Затем можно приступать к выбору размера самолета; главная его характеристика — площадь крыла.

После взлета по мере увеличения скорости полета самолет должен уменьшать угол атаки крыла, чтобы подъемная сила оставалась равной весу (рис. 13). Аэродинамическое сопротивление самолета при этом будет постепенно уменьшаться. Минимальным оно станет при том угле атаки, который соответствует максимальному аэродинамическому качеству (этот угол атаки, как мы уже говорили, равен 3—5°).

Дальнейшее увеличение скорости требует еще меньших углов атаки, но оно начнет также и увеличивать сопротивление. Конструкторы нашли выход — в этом случае можно уменьшить площадь крыла. Но тогда на каждую часть его площади придется большая часть веса машины. И теперь, чтобы оставить подъемную силу равной весу самолета, нужно вновь увеличить угол атаки. В результате аэродинамическое сопротивление опять уменьшится; оно должно быть минимальным на основной скорости полета.

Таким образом, подбирается так называемая удельная нагрузка на крыло — масса (вес) самолета, приходящаяся на 1 м² крыла. Эта величина у сверхзвуковых самолетов достигает 8000 н / м², у тихоходных самолетов — 1200 н/м², а у летающих с небольшой скоростью моделей — всего несколько десятков ньютонов на квадратный метр.

Необходимо учесть также, что взлетная и посадочная скорости самолета должны быть как можно меньше. А для этого в свою очередь выгодна небольшая удельная нагрузка на крыло, т. е. надо увеличить площадь крыла. И вот конструктору приходится решать вопрос, какую же площадь крыла выбрать для самолета: сделаешь небольшое крыло — придется взлетать и садиться на большой скорости; сделаешь большое крыло — нужен более мощный двигатель и самолет не будет экономичным.

Ученые и инженеры стремятся уменьшить взлетно-посадочную скорость самолетов, летающих с большой скоростью. Для этого можно,

например, изменять в момент посадки или взлета форму и профиль крыла. Наиболее распространенный вид такой, как ее называют, «механизации» крыла — установка закрылков. Отклонение их перед взлетом или посадкой увеличивает подъемную силу крыла и позволяет несколько уменьшить взлетно-посадочную скорость.

Но все равно у современных скоростных самолетов эти скорости намного больше, чем у старых, тихоходных. Например, у широко известного тихоходного самолета ПО-2, применяемого в сельском хозяйстве, взлетно-посадочная скорость всего 60 км /час. Современные же сверхзвуковые самолеты взлетают при скорости около 300—400 км/час, а приземляются — при 200—300 км/час. Посадочная скорость в данном случае меньше потому, что самолет садится почти без горючего.

На большой высоте плотность воздуха сильно уменьшается. Поэтому, чтобы крыло сохраняло свою подъемную силу, нужно увеличивать скорость полета. Летать высоко — это значит летать быстро. Максимальная высота полета, таким образом, зависит в значительной мере от скорости.

Рис. 13. При увеличении скорости самолет должен уменьшать угол атаки: а — малая скорость, б — большая скорость.

Практически только на сверхзвуковых скоростях самолет может достичь высоты 20— 25 км. Для этого нужны очень мощные двигатели, тяга которых на большой высоте достаточна, чтобы создать необходимую подъемную силу.

Современные сверхзвуковые самолеты с реактивными двигателями летают на высоте 20— 22 км ; в специальных полетах лишь на очень короткое время они могут достигнуть 40 км.

На еще большую высоту поднимаются исследовательские самолеты с ракетными двигателями. Сами они не стартуют с земли — их поднимают на 10—12 км тяжелые самолеты-матки. Ракетный двигатель включается после отделения от самолета-матки. Такой двигатель дает самолету возможность на короткое время подняться на высоту около 100 км и развить скорость около 6000 км /час.

Размеры и вес самолета проектируются тем большими, чем больше груза должен он поднимать и чем дальше должен летать. У самолета-истребителя дальность полета не более 3 тыс.км. Он поднимает мало груза и поэтому весит сравнительно немного — обычно не больше 10 т. Вес дальних бомбардировщиков и больших пассажирских самолетов достигает 100 т.

КАК УПРАВЛЯЮТ САМОЛЕТОМ

Управлять самолетом — это значит изменять его положение в полете или противодействовать порывам ветра. Для этого используют как опору окружающий его воздух. Предположим, что летчику нужно вывести самолет из горизонтального положения так, чтобы левое крыло оказалось ниже правого. Такое положение называется креном влево. Для этого служат элероны — отклоняющиеся рули на крыле (рис. 14). Если элерон на правом крыле отклонить вниз, увеличивая подъемную силу этого крыла, и одновременно отклонить вверх элерон левого крыла, самолет накренится влево.

Для управления по курсу (вправо, влево) служит руль направления. Он находится на вертикальном хвостовом оперении (на киле). А для продольного управления (вверх, вниз) служит руль высоты, расположенный на горизонтальном оперении. Для хорошего управления нужно, чтобы все рули были размещены как можно дальше от центра тяжести самолета. Поэтому элероны располагают на концах крыльев, а рули высоты и направления — на хвосте.

Рулем направления летчик управляет, нажимая на педали. Нажал педаль под правой ногой — и руль направления принимает положение, при котором самолет повернет в правую сторону. Элероны и руль высоты присоединены к одному рычагу — к ручке управления. Если летчик потянет эту ручку на себя, рули высоты отклонятся вверх. На хвосте возникнет аэродинамическая сила, направленная вниз, которая и заставит самолет увеличить угол атаки. Если

Рис. 14. Органы управления самолетом.

же летчик переместит ручку управления влево, то отклонятся элероны и самолет начнет крениться влево. Ручку управления летчик держит правой рукой, а левой управляет тягой двигателя и множеством различных приборов.

На большом самолете, которым управляет не один летчик, а целый экипаж (летчик, бортинженер, радист, штурман), за приборами и двигателем есть кому смотреть, а летчик управляет только самолетом. Вместо ручки управления на таком самолете часто ставят штурвал, похожий на «баранку» в автомобиле.

На сверхзвуковых или больших дозвуковых самолетах у летчика не хватит силы, чтобы самому отклонять рули. Тогда в проводку управления встраивают специальные сервомоторы. Они-то и отклоняют рули, а летчик лишь вводит их в действие. Чаще всего такой механизм представляет собой цилиндр, в котором масло под большим давлением (около 200 атм) перемещает поршень, связанный с каким-либо из рулей.

Такой механизм называется бустером, а управление этого типа — бустерным. Тяга сервомотора достигает нескольких тонн, или десятков тысяч ньютонов, потребляемая мощность — нескольких десятков киловатт.

Летчику приходится управлять рулями не только для того, чтобы совершить какой-нибудь маневр. Даже если самолет летит прямо, руль

высоты, например, должен быть отклонен. Из механики известно, что для равновесия всякого тела необходимо, чтобы равнодействующая всех сил, действующих на тело, а также момент этих сил равнялись нулю. Подъемная сила крыла уравновешивает вес самолета, тяга двигателя — сопротивление, а момент подъемной силы на хвостовом оперении должен уравновешивать момент подъемной силы крыла относительно центра тяжести самолета (рис. 15).

Чем дальше в самолете расположен центр тяжести от точки приложения подъемной силы крыла, тем большая нужна подъемная сила на оперении. Может возникнуть мысль: а если расположить центр тяжести самолета как раз в том месте, куда приложена аэродинамическая подъемная сила? Ведь тогда управлять самолетом будет очень легко. Оказывается, так поступить нельзя. Это опасно.

УСТОЙЧИВОСТЬ САМОЛЕТА

Бывало так, что самолет не мог совершать полет. Вот он быстро разбежался по аэродрому и ушел в воздух. Но вместо того чтобы плавно набирать высоту, он начинает проделывать непонятные маневры. Будто неведомая сила резко бросает самолет то вверх, то вниз. И летчику нужны мужество и мастерство, чтобы приземлиться обратно на аэродром. Чтобы уяснить, почему такой случай возможен, следует познакомиться с очень важным понятием устойчивости движения.

Про шарик, подвешенный на нитке, можно сказать, что он висит устойчиво. При этом мы подразумеваем, что, если шарик отклонить, он сам вернется в прежнее устойчивое положение. А вот карандаш поставить на стол торцом не так-то просто. При слабом дуновении воздуха карандаш упадет—его положение неустойчиво.

Понятие устойчивости можно распространить и на движение любого тела, в том числе и

Рис. 15. Схема сил, действующих на самолет в полете.

самолета (математическая теория устойчивости движения была разработана А. М. Ляпуновым). Движение, в том числе и полет самолета, называют устойчивым, если, например, при порывах ветра машина сама, без вмешательства летчика, стремится сохранить свое прежнее движение. Для этого нужно, как показано на рисунке 15, расположить центр тяжести впереди от аэродинамического фокуса самолета, т. е. той точки, где приложена суммарная подъемная сила при изменении угла атаки.

Рис. 16. Силы, действующие на самолет: а — в горизонтальном полете, б — при развороте.

Тогда, если по каким-нибудь причинам самолет увеличил свой угол атаки (например, снизу подул ветер), подъемная сила сначала увеличится и самолет начнет подниматься. Но это же увеличение подъемной силы создает момент относительно центра тяжести в ту сторону: и без вмешательства летчика угол атаки самолета опять уменьшится до прежней величины.

Горизонтальное оперение можно поместить и спереди (такая схема самолета называется «уткой»), а крыло при этом сдвинуть назад. Но вертикальное оперение для устойчивости необходимо размещать на хвосте. Так же устроен, например, и воздушный змей: роль вертикального оперения

играет у него веревочный хвост. А без хвоста змей и летать не будет.

Когда самолет устойчив и хорошо управляем, он может легко и безопасно совершать различные маневры. Простейший маневр — это разворот, или вираж. Летчик накреняет самолет в сторону поворота, например влево, и проекция подъемной силы будет разворачивать самолет в ту же сторону (рис. 16). Но чтобы самолет при этом не опустился вниз, надо увеличить подъемную силу. Летчик одновременно с отклонением ручки управления влево тянет ее на себя и тем самым увеличивает угол атаки.

При этом летчик почувствует, что его сильно прижимает к сиденью. Иными словами, он испытает перегрузку (перегрузкой называется отношение действующей на летчика или самолет силы, исключая силу тяжести, к силе их тяжести). Чем интенсивнее разворот, тем больше требуется угол крена и тем больше перегрузка. В горизонтальном полете перегрузка равна единице, при угле крена в 60°—2, при 70° — 3, а при 80° — уже 6! Перегрузки возникают при любом маневре самолета, если при этом изменяется подъемная сила, т. е. возникает ускорение. Для легких маневренных самолетов максимальная перегрузка — 10, а для тяжелых или пассажирских — около 2. Тренированный летчик длительное время легко переносит перегрузку, равную 5, а если она действует доли секунды, то до 15 и даже 20. На беспилотных ракетах допускаются большие перегрузки. Поэтому самолету трудно увернуться от зенитной ракеты.

Легкие самолеты могут совершать много фигур высшего пилотажа (см. цвет. рис. у стр. 72). Высший пилотаж зародился в 1913 г., когда русский летчик Нестеров и французский пилот Пегу почти в один и тот же день выполнили «мертвую петлю», или, как ее теперь называют, петлю Нестерова. Когда скорость самолетов была небольшой, высший пилотаж применяли не только для спорта или тренировки летчика, но и в воздушных боях между истребителями. Но с повышением скорости сильно возрастает радиус разворота. При скорости 500 км/час радиус разворота около 600 м, а при скорости 1800 км/час уже около 8 км. При таком развороте легко потерять из виду противника.

Наиболее опасная фигура высшего пилотажа — «штопор». Угол атаки при «штопоре» доходит до 50°. Плавное обтекание крыла и оперений нарушается, и отклонение рулей малоэффективно. Поэтому вывести самолет из «штопора» иногда бывает очень трудно.

ПРОЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ

Каждый тип самолета должен пройти в специальных лабораториях испытания на прочность. Если самолет выдерживает нагрузку больше расчетной, это... очень плохо: конструкцию надо облегчить, чтобы самолет мог брать больше горючего или груза.

Очень важно поэтому знать, какие нагрузки в полете будут действовать на самолет. Эти нагрузки будут больше, если самолет должен выполнять различные маневры. Но даже тяжелые, неманевренные самолеты должны выдерживать порывы ветра, скорость которых на высоте около 11 км иногда достигает 200 км /час.

Самолет может разрушиться в воздухе не только от порыва ветра. Ведь конструкция самолета не может быть, как говорят специалисты, абсолютно жесткой, и при определенных воздействиях он деформируется. А при деформациях, например, крыла изменятся и аэродинамические силы. На большой скорости и при неправильной конструкции изменения аэродинамических и инерционных сил могут вызвать очень опасные колебания, которые за несколько секунд способны разрушить самолет. Такое явление называется флаттером. Предотвращение флаттера — трудная и сложная задача.

Пилотируя самолет, летчик должен быть уверен, что двигатель и все другие основные системы работают нормально, что самолет находится в правильном положении, что скорость полета вполне допустима. Только тогда полет будет безопасным. Этому помогают различные пилотажные приборы и специальные автоматические системы управления.

Рис. 17. Схема тренажера (установки для тренировки летчика на земле).

Самые важные из пилотажных приборов — указатель скорости, махметр, высотомер, авиагоризонт, компас. (Подробно об устройстве этих приборов и автопилоте рассказано в ст. «Техника помогает водить самолеты)) в т. 5 ДЭ.)

Действия летчика в полете должны быть точными и быстрыми. Поэтому перед тем, как лететь на новом самолете, летчик много часов проводит в кабине, тренируясь в управлении. Для такой тренировки существует даже специальное устройство — тренажер. Он состоит из кабины самолета, электрической счетной машины и экрана с проектором (рис. 17). Сигналы при отклонении рычагов управления подаются в счетную машину, которая определяет, как при этом должен двигаться самолет. По сигналам счетной машины изменяются показания приборов и одновременно изменится изображение на экране. Если, например, летчик потянет ручку управления на себя, то сразу изображение горизонта на экране начнет опускаться, как будто действительно самолет увеличил свой угол атаки. Изображение на экран дается через подвижный проектор или с помощью телевизионной установки.

Однако, как бы хорошо ни был подготовлен летчик, при больших скоростях ему очень трудно уследить за показаниями всех приборов. Чтобы облегчить ему пилотирование, особенно при длительных полетах, применяют автопилоты. Современные самолеты оснащены очень сложными и совершенными автопилотами, которые позволяют хорошо летать даже на малоустойчивом самолете, надежно осуществлять посадку в тумане и т. д.

КРЫЛАТЫЕ РАКЕТЫ

Крылатые ракеты в принципе полета ничем не отличаются от самолетов, только они летают без летчика. Используют такие ракеты главным образом для военных целей, как для обороны, так и для наступления. Строятся и специальные ракеты для исследований условий полета на больших, еще не освоенных скоростях или высотах. Результаты полета таких ракет дополняют исследования в аэродинамических трубах.

Иногда ракету трудно отличить по виду от самолета.

У крылатой ракеты могут быть и четыре крыла, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это делается для того, чтобы маневр ракеты можно было совершать без крена. Ракеты могут стартовать как с земли (рис. 18), так и с самолета (рис. 19). В зависимости от назначения различают ракеты «воздух—воздух», «земля—воздух», «воздух— земля», «воздух—вода» и т. п. Например, ракета «земля — воздух» стартует с земли и предназначена для поражения воздушных целей (самолетов или ракет противника). Ракета «воздух — земля» стартует с самолета и поражает цель на земле. Ракеты управляются автоматически; наводят их на цель обычно с помощью радиолокатора. Чтобы достигнуть большой скорости (до М =6), на ракетах устанавливают воздушно-реактивные или ракетные двигатели (см. ст. «Полет в космосе»).

ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ АВИАЦИИ

Пока что только военные самолеты летают быстрее звука. Но уже в самом скором времени будут созданы и пассажирские сверхзвуковые самолеты со скоростью полета до 2000 и даже 3000 км/час. Представьте себе, как сократятся тогда расстояния! Ехать из Хабаровска в Москву на поезде нужно больше недели; на воздушном лайнере ТУ-114 этот путь занимает 8 часов, а сверхзвуковой самолет сможет пройти его всего за 3 часа.

Если лететь с востока на запад, то при полете на сверхзвуковом самолете можно «обогнать» время. Если бы мы вылетали из Хабаровска на таком самолете сразу после встречи Нового года, скажем в час ночи, когда в Москве 7 часов вечера, то в столицу мы прибыли бы в 10 часов вечера прошедшего года. Одним словом, мы смогли бы встретить Новый год дважды.

Самолеты, особенно тяжелые сверхзвуковые, требуют для взлета и посадки специальных аэродромов с длинными (3—4 км) бетонными взлетно-посадочными полосами. Строительство таких аэродромов обходится очень дорого, а в горных районах, например, практически вообще невозможно. Поэтому будущие самолеты должны иметь возможность взлетать и садиться либо вертикально, либо на маленьких аэродромах. Такого типа опытные самолеты уже построены. На них устанавливаются или дополнительные вертикально расположенные дви-

Рис. 18. Ракета «земля—воздух» на стартовой установке.

Рис. 19. Крылатая ракета «воздух—воздух», подвешенная на самолете.

гатели, или специальные устройства для поворота струй от основных двигателей вниз.

Авиационная техника будет развиваться и еще дальше. Уже сейчас разрабатываются проекты гиперзвуковых воздушно-космических самолетов. Такой самолет будет обладать скоростью, соответствующей числу М =5, даже 10 и более, и сможет «выпрыгивать» из атмосферы Земли. При входе в атмосферу самолет «отскочит» от нее, подобно плоскому камню,

брошенному вдоль поверхности воды, облетит вокруг Земли, войдет в атмосферу и выберет место посадки.

Такой самолет может быть и последней ступенью ракеты, которая возвращается на Землю после дальнего космического полета. Но чтобы создать самолет такого типа, нужно решить еще много проблем, и первая из них — преодолеть «тепловой барьер», с которым мы познакомились в начале статьи.

ЧЕЛОВЕК ПОКОРЯЕТ ОКЕАН

Каравелла Колумба «Санта-Мария».

Более двух третей поверхности Земли занимают моря и океаны, бесчисленные реки, озера. Мировой океан более миллиарда лет назад стал колыбелью жизни на Земле. Для тысяч видов животных вода — их родная стихия: для рыб, моллюсков и даже млекопитающих, например кита, дельфина, моржа.

После миллионов лет эволюции из океана вышли на сушу земноводные. От них и произошел наиболее совершенный класс животного мира — млекопитающие, среди них и человек. Но увы... Это «высшее творение природы», пройдя миллионнолетний путь развития, утратило среди лесов и гор свои связи с водной стихией. Человеку, ставшему хозяином Земли, вновь пришлось научиться плавать; без этого он не мог бы свободно передвигаться даже в пределах одного материка...

Окружавшее материки безбрежное море манило его своей таинственностью. И человек научился преодолевать тысячекилометровые водные пространства: опираясь на силу своего разума, он научился плавать. Сначала инстинктивно, а потом сознательно он познавал законы природы, позволившие ему совершать этот подвиг.

Надо ли подробно рассказывать о значении плавания в жизни человека. Достаточно сказать, что благодаря этому умению человечество расселилось по Земле, по всем ее материкам.

ТАЙНА ОСТРОВА ПАСХИ

Европейские путешественники, впервые попавшие в XVIII в. на затерянный в Тихом океане о-в Пасхи, обнаружили там колоссальные каменные статуи, изображавшие людей или богов. Вес некоторых из этих изваяний достигал 20 т. У людей, живших на острове, хранились дощечки с письменами, но никто из них не умел прочесть, что там было написано. Было непонятно и кто писал на этих дощечках, и кто установил статуи. А еще таинственнее было то, что статуи, очень похожие на изваяния о-ва Пасхи, были обнаружены за тридевять земель от него — в Южной Америке, в Перу. Некоторые ученые даже высказали предположение, что статуи и на о-ве Пасхи и в Перу установил один и тот же народ. Но население острова стояло на очень низком культурном уровне, лодок, пригодных для плавания по океану, у них не

было, а до перуанского берега от о-ва Пасхи 4000 км. Как же люди перебрались через океан?

Норвежский ученый Тур Хейердал решил доказать, что и много веков назад люди могли переплывать океан. Он отправился в Южную Америку и построил там плот — точную копию древних перуанских плотов: девять толстых бревен из бальзовых деревьев, связанных веревками; на плоту были бамбуковая хижина, четырехугольный парус, и рулевое весло на корме. У полинезийцев сохранилось предание, что некогда через океан приплыл с востока на плоту легендарный вождь островитян Кон-Тики. В честь его Хейердал и пять его товарищей назвали свой плот «Кон-Тики».

Более трех месяцев продолжалось путешествие шести отважных исследователей. Около 8000 км проплыли они на плоту и доказали высокие мореходные качества древнего перуанского корабля. Об этом плавании Хейердал рассказал в своей увлекательной книге «Путешествие на «Кон-Тики».

О том, когда и как люди научились плавать на плотах и лодках, можно только догадываться. К разным народам это умение пришло, очевидно, в разное время и при различных обстоятельствах. Почти все животные умеют плавать, но иногда они предпочитают пользоваться плывущим мимо них предметом.

Человек, не умеющий плавать, попав в воду, инстинктивно стремится ухватиться за что-нибудь. Плывущее дерево для него — спасительная поддержка, а деревья, случайно сцепившиеся ветвями, — уже надежная опора. Возможно, что где-нибудь так и началось плавание на плотах. Люди научились плавать верхом на дереве, оседлав его, как коня. Если в таком дереве было большое дупло, человек мог плыть более удобно: его ноги оставались сухими, а шестом он отталкивался от дна пли от плывущих рядом деревьев. Возможно, так он и пришел к долбленой лодке и к веслу.

КАК ЖИДКОСТИ ВСТРЕЧАЮТ «ГОСТЕЙ»

Погрузим под воду кусок пробки. Стоит только отнять руку, как вода вытолкнет его на поверхность. Но так будет не с каждым предметом. Недаром говорят: «Пошел камнем на дно». Действительно, камень или, скажем, металлический ключ сразу пойдут на дно. Но можно доказать, что жидкость выталкивает

вверх и те тела, которые в ней тонут, да только не удается ей это: не хватает у нее силы, чтобы их вытолкнуть.

Привяжем к металлической ложке тонкую резиновую нить, как показано на рисунке 1, и измерим длину резинки. Затем опустим ложку в сосуд с водой. Снова измерив теперь длину резинки, мы убедимся, что нить стала короче. Значит, вода выталкивает ложку вверх.

Силу, которая выталкивает тело из жидкости, называют выталкивающей или поддерживающей. Пробка плавает на поверхности воды, словно ее кто-то поддерживает. Резинка стала в воде короче — как будто что-то выталкивает ложку снизу.

Куда же направлена выталкивающая сила? Резиновая нить, к которой подвешена ложка в воде, укорачиваясь, сохраняет свое отвесное положение и не отклоняется в сторону. Если короткой ниткой привязать к пробке груз и опустить его на дно, нить натянется строго отвесно (рис. 2). Это показывает, что выталкивающая сила, действующая на пробку, направлена вертикально вверх.

Почему больно лежать на морской гальке на берегу и не больно, погрузившись в море? Почему тяжесть ведра с водой мы начинаем ощущать только с того момента, когда ведро показывается над поверхностью воды в колодце? Попробуйте сами ответить на эти вопросы.

ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ

Жидкость давит на предмет, опущенный в нее, и снизу вверх, и сверху вниз, и в любом другом направлении. Но сила, с которой она давит, различна и зависит от того, насколько глубоко опущен предмет в воду. Деревянный брусок, опу-

щенный в море на метровую глубину, всплывет и останется таким же, но на дне океана давление воды изменит его свойства.

Ученые проделали опыт: на прочном тросе опустили глубоко в море металлическую клетку, внутри которой был положен кусок дерева. Когда клетку вынули на поверхность, оказалось, что колоссальное давление воды так сильно сжало кусок дерева, что он потерял способность плавать и тонул в воде. Недаром же человек, глубоко нырнувший, чувствует боль в ушах: вода давит на барабанную перепонку. Давление внутри жидкости равно ее удельному весу (d), умноженному на высоту ее столба (К), Из этого следует, что в любой точке на

одной и той же глубине давление в жидкости одинаково (рис. 3), и чем глубже, тем давление больше.

Если сравнить давления, создаваемые водой т ртутью, то окажется, что столб ртути давит в 13,6 раза сильнее, чем столб воды такой же высоты, так как удельный вес ртути в 13,6 раза больше удельного веса воды. Но в одной pi той же жидкости,

на одной и той же глубине при различных атмосферных условиях давление может быть неодинаковым. На высокой горе оно меньше, чем у поверхности моря. Ведь к давлению жидкости добавляется давление воздуха на ее поверхность.

Давление измеряют единицей бар. 1 бар = = 10⁵ н/м³. На глубине 10 м вода создает давление: P = dh =9800 н/м³ •10 м =0,98 бар. (Среднее атмосферное давление — 1,013 бар).

На рисунке 4 изображено несколько сосудов.

Рис. 5. Опыт Паскаля.

Форма у них самая различная, неодинакова и площадь дна, но уровень воды, налитой в них, одинаков. Следовательно, давление жидкости на дно во всех этих сосудах одинаково. При первом взгляде на сосуды даже не верится этому. Однако это не так. Недаром это явление называется гидростатическим парадоксом¹ .

Не надо только путать давление с силой давления. Давление — это сила, действующая на единицу площади. Понятие же «сила давления» применяется ко всей площади дна в сосуде.

На рисунке 5 изображен опыт французского ученого Блеза Паскаля. В верхнем днище прочной деревянной бочки, доверху наполненной водою, он проделал узкое отверстие и плотно вставил в него длинную трубку. Когда Паскаль налил в трубку несколько кружек воды, давление воды разорвало бочку. Этот опыт наглядно показал, как можно небольшим количеством воды создать огромную силу давления у дна сосуда.

¹ Парадоксом называется утверждение, расходящееся с общепринятым мнением или такое, которое на первый взгляд кажется удивительным и нелепым, но оказывается справедливым.

КАК ОБОЙТИСЬ БЕЗ ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКИ

В жидкость помещен куб (рис. 6). Давление на одной и той же глубине одинаково, поэтому силы давления, действующие на его боковые грани, уравновешиваются. Сила давления, действующая на верхнюю грань, меньше силы, действующей на нижнюю грань, потому что эти грани расположены на разной глубине,— чем глубже, тем давление в жидкости больше. Значит, равнодействующая всех сил, действующих со стороны жидкости на куб, направлена вертикально. Это и есть выталкивающая сила.

Для такого простого случая выталкивающую силу рассчитать нетрудно. Но если куб расположен в воде наклонно, рассчитать выталкивающую силу гораздо труднее. Если же у тела, опущенного в воду, неправильная форма, для расчета выталкивающей силы уже надо применить высшую математику.

Впрочем, можно найти более легкий и короткий путь. Возьмем себе в проводники знаменитого голландского математика и физика Стевина. В конце XVI в. вышла его книга, в которой дан простой и наглядный прием для определения выталкивающей силы. Позже этот прием, правда, в несколько измененном виде, стали называть принципом отвердевания.

Представим себе, что в сосуде с жидкостью какая-то часть ее неправильной формы затвердела, но вес этой части остался неизменным. Затвердевшая» часть не всплывет и не опустится на дно. Следовательно, ее вес Р уравновешивается силой F, т. е. силой давления со стороны оставшейся жидкости (рис. 7,а).

Мысленно удалим «затвердевший» объем жидкости и вставим на его место твердое тело (из металла) точно такого же объема и формы (рис. 7,б). Жидкость будет «обманута» Ведь для нее ничто не изменилось, и она будет давить на это тело с такой же силой, как

раньше давила на жидкость. Если у твердого тела вес

больше, чем у «затвердевшей» жидкости, то оно опустится на дно сосуда. Мы знаем, что в жидкости вес тела уменьшается. Он становится равным Р- F. .,

Если же вес твердого тела меньше, чем вес «затвердевшей жидкости, то выталкивающая сила будет больше, чем сила тяжести тела, и оно всплывет.

Итак, если тело полностью погружено в жидкость, на него действует вертикально вверх выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела. На тело, частично погруженное в жидкость (рис. 8), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела.

Обычно обе эти формулировки объединяют в одну: на тело, частично или полностью погруженное в жидкость, действует вертикально вверх выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом. Этот закон называется законом Архимеда. Выталкивающая сила зависит не от наклона тела и не от его формы, а только от объема вытесненной им жидкости и от ее удельного веса.

В старинной восточной сказке рассказывается: «Царь обещал дать тому, кто взвесит его слона, столько золота, сколько весит сам слон. Бедняк перевозчик ввел слона в свою большую лодку и отметил уровень, до которого она погрузилась в воду. Затем он свел слона на берег и нагрузил лодку золотом до прежней отметки. Вес золота равнялся весу слона». Неграмотный лодочник, конечно, не знал закона Архимеда, но он сообразил: если у двух грузов одинаковый вес, они погрузят лодку в воду до одного и того же уровня.

АРХИМЕД И ЕГО ОТКРЫТИЕ

Легендарные рассказы об исторических личностях, пусть и не всегда в точности соответствуют фактам, очень интересны и запоминаются на всю жизнь. О древнегреческом ученом Архимеде и его открытиях возникло много легенд. Вот одна из них.

Гиерон, завоевав царский престол в сицилийском городе Сиракузах, решил в благодарность за эту свою удачу принести в дар богам золотую корону. Он заказал ее мастеру и приказал отвесить ему нужное количество золота. Тот к назначенному сроку приготовил корону. Вес ее точно соответствовал весу отпущенного золота. Но царю донесли, что мастер частично подменил золото серебром. Гиерон разгневался, но, поскольку сам не мог найти способ уличить мастера, обратился за помощью к Архимеду.

Как рассказывают, Архимед сделал два слитка — один из золота, другой из серебра —

каждый такого же веса, какой был у короны. Затем наполнил водой сосуд до самых краев, опустил в него серебряный слиток и отметил, сколько воды тот вытеснил.

То же самое он проделал и со слитком золота. Объем золотого слитка оказался меньше, чем у равного ему по весу слитка серебра. Затем Архимед опустил в сосуд корону: воды вытекло больше, чем от золотого слитка, и меньше, чем от серебряного. Сравнив три полученных объема вытесненной воды, Архимед рассчитал, сколько золота и сколько серебра пошло на изготовление короны. Так была доказана вина мастера.

Два обстоятельства важны в этой легенде. Во-первых, Архимед нашел способ измерять объемы твердых тел со сложной формой. Во-вторых, он сопоставил веса различных веществ не друг с другом, а с весом воды, т. е. впервые обратил внимание на свойство физических тел, которое мы теперь называем плотностью пли удельным весом. Это само по себе было уже большим открытием. Работы Архимеда отличаются простотой и доступностью для понимания. Многие выведенные им законы легли в основу современной науки. Слава его недаром сохранилась до наших дней.

Архимед открыл три закона, которые стали основой науки о плавании тел:

1. Тела, имеющие при равном объеме равный с жидкостью вес, плавают, полностью погружаясь в жидкость.

2. Тела, более легкие, чем жидкость, при погружении в нее стремятся кверху с силой,

равной разности между весом жидкости, взятой в объеме тела, и весом самого тела.

3. Тела тяжелее жидкости и опущенные в нее тонут. Пребывая в жидкости, они теряют в

своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме тела.

ПЛАВАНИЕ — ЭТО РАВНОВЕСИЕ

Тело плавает когда его вес уравновешен выталкивающей силой. Тело не тонет, не всплывает и

может находиться в жидкости на любой глубине так как плотность жидкости мало меняется с увеличением давления. Так плавают рыбы,

морские животные, подводные лодки, батискафы, так может плавать и человек.

Вес плавающей рыбы в точности равен весу вытесненной ею воды. В любом живом организме 90 и даже более процентов воды, так что его средняя плотность мало отличается от плотности воды.

Человеку, подводной лодке, кораблю плавать в воде помогает... воздух! Проведем несложный расчет. Плотность стекла, из которого сделана бутылка, равна 2,2 г/см³ ; плотность воды — 1 г/см³. Следовательно, стекло в воде пойдет ко дну. Но если стеклянная бутылка, наполненная воздухом, плотно закрыта пробкой, она будет плавать на поверхности воды. Масса стеклянной литровой бутылки равна примерно 0,5 кг; масса воздуха, заключенного в ней,— около 1 г, а средняя плотность закупоренной бутылки с воздухом — 0,501 г/см³ (501 г /1000 см³) ,т. е. вдвое меньше плотности воды.

Налив в бутылку некоторое количество воды, мы можем сделать ее среднюю плотность в точности равной плотности воды. Такая бутылка сможет плавать в воде на любой глубине.

Средняя плотность бутылки, заполненной одним воздухом, меньше, чем плотность жидкости; она не может плавать на любой глубине и будет вытолкнута на ее поверхность. Объем ее погруженной в воду части уменьшается, так как часть бутылки окажется над водой. Поэтому и выталкивающая сила уменьшится и станет в точности равной весу бутылки с воздухом.

Подводная лодка плавает на любой глубине, не опускаясь и не поднимаясь, если ее средняя плотность равна плотности морской воды. Чтобы получить среднюю плотность подводной лодки, нужно сложить массы ее корпуса, двигателей, людей и воздуха, находящегося в ней, и разделить полученную сумму на объем, занимаемый лодкой.

Набрав в балластные цистерны воду, подводная лодка погрузится в глубину моря; ее средняя плотность станет больше плотности морской воды. Если же выдавить сжатым воздухом воду из балластных цистерн, подводная лодка всплывет. Объем подводной лодки всегда один и тот же. Она изменяет среднюю плотность, увеличивая или уменьшая свою массу, заполняя свои цистерны воздухом или водой. Запас сжатого воздуха всегда должен быть в подводной лодке, без него она не сможет поддерживать свою плавучесть и всплыть на поверхность воды.

Кроме того, подводная лодка не могла бы плавать под водой без так называемых горизонтальных рулен: даже самая незначительная разница между ее весом и выталкивающей силой гнала бы ее на дно или на поверхность. По-иному изменяет свою среднюю плотность «автономный» водолаз (запас сжатого воздуха он носит на спине в баллоне): если ему нужно всплыть, он надувает скафандр воздухом. Средняя плотность человеческого тела больше плотности воды, она равна 1,03 г/см³.

Плавучесть человеку обеспечивает воздух, набираемый им при вдохе в легкие.

При полном вдохе средняя плотность человеческого тела становится меньше плотности воды. При выдохе, когда тело теряет плавучесть, человеку приходится создавать подъемную силу движением рук. Искусство плавать — это умение правильно дышать, координируя вдохи и выдохи с движением рук и ног.

ПЛАВАНИЕ ПОД ВОДОЙ

Наибольшая глубина в Мировом океане— 11 км. Подводные же лодки не могут опускаться ниже 250 м ; их корпус не выдержал бы большое давление воды. Ведь на такой глубине на каждый квадратный сантиметр поверхности лодки давит сила примерно в 250 н. Давление здесь в 20 с лишним раз больше атмосферного. Образно говоря, подводная лодка движется только под самым «потолком» океана.

В еще худшем положении находится водолаз. Если его скафандр сделан из мягкой водонепроницаемой ткани, то внешнее давление воды передается через ткань на человека. Ниже 150 м он опуститься не может. Поэтому был создан жесткий скафандр. Он представляет собой как бы прочный футляр и защищает от давления воды. В нем водолаз дышит воздухом с нормальным атмосферным давлением. Водолаз внешне напоминает закованного в латы средневекового рыцаря. Такие скафандры дают возможность опускаться до 250 м, но они неудобны для работы под водой. Их используют главным образом для осмотра предметов, лежащих на дне. Сейчас необходимость в них уже миновала: для осмотра дна используют телевизионные камеры, погружаемые на дно.

Человек издавна мечтал «акклиматизироваться» в океане. В научно-фантастическом романе А. Р. Беляева «Человек-амфибия», написан-

Гонки подводного скутера и морской черепахи.

ном в 20-х годах, ребенку сделали операцию, после которой он мог дышать не только легкими, но и жабрами. На глазах у человека-амфибии были большие выпуклые очки, а одежда его состояла из сверкающей чешуи. В наши дни эта фантазия писателя уже близка к осуществлению. За последние годы большое развитие получило подводное плавание. Люди часами плавают под водой, изучая жизнь моря и его обитателей. На ногах у них резиновые ласты, глаза и нос закрыты водонепроницаемой полумаской, а во рту мундштук, соединенный с находящимся за спиной аппаратом с баллонами сжатого воздуха — аквалангом.

В переводе на русский язык «акваланг» — подводные легкие. Средняя плотность аквалангиста со всем его оборудованием очень близка к плотности воды. Изменяя объем воздуха в своих легких, аквалангист может в небольших пределах изменять свою плавучесть, т. е. подниматься или погружаться.

Аквалангисты спускаются под воду не только для исследования растительной и животной жизни океана, но и для подъема затонувших грузов, и для археологических работ. Плавание под водой и подводная охота на рыб стали новым видом спорта. Аквалангисты могут достигать глубин до 100 м.

Один из пионеров подводного плавания — француз Ив Кусто сконструировал подводный скутер, который может тянуть человека под водой со скоростью 10 км/час.

Подводное плавание дает возможность изучать «потолок» океана. Но человек стремится обследовать и его дно. Сначала он проник глубоко в океан в прочном металлическом цилиндре. Затем для глубинных исследований стали

применять стальные шары — батисферы с иллюминаторами из толстого кварцевого стекла. В батисфере человек защищен от давления воды стальной броней.

В 1934 г. американским ученым Вильяму Бибу и Отису Бартону удалось опуститься в батисфере на глубину 923 м. Во время спуска они обнаружили новые виды рыб. С помощью батисфер были проведены многие интересные исследования. Однако у этих аппаратов есть большой недостаток: с кораблем они связаны тросом. Трос позволял батисфере передвигаться только по вертикали, а обрыв его неминуемо кончился бы гибелью исследователей.

Эти недостатки были преодолены, когда за изучение морских глубин взялся знаменитый исследователь стратосферы бельгийский профессор Огюст Пикар. Он сконструировал для погружения на большие глубины батискаф — подводный стратостат.

В батискафе исследователи и приборы находятся в стальной шарообразной гондоле; она укреплена под металлическим продолговатым «поплавком», который наполнен бензином. Плотность бензина — 0,8 г!см³, поэтому такой «поплавок» дает подводному кораблю запас плавучести.

Если бы в «поплавке» батискафа был воздух, как, например, в цистернах подводной лодки, то на глубине в несколько километров его надо было бы защитить от громадного давления толстыми стальными стенками. Это снизило бы плавучесть. Бензин же почти несжимаем, как и вода, и тонкие стенки «поплавка» лишь не дают бензину растечься в воде. Для погружения батискафа использован балласт из стальных дробинок. Они удерживаются в спе-

циальной камере электромагнитом и могут быть мгновенно выброшены.

30 сентября 1953 г. батискаф, в котором находились Пикар с сыном, достиг глубины 3150 м. Исследователи пробыли под водой 2 часа 20 мин. и непрерывно вели киносъемку. На случай встречи с невиданными морскими чудовищами батискаф был снабжен глубоководной пушкой.

В другом батискафе, построенном во Франции по проекту инженера Вильяма, 15 февраля 1954 г. Гуо и Вильям установили новый рекорд погружения, опустившись на глубину 4050 м.

Сейчас усовершенствованные батискафы оснащены двигателем и винтами и могут уже самостоятельно передвигаться в любом на-

Батискаф, готовый к погружению.

правлении. В последние годы в батискафе достигли дна океана в Марианской впадине — в самом глубоком месте на Земле. Толща воды здесь достигает 11 000 м.

В батискафе были сын Пикара Жак и американский моряк Дон Уолш.

Может показаться, что на большой глубине, под колоссальным давлением в 800—1000 атм

(1 атм= 1,013 бар), вода так сжата и вес ее в объеме батискафа так велик, что это помешает дальнейшему погружению. На самом деле не так. Ведь жидкости почти не сжимаются. Плотность воды на дне Марианской впадины лишь на 5/6 больше, чем у поверхности. Поэтому и выталкивающая сила мало меняется при увеличении глубины.

Это можно проверить на опыте. Для него нужен пластмассовый сосуд и мелкокалиберная винтовка. В сосуд наливается до половины его объема вода. Пуля, попавшая в верхнюю половину сосуда, проделает две аккуратные круглые дырки, и только. Выстрел в нижнюю часть сосуда разнесет его на части. Объяснить это можно так: пуля проходит через жидкость за очень короткое время; вода сжимается на величину объема пули, но не успевает подняться. Давление за это мгновение настолько возрастает, что сосуд разлетается на куски. Поэтому и подводная лодка гибнет, когда на некотором расстоянии от нее взрывается глубинная бомба. Практическая несжимаемость жидкости используется и в батискафе. Толщина стальных стенок у полой гондолы равна 9 см, а у бензинового «поплавка» — всего нескольким миллиметрам.

ПЛАВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

У подводной лодки такелаж, нулевая плавучесть, т. е. ее средняя плотность, в точности равняется плотности воды. Чтобы нырнуть на дно, она должна уменьшить свою плавучесть, а чтобы подняться на поверхность — увеличить ее. У обычного надводного корабля должна быть положительная плавучесть, чтобы он мог нести свои надстройки, находящиеся под водой на одном и том же горизонтальном уровне, грузы и людей, не погружаясь в воду.

Почему плавает на поверхности воды дерево? Ведь плотность целлюлозы, из которой состоит древесина, выше плотности воды— 1,5 г/см³. Помните описанный в начале статьи опыт, когда ученые подвергли деревянный брусок колоссальному сжатию и тот уже не смог плавать? Дерево плавает потому, что в нем есть воздух

Давление воды вытеснило этот воздух, и дерево потеряло плавучесть. Намокшие стволы деревьев тонут в воде. Плот, сделанный из деревьев, обладает положительной плавучестью, пока он не намок. Хейердал и его спутники на «Кон-Тики» пережили немало тревожных дней, наблюдая, как намокают бальзовые бревна, из которых был сооружен их плот.

Лодки и корабли обладают положительной плавучестью потому, что вода не может проникнуть внутрь их корпуса. У корабля в воду погружено только его днище; вес вытесненной им воды как раз равен весу всего корабля, потому он больше не погружается в воду.

УПРЯМОЕ ПОЛЕНО

Силу, действующую на какое-либо тело, можно представить приложенной к одной его геометрической точке. Так, например, сила земного притяжения (вес) приложена к центру тяжести тела. Выталкивающая сила тоже приложена к определенной точке — к так называемому центру давления. Эта точка находится в центре тяжести вытесненного телом объема жидкости.

Деревянный брусок, например обыкновенное полено, не может плавать стоймя. Сколько бы мы ни пробовали установить его вертикально, упрямое полено будет падать набок и плавать только плашмя. Как видно на рисунке 9, центр давления находится ниже центра тяжести. Стоит полену чуть отклониться от вер-

тикали, как возникает пара сил, которая уводит его еще дальше от вертикального положения. Теперь нам стали понятными причуды упрямого полена. Оказывается, его поведение диктуется неумолимыми законами физики.

ЦЕНТР ДАВЛЕНИЯ «ПУТЕШЕСТВУЕТ»

Полено, плавающее плашмя, находится в устойчивом равновесии, или, как говорят судостроители, обладает остойчивостью. Остойчивость должна быть и у корабля.

На рисунке 10 слева схематически изображен корабль, который от качки и от ветра накренился. Величина выталкивающей силы при этом не изменилась, так как объем погруженной части у правого борта корабля увеличился настолько же,

насколько уменьшился слева от осевой линии. Правая часть корабля вытесняет больше воды, чем левая, значит, и центр тяжести вытесненного объема жидкости тоже переместился вправо от осевой линии. Оказывается, центр давления «путешествует»! Только это и создает устойчивость. На рисунке видно, что вес и выталкивающая сила образуют пару сил, которая стремится вернуть корабль в положение устойчивого равновесия. Игла, точка опоры которой ниже центра тяжести, не может стоять на зеркале вертикально.

МЕТАЦЕНТР

Мы установили, что при крене корабля центр давления смещается от осевой линии в ту же сторону. При этом обычно возникает пара сил, которая стремится вернуть корабль в положение равновесия. Удастся или не удастся этим силам выровнять корабль, зависит от многих причин: от формы корабля, от того, как он нагружен и какой крен он сделал. Если трюм корабля правильно нагружен и борта его достаточно высоки. то даже большой крен кораблю не страшен. Когда же основная масса груза расположена на палубе, а трюм почти пустой, даже небольшой крен может стать причиной гибели судна.

Точка М, в которой выталкивающая сила пересекается с осью корабля, называется метацентром. Если метацентр расположен выше центра тяжести судна — корабль устойчив, если ниже — неустойчив. На рисунке 10 слева изображен крен судна с правильно нагруженным трюмом. Центр тяжести корабля находится сравнительно близко от киля и расположен

ниже метацентра. Справа на том же рисунке — крен судна с перегруженной палубой и пустым трюмом. Центр тяжести судна находится сравнительно ближе к палубе и расположен выше метацентра. В этом случае сила тяжести и выталкивающая сила опрокидывают корабль. Чем выше метацентр над центром тяжести, тем большей остойчивостью обладает судно.

В наше время только сошедший с ума капитан может загрузить свое судно так, что центр тяжести окажется выше метацентра. Тяжелые грузы помещают в нижнюю часть трюма, а легкие — в верхнюю и на палубу.

Трюмы грузовых судов, идущих порожняком, иногда специально загружают балластом, чтобы метацентр был выше центра тяжести.

ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ

Когда речной буксир тянет баржу, видно и на глаз, что он намного больше ее. Но моряки определяют размеры судна точной цифрой: не длиной и шириной, а водоизмещением. Если водоизмещение судна 5 тыс.т, это значит, что столько весит вытесненная им вода, когда оно нагружено до нормы. Вес корабля с грузом также равен в этом случае 5 тыс.т — ведь когда тело плавает, его вес равен весу вытесненной жидкости. На обшивке судна обычно делают отметку, соответствующую его погружению при полной нагрузке. Но если корабль перейдет из одного океана в другой, где вода более соленая, уровень его погружения станет меньше. Водоизмещение, равное весу судна, при этом, понятно, не изменится, но глубина погружения станет меньше. На обшивке судна поэтому делают не одну, а несколько отметок в зависимости от солености воды в различных морях.

Чем больше водоизмещение корабля, тем больше груза он может взять на борт. Водоизмещение в современном судостроении непрерывно увеличивается: у советского танкера «София» водоизмещение 62500 т, в Японии строится танкер «Ниссо мару» водоизмещением в 132 000 т ! Это примерно в три раза больше, чем водоизмещение каждого из таких гигантов Атлантики, как «Иль-де-Франс» (45 000 т), «Нормандия» (46 000 т), и почти в два раза больше водоизмещения «Куин Мери» (81 000 т).

КОРАБЕЛЬНЫЙ АКАДЕМИК КРЫЛОВ

Английский линейный корабль «Роял Джордж», стоявший в 1799 г. на рейде Саутгемптона, немного наклонили, чтобы очистить днище от ракушек и водорослей. Для этого пушки с одного борта откатили к осевой плоскости судна, пушки же другого борта оставили на своем месте. Судно получило безопасный для него крен. Огневые люки нижнего ряда пушек были выше поверхности моря. До вечера работу не успели закончить, а ночью на море поднялось небольшое волнение. Волны захлестнулись в пушечные люки, вода просочилась в трюм, и корабль перевернулся. Погибло около 1000 человек, вместе с ними и адмирал, командовавший эскадрой.

Способность корабля оставаться на плаву при большем или меньшем крене называется запасом плавучести. Знаменитый кораблестроитель акад. А. Н. Крылов много лет работал над теорией остойчивости и непотопляемости корабля. Он часто приводил в пример эту катастрофу для подтверждения той мысли, что запас плавучести судна измеряется объемом его надводной части. Действительно, пусть даже борта корабля высоко подняты над поверхностью моря, но, если в них есть какие-либо незадраенные, т. е. не закрытые плотно, отверстия, запас плавучести резко снижается.

А. Н. Крылов отмечал, что иногда даже нужно искусственно уменьшать запас плавучести. В наше время каждый большой корабль разделен на водонепроницаемые отсеки. Попав в поврежденный отсек, вода может придать кораблю опасный крен. Пожертвовав некоторым запасом плавучести и затопив подводные отсеки другого борта, можно сохранить поврежденный корабль на плаву. Еще в 1904 г. А. Н. Крылов разработал для некоторых типов военных кораблей таблицы непотопляемости. Но царское адмиралтейство не осуществило предложение ученого.

Инженер броненосца «Орел» В. П. Костенко, знакомый с таблицами Крылова, по своей инициативе устроил на корабле систему выравнивания. И во время Цусимского боя, несмотря на тяжелые повреждения, этот корабль оставался на плаву. А получившие такие же повреждения броненосцы «Александр III», «Бородино», «Суворов» опрокинулись и затонули.

АТОМНЫЙ ЛЕДОКОЛ «ЛЕНИН»

В нашей стране за годы Советской власти «создан сильный Военно-Морской Флот, в строительстве которого активное участие принимал А. Н. Крылов. Наши торговые суда бороздят все океаны мира, а на севере СССР работает самый мощный в мире ледокольный флот.

В 1959 г. в СССР вступил в строй первый атомный ледокол «Ленин», ставший флагманом Полярного флота. Это один из самых замечательных кораблей нашего времени (см. в т. 5 статьи «Водный транспорт», «Атом на службе человека»).

У ледокола «Ленин» большое водоизмещение — 16 тыс.т. Энергетическое сердце корабля — три мощных атомных реактора. Их суточная потребность в топливе — несколько десятков... граммов ядерного горючего. Без остановок

ледокол может продвигаться во льдах двухметровой толщины. Атомный ледокол продлил навигацию по Северному морскому пути почти в два раза.

В конструкции атомохода была использована и разработанная акад. А. Н. Крыловым теория непотопляемости. Одиннадцать водонепроницаемых переборок сохранят корабль на плаву даже в том случае, если будут затоплены два главных отсека.

На самом ли деле ледокол колет лед? Нет, это представление неверно. Корпусу ледокола придана такая форма, что нос его с разгона въезжает на лед, ломает и продавливает его.

КАК ДВИЖЕТСЯ КОРАБЛЬ?

Примерно 160 лет назад Роберт Фультон впервые предложил установить на корабле паровую машину. «Когда я строил в Нью-Йорке свой первый пароход,— вспоминал он впоследствии,— люди отнеслись к моему замыслу презрительно, как к фантастической затее».

Еще совсем недавно основным типом кораблей были пароходы, сжигающие в топках своих паровых котлов каменный уголь. Паровая машина приводила в действие колеса или винт. Первым пароходам не хватало взятого на борт угля, чтобы пересечь Атлантику.

Парусные корабли из эскадры адмирала Ушакова.

Корабль с паровым двигателем.

На большинстве современных кораблей установлены дизельные двигатели, вырабатывающие электроэнергию. Вал винта приводится в действие электромотором. На ледоколе «Ленин» и американском грузо-пассажирском судне «Саванна» установлены атомные двигатели, позволяющие им совершать дальние плавания без пополнения запасов топлива — 1 кг урана им хватает на целый месяц плавания. Американские подводные лодки совершали кругосветные плавания, не пополняя запасы топлива.

Ходовой винт корабля, вращаясь в воде, создает усилие тяги. Корабль медленно набирает скорость. При движении с постоянной скоростью корабль рассекает воду и испытывает ее сопротивление. Сила этого сопротивления зависит от скорости корабля, от формы и величины его корпуса. Чем уже корабль, чем плавнее его «обводы», тем большую скорость он развивает при той же мощности двигателей. Поэтому у скоростных кораблей вытянутая стреловидная форма.

Вся мощность двигателя при движении корабля расходуется, чтобы преодолеть сопротивление воды. Но чтобы увеличить скорость корабля в 2 раза, мощность двигателей и запасы топлива должны быть увеличены уже в 4 раза. Скорости современных пассажирских и военных судов достигают 40 узлов (узел — 1,852 км/час). При дальнейшем увеличении скорости двигатель и запас топлива заняли бы все водоизмещение судна, не оставив места для пассажиров и полезного груза.

Древние мореплаватели использовали для движения кораблей энергию ветра. На парусниках водоизмещением едва в 500 т Колумб достиг Америки, а Магеллан обогнул земной шар.

Еще 100 лет назад, в Крымской войне, участвовали парусные стопушечные корабли водоизмещением в несколько тысяч тонн!

Но парусник всегда зависел от капризов погоды. В наше время парусные суда исполь-

Военный корабль с дизельными двигателями.

зуются в основном для спорта, подготовки моряков, рыбного промысла и для научных экспедиций. Советское парусное судно «Заря» оснащено специальной аппаратурой для измерения магнитного поля Земли. Чтобы не мешать показаниям этих приборов, на судне нет ни одной железной детали.

Парусное судно может двигаться даже против ветра, используя его силу. Это кажется удивительным: судно перемещается по ломаной линии. Такой способ движения называется лавировкой. Если при таком движении ветер дует справа, то говорят, что судно идет правым галсом; если слева — то левым галсом. Чтобы парусник мог лавировать, у него должен быть большой и тяжелый киль. Тяжесть повышает остойчивость при боковом ветре; большая площадь киля создает большое сопротивление при боковом смещении судна; сопротивление движению вперед у него в сотни раз меньше, чем в боковом направлении.

Рассмотрим лавировку на примере яхты (рис. И). Сила ветра ОА создает силу O В, действующую на парус РР₁ . Силу ОС учитывать не нужно, так как ветер совсем не действует на парус, когда он дует вдоль его плоскости.

Разложим теперь силу О B на две силы: одну ОК, движущую судно по направлению киля LL₁ другую — ОМ, перендикулярную к направлению киля; силу ОМ можно не принимать во внимание, так как вода оказывает очень большое сопротивление такому перемещению лодки. Таким образом, очень большая сила О А теряет свою большую составляющую ОС, другая его часть — ОМ давит на киль, но киль не смещается из-за большого сопротивления воды.

Рис. 11. Лавирование парусного судна.

И только небольшая часть силы ОА —в направлении ОК — двигает яхту хоть и наискосок, но все же навстречу ветру. Пройдя немного так, левым галсом, яхтсмен изменит положение паруса, и яхта пойдет правым галсом.

ЗВУК

Кажется, совсем не нужно пояснять, что такое звук. Это то, что мы слышим. Это и нежная мелодия скрипки, и тревожный звон колокола, и грохот грома или водопада, и слова, произносимые человеком... Все это звуки, и потому мы их слышим. Но само физическое явление — звук — существует на Земле помимо человека. В те далекие времена, когда на Земле не было не только людей, но и простейших живых организмов, гремели грозовые раскаты грома, грохотали водопады, земную кору потрясали невиданные землетрясения. Но эти звуки никто не слышал, потому что некому

было их слышать. Природа щедра, но ничего она не делает даром, без нужды. И если почти всем животным на Земле природа подарила способность воспринимать звуки, значит, им это было необходимо, без этого они не могли бы выжить в борьбе за существование.

С точки зрения физики звук — это возникновение и распространение колебаний в каком-либо веществе, будь то воздух, жидкость или твердое тело. Если бы на Луне были живые существа, слух им не понадобился бы: на Луне нет атмосферы, и в безвоздушном пространстве нечему колебаться, там нет и звука.

Наука доказала, что рыбы вовсе не немы и не глухи, они тоже издают звуки и слышат их, потому что они воспринимают колебания, возникающие в воде. Людям же удается «услышать» их только с помощью специальных приборов.

В твердых телах тоже возникают и распространяются колебания. Землетрясение ощущается не только в том месте, где оно возникло, но за десятки, сотни и даже тысячи километров.

Наш орган слуха — ухо — устроен так, что непосредственно слышит звуки, распространяющиеся не только в воздухе, но и в воде. Если вы приставите к своей голове камертон, звучащий так слабо, что ухо не улавливает его звук, то явственно услышите этот звук через кость: органы внутреннего уха уловят колебания, распространяющиеся в твердом теле.

Излучают звук колеблющиеся тела: струна, камертон (если по ним ударить), колебания воздуха в прорези свистка, колебания голосовых связок и т. п.

Воздух — это смесь газов. Молекулы газов, составляющие воздух, находятся в беспорядочном тепловом движении, беспрерывно сталкиваются друг с другом и разлетаются. За 1 секунду каждая молекула сталкивается с другими миллиарды раз. Скорость их движения достигает 1000 м/сек. Атмосфера существует на Земле только благодаря притяжению планеты; если бы оно исчезло, все молекулы воздуха немедленно улетели бы в межзвездное пространство. Притяжение Земли создает и атмосферное давление. Но молекулы воздуха не падают на Землю, подобно камню, так как они обладают кинетической энергией, беспрерывно обмениваются ею друг с другом, противодействуют сжимающему их давлению. Это значит, что газ обладает упругостью: он сопротивляется сжатию, а когда давление снято, расширяется, занимая весь предоставленный ему объем. Упругостью обладают и жидкости и твердые тела.

В твердых телах и в жидкостях действуют большие силы межмолекулярного притяжения. Их молекулы не могут разойтись на расстояние большее, чем позволяют эти силы. В газах же такие силы очень слабы и их молекулы сближает только внешнее давление.

Упругость воздуха выражается в том, что любое давление на воздух передается им равномерно во все стороны. Поэтому и возможна в воздухе передача упругих волн, т. е. сжатий и разрежений газа, созданных любым посторонним телом.

Из всего многообразия упругих волн звуковыми называют лишь те из них, которые способен воспринимать наш орган слуха. Возникновение, распространение и свойства звуковых волн изучаются специальным разделом физики — акустикой.

ЗВУКОВАЯ ВОЛНА

При вибрации звучащее тело отклоняется от своего положения равновесия попеременно в противоположные стороны. При каждом отклонении оно сжимает одной своей стороной прилегающий к нему воздух, а другой стороной разрежает. С одной его стороны давление воздуха становится чуть больше атмосферного, и настолько же оно уменьшается на противоположной стороне. Разница между давлением в слое сжатия или разрежения и обычным атмосферным давлением называется акустическим или звуковым давлением.

Чередующиеся сжатия и разрежения, созданные вибрирующим телом — источником,— передаются в воздухе благодаря его упругости от слоя к слою, т. е. распространяются от места их возникновения во все стороны. Созданные вибрирующим телом сжатия и разрежения воздуха повторяются, постепенно затухая, в каждой точке пространства, куда достигнет волна.

Физики-акустики умеют измерять свойства звуковой волны. Наибольшее значение в этих измерениях имеет определение величины акустического давления и его частоты, т. е. количества колебаний в одну секунду. Единица этого измерения— герц — названа по имени немецкого ученого Генриха Герца. Герц — частота, при которой в одну секунду происходит одно колебание. Обозначается она гц.

Орган слуха у человека воспринимает упругие волны с частотами от 16 колебаний в секунду до 20 000, т. е. с частотами от 16 до 20 000 гц (20 кгц) Волны с частотами меньше 16 гц называют инфразвуком, с частотами больше 20 кгц — ультразвуком.

Чтобы иметь более полное представление о звуковой волне, нужно, кроме частоты, знать и ее длину — расстояние между ближайшими слоями сжатия (или разрежения) — и скорость ее распространения. Все эти величины: частота v, длина l и скорость v — взаимозависимы. Если измерить две из них, можно найти и тре-

тью. Их зависимость друг от друга можно выразить в простой формуле:

Так как период колебаний, т. е. время, за которое проходит одно колебание, определяется

через частоту T = 1 / v, то связь этих величин

выражается формулой.: l =vT.

Когда над вашим ухом зудит комар, вы слышите звуки очень высокого тона. Их частота превышает 10 000 колебаний в секунду, длина же звуковой волны равна приблизительно 3,3 см.

В мычании быка нет звуков с частотой, большей 30 гц. Наименьшая длина волны такого звука равна примерно 10 м. Остальные звуковые волны в мычании быка длиннее 10 м.

КАК ИЗМЕРИЛИ СКОРОСТЬ ЗВУКА

Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Марсенн. В 1630 г. он провел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблюдателя звуком. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/сек.

Спустя полвека английский ученый Исаак Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и зависимости объема газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля—Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Марсенна. Когда теория противоречит опыту, следует искать, где же ошибка. Ее начали искать и в теоретических рассуждениях Ньютона, и в опыте Марсенна.

В 1738 г. французская Академия наук повторила измерение скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду, что соответствует 337 м/сек. Несовпадение с опытом Марсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат повторного опыта не соответствовал теоретической формуле Ньютона.

В 1808 г. французский ученый Пуассон выяснил, что закономерность, обнаруженная Бойлем и Мариоттом (именно она была положена в основу расчетов Ньютона), неприменима для описания, как распространяется звук в воздухе. Этот закон справедлив лишь в том случае, когда объем газа изменяется медленно — так, что сжимаемый газ отдает среде, которая его окружает, возникающее в нем тепло; или, наоборот, так, что медленно расширяющийся газ успевает нагреваться от окружающей среды. Следовательно, постоянство температуры воздуха (основное условие закона Бойля—Мариотта) может быть сохранено лишь в изотермических условиях, т. е. при свободном теплообмене между сжимаемым газом и окружающей этот газ средой.

Именно этих условий и нет в звуковой волне. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние

между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. Давление и объем изменяются в соседних слоях без теплообмена и, следовательно, при изменяющейся температуре. Физические процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. В адиабатическом процессе сжимаемый газ нагревается (вспомните, как нагревается велосипедный насос, если очень быстро накачивать шину), а расширяющийся — охлаждается.

Различие между расширениями газа в изотермических и адиабатических условиях позволило французскому ученому Лапласу объяснить, почему скорость звука, вычисленная по формуле Ньютона, не совпадает с результатом опыта: колебания звукового давления в воздухе происходят в адиабатических, а не в изотермических условиях.

В 1822 г. близ Парижа вновь были поставлены опыты. В них участвовали ученые: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе при 0°Ц она равна 331,5 м/сек, а при 20°Ц — 344 м/сек.

При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярный вес. При 0°Ц скорость звука:

в водороде — 1284 м/сек,

в гелии — 965 м/сек,

в азоте — 334 м/сек,

в кислороде— 316 м/сек.

В воде, упругость которой больше, чем у воздуха, звук распространяется при 20°Ц со скоростью 1484 м/сек. Упругость твердых тел больше, чем жидкости. В алюминии, железе, стали скорость звука равна примерно 5000 м/сек.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА

Звук распространяется от звучащего тела равномерно во все стороны, если на его пути нет никаких препятствий. Но не всякое препятствие может ограничить его распространение. От звука нельзя загородиться небольшим листом картона, как от пучка света. Звуковые волны, как и всякие волны, способны огибать препятствия, «не замечать» их, если их размеры меньше, чем длина волны. Длина слышимых в воздухе звуковых волн колеблется от 15 м до 0,015 м. Если у препятствий на их пути меньшие размеры (например, у древесных стволов в редколесье), то волны их просто огибают. Препятствие же больших размеров (стена дома, скала) отражает звуковые волны по тому же закону, что и световые: угол падения равен углу отражения. Эхо — это отражение звука от препятствий.

Своеобразно переходит звук из одной среды в другую. Явление это довольно сложное, но оно подчиняется общему правилу: звук не переходит из одной среды в другую, если их плотности резко отличны, например из воды в воздух. Достигая границы этих сред, он почти полностью отражается. Очень незначительная часть его энергии уходит на вибрацию

Так была впервые измерена скорость звука.

Оба колокольчика излучают звуковые волны с одинаковой частотой. Длина волны больше в той среде, где она распространяется с большей скоростью.

поверхностных слоев другой среды. Погрузив голову под самую поверхность реки, вы еще услышите громкие звуки, на глубине же в 1 м уже ничего не услышите. Рыбы не слышат звук, раздающийся над поверхностью моря, но звук от тела, вибрирующего в воде, они слышат хорошо.

Через тонкие стенки звук слышен потому, что он заставляет их колебаться, и они как бы воспроизводят звук уже в другой комнате. Хорошие звукоизоляционные материалы — вата, ворсистые ковры, стены из пенобетона или пористой сухой штукатурки — как раз тем и отличаются, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твердым телом. Проходя через каждую из таких поверхностей, звук многократно отражается. Но, кроме того, и сама среда, в которой звук распространяется, поглощает его. Один и тот же звук слышен лучше и дальше в чистом воздухе, чем в тумане, где его поглощают поверхности раздела между воздухом и капельками воды.

По-разному поглощаются в воздухе звуковые волны различной частоты. Сильнее — звуки высокие, меньше — низкие, такие, например, как бас. Именно поэтому пароходный гудок издает такой низкий звук (частота его не более 50 гц) : низкий звук слышен на большем расстоянии.. Большой колокол в Московском Кремле, когда он еще висел на колокольне «Иван Великий», был слышен за 30 верст — он гудел тоном примерно в 30 гц (фа субоктавы). Еще меньше поглощаются инфразвуки, особенно в воде. Рыбы слышат их за десятки и сотни километров. А вот ультразвук поглощается

очень быстро: ультразвук с частотой в 1 Мгц ослабляется в воздухе вдвое на расстоянии 2 см, тогда как звук в 10 кгц ослабляется вдвое на 2200 м.

ЭНЕРГИЯ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ И СИЛА ЗВУКА

Хаотическое движение частиц вещества (в том числе и молекул воздуха) называют тепловым. Когда в воздухе распространяется звуковая волна, его частицы приобретают, кроме теплового, еще и дополнительное движение — колебательное. Энергию для такого движения дает частицам воздуха вибрирующее тело (источник звука); пока оно колеблется, энергия беспрерывно передается от него в окружающий воздух. Чем дальше пройдет звуковая волна, тем слабее она становится, тем меньше в ней энергии. То же самое происходит со звуковой волной и в любой другой упругой среде — в жидкости, в металле.

Звук распространяется равномерно во все стороны, и в каждый момент слои сжатого воздуха, возникшие от одного импульса, образуют как бы поверхность шара, в центре которого находится звучащее тело. Радиус и поверхность такого «шара» беспрерывно растут. Одно и то же количество энергии приходится на все большую и большую поверхность «шара». Поверхность шара пропорциональна квадрату радиуса, поэтому количество энергии звуковой волны, проходящей, допустим, через квадратный метр поверхности, обратно пропорционально квад-

рату расстояния от звучащего тела. Следовательно, на расстоянии звук становится слабее. Русский ученый Н. А. Умов ввел в науку понятие поток плотности энергии. Величиной потока энергии удобно измерять и силу (интенсивность) звука. Поток плотности энергии в звуковой волне — это количество энергии, которое проходит за секунду через единицу поверхности, перпендикулярной направлению волны. Чем больше поток плотности энергии, тем больше сила звука. Измеряется поток энергии в ваттах на квадратный метр ( вт/м²).

ЭНЕРГИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГОЛОСА

Голосовой аппарат человека, как и любой источник звука, передает энергию в окружающую среду, но эта энергия очень мала. Представьте себе, что вы на стадионе, где одновременно говорят и кричат 100 000 человек. Если превратить поток энергии этих голосов в энергию электрическую, то ее едва хватит на лампочку маленького электрического фонарика. Мощность одновременного разговора всех людей на земном шаре едва ли больше мощности автомобиля «Москвич».

Уже давно придуманы устройства, позволяющие слышать голос на далеком расстоянии. Благодаря свойству отражаться от препятствий звуковые волны можно специальными устройствами направлять в определенную сторону, подобно лучу прожектора.

Желая окликнуть кого-либо, находящегося в отдалении, мы обычно подносим ко рту ладони и тем самым направляем поток звуковой энергии в нужную нам сторону. По этому же принципу устроен рупор. Он создает направленную звуковую волну так, что поток ее энергии

не рассеивается во все стороны, а концентрируется в одном направлении.

Греческий полководец Александр Македонский пользовался во время сражений рупором. В грохоте боя трудно было бы слышать слова команды, но, если отдавать ее через рупор, она хорошо слышна и на большом расстоянии.

Рупор полководца.

НАШЕ УХО

В органе слуха различают наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо — это ушная раковина и начало слухового прохода до барабанной перепонки. За ней — область среднего уха: полость, заполненная воздухом, и три слуховые косточки. Первая из них, молоточек, одним концом сочленена с барабанной перепонкой, другим — со второй косточкой —

Органы слухового аппарата у человека: 1 — ушная раковина; 2 — наружный слуховой проход; 3 — барабанная перепонка; 4 — барабанная полость; 5 — молоточек; 6 — наковальня; 7 — стремя; 8 — евстахиева труба; 9 — полукружные каналы; 10 — улитка; 11 — слуховой нерв; 12 — височная кость.

наковальней. Наковальня соединена с третьей косточкой — стременем, которое упирается в перепонку, отделяющую среднее ухо от внутреннего. Молоточек, наковальня и стремя — это своеобразный рычажный механизм, передающий колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо. Внутреннее ухо ( лабиринт)— это полость, свернутая улиткой и наполненная жидкостью. Внутри лабиринта есть мембрана, соприкасающаяся c о слуховыми нервами.

При тишине давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаково и она находится в состоянии покоя. Когда же в наружном ухе давление воздуха увеличивается, барабанная перепонка прогибается внутрь. При этом воздух, находящийся в среднем ухе, сжимается. Если давление воздуха в наружном ухе уменьшается, упругий воздух в среднем ухе прогибает барабанную перепонку в область наружного уха.

Любое периодическое изменение акустического давления в пределах от 16 гц до 20 кгц приводит к периодическим колебаниям барабанной перепонки. Ее колебания передаются

молоточку, наковальне и стремени. Стремя передает колебания перепонке, отделяющей внутреннее ухо от среднего. В жидкости лабиринта возникают упругие волны, и они приводят в движение мембрану улитки. Мембрана соприкасается с кончиками нервных корешков, которые передают раздражение в мозг. Эти раздражения и воспринимаются мозгом как звук.

ЗАГАДКА НАШЕГО СЛУХА

Движение в виде волн встречается почти во всех областях физических явлений. Звуковые волны, как и волны в любых других физических явлениях, оказывают переменное во времени давление на предмет, стоящий на их пути.

Благодаря звуковому давлению мы и можем слышать звук. Оно ничтожно. Мы легко улавливаем чуть слышный шорох, хотя его звуковое давление на барабанную перепонку уха равно всего лишь 3•10^-5 н/м², т. е. в 3•10¹⁰ раз меньше давления атмосферного. Такое давление соответствует нагрузке примерно трем десятимиллионным грамма на 1 см². Наше ухо гораздо чувствительнее, чем самые точнейшие химические весы!

Такая чувствительность уха уже сама по себе загадочна. Физиологи рассчитали, исходя из физической упругости барабанной перепонки, на какую величину она смещается под давлением самого слабого звука, который можно еще отчетливо услышать. И получилась трудно понимаемая величина: такой слабый звук прогибает барабанную перепонку на расстояние меньше, чем... размеры атома! Науке еще не вполне ясно, как осуществляется в нашем ухе передача и восприятие столь слабых звуков.

ЕЩЕ БОЛЕЕ УДИВИТЕЛЬНАЯ ЗАГАДКА

Мать, спящая возле больного ребенка, сразу же просыпается в тревоге, если его дыхание изменится. Она чутко слышит и из всех других шумов выделяет изменения в чуть слышных звуках детского дыхания. И то же самое ухо переносит без особого для себя вреда чудовищные раскаты грома, когда человек попадает в центр сильной грозы.

Поток энергии самого слабою звука, который воспринимают люди, обладающие особой остротой слуха, поразительно ничтожен: можно

услышать звук с энергией, равной 10^-12 вт/м². А перестает слышать наше ухо только те звуки, поток энергии которых превышает 10 вт/м². Звук такой интенсивности непереносим — он вызывает ощущение нестерпимой боли.

Способность воспринимать звуки, интенсивность которых различается в 10¹³ раз, — это уже совершенно замечательное и удивительное свойство нашего уха! Измерительная техника не знает такого прибора, которым можно было бы определять величины, различающиеся в десять триллионов раз (10 000 000 000 000). На весах с таким диапазоном чувствительности можно было бы взвесить и камень в один килограмм и небольшую планету.

СЛУХ И ЛОГАРИФМЫ

Только привычка пользоваться своим слухом да недостаточная осведомленность мешают нам удивляться подлинному чуду — устройству нашего уха.

Наше ухо — очень точный прибор. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче и какой обладает большей энергией, даже если их интенсивности близки. А слышать мы можем и шелест листьев, и тиканье часов, и раскаты грома, и грохот водопада. Каждый из этих звуков воспринимается органом слуха, который оценивает его громкость.

Зависимость между энергией воспринимаемого звука и тем ощущением громкости, которое он производит, установлена опытным путем. При этом выяснилось, что изменение громкости звука при изменении потока энергии звуковой волны проще всего оценивать с помощью логарифмов.

Принято считать, что громкость звука изменится на единицу, если его энергия увеличится или уменьшится в 10 раз. Единица громкости— бел (б). Однако для практических оценок громкости звука оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы — децибелом ( дб).

Если энергия первоначального звука Е₀ возрастет в 10 раз, т. е. окажется равной 10 E₀, то громкость воспринимаемого звука увеличится на 10 дб ; энергия вырастет в 100 раз, громкость повысится на 20 дб; в 1000 раз — на 30 дб. Всему необъятному диапазону в изменениях энергии звука, который доступен нашему уху, т. е. изменение примерно в 10 триллионов раз, соответствует изменение в ощущении громкости всего на 13 б, или на 130 дб.

Физики условились принять за начальный уровень отсчета энергию такого слабого звука, который может услышать далеко не каждый человек даже с очень чутким слухом. Энергия такого звука равна E₀ =10^-12 вт/м². С помощью этой величины определяется громкость любого звука. Если его энергия равна Е, то его громкость, выраженная в децибелах, будет 10 lg E / E₀ дб. Даем табличку, в которой показана громкость знакомых всем звуков на расстоянии нескольких метров и соответствующая им энергия потока:

шелест листьев — 10 дб — 10^-11 вт/м²,

тиканье часов —20 дб —10^-10 вт/м²,

мирная беседа — 40 дб — 10^-8 вт/м²,

громкий разговор — 70 дб — 10^-5 вт/м²,

шумная улица — 90 дб — 10^-3 вт/м²,

самолет на старте — 100 дб — 10^-2 вт/м² .

Эта таблица полезна. Пусть она напоминает, что громкий разговор действует на наши уши с энергией в 1000 раз большей, чем мирная беседа. Берегите свои уши и нервы.

ГРОМКОСТЬ ЗВУКА И ЕГО ТОН

Один и тот же звук может восприниматься одним человеком как нормальный, а другим — как громкий. Громкость звука зависит не только от чувствительности уха, но и от психического восприятия. И тем не менее каждый человек воспринимает звук, обладающий большей энергией, как более громкий.

Самый слабый звук с самой малой энергией, воспринимаемый ухом, называют порогом слышимости. Низкие и высокие тона воспринимаются на пороге слышимости по-разному. Чтобы у них была одинаковая громкость, энергия и давление звука должны быть у низких тонов больше, чем у высоких. Тембр звука определяется не только количеством высоких и низких обертонов, но и соотношением их энергий и звуковых давлений.

Очень сильные звуки создают в органах слуха ощущение боли. Звук любого тона имеет болевой порог восприятия. На цветном рисунке у страницы 112 показаны границы слышимости. Область слышимости ограничена двумя кривыми: порога слышимости и порога болевого восприятия. Естественная же область звуковых давлений, воспринимаемых ухом при звучании голоса, показана на этом рисунке штриховкой.

ОТКУДА ПРИШЕЛ ЗВУК?

Вас кто-то окликнул. Услышав голос, вы повернете лицо именно в ту сторону, откуда он донесся. Происходит это потому, что слуховые раздражения приходят в мозг одновременно от обоих ушей только в том случае, если источник звука находится от них на равном расстоянии. Голову мы поворачиваем всегда в ту сторону, откуда звуковое раздражение пришло в мозг хотя бы на сотую долю секунды раньше, чем раздражение, воспринятое другим ухом.

Таким образом, восприятие звука обоими ушами дает возможность определить, в какой стороне от нашего лица находится источник звука. Это свойство нашего слуха называется бинауральным эффектом. Его часто используют в технике, например для стереофонического звучания в кино. При демонстрации стереофонически озвученных фильмов звуки производятся двумя или несколькими динамиками в различных точках кинозала. По такому же принципу устроены и проигрыватели для стереофонических граммофонных пластинок.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

Вы, наверное, замечали, как изменяется звук сирены электропоезда, когда тот проносится мимо платформы, на которой вы стоите. Когда поезд приближается, тон сирены высокий и тревожный; когда же поезд пронесется мимо, ее звук резко меняется: становится более низким, как бы успокаивающим. Сирена создает в воздухе одинаковое количество колебаний и при приближении поезда, и при его удалении, скажем 100 гц. Но, приближаясь к вашему уху, она как бы догоняет свой звук, а удаляясь, как бы «увозит» его с собой.

Скорость звука — 340 м/сек, скорость поезда примем для простоты расчета в 34 м/сек. Предположим, что сирена, приближаясь к вам, гудит 1 сек, за это время она возбудит 100 колебаний; если бы поезд не двигался, вы услышали бы звук с частотой в 100 гц. Но поезд приближается. Допустим, что сирена начала гудеть за 340 м до платформы. Первое из ее колебаний ваш слух уловит ровно через секунду. Но она гудит-то всего 1 сев, и за эту секунду поезд промчится 34 м. Последнее колебание произойдет в 306 м от вас, и вы его

306 услышите через =306/340 сек, т. е. через 0,9 сек. Со вре-

мени, когда вы услышали первое колебание, прошло всего 0,9 сек, так как сирена перестала гудеть, когда вы услышали ее первое колебание. Таким образом, все 100 колебаний вы восприняли за 0,9 сек, а частота услышанного вами

звука стала 100/0.9 гц, т. е. 111 гц. Повторив те

же рассуждения для удаляющегося поезда, мы найдем, что частота звука должна уменьшиться до 91 гц. Разница в частотах звука при приближении и при удалении поезда равна

2/9 от основной частоты — это почти два тона

музыкального ряда. Если бы скрипач взял на промчавшемся поезде ноту ре, то, пока поезд приближается, мы слышали бы ми, а когда поезд уже удаляется — до.

Изменение частоты звука вследствие эффекта Доплера можно подсчитать по формуле:

v = v₀ /(1±u/w),

где u — скорость, с которой движется источник распространяющегося звука, w — скорость звука в воздухе (340 м/сек), v₀ — частота источника звука, v — слышимая частота. Знак «минус» в знаменателе относится к приближающемуся источнику звука, знак «плюс» — к удаляющемуся. (Об эффекте Доплера см. также в ст. «Свет».)

А что будет, если источник звука летит на вас со скоростью звука или даже скорее, чем звук? Когда в небе проносится реактивный самолет, он обгоняет производимый им грохот. Сначала вы увидите летящий низко самолет, а затем уже, когда он скроется за горизонтом, до вас дойдет звук значительно более низкий, чем тот, который можно услышать на аэродроме при старте.

УДАРНАЯ ВОЛНА

Пока самолет летит медленнее звука, все происходит по формуле Доплера: он догоняет свой звук, частоты соответственно изменяются. Как только самолет достиг скорости звука, он начинает двигаться вместе со звуком. Но вот он увеличивает скорость, обгоняет звук. Все звуковые колебания воздуха должны оставаться сзади самолета, в конусе, угол которого тем меньше, чем скорость самолета больше скорости звука.

Но так происходило бы, если бы самолет возбуждал только слабые возмущения в воздушной

среде, такие, как звук. Но самолет — источник очень сильных возмущений. При полете со сверхзвуковой скоростью воздух перед летящим телом уплотняется, и в этом слое воздуха резко возрастают и давление и температура. Этот слой даже удается сфотографировать, настолько в нем отличны и плотность и коэффициент преломления от обычного воздуха. Скорость звука в таком слое тоже меняется, она становится больше скорости самолета. Возникает так называемая ударная волна, она намного обгоняет самолет. Распространяясь, ударная волна затихает, и ее скорость сравнивается с обычной звуковой; следовательно, она уже отстает от самолета.

Иногда в безоблачный день вы слышите будто удар грома. С удивлением ищете в небе грозовое облако, но, приглядевшись, видите вместо него серебристую точку... Это — скоростной самолет, а удар «грома» — остатки его ударной волны, давно уже превратившейся в звуковую. Если такой самолет пролетит на высоте в 20 м вдоль колонны автомобилей, идущих по шоссе, мощная ударная волна разобьет все автомашины и сбросит их остатки в кювет. (О том, как образуется ударная волна, рассказано в ст. «Крылатый полет».)

РЕЗОНАТОРЫ

Чтобы раскачать качели, надо их подталкивать в такт с их движением. Если толкать как попало — не в такт, — сильно раскачать не удастся. То же самое происходит с любыми колебаниями, например со звуковыми волнами, с волнами на воде.

Неподалеку друг от друга поставлены два камертона, настроенные на одну и ту же частоту колебания. Если один из камертонов заставить звучать, его звуковая волна раскачает и другой камертон. Это явление называется резонансом. Прекратив звучание первого камертона, вы можете услышать, что второй некоторое время продолжает звучать. Но камертон, настроенный на другую волну, не отзовется на звучание первого, не будет резонировать.

Резонанс широко используется в акустике. Дека рояля, корпус скрипки, раструб валторны, радиорупор — все это резонаторы. Звук одной только скрипичной струны не слышен будет в концертном зале, его во много раз усиливает резонатор — корпус скрипки. Как резонатор действует и сам концертный зал.

100

Звучащее тело преобразует не всю полученную им энергию в энергию звука. Резонатор увеличивает коэффициент такого преобразования. Корпус скрипки собирает слабые звуки и раскачивает ими основной звук, как качели. Кроме того, резонаторы музыкальных инструментов придают звуку своеобразный тембр, окраску, мягкость звучания своими обертонами.

Но форма наилучшего резонатора остается до сих пор загадкой для науки. Почему в одном зале слышны все звуки, издаваемые скрипкой, а в другом, с такой же кубатурой, некоторые звуковые оттенки пропадают? Почему, слегка изменив форму у корпуса скрипки, можно намного усилить ее звук? Почему скрипки, изготовленные в XVII — XVIII столетиях итальянскими мастерами Амади, Страдивари и Гварнери, сейчас еще пока невозможно превзойти? Все это предстоит разгадать ученым.

МУЗЫКАЛЬНЫЕ ЗВУКИ

Мы с удовольствием слушаем песню, игру пианиста или скрипача, духовой оркестр, играющий в отдалении. Все эти звуки мы называем музыкой. Но редко встречаются люди, которым приятны визг, скрежет, грохот. В науке музыкальным называется тот звук, в котором изменение акустического давления, воспринимаемое ухом, упорядочено и, кроме того, повторяется регулярно, через равные промежутки времени. Звук перестает быть музыкальным, и его называют шумом, если звуковое давление изменяется в нем беспорядочно.

В каждом музыкальном звуке есть тон и тембр. Понятие звуковой тон ввел в акустику Галилео Галилей. Тон звука определяется частотой, с которой изменяется давление в звуковой волне. Небольшая частота колебаний соответствует низкому тону, большая частота колебаний — высокому тону.

Если бы вибрирующие тела создавали при звучании в каждый момент только один тон, мы не смогли бы отличать голос одного человека от голоса другого, а все музыкальные инструменты звучали бы для нас одинаково. Всякое вибрирующее тело создает одновременно звуки нескольких тонов и при этом различной силы. Самый низкий из них называют основным тоном; более высокие тона, сопровождающие основной, — обертонами. В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Каждому музыкальному инструменту, каждому человеческому голосу присущ свой тембр, своя «окраска» звука. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. Чем больше их в звучании основного тона, тем приятнее тембр звука.

Ухо человека способно анализировать звук, т. е. разбираться в совокупности тонов и обертонов, и это позволяет ему отличать один тембр от другого.

Если высокие обертоны преобладают в человеческом голосе над низкими, говорят, что в голосе «слышится звучание металла». Когда же преобладают низкие обертоны, голос назы-

У гармонических колебаний а б и в различные амплитуды, а их частоты относятся как 1:3:5. При одновременном звучании они слагаются и образуют сложное периодическое колебание г .

101

Человеческий голос — это сложное колебание, состоящее из многих простых колебаний различного тона и громкости: А — гласная «а», произнесенная мужским голосом, основная частота — 200 колебаний в секунду; Б — гласная «и», высокий голос девочки, основная частота — 350 колебаний в секунду; В — это тоже «и», только произнесенное низким женским голосом, основная частота —250 колебаний в секунду; Г — так построена волна «беззвучной» согласной «с», ее частота — около 6000 колебаний в секунду.

вают «мягким», «бархатистым». При этом нельзя упускать из виду, что восприятие голоса слухом зависит не только от частоты колебаний и силы звука, не только от тонов и обертонов, но и от чувствительности уха к тонам различной высоты.

МУЗЫКАЛЬНЫЕ СОЗВУЧИЯ

В музыкальных произведениях — симфониях, концертах, сонатах — одновременно звучит не один тон, а несколько, и каждый из них сопровождается своими обертонами. Такое явление называется созвучием.

Самое простое созвучие — одновременное звучание двух тонов. У каждого из них своя частота колебаний. Отношение двух таких частот называют интервалом. Если это отношение равно 1:1, интервал будет унисоном. Отношение 1:2 — октава, 2:3— квинта, 3:4— кварта, 4:5 — большая терция, 5:6 — малая терция.

Если частоты двух тонов очень мало отличаются друг от друга, их совместное звучание создает своеобразное завывание — «биение»: совместное звучание периодически то усиливается, то ослабляется. Количество усилений в одну секунду называют частотой биений. Если частота биений не больше четырех в секунду, они не мешают слуховому восприятию. Если же частота достигает трех десятков (и особенно тридцати трех), звуковое ощущение нестерпимо. Однако при большой частоте (около 130 в секунду) влияние биений на ощущение слуха исчезает.

При звучании струн скрипки, виолончели, рояля всегда слышны, кроме основного тона, верхние обертоны. Предположим, что одновременно звучат две струны, их основные частоты— 200 и 400 гц и у каждой струны 5 обертонов.

Одна и та же нота — во первой октавы — звучит на разных музыкальных инструментах по-разному. Различие зависит от тембра, который придается ноте инструментом: I — так волна этой ноты выглядит, когда ее воспроизводят на кларнете; II — та же нота, воспроизведенная на пианино; III — до первой октавы на скрипке.

102

У первой струны:

основной тон — 200 гц,

первый обертон — 400 гц,

второй обертон — 600 гц

третий обертон — 800 гц,

четвертый обертон— 1000 гц,

пятый обертон — 1200 гц.

У второй струны:

основной тон — 400 гц

первый обертон — 800 гц,

второй обертон — 1200 гц,

третий обертон — 1600 гц,

четвертый обертон— 2000 гц,

пятый обертон — 2400 гц.

Отношение частот у основных тонов равно 1:2, т. е. октава. При совместном звучании обеих струн три тона у них совпадают: 400, 800 и 1200 гц. Чем больше в совместном звучании одинаковых тонов, тем больше сродства в созвучии струн. В этом случае биений нет совсем. Такое созвучие называют консонансом.

Если вторую струну заменить третьей, у которой:

основной тон — 410 гц,

первый обертон — 820 гц,

второй обертон — 1230 гц,

третий обертон — 1640 гц,

четвертый обертон — 2050 гц,

пятый обертон — 2460 гц,

то совместные звучания первой и третьей струн будут давать биения: 400 и 410 гц, 800 и 820 гц, 1200 и 1230 гц. Частота биений — 10, 20 и 30 гц. Октава разрушена, и получился диссонанс, который наше ухо воспримет как неприятное завывание.

Изучение интервалов, которые дают лучшие консонансы, привело к образованию звуковой гаммы, где отношение частот строго определено. Существует много разновидностей гамм,

у большинства из них отношение частот легко изобразить как восходящий или нисходящий ряд, как арифметическую пропорцию. Например, мажорная, или диатоническая, гамма включает тоны, частоты которых относятся как

1:9/8:5/4:4/4:3/3:5/3:15/8

Звук, частота которого 65 гц, называют до большой октавы. Впрочем, в некоторых странах частота до другая, но ненамного отличается от 65 гц. Если мы, например, будем считать, что частота до большой октавы 64 гц, то у до малой октавы частота будет 128 гц, а у до первой октавы — 256 гц.

Если принять до первой октавы за основной тон, то частоты остальных шести тонов диатонической гаммы легко высчитать:

до — 256 гц,

ре — 288 гц,

ми — 320 гц,

фа — 341,33 гц,

соль — 384 гц,

ля — 426,66 гц,

си — 480 гц.

Эти частоты колебаний соответствуют произвольно определенной частоте для до большой октавы — 64 гц. На практике рассчитывают тоны диатонической гаммы по частоте колебаний ля первой октавы. До недавнего времени частоту для этого ля определяли в 435 гц. Теперь принято считать ля первой октавы звуком с частотой 440 гц. Этот звук можно услышать по радио, когда передают сигналы для настройки музыкальных инструментов. Впрочем, для музыки важно не точное количество колебаний для того или иного звука, а соотношение частот, т. е. величина интервала.

Клавиатура фортепьяно.

103

ОБОЗНАЧЕНИЕ МУЗЫКАЛЬНЫХ ЗВУКОВ

В глубокой древности звуки мелодий записывали буквами, в средние века — особыми значками, невмами, которые приблизительно указывали повышение и понижение тонов. Для более точного определения высоты тона к невмам стали приписывать цветные черточки. Невмами записывали только вокальные мелодии, но эта запись лишь приблизительно указывала певцу последовательность повышений и понижений тона. В XI в. итальянец Гвидо д'Ареццо изобрел более точную систему записи звуков на четырех линейках. Он же дал названия для большинства современных нот. Только в XIV в. появилась запись нот на пяти линейках — нотоносцах. Кроме пяти основных линеек, применяют 5 добавочных вверху и 5 внизу. Ноты записываются на линейках и между ними. Что означают линейки, указывает ключ, который находится слева на основных линейках. Для фортепьянной музыки характерны два ключа— скрипичный и басовый. Для записи хоровой и оркестровой музыки существуют и другие ключи: до, соль, фа.

Мелодия, записанная современными нотами и невмами.

Основные линейки в нотной записи разбиты на равные части, так называемые такты. Они определяют длительность звучания. Размерность музыкального произведения и его тональность указаны рядом с ключом. Нотами обозначают только основной звук. Обертоны, определяющие тембр, окраску звука, зависят от музыкального инструмента.

ПЕРЕДАЧА ЗВУКОВ НА РАССТОЯНИЕ И ЗАПИСЬ ЗВУКОВ

Читая книгу вслух, мы воспринимаем не голос автора, а только смысл его речи, воспроизводим его мысли. Нотная запись подобна словам, изображенным буквами, вернее, подобна

Первый телефон Белла: 1 — якорь электромагнита; 2 — электромагнит; 3 — слуховая раковина (амбушюр); 4 — заземление; 5 — гальванический элемент.

фонетической транскрипции, которая применяется при изучении иностранных языков.

Ученые очень давно искали способы записывать живую человеческую речь и не читаемую, а слышимую музыку. Одновременно шли поиски передачи звуков за пределы прямой слышимости.

Оптический телеграф, передающий на такие расстояния запись слов, был изобретен еще в конце XVIII в. В 1832 г. впервые публично демонстрировался действующий электрический телеграф.

К 1855 г. относятся первые попытки передачи изображений по телеграфу. А непосредственные передача и запись звуков стали возможными только в последней четверти прошлого столетия. Первым предложил наиболее простой способ передачи звуков с помощью электромагнитной индукции американский физик А. Белл. Его изобретение — телефон — было зарегистрировано в 1876 г.

Намотав изолированную проволоку на железный сердечник и поднеся к такой катушке камертон, Белл обнаружил, что в проволоке возникает переменный ток. Это происходит потому, что колеблющаяся ножка камертона изменяет магнитное поле сердечника. Белл соединил концы обмоток у двух таких катушек и установил на обоих сердечниках по камертону. Когда один из камертонов возбуждал в своей катушке ток, намагничивался сердечник и в другой катушке. Изменения тока во втором сердечнике заставляли звучать и второй камертон. Но вначале прибор Белла воспроизводил звуки очень неясно. Они были похожи на жужжание. Для улучшения звука Белл воспользовался открытием немецкого физика Хладни, изучавшего колебания пластин.

Повторяя опыты Хладни, Белл заметил, что пластина отзывается и на человеческий голос. Тогда он поместил в своем приборе у сердечников не камертоны, а пластины. Одна из

104

них колебалась от воздействия голоса. Ее колебания превращались в импульсы электрического тока и воспроизводились второй пластиной. Но импульсы можно было передавать до проводу на большое расстояние. Изобретенное Беллом устройство действовало на сравнительно небольшом расстоянии и сильно искажало голос. В телефоне Белла для передачи звука использовалась энергия самого человеческого голоса. А она, как мы знаем, чрезвычайно мала, и только с ее помощью передать звуки на очень большое расстояние было нельзя — неизбежны были бы значительные потери энергии. Эти недостатки устранил микрофон, изобретенный Юзом. Его микрофон представлял собой угольный стерженек, заостренные концы которого помещались внутри угольных же чашечек. Звуковые волны изменяли плотность контакта между концами стерженька и чашечками. В цепь телефона и микрофона Юза была включена батарея, мощность которой могла быть как угодно велика. Колебания человеческого голоса то увеличивали, то уменьшали сопротивление угольного стерженька, причем точно в такт со звуковыми колебаниями. Через катушку телефона, также в такт с колебаниями голоса, проходил ток батареи, вызывал колебания мембраны, которая уже преобразовывала их в колебания воздуха, т. е. в звук. Микрофон Юза был как бы краном в электрической цепи батарея — телефон; он позволял проходить току

Хладниевы фигуры.

Первые усовершенствования телефона: Л — телефонная трубка Белла: 1 — слуховая раковина (амбушюр), 2 — мембрана, 3 — постоянный магнит, 4 — проводник, 5 — зажим, 6 — линейный провод; Б — микрофон Юза: а — телефонная трубка Белла, б — угольный стержень, в — угольные колодочки, г — батарея.

через телефон в такт с колебаниями звука перед микрофоном, т. е. был управляющим элементом схемы, подобно современным радиолампам. В этом принципиальное различие микрофонов Юза и Белла.

Почти таким же осталось и до сих пор устройство внутригородского телефона. В междугородней телефонной сети необходимо использовать усилители.

Телефон передавал звук на расстояние, но только по проводам, по которым шел электрический ток. Гигантским шагом вперед было изобретение передачи звуков с помощью электромагнитных радиоволн. Первым использовал эти волны для связи русский физик А. С. Попов. Передача с помощью электромагнитных волн осуществляется на любые расстояния — мы слышим голос наших космонавтов и наверняка услышим голоса людей, высадившихся на других планетах.

Сущность передачи звука с помощью радиоволн заключается в том, что звуковые колебания преобразуются микрофоном в колебания электрического тока. Этими колебаниями (их называют колебаниями низкой частоты) управляет излучение радиоволн с передатчиками (как говорят, модулируют ими радиоволны). Модулированные звуковой частотой радиоволны принимаются радиоприемником, где они усили-

105

Современная конструкция телефонной трубки: 1 — постоянные кольцеобразные магниты; 2 — прокладка; 3 — слуховая раковина; 4 — полюсные надставки; 5 — мембрана; 6 — обмотка; 7 — корпус микротелефона.

Фонограф Эдисона.

Схема первой радиопередачи; предложенная А. С. Поповым: А — передатчик: 1 — ключ, 2 — батарея, 3 — источник высокого переменного напряжения, 4 — передающая антенна; Б — приемник: 5 — приемная антенна, 6 — когерер, 7 — электрический магнит, 8 — элемент, 9 — батарея, 10 — телеграфный аппарат.

ваются, из них «отсеиваются» звуковые колебания, затем они снова усиливаются и преобразуются в слышимые нами звуковые колебания (см. ст. «Радио»).

Почти одновременно с изобретением радиосвязи были найдены способы, как записывать и хранить подлинные звуки. Помните, в старой немецкой сказке барон Мюнхгаузен, путешествуя по России, подобрал на дороге замерзшую дудочку, а в теплой избе из нее полились оттаявшие звуки. Такая сказочная мечта сбылась в начале нашего века. Впервые ее осуществил Эдисон. Справедливости ради следует отметить, что изобретение это могло быть сделано за сотню лет до Эдисона — развитие физики уже тогда было для этого достаточным. Но чтобы открыть не замеченное когда-то, понадобился гений Эдисона.

Эдисон воспользовался свойством тонкой металлической пластинки воспринимать колебания окружающей среды. На такой пластинке Эдисон укрепил иглу из сапфира. Она едва касалась цилиндра, покрытого оловянным листом. При вращении цилиндра игла слегка царапала его поверхность, а сам цилиндр смещался вдоль своей оси. Таким образом, игла процарапывала на цилиндре спираль. Пластинка под действием звуковой волны колебалась и с различной силой прижимала иглу к цилиндру. Так звуки записывались на цилиндр. Чтобы воспроизвести их снова, достаточно было поместить иглу в начале спирали и с той же скоростью вращать цилиндр. Игла, скользя по борозде, заставляла пластинку воспроизводить звуковые колебания.

При дальнейшем усовершенствовании фонографа олово на поверхности цилиндра заменили воском. Затем цилиндр заменили плоской восковой пластинкой, на которую борозда также наносилась по спирали, но колебания иглы шли не в глубину борозды, а по ее ширине. Этот прибор был назван граммофоном. У него было огромное преимущество перед фонографом: стало возможным копировать запись звуков с восковых пластинок на пластмассовые.

В наше время звук записывается на дисках из мягкого, воскообразного вещества. С этого диска методом гальванопластики снимается металлическая копия, и уже на копии штампуются пластмассовые пластинки. Так можно получить много экземпляров одной и той же звукозаписи.

Записывать звук можно и с помощью света. Для этого использовано несколько различных природных явлений.

106

Схема механической записи звука: 1 — мембрана; 2 — резец; 3 — звуковая дорожка; 4 — диск; 5 — рупор.

В зависимости от силы света, падающего на эмульсию фотопленки, на ней после проявления получаются то совсем непрозрачные, то лишь затемненные и даже совершенно прозрачные места. На это и обратили внимание физики, когда искали способ записывать звук светом. Звуковые колебания надо было превратить в колебания электрического тока, питающего, скажем, электролампочку. Микрофон включили в цепь лампочки и ее мигающим светом стали освещать движущуюся в приборе фотопленку. После проявления негатива на пленке оказалась светлая полоса с неравномерной прозрачностью. Где света попало больше, полоса была темнее, где меньше — светлее. На позитивной пленке изображение света и тени оказалось на черной полосе — на так называемой звуковой дорожке. Это и была «фотография» звука.

Чтобы «фотография» зазвучала, через движущуюся пленку пропускают пучок света от лампочки с постоянной яркостью. Так как

Схема воспроизведения звука с кинопленки. Справа — звуковая дорожка.

прозрачность полосы на пленке различна, то и проходящий через нее свет становится то ярче, то тусклее. Мигающий свет превращают в ток с помощью фотоэлемента. Сущность фотоэффекта, используемого в фотоэлементе, состоит в том, что свет способен выбивать из некоторых металлов электроны. При этом, если осветить пластинку, например, из цезия, она заряжается положительно, а в пространстве над нею появляются свободные переносчики электрического тока — электроны.

На основе этого явления создан прибор — фотоэлемент. Первые фотоэлементы были похожи на электроскоп. В стеклянном сосуде укреплены две металлические пластинки: одна соединена с отрицательным полюсом электрической батареи, другая — с положительным. Под действием света из отрицательно заряженной пластинки вырываются электроны, которые притягиваются другой пластинкой. Гальванометром можно установить, что величина тока в цепи изменяется в зависимости от интенсивности света, падающего на отрицательно заряженную пластинку. Узкий пучок света проходит через звуковую дорожку на фотоэлемент. Вызванный им электрический ток идет по обмотке электромагнита. И тот с различной силой (в зависимости от яркости упавшего на элемент света) притягивает мембрану и заставляет ее воспроизводить звуковые колебания.

Запись звука светом применяется в кино. Звуковая дорожка находится на краю киноленты: свет, проходящий через нее, направляется не на экран, а на фотоэлемент.

Вместо фотоэлемента, описанного выше, можно поставить фотосопротивление. В зависимости от силы света (освещенности) оно может изменять свое электрическое сопротивление и пропускать через себя то больший, то меньший ток.

Сравнительно недавно удалось получить магнитную запись звука. Для этого использовали электромагнитную индукцию. На тонкой алюминиевой мембране укреплена между полюсами постоянного магнита легкая проволочная катушка. Мембрана, совершая звуковые колебания, приводит катушку в движение и возбуждает в ней индукционный ток. Этот ток подается на обмотку электромагнита; перед ним протягивается железная проволока или пластмассовая

107

Запись звука на магнитной ленте.

лента, в состав которой входит тончайший порошок железа или другого ферромагнетика. Проволока или лента намагничивается тем сильнее, чем больший ток возбужден в катушке звуком.

Чтобы воспроизвести по такой записи звук, надо протянуть ленту с той же скоростью вблизи электромагнита. Произойдет обратный процесс. В обмотке возникает ток, изменяющий свою величину в зависимости от намагниченности ленты. После усиления этот ток пропускают через обмотку другого электромагнита, который заставляет мембрану совершать колебания, и звук воспроизводится.

У магнитной записи немало преимуществ перед световой. Когда звук записан светом, фотопленку надо проявить и отпечатать. Снять запись с фотопленки уже нельзя. Магнитную запись можно тотчас же прослушать, а затем стереть ее с пленки. Для этого достаточно протянуть пленку около магнита, по которому течет быстропеременный ток. Пленка многократно перемагнитится, следы записанного звука исчезнут, и пленка пригодна для новой записи.

Чтобы записывать и воспроизводить звук, создан удобный прибор — магнитофон и специальная пластмассовая пленка, содержащая мелкозернистый ферромагнитный порошок. Магнитная запись широко применяется в радиопередачах. Многое из того, что передается по радио, удобнее предварительно записать на магнитофонную пленку, а затем уже воспроизвести перед микрофоном для передачи в эфир.

НЕСЛЫШИМЫЕ «ЗВУКИ»

Колебания с частотой менее 16 гц не воспринимаются нашим слухом — это инфразвук. Не слышны также колебания с частотой более 20 000 гц — это ультразвук. Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков

для самых различных частот, обнаружилось, что инфра- и ультразвуки распространены в природе так же широко, как и звуки слышимые. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют их для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кгц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, неслышимую людьми. Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. В море были обнаружены и слышимые звуки: их издают некоторые рыбы (см. в т. 4 ст. «Звуки моря»). Издает звуки и само море. Их называют «голосом моря». Частота таких звуков меньше 16 гц. Порывистый ветер где-то далеко зарождает шторм, приводит в движение поверхность воды. Сжатие и разрежение морской волны передаются в пространство над водой и порождают инфразвуковые волны.

Инфразвуковое излучение ощущают различные жители моря: медузы, ракообразные существа, морские блохи и гоморусы. Прибрежные животные, услышав «голос моря», прячутся в морской глубине или в водорослях. Еще раньше узнают о приближении шторма морские животные, находящиеся вдали от берега, потому что звук вообще распространяется в воде в 5 раз быстрее, чем в воздухе,— со скоростью 1460 м/сек.

Инфразвук мы не слышим, но можем его ощущать. Иногда в троллейбусе компрессор воздушного тормоза начинает работать ненормально, и пассажиры, хотя и не слышат звук, ощущают боль в ушах. Компрессор издает инфразвук. Обычно инфразвук содержит обертоны, которые мы можем слышать. Например, в грохоте грома основная масса звуковой энергии сосредоточена в инфразвуковой области, мы же слышим в громе только обертоны, более высокие, чем инфразвук.

Инфразвук по сравнению со слышимыми звуками мало поглощается воздухом, потому инфразвуковая волна распространяется на очень далекие расстояния. Приборами улавливаются инфразвуковые волны на большом расстоянии от его источника. Интересно, что на своем пути инфразвук очищается от своих обертонов, так как воздух поглощает их.

Инфразвук имеет большое значение в военном деле. Улавливая его приборами, весьма

108

точно определяют место, откуда действует дальнобойная артиллерия.

В воде инфразвук поглощается также значительно слабее слышимых звуков и потому может быть уловлен за много сотен километров. Это помогает рыболовецким судам быстро находить стаи рыб, издающих инфразвук.

На очень большой морской глубине, куда не проникает свет, живут рыбы, у которых нет зрения. Но они возмещают его способностью издавать ультразвуковые волны и воспринимать эхо от этих волн. Это позволяет им не только ориентироваться при движении, но и охотиться на других рыб.

Ультразвуком пользуется и летучая мышь. Наблюдая ее стремительный полет, невольно ожидаешь, что она вот-вот налетит на ствол дерева или стену здания. Но каждый раз, встречая на пути препятствие, она стремительно взмывает вверх или круто поворачивает в сторону. Исследования естествоиспытателей доказали, что зрение у летучей мыши весьма слабое. Она почти слепа. Но умение пользоваться ультразвуком и его отражением от предметов помогает ей ориентироваться в сложной обстановке и на лету ловить добычу — мелких мошек.

ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА

Чтобы излучатель мог создавать упругие волны ультразвука, частота его колебаний должна превышать 20 000 гц. Такие излучатели открыты уже давно, но применяться стали совсем недавно. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри исследовали свойства кристаллов. Они заметили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на его гранях,

Получение кварцевой пластинки и образование на ней пьезоэлектричества. Основная часть кварцевого кристалла — шестигранная призма, стрелками показаны основные ее кристаллографические оси.

перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани — положительные, на другой — отрицательные. Таким же свойством обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, даже сахара. Заряды на гранях кристалла возникают и при его растяжении. Но на грани, дававшей при сжатии положительный заряд, при растяжении будет отрицательный, и наоборот.

Такое возникновение электрических зарядов на кристаллах было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова «пьезо» — давлю). Кристалл, имеющий такое свойство, называют пьезоэлектриком. В дальнейшем братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим: если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, он либо сожмется, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный и к какой отрицательный заряд.

Пьезоэлектричество впервые было практически применено лишь в мировой войне 1914— 1918 гг. Французский ученый Поль Ланжевен предложил использовать это явление, чтобы обнаруживать подводные лодки. Винт лодки порождает при своем вращении упругие волны. Они распространяются в воде со скоростью 1460 м/сек. Если пьезоэлектрический кристалл, опущенный в воду, окажется на пути ультразвуковой волны, то волна сожмет его грани и на них появятся электрические заряды.

Ланжевен изобрел и излучатель ультразвуковых волн. Пробуя заряжать грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты, он установил, что кристалл совершает при этом колебания в такт изменению напряжения тока. Одна пластинка кристалла излучает ультразвук очень малой мощности. Чтобы получить большую мощность колебаний, Ланжевен составил из многих кварцевых пластинок мозаичный слой. Кварцевую мозаику он вложил между двумя стальными листами. Они и скрепляли ее, и были электродами.

Чтобы увеличить амплитуду колебаний у пластинок кристалла, Ланжевен воспользовался явлением резонанса: если собственная частота колебаний пластинки совпадает с частотой колебаний напряжения на электродах, амплитуда колебаний на пластинке резко возрастает. Исследования Ланжевена дали возможность изготовлять кварцевые излучатели ультразвука различных частот.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают не только кристаллы, но и керамика из титаната

109

Магнитострикционные излучатели.

бария. У керамических излучателей много преимуществ перед кварцевыми. Им можно придавать любые размеры и любую форму. Ультразвук можно получать и другим способом. Еще в 1847 г. физик Джоуль, изучая магнитные свойства металлов, обнаружил, что железные и никелевые стержни изменяют свои размеры при перемагничивании электрическим током. Когда направление тока в обмотке изменяется, стержень то уменьшается, то увеличивается в такт изменениям в направлении тока. В окружающей среде при этом возбуждаются упругие волны, частота которых определяется колебаниями стержня. Это явление было названо магнитострикцией (от латинского слова «стриктус» — сжатие).

ЗВУК НА СЛУЖБЕ У ЧЕЛОВЕКА

Физические явления изучаются не только для того, чтобы понять их сущность, но и для того, чтобы научиться ими управлять, чтобы с их помощью бороться со стихиями природы. Так действовал человек всегда со времен возникновения человеческого общества.

Одно из первых явлений природы, которое человек наблюдал, которое стремился понять,— это эхо. Очевидно, еще в раннем, каменном веке человек научился пользоваться этим явлением для ориентировки в горной местности.

Отражение звука от препятствий во многом похоже на полет мяча, брошенного на землю или на стену. Угол его падения равен углу отражения. В горном ущелье мы слышим многократное эхо. Это значит, что к нам приходят звуки, отраженные от нескольких скал. Если в горах крикнуть и отметить время до прихода эха, то легко определить расстояние до места, от которого звук был отражен. Для этого достаточно умножить скорость звука на засеченное время и это произведение разделить на два, так как за это время звук прошел «туда» и «обратно».

В 1887—1889 гг. звук впервые был применен для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучавший под водой. Результаты опытов не были утешительными: звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо, еле слышное в общем шуме моря.

Колокол использовали для предупреждения кораблей во время тумана. Он звонил под водой в центре опасной при тумане бухты. Корабли, направляющиеся в гавань, опускали по бортам слуховые трубы, похожие на уши. Но звучание колокола оказалось и для этого слишком слабым.

Значительно сильнее звук дает сирена — вращающийся диск с отверстиями, через которые продувают струю воздуха. Колокол заменили сиреной.

К измерению глубины моря с помощью эха вернулись несколько лет спустя. В 1912 г. был сконструирован специальный прибор — эхолот. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, звук взрыва после его отражения от дна принимался на другом борту. Эхолотом можно было измерять глубины до 150 м. Эхолотом был заменен менее совершенный прибор — лот (канат с грузом на конце и метками длины).

Вскоре произошло событие, расширившее применение эхолота. В Атлантическом океане в сильный туман корабль-гигант «Титаник» столкнулся на полном ходу с огромным айсбергом. Корабль очень быстро затонул. С тех пор для обнаружения препятствий на пути кораблей стали пользоваться эхолотом. Его повернули из вертикального положения в горизонтальное. Зрение лоцмана, когда не видно ни зги, стали заменять эхолотом.

В наше время эхолот усовершенствован и называется уже гидролокатором. Он действует по

Принцип работы сирены.

110

Запись рельефа дна с помощью ультразвукового эхолота.

тому же принципу ультразвуковыми волнами: ультразвуковой луч, посланный излучателем, отражается от препятствия, возвращается обратно и улавливается звукоприемником. Посылая звук, регистрируют время. Зная, с какой скоростью распространяется ультразвук в воде, можно определить расстояние до препятствия и даже его форму. С помощью гидролокатора было найдено много затонувших кораблей. Усовершенствованный гидролокатор излучает ультразвук не непрерывно, а через определенные промежутки времени. Эхо улавливается несколькими приемниками, отстоящими друг от друга на некотором расстоянии. Все это позволяет более точно определить место препятствия перед кораблем или очертания морского дна.

Широко применяется ультразвук в металлургии. Он хорошо распространяется в металлах, и ультразвуковое эхо используется для определения качества металлических изделий. Если в таком изделии есть инородные вкрапления (раковины), ультразвуковой луч отражается от них, как от препятствия. Сконструирован специальный прибор — ультразвуковой дефектоскоп. Но этот прибор позволяет обнаружить лишь наличие дефекта и расстояние до него от поверхности изделия. Форму и размеры дефекта можно увидеть с помощью ультразвукового микроскопа. В таком приборе ультразвуковой луч «ощупывает» дефект в металле и дает его изображение на экране электронно-лучевой трубки, похожей на трубку в телевизоре.

Оба эти прибора работают на волнах очень высокой частоты. Зная примерно размеры дефекта, который должен быть обнаружен в металлическом изделии, легко рассчитать частоту волны, могущей его определить. Если приме-

нить ультразвук с самой малой частотой — 20 кгц, то длина его волны в металле (при скорости звука 5000 м/сек) будет:

l =5000/20000= 0,25 м.

Это значит, что волною такой частоты можно измерить дефект, размеры которого не меньше 0,25 м. Звуковые и ультразвуковые волны, так же как и все прочие волны в природе, не отражаются от препятствий с размерами меньшими, чем длина волны. Они их просто огибают. Это явление называется дифракцией.

ВЕЩЕСТВО В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

Звуковая или ультразвуковая волна, распространяясь в веществе, вызывает колебания его частиц. Амплитуда колебаний зависит от силы звука — чем больше сила звука, тем больше амплитуда смещения частиц. Частицы веществ, подвергнутых действию звукового поля большой силы, интенсивно колеблются. Если подвергнуть действию мощного ультразвука две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, то на границе взаимного соприкосновения они начинают интенсивно перемешиваться, как бы проникая друг в друга. При этом образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капелек масла, распределенных в воде. Так получают, например, различные лекарства, а в пищевой промышленности — маргарин, майонез, различные соусы и т. п.

Используется ультразвук и при изготовлении светочувствительных эмульсий для фотопленки и фотобумаги. Он раздробляет зерна бромистого серебра и перемешивает их в каком-либо коллоиде, например в желатине. Чем мельче получаются зерна, тем большее увеличение допускает фотоснимок.

В других случаях ультразвук используют не для раздробления, а чтобы заставить слипнуться мельчайшие частицы, засоряющие жидкость или газ. Это возможно в том случае, если слипшиеся частицы не разрушаются в том же звуковом поле. Если воздух, в котором много пыли — твердых частиц, взвешенных в воздухе (сажи, цемента, золы и т. п.),— подвергнуть мощному воздействию ультразвука (с интенсивностью 0,2—0,5 вт/см² ), мельчайшие твердые частички слипаются друг с другом так прочно, что тот же ультразвук не может преодолеть силы их молекулярного взаимодействия. Образуются крупные частицы, кото-

111

рые уже легко улавливаются фильтрами или просто оседают под действием силы тяжести. Если сфокусированный вогнутым излучателем пучок ультразвуковых волн с частотой от 0,8 до 2 Мгц направить из жидкости вверх, произойдет интересное явление. Мы уже знаем, звуковые волны не могут перейти из более плотной среды (воды) в менее плотную (воздух) — они полностью отразятся от поверхности раздела. При отражении поверхность воды будет испытывать давление. Стена, например, тоже, отражая мяч, испытывает давление. Возникает так называемое давление звукового излучения (не смешивать со звуковым давлением). Оно в сотни и тысячи раз меньше звукового давления, и природа его совершенно другая. Звуковое давление изменяется в каждой точке и распространяется радиально; давление звукового излучения всегда действует в одну сторону, и величина его неизменна, если не меняется сила звука. Давление излучения звука образует на поверхности жидкости своеобразный холм или горб высотой до 50 см (при помощи ультразвука интенсивностью в 50 вт/см²). При этом некоторые жидкости интенсивно распыляются, образуя плотное облако тумана. Жидкость будто кипит. Сущность этого явления очень сложна и связана с образованием капиллярных волн на поверхности жидкости; они подобны морским волнам, только размеры их в миллионы раз меньше — доли микрона. Из гребней этих волн и образуются мельчайшие частички «ультразвукового тумана».

КАВИТАЦИЯ

Применение ультразвука значительно расширилось после того, как было открыто явление кавитации. Уже давно было замечено, что гребные винты морских судов быстро изнашиваются при увеличении числа оборотов. Поверхность хорошо отполированного, не поддающегося ржавлению винта покрывалась мелкими щербинками. Гидродинамические свойства винта, т. е. способность его приводить судно в движение, резко ухудшались. Так же разрушались и лопасти гидротурбин. Причину этого явления удалось установить лишь после того, как обнаружили, что так же разрушается поверхность электродов, нанесенных на кварцевый пьезоэлектрик, если он излучает мощные ультразвуковые колебания.

При работе гребного вала и лопастей гидротурбины создаются в жидкости мощные упругие колебания ультразвуковой частоты. В момент разрежения волны образуются в жидкости разрывы, заполненные растворенным в воде газом, — кавитационные пузырьки. Легче всего они возникают там, где есть частицы воздуха или каких-то примесей. В слое сжатия очень большое давление, оно вызывает кавитацию: разрывы в жидкости исчезают и происходит гидравлический удар. Эти гидравлические удары и разрушают металлическую поверхность винта или лопастей. Удар одного кавитационного пузырька слаб, но на поверхность металла обрушиваются тысячи таких ударов.

Ударная волна сверхзвукового самолета и пастушеский кнут.

Полеты сверхзвуковых самолетов над населенными пунктами строго запрещены. Обычный самолет звуковые волны обгоняют и, распространяясь по всем направлениям, постепенно безобидно затухают. Самолет, летящий со скоростью более 1200 км/час, сам обгоняет свои собственные звуки. Рокот работающих моторов, свист и грохот рассекаемого крыльями воздуха, все звуковые волны сливаются в одну мощную ударную волну, в вершине которой быстрее звука летит самолет.

Достигая земной поверхности, ударная волна приносит много бед: из окон вылетают стекла, рушатся стены, от страшных ударов, сильнее грома, можно навсегда оглохнуть. Поэтому испытания сверхзвуковых самолетов проводят в пустынной местности, где ударные волны не могут причинить вреда.

Но мало кому известно, что грозные ударные звуковые волны давно уже несут скромную, мирную и полезную службу — они помогают стеречь колхозные стада. Хороший кнут пастуха устроен очень разумно и целесообразно.

Многовековой опыт народа воплотил в нем сложный комплекс законов механики. Секрет хорошего кнута в том, что он постепенно к концу становится все тоньше и тоньше и завершается растрепом — легкой кисточкой.

Умелый сильный взмах кнутовищем, и вдоль по веревке кнута побежит короткая волна — изгиб. Кинетическая энергия будет сохраняться неизменной по всей длине пробега. Но к концу кнут тоньше, масса меньше, энергия волны постоянна, следовательно, скорость будет очень быстро и очень сильно возрастать, достигая сверхзвуковых значений. Возникает мощная ударная звуковая волна — резкий и оглушительный, как выстрел, удар кнута. Ударную звуковую волну нередко можно услышать и в цирке. Укротитель с ее помощью приводит к послушанию даже львов.

112

Таблица к статье „Звук"

Диаграмма слышимости звуков. Справа — полный спектр звуков, которые может слышать человек. Внизу в четырех диаграммах этот спектр разделен на отдельные области: 1 — область речи, 8 — область музыки, 3 — область слышимых шумов, 4 — область шумов, причиняющих органу слуха боль, и звуков неслышимых. Стрелками показаны в диаграммах места определенных звуков.

Кавитация, возникающая при работе гребного винта, конечно, вредное явление. Но ее можно сделать и полезной. Кавитацию создают искусственно, например пьезоэлектриками. И тогда удается использовать ее при обработке твердых хрупких материалов — стекла, фарфора, драгоценных камней, сверхтвердых сплавов. С ее помощью можно чистить очень загрязненные или заржавленные металлические детали. Очистка происходит мгновенно. Тысячи разрывающихся в жидкости кавитационных пузырьков снимают с металла и ржавчину и грязь.

УЛЬТРАЗВУК НА СТРОЙКЕ

Если бетон при укладке не был достаточно уплотнен, в нем образуются воздушные полости. А такая полость, например, в бетонном теле плотины очень опасна. Качество некоторых бетонных сооружений тщательно проверяется ультразвуковым дефектоскопом. Он своевременно обнаружит и размеры, и глубину залегания воздушных полостей.

На крупном строительстве, например при постройке гидроэлектростанции, укладывают сотни тысяч кубометров бетона. Его качество непрерывно контролируется. И в этом ультразвук незаменим. Бетон приобретает прочность не сразу. При укладке он жидкий, затем «созревает» — твердеет — и превращается в прочный массив. На разных стадиях созревания бетона ультразвук проходит через него с различной скоростью. Специальным аппаратом можно измерить эту скорость и таким образом следить за качеством бетона в процессе строительства.

Важную роль играет ультразвук в производстве цемента, асбеста и строительных материалов. Качество этих материалов зависит от размера их зерен. Обычно на цементных заводах применяют механический размол. Но если дробить цемент или асбест ультразвуком с частотой 450 кгц, размер частиц уменьшается до 12 мк. Такой тонкий размол благоприятно сказывается на качестве сооружений и изделий из цемента и асбеста.

УЛЬТРАЗВУК РЕЖЕТ МЕТАЛЛ

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. Тут без слесаря не обойдешься, а с помощью ультразвука это можно сделать.

Принцип работы ультразвукового станка; 1 — источник постоянного тока; 2 — генератор; 3 — магнитострикционный сердечник; 4 — концентратор; 5 — инструмент; 6 — обрабатываемая деталь; 7 — суспензия; 8 — насос; 9 — абразив.

Некоторые профили инструмента для сквозных отверстий

и углублений при ультразвуковой обработке металлических

изделий.

Магнитострикционный вибратор

может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закаленном металле и в самых твердых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно

113

колеблясь в поле ультразвука, частицы твердого порошка «вгрызаются» в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Большинство ультразвуковых станков работает бесшумно. В недалеком будущем в цехах металлообрабатывающих заводов не будет ни лязга, ни грохота. Путь к тишине идет через звук.

УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ

Ультразвук может резать не только стекло и металлы, но и живую ткань. Обычно при хирургической ампутации руки или ноги врач работает скальпелем и пилой. Но их можно заменить ультразвуковым лучом. Такая операция проходит быстрее, и ткани тела заживляются после нее значительно лучше. С помощью ультразвукового луча можно исследовать расположение внутренних опухолей. В огрубевших от опухолей тканях скорость ультразвуковой волны иная, чем в здоровых. Измеряя скорости прохождения ультразвука через тело,

можно очень точно определить границы опухоли. Особенно успешно такие исследования проводятся в коре головного мозга.

Ультразвук обладает способностью разрушать живые ткани. Первыми его жертвами были рыбы, убитые и оглушенные ультразвуком, когда Ланжевен и Вуд испытывали эхолоты в бухте Тулона. Обитающие в воде микробы при облучении их ультразвуком погибают, ультразвуковые колебания их прямо-таки разрывают на части: разрушается оболочка их клетки, да и само внутриклеточное вещество. Поэтому ультразвуком можно обеззараживать воду.

Ультразвук применяют в медицине, чтобы разрушить, например, клетки раковых опухолей или камни в печени. Успешно разрабатывается совершенно безболезненное лечение зубов с помощью ультразвука.

Акустика — не завершенная наука, ведь завершенных наук не существует. В ней много важных и еще не решенных проблем и даже загадочных... О некоторых мы вам рассказали, с другими столкнется тот из вас, кто в будущем выберет себе увлекательную специальность физика-акустика.

НА ПОДСТУПАХ К АБСОЛЮТНОМУ НУЛЮ

ЧТО ТАКОЕ ХОЛОД?

Состояние и свойства вещества зависят от его температуры. Возьмем, например, воду. При температуре ниже 0°Ц - это твердое тело, при 100° Ц она переходит в газообразное состояние, а при десятках тысяч градусов превращается в плазму.

Температура определяется интенсивностью так называемого теплового движения молекул и атомов. Чем быстрее они двигаются в веществе, тем выше его температура. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет, очевидно, невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.

Абсолютный нуль - 0° К (нуль градусов Кельвина). При отсчете по шкале Кельвина

температура таяния льда равна 273,16° К, температура кипения воды (при атмосферном давлении) - 373,16°К (рис. 1). Величиной градусы в шкалах Кельвина и Цельсия равны. Температуру, выраженную в градусах Цельсия, легко перевести в градусы Кельвина: для этого нужно прибавить к ней 273,16°. Например, +27° Ц соответствует 300,16°К.

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры обоих тел становятся равными. Передача тепла от менее нагретого тела к телу с более высокой температурой никогда не происходит самопроизвольно. Чтобы осуществить такую передачу, надо затратить энергию - механическую, электрическую, химическую или какую-нибудь другую.

Передачу тепла от холодного тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру, можно рассматривать как получе-

114

ние холода. Тогда под холодом надо подразумевать количество тепла, которое отнимается от охлаждаемого тела. Количество холода не пропорционально затраченной работе: чем ниже температура охлаждаемого тела, тем больше нужно работы, чтобы получить то же количество холода. Особенно сильно возрастает затрата работы на охлаждение вблизи абсолютного нуля. Например, чтобы получить холод на температурном уровне 3°К (-270°Ц), нужно затратить в 1000 раз больше работы, чем для получения того же количества холода при температуре 270°К (-3°Ц). При абсолютном же нуле затрата работы для получения холода должна быть равна бесконечности. Это, кстати, показывает, что охладить тело точно до 0°К вообще невозможно.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200°К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например железо, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.

ГЕЛИЙ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ЖИДКОСТЬ

Для испарения любой жидкости к ней надо подвести тепло (его называют теплотой испарения). Тепло, необходимое для испарения жидкости, кипящей при низкой температуре, например для жидкого азота, жидкого водорода или жидкого гелия, будет подводиться на низком температурном уровне. Таким образом, тело, от которого будет взято это тепло, охладится до такой низкой температуры.

Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7° больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3°К) дает сжиженный изотоп гелия Не³ .

Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом.

115

Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами.

Первый метод - дросселирование, т. е. расширение сжатого газа в вентиле. При таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется и газ охлаждается.

Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа сжижается. У каждого газа есть определенная температурная точка - так называемая инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193°К (-80°Ц), а у гелия даже 33°К (-240°Ц). Поэтому применять метод дросселирования можно, только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры.

При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.

Расширительные машины, применяемые при этом способе, называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа. На цветной таблице у страницы 113 показано, как устроен аппарат для ожижения гелия с поршневым детандером. В аппарат из компрессора поступает гелий, сжатый при комнатной температуре давлением около 20 атм. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. Большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере, а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11 - 12°К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике. Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух - своеобразный

термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Жидкий гелий представляет собой бесцветную легкую жидкость, плотность которой в 8 раз меньше, чем у воды. Он кипит под атмосферным давлением при температуре около 4°К. Жидкий гелий используют обычно для охлаждения исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Водород, азот и другие газы сжижают теми же методами, но соответственно при более высокой температуре.

КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений -сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах, и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.

Один из основных законов квантовой механики - это представление о дискретном, т. е. прерывистом, характере физических процессов в природе. В частности, это значит, что энергия любого вида, в том числе и тепловая, может передаваться лишь определенными, очень малыми порциями - квантами. Только квантовая механика может объяснить некоторые явления в микромире: свойства молекул и атомов, движение электронов, устойчивость ядер.

Законам квантовой механики должны подчиняться и многие явления в веществах - в газах, жидкостях и твердых телах. При обычных температурах из-за интенсивного теплового движения частиц квантовые свойства вещества не могут быть обнаружены. С понижением температуры интенсивность теплового движения частиц и их энергия уменьшаются и квантовые свойства вещества начинают отчетливо проявляться.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Способность твердого тела проводить электричество обусловлена свободными электронами, которые перемещаются между атомами кристаллической решетки. Такие электроны можно для наглядности представить как некую «жидкость», протекающую сквозь решетку кристалла. Под действием электрического поля эта «электронная жидкость» течет через про-

116

водник в виде электрического тока. Но между «жидкостью» и кристаллической решеткой происходит трение - электрическое сопротивление металла.

Величина сопротивления во многом зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой температуре геометрическая правильность решетки существенно нарушается тепловым движением атомов. С понижением температуры эта правильность восстанавливается. Чем ниже температура, тем меньше и сопротивление.

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл удивительное явление: при температуре 4,12°К в ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление (рис. 2). Вначале предполагали, что какое-то сопротивление в ртути все же остается и его просто не могут измерить. Но и самые чувствительные приборы не обнаружили сопротивления. Это

Рис. 2. Электрическое сопротивление ртути при низких температурах. При температуре 4,12° К сопротивление резко падает до нуля.

физическое явление назвали сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость прекрасно иллюстрируется таким опытом. Кольцо из какого-либо сверхпроводящего металла охлаждается жидким гелием. В кольце одним импульсом магнитного поля наводится электрический ток, и этот ток не исчезает до тех пор, пока удается поддерживать в металле низкую температуру.

Существование незатухающих токов подтверждают и другие поразительные эксперименты. Опишем один из них. На кольцо, в котором течет незатухающий ток, опускается сверхпроводящий шарик. Магнитное поле кольца индуцирует ток того же направления на поверхности шарика. Так как сопротивление у шарика также равно нулю, индуцированный ток в нем не затухает. Магнитные поля токов кольца и

Рис. 3. Плавающий сверхпроводящий шарик над сверхпроводящим кольцом с незатухающим током (из книги Мендельсона «Физика низких температур»).

шарика взаимно отталкивают их друг от друга. И вот шарик плавает над кольцом: отталкивающая сила преодолевает его вес (рис. 3).

Таким образом, при так называемой критической температуре некоторые металлы скачкообразно переходят в состояние сверхпроводимости, при котором полностью отсутствует электрическое сопротивление. В дальнейшем было открыто, что сверхпроводимостью обладает не только ртуть, но и другие металлы, например олово, свинец, цинк, алюминий. Всего до сих пор открыто 23 элемента со свойствами сверхпроводников.

В последние годы ученые обнаружили, что сверхпроводимость возникает и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе таким свойством не обладают даже при самых низких температурах. Таковы, например, сплавы висмута с натрием, с калием. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 35 двойных сплавов и примерно у 70 более сложных соединений металлов. Критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние образуют интервал более чем в полтора десятка градусов: 18°К - для химического соединения ниобий - олово и 0,165°К - для гафния.

Сверхпроводящие металлы при температуре ниже критической становятся идеальными диа-

117

Рис. 4. Проникновение магнитного поля в шары из различных материалов.

Рис. 5. Диаграмма сверхпроводящего перехода олова.

магнетиками. Известно, что различные металлы, находясь в магнитном поле, в той или иной степени пропускают через себя магнитные силовые линии. Ферромагнетики, например железо, втягивают в себя эти линии и сгущают их. В диамагнетике, например в висмуте, магнитные силовые линии, наоборот, несколько разрежены. Сверхпроводники же полностью выталкивают из себя магнитные силовые линии (рис. 4).

Если сверхпроводник поместить в магнитном поле, сверхпроводимость нарушается. Чем ниже температура, окружающая сверхпроводник, тем большая сила магнитного поля нужна, чтобы разрушить сверхпроводимость. На рисунке 5 показана зависимость критической температуры свинца от напряженности магнитного поля.

В последнее время сверхпроводимость начали применять в технике. После того как были найдены сверхпроводники с высокой температурой перехода (примерно 18°К), стало возможным изготовлять так называемые сверхпроводящие соленоиды. Такой соленоид устроен как и обычный, только обмотка его изготовлена из сверхпроводящей проволоки, например из сплавов ниобий - олово или ниобий - цирконий. Вся обмотка помещается в сосуд с жидким гелием. В этих условиях электрическое сопротивление обмотки равно нулю, и таким образом поддерживается магнитное поле без затраты энергии, которая при других способах нужна, чтобы преодолеть электрическое сопротивление обмотки. Хотя получение жидкого гелия для такого соленоида и требует затраты энергии, эта затрата в сотни раз меньше, чем потребность в энергии обычного соленоида, создающего такое же магнитное поле. Теперь построены сверхпроводящие соленоиды, создающие поле свыше 100 000 эрстед. Сверхпроводящие соленоиды и вообще электротехнические сверхпроводящие материалы и устройства (например, электромагниты, электродвигатели) имеют огромное будущее.

Сверхпроводники применяются также, например, в маломощных переключающих устройствах, особенно в устройствах, предназначенных для вычислительных машин. В простейшем виде элемент такого устройства - криотрон - состоит из свинцовой проволоки, на которую намотана однослойная катушка из ниобиевой проволоки (рис. 6 и 7). Когда магнитное поле в сверхпроводящем соленоиде

Рис. С. Схематическое устройство криотрона, который может использоваться как переключающее устройство.

Рис. 7. У криотрона простого типа исключительно малые размеры.

118

из ниобиевой проволоки превысит критическую для свинца величину, сверхпроводящий ток в свинцовой проволоке прерывается, и это соответствует размыканию цепи.

Криотрон можно использовать как реле в электронно-счетной машине. В узлах электронно-счетной машины, состоящих из криотронов, достигнута скорость переключений около 20 млн. в секунду. В криотроне можно создать незатухающий ток, и тогда он становится запоминающим устройством для хранения информации. Такие устройства позволяют образовывать большие запасы легко и быстро «читаемой» информации. Каждый отдельный элемент прост и дешев. Затрата энергии на работу машины с криотронами так мала, что ею можно пренебречь. Все эти преимущества криотронов оправдывают применение дорогостоящих низких температур.

СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ

Гелий обладает удивительным свойством: из всех существующих в мире веществ он сжижается при самой низкой температуре: 4,2°К {-269°Ц). Но у гелия есть и другие удивительные свойства. При дальнейшем охлаждении он остается жидким. Все остальные вещества при охлаждении в конце концов затвердевают.

В 1937 г. в Московском институте физических проблем советский ученый П. Л. Капица обнаружил, что при температуре ниже 2,2°К жидкий гелий обладает новым свойством: он приобретает способность протекать без какого-либо трения. Это свойство было названо сверхтекучестью, а гелий при температуре ниже 2,2°К - гелием- II .

В опыте Капицы гелий- II протекал за несколько секунд между плотно сжатыми шлифованными стеклянными пластинами через щель шириной всего в 0,5 мк (рис. 8). При температуре выше 2,2°К жидкий гелий лишь с трудом просачивается через такую щель. Это показывает, что вязкость у сверхтекучего гелия в миллиарды раз меньше, чем у воды. По современным представлениям считается, что вязкость его равна нулю.

Сверхтекучий гелий образует так называемую «ползущую» пленку толщиной около 10^-6 см {рис. 9). Такой пленкой он может подниматься вверх по вертикальной стенке сосуда и вытекать из него. Любая жидкость, смачивающая твердую поверхность, образует пленку, но быстро перетекать по этой пленке не может никакая другая жидкость, кроме гелия- II, и это свойство обусловлено его сверхтекучестью.

Рис. 8. Опыт Капицы для обнаружения сверхтекучести гелия. Сверхтекучий гелий быстро вытекает из внутренней трубки через узкую щель между двумя пластинками. Внешний сосуд, также заполненный гелием, обеспечивал одинаковую температуру гелия снаружи и внутри трубки.

Удивительные свойства жидкого гелия теоретически объяснил советский ученый Л. Д. Ландау. Упрощенно это объяснение сводится к следующему: в гелии- II так мало квантов тепла, что на все его частицы их не хватает, и образуются как бы две жидкости, одновременно существующие: нормальный гелий, каждая частица которого несет на себе квант тепла, и сверхтекучий гелий, на частицах которого нет квантов тепла. Сверхтекучая часть гелия как бы находится при абсолютном нуле температуры; она не обладает вязкостью, и поэтому обе жидкости могут двигаться друг в друге без трения.

В опыте Капицы сверхтекучая часть гелия- II быстро перетекала через щель, а несверхтекучая часть лишь медленно просачивалась через

Рис. 9. Жидкий сверхтекучий гелий образует на поверхности стекла пленку толщиной в несколько миллионных долей сантиметра. Эта пленка представляет собой подобие сифона, по которому жидкость вытекает из гелиевого резервуара.

119

ту же щель. При этом сверхтекучая часть как бы отфильтровывалась. Опытом доказано, что за щелью у гелия- II более низкая температура, чем до щели. С понижением температуры ниже 2,2°К доля сверхтекучей части в гелии- II увеличивается; при абсолютном нуле весь гелий должен превратиться в сверхтекучий.

НАИНИЗШАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Молекулы некоторых парамагнитных солей, например хромокалиевых квасцов, могут поворачиваться, как маленькие магнитики, вдоль силовых линий магнитного поля. Если такую соль, предварительно охлажденную с помощью

жидкого гелия до 1°К, поместить в сильное магнитное поле, то все ее молекулы повернутся вдоль силовых линий этого поля, а выделенное тепло будет передано жидкому гелию. Если затем резко снять магнитное поле, то молекулы соли вновь повернутся в разные направления, а затраченная на это работа приведет к дальнейшему охлаждению соли.

Так может быть получена температура до 0,001°К. Этот способ охлаждения называется методом адиабатического размагничивания.

Таким же в принципе методом, только с применением других веществ можно получить еще более низкую температуру. Этот способ называется ядерным размагничиванием. Наинизшая температура, полученная пока что на Земле, равна 0,00001°К.

СТО МИЛЛИОНОВ ГРАДУСОВ

Холодно или жарко в нашем мире? На первый взгляд материя Вселенной не так уж горяча. Дышим мы прохладным воздухом, пьем холодную воду, катаемся по льду, лепим снежки. Нас не греет черное ночное небо. Чтобы согреться, приходится зажигать костры и топить печи. Между тем подавляющая масса вещества в мире испепеляюще горяча.

Те десятки градусов в ту или другую сторону от точки таяния льда (0°Ц), в которых мы живем и к которым привыкли,- редкое исключение, крошечный уголок природы. Типичная же, наиболее распространенная температура вещества - это, как ни странно, миллионы, десятки миллионов, даже сотни миллионов градусов. До таких грандиозных температур нагреты звезды. Астрономы доказали, что именно в них сосредоточена львиная доля вещества нашего мира. Вот красноречивый пример. Солнце - ближайшая к нам звезда - раскалено в недрах до 10-13 млн. градусов. А вещества в Солнце в тысячи раз больше, чем во всех планетах солнечной системы.

Что же происходит в жарких глубинах звезд? Какие процессы поддерживают там огромную температуру? Современная наука доказала: там, под ослепительным наружным покровом, непрерывно идут превращения атомных ядер, и это сопровождается колоссальным выделением энергии.

В раскаленном веществе Солнца очень много водорода. Но не обычного газа, а водородной плазмы: она состоит не из целых атомов, а из атомных осколков - ядер и электронов. При колоссальной температуре солнечных глубин частицы водородной плазмы испытывают весьма быстрое и энергичное беспорядочное движение. Ядра при этом с разгона налетают друг на друга. Иногда столкновение бывает таким сильным, что ядра преодолевают взаимное электрическое отталкивание (они ведь все заряжены положительно), тесно сближаются и сливаются воедино. Тогда из двух ядер обычного («легкого») водорода, т. е. из двух протонов, получается ядро тяжелого водорода -дейтрон. Вместе с тем вылетают прочь отходы реакции - электрон и нейтрино. А главное, освобождается весьма значительная энергия.

Слияние двух протонов - маленький взрыв. Но он сопровождается не разрушением, а созиданием - созиданием нового ядра, более слож-

120

Таблица к статье «Сто миллионов градусов»

В верхней части схематически изображено столкновение газовых струй. Упорядоченное движение газовых молекул после столкновения становится хаотичным, и температура вещества в месте встречи поднимается до 10 000°. В средней части изображена схема возникновения высокой температуры в плазменном шнуре. Вокруг шнура, как вокруг любого электрического тока, возникает магнитное поле - его силовые линии изображены в виде красных колечек. Ток растет, поле тоже растет, а следовательно, силовые линии поля - колечки - сжимаются. Но вокруг силовых линий вьются заряженные частицы плазмы. И когда колечки стягиваются, они увлекают заряженные частицы плазмы к оси шнура. Там, у оси, образуется хаос крутящихся и бурлящих частиц плазмы. Температура у оси шнура поднимается до 2 000 000°. Внизу - схема действия открытой магнитной ловушки. Витки, создающие магнитное поле, у краев катушки наложены гуще, чем в центре. Поэтому и магнитное поле, возникающее в катушке, когда по виткам проходит ток, получается неоднородным - у краев оно сильнее, чем в центре. Края магнитной ловушки называют «пробками» или «зеркалами». Когда внутрь ловушки вспрыснута плазма, ее электрически заряженные частицы вьются вокруг силовых линий поля. Подлетая в спиральном движении к «пробкам», частицы не могут «пролезть» сквозь них: чтобы «пролезть», нужно уменьшить радиус спирали, а для этого требуется дополнительная энергия, которую частице неоткуда взять. Таким образом, частицы «отражаются» от «пробок» и поворачивают обратно. Внутри ловушки возникает встречное движение кружащихся по спиралям плазменных частиц. Они сталкиваются, движение их становится беспорядочным. При соблюдении ряда дополнительных условий этим способом удается поднять температуру плазмы (правда, довольно разряженной) до 40 - 50 миллионов градусов и сохранять ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды.

ного и тяжелого, чем исходные. Этот взрыв - одно из самых сокровенных таинств природы.

Вот что удивительно. Если бы мы попробовали истолковать синтез дейтрона из протонов, руководствуясь только классической физикой, то пришли бы к выводу, что такой синтез невозможен: слишком сильно протоны отталкиваются друг от друга. Тем не менее на Солнце эти протоны сливаются, а значит, пробивают-таки «непробиваемую» стену электрического отталкивания.

Лишь квантовая механика (см. последнюю главу ст. «Электромагнитное поле») - наука о микрочастицах и микропроцессах - объяснила, почему это происходит. Квантовая механика выяснила очень характерную для микромира закономерность: многое из того, что в классической физике строго-настрого запрещено, в квантовой механике лишь почти запрещено, т. е. не невозможно, а только очень маловероятно.

Сколько бы ни билась муха об оконное стекло, она никогда не проникнет сквозь него - так утверждает классическая физика, и утверждает совершенно верно, ибо речь идет о событии в мире больших тел, в макромире.

Иначе будет в микромире. Допустим, что муха - это протон, а стекло - непробиваемый барьер электрического поля. В редчайших случаях, с какой-нибудь стомиллиардной «попытки», эта муха - протон - очутится вдруг по ту сторону стекла. И, что примечательно, стекло при этом не будет разбито, в нем не будет проткнуто никакой дырочки. Просто с ничтожной вероятностью происходит почти невероятное событие.

Сущность этого явления - глубочайшая физико-философская проблема, поныне еще не решенная до конца. Ученые сходятся на том, что секрет парадокса скрыт в специфике микрочастиц: это вовсе не предметы, подобные, скажем, бильярдным шарикам, это скорее волновые вероятностные процессы, некий вид взаимодействия на самых нижних этажах всеобъемлющего здания материи.

Итак, совершается невероятное. Где-то в недрах Солнца соединяются протоны. О редчайшей случайности такого синтеза можно судить по тому, что даже при температуре и плотности глубин Солнца протон должен проблуждать в среднем 14 млрд. лет, непрерывно сближаясь с другими протонами, пока не произойдет это долгожданное событие - образование дейтрона. Но протонов в глубинах Солнца бесчисленно много, и поэтому все время то тут, то там происходят «чудеса»: в крошечных микровзрывах рождается тяжелый водород. И все новые порции энергии освобождаются, вливаясь в звездный жар светила.

Но почему же при синтезе дейтронов выделяется энергия? Казалось бы, наоборот, энергия должна поглощаться: из простого строится сложное, на сближение двух упрямо отталкивающихся протонов затрачивается работа.

Да, работа затрачивается, и немалая. Пока протоны сблизятся друг с другом, они полностью затормозятся. Но если к этому моменту они окажутся друг от друга на расстоянии около 10^-13 см, вступят в действие могучие силы ядерного притяжения. Протоны как бы «падают» друг на друга, словно бы хватают друг друга в мощные «объятия», и в этом-то «падении», в этих «объятиях» и выделяется энергия, так же как, скажем, при падении метеорита на Землю. Разница в том, что, хотя ядерные силы действуют на очень малом расстоянии, они в миллиарды миллиардов раз больше сил тяготения, поэтому и энергия синтеза колоссальна. Она с лихвой окупает работу, затраченную протонами на преодоление электрического отталкивания, и, вырываясь наружу,

121

вливается в величайшее тепловое богатство Солнца.

Одним из фундаментов физики стал сейчас эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии: масса любого тела, дважды помноженная на скорость света, соответствует энергии этого тела: Е= m с² , где Е - энергия, m - масса, с - скорость света. Поэтому изменение массы тела или системы тел должно сопровождаться либо выделением, либо поглощением энергии. Зная это, нетрудно подсчитать, сколько энергии дает синтез дейтрона из протонов.

Масса протона равна 1,007825, значит, два протона имеют массу 2,01565, но масса дейтрона равна 2,01410, т. е. меньше массы двух протонов на 0,00155 (физики эту разность называют дефектом массы). По принципу эквивалентности она соответствует энергии в 0,46 млн. электрон-вольт (электрон-вольт - энергия, которую приобретает электрон, когда он преодолевает разность потенциалов в один вольт). Вот это количество энергии и выделяется при образовании дейтрона.

Слияние протонов - только начало цепочки ядерных реакций, происходящих в Солнце.

Каждый возникший дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) присоединяет к себе еще один протон, превращаясь в ядро легкого гелия и выделяя энергию 5,5 Мэв. Затем, в среднем через миллион лет, ядра легкого гелия сливаются попарно - тут образуется конечный продукт, ядро обычного гелия. При этом выбрасываются два протона, а энергия выделяется очень значительная - 12,89 Мэв.

Так, через несколько ядерных превращений водородные ядра преобразуются в ядра гелия - газа, который ученые сначала обнаружили на Солнце и только потом на Земле. В этой

статье указан только главный цикл ядерных превращений; есть и другой, в котором участвуют ядра углерода, кислорода, азота (см. последнюю главу статьи «Великий закон»). И энергия, освобождающаяся во всех этих превращениях, титанически огромна. Ежесекундно миллионы тонн вещества превращает Солнце в лучистые потоки. Но водород настолько концентрированное ядерное горючее, что за миллион лет Солнце теряет всего лишь миллионную долю своей массы!

Подобные ядерные процессы могут происходить лишь при очень высокой температуре, и названы они термоядерными. Чем выше температура, тем сложнее и тяжелее синтезирующиеся ядра, тем больше выделяется энергии. И именно благодаря термоядерным реакциям так сильно нагрето звездное вещество, пылающее в вечном, неутихающем пожаре.

Поняв жизнь Солнца, разгадав энергетические источники звезд, ученые наметили себе цель: зажечь такой же могучий звездный огонь и на Земле! Воссоздать в земной промышленной установке управляемый, послушный человеческой воле термоядерный процесс. Добиться этого - значит получить практически неиссякаемый источник энергии. Ведь водородом наша планета очень богата (этот элемент входит в состав воды). Даже если научиться сжигать в термоядерных реакторах менее распространенный в природе тяжелый водород (на Солнце тяжелый водород воспламеняется особенно легко), то и тогда каждая кружка обычной воды станет равноценна бочке бензина! Наконец, есть еще одно замечательное термоядерное горючее - так называемый сверхтяжелый водород. В природе его, правда, почти нет, но его можно получать методами современной «алхимии» - в ядерных реакторах из легкого изотопа лития (Li⁶), которого немало в земной коре. Смесь тяжелого водорода и сверхтяжелого будет, видимо, наиболее подходящим горючим в термоядерной энергетике будущего. Как же решается эта великая проблема? Сейчас главная задача ученых - устроить «звездную спичку», нагреть вещество до таких сверхвысоких температур, при которых начнется энергетически выгодная термоядерная реакция.

122

Как рассчитали физики, в земных условиях для этого потребуется куда более высокая температура, чем в недрах Солнца. Причем термоядерное горючее надо «поджечь» без взрыва, иначе процесс выйдет из-под контроля. (Неконтролируемый, неуправляемый ядерный синтез уже осуществлен в водородной бомбе, где соединения изотопов водорода воспламеняются самым грубым способом - взрывом атомной бомбы.)

Проще всего нагреть тело, передав ему тепло от другого тела, нагретого сильнее. Например, вода в чайнике закипает, черпая тепло от более горячего - огня. Специфика нашей задачи заключается в том, что здесь этот простой способ (примененный, кстати, в водородной бомбе) не годится.

При передаче тепла от горячего тела к холодному беспорядочно движущиеся атомы горячего тела как бы расталкивают атомы тела холодного. Беспорядок здесь готов, он только распространяется (ведь именно хаотическое движение частиц создает нагретость тел, причем средняя его энергия и соответствует температуре).

А если у нас нет заранее данного энергичного беспорядка, которым можно было бы «заразить» холодное вещество, то надо каким-то способом заново создать этот беспорядок. Только так удастся нагреть холодное тело, не имея горячего.

Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу. Вот они столкнулись, перемешались - какая началась толчея, неразбериха! Отличный беспорядок!

Примерно так же физики пытались получить высокую температуру, сталкивая газовые струи большого давления. Действительно, из прямолинейного движения атомов получалось беспорядочное, и температура газа поднималась довольно значительно. Такая система нагрева давала до 10 тыс. градусов, в свое время это был рекорд нагрева вещества в лаборатории: температура получалась выше, чем на поверхности Солнца.

Но это еще очень далеко до термоядерной температуры. И какими мощными ни делали газовые струи, как быстро ни сшибали их, за пределы 10 тыс. градусов не ушли.

Происходило это потому, что тепловой беспорядок на редкость «заразителен»: он мгновенно убегает от области максимального нагрева, «заражая» собой газ, расширяющийся во все стороны после столкновения струй.

Система грела окружающую среду, как

греет печка воздух в комнате. Она не была изолирована.

Вспомните снова Солнце. Этот сверхгорячий шар идеально изолирован от окружающих тел - висит в пустоте мирового пространства и ни с чем не соприкасается. Правда, Солнце отдает тепло своими лучистыми потоками, но они ничтожно малы по сравнению с полной энергией светила.

Значит, если мы хотим изолировать наше искусственное солнце, его надо как-то «подвесить в пустоте», иначе его не удастся как следует разжечь.

Физики нашли путь, как осуществить эту идею. Они воспользовались тем, что термоядерное горючее при сверхвысокой температуре будет, как и водородное топливо Солнца, не в твердом, не в жидком, не в газообразном, а в плазменном состоянии, ибо при миллионах градусов атомы неминуемо расщепятся на ядра и электроны (подробнее о плазме см. в ст. «Семь состояний вещества»). Но ядра и электроны, как электрически заряженные частицы, подвержены действию электрических и магнитных полей. Это-то свойство плазмы физики и использовали.

В 50-х годах советские ученые, а за ними и ученые других стран провели ряд экспериментов.

Из закрытой трубки с электродами в торцах тщательно откачали воздух. Ввели в нее разреженный газ и через газ пропустили сильный электрический разряд. В газе возникло нечто похожее на молнию - разрядный шнур плазмы.

Вокруг шнура, как вокруг любого тока, появилось магнитное поле, силовые линии которого можно изобразить в Виде колечек, охватывающих шнур (см. рис. 2 на цвет. табл. у стр. 121).

По мере нарастания тока это поле усиливалось, колечки силовых линий сжимались, стискивая шнур плазмы. В результате плазменные частицы неслись к оси шнура, и там возникала невообразимая толчея заряженных частиц. Это вело к резкому повышению температуры.

В подобных опытах температуру плазмы удалось поднять примерно до 2 млн. градусов. Так был достигнут новый рекорд наивысшей лабораторной температуры. Но и этого было мало для термоядерной реакции. К тому же разряды получались практически мгновенными, похожими на взрывы, а шнуры плазмы - неустойчивыми, да и не очень хорошо они были изолированы от стенок трубки: концы шнура непо-

123

средственно касались электродов, и те отсасывали тепло.

Тогда родилась другая мысль: приготовить сперва не горячую, а холодную плазму, собрать ее в быструю струю и впрыснуть в магнитное поле особой конфигурации, в так называемую магнитную бутылку. Там струя плазмы должна задержаться, частицы ее - запутаться, закружиться. Из прямого, упорядоченного движения частиц создастся хаос, беспорядок, а это-то и требуется, чтобы повысить температуру.

Холодная плазма, кстати говоря знакома всем: это она светится в трубках неоновых реклам, работает в газоразрядных лампах, в люминесцентных светильниках.

Холодную плазму можно в электрическом поле ускорить, собрать в достаточно быструю струю. Сложнее создать магнитную ловушку. Вот в общих чертах принцип ее устройства.

Его основа - цилиндрический соленоид, витки которого наложены неравномерно: посередине цилиндра - реже, у концов - гуще. Когда по катушке течет ток, внутри нее возникает магнитное поле, как в любом электромагните. Из-за неравномерности витков магнитное поле в катушке также неравномерно: у концов оно сильнее, чем на середине. Силовые линии идут подобно волокнам луковицы: сначала густо, потом реже, потом опять густо.

Магнитное поле такой формы и есть простейшая магнитная бутылка. Усиленные краевые области этого поля называются зеркалами или пробками.

Электрически заряженные частицы, попавшие в бутылку, могут задержаться в ней, словно рыба в сети. Ведь магнитное поле всегда отклоняет движущийся заряд - искривляет его траекторию. Если поле достаточно сильно, заряженная частица будет, не вылетая из бутылки, двигаться по спирали, как бы наматывая свой путь на силовую линию поля (см. рис. 3 на цвет. табл.).

А вблизи пробки, где силовые линии сгущены, частица не может пробиться сквозь их чащу (для этого ей нужна была бы дополнительная энергия) и поворачивает обратно; пролетев по спирали к противоположной пробке, частица опять будет отражена и снова направится внутрь бутылки и т. д. Предполагалось, что так можно уловить плазму.

К сожалению, поведение плазмы в магнитной бутылке значительно сложнее предположенного. Первые же эксперименты показали, что плазма ловится в магнитную ловушку, увы, очень неохотно.

В экспериментальном зале отдела плазменных исследований Института атомной энергии воздвигнуты внушительные установки, немного похожие на старинные паровозы. Называются эти установки пробкотронами. Их назначение - создать магнитные бутылки для плазмы.

На прочном высоком фундаменте лежит камера - широкий цилиндр, охваченный крепежными поясами и облицованный текстолитовыми блоками. С обоих торцов цилиндр закрыт, к нему подведены трубы вакуумных насосов. А вокруг цилиндра проложены трубчатые витки обмотки, в них течет охлаждающая вода. Внутри камеры размещены датчики приборов, от них идет множество проводов к пульту управления. К одному из торцов камеры присоединен инжектор плазмы; из него в камеру, где заранее подготовлен вакуум, впрыскивается плазменная струя.

Электрическое питание установки столь обильно, что ее обслуживает специальный энергетический сектор - с трансформаторами, выпрямителями, конденсаторными батареями. Он находится внизу, в подвальном помещении.

Идет эксперимент. Огромной силы электрические импульсы обрушиваются в обмотку - токи в сотни тысяч ампер. Одновременно электронное автоматическое устройство впрыскивает в камеру струю водородной плазмы. На пульте, на белых экранах осциллографов, вспыхивают ярко-зеленые кривые, фиксирующие во всех тонкостях поведение плазменного облачка в магнитной ловушке.

Годы кропотливой работы потратили ученые на опыты в пробкотронах. Изучали особенности плазмы, ее капризы, которые на первых порах выглядели непреодолимыми, не поддающимися никакому укрощению. Эфемерное облачко плазмы было неустойчивым и существовало миллионные доли секунды. Плазма не держалась в ловушке, касалась стенок камеры и неминуемо гибла.

И все-таки опыт накапливался. Наряду с бесчисленными наблюдениями велись теоретические исследования. Предлагались новые режимы воздействия на плазму, новые структуры обмоток и магнитных полей в ловушке. И мало-помалу упорство ученых начало побеждать.

В 1962 г. в Институте атомной энергии был достигнут заметный успех. Пробкотрон снабдили дополнительной продольной стабилизирующей обмоткой, и водородную плазму удалось нагреть до сверхзвездной температуры -

124

Пробкотрон, построенный в 1962 г. в отделе плазменных исследований Института атомной энергии им. И. В. Курчатова. В этом пробкотроне удалось нагреть разреженную плазму (10¹⁰ частиц на кубический сантиметр) до 40-50 млн. градусов на тысячные и даже сотые доли секунды. Снимок сделан сверху; пробкотрон установлен на высоком помосте.

40-50 млн. градусов. Особенно ценно то, что такая горячая плазма была задержана в ловушке на тысячные, даже на сотые доли секунды. Жизнь плазмы удлинили таким образом в сотни тысяч раз. Правда, плотность нагретой плазмы была сравнительно небольшой - 10¹⁰ частиц на 1 см³ .

Затем последовали новые успехи. Стремясь постичь тонкие свойства плазмы, физики далеко продвинули теоретические исследования этого своеобразного состояния вещества.

На службу удалось поставить так называемые коллективные взаимодействия в плазме, т. е. взаимные влияния ее сгущений, комков, неоднородностей, в тот короткий период, когда в ней еще не произошли парные столкновения частиц.

В Институте атомной энергии провели, например, такой эксперимент. В магнитную ловушку впрыснули встречные потоки холодной плазмы. В момент, когда они пронзили друг друга, на них обрушили мощный и очень корот-

125

кий удар магнитного поля. Непосредственно на ядра этот удар почти не подействовал: они слишком массивны. Зато в электронных потоках тотчас нарушилась однородность, возникли вихри, «толпы» частичек. От электронов это групповое хаотическое движение тут же передалось ядрам, и их температура подскочила до десятков миллионов градусов.

Так, в сравнительно небольшой лабораторной установке плазму удалось нагреть обходным путем, используя коллективные взаимодействия. При этом с пользой применили ту самую склонность к неустойчивости, которая в других аппаратах обычно разрушала плазменное облачко.

Иначе поступили ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Академии наук

Весной 1964 г. эта установка была построена в Институте ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР. В ней удалось нагреть плазму тяжелого водорода плотностью в 10¹⁰ частиц на кубический сантиметр до 100 млн. градусов. Широкие кольца, охватывающие камеру,- это обмотка пробкотрона; создающего магнитную ловушку.

в Новосибирске. На плазму, пойманную пробкотроном, они обрушили такой сильный и резкий удар магнитного поля, что в плазме произошло опрокидывание ударной волны. Получилось нечто похожее на морской бурун. Примерно так же опрокидываются крутые водяные волны, образуя пенистые гребни - барашки, в которых частицы беспорядочно мечутся в разные стороны. В результате опрокидывания ударной волны температура ядер в плазме тяжелого водорода (плотностью 10¹³ частиц на 1 см³) поднялась до рекордной величины - 100 млн. градусов. На десятки микросекунд в установке зажглась физическая термоядерная реакция. Она заявила о себе нейтронами, освободившимися при «звездном» синтезе ядер легкого гелия. В физической лаборатории на мгновение вспыхнула искра искусственного солнца!

Правда, от этого проблеска еще далеко до решения проблемы. Лабораторные реакции не дают пока ни джоуля энергии, наоборот, они ее довольно жадно поглощают. Чтобы возбудить энергетически выгодный термоядерный процесс, ядра в плазме тяжелого водорода (плотностью 10¹⁴ -10¹⁵ частиц на 1 см³) предстоит экономно нагреть до 500 миллионов и даже до миллиарда градусов и удержать в течение секунды. Эти требования варьируются: при большей плотности плазмы ее температура и время удержания могут быть уменьшены. Однако невозможно достичь цели, если, скажем, заботиться только о повышении температуры. Задача должна быть решена комплексно.

Даже при исполнении всех этих требований останутся еще огромные технические трудности: нужно научиться создавать гигантские (в сотни тысяч эрстед) магнитные поля, высокий вакуум в достаточном объеме (ведь термоядерное горючее будет в сотни миллионов раз разреженнее комнатного воздуха), разработать и получить жаропрочные, но не загрязняющие вакуум материалы для внутренних частей камер и т. д. Словом, до энергетического термоядерного реактора еще не близко. Сегодня главная цель физиков - как можно глубже понять плазму, научиться обращаться с ней.

Исследования идут интенсивно и широким фронтом. И не только в пробкотронах. Ставятся опыты в так называемых тороидальных камерах. Там плазма находится в кольцевой трубе, вроде полого бублика, и представляет собой как бы замкнутый виток мощного понижающего трансформатора. Раскаляется она мощным импульсом электрического тока.

126

Есть камеры, где плазма, схваченная в магнитную ловушку, резко сжимается нарастающим магнитным полем; тогда она нагревается по тому же закону, по которому греется воздух под поршнем велосипедного насоса. Есть камеры и в форме восьмерки. Они тоже дают надежду получить устойчивую горячую плазму.

Несмотря на огромные трудности (и принципиальные и технические), физики и инженеры уверенно продвигаются по пути к искусственному солнцу. Настанет день, и их огромная работа увенчается полным успехом. Когда это произойдет? Ученые не очень-то любят такие прогнозы. Называются разные сроки - от 5 до 50 лет.

Промышленный, управляемый термоядерный реактор будет самой замечательной энергетической установкой из всех изобретенных человеком. Научившись «сжигать воду» в искусственном солнце, мы получим источник топлива, равноценный 500 океанам, в которых вместо воды была бы нефть! Трудно даже вообразить себе, к какому бурному прогрессу приведет это индустрию, сельское хозяйство, науку. Получив изобилие энергии, человек сможет осуществить самые дерзкие мечты, вплоть до кардинального преобразования Земли, ее природы, ее климата. Всюду, где потребуется, люди пошлют воду в пустыни, согреют холодные моря, осушат болота, обнажат запасы полезных ископаемых, полностью, до конца подчинят себе все сокровища нашей планеты.

Лабораторный документ нагрева плазмы в установке Новосибирского института ядерной физики. Верхняя кривая показывает количество нейтронов, вылетавших из плазмы при вспышке термоядерного синтеза. Нижняя кривая показывает количество ионов с энергией в 10 000 электрон-вольт, что соответствует температуре 100 млн. градусов. Под кривыми - деления, показывающие время. Каждое деление соответствует 10 микросекундам.

Сказочное энергетическое богатство откроет новую эру в истории, эру невиданного изобилия и поистине фантастического умножения человеческого могущества.

ПЯТЬСОТ ТЫСЯЧ АТМОСФЕР

ЧТО ТАКОЕ ДАВЛЕНИЕ?

Почему кончик иголки должен быть острым? Почему человек проваливается в рыхлый снег, а на лыжах стоит на нем прочно? Почему у вездехода широкие шины? Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, нужно вспомнить, что такое давление.

Давление - это сила, приложенная к единице площади. Поэтому вес человека, распределенный на площадь его подошв, - это давление. Сила, с которой нажимает наперсток, приложенная к площади кончика иглы, - это давление.

Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, или 10^-3 см (а это еще тупая игла). Тогда площадь кончика равна ((3,14/4) · 10^-6) см². Если наперсток нажимает на иглу с силой в 1 г, то давление под кончиком будет 1275 кг/см², или 1275 атм *. Жало ко-

* В системе единиц СИ давление измеряют ньютонами на квадратный метр (н/м²). Но так как эта единица очень мала, то в технике пользуются другой единицей, которая называется баром. 1 бар = 10⁵ н/м².

Бар очень близок к старым единицам давления: к технической атмосфере (0,9806 бар) и к физической атмосфере, т. е. к атмосферному давлению на уровне моря (1,013 бар).

В технике высоких давлений пока еще пользуются старой единицей измерения - технической атмосферой, которую обозначают атм. Поэтому и мы в статье будем указывать давление в технических атмосферах.

127

мара еще тоньше, чем игла, и понятно, почему комар так легко прокалывает кожу.

Вес человека - около 70 кгс, площадь подошв на его ботинках - примерно 500 см². Значит, давление на пол равно 0,14 атм. Много ли это? Вероятно, нет. Но этого достаточно, чтобы продавить снег. Площадь лыж около 4000 см², т. е. в 8 раз больше. Следовательно, давление лыжника на снег в 8 раз меньше. Уже не провалиться!

Вспомним теперь, что собой представляет атмосферное давление. Это вес воздуха, приходящийся на единицу площади. Атмосферное давление убывает при подъеме на высокие горы, растет при опускании в шахты, и поэтому его обычно измеряют на определенном уровне - на уровне моря. Здесь на 1 см² поверхности давит сила тяжести около 1 кгс. Отсюда и пошло обозначение: техническая атмосфера - это 1 кгс/см². Попутно стоит вспомнить, что площадь (не поверхность!) человеческого тела равна приблизительно 1000 см², следовательно, на нее давит около тонны.

А если спуститься под воду? Там давление возрастает. Ведь плотность воды в тысячу раз больше плотности воздуха. На каждые 10 м глубины давление возрастает приблизительно на одну атмосферу и на глубине 10 км уже достигает примерно 1000 атм. В толще Земли давление возрастает еще сильнее. В центре Земли оно достигает нескольких миллионов атмосфер.

КАКОВ ПРЕДЕЛ ДАВЛЕНИЯ?

А вообще каков предел величины давления? Нижний предел - это абсолютный вакуум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление равно нулю. А верхний предел?

Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое давление. Начнем нагнетать в него газ. Пусть это будет, скажем, двуокись углерода - обычная углекислота, которой газируют воду. По мере того как мы будем накачивать углекислоту, число ее молекул в ящике начнет расти. Плотность газа и давление тоже возрастут. Молекулам в ящике станет теснее. При некоторой плотности газ начнет превращаться в жидкость. Если продолжать накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние между ними будет сокращаться. Силы взаимодействия между молекулами также увеличатся. Молекулам станет все труднее двигаться в ящике. Возрастет вязкость двуокиси углерода, и при давлении

в несколько тысяч атмосфер она затвердеет. Продолжим сжатие. Предположим, что одна стенка ящика подвижная, и, перемещая ее как поршень, мы сжимаем твердую двуокись углерода. При давлениях в десятки тысяч атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это станет мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся искажения электронных оболочек.

Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних электронных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до сотен тысяч атмосфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойства элементов настолько изменятся, что может даже образоваться новая периодическая система элементов.

При давлениях в миллионы и более атмосфер может оказаться, что электронам выгоднее вращаться не вокруг отдельных ядер, а в виде «электронного газа» вокруг всех ядер: вещества переходят в металлическое состояние. Именно из такого вещества состоят белые карлики - звезды, внутри которых давление достигает 10¹⁶ атм (десять квадрильонов атмосфер!), а плотность такова, что 1 см³ вещества обладает массой в несколько тонн.

КАК СОЗДАЮТ ДАВЛЕНИЕ?

Вернемся в наши привычные земные условия. Здесь мы очень часто встречаемся со сравнительно высоким давлением и используем его. Под давлением находится в баллоне двуокись углерода, о которой мы уже говорили. Давление газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания толкает поршень и двигает автомобили, самолеты, теплоходы. В стволе орудия давление пороховых газов доходит до нескольких тысяч атмосфер и выталкивает снаряд. Давление газа в недрах Земли заставляет нефть бить фонтаном из скважины. Давление пара достигает десятков и сотен атмосфер, оно движет поршни паровой машины, лопасти турбины. Давление используют в гидромониторах - водяных пушках, которые струей воды режут и размывают грунт...

Мы показали, что происходит при сжатии вещества в простом ящике. В действительности же давление создается в сложных аппаратах. Газы сжимают компрессорами. Они засасывают газ из газгольдеров (газосборников) и сжимают его последовательно в нескольких цилиндрах-ступенях до давлений в сотни

128

и тысячи атмосфер. Это очень сложные, мощные и точные машины; поршни в них так хорошо пригнаны к цилиндрам, что молекулы газа никак не могут прорваться в зазор. Сейчас уже существуют машины, способные сжать газ до 10 тыс.атм. При обычной температуре и давлении между 10-20 тыс.атм многие газы затвердевают. Такое же превращение, но при меньшем давлении происходит и с жидкостями. А вот твердые тела можно сжимать сколько угодно, только бы выдержал сосуд, в котором это вещество находится.

КАКОЕ ДАВЛЕНИЕ МОЖЕТ ВЫДЕРЖАТЬ САМ АППАРАТ?

Это прежде всего зависит от прочности материала, из которого он сделан. Разумеется, для изготовления аппаратов высокого давления применяют наилучшие и самые прочные материалы - легированные стали и сплавы. Но если в цилиндр, сделанный из лучших сортов стали, накачивать газ, то при любой толщине стенок этот цилиндр не выдержит давление больше чем 20 тыс.атм - он разорвется. Как же увеличить его прочность? Как построить аппараты, способные выдержать сотни тысяч и даже миллионы атмосфер, при которых в веществе происходят такие удивительные превращения? Вот, например, один из способов решения этой задачи. Сосуд, в котором нужно создать высокое давление, можно вставить в такой же сосуд больших размеров, этот - в еще больших и так далее, и устроить стальное подобие игрушки «матрешки». В пространствах между сосудами нужно создать давления, отличающиеся друг от друга на 10- 20 тыс.атм. При достаточно большом количестве таких, вставленных друг в друга сосудов давление во внутреннем сосуде теоретически может быть доведено до любой величины (рис. 1). Но изготовить такой аппарат неимоверно трудно.

Принцип аппарата с гидравлической поддержкой примерно тот же, что и у игрушки «матрешки».

Рис. 1. Аппарат с гидравлической поддержкой: между стенками сосудов нагнетается жидкость, и, чем ближе к центру, тем под большим давлением.

Рис. 2. Аппарат с коническими оправками (мультипликатор с двойной поддержкой): 1 и 2 - штуцеры, через которые к поршням подается под высоким давлением масло, 3 и 4 -поршни, 5 - исследуемое вещество, 6, 7 и 8 - обкладки.

129

Рис. 5. Гидравлический пресс с «наковальнями».

Была предложена и другая конструкция. Сосуду, предназначенному для создания высокого давления, придают коническую форму и вставляют его в стальное кольцо с коническим отверстием. Если вдавливать этот сосуд в кольцо, которое называют оправкой, то он действует как клин - стремится расширить кольцо, но сам сдавливается. На поверхности этого конического сосуда возникает давление, которое будет стремиться сжать сосуд. Такой сжатый, или, как его называют, поддержанный, конусный сосуд может выдержать гораздо большее давление. Этот прием можно повторить: сделать оправку тоже конической и вставить ее во вторую оправку. Тогда внутри конусного сосуда можно создать еще большее давление. Такой аппарат изображен на рисунке 2. Здесь мы видим конический сосуд с двумя ступенями поддержки и два гидравлических пресса, передвигающих стальные поршни, между которыми находится исследуемое вещество.

Чтобы привести в действие всю систему, нужно насосом высокого давления подать масло в штуцеры 1 и 2. Тогда в пространствах за поршнями 3 и 4 давление поднимается и поршни начинают сжимать вещество. Поддерживающее давление можно регулировать, перемещая нижний поршень. В таком аппарате можно достичь давления от 50 до 100 тыс.атм.

Любое вещество сопротивляется сжатию больше, чем растяжению. Используя это свойство материалов (особенно твердых), придумали такую конструкцию аппарата, в которой все части, находящиеся под очень большим давлением, только сжимаются. Схемы таких аппаратов изображены на рисунке 3. Кубик вещества находится между шестью поршнями из наитвердейшего сплава - карбида вольфрама. Эти поршни одновременно передвигаются к центру системы мощными гидравлическими прессами. Веществу деваться некуда, оно может только медленно выдавливаться (течь) в щели между поршнями. В результате внутри вещества развиваются огромные давления - до 200 тыс.атм. В другой схеме (рис. 4) веществу придают вид тетраэдра и сжимают его четырьмя поршнями с треугольными наконечниками.

Самые высокие, так называемые статические, т. е. поддерживаемые длительное время, давления достигнуты в аппаратах, которые построены по принципу молота и наковальни. Ведь обычные молот и наковальня остаются при ковке целыми, а кусок железа сильно меняет свою форму. Из очень твердого сплава изготовляют две наковальни и помещают их между плитами мощ-

130

Рис. 6. Адиабатическая пушка.

ного гидравлического пресса (рис. 5). Между наковальнями находится тонкий слой исследуемого вещества. При сжатии таких плит в веществе развивается огромное давление. Его уже удалось довести до полумиллиона атмосфер. Большего давления не выдерживает материал, из которого сделаны наковальни.

Подсчитаем, с какой силой нужно сжать наковальни, чтобы достичь такого давления. Пусть диаметр основания наковальни, на котором расположено вещество, равен 1,6 см. Тогда площадь наковальни равна приблизительно 2 см². Значит, чтобы получить давление в 0,5 млн.атм, нужно сжать плиты с силой 1000 т. Что же такое 1000 т? Это груз двадцати 50-тонных товарных вагонов. Целый поезд!

Кроме статического давления, существует еще динамическое, быстроменяющееся давление; оно возникает и уменьшается в доли секунды. Таково, например, давление взрыва. Динамические давления возникают в двигателях внутреннего сгорания, в орудиях и т. д.

Представим себе, что выходное отверстие в стволе артиллерийского орудия закрыто стальной пробкой. Если таким орудием произвести выстрел, то снаряд, который легко пробил бы броню танка, эту пробку не пробьет. Он долетит почти (почти!) до этой пробки, остановится и... полетит обратно. Не даст ему пробить пробку сжатый газ. Ведь в стволе орудия находится воздух. При выстреле снаряд в стволе, как поршень, гонит перед собой воздух. В конце ствола давление воздуха и его плотность настолько увеличатся, что воздух начнет действовать, как мощная пружина, и остановит снаряд. А дальше, как всякая пружина, воздух разжимается (расширяется) и двигает снаряд обратно. Так как сжатие в этом случае происходит в доли секунды, то газ нагревается до очень высокой температуры.

На этом принципе созданы установки для так называемого адиабатического, т. е. без обмена тепла с окружающей средой, сжатия газа (рис. 6). В такой установке можно получить давление до 20 тыс.атм и одновременно температуру до 10000 °. Это дает возможность ученым исследовать поведение сжатых и нагретых газов и их взаимодействие между собой. Интересно напомнить, что в XVIII в. такой принцип был использован для постройки воздушного огнива. Это была трубка, закрытая с одного конца. В трубке двигался поршень. При быстром вдавливании поршня воздух в трубке нагревался и воспламенял трут.

Итак, в настоящее время в лабораториях достигают давлений до полумиллиона атмосфер. Для чего же это нужно? Давление сильно изменяет свойства вещества. В первую очередь меняется его плотность, И это изменение плотности приводит к удивительным явлениям.

ПОЛИМОРФНЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Одно и то же вещество может принимать различные, так называемые аллотропические формы: кислород и озон, графит и алмаз. У химических соединений такие аллотропические формы называются полиморфными модификациями (см. ст. «Твердое тело и его загадки»). При изменении окружающих условий - температуры, давления,- когда это изменение достигло определенной стадии, вещество из одной аллотропической формы переходит в другую и приобретает другие химические или физические свойства. Эта точка так и называется точкой перехода. Различные аллотропические формы бывают не только у веществ, состоящих из одного химического элемента, но и у многих химических соединений (полиморфные формы).

В наше время считают, что при давлениях до 50 тыс.атм у каждого химического соединения возможен по крайней мере один полиморфный переход. Опыты показывают, что у многих веществ их гораздо больше. Известно, что у камфары их одиннадцать, у воды - семь, у висмута - восемь и т. д. Остановимся на воде. При 0° Ц вода замерзает. Если лед сжимать, то

131

при 30 тыс.атм образуется форма льда- VII, который плавится при +190° Ц. Значит, на таком куске льда можно было бы жарить пищу, если бы лед -VII сохранял свои свойства и при снижении давления. Лед -VII обладает необычайной твердостью и может поэтому стать причиной катастрофы. В подшипниках, в которых вращаются валы мощных турбин, развивается огромное давление. Если в смазке есть хоть немного воды, она замерзает. Образовавшийся лед, как песок, трет вал и подшипник и быстро выводит их из строя.

В природе существуют и необратимые переходы: вещества, полученные под давлением, сохраняют свои свойства и после того, как давление снято. К таким веществам относится углерод. Этот элемент может существовать в виде двух полиморфных модификаций - графита и алмаза. Как только это было установлено, начались попытки превратить графит в алмаз. На цветной таблице у страницы 376 изображены кристаллические решетки графита и алмаза. В графите атомы углерода расположены в углах шестиугольников и слои этих шестиугольников находятся на расстоянии 3,4 А друг от друга. Слои шестиугольников, как чешуйки, скользят друг по другу. Поэтому графит иногда употребляют для смазки.

В алмазе атомы углерода находятся в вершинах тетраэдра, длина ребра которого равна 4,54 Å. Таким образом, в алмазе расстояние между атомами почти вдвое меньше, чем в графите. Алмаз - самое твердое вещество на свете. Кроме того, так как алмаз встречается в природе довольно редко, он считается драгоценным камнем и стоит очень дорого. Не удивительно,

что уже давно люди стремились найти способ, как превратить графит в алмаз. На решение этой проблемы было потрачено немало сил и средств. Много было разочарований, прежде чем эта проблема была решена. А решили ее только, когда был найден научный путь, когда были накоплены знания и достигнут определенный уровень развития техники. В 50-х годах нашего века нашли способ осуществлять искусственно полиморфный переход графита в алмаз. В наше время уже налажено промышленное производство технических алмазов.

Чтобы графит мог перестроиться в алмаз, нужно не только сжать его до давлений в сотни тысяч атмосфер, но и нагреть при этом до очень высокой температуры. Правда, графит можно превратить в алмаз и при комнатной температуре при давлении всего около 10 тыс.атм, но тогда нужно было бы ждать века, пока получится хоть крупинка алмаза. Высокая температура нужна, чтобы процесс превращения шел быстро. А чем выше температура процесса, тем большее давление требуется, чтобы получить алмаз.

Кроме высокой температуры, для перехода графита в алмаз нужны катализаторы - вещества, ускоряющие процесс. Правда, в последние годы научились обходиться и без них.

Аппарат, в котором осуществляется синтез алмаза, изображен на рисунке 7. Он состоит из многослойного кольцевого сосуда. Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором циркулирует холодная вода. Такое чередование материалов уменьшает опасность разлета осколков, если аппарат разрушится.

Рис. 7. Схема бандажного аппарата для получения алмазов: 1 - медь, а - мягкая сталь, 3 - сталь, 4 - твердая сталь, 5 - самая твердая сталь, 6 -карбид вольфрама

132

Сверху и снизу аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части - это штампы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают прокладки из пирофиллита (минерал - алюмосиликат железа). Он обладает свойством становиться при очень высоких давлении и температуре пластичным.

Внутрь кольцевого сосуда вставляют контейнер из пирофиллита. В контейнере находятся графитовый стержень и катализатор. Все три части аппарата собирают и вставляют в гидравлический пресс. Затем сжимают плиты пресса и начинают увеличивать давление в аппарате. Пирофиллит заполняет все неплотности между штампами и кольцевым сосудом и предотвращает падение давления.

Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой мощности. Штампы изолированы от плит пресса и соединены металлическими прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через эту электрическую цепь, нагревает графит до 3000°Ц.

Проходят десятки минут, и процесс закончен. Внутри контейнера уже не графит, а кристаллики алмаза с ребром до 2 мм.

Алмаз ценится не только как украшение. Прежде всего его ценят за необычайную твердость. Из алмазов изготовляют резцы, сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые коронки. Алмазные инструменты обрабатывают самые твердые сплавы с необычной скоростью, точностью и чистотой.

Несколько лет назад был найден еще один полиморфный переход. Нитрид бора (BN) - белый порошок, решетка которого очень сходна строением с решеткой графита,- может под давлением 70 тыс.атм и при температуре около 1500°Ц необратимо перестроиться в боразон. Решетка этой новой полиморфной формы схожа с решеткой цинковой обманки (ZnS). Твердость боразона сравнима с твердостью алмаза, а термическая стойкость его еще выше.

ДАВЛЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Огромную роль играет давление в химии. Известно, что для производства пороха нужна селитра: калиевая, натриевая или аммонийная соли азотной кислоты. До первой мировой войны основным поставщиком селитры была страна Чили, обладавшая огромными залежами калиевой селитры. Вскоре после начала войны Германия оказалась в катастрофическом положении: морская блокада сделала доставку селитры из Чили невозможной. И тогда немецкие химики разработали метод, позволявший синтезировать аммиак из азота и водорода. Из аммиака получали азотную кислоту и аммиачную селитру. Германия стала производить собственную селитру.

Такой процесс синтеза аммиака был производительным и удобным только потому, что его вели под давлением в несколько сот атмосфер. Давление оказалось необходимым, потому что оно значительно ускоряет химические реакции. Прежде всего оно увеличивает концентрацию компонентов, т. е. их содержание в единице объема. Кроме того, реакция синтеза аммиака

3Н₂ + N₂ « 2 NH₃

идет с уменьшением объема: из трех объемов водорода и одного объема азота получаются два объема аммиака. При увеличении давления система (азот + водород + аммиак) словно сопротивляется этому и, чтобы снизить давление, дает аммиак.

Сейчас во всем мире заводы синтетического аммиака вырабатывают десятки миллионов тонн аммиачной селитры - одного из самых распространенных минеральных удобрений.

Так называемые колонны синтеза, т. е. сосуды, в которых синтез аммиака осуществляется на катализаторе,- это гигантские стальные трубы диаметром до 1,5 м и высотой в 10-15 м. Толщина стенок у этих труб достигает 20 см. За час они перерабатывают десятки кубометров азотоводородной смеси. Мощные компрессоры подают эту смесь под давлением 300 атм. В колоннах синтеза под таким давлением и при температуре 400-500° Ц азотоводородная смесь, соприкасаясь с катализатором, превращается в аммиак.

В наше время много химических продуктов получают в промышленности с помощью высокого давления, например метиловый спирт, уксусную кислоту. На производство этилового спирта еще недавно расходовали сотни тысяч тонн зерна и картофеля. Теперь спирт получают под давлением из воды и этилена - газа, выделяющегося в большом количестве при добыче и переработке нефти. Тот же этилен при давлении в 1500-3000 атм полимеризуется в полиэтилен - пластическую массу, обладающую рядом ценных качеств (см. ст. «Полимеры»). Под давлением производят и синтетические волокна. Можно насчитать еще около 100 технологических процессов, которые стали возможными благодаря применению давления.

133

ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ, ЧТОБЫ ПОСТРОИТЬ ХИМИЧЕСКИЙ ЗАВОД?

Постройка завода, на котором аппараты работают под давлением,- дело сложное. Оно требует многих знаний. Прежде всего для этого надо знать, как ведут себя под давлением различные жидкости, газы и твердые тела, когда они находятся в одном аппарате. Пока эти вещества не прореагируют друг с другом, они будут соприкасаться и смешиваться, газы будут растворяться в жидкостях, а жидкости и даже твердые тела - в сжатых газах. Химику, инженеру-технологу и проектировщику надо знать, как это все происходит.

Как ведут себя вещества под повышенным давлением, должен знать не только работник химической промышленности, но и вообще каждый хороший инженер. Долгое время не могли, например, понять, почему на лопатках паровых турбин оседает соль. В воде, которую подводят в паровые котлы, есть соль, но ведь в турбину попадает не вода, а пар. И кому же не известно, что из пара получают дистиллированную воду? Следовательно, на лопатки турбины попадают каким-то образом водяные брызги. Чтобы избежать этого, устанавливали всякие отбойники, брызгоуловители, отсекатели, но ничего не помогало. Разгадка пришла, когда было выяснено, что под высоким давлением водяной пар прекрасно растворяет твердую соль и уносит ее в турбину. Стало ясным, что котлы надо питать водой, в которой нет соли.

А свойство сжатого пара растворять соль научились использовать для получения ценных веществ. Этот принцип применили, например, для выращивания огромных кристаллов кварца. В паре, сжатом компрессором, при высокой температуре растворяют кремнезем (SiO₂), a затем, снизив температуру, кристаллизуют из газового раствора кварц. Так выращивают кристаллы чистейшего кварца (горного хрусталя) весом в несколько килограммов. Такие кристаллы нужны радиотехнике. Из них изготовляют пьезокварцевые пластинки (см. ст. «Звук»).

Так же синтезируют и другие ценные минералы. Этот метод называют гидротермальным синтезом, потому что процесс идет в водяном паре при высокой температуре. Кстати, такие же условия - высокая температура и большое давление - существуют и в глубине Земли. Там тоже вырастают кристаллы минералов, в частности кварц, только значительно медленнее, чем в наших лабораториях и заводских установках.

Сжатые газы, так же как пар, растворяют жидкости и твердые тела. Инженерам химической промышленности хорошо известно, что газ, прошедший через компрессор, несет в себе масло, которым смазывают поршни компрессора. При этом разные газы по-разному загрязняются такой нежелательной примесью. Никакими фильтрами и отбойниками не удается очистить загрязненный маслом газ. Удалить масло можно, только охладив газ или снизив давление.

Не следует забывать, что речь идет о больших количествах жидкости, попадающей в газ. Опыты показали, что, например, 1 м³ этилена при 2 тыс.атм и 25°Ц растворяет до 3 кг масла. При 45°Ц и 300 атм такое же количество этилена растворяет до 0,5 кг нафталина, а 1 м³ двуокиси углерода - до 200 г нафталина.

Это свойство сжатых газов было использовано: предложили новый способ разгонки сложных жидких смесей. Разные жидкости по-разному растворяются в газах. При определенных давлении и температуре газ растворит определенную часть смеси. А затем, снижая давление, можно выделить из газа растворенную жидкость. При этом происходит изотермическая перегонка, т. е. перегонка при одной и той же температуре и переменном давлении.

Вообще же не следует удивляться, что жидкости и твердые тела хорошо растворяются в сжатых газах. Ведь плотность сильно сжатого газа близка к плотности жидкости. Например, плотность азота при 10 тыс.атм и 25° Ц равна 1,25 г/см³, т. е. такой азот может тонуть в воде. Эта особенность сжатого газа проявляется в явлении, открытом сравнительно недавно. Оказывается, два газа, сжатые высоким давлением, не смешиваются, а расслаиваются на два слоя, как масло и вода. Граница раздела газовых слоев сфотографирована через прочные стекла; даже измерено поверхностное натяжение на этой границе.

ДАВЛЕНИЕ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Увеличение давления до нескольких атмосфер сильно действует на организм человека (см. ст. «Человек покоряет океан»). А вот глубоководные рыбы живут под давлением в сотни атмосфер и, наоборот, гибнут, когда их вытягивают на поверхность воды. Некоторые виды бактерий преспокойно выдерживают давления в тысячи атмосфер, но гибнут при давлении в 7 тыс.атм : вода в их клетках превращается в одну из полиморфных модификаций льда и

134

разрывает их. Это явление навело на мысль о возможности консервировать продукты, подвергая их высокому давлению. Опыты показали, что, действительно, молоко, подвергнутое высокому давлению, долго не скисает, так как в нем уже нет живых бактерий молочнокислого брожения. Давление убивает также ряд болезнетворных бактерий и вирусов.

ПЛАСТИЧНЫЙ МРАМОР

Давление изменяет свойства конструкционных материалов. Сталь, подвергнутая давлению в 25 тыс.атм, становится прочнее и более вязкой; хрупкий мрамор становится пластичным: его можно растягивать, как медь, и сжимать.

Прочность различных веществ, с которой мы имеем дело в жизни, значительно меньше той, которая должна быть, если ее рассчитать, исходя из величины межатомных сил, действующих в кристаллической решетке. Такое несоответствие объясняют тем, что в решетке обычно нарушен порядок. Представьте себе кирпичную кладку с шахматным порядком. Если некоторые из кирпичей пропущены или спутаны ряды, то кладка менее прочна, чем правильная.

Предполагают, что если металл кристаллизовать из расплава под высоким давлением, то можно получить правильную кристаллическую решетку, без дефектов, и тогда прочность металла будет значительно выше. Более прочный металл даст возможность построить аппараты, которые выдержат еще большее давление.

НАУКА О ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

Исследование веществ при высоких давлениях - увлекательная область науки. Давление

вызывает в веществах удивительные изменения. Многие вещества, проявляющие себя в нормальных условиях как изоляторы, при высоком давлении превращаются в полупроводники, а полупроводники могут приобрести свойства металлов. Теоретические расчеты показывают, что под давлением в 2 млн.атм твердый водород перейдет в металлическое состояние.

После того как давление снято, вещество обычно возвращается к своей первоначальной структуре. Но иногда оно остается в новом состоянии. Мы подробно рассказали о том, как переходит графит в алмаз, а нитрид бора в боразон. При давлении в 160 тыс.атм и температуре 1200-1400°Ц в новую модификацию переходит и кварц - он становится вдвое плотнее обычного.

Кварц такой структуры в естественном состоянии на Земле не существует. Но частицы именно такого кварца найдены в крупнейшем метеоритном кратере в штате Аризона (США). Следовательно, в лаборатории сумели изготовить космический минерал! Этот минерал назван стиповеритом по имени синтезировавших его ученых Стишова, Поповой и Верещагина.

Исследования при высоких давлениях ценны не только для науки, у них большое практическое значение. Синтетические алмаз и боразон - превосходные материалы для режущих и шлифовальных инструментов. Искусственный кварц применяется в радиотехнике.

Превращения и новые качества, которые проявляются в веществах под действием высокого давления, изучены сравнительно слабо.

Мы стоим у порога давлений в миллионы атмосфер. Восхождение к вершинам давления продолжается и сулит науке и технике много новых открытий.

НАУКА, НЕОБХОДИМАЯ ВСЕМ (Термодинамика)

Термодинамика - удивительная наука.

Физик, мечтающий, например, овладеть неисчерпаемым источником энергии - осуществить каким-либо путем термоядерную реакцию, прежде чем начать рассчитывать свою сложнейшую установку, спрашивает у термодинамики, возможен ли задуманный им но-

вый физический процесс в области плазменных превращений, и, только получив утвердительный ответ, предпринимает долгий и трудный поиск. Ученый уверен, что, несмотря на возможные, пока еще непреодолимые трудности, его работа может увенчаться успехом.

Если химик старается найти пути, как полу-

135

чить новое, небывалое в природе, задуманное им вещество, которое, как он надеется, должно обладать замечательными свойствами, очень нужными людям, то он тоже прежде всего обратится за советом к термодинамике: можно ли вообще осуществить задуманную им новую реакцию, с помощью которой он рассчитывает получить такое вещество. Если термодинамика даст отрицательный ответ, химик и пытаться не будет осуществлять эту реакцию. Работа в этом направлении не будет успешной: оно безнадежно.

Геолог, изучающий новое рудное, солевое месторождение, советуется с термодинамикой: какие минералы он может в нем найти и в какой последовательности они в этом месторождении могут залегать.

Биологу термодинамика помогает разобраться в бесконечной сложности жизненных процессов, протекающих в живой клетке.

Синоптик, предсказывающий погоду, следящий за движением циклонов, за зарождением ураганов и бурь в океане и в воздухе, использует в своей работе строгие законы термодинамики.

Астрофизик наших дней начинает неплохо разбираться в чудовищной, еще совсем недавно казавшейся совершенно недоступной загадочности явлений в недрах далеких миров, внутри звезд, отстоящих от нас на сотни и тысячи световых лет. Пожалуй, теперь ученые знают глубины звезд лучше, чем даже неглубокие недра земного шара, которые лежат всего в каких-нибудь десятках километров под нашими ногами. В этом ученым тоже помогла термодинамика.

Инженер, задумавший построить новый двигатель, прежде подсчитает с помощью термодинамики, какова может быть его эффективность и будет ли он более выгодным, чем существующие. От ответа термодинамики будет зависеть решение - стоит ли над новой машиной работать.

Термодинамика указала пути, как создавать новые высокоэкономичные машины, и вот старые паровозы, сотню лет честно трудившиеся, начинают исчезать с железных дорог. Водить поезда стали мощные тепловозы, а они созданы и построены на основе термодинамических расчетов.

Термодинамика научила химиков, как использовать неисчерпаемые в воздушном бассейне земного шара запасы азота. Во всех странах мира работают теперь гигантские азотнотуковые химические комбинаты, которые

извлекают азот из воздуха и превращают его в удобрения, повышающие урожаи полей. Трудно себе представить, что бы было, если бы проблема синтеза азотных удобрений не была решена.

Термодинамика помогла найти решение и в сказочной, поистине фантастической проблеме - в синтезе искусственных алмазов. То, что в природе рождалось в течение миллионов лет в неведомые геологические эпохи в неведомых глубинах, теперь создается в сверхпрочных аппаратах химиков под давлением в сотню тысяч атмосфер при температуре в 2000°. Условия реакции, температуру и давление, указала химикам термодинамика.

Термодинамика - замечательная наука.

Она необходима всем. Ни один ученый не может обойтись без нее в своей работе. Законы термодинамики незыблемы и всеобщи, они лежат в основе всех отраслей знания, изучающих все, что существует и развивается в окружающем нас мире.

ЧТО ТАКОЕ ТЕРМОДИНАМИКА

Точное определение той науки, которая называется термодинамикой, может показаться сухим, малоинтересным, узким и скучным. Термодинамика в своей основе - наука о температуре, теплоте и превращениях теплоты и работы друг в друга.

Свое название эта наука получила от двух греческих слов: «терме» и «динамис». Первое слово означает «теплота». Вторым словом раньше выражали различные понятия: силу и работу.

Что в мире подлежит изучению методами термодинамики?

На этот вопрос нелегко ответить. Все области знания, в которых успешно используются термодинамические методы исследования, перечислить просто невозможно. Как бы сложно ни было изучаемое явление, к какой бы отрасли познания оно ни относилось: к любому ли разделу физики - от астрофизики до теплофизики или электроники, к любой ли отрасли химии - от технической химии до сложнейших биохимических процессов - всюду и всегда наиболее важным, существенным, основным будет переход, превращение одного вида энергии в другой вид.

136

Место термодинамики среди других наук

Термодинамика своеобразна. Она многим отличается от других научных дисциплин, изучающих окружающий нас мир. Основанная на простых наблюдениях, на несложных опытах, она развилась в удивительно стройную науку, в основе которой лежит небольшое число основных законов.

Путем строгих логических заключений, методами чисто математических выводов термодинамика устанавливает связь между самыми разнообразными свойствами вещества, позволяет на основании изучения одних, легко измеряемых величин вычислять другие, важные и необходимые, но трудно измеримые или даже недоступные непосредственному измерению. Термодинамика, конечно, может быть по праву отнесена к физическим наукам, но в ней существуют разделы: химическая термодинамика и техническая термодинамика. Это большие самостоятельные дисциплины.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Системы, которые исследует термодинамика

Мир, в котором мы живем, полон тайн. Он неисчерпаем и безграничен. Как бы ни были велики успехи и достижения наук, изучающих Вселенную, и в большом и в малом, от необъятности Метагалактики до неуловимого нейтрино, все равно, чем больше наука познает мир, тем все шире раздвигается перед нею неизведанное.

Каждая наука, и термодинамика также, изучает свои определенные области, ограничивая их, и выделяя из необозримой сложности и многообразия всей совокупности бесчисленных процессов, протекающих в действительности. Этим упрощается задача познания неизвестного. Иначе ни одна наука не могла бы работать.

Термодинамика изучает состояния системы некоторого определенного количества вещества. Что такое термодинамическая система? Каковы ее свойства? Что называется состоянием системы? Ответить на эти вопросы лучше всего конкретными примерами. Для термодинамика, изучающего химические реакции, системой будет та смесь многих реагирующих веществ в его приборе, где и протекают сложные химические превращения. Ученый-астрофизик назовет системой внутренность гигантской звезды того класса, который он изучает. Залив моря, где происходят кристаллизация и выделение солей из морской воды,- это тоже система для ученых, изучающих с точки зрения термодинамики солевые равновесия.

Перегретый пар под поршнем паровоза, взрывчатая газовая смесь паров горючего с воздухом в цилиндре двигателя автомашины, пары сверхвысокого давления в котлах тепловой электростанции - все это различные системы, свойства и состояния которых изучаются термодинамикой.

Не следует думать, что системы, которые ученые изучают методами термодинамики, обязательно должны быть ограничены реальными твердыми стенками: например, бронированными стенками колонн, в которых проводится синтез при высоком давлении на химическом заводе, стенками стеклянной колбы в лаборатории химика, стальным цилиндром в двигателе паровой машины.

Исследователь может выделить изучаемую им систему воображаемыми мысленно границами: он может рассматривать образование облака в атмосфере, процессы, происходящие в живой клетке организма, состояние вещества внутри звезды, следить за процессами, протекающими в реакторных трубах сложнейшего химического производства.

Система не может быть бесконечной

Термодинамика может изучать любые системы, но одно условие обязательно: система должна быть конечной. Она может быть ничтожно малой, такой, как, например, живая клетка, может быть гигантски большой, как звезда. Но система, изучаемая термодинамикой, не может быть бесконечной. Это очень важно. Поэтому выводы термодинамики не применимы ко Вселенной в целом.

Ее законы нельзя распространять не только на всю бесконечную Вселенную, но даже и на значительные области Вселенной, поскольку процессы в них в сильной степени определяются полями тяготения.

Размеры систем, для которых применимы законы термодинамики, не могут быть и очень малыми. Эти законы утрачивают смысл для систем, состоящих всего из нескольких молекул.

137

Состояние и свойства системы

Состояние системы определяется температурой, давлением и объемом. Эти свойства системы хорошо всем знакомы, но они далеко не простые. Состояние одного моля водорода, килограмма водяного пара, кубометра любого газа, воды, любой жидкости, кристалла, самой сложной смеси реагирующих веществ полностью характеризуется соответствующими значениями свойств системы. Иногда ученому-термодинамику приходится принимать во внимание, учитывать и внешние воздействия на систему, от которых может зависеть ее состояние: силу тяжести (например, при изучении свободной атмосферы), электрические или магнитные поля.

Состояние системы - это совокупность ее свойств. Изменилось состояние системы изменились и значения ее свойств. Восстановилось снова прежнее состояние - восстановились прежние значения ее свойств. На настоящем состоянии системы ее прошлые состояния не отражаются. Вода остается той же самой водой, если ее заморозить, а потом растопить лед или сначала испарить, а потом сконденсировать пар. Изменение свойства не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Очень важно, что справедливо и обратное утверждение: если при переходе системы из одного состояния в другое изменение некоторой величины не зависит от пути перехода, а определяется только начальным и конечным состояниями системы, то эта величина - свойство системы.

Вероятно, у многих может возникнуть вопрос: зачем нужно говорить о простых вещах так неопределенно, туманно и неясно. Если ученый изучает воду, так пусть он ее водой и называет; если серную кислоту, пусть так и говорит - кислота. Так, казалось бы, должно быть яснее и проще.

Дело в том, что термодинамика очень экономная наука. Если термодинамика дает уравнение для расчета химической реакции, то оно справедливо не только для какой-нибудь одной реакции, но и для всех химических реакций, где бы они ни протекали, кем бы ни проводились, при каких бы условиях ни осуществлялись и какие бы вещества в этих реакциях ни принимали участие. Непреложные термодинамические законы о работе тепловых машин применимы ко всем тепловым двигателям, как бы они ни были построены, на каком бы принципе они ни работали, даже и к тем тепловым машинам которые когда-нибудь будут изобретены. Вот поэтому так гораздо правильнее и точнее выражается эта замечательная особенность термодинамики: она изучает состояния и свойства термодинамической системы вообще, любой, какой угодно.

Уравнение состояния

И химику, и теплотехнику, и физику, и конструктору новых космических кораблей мало знать общие закономерности поведения системы вообще. Им нужно рассчитывать совершенно конкретные задачи: один хочет знать, с помощью какой химической реакции он сможет получить новое соединение дешевле и проще; другому необходимо еще более повысить коэффициент полезного действия у двигателя; физик, например, мечтает достичь настолько высоких температур, чтобы можно было осуществить начало термоядерной реакции; космонавтам необходимы еще более тяжелые космические корабли, и им нужно новое топливо, еще более мощное и с большим тяговым усилием.

Это примеры очень важных, имеющих огромное значение процессов, в них принимают участие определенные реальные вещества. И свойства этих веществ должны входить в термодинамические расчеты.

Для этого нужно знать уравнение состояния вещества. Его нельзя получить при помощи термодинамики. Оно должно быть найдено другим, независимым путем - либо точными измерениями, либо теоретически.

Уравнение состояния необходимо термодинамике знать заранее, без него она ничего не может рассчитать. Оно позволяет рассчитать для определенного вещества любую из четырех важнейших величин - количество вещества (т), его объем (v), давление (р) или температуру (Т), если известны три остальные величины:

F(m, v, р, Т) = 0.

Удобнее рассматривать всегда один моль газа, тогда уравнение состояния будет проще:

F(v, р, Т)= 0.

Каждый школьник знает уравнение состояния идеальных газов, его вывел впервые петербургский профессор француз Клапейрон:

pv - RT =0.

138

Это уравнение хорошо описывает поведение одного грамм-моля любого газа при малых давлениях и высоких температурах. Оно очень простое, что сильно облегчает расчеты, и достаточно точное, поэтому его очень часто применяют. Этому замечательному уравнению подчиняются и воздух, которым мы дышим, и раскаленные газы в топках, и плазма внутри звезды, и даже электроны в металле. Выведено оно при допущении, что молекулы газа представляют собой материальные точки: обладают массой, но не имеют объема и никак не взаимодействуют между собою. Поэтому оно и названо уравнением состояния идеальных газов.

Такое допущение определяет область, в которой применяется это уравнение: при низком давлении газ занимает настолько большой объем, что объемом самих молекул можно смело пренебречь, а при высокой температуре молекулы обладают такой большой энергией и такой большой скоростью, что взаимное притяжение не влияет на их движение.

Конечно, в действительности нельзя пренебрегать ни собственными размерами молекул, ни их взаимным притяжением. Истинный свободный объем, в котором могут двигаться молекулы, будет меньше объема самого газа, так как часть этого объема занимают сами молекулы (v-b), а давление, под которым находится газ, несколько больше внешнего давления, потому что из-за межмолекулярного притяжения газ испытывает как бы дополнительное сжатие:

p-a/v² .

Поправка к давлению должна быть тем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы в газе, чем более он сжат, чем меньший объем занимает. Эта поправка обратно пропорциональна квадрату объема: чем он меньше, тем ближе друг к другу молекулы и тем больше притяжение, а кроме того, самих молекул в единице объема больше.

Эти поправки ввел в уравнение идеального газа голландский ученый Ван-дер-Ваальс. Он предложил уравнение

(p+a/v²) (v-b)-RT=Q,

которое называется его именем или уравнением реальных газов. R здесь постоянная, которая зависит от количества газа. Это уравнение гораздо более точно, чем уравнение Клапейрона,

Рис. 1. Графики уравнения состояния идеального газа. На верхнем изображена зависимость объема от давления при постоянной температуре. Внизу - графики зависимостей изменения объема и давления от температуры. Этому уравнению подчиняется и воздух, только, конечно, нужно учитывать изменение температуры с высотой.

а применимо в значительно более широких пределах при изменении температуры и давления. Поправки «а» и «6» определяются из опытных данных. Изучив отклонения от идеального газа в изменении объема газа при сжатии, можно даже довольно точно оценить размеры его молекул.

Знать уравнение состояния очень важно для термодинамики, без него она бессильна

139

Рис. 2. График уравнения состояния реального газа. Кривые на графике передают зависимость между объемом и давлением для углекислого газа при разных температурах. При высоких температурах это уравнение переходит в уравнение идеального газа. Ниже критической температуры (304° K ) это уравнение передает сосуществование газа и жидкости. Правая ветвь каждой кривой соответствует газообразной углекислоте, левая - жидкой. Горизонтальный участок - смеси пара и жидкости. Нанесенные пунктиром части кривых нереализуемы; они соответствуют нестабильным состояниям. Небольшие отрезки над горизонтальной прямой и под ней соответствуют переохлажденному пару и перегретой жидкости.

при всем своем могуществе. Кроме двух приведенных уравнений состояния, были предложены десятки, а может быть, даже и сотни различных форм уравнений состояния, описывающих поведение различных веществ с возможно большей степенью точности. Многие из них по необходимости весьма сложны, и рассчитывать по ним очень трудно и утомительно. В таких случаях приходится составлять с помощью этих уравнений числовые таблицы, чтобы облегчить практические расчеты.

Таким образом, в совокупности свойств, характеризующих состояние системы, нельзя произвольно менять значения всех свойств. Эти значения связаны между собой уравнением. Уравнение состояния обязательно нужно знать, только при этом условии возможно успешно использовать замечательный математический аппарат термодинамики.

Процесс

Изменение состояния системы называется процессом. Это очень широкое и очень важное понятие. В теплое утро влажный воздух над озером, нагретый лучами солнца, высоко поднялся над землей и, расширившись, охладился; влага, находившаяся в нем, начала конденсироваться - мы наблюдаем процесс образования облака. В печи весело потрески-

Рис. 3. Уравнение состояния водяного пара; B - постоянная из уравнения идеальных газов; величины а и в взяты из уравнения Ван-дер-ваальса. Величины c₁, с₂, m₁, и m₂, рассчитываются из опытных данных; N - число молекул в одном грамм-моле. Это уравнение получено советским учёным-термодинамиком Вукаловичем, и по нему составлены самые точные в мире таблицы свойств водяного пара. Этими таблицами пользуются инженеры и конструкторы, когда

рассчитывают и создают электростанции, турбины, котельные установки, паровые двигатели.

Уравнение состояния очень сложно, и расчеты по нему трудны. Но не следует бояться трудных формул. Природа открывает свои тайны тем храбрецам, которые не испытывают страха перед сложными расчетами.

140

Рис. 4. I. Воздушное «огниво», изобретенное в 1803 г. Трубка Л закрыта с одного конца и снабжена поршнем В. Когда поршень быстро вдавливается, воздух в трубке сильно нагревается. Трут С воспламеняется. II. Современное газовое «огниво». В стальной трубке А может перемещаться стальной поршень B, В трубке находится газ при атмосферном давлении. Когда затвор С открывается, сжатый воздух выходит из сосуда D и сообщает ускорение поршню В. Поршень приобретает скорость в несколько десятков метров в секунду и адиабатически сжимает газ в трубке А. В зависимости от давления воздуха в D газ в трубке А нагревается до 8000 -10 000°Ц, и давление его повышается до 7000 - 10 000 атмосфер.

вают дрова, согревая комнату,- это процесс химической реакции соединения с кислородом. Гигантский взрыв на выброс, за тысячные доли секунды он прокладывает десятки километров нового канала,- это тоже процесс: химическая реакция разложения взрывчатки и последующее расширение образовавшихся при реакции газов. Образование перегретого пара высокого давления в паровом котле, его расширение в турбине, охлаждение в конденсаторе - все это процессы, обеспечивающие работу сверхмощной электростанции.

Окружающая среда

Системы, которые изучает термодинамика, хотя и содержат определенное и постоянное количество вещества, совсем не изолированы от окружающего мира. Чтобы в реакторе химика могла успешно протекать нужная ему реакция, он должен предусмотреть, каким способом будет нагреваться или, наоборот, охлаждаться реакционный аппарат. Пар, расширяясь в цилиндрах паровоза, движет поршень, это движение передается на колеса, и тяжелый состав отправляется в путь. Воздух, нагретый у земной поверхности лучами солнца, поднявшись вверх, расширяется и раздвигает слои атмосферы на большой высоте, где давление понижено: образуется облако.

Термодинамика изучает процессы, в которых система не обменивается веществом с окружающей средой, но может обмениваться теплотой и работой. Такая система называется закрытой. Как предельный случай, система может быть полностью изолирована от окружающего мира и не обмениваться с ним ни веществом, ни работой, ни теплотой.

Наиболее важные процессы

Среди множества разнообразных процессов некоторые, наиболее простые, имеют особо важное значение для термодинамики. Из них здесь необходимо упомянуть два вида термодинамических процессов:

1. Те, которые протекают при постоянной температуре, носят название изотермических. Таких процессов и в природе, и в технике очень много. Изотермически, например, тает лед. Почти все процессы в живом организме протекают при постоянной температуре. Химикам часто удобно осуществлять свои реакции при неизменной температуре.

2. Те процессы, которые протекают без обмена теплом с окружающей средой, называются адиабатическими. Часто адиабатическим путем протекают очень быстрые процессы, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой.

141

Если вы заставите расшириться газ, помещенный в термос, ему придется расширяться адиабатическим путем. При этом газ охладится. Один французский рабочий-оружейник придумал в 1803 г., когда еще не были изобретены спички, «воздушное огниво» - закрытую с одного конца трубку с поршнем. Очень быстрое и сильное сжатие воздуха в «воздушном огниве» приводит газ в раскаленное состояние, и трут, прикрепленный к поршню, воспламеняется. Это тоже адиабатический процесс.

Конечно, и при изотермических и при адиабатических процессах система взаимодействует с окружающей средой.

При изотермических процессах система, совершая работу или изменяя состояние, поглощает из окружающей среды теплоту - ровно столько теплоты, что температура внутри системы остается постоянной. При адиабатических процессах система взаимодействует с окружающим миром, только совершая работу.

Температура

Ощущения тепла и прохлады, жары и холода присущи человеку. Лишенный термических ощущений, он не выжил бы в земной обстановке. Однако понятие температура - трудное и тонкое понятие.

Историю термодинамики, собственно говоря, можно начать с изобретения Галилеем в 1592 г. простого устройства - термоскопа. Человечество должно быть глубоко благодарно Галилею за его гениальную идею - судить об изменениях температуры по изменениям других свойств тела, Сам Галилей предложил измерять температуру по расширению воздуха. В его первом термоскопе показания искажались изменением барометрического давления.

Рис. 5. Термоскоп Галилея.

Вскоре был изобретен газовый термоскоп постоянного объема, он оказался значительно более чувствительным и точным.

Вместо воздуха трубку стали заполнять жидкостью: сначала водой, потом спиртом и, наконец, ртутью. Ртуть оказалась настолько удобной, что один физик XVIII столетия заявил в порыве восторга: «Определенно, природа создала ртуть для изготовления термометров...»

Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура

Тайна вихря

Страшен смерч в океане. Вихрем до самого неба поднимает воду из морской пучины. Беда, если неосторожный капитан не успеет увести свой корабль с его пути. Еще страшнее смерч в пустыне. Гигантские воздушные вихри несут горы горячего песка, вырывают с корнями деревья, разрушают дома, могут унести из каравана путника вместе с верблюдом. По древней легенде, храбрец, повстречавший в пустыне

смерч на своем пути, должен смело к нему подскакать и, не дрогнув, метнуть в него кинжал: смерч исчезнет, а на стальном лезвии останутся капли холодной росы - это «кровь шайтана», пораженного смелым воином. Удивительно, как часто скрывается истина в старых поэтических легендах. Может быть, сотни лет знали жители пустынь о сильном холоде в середине вихревого столба смерча. Но ученые-физики сумели подметить это заме-

чательное явление совсем недавно. Оказывается, во всяком воздушном вихревом движении температура наружных слоев вихря выше, чем в окружающем воздухе, а в центре значительно ниже. И хотя до сих пор теоретики еще не смогли до конца понять и объяснить причину этого эффекта и его механизм далеко не ясен, инженеры заставили «шайтана смерчей пустыни» послушно работать в холодильных установках.

142

постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр.

Первое время, чтобы измерять столбик жидкости, расширяющейся при нагревании, делили расстояние между двумя точками - от точки плавления льда до точки кипения воды- на произвольное число равных частей. В 1742 г. Цельсий предложил делить расстояние между этими точками ровно на сто частей, он обозначил температуру плавления льда как сто градусов, а температуру кипения воды как нуль градусов. Но вскоре эти обозначения поменяли местами. Этой шкалой пользуются уже более 200 лет почти повсюду в мире. Она удобна, проста и практична.

Рис. 6. Воздушный термоскоп постоянного объема, изобретенный в 1702 г. Воздух в шаре (его диаметр примерно 8 см) отсечен от внешнего воздуха ртутью, находящейся в нижней части шара и в узкой трубке (ее диаметр примерно 1 мм). Давление в шаре изменялось, когда изменялась температура. Происходило это практически при постоянном объеме воздуха. Современные гелиевые термометры работают тоже при постоянном объеме.

Что же показывает термометр?

Кажется, что это всем ясно - температуру! А что такое температура?

Очень хорошо сказал по этому поводу один физик: «Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется». И почти три сотни лет измеряли повсюду температуру, но только совсем недавно, в конце прошлого столетия, стало окончательно ясно, что такое температура.

А в самом деле, что же показывает термометр? Стоит еще раз проследить, как возникло понятие «температура». Когда-то думали: если становится жарко, то это потому, что в теле повышается содержание теплорода. Латинское слово «температура» означало «смесь». Под температурой тела понимали смесь из материй тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово «температура» осталось.

Добрые две сотни лет в науке сохранялось странное положение: случайно выбранным свойством (расширение) случайно выбранного вещества (ртуть) и шкалы, установленной по случайно выбранным постоянным точкам (плавление льда и кипение воды), измерялась величина (температура), смысл слова «температура», строго говоря, никому не был понятен.

Но ведь термометр все-таки что-то показывает? Если от ответа потребовать необходимую строгость и точность, то на такой во-

рис. 7. Жидкостные термоскопы XVII в. Двести лет назад приборы, отмечавшие изменение температуры, делались красивыми, но форма шарика у резервуара для жидкости была неудачна. Такая форма замедляет наступление термического равновесия между термоскопом и исследуемым телом. При заданном объеме шар из всех геометрических фигур имеет наименьшую поверхность. «Шарик» современных жидкостных термометров - сплющенный вытянутый цилиндр.

143

прос придется ответить так: ничего, кроме удлинения в столбике нагретой ртути.

Ну а если ртуть заменить другим веществом: газом или каким-либо твердым телом, которое также расширяется при нагревании, что будет тогда? Что будут показывать построенные на иной основе термометры?

Представим себе, что такие термометры мы сделали. Одни из них мы заполнили ртутью, воздухом, другие изготовили целиком из железа, меди, стекла. Точно установим на каждом из них постоянные точки: в тающем льду 0°, в кипящей воде 100°.

Попробуем теперь измерять температуру. Окажется, что, когда воздушный термометр покажет, например, 300°, другие термометры будут показывать:

ртутный 314,1°,

железный 372,6°,

медный 328,8°,

стеклянный 352,9°.

Какая же из этих «температур» правильна: «воздушная», «ртутная», «железная», «медная» или «стеклянная»? Ведь каждое из испытанных нами веществ показывает свою собственную температуру. Еще интересней повел бы себя «водяной» термометр. В пределах от 0° до 4° Ц он показывал бы при нагревании понижение температуры.

Можно, конечно, попытаться выбрать вместо теплового расширения какое-нибудь другое свойство вещества, изменяющееся при нагревании. Можно, например, построить термометры на основе изменения (при нагревании) упругости пара жидкости (например, спирта), электрического сопротивления (например, платины), термоэлектродвижущей силы (термопара). В наше время такие термометры широко применяются в технике.

При условии предварительной калибровки по двум постоянным точкам такие термометры, например, при 200°Ц будут показывать: спиртовой (по упругости пара) 1320°, платиновый (по сопротивлению) 196°, спай платины и сплава ее с родием (термопара) 222°.

Так какая же из всех этих разных «температур» настоящая? Как и чем нужно измерять температуру?

Прежде чем ответить на эти вопросы, следует уяснить себе самое важное в них - их точное содержание и смысл: «чем нужно измерять температуру». Почему такой «простой» вопрос вообще может возникать?

Чем мы измеряем длину? Метрами. Метр - это длина линейки эталона, который ученые

очень бережно хранят, чтобы он не пропал и не испортился. Чем мы измеряем объемы? Можно измерять литрами. Литр - это объем, равный одному кубическому дециметру. А чем мы измеряем температуру?

Эти вопросы совершенно сходны, но ответы на них принципиально различны. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды вы ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это очень важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Из нескольких коротких палок можно составить одну длинную, соединив их между собою встык. Но нельзя сложить температуру раскаленного угля из печи и температуру куска льда. Раскаленный уголь от этого не станет более горячим.

Измерять температуру, подобно тому как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому как метром можно измерить любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура - пример интенсивных свойств системы. Непосредственно установить числовое соотношение между различными температурами невозможно и бессмысленно.

Но ведь измерять температуру необходимо. Так как же ее измерять, если ее нельзя измерить методом, пригодным для измерения экстенсивных величин?

Для этого возможен только один путь - использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, длины, отклонением стрелки гальванометра и т. п.

Поэтому ответ на вопрос - какая из перечисленных выше различных «температур» настоящая - может показаться с первого раза странным: все они равноправны. Любое свойство системы, зависящее от температуры, может быть выбрано для ее характеристики и измерения.

Термодинамика сумела указать способ и вещество, которое позволяет осуществить температурные измерения наиболее целесообразно.

144

Это - идеальный газ. По его расширению при постоянном давлении или по росту давления при постоянном объеме могут быть проведены наиболее целесообразно измерения температуры. При таком способе измерения бесчисленные выражения для любых закономерностей в природе становятся наиболее простыми.

Но у идеального газа есть один существенный недостаток: такого газа нет в природе.

Давление

Насколько сложно и трудно понятие о температуре, настолько просто и ясно понятие «давление». Его хорошо знает любой школьник из самого начального учебника физики. Давление - это сила, действующая на единицу площади поверхности. Направлено давление в случае газов и жидкостей всегда перпендикулярно к поверхности. Понятие «давление» можно приложить к твердым телам, но следует ном-нить, что свойства твердых тел могут зависеть от направления, в котором действует давление (например, пьезоэффект).

В термодинамике давление и температура - два основных, главнейших параметра, определяющих состояние термодинамической системы. Это определение означает, что одно и то же количество вещества при одних и тех же значениях температуры и давления занимает всегда один и тот же объем. Правда, необходимо добавить: это определение справедливо, когда в системе достигнуто равновесное состояние.

Химику очень полезно знать, что один грамм-моль любого газа при 0° Ц и при давлении в 1 атм занимает объем, равный приблизительно 22,4 литра. Это стоит запомнить.

Теплота

Наверное, не одна сотня тысяч лет протекла с тех пор, как наши далекие предки впервые познакомились с огнем и научились сами получать теплоту. Каждый из нас грелся у горячей печки и мерз в стужу. Казалось бы, что может быть теперь привычнее и понятней, чем так хорошо знакомая всем теплота.

Но вопрос - что такое теплота - далеко не так прост. Правильный ответ на него был найден наукой совсем недавно. Долгое время ученые даже не замечали всю сложность этой проблемы.

Первое истолкование природы теплоты было основано на бесспорном и очевидном как будто бы факте: при нагревании тела его температура повышается - следовательно, тело получает теплоту. При остывании, охлаждаясь, тело ее теряет. Поэтому всякое нагретое тело представляет собой смесь того вещества, из которого оно состоит, и тепла. Чем выше температура тела, тем больше в нем примешано теплоты. Теперь уже мало кто помнит, что слово «температура» в переводе с латинского и означает «смесь». Когда-то, например, о бронзе говорили, что она - «температура олова и меди».

Два совершенно различных объяснения, две гипотезы о природе теплоты спорили между собой в науке почти два столетия.

Первую из этих гипотез высказал в 1613 г. великий Галилей. Теплота - это вещество. Оно необычно. Оно способно проникать в любые тела и выходить из них. Тепловое вещество, иначе теплород, или флогистон, не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами. Чем его больше в теле, тем температура тела выше. Еще не так давно говорили - «градус теплоты» (а не температуры), считая, что термометр измеряет крепость смеси из материи и теплорода. (До сих пор еще сохранился обычай мерить в градусах крепость вина - смесь воды и спирта.)

Вторую гипотезу, совершенно, казалось бы, отличную от представления Галилея, высказал в 1620 г. знаменитый философ Бэкон. Он обратил внимание на то, что было издавна известно любому кузнецу: под сильными ударами молота становится горячим холодный кусок железа. Известен способ получения огня трением. Значит, ударами и трением можно произвести теплоту, не получая ее от уже нагретого тела. Бэкон из этого заключил, что теплота есть внутреннее движение мельчайших частиц тела и температура тела определяется скоростью движения частиц в нем. Эта теория получила в науке название механической теории теплоты. Для ее обоснования и развития очень много сделал гениальный Ломоносов.

При коренном расхождении обе гипотезы имеют немало сходства: из теории теплорода следовало, что термометр измеряет количество теплорода, содержащегося в теле, согласно же механической теории тепла, термометр показывает количество движения, содержащегося в теле. Согласно обеим теориям, должен существовать абсолютный нуль температуры. Он будет достигнут тогда, когда, по теории тепло-

145

рода, от тела будет отнят весь теплород, а по механической теории - когда тело потеряет все содержащееся в нем движение.

Теория теплорода почти два века господствовала в науке. Она проста и наглядна. Но она ошибочна. Точное взвешивание тел при разных температурах показало, что теплота невесома. Невесомость теплоты хорошо согласовывалась с механической теорией тепла. Тогда думали, что движение никоим образом не может повлиять на вес тела. Правда, теперь мы знаем, что это не точно. Энергия, согласно закону Эйнштейна, должна обладать массой и, следовательно, тоже «весит»; только соответствующая прибавка в весе лежит далеко за пределами даже современной точности взвешивания.

Не следует смешивать теплоту с тепловой энергией тела. Тепловая энергия тела определяется кинетической энергией движения его молекул. Но теплота (это очень важно) далеко не равна тепловой энергии. И еще более важно, что теплота вообще не содержится в теле. Теплоты от дров, горящих в печи, в дровах вообще не было. Теплота только поступает в тело или уходит из него.

Совсем не трудно подсчитать количество энергии хаотического теплового движения в системе, состоящей из молекул перегретого водяного пара,- это и будет его тепловая энергия. Но количество теплоты, которое может выделиться из этой системы при ее охлаждении, совсем не равно тепловой энергии: сначала охладится пар, потом он начнет конденсироваться в жидкую воду, затем охладится вода и, наконец, вода замерзнет. Теплота же испарения воды и теплота плавления льда очень велики. От перегретого пара, таким образом, можно получить гораздо больше теплоты, чем в нем содержится тепловой энергии.

Поэтому, строго говоря, обе гипотезы не верны - ни представление о теплоте как о тепловом веществе, ни механическая теория тепла. Вторая из них подтверждена опытом, но она не имеет никакого отношения к теплоте и касается только тепловой энергии, а это не одно и то же.

Работа

Совершать механическую работу - это значит преодолевать или уничтожать сопротивления: молекулярные силы, силу пружины, силу тяжести, инерцию материи и т. д. Истирать, шлифовать тело, разделять его на части, поднимать грузы, тянуть по дороге повозку,

по рельсам - поезд, сжимать пружину - все это значит совершать работу; это значит преодолевать в течение некоторого времени сопротивление. Совершать работу - это значит преодолевать сопротивление газа, жидкости, твердого тела, кристалла. Сжимать газ, жидкость, кристалл - это значит совершать работу.

Одним и тем же именем «работа» названы несходные явления, но за внешними различиями надо видеть общие основные черты. Работа связана с движением: груз поднимается, повозка перемещается, поршень скользит в цилиндре двигателя. Без движения нет работы.

Работа связана с упорядоченным движением. Весь груз перемещается вверх. Вся повозка движется по дороге в одном направлении. Весь поршень в одном направлении движется в цилиндре. Работа невозможна без двух участников. Для поднятия одного груза должен опуститься другой груз, должна распрямиться пружина, должен расшириться газ. Оба участника движутся упорядочение. Работа - это передача упорядоченного движения от одной системы к другой.

Не следует думать, что работа может быть связана только с механическим движением. Работа может совершаться и при изменении электрического или магнитного поля.

Способность системы совершать работу, конечно, очень важна для термодинамики. Но какую именно работу может совершить система - это для термодинамики несущественно. Как именно данную работу можно рассчитать и как ее измерить, должна сказать другая наука.

Определение механической работы дает механика. Это определение знает каждый школьник: работа (А) равна произведению силы (F) на путь (l).

Если же сила непостоянна, то приходится подсчитывать величину работы на каждом достаточно малом участке пути (математики говорят - на бесконечно малом), на котором силу можно считать постоянной

dA=Fdl,

и затем просуммировать бесконечно малые значения работы по всему пройденному пути:

Тем, кто еще не отучился пугаться математических формул, полезно запомнить, что знак интеграла ∫ - это просто вытянутая буква S - начальная в слове «сумма».

146

В физической химии часто рассматриваются процессы, связанные с дроблением вещества в тонкий порошок (в пыль) или с возникновением из пара новой фазы тумана или дыма. При таких процессах возникает огромная новая поверхность множества мельчайших частиц, и на ее образование должна быть затрачена немалая работа. Эту работу нельзя не учитывать. Она равна произведению поверхностного натяжения (а) на площадь новой поверхности (S):

Такая работа затрачивается и при выдувании мыльного пузыря.

Теплотехника при подсчете работы любых тепловых машин пользуется величиной работы расширяющегося газа, например водяного пара в цилиндре паровоза или в турбине. Этот очень важный вид работы измеряется произведением давления газа на изменение его объема:

Электрохимия, например, знает другой вид работы. Электрическая работа аккумулятора или гальванического элемента равна произведению электродвижущей силы (Е) на изменение заряда ( q):

Полезно заметить и запомнить, что все выражения для различного вида работы очень сходны между собой. Любая работа обязательно измеряется произведением двух сомножителей: некоторой обобщенной силы / (это может быть сила всемирного тяготения, сила магнитного или электрического поля, давление, поверхностное натяжение, любые механические силы и т. д.) и величины а - изменения соответствующего параметра системы (пройденный путь, электрические заряды, величина поверхности, объем и т. д.):

А= ∫f da.

В задачи термодинамики не входит изучать различие между разными видами работы. Об этом должны позаботиться другие науки. Различных работ может быть очень много. Теплота только одна.

Теплота и работа

Нам нужно, чтобы машины для нас пахали землю, собирали урожай, мололи зерно, чтобы нас возили поезда и автомобили, чтобы по воздуху мчались самолеты, чтобы межпланетные корабли взлетали в космос, а подводные лодки изучали глубины океанов. Нам нужно, чтобы машины вгрызались в землю и добывали руду и уголь. Нам нужно, чтобы тысячи могучих, верных и послушных слуг работали для нас.

К одним из них мы должны подводить провода и направлять в их моторы электрический ток, полученный либо на тепловой электростанции, где за счет теплоты, выделяющейся при сгорании угля, рождается электроэнергия, либо на гидростанциях, где в турбинах энергия падающей воды, приобретенная ею только от теплоты солнечных лучей, превращается в энергию электрического тока. Другие машины нуждаются в топливе и работают за счет теплоты сгорания бензина, нефти, угля.

В реакторах атомных электростанций, атомного ледокола, атомных подводных кораблей выделяется при ядерном распаде огромное количество теплоты, за счет которой и работают их турбины и двигатели. Энергию атома мы пока умеем получать только в виде теплоты.

Нам нужна работа, а получить ее мы можем только в конечном итоге за счет теплоты; в этом можно убедиться, проследив за цепью (иногда очень длинной) взаимных превращений энергии.

В системе (атомном реакторе, в топке и котле паровой машины, в цилиндре автомобильного двигателя) теплоты нет, точно так же в ней нет и работы. Движение не было теплотой, пока оно содержалось в горячем теле, движение не стало теплотой, когда оно вошло в холодное тело и нагрело его. Теплота - это не свойство системы. И о теплоте, и о работе можно говорить только в связи с процессом и во время процесса, совершаемого системой, но не в связи с ее состоянием. Теплота и работа подобны; и та и другая - это передача движения из одной системы в другую. В этом их глубокое сходство.

Различие между ними велико и принципиально. Теплота - это передача хаотического беспорядочного движения молекул. Такая передача происходит всегда только от нагретого тела к холодному. Работа - это передача упорядоченного направленного движения.

Как превратить в упорядоченное возможно большую часть хаотического движения, как

147

с помощью тепла получить наибольшее количество работы - это важная задача термодинамики.

Пример расчета очень важной работы

В качестве примера рассчитаем работу изотермического расширения идеального газа. Хотя для этого и придется иметь дело с интегрированием, пугаться не следует. Те из читателей, кто внимательно прочел 2-й том ДЭ, с этой задачей легко справятся.

Работа расширения любого тела, а следовательно, и любого газа при бесконечно малом изменении его объема равна dA = pdv. По уравнению идеального газа pv=RT можно определить его давление:

p=RT/v.

Следовательно, работа расширяющегося идеального газа при бесконечно малом изменении его объема будет равна:

dA = RTdv/v .

И окончательно, работа, затраченная на расширение одного моля идеального газа от малого объема v_l до большого v₂ :

а это выражение равно:

А= RT ln( v₂ /v₁) .

Это одна из наиболее важных формул термодинамики. Области ее применения буквально неисчислимы. Стоит запомнить, что эта формула существует.

Рис. 8. График, показывающий работу расширения газа. Эта работа определяется площадью, расположенной под кривой. График показывает изменение давления в зависимости от изменения объема в изучаемом процессе. На рисунке изображена работа, совершаемая газом при изотермическом расширении. Работа обратного процесса - сжатие газа - такая же, но у нее обратный знак. Чтобы сжать газ, нужно совершить над ним работу.

Энергия

Повсюду, в любом теле, существующем в мире, при любой температуре, молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. Сумма их кинетических энергий определяет тепловую энергию тела. Даже и при абсолютном нуле сохраняется молекулярное колебательное движение. При абсолютном нуле всякое тело поэтому обладает энергией. Она так и называется нулевой энергией. Эта энергия очень мала, но пренебрегать ею нельзя: она играет очень важную роль в квантовых расчетах химических равновесий.

Потенциальная энергия взаимодействия атомов в молекулах или в кристаллической решетке тела - это запас его химической энергии. Ее можно определять по-разному. Можно, например, подсчитать энергию, необходимую для того, чтобы разрушить вещество тела на отдельные молекулы, разорвав в нем межмолекулярные связи. Затем, нарушив межатомные химические связи, разделить молекулы на атомы и разбросать все атомы на бесконечно большое расстояние, так чтобы они не взаимодействовали между собой. Только ни один инженер не согласится с таким способом подсчета энергии в топливе. Ему от такого способа, важного и нужного для теоретика, очень мало пользы. Инженер-практик предпочтет просто-напросто сжечь уголь и измерить количество выделившегося тепла.

Физик, подсчитывая энергию тела, задумается о ее запасах, скрытых в атомах, образующих тело. Он получит разные результаты, учитывая либо только энергию ядерного расщепления, либо принципиально возможную, хотя пока еще недостижимую энергию аннигиляции.

Но ведь любое тело, брошенное наклонно вверх, пока летит, обладает, кроме того, собственной кинетической энергией поступательного движения и изменяющейся потенциальной энергией в поле притяжения Земли. Спутник, выведенный на орбиту, сохраняет приданную ему энергию. Упавший камень не остается в покое. Он участвует в сложном движении поверхности земного шара, вращаясь вместе с ним, летит вокруг Солнца, уносится вместе с солнечной системой в галактическом движении, летит вместе с Галактикой в глубину космоса... Каждому движению соответствует своя доля энергии.

Чему же равна энергия тела? Теплотехник не обращает внимания на запасы химической энергии водяного пара. Ведь использо-

148

вать их он не может, вода в котле остается только водой, хотя и превращается в пар.

Химика не интересует скрытая в атомах ядерная энергия. Ее запасы в исходных веществах и продуктах реакции одни и те же. Атомы до химической реакции ж после нее остаются в колбах химика или в его заводских аппаратах теми же самыми атомами. И химикам, и физикам, и инженерам и в голову не придет обращать внимание на движение их реторт, атомных реакторов, тепловых машин вместе с Землей в космосе. Ведь все эти аппараты неподвижны относительно земной поверхности. Но астрофизик, изучающий тайны рождения звезд, уже не может пренебрегать энергией движения исследуемых им тел в космосе.

В составе космических лучей обнаружены частицы, обладающие чудовищной кинетической энергией движения, в миллиарды и более раз превышающей их энергию «покоя».

Несомненно, наука проникнет еще дальше и в глубь атома. Будут открыты новые, еще неизвестные структурные элементы ядерных частиц. Их энергия связи, конечно, будет превышать энергию связи атома. Этот процесс расширения нашего познания никогда не завершится - вещество неисчерпаемо...

Чему же равна энергия тела? Так поставленный вопрос смысла не имеет и термодинамику не интересует.

Термодинамический цикл

Попробуйте представить себе какую угодно термодинамическую систему. Вообразите себе хотя бы один грамм-моль газа, или десять грамм-молей воды (почти один стакан), или что ему угодно. Чтобы перевести любую систему из одного состояния в другое, с ней нужно

Рис. 9. Термодинамический цикл может быть каким угодно. Система может любым путем перейти от начального состояния (о) в любое другое (в) и любым другим путем вернуться точно в исходное состояние. При этом система совершит работу, которая равна площади цикла на графике зависимости между давлением и объемом. Если такой же цикл провести в обратном направлении, то эта площадь будет равна работе, которую придется затратить.

Рис. 10. Термодинамические циклы совершаются вокруг нас повседневно. Простой цикл, изображенный на этом рисунке, может соответствовать многим различным процессам, протекающим в природе, в лаборатории ученого, на химическом заводе. Например, этот чертеж соответствует и такому циклу изменения состояния воды в природе: состояние 1 - вода в луже нагрета солнцем, упругость ее пара высока; она начинает постепенно испаряться; объем сильно увеличивается; состояние 2 - вся вода превратилась в пар; теплый легкий пар постепенно поднимается вверх; температура падает; объем пара уменьшается; состояние 3- охлажденный пар высоко над землей; начинается конденсация; появилось облако; пошел дождь; состояние 4 - весь пар превратился в холодные капли дождя; они падают на землю, где их нагревает солнце; вода возвращается в исходное состояние 1. Цикл завершен и может начаться снова.

На рисунке нет ни лужи, ни облаков, ни солнца. Они для термодинамики не важны сами по себе. Термодинамика в каждом процессе выделяет самое главное, что его определяет. Поэтому закономерность, полученная термодинамикой при исследовании одного явления, может объяснить очень много других, даже как будто бы совершенно различных процессов.

что-то сделать: либо совершить над ней работу, либо, наоборот, предоставить системе произвести работу и при этом либо нагреть систему - передать тепло, либо охладить ее - тепло отнять. Если, нагревая стакан воды, превратить ее в пар, придется не только затратить немало тепла, но и произвести немалую работу. Работу образовавшегося и расширяющегося пара подсчитать нетрудно: он приподнимает весь слой атмосферного воздуха вплоть до границ стратосферы.

Теперь представьте себе, что вы проделали с вашей системой тысячи самых разнообразных операций: вы могли ее охлаждать, нагревать, сжимать, расширять, электризовывать, намагничивать... и можете с ней делать все, что вам угодно. Пусть в ней при этом протекают какие угодно превращения и какие угодно химические реакции, но только при одном условии: пусть после всего этого система вернется точно в свое исходное, первоначальное состояние. Термодинамический процесс, каким бы он сложным ни был, из скольких бы промежуточных стадий ни состоял, в результате которого система возвращается в свое исходное состояние, называется термодинамическим циклом. Это одно из самых важных понятий термодинамики.

В результате проведенного термодинамического цикла в системе ничего не изменилось:

149

физическое состояние и строение всех ее частей, движение всех ее молекул - все вернулось к исходному положению и с нашей системой ничего не произошло.

Но ведь в процессе цикла была совершена работа либо самой системой (при расширении пара), либо над системой (при сжатии газа). Сумма всех работ на всех этапах цикла - это и есть полученная работа. Кроме того, поглощалась теплота (при испарении воды) или она выделялась (при конденсации пара). Сумма всей теплоты на всех этапах цикла - это поглощенная системой теплота.

Что же все-таки в итоге цикла произошло? Куда исчезла теплота? Откуда взялась работа?

ЗАКОН ТЕРМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

Закон термического равновесия основан на опыте. Открытие его не связано с именами выдающихся исследователей и с определенной датой. Он был установлен еще до того, как было завершено создание термометра.

«Применение термоскопов научило нас следующему: пусть 1000 и более различных родов материи - металлы, камни, соли, дерево, пробка, перья, шерсть, вода и ряд других жидкостей - имеют вначале различные температуры. Поместим все эти тела в комнату без огня, не освещенную солнцем. Более горячие из этих тел будут охлаждаться, более холодные нагреваться в течение дня или нескольких часов. По окончании этого периода приложим термоскоп последовательно к каждому телу: показания термоскопа для всех тел будут одинаковыми». Так наглядно сформулировал этот закон живший во второй половине XVIII в. исследователь Дж. Блек, которому термодинамика обязана многими крупными открытиями.

Нас не удивляет, когда мы теперь, глядя на термометр, говорим, что у больного повышенная температура. Ведь термометр показывает свою собственную температуру. Ей равна температура тела, с которым термометр находился в термическом равновесии.

«Два тела, находясь в термическом равновесии с третьим телом, находятся в термическом равновесии и между собою. Это вовсе не само собой понятно, но очень замечательно и важно»,- так сказал о законе термического равновесия замечательный физик нашего времени Макс Планк. Таким образом, закон термического равновесия - это эмпирический

(опытный) закон. Мало того, этот закон не только не очевидный, сам собою разумеющийся, но и всего лишь приближенный закон.

Теперь, в результате применения теории относительности к термодинамике систем, находящихся в сильных полях тяготения, выяснено, что в таких системах при термическом равновесии температура в разных частях должна быть различной. В центре гигантской звезды, даже если она находится в термическом равновесии, температура должна быть выше, чем на ее поверхности.

Химик и физик, работающие в земных условиях, могут спокойно руководствоваться законом термического равновесия, но астрофизику, изучающему Вселенную, приходится вносить в него существенные поправки.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

В 1807 г. физик Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Этому опыту было суждено сыграть особую роль в истории термодинамики. Случилось так, что при этом опыте присутствовали его друзья - два выдающихся исследователя: физик и математик Лаплас и химик Бертолле. Имена этих французских ученых знают теперь все школьники мира.

Давно было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Правда, никто не знал почему. Гей-Люссак предположил, что это может происходить потому, что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил проверить это и заставил газ расширяться в пусто-

Рис. 11. Опыт Гей-Люссака. В стеклянном двенадцатилитровом баллоне А находился воздух, из такого же баллона В воздух выкачан. С и D - чувствительные термометры. После открытия крана Е воздух перетекает в баллон В, пока в обоих баллонах не устанавливается одинаковое давление, Температура в баллоне А понижается ровно на столько, на сколько она повышается в баллоне В. Если массы газа, находящиеся в обоих баллонах, смешать, температура расширенного газа будет равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем.

150

ту - в сосуд, воздух из которого был предварительно откачан. К удивлению всех трех ученых, наблюдавших опыт, никакого понижения температуры не произошло, температура всего газа не изменилась. Исследователи не могли объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?

Этот опыт был неверно задуман. Полученный результат, как и следовало ожидать, не оправдал предположение ученого, и он не понял смысл опыта. Гей-Люссак и его ученые друзья сделали крупное открытие и не сумели его заметить.

Честь первой точной формулировки одного из величайших законов всего естествознания принадлежит немецкому врачу Роберту Майеру. Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркого климата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы. Наука движется странными путями, и, казалось бы, что может быть общего между расширением газа в пустоту и различием в цвете крови? Но, однако, гениальный ученый сумел найти единое в несравнимом.

Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокой температуры организму приходится вырабатывать меньше теплоты, ведь в жарком климате люди не зябнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровь меньше раскисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены.

У Майера возникла мысль: не изменится ли количество теплоты, выделяемой организмом, при окислении одного и того же количества пищи, если организм, помимо выделения теплоты, будет еще производить работу? Если количество теплоты не изменяется, то из одного и того же количества пищи можно получить то больше, то меньше тепла, так как работу организма можно снова превратить в тепло, например, путем трения. Если количество теплоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же источнику - окисленной в организме пище, т. е. работа и теплота могут превращаться одна в другую.

Эта замечательная идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным и загадочный результат в опыте Гей-Люссака: если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не производит никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится производить работу против внешнего давления, его температура должна понижаться. Задаром работу получить нельзя! Но если теплота и работа могут превращаться друг в друга, если эти физические величины сходны, то возникает вопрос о соотношении между ними.

Майер первым поставил этот вопрос: «Мы должны узнать, сколько требуется работы для определенного количества теплоты и наоборот». Он очень красиво решил эту важнейшую задачу всей физики.

Давно было известно, что для нагревания газа при постоянном давлении, когда газ расширяется, нужно больше тепла, чем для нагревания газа в замкнутом сосуде, т. е. что теплоемкость газа при постоянном давлении С_р больше, чем при постоянном объеме C_v . Эти величины были уже измерены и хорошо известны. Было установлено, что, хотя обе величины С_р и С_v, зависят от природы газа, разность между ними почти одинакова для всех газов и равна приблизительно двум малым калориям на один моль любого газа:

(точно, по современным данным,-1,987).

Майер понял, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу.

Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус вычислить нетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным - его уравнение состояния было известно: pv=RT. Нагреем этот газ на один градус, при этом он расширится, и при постоянном давлении его объем возрастет на некоторую величину D v. Тогда по уравнению состояния

p(v+ D v)=R(T +1). Нетрудно найти, что

р D v = R.

Это замечательный результат - он объясняет физический смысл газовой постоянной R. Она равна работе расширения газа при постоянном давлении, если газ нагревается на один градус.

151

Рис. 2. Опыт Джоуля. Жидкость в сосуде В перемешивается при адиабатических условиях мешалкой Ad. Источник работы - грузы Е и F. Грузы, опускаясь, вращают мешалку. Над системой (жидкость, сосуд, мешалка) производится работа. Температура системы поднимается. Чтобы восстановить первоначальную температуру, через стенки сосуда при неподвижной мешалке отбирают теплоту. Ее количество измеряют. Цикл закончен, измерения произведены. Остается вычислить механический эквивалент теплоты.

Таким образом, Майер нашел, что для любого газа

C_p -C_v =R.

Это уравнение с тех пор носит его имя. Было известно, что величина

R =0,848 кгм/моль1°Ц.

Следовательно, 2 малые калории равны 0,848 кгм работы. Нетрудно вычислить, что одна большая калория равна 426,6 кгм.

Это число называют механическим эквивалентом тепла.

Замечательный результат Майера был много раз подтвержден прямыми измерениями; особенное значение имели опыты Джоуля, который измерял количество работы, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней мешалкой. Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и теплота, полученная жидкостью. Как ни менялись условия опыта, брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки, результат был один и тот же: всегда из одного и того же количества работы получалось одно и то же количество тепла. Расчеты Майера и опыты Джоуля решили двухвековой спор о природе теплоты.

В наши дни, когда и для теплоты и для работы применяется одна и та же мера, обе эти величины измеряются в джоулях. Доказанный

на опыте Майером и Джоулем принцип эквивалентности между теплотой и работой может быть сформулирован очень просто: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и, наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла.

Этот замечательный вывод был назван первым законом термодинамики. Согласно этому закону, работу можно превратить в теплоту и, наоборот, теплоту- в работу, причем обе эти величины равны друг другу.

Внимательный читатель, наверное, уже сам заметил, что это, конечно, справедливо только для кругового процесса, когда система совершает цикл и возвращается в исходное состояние. Расчеты Майера и опыты Джоуля касались именно таких термодинамических циклов. В каждом случае при расчете учитывалось, что система (газ, жидкость) должна быть приведена к исходным условиям.

Таким образом, для любого кругового процесса совершенная системой работа А равна полученной системой теплоте Q (если измерять и теплоту и работу в одних и тех же единицах):

А= Q, или Q- А =0.

Это уравнение и выражает первый закон термодинамики: нельзя осуществить цикл, в котором система произвела бы работу и не получила бы теплоту.

152

В качестве примера можно взять любую тепловую машину, все они могут работать только на основе циклов: ведь каждая из них должна работать непрерывно.

Внутренняя энергия

Система, совершив цикл, восстановила свое исходное состояние. В ней ничего не изменилось - ни вещество, ни движение. Для кругового процесса величина Q-A равна нулю. Из этого следует очень важный вывод, и его надо хорошо продумать и усвоить: для некругового процесса эта величина должна зависеть только от начального и конечного состояний системы, но не от пути перехода. Это очень важно. Это значит, что существует для каждой термодинамической системы величина, обладающая всеми признаками свойства системы. Это свойство и названо внутренней энергией («энергия» по-гречески - деятельность). Она зависит только от состояния системы. Разность этой величины при переходе системы из одного состояния в другое равна Q- А.

Для термодинамики важно и необходимо знать разность значений внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое. Эта величина определяется на опыте или расчетным путем по уравнению

D E = E₂ - Е₁ = Q- А

(Е - обозначение внутренней энергии).

Этим замечательным уравнением выражается закон сохранения и превращения энергии в применении к процессам, изучаемым термодинамикой. В него нужно хорошенько вдуматься. Это основное уравнение естествознания. Из него вытекает, например, вся термохимия: если проводить химические реакции без изменения объема, то работа А= p D v будет равна нулю. Тогда тепловой эффект реакции - теплота, поглощаемая или выделяющаяся при химических реакциях, не будет зависеть от промежуточных путей в процессе реакции.

Это и есть известный закон термохимии, открытый петербургским академиком Гессом незадолго до работ Майера.

Открытие первого закона термодинамики - закона сохранения энергии - покончило навеки со страстной мечтой тысяч и тысяч изобретателей: создать вечный двигатель, способный работать задаром, без затраты энергии.

Первый закон часто так и формулируют: вечный двигатель невозможен.

Рис. 13. Тепловой эффект превращения графита в алмаз. На опыте его измерить нельзя, но легко подсчитать по закону Гесса. Для этого нужно знать, сколько тепла выделяется при окислении одного моля углерода как в виде графита, так и в виде алмаза. Разность между их теплотами горения и равна теплоте превращения графита в алмаз.

Единый закон сохранения

Физик наших дней, рассчитывая атомный реактор, конечно, тоже пользуется первым законом, но применяет его уже в новой обобщенной форме. Установленная Эйнштейном эквивалентность массы и энергии связала между собой закон сохранения вещества (важнейший закон всей химии) и закон сохранения энергии (основной закон классической физики) в единый закон сохранения - о неизменности суммы массы и энергии. Ему подчиняются все процессы и явления в микромире атомных ядер и элементарных частиц. И мы теперь знаем, что нагретое тело тяжелее, чем когда оно холодное.

История науки полна удивительных предвидений. Михаил Ломоносов еще в 1748 г., почти за сто лет до работы Майера, сумел впервые четко и строго высказать и сформулировать замечательную, фундаментальную мысль о единстве законов сохранения движения и материи. Он писал:

«...но все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимается у другого. Так, сколько к одному телу прибавилось вещества, столько же отнимется у другого... Этот закон является настолько всеобщим, что простирается и на правила движения: тело, возбуждающее толчком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от себя этого движения другому телу».

Для Ломоносова, как и для физика наших дней, великие законы сохранения вещества и сохранения энергии были единым общим законом природы.

153

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Много великих ученых во многих странах пытались разгадать тайну превращения тепла и работы. Поиски закона сохранения продолжались столетиями. Вплотную подошли к закону сохранения, почти открыли его на опыте и... сами не поняли, что сделали, славные французские ученые, о которых была речь выше.

Конечно, честь строгой формулировки и строгого доказательства первого закона принадлежит Майеру и Джоулю. Но многим и многим ученым надлежит воздать честь и принести благодарность за открытие первого закона термодинамики.

Второй великий закон термодинамики связан только с одним именем. Его открыл молодой французский инженер Сади Карно.

Цикл Карно

Молодой инженер Карно рассчитывал и строил водяные двигатели. Но в это же время начали во Франции широко применять паровые машины, и важнейшей научно-технической задачей стало создать теорию тепловых машин.

К решению этой задачи приступил и Карно. Строго говоря, к этому он совсем не был подготовлен. Он еще не мог знать, откуда берется работа в тепловых машинах, не знал, для чего нужна теплота, и считал, как его учили, что теплота - вещество. Но Карно был гениальным исследователем и сумел правильно решить одну из труднейших задач естествознания: при каких обязательных условиях возможно превращение теплоты в работу?

Хорошо знакомый с расчетом водяных двигателей, Карно уподобил теплоту воде. Чтобы водяная мельница могла молоть зерно - работать, необходимо одно условие: вода должна падать с высокого уровня на низкий. Карно предположил: чтобы теплота могла совершать работу, она тоже должна переходить с высокого уровня на низкий, и разность высот для воды соответствует разности температур для теплоты.

В 1824 г. Карно высказал гениальную мысль: для производства работы в тепловой машине необходима разность температур, необходимы два источника теплоты с различными температурами. Это утверждение - главное в теории Карно. Оно называется принципом Карно.

На основе открытого им принципа Карно придумал цикл идеальной тепловой машины,

Рис. 14. Сади Карно был очень молодым, когда открыл великий второй закон термодинамики.

которую не может превзойти никакая другая машина. Этот цикл изучают теперь все будущие инженеры во всех вузах мира.

Придется его рассмотреть и нам. Такая машина никогда не была построена, ее даже вообще нельзя построить. Но ни одна когда-либо действовавшая машина не имела такого огромного значения для развития техники, как эта придуманная молодым французским инженером и неосуществленная.

В соответствии с принципом Карно мы должны предположить, что располагаем источником теплоты с высокой температурой (нагревателем) и холодильником с низкой температурой. В этом требовании, конечно, ничего необычайного нет: и топка (нагреватель) и холодильник обязательно есть во всякой тепловой машине.

Теперь представим себе цилиндр с поршнем. В цилиндре находится газ. Для расчета удобнее взять один моль идеального газа. (Сам Карно брал для этой цели воздух.) Предоставим инженерам-конструкторам придумывать детали механизма, который позволил бы использовать получаемую работу, и сосредоточим внимание только на самом главном и существенном для всякой машины - на ее рабочем цикле.

Как должна работать идеальная машина? Каким способом нужно нагревать газ, чтобы он, расширившись, мог совершить нужную нам работу?

Если при нагревании газа в цилиндре между нагревателем и газом установится хотя

154

бы даже очень малая разница температур, то это явно будет невыгодно, ведь, согласно принципу Карно, за счет этой разности можно было бы получить еще дополнительную работу. Значит, газ в цилиндре должен расширяться точно при температуре нагревателя, т. е. расширяться изотермически, сохраняя на протяжении всего пути расширения постоянную температуру.

Мы уже знаем, как протекает процесс изотермического расширения газа. Давление его при этом падает. Сколько при таком расширении будет получено работы, мы тоже знаем.

Газ в цилиндре нагрелся и расширился, но машина должна работать непрерывно. Для этого ее рабочий процесс должен быть обязательно замкнутым - циклическим. Следовательно, нагретый газ должен быть охлажден и сжат.

Как это сделать? У нас в распоряжении есть холодильник с низкой температурой. Казалось бы, можно просто привести цилиндр в соприкосновение с холодильником, и газ охладится. Но тогда возникнет разность температур между горячим еще газом и холодильником, и снова будет потеряна, в соответствии с принципом Карно, возможность получить дополнительную работу

Рис. 15. Идеальная машина по представлениям Сади Карно. Это простой цилиндр с поршнем. Нижняя стенка цилиндра обладает идеальной теплопроводностью; его можно поставить на горячую поверхность нагревателя (например, заполненного смесью расплавленного и твердого свинца) или на поверхность холодильника (например, со смесью воды и льда). Оба источника теплоты бесконечно велики. Если цилиндр не соприкасается с нагревателем или холодильником, в нем полностью прекращается обмен теплом с окружающей средой.

. Так делать нельзя. Гениальная идея Карно заключалась в том, что он предоставил газу возможность расширяться без обмена теплом - адиабатическим путем. Согласно первому закону термодинамики, температура газа будет при этом падать. Предоставим ей возможность упасть до температуры холодильника. На этом этапе будет дополнительно получено некоторое количество работы без затраты тепла, только за счет внутренней энергии газа.

Приведем газ в цилиндре в тепловой контакт с холодильником и начнем его сжимать при низкой температуре. Конечно, на основе принципа Карно мы можем это сжатие Проводить тоже только изотермическим путем. На этом участке процесса придется затратить на сжатие газа часть той работы, которая была получена при расширении газа. Но это ничего, часть ее останется.

Когда газ достаточно сжат (насколько его нужно сжать изотермически, это нетрудно рассчитать), необходимо повысить его температуру до температуры нагревателя, чтобы можно было начать новый цикл. Газ над поршнем должен занять свой прежний объем. Как это сделать? Нагревать нельзя. Появление разницы температур недопустимо. Оно каждый раз означает потерю возможности получить еще дополнительную работу.

Значит, можно только сжать газ адиабатическим путем, без получения теплоты извне. При таком сжатии возрастет его внутренняя энергия и повысится температура. Когда температура газа достигнет температуры нагревателя, адиабатическое сжатие закончится.

Газ пришел в прежнее состояние, круговой процесс закончен, можно начинать новый цикл. Если верен сам принцип, то лучшую машину построить нельзя. С помощью такой идеальной машины можно получить наибольшее количество работы при заданном перепаде температур между нагревателем и холодильником.

Повторяем: в действительности машина, работающая по циклу Карно, неосуществима.

Сколько работы можно получить в машине Карно?

Это подсчитать нетрудно. На первом участке цикла идеальный газ совершает работу изотермического расширения:

А_н = RT ln( v₂ / v₁).

155

Рис. 16. Цикл работы идеальной машины Карно. Стенка цилиндра приходит в соприкосновение с нагревателем. Рабочее вещество (у Карно - воздух) начинает изотермически расширяться от начального объема 1 до объема 2. Поршень поднимается. Нагреватель передает рабочему веществу столько тепла, сколько необходимо для поддержания постоянной температуры. Количество твердого свинца увеличивается, жидкого - уменьшается. Цилиндр снят с нагревателя. Поступление тепла прекращено, но рабочее вещество продолжает расширяться и поршень продолжает подниматься, совершая в адиабатических условиях максимальное количество работы (например, поднимает груз). Температура воздуха падает и достигает температуры холодильника. При этом рабочий газ расширяется до объема 3. Цилиндр приводится в соприкосновение с холодильником. Воздух изотермически сжимается до объема 4. Для этого нужно затратить работу. Поршень с грузом опускается. Чтобы температура оставалась постоянной, тепло отводится от рабочего вещества через стенку в холодильник. часть льда тает - количество воды увеличивается. Снова прекращается контакт цилиндра, теперь уже с холодильником. Источник работы (например, опускающийся груз) сжимает газ адиабатически. Температура его повышается, пока не достигнет температуры нагревателя. Цикл завершен. Количество тепла, полученное цилиндром от нагревателя, больше, чем переданное цилиндром холодильнику. Разность теплоты затрачена на то, чтобы совершить работу. Цикл Карно изображен на чертеже дважды. I - так его изображают обычно во всех учебниках и книгах, жертвуя точностью ради наглядности. Чтобы представить себе, как в действительности выглядит график цикла Карно, рядом приведено его точное изображение II для одного моля одноатомного идеального газа (гелия) в пределах от Т_х =100°Ц до Т_н =500° Ц. Этот чертеж стоит внимательно рассмотреть. На нем объемы выражены в молярных объемах, давление - в атмосферах. Нанесены три изотермы: 0° Ц, 100° Ц и 500° Ц. Точно проведены и линии адиабат. Выигрыш работы представлен заштрихованной площадью цикла.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, а она не меняется. Следовательно, газ совершает работу только за счет тепла, полученного от нагревателя. И работа равна теплу:

Q_н =RT_н ln (v₂ /v₁).

При адиабатическом расширении газ работу совершает, а тепла не получает.

При изотермическом сжатии при температуре холодильника над газом приходится совершать работу. На этом участке цикла будет затрачена работа:

А_x = RT_х ln( v₄ / v₃).

При изотермическом сжатии тепло, выделяющееся при постоянной температуре, полностью передается холодильнику, потому что внутренняя энергия газа остается постоянной:

A_x = Q_x = RT_x ln( v₄ / v₃).

На последнем этапе приходится затрачивать работу, но при адиабатическом сжатии газ не выделяет тепло: работа целиком идет на повышение внутренней энергии газа. Сжатие должно продолжаться, пока не будет достигнута исходная температура. Цикл закончен.

От нагревателя машина получила Q_н джоулей тепла. Отдала холодильнику Q_х джоулей. В работу превращено по первому началу термодинамики Q_н - Q_x джоулей. Таким образом, машина смогла превратить в работу не все тепло, полученное от нагревателя, а только часть его:

h ( Q_н - Q_x)/ Q_н. Эта величина называется в термодинамике коэффициентом полезного действия машины.

Мы его можем легко вычислить, если примем во внимание, что, по условиям адиабатического сжатия, объем газа изменяется в одно и то же число

т. е. v₁ /v₂ = v₄ /v₃ .

Подставляя значения Q_н и Q_х, получим после сокращения замечательный результат: коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен

h =( T_н - T_x)/ T_x .

Он определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит больше ни от чего.

156

Не искушенный в термодинамике читатель должен был прийти в недоумение: где же второй закон термодинамики? В чем же он состоит?

Весь расчет коэффициента полезного действия был проведен, по-видимому, только на основании закона термического равновесия и первого закона. Никаких дополнительных закономерностей как будто бы не понадобилось. Но так только кажется. Новое здесь в требовании располагать по крайней мере двумя источниками теплоты с различными температурами, чтобы привести в действие тепловую машину. Из-за этого требования в работу превращается не все количество теплоты, полученное машиной от нагревателя, и коэффициент полезного действия машины получается меньше единицы. Это новое названо вторым началом термодинамики.

Второе начало термодинамики

А что будет, если тот же самый цикл Карно, работающий с идеальным газом, провести наоборот? Это сообразить нетрудно. Такая машина заберет тепло от холодильника, превратит полностью в тепло затраченную на осуществление цикла работу и сумму теплоты отдаст нагревателю. Получится холодильная машина.

Представим себе, что у нас две машины. Обе работают по одинаковому циклу Карно, между одними и теми же температурами. У обеих машин и нагреватель и холодильник общие. В одной из них работает идеальный газ, а во второй - любое другое вещество. Будут ли коэффициенты полезного действия этих машин одинаковыми или разными?

Допустим сначала, что коэффициенты полезного действия двух таких машин различны. Все равно у какой машины к.п. д. больше, какая машина лучше - та, в которой работает идеальный газ, или же та, в которой содержится какое-то другое вещество. Проделаем с обеими машинами следующий сложный цикл.

Машину, у которой к.п. д. больше, заставим совершить нормальный цикл. За счет части тепла, взятого от нагревателя, получим работу, а остальную часть тепла отдадим холодильнику. Вторая машина хуже, ее коэффициент полезного действия меньше. Мы получили бы от этой машины за счет такого же количества тепла, взятого от нагревателя, меньше работы и больше тепла передали бы холодильнику. Но мы заставим ее работать в обратном направлении, как холодильную машину. В этом случае она заберет от холодильника больше тепла, чем отдаст ему первая машина, затратит на это меньше работы, чем получено в первой машине, а нагреватель получит обратно ровно столько же тепла, сколько забрала первая машина. И в результате нагреватель останется без изменения.

Теперь соединим обе машины вместе и заставим первую приводить в действие вторую. При этом в нашем распоряжении останется избыток работы. Обе вместе они будут представлять собой такую машину, которая черпает тепло из холодильника и превращает его в работу. Этот результат, конечно, не противоречит первому закону термодинамики. Но если бы это было возможно, мы могли бы построить вечный двигатель, который работал бы вечно за счет неисчерпаемых запасов энергии, скрытых, например, в Ледовитом океане, в воздухе, в любом море - где угодно. Такая машина названа вечным двигателем второго рода.

Второй закон термодинамики утверждает, что вечный двигатель второго рода невозможен. Такое утверждение, конечно, только пересказ принципа Карно и сведений больше, чем этот принцип, не содержит.

Следовательно, коэффициент полезного действия машины, работающей по циклу Карно, не может зависеть от вещества, работающего в цикле. Для тепловой машины, работающей по циклу Карно с любым веществом, максимально возможный коэффициент полезного действия должен быть все равно равен

h =( T_н - T_x)/ T_н

Это поистине удивительное уравнение. Ему подчиняется вся современная техника. Из-за него в наше время уходят с железных дорог на слом паровозы. В котле паровоза нельзя нагреть воду до достаточно высокой температуры, и нельзя от сжигаемого топлива получить много работы. Паровозы невыгодны. В двигателях внутреннего сгорания температура в цилиндрах гораздо выше, и поэтому они более экономичны. Это простое и ничем с виду не примечательное уравнение заставляет теплотехников строить котлы на электростанциях с максимально возможным высоким давлением, что само по себе совершенно не необходимо. Нужна высокая температура. Но что поделаешь, если упругость водяного пара очень быстро растет с повышением температуры.

Это уравнение заставляет металлургов вырабатывать сверхпрочные жаростойкие стали, конструкторов - создавать новые много-

157

ступенчатые турбины сверхвысокого давления, чтобы получать огромную мощность. Химиков оно заставляет разрабатывать для космических ракет новое горючее с максимально высокой температурой горения.

Почему нельзя построить идеальную машину?

Основным требованием, положенным в основу машины, работающей по циклу Карно, было полное равновесие между нагревателем и газом при расширении, между холодильником и газом при его сжатии. Газ обязательно должен изменять свой объем при постоянной температуре, точно равной температуре источника тепла. Но если между ними нет температурной разницы, тепло не может переходить от нагревателя к газу. Если эта разность очень мала, то передача тепла будет очень медленной. При бесконечно малой температурной разности переход будет бесконечно медленным, т. е., попросту, такая машина работать не сможет, потому что те процессы, на которых она основана, практически неосуществимы. Не меньшую трудность представляет требование полного равновесия между нагрузкой на поршень и изотермически изменяющимся давлением газа. Если нагрузка будет больше, газ сожмется, его температура повысится, равновесие будет нарушено - машина перестанет быть идеальной. Зачем же такую невозможную машину придумывать, рассчитывать и обсуждать, если ее все равно нельзя построить?

Идеальная тепловая машина, совершая цикл, крайне близка к состоянию термического равновесия с источниками теплоты и крайне близка к состоянию механического равновесия с источником работы.

Подобные процессы называются квазистатическими (как будто бы равновесными). У них есть важная особенность: перемена направления процесса на обратный (расширение газа на сжатие) меняет только знаки у теплоты и работы на обратные. Абсолютные их значения не меняются. Даже мысленно только при квазистатических процессах в цикле мы могли заставить машину Карно работать в обратном направлении с теми же результатами, только обратными по знаку.

Современная термодинамика, имеет дело главным образом с такими квазистатическими, внутренне противоречивыми по существу процессами, которые не могут происходить - остаются всегда в равновесии. От этого выводы термодинамики ничего не теряют в своем практическом значении.

Примером может служить ее второй закон.

«Сколько нужно снежков, чтобы натопить печь?»

Так иронизировал лет двести назад знаменитый философ и естествоиспытатель Дидро. Его насмешливый вопрос по существу совершенно правилен и совсем не бессмыслен.

Отапливать снегом можно, но дорого. Мало того, это постоянно происходит повсюду, где

Рис. 17. Схематизированные изображения циклов в наиболее распространенных двигателях. Слева - цикл двигателя внутреннего сгорания (так называемый цикл Отто). Так работают двигатели автомобилей и старых самолетов. В середине - цикл двигателя Дизеля. Этот двигатель более экономичен и применяется в машинах с большой мощностью: в тепловозах, судовых двигателях. Справа - цикл паровой машины. Этот цикл наименее экономичен. Во всех этих машинах используется адиабатическое расширение рабочего вещества (газа или пара). Оно наиболее выгодно. В двигателях внутреннего сгорания вспышка газовоздушной смеси происходит мгновенно, и объем поршневого пространства не успевает измениться. В двигателе Дизеля топливо подается постепенно, и его горение протекает при постоянном давлении. В паровой машине при постоянном давлении подается пар. Коэффициенты полезного действия всех этих машин, конечно, значительно ниже, чем у идеальной машины Карно.

158

Рис. 18. Схема теплосиловой установки. Пар получается в паровом котле (1) и подается в пароперегреватель (2). Отработав в двигателе (3); пар идет в конденсатор-холодильник ( 4). Конденсатный насос ( 5) направляет пар в конденсатный бак (6), откуда он питательным насосом высокого давления ( 7) подается в котел. Цикл изменений состояния рабочего тела завершен. Источником охлаждения служит вода, прогоняемая циркуляционным насосом ( 8) через трубки конденсатора-холодильника. В охлаждающем устройстве - градирне (9) нагревшаяся вода отдает свое тепло атмосферному воздуху и снова подается в конденсатор.

есть самый обыкновенный домашний холодильник. Ведь теплота, отнимаемая от охлаждаемых продуктов, теплота конденсации и теплота замерзания влаги, т. е. теплота образования снега и его охлаждения, выделяется из холодильника и обогревает комнату. В этом легко убедиться, приложив руку к задней стенке холодильника: она всегда теплая.

Холодильная машина может с успехом служить и для отопления. Вместо того чтобы прямо расходовать электроэнергию на обогревание печей, лучше ее использовать для приведения в действие холодильного цикла и отапливать дом с ее помощью снегом. Нетрудно доказать, что это вполне возможно.

Пусть температура снега на улице -3°Ц (предположим, что зима теплая, сущность вопроса это не изменит, а расчет упростит; можно снег заменить холодной водой из реки или хоть даже из Ледовитого океана - будет еще выгоднее). Температуру отопительных приборов в здании установим в +27°Ц. Разность между обеими температурами равна 30°. Абсолютная температура нагревателя 27°+273°=300° K Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей между такими близкими температурными пределами, очень мал - всего только:

30/300=0,1.

Это значит, что если мы захотим получать в такой машине работу, то из каждых десяти калорий тепла, полученных от нагревателя, в самом лучшем случае мы можем превратить в работу только одну калорию.

Но если мы заставим ту же машину работать в обратном направлении, то, затратив работу, эквивалентную только одной калории, сможем передать нагревателю (печке) целых 10 калорий, из которых 9 будут получены от холодильника (снега). Чем не подлинное отопление снегом?

Как измеряют температуру теперь?

Открытие второго закона привело к возможности создать очень целесообразную шкалу температур. Ее установили, пользуясь поня-

Рис. 19. Схема холодильной установки: 1 - испаритель, размещенный в холодильной камере, окруженной слоем изоляции; 2 - компрессор, в котором за счет сжатия повышаются давление и температура охлаждаемого вещества; 3 - конденсатор, в котором охлаждаемое вещество отдает тепло циркулирующей воде, несколько повышая ее температуру; 4 - регулирующий вентиль, за которым рабочее вещество расширяется и температура его опять падает.

* Малая калория - количество теплоты, нужное для нагрева 1 г воды на 1°Ц. Большая калория равна 1000 малых. Эта единица измерения выходит из употребления, в СИ она заменена единицей работы - джоулем. Малая калория равна 4,184 дж. В термодинамике по традиции иногда еще применяют калорию для измерения теплоты.

159

тием коэффициента полезного действия обратимой идеальной тепловой машины:

h = А/ Q=(T_н -T_х )/T_н .

Умея точно измерять полученную работу А и израсходованное тепло, мы можем установить новый способ измерения температуры, который не будет зависеть от свойств какого-либо определенного вещества.

Для этого нужно только выбрать одну какую-либо постоянную температурную точку (температуру нагревателя Т_н) - пусть это будет точка замерзания воды - и условиться о размерах одного деления шкалы. Тогда уже просто построить с помощью тепловой машины всю температурную шкалу (для T_х), пользуясь величиной коэффициента полезного действия машины.

Такая шкала называется термодинамической шкалой температур или шкалой абсолютных температур Т, Ее принято отсчитывать от абсолютного нуля и обозначать в градусах Кельвина (°К); она очень просто связана с температурой, измеренной по шкале Цельсия:

T°=t°+ 273°.

На практике, конечно, нет необходимости строить неосуществимую тепловую машину,

чтобы использовать ее в малоподходящей для нее роли термометра.

Совершенно точно совпадает с термодинамической шкалой температура, измеренная по изменению давления или объема идеального газа. А его с практически достаточной точностью можно заменить газом гелием, свойства которого очень близки к свойствам идеального газа.

Самый точный термометр наполнен гелием, и измерение температуры в нем производится по изменению давления при постоянном объеме. Такой термометр сложен, громоздок и неудобен. Он служит только эталоном для проверки обычных термометров.

ЭНТРОПИЯ

Трудная глава

Мы уже знаем, как был открыт первый закон термодинамики. На опыте была обнаружена независимость разности поглощенного системой тепла и совершенной ею работы от того, какие круговые процессы происходили в системе. Это и стало доказательством того, что в мире существует замечательная величина, свойственная любой системе, любому веществу, любому телу,- внутренняя энергия. Она определяется только

Рис. 20. Современный гелиевый термометр постоянного объема. Термометрический сосуд А переходит в стеклянный капилляр В, который стальным капилляром С соединяется с коротким коленом D ртутного манометра. Постоянство объема в термометре контролируется контактом поверхности ртути со специальной иглой. Барометр Е измеряет давление гелия в длинном колене манометра F. Сосуд G с гелием обеспечивает постоянство давления гелия над ртутью в F. Сравните сложнейшую схему современного газового термометра-эталона с его предком - газовым термометром постоянного объема X n II века (рис. 6).

160

состоянием системы и не зависит от того пути, по которому система в это состояние пришла.

Запомним это и снова вернемся ко второму закону термодинамики.

Значение к. п. д. обратимой тепловой машины, работающей с любым веществом (т. е. величину, показывающую, какую долю затраченного тепла мы можем превращать в работу), можно выразить формулой:

h =A/ Q =( Q_н - Q_x)/ Q_x .

Эта величина равна

h =( T_н - T_x)/ T_н, или ( Q_н - Q_x)/ Q_x =( T_н - T_x)/ T_н. В науке часто несложные, простые арифметические действия приводят к большим и важным выводам. Относитесь к ним с уважением- такие действия, несмотря на их простоту, иногда раскрывают большую научную перспективу.

Вам сейчас придется внимательно проследить за преобразованием выражения для к. п. д. Оно преобразуется очень просто. Конечно, это выражение можно переписать так:

1- Q_x / Q_н =1- T_x / T_н .

Затем его можно упростить: Q_x / Q_н = T_x / T_н .

Полученную пропорцию лучше переписать так:

Q_н / T_н = Q_x / T_x .

Не забывайте, что индексом «н» обозначены тепло, взятое у нагревателя, и его температура, а индексом «х» - тепло, отданное холодильнику, и, соответственно, его температура.

И, наконец, можно написать:

Q_н / T_н - Q_x / T_x. =0

Учтем, что мы условились считать тепло, которое система получает, положительным, а то тепло, которое она отдает, - отрицательным.

Ясно, что этот результат представляет собой алгебраическую сумму отношений теплоты и соответствующей температуры. Для обратимого цикла Карно эта сумма оказалась равной нулю:

В термодинамике принято говорить: сумма приведенных теплот для обратимого цикла Карно равна нулю.

Оказывается, что это справедливо и для любого обратимого, т. е. квазистатического, цикла, каким бы сложным оно ни было. Это замечательный результат, один из наиболее важных для всего естествознания.

Из него сейчас же следует очень важный вывод: для любой системы и для любого незамкнутого процесса, каким бы он ни был, из скольких бы стадий ни состоял, обязательно должно существовать такое особое свойство системы, изменение которого при переходе из одного состояния в другое равно сумме приведенных теплот.

Это, конечно, не очень понятно; не так уж легко представить себе, о чем тут идет речь, а наглядно это свойство вообразить вряд ли удастся. Но тем не менее такое свойство действительно существует в природе, оно играет важнейшую роль не только в термодинамике, но и во всем естествознании, включая даже философию.

Это свойство принято обозначать буквой S. Его изменение при переходе системы из одного состояния в другое равно

Открыл его немецкий ученый, знаменитый термодинамик Р. Клаузиус. Это уравнение носит его имя.

Обнаружив в природе новую, ранее не известную никому величину, Клаузиус назвал ее странным и непонятным словом «энтропия», которое сам и придумал. Он так объяснил его значение: «тропе» по-гречески означает «превращение». К этому корню Клаузиус добавил две буквы - «эн», так чтобы получившееся слово было бы по возможности подобно слову «энергия». Обе величины настолько близки друг другу своей физической значимостью, что известное сходство в их названиях было целесообразно.

Открытие второго закона позволило обнаружить в природе новое замечательное свойство - энтропию, подобно тому как первый закон термодинамики привел к открытию точного понятия «внутренняя энергия».

Можно ли обнаружить энтропию?

К сожалению, никак нельзя. Человек не обладает такими органами чувств, которые давали бы ему возможность «видеть» непосред-

161

ственно - «много» или «мало» энтропии содержит система.

Но, пожалуй, ни сожалеть, ни удивляться по этому поводу не следует. Ведь мы, например, привыкли к «простому» понятию «энергия». Но до того как раздастся выстрел, трудно судить по внешнему виду пороха в ружейном заряде, велик ли запас его внутренней энергии.

ЗАЧЕМ НУЖНО ПОНЯТИЕ «ЭНТРОПИЯ»

Тоже трудная глава

Химики совсем недавно завершили синтез алмазов. Всего несколько лет назад ученые об этом только мечтали. Столько уже было в истории науки неудачных, бесплодных попыток!

Сверкающие драгоценные камни теперь не в сказке, а наяву растут в бронированной аппаратуре, под высоким давлением, при высокой температуре. На заводе синтетических алмазов могут быть теперь изготовлены самые настоящие алмазы, и при этом столько, сколько их нужно технике. Разве это не подлинное чудо? Это замечательный пример того, как наука сумела осуществить сказочную мечту.

Технология синтеза алмаза трудна и сложна. Конечно, очень нелегко рассчитать и построить мощную и сложную аппаратуру. Непросто создать в ней нужное давление в сотни тысяч атмосфер. Очень трудно при этом поддерживать высокую температуру. Но все это легко и просто по сравнению с самой главной, с самой большой трудностью, по сравнению с основной проблемой - как узнать, при каких условиях, в каких реакциях углерод может приобретать форму алмаза. Это проблема теоретического расчета, без ее решения эмпирический поиск безнадежен. Если преодолена эта трудность, все остальное разрешимо.

Проблема промышленного синтеза алмазов- пример типичной термодинамической задачи. Очень странные процессы использует термодинамика для своих расчетов. Квазистатический воображаемый процесс - это цепь почти равновесных состояний системы. Меняется квазистатический процесс на обратный - меняются на обратные и передали теплоты и работы. Абсолютные их значения остаются прежними. После протекания обратимого процесса можно восстановить первоначальные состояния всех его участников - самой системы, источников тепла, источников работы - без каких-либо изменений в окружающей среде, т. е. в остальном мире. К обратимому, квазистатическому процессу предъявляются взаимно противоречивые требования: быть процессом и быть равновесием, т. е. не быть процессом. Чтобы осуществить такой процесс, нужны идеальные условия, подобные тем, которые были установлены в цикле Карно.

Все реальные процессы, протекающие в действительности, нестатические - все они необратимы. Их нельзя по желанию провести в прямом и обратном направлении, не оставив никакого следа в окружающем мире. У всех изменений в природе есть определенное направление.

Термодинамика должна помочь исследователям заранее узнать, пойдет ли реальный процесс, не осуществляя его в действительности. Это ее основная задача. Для этого и нужно понятие «энтропия».

Энтропия - это свойство системы, которое полностью определяется состоянием системы. Какими бы путями ни перешла система из одного состояния в другое, изменение ее энтропии будет всегда одно и то же. Но вычислять изменение энтропии термодинамика умеет и может только на квазистатических, обратимых путях. В этом случае изменение энтропии точно равно сумме приведенных теплот:

Если же в системе происходили необратимые, нестатические процессы, если в ней протекали процессы теплопередачи при конечных перепадах температуры, процессы, связанные с трением, любые реальные процессы, а начальное и конечное состояния при этом были теми же самыми, то изменение энтропии будет обязательно точно таким же, но сумма приведенных теплот в необратимом процессе уже не будет равна изменению энтропии.

Вот поэтому-то термодинамика рассматривает и изучает придуманные, несуществующие квазистатические процессы. Они дают возможность рассчитать и определить изменение энтропии для реальных процессов, для которых непосредственно сделать это нельзя.

Зачем ученому нужно знать энтропию?

Во всех реальных процессах, при которых система может сама любым необратимым путем самостоятельно переходить из одного состояния в другое, общая энтропия всех участников процесса может только возрастать.

162

Это и дает возможность исследователю заранее предсказать, как пойдет неизвестный процесс, заранее предвидеть, при каких условиях ему удастся заставить еще не изученную на опыте реакцию пойти в нужном направлении. Для этого ученому необходимо иметь сведения об энтропии всех участников процесса, включая источники теплоты.

Рис. 21. Применение понятия «энтропия» значительно упрощает сложные расчеты. Вот, например, как просто изображается в координатах Т - S (температура - энтропия) тот же самый цикл Карно для одного моля идеального газа, который представлен на рис. 16, II. В теплотехнике такой способ изображать циклы тепловых машин общепринят. Он очень удобен. В этом случае площадь цикла соответствует теплоте, полученной системой.

Химическая реакция, как и любой другой процесс, связана с работой (в результате реакции могут выделяться или поглощаться газообразные вещества или изменяться объемы реагирующих веществ и, следовательно, может совершаться работа расширения или реакция может протекать в химическом источнике тока и совершать электрическую работу и т. п.). Химическая реакция, как и любой другой процесс, всегда сопровождается обменом тепла с окружающей средой. Если реакция идет только с поглощением тепла, систему нужно нагревать. Если тепло выделяется - охлаждать.

Для проведения расчета очень удачно то, что энтропия источников работы не может изменяться. Ведь в понятие «работа» не входят ни теплота, ни температура. Это очень сильно упрощает расчет энтропии.

Изменение энтропии источников теплоты нужно обязательно учитывать, хотя это и усложняет задачу.

Если реакция, как и любой процесс, может быть проведена обратимо, то расчет изменения энтропии прост. В качестве примера можно рассмотреть любой изотермический процесс (испарение, плавление, изотермическое расширение). В этом случае существует, кроме системы, только один источник тепла. Их температуры одинаковы. Тепло, поглощенное системой, отдано источником (нагревателем). Насколько увеличилась энтропия системы, настолько же уменьшилась энтропия источника. Общее изменение энтропии равно нулю.

Это очень важное заключение справедливо для любых процессов, в которых участвует любое количество источников теплоты, если только эти процессы квазистатические - обратимые. Можно высказать общее положение: в любом обратимом процессе общее изменение энтропии равно нулю. Справедливо и обратное положение: если общее изменение энтропии равно нулю, то процесс обратимый. Такая зависимость очень важна. Она и позволяет ученому не наблюдать за процессом при всех условиях. Ему достаточно знать только начальное и конечное состояния системы и источников теплоты, и он сможет судить, был ли этот процесс обратимым или нет.

Обратимый процесс в сущности никуда не идет, никуда не направлен. Это цепь равновесных состояний. Реальный, необратимый, нестатический процесс такой особенностью не обладает, именно потому, что он не равновесный, он самопроизвольно идет только в одну сторону. Только в том направлении может идти реальный процесс, в котором общая энтропия, т. е. энтропия системы вместе с энтропией всех источников теплоты, может только возрастать. Обратное положение тоже справедливо: если общая энтропия возрастает, то процесс необратим и может самопроизвольно протекать в нужном направлении.

Если расчет приводит к результату, согласно которому общая энтропия уменьшается, то процесс невозможен. В данном направлении он не пойдет. Всякие попытки осуществить такой процесс будут абсолютно безнадежны. Этот энтропийный принцип широко используется

163

в науке и технике, и в первую очередь в химии и химической технологии, для суждения о том, можно ли осуществить нужную химическую реакцию или получить нужное вещество.

Для облегчения таких расчетов, часто очень сложных, существуют специальные справочные издания, в которых собраны в таблицы заранее рассчитанные значения энтропии различных химических соединений.

Как sue вычислить энтропию?

Вычислить вообще энтропию системы, энтропию любого тела нельзя, точно так же, как нельзя вообще определить его энергию. Вычислить можно только изменение энтропии при переходе системы из одного состояния в другое, если этот переход провести квазистатическим путем. Расчет этот по существу прост, правда, из-за недостатка экспериментальных данных часто он становится сложным и трудным, а иногда и невозможным. Чтобы вычислить энтропию, нужны точные измерения теплоемкостей и тепловых эффектов, необходимо также знать уравнение состояния.

Чтобы получить понятие о том, как в простейшем случае рассчитывается энтропия, полезно внимательно рассмотреть график, на котором приведен расчет изменения энтропии воды.

Специального названия для единиц, в которых измеряют энтропию, не придумано. Ее

калория

измеряют в калория/мольградус.

Что такое энтропия?

Много было дано ответов на вопрос, что такое энтропия, но ни один из них не может быть назван полностью удовлетворительным. Самый точный ответ такой: изменение энтропии- это сумма приведенных теплот в обратимом процессе. Ясно? Для специалиста-термодинамика ясно и достаточно. Нам же, пожалуй, стоит познакомиться еще с одним определением энтропии.

Вернемся к циклу Карно. Из всего тепла Q_н как мы знаем, в работу можно превратить не больше, чем Q_н - Q_х. Тепло, отданное холодильнику, при данных температурах нагревателя и холодильника в работу уже не превратишь! Оно для нас потеряно, пропало без пользы. Сосчитать, сколько же такого обесцененного тепла, нетрудно. Не меньше чем

Q_x =(Q_н / T_н ) T_x. Но величина Q_н / T_н это не что иное, как изменение энтропии нашего работающего в цикле

Рис. 22. Рассмотрим на примере воды, как надо рассчитывать энтропию. Прежде всего нужно выбрать начальное состояние системы. Пусть это будет состояние льда при 0° Ц. Во всех процессах, протекающих при постоянной температуре, изменение энтропии находится очень просто - оно равно теплоте приведенной обратимого процесса Q/T . Это

справедливо и для плавления льда, и для испарения воды. Для нагревания воды расчет усложняется, ее температура при нагревании от 273° К до 373°К изменяется непрерывно. Поэтому приходится суммировать бесконечно малые изменения энтропии. Для вычисления энтропии нужно знать теплоемкость и теплоту превращений. Теплоемкость воды С= 1 калории на грамм при изменении температуры на 1 градус. Для воды теплота плавления = 80 калориям на грамм. Теплота испарения при 100°Ц- 539 калорий на грамм. Точный расчет энтропии очень громоздок и труден. Приходится учитывать, как влияет на изменение теплоемкости не только изменение температуры, но и изменение давления.

164

вещества при получении им тепла от нагревания

Q_н / T_н = D S .

Следовательно, потерянное для нас бесполезно тепло, которое мы не можем превратить в работу, равно

Q_х = T_х D S .

Это дает нам возможность дать еще одно определение энтропии, не такое строгое и точное, но чуть-чуть более наглядное: энтропия- это мера обесцененной энергии, бесполезной энергии, которую нельзя использовать для получения работы.

Так что же такое энтропия?

Как вы думаете, что произойдет, если кусок сахара положить в стакан горячего чая? Нет, это не шутка, это очень важный вопрос. Ответ на него, очевидно, всем известен. Сахар растворится, чай станет сладким. Но молекулы сахара, участвуя в тепловом движении при температуре горячего чая, могут беспорядочно двигаться в стакане куда угодно, и, в частности, любая из молекул может рано или поздно оказаться у дна стакана. В этом нет и не может быть сомнения.

Но если каждая из молекул способна на это, то почему бы им всем сразу не собраться одновременно на дне стакана, да так, чтобы снова возник бы из воды растворившийся в ней кусок сахара. Возможно это или нет? Конечно, нет. Но почему?

Раскаленный конец кочерги, вынутый из печи, быстро остывает на воздухе. При этом воздух нагревается, возрастает средняя скорость его молекул. В воздухе, находящемся в термическом равновесии, существуют молекулы с разной энергией, среди них есть и очень быстрые, «горячие» молекулы. Их распределение и направление их движения беспорядочны. Каждая из таких молекул может оказаться в любом месте. Может быть, стоит подождать, пока холодная кочерга снова раскалится под ударом таких быстрых молекул. Почему бы им не собраться «случайно» всем в одном месте и не нагреть холодный металл? Возможно это? Конечно, нет. Но почему?

Продырявленный футбольный мяч шипит и «испускает дух» - опадает. Но ведь молекулы воздуха движутся беспорядочно во все стороны, совершая тепловое движение. Почему бы

им совершенно «случайно» не начать двигаться в одну и ту же сторону, так чтобы дырявый мяч сам собой снова надулся? А это возможно? Ну конечно, нет! Но почему?

Почему нельзя обратить явление диффузии? Почему необратимо явление теплопроводности? Почему не может само собой повыситься давление газа? И почему всегда «сами собой» идут обратные процессы выравнивания температур, выравнивания давлений, выравнивания концентраций? Все они связаны с возрастанием энтропии системы. Что это значит?

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений все это объясняется довольно просто и наглядно: любая система стремится перейти из менее вероятного состояния в более вероятное.

Наиболее вероятное распределение молекул газа - это равномерное распределение по объему. Наиболее вероятное распределение скоростей молекул - это также совершенно определенное равномерное распределение в разных частях системы. Если в системе появятся отклонения в концентрации, температуре или давлении, то возникнут самостоятельно идущие процессы выравнивания и они снова приведут систему в состояние равновесия - в наиболее вероятное состояние.

Чтобы лучше понять, что такое термодинамическая вероятность данного состояния газа, нужно перечитать во втором томе ДЭ главу о вероятности. В термодинамике вероятностью w данного состояния системы называют общее число способов, которыми можно это состояние осуществить, переставляя одну молекулу на место другой.

Связь между вероятностью данного состояния системы и ее энтропией была установлена двумя знаменитыми учеными - Гиббсом и Больцманом. На простом примере можно это легко показать. Известно, что энтропия газа пропорциональна его количеству. Это значит, что энтропия всей системы равна сумме энтропии ее отдельных частей. Разделим газ на две части, тогда очевидно, что

S = S₁ +S₂.

По законам теории вероятности, вероятность данного состояния всего газа равна произведению вероятностей его отдельных частей:

Таким образом, суммированию энтропии соответствует умножение термодинамических вероятностей состояния отдельных частей. Из

165

всех математических функций такими свойствами обладают только логарифмы.

Таким образом, энтропия должна быть пропорциональна логарифму термодинамической вероятности;

S = k ln w.

В этой формуле k = R/N, где R - газовая постоянная, N - число Авогадро.

Следовательно, энтропия системы определяется вероятностью ее состояния. Это очень важно.

Большой самостоятельный раздел науки- статистическая термодинамика, в основе которого лежит представление о статистической природе энтропии, - достиг замечательных успехов. Химикам во многих случаях теперь не нужно проводить долгие, трудные и дорогие эксперименты. Они могут рассчитать нужные им реакции, хорошо изучив молекулярные спектры интересующих их соединений.

Стоит специально изучить эту новую, правда, трудную, но интересную и увлекательную науку даже только для того, чтобы понять, как же это оказалось возможным, изучая свет, рассчитывать и строить химические заводы.

ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Третий закон (по общему счету он четвертый и пока последний) - основной закон термодинамики. Он был открыт в результате исследований в области низких температур.

Открытие второго закона подтвердило, что существует абсолютный нуль температуры, предсказанный еще Ломоносовым, первым исследователем низких температур, впервые сумевшим заморозить ртуть и искусственно получить очень низкую температуру (-65°Ц).

Из уравнения второго закона

h =A/Q_н =( T_н - T_x )/T_н

следует, что возможно существование такой предельно низкой температуры, при которой все тепло Q_н, взятое от нагревателя, может быть полностью превращено в работу. Как видно из уравнения, это осуществимо только при T_х =0. Это и есть термодинамическое определение абсолютного нуля.

Энтропийный метод расчета направления термодинамических процессов обладает существенным недостатком. Как мы уже знаем, чтобы рассчитать возможность любого процесса,

нужно знать как изменение энтропии системы, так и изменение энтропии источников теплоты - и тех, от которых система получает тепло, и тех, которым его отдает.

Но изменение энтропии системы часто бывает очень трудно определить, а иногда даже совсем невозможно. Такой расчет ведь может быть проведен только с помощью обратимого процесса. А для этого нужно знать, при каких условиях изучаемая система может находиться в равновесии.

Те исследователи, которые захотели бы на основании только одного второго закона рассчитать процесс получения алмазов, должны были бы экспериментально, на опыте изучить, при каких условиях графит находится в равновесии с алмазом, подобно тому как лед с водой. Затем им пришлось бы осуществить при этих условиях превращение графита в алмаз, измерив теплоту превращения. А это практически невозможно.

Необходимость экспериментально определить равновесие очень снижает ценность энтропийного принципа, но, конечно, не обесценивает его. Зная изменение энтропии при одних условиях, можно рассчитать его при любых других значениях температуры и давления. Такие энтропийные расчеты - главное содержание большой самостоятельной науки - химической термодинамики .

Вычисляя изменение энтропии, нельзя обойтись одним вторым законом без того, чтобы на опыте не изучить равновесное состояние при каких-либо определенных условиях. Эта большая принципиальная трудность была термодинамикой преодолена. Изучение поведения вещества вблизи абсолютного нуля, в области очень низких температур, и теоретические исследования теплоемкости тел на основе квантовой теории привели к установлению еще одного - третьего закона термодинамики, который впервые был высказан известным немецким физико-химиком Нернстом.

Согласно третьему закону, по мере приближения температуры любого тела к абсолютному нулю изменение его энтропии, при изменении его любого свойства, тоже стремится к нулю и становится предельно равным нулю при достижении абсолютного нуля. Хотя эта формулировка и звучит подобно детской скороговорке, она выражает очень важный закон природы. Знание его сильно повысило возможность термодинамического предсказания:

166

Это математическое выражение третьего закона позволяет провести полный расчет химической реакции, не проводя никаких предварительных экспериментальных исследований химического равновесия. Решая проблему синтеза алмаза, исследователи были освобождены благодаря третьему закону от необходимости предварительно изучить хотя бы одно равновесие между алмазом и графитом. Раз и навсегда, для любой системы, а следовательно, и для алмаза стало известным изменение энтропии при абсолютном нуле, хотя, как мы знаем, он недостижим.

На этом примере мы и рассмотрим, как решается термодинамикой расчет возможности осуществить новое, неизвестное химическое превращение,

В основе расчета теперь лежит знание, как изменяется энтропия при переходе графита в алмаз при абсолютном нуле. По третьему закону, это изменение равно нулю. Зная теплоемкости графита и алмаза в пределах от абсолютного нуля вплоть до высоких температур, всегда можно вычислить, как изменяется энтропия при превращении графита в алмаз при любой температуре.

По уравнению состояния графита и алмаза можно вычислить изменение энтропии и для любого давления.

Далее нужно еще знать теплоту перехода графита в алмаз (чтобы вычислить изменение энтропии источника теплоты). Ее можно найти, измерив теплоту сгорания и графита и алмаза. Из этих данных, по закону Гесса, легко находится теплота перехода, нужная для расчета.

По известным теплоемкостям и по уравнению состояния можно пересчитать теплоту перехода от ее значения при обычных условиях на любые значения температуры и давления.

Таким путем и могут быть получены все данные, необходимые для того, чтобы можно было предсказать условия, при которых возрастает общая энтропия в процессе превращения графита в алмаз, при которых может, следовательно, происходить самопроизвольное образование алмаза.

Этот термодинамический расчет требует предварительных точнейших исследований теплоемкостей, точного знания уравнений состояния в очень широких пределах температуры и давления. Но такой термодинамический расчет был проведен советскими исследователями, и этот расчет полностью оправдался. Недавно в

СССР был с успехом осуществлен промышленный процесс синтеза алмазов. Без термодинамики это было бы невозможно.

Полмиллиарда уравнений

Термодинамика основана всего на четырех законах. Эти законы представляют собой обобщение огромного опыта, накопленного наукой в течение столетий.

Пользуясь могучим аппаратом математики, и в первую очередь методами дифференциального исчисления, термодинамика устанавливает связи между самыми разнообразными явлениями и процессами. Ее всеобщие законы приложимы ко всем отраслям физики и химии: к свойствам газов, жидкостей и твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям. Они приложимы к грандиозным космическим процессам, изучаемым астрофизикой. Ее выводы неоспоримы и незыблемы.

Один известный ученый подсчитал общее число уравнений, которые могут быть получены термодинамикой: их число оказалось невообразимо большим - свыше пятисот миллионов уравнений. А ведь каждое из них отражает реальную закономерность, действительную связь между свойствами вещества, между явлениями, протекающими в нашем реальном мире. Без термодинамики не было бы и не могло бы быть современной теплотехники, не было бы химической промышленности, не было бы металлургии, не существовала бы, в частности, и промышленность удобрений. Синтез аммиака из водорода и азота, синтез искусственного жидкого топлива, синтез алмазов - во всем этом проявилась мощь термодинамики. В совокупности знаний, без которых нельзя вывести на орбиту космический корабль, термодинамика занимает важное место.

Без помощи термодинамики не может обойтись ни одна область естествознания, ни одна точная наука. В области своего применения термодинамика обладает такой большой возможностью предсказания, что по справедливости может быть названа «грядущего вестником». Тот, кто знает и любит термодинамику, овладел ее методами и научился их применять, поистине может быть назван современным кудесником.

Термодинамику должен изучить каждый, кто любит науку, какой бы из отраслей знаний он ни собирался посвятить свою жизнь.

СВЕТ

Задумывались ли вы над тем, что все живое на Земле существует только благодаря лучистой энергии солнечного света? Если бы на нашей планете не было атмосферы, которая отражает и лишь частично поглощает энергию Солнца, поверхность земного шара там, где солнечные лучи падают на нее отвесно, получала бы за минуту 8,37 дж (2 калории) на 1 см². Эта величина называется солнечной постоянной и измерена с большой точностью вне атмосферы Земли с помощью ракет.

Если учесть, что Солнце освещает только половину поверхности земного шара (рис. 1), можно подсчитать, что за секунду оно посылает на нашу планету энергию, которая выделилась бы при сгорании 40 млн.т каменного угля! Крупнейшая в мире электростанция могла бы выработать такое количество энергии лишь за 30 лет. Без солнечного света Земля стала бы обледенелым, безжизненным космическим телом. На Земле нет других в какой-то мере сравнимых с солнечным светом источников энергии.

Растения, а значит, и все живое существуют за счет энергии Солнца. Сжигая в печах каменный уголь и нефть, мы расходуем энергию солнечного света, когда-то запасенную растениями. Включая электрическую лампочку, электромотор, мы потребляем солнечную энергию: в свое время вода, вращающая турбины гидроэлектростанции, была превращена солнечной энергией в пар и перенесена в тучах на возвышенности.

На Землю падает лишь около четырех десятимиллиардных долей энергии, излучаемой Солнцем. А вся его энергия образуется в результате термоядерных процессов. Масса солнечного вещества непрерывно превращается в энергию. При этом 1 г массы равнозначен энергии, выделяющейся при сгорании 20 000 т угля.

Мы не знаем точно, как именно преобразуется масса Солнца в энергию. Ясно только, что это происходит в термоядерном процессе (см. главу «Химия Вселенной» в ст. «Великий закон»). И, кроме того, мы знаем: энергию этого гигантского «термоядерного реактора» доставляет на Землю свет.

ЧТО МЫ ПОНИМАЕМ ПОД СЛОВОМ «СВЕТ»

Итак, свет - это поток энергии. Энергия может передаваться по-разному, в частности колебательными процессами. Пока что мы будем рассматривать свет как электромагнитное излучение, такое же, как радиоволны, но волны его гораздо короче. В фотометрии - науке, изучающей световые лучи,- светом называется электромагнитное излучение, ощущаемое глазом человека. Такое излучение дают волны, длина которых лежит в диапазоне между 0,39 и 0,75 мк. В этой статье к понятию «свет» отнесены и не видимые глазом лучи, т. е. светом названы электромагнитные излучения с длинами волн, выходящими за эти пределы. Ведь и академик С. И. Вавилов в книге «Глаз и Солнце» писал: «Существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы».

СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Эта истина была известна более

168

чем 2000 лет назад, когда зародилась наука о свете. Доказать это легко (рис. 2). Перед светящимся телом S на расстоянии l поставим экран с круглым отверстием, диаметр которого равен d. Если размеры тела S значительно меньше, чем l и d, тогда источник света (S) называется точечным. За экраном в параллельной ему плоскости поместим лист белой бумаги: на нем появится правильный светлый круг. Это и доказывает, что свет идет прямолинейно.

Если l намного больше, чем d, то конус SB, заполненный светом, называют световым лучом. Такой луч можно изобразить в виде прямой SA , совпадающей с осью симметрии конуса.

Свойство света распространяться прямолинейно можно использовать для изображения предметов. Например, если в абажуре лампы проделать небольшое отверстие (рис. 3), то на потолке появится светящаяся полоса, напоминающая подкову. Это - изображение раскаленной в лампе нити. Отверстие nm может быть

любой формы, лишь бы его наибольший линейный размер был намного меньше, чем нить лампы.

Разобьем нить лампы на малые участки, каждый из которых можно считать точечным источником света. Тогда участок 1 даст на потолке пятнышко 1' участок 2 - пятнышко 2' и т. д. В результате из таких пятнышек получится изображение всей нити. Проделайте такой опыт сами. Если вы окружите лампу непрозрачным

материалом, чтобы потолок не подсвечивался, то сможете получить на потолке изображение не только нити, но и всего баллона лампы.

В летний день в тени дерева у всех светлых пятен на дорожке одинаковые очертания, хотя у просветов в кроне дерева самая разнообразная форма. Каждый из небольших просветов дает на почве изображение Солнца.

Один из простейших оптических приборов - камеру-обскуру - может сделать каждый из читателей. Это небольшой ящик, не пропускающий внутрь себя посторонний свет (рис. 4). В одной из его стенок проделано очень

Рис. 4.

маленькое отверстие (0,2 мм). В противоположную стенку ящика вделано матовое стекло. С помощью камеры-обскуры можно получать изображения любых предметов, испускающих или отражающих свет. Если вместо матового стекла поместить в ящик светочувствительную пластинку, можно получить и фотоснимок. Старинные фотографии - дагерротипы получали именно таким способом: с помощью камеры-обскуры, без каких-либо объективов.

169

САМАЯ БОЛЬШАЯ СКОРОСТЬ

Еще в 1676 г. датский астроном Рёмер, наблюдая спутники Юпитера, вычислил скорость света в пустом пространстве. Расстояние от Солнца до Земли в 150 млн.км свет проходит всего за 8 минут. По современным данным его скорость равна 299 792 км/сек. В формулах эта величина всегда обозначается буквой с.

С особой тщательностью скорость света в земных условиях измерил американский физик Альберт Майкельсон. Из его опытов оказалось, что скорость света не зависит от скорости его источника.

Представим себе, что на корабле, стоящем на якоре, стреляет по цели А пушка, установленная на его носу (рис. 5). Скорость снаряда - v_c. [Если корабль снимется с якоря и пойдет вперед со скоростью v_к, скорость снаряда относительно цели А будет уже равна v_с + v_к. А скорость снаряда относительно цели Б из пушки, установленной на корме корабля, будет равна v_с - v_к. Итак, при стрельбе в направлении движения корабля его скорость прибавляется к скорости снаряда, а при стрельбе в. противоположном направлении - вычитается.

Свет этому простому правилу не подчиняется, Если вместо пушек будет установлена на корабле лампа, то свет ее вспышки дойдет до равноотстоящих от корабля пунктов А и Б одновременно, какой бы ни была скорость корабля, даже если она сравнима со скоростью света.

Астрономы с помощью мощных телескопов обнаружили так называемые двойные звезды (см. в т. 2 ДЭ ст. «Звезды и глубины Вселенной»), которые находятся от нас на расстоянии многих световых лет. На рисунке 6 схематически изображена такая звезда. Она состоит из двух звезд: звезда 1 вращается вокруг звезды 2. Предположим, что звезда 2 неподвижна относительно Земли и что орбита звезды 1 лежит в одной плоскости с Землей. Величина скорости вращения звезды 1 постоянна и равна v . Тогда в положении А к скорости света, идущего от этой звезды к Земле, прибавилась бы скорость v, а в положении Б эта скорость вычиталась бы.

Если свет из точки А доходит до Земли за время t + t, то на путь из точки Б ему потребуется время t. Время запаздывания t обусловлено уменьшением скорости света на величину v в точке А и таким же увеличением в точке Б. Если из положения Б звезда 1 приходит в положение А за то же время т, то на Земле наблюдатель увидел бы изображение звезды 1 одновременно в двух точках ее орбиты: А и Б. Но никто из астрономов никогда не наблюдал многократные изображения двойных звезд. Значит, движение звезды 1 не влияет на скорость испускаемого ею света. Это и есть одно из доказательств, что скорость света не зависит от скорости его источника.

Причину этого явления удалось объяснить Альберту Эйнштейну. Для этого он создал теорию относительности, в основу которой положен факт, полученный опытным путем: независимость скорости света от скорости источника.

Из теории относительности вытекает, что не существует скорости большей, чем скорость света в пустоте (в вакууме). Это предельная скорость в природе.

Другое важнейшее следствие теории относительности - связь между массой и энергией. Энергия Е, заключенная в массе m , равна квадрату скорости света в пустоте, умноженному на эту массу: Е= mc². Это соотношение играет громадную роль в понимании физики атомного ядра, астрофизики и других наук.

Вот к каким глубоким выводам привело измерение скорости света! Рассказывают, что

170

Эйнштейн однажды спросил Майкельсона, почему тот занимается именно измерением скорости света. И Майкельсон ответил: «Потому что это дьявольски интересно!» Майкельсон занимался этими исследованиями почти всю жизнь: задача была трудной и решать ее было интересно. Он, конечно, и не предполагал, что его эксперименты помогут Эйнштейну создать гениальную теорию относительности.

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ЦВЕТ?

Еще в средние века было известно, что луч белого света, проходя через стеклянную призму, становится цветным. Считалось, что под действием стекла свет меняет свою окраску. Белый цвет казался тогда людям самым простым. Да и в наши дни человек, незнакомый со свойствами света, думает именно так.

В 1672 г. английский ученый Исаак Ньютон опроверг это ложное представление. На пути солнечного луча, проникающего в темную комнату через малое отверстие в ставне окна, он установил стеклянную призму (см. рис. 1 на цвет. табл. у стр. 176). Пучок света в призме «переломился», и на экране появилась цветная полоса. Эту полосу ученый назвал спектром. С помощью второй призмы Ньютону удалось из цветного спектра получить опять белый свет.

В другом опыте Ньютон поставил между отверстием в ставне и стеклянной призмой экран с узкой щелью. Перемещая щель, можно было направлять на призму различные одноцветные пучки: синие, зеленые, желтые, красные. Оказалось, что больше всего отклоняются призмой фиолетовые лучи и меньше всего - красные. Одноцветный луч не разлагается призмой на другие цвета. Такой луч называется монохроматическим, т. е. одноцветным.

Вывод из этих опытов был ясен: белый свет состоит из множества цветных лучей.

Световые лучи преломляются призмой по-разному, в зависимости от цвета (точнее, в зависимости от длины волны).

Благодаря этому и возникает спектр.

Преломляясь в дождевых каплях, белый свет разлагается на лучи разных цветов спектра. Так была объяснена Ньютоном радуга.

ОТКРЫТИЕ МАКСВЕЛЛА

В 60-х годах прошлого столетия английский физик Джемс Клерк Максвелл предложил теорию электромагнитных колебаний (см. ст. «Электромагнитное поле»). На основании этой теории была вычислена скорость распространения таких колебаний в пустоте. Оказалось, что скорость электромагнитных колебаний не зависит от длины их волн и равна скорости света. Максвелл предположил, что свет - также электромагнитные колебания, т. е. периодические изменения электрического и магнитного полей в пространстве. А лучи различного цвета отличаются лишь частотой колебаний магнитного и электрического полей или длиной волны этих колебаний.

Частота колебаний световых волн зависит от их длины:

n = c / l .

В этой формуле n - частота колебаний волны, l - ее длина, а с - скорость света.

Предлагаем вам самим, пользуясь этой формулой, проверить, соответствует ли в нижеприведенной таблице длина волны ее частоте у каждого из цветов видимого спектра.

Как запомнить?

Ученики старой гимназии, чтобы лучше запомнить порядок расположения цветов в солнечном спектре, придумали забавное изречение:

Каждый (красный)

охотник (оранжевый)

желает (желтый)

знать (зеленый),

где (голубой)

сидят (синий)

фазаны (фиолетовый).

Пожалуй, кое-кому из вас это «мудрое» правило может оказаться полезным.

171

ВОЛШЕБНЫЙ ПРИБОР

В 1868 г. было солнечное затмение. Наилучшие условия для наблюдения солнечной короны были, по вычислениям астрономов, в Индии. Именно туда поехал французский астроном Жюль Жансен. Кроме обычных оптических приборов, он решил использовать для наблюдений и спектроскоп, изобретенный еще в 1859 г. С помощью спектроскопа Жансен исследовал протуберанцы - оранжево-красные языки пламени, вырывающиеся с поверхности Солнца. В них он обнаружил неизвестный на Земле элемент - «солнечное вещество». Одновременно с Жансеном тот же элемент открыл в солнечной короне и англичанин Норман Локьер.

Новый элемент был открыт на расстоянии 150 млн.км от наблюдателей! Назвали его гелием (от греческого слова «гелиос» - солнце). Лишь спустя 27 лет этот элемент был найден и на Земле. Его получил из минерала клевеита английский химик Уильям Рамзай.

УСТРОЙСТВО СПЕКТРОСКОПА

Ньютон применил для анализа света призму. Метод анализа спектров усовершенствовал в прошлом столетии немецкий физик Густав Кирхгоф. Он создал первый спектроскоп. С помощью этого прибора было совершено немало выдающихся открытий. Главной деталью спектроскопа осталась призма.

Если световой луч падает на плоскую грань призмы (рис. 2 на цвет. табл. у стр. 176), т. е. на границу раздела двух сред (воздуха и стекла), под углом a, то какая-то часть света отразится, а другая часть войдет

в стекло и преломится в нем, т. е. изменит свое первоначальное направление. При этом все три луча - падающий А-А, отраженный Б-Б и преломленный В-В - лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на грань призмы в точку падения луча А-А. Углы a и b связаны зависимостью:

sin a = n sin b.

Преломляемость лучей света характеризуется показателем преломления п. Для лучей с разной длиной волны преломляемость разная. Этим законом определяется ход лучей в призме.

Лучи света с разной длиной волны призма спектроскопа отклоняет на разные углы. Если на призму падает луч, представляющий собою смесь желтого и зеленого монохроматических излучений, то желтая часть луча будет отклонена призмой меньше, чем синяя. При этом цвет падающего луча будет зеленым. У каждого сорта стекла свой показатель преломления для лучей с волнами определенной длины. На основании этого рассчитывается ход лучей в призме спектроскопа.

Например, у сорта стекла К-8 показатель преломления для лучей синего цвета n =1,522 ( l =0,486 мк), для лучей желтого цвета n_D = 1,516 ( l =0,589 мк). На рисунке 4 цветной таблицы у страницы 176 показана оптическая схема простейшего спектроскопа. Труба D называется коллиматором. Перед ее щелью А установлен источник света, спектр которого должен быть изучен. Свет пламени будет выходить из коллиматора почти параллельным пучком, или, как говорят, пучком малой расходимости. На расстоянии / от щели А расположена двояковыпуклая линза L - кусок стекла, поверхность которого образована частями сферы. В просторечии такую линзу называют увеличительным стеклом.

На рисунке 7 изображена двояковыпуклая линза. Ось А-А, перпендикулярная к поверхностям линзы и проходящая через ее центр, называется главной оптической осью. Если на линзу бросить пучок параллельных лучей света, то все они соберутся в одном малом пятнышке F, которое можно принять за точку. Эта точка называется фокусом линзы. Плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси, называют фокальной плоскостью. Если параллельный пучок падает на линзу под углом я к оси А-А, то он соберется в точке В фокальной плоскости. Угол ВО F будет равен углу a. Если в точках В и F поместить точечные источники света, то их лучи

172

Рис. 7. На линзу спектроскопа падают под разными углами параллельные цветные пучки света. В фокальной плоскости этой линзы цветные изображения щели Л лежат в различных местах.

выйдут из линзы параллельными пучками, угол между осями которых равен а.

Вернемся к оптической схеме спектроскопа (рис. 2 на цвет. табл. у стр. 176). Щель коллиматора А расположена в фокальной плоскости линзы L₁. Эта щель, как правило, должна быть очень узкой. Если перед щелью помещены два источника света - желтого ( l =0,589 мк) и синего ( l =0,470 мк), то световые пучки, пройдя через призму, дадут в фокальной плоскости линзы L₂ два изображения щели - желтое и синее. Их можно увидеть, если в фокальной плоскости В-В поставить матовое стекло. Между главной оптической осью линзы L₂ и осями этих световых пучков образуются различные углы: для желтого цвета - угол a₁, для синего - угол a₂ .

В спектроскопе матовое стекло не ставят, а рассматривают спектр через дополнительную линзу - окуляр. Эта линза дает увеличенное изображение спектра и позволяет изучать его детали.

Ньютон разложил белый свет очень просто, без каких-либо дополнительных линз, потому что у него был очень интенсивный источник света - Солнце. В яркий солнечный день освещенность примерно в тысячу раз больше, чем освещенность, которую создает лампа накаливания мощностью в 100 вт на расстоянии 1 м. Солнечные лучи падают на Землю почти параллельным пучком, расходимость такого пучка всего 30'. Значит, у Ньютона не было необходимости создавать параллельный пучок и линза L₁ была ему не нужна. Ньютон мог отнести экран на большое расстояние. За счет этого разноцветные пучки света в его опыте хорошо разделялись; правда, уменьшалась освещенность экрана, но с таким ярким источником света, как Солнце, это не играло роли. Поэтому не нужна ему была и линза L₂. Источники света, с которыми обычно имеют дело современные исследователи, во-первых, дают пучки большой расходимости (за исключением звезд, свет которых анализируют спектроскопом), а во-вторых, их яркость ничтожна по сравнению с яркостью Солнца.

КАК СПЕКТРОСКОП ОБНАРУЖИВАЕТ ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Поставим перед щелью А коллиматора газовую горелку (рис. 4 на цвет. табл. у стр. 176). Введем на платиновой проволочке в ее почти бесцветное пламя поваренную соль - соединение натрия с хлором (NaCl). В окуляре спектроскопа мы увидим две очень близкие друг к другу желтые линии - два изображения щели А. Эти же линии и точно на том же месте появятся, если в пламя вводить другие соединения натрия. Такое совпадение доказывает, что эти линии принадлежат именно натрию.

Поставим перед щелью разрядную ртутную лампу. В поле зрения окуляра появится множество разноцветных линий, из них две особенно яркие: зеленая ( l =0,546 мк) и желтая ( l =0,577 мк). Эти линии принадлежат ртути. Внесем в пламя горелки соль калия, пламя

Теория и практика

Американский физик Роберт Вуд в конце прошлого столетия учился в одном из американских университетов. Жил он в то время, как и большинство студентов, в частном пансионе. У студентов появилось подозрение, что хозяйка пансиона добавляет в котлеты оставшиеся после завтрака недоеденными куски мяса. Однажды Вуд положил за завтраком

в оставшийся на тарелке кусочек мяса немного соли лития. А вечером Вуд проделал опыт над кусочком котлеты, поданной на обед. Он поместил его в пламя горелки, установленной перед коллиматором спектроскопа. В поле зрения окуляра появилась красная линия лития. А в обычном мясе лития никогда не бывает. Подозрения студентов подтвердились!

173

окрасится в фиолетовый цвет, а в спектроскопе мы увидим красную и фиолетовую линии. Светящиеся пары каждого химического элемента излучают только ему одному присущий свет, который состоит из набора монохроматических излучений. Такое монохроматическое излучение мы в дальнейшем будем называть спектральной линией. Итак, светящиеся пары каждого элемента излучают серию вполне определенных спектральных линий - линейчатый спектр.

Спектральные линии всех элементов собраны в таблицы, где указаны длины всех волн соответствующих им серий. Если в пламя горелки внести неизвестное химическое соединение, то по спектральным линиям, появившимся в поле зрения спектроскопа, мы, пользуясь таблицами, безошибочно определим химический состав этого соединения. Такой способ анализа веществ оказался очень быстрым и, главное, весьма чувствительным. Одной десятимиллиардной грамма соли калия достаточно, чтобы обнаружить его среди других элементов.

С помощью спектроскопа немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен обнаружили в минерале карналлите красную и синюю спектральные линии. Их нельзя было приписать ни одному из изученных к тому времени элементов. Исследователи предположили, что имеют дело с какими-то еще неизвестными элементами. И действительно, Бунзену удалось выделить из карналлита новые элементы: рубидий (красная линия) и цезий (голубая линия).

СОЛНЕЧНАЯ ЗАГАДКА

Немецкий оптик Йозеф Фраунгофер в 1821 г. заменил призму в спектроскопе дифракционной решеткой - устройством, которое гораздо сильнее разделяет световые лучи, чем призма. На щель такого усовершенствованного спектроскопа Фраунгофер направил солнечный свет. К своему удивлению, он различил в сплошном спектре Солнца десятки черных полосок. В честь его эти полоски теперь называются фраунгоферовыми линиями.

Много времени прошло после этого открытия, прежде чем физики разгадали секрет фраунгоферовых линий. Мы не будем подробно описывать этот путь, а изложим, как в наше время наука объясняет фраунгоферовы линии в спектре.

Свет лампы накаливания дает в окуляре спектроскопа непрерывный сплошной спектр. Но если на пути этого света окажутся пары

какого-то вещества, в спектре появятся темные полосы. Например, поставим перед щелью А спиртовку, а в спирте растворим немного поваренной соли (рис. 4 на цвет. табл. у стр. 176). Сквозь пламя спиртовки направим в щель свет электрической лампы накаливания. В сплошном спектре на том месте, где должны быть линии натрия, появятся две темные полоски. Пары натрия поглотили из света лампы как раз те участки волн, которые они сами излучают (рис. 5 на цвет. табл. у стр. 176).

Темные полосы появились потому, что свет лампы, проходящий в спектроскоп, намного интенсивнее, чем свет горелки. Хотя на участки спектра D₁ и D₂ от пламени горелки по-прежнему падает столько же света, они кажутся темными на фоне яркого сплошного спектра. Если лампу выключить, казавшиеся темными линии натрия опять приобретут свой обычный цвет. Спектр с темными полосами, характерными для определенного элемента, называется спектром поглощения этого элемента.

Сплошной спектр дают жидкости и раскаленные твердые тела. Солнце, по существу, раскаленная жидкость и потому испускает непрерывный спектр. Видимая нами поверхность Солнца - фотосфера - окружена газовой оболочкой - хромосферой. Температура хромосферы такова, что все элементы в ней находятся в виде паров. Фотосфера излучает свет со сплошным спектром, а хромосфера поглощает излучения, соответствующие спектру поглощения тех элементов, пары которых в ней присутствуют.

АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО

Каждое тело, даже светящееся, в той или иной мере поглощает свет. Наибольшей способностью поглощения обладают тела, окрашенные в черный цвет. Почти полностью поглощает свет сажа. От поверхности, покрытой сажей, отражается только сотая доля света, упавшего на нее.

Тело, которое поглощает целиком все падающие на него лучи, называется абсолютно черным телом. Скажем сразу: в природе таких тел не бывает. Однако можно создать прибор, излучательные свойства которого очень близко подходят к абсолютно черному телу. Этот прибор представляет собой полость с отверстием (рис. 8). Попав в отверстие а, луч света многократно отражается от черных стенок полости и практически полностью погло-

174

тится. Отверстие а и есть абсолютно черное тело.

Но если черное тело, в том числе и абсолютно черное, не отражает падающие на него лучи, это совсем не значит, что оно вообще не излучает никаких лучей. Происходит как раз обратное: единица поверхности абсолютно черного тела излучает энергии больше, чем такая же единица поверхности любого другого тела, нагретого до такой же температуры (рис. 9).

Чтобы понять, как излучают энергию раскаленные тела, нужно знать, как ее излучает абсолютно черное тело.

Рис. 9. Темные и светлые предметы по-разному излучают свет при различной температуре: a ) фарфоровая тарелка с темным узором при комнатной температуре, б) та же тарелка, нагретая до высокой температуры; «темные» места теперь светятся ярче «светлых». Светлые места и при комнатной температуре излучают меньше, чем темные, но зато они сильнее отражают свет других источников.

КАК ИЗМЕРИЛИ ТЕМПЕРАТУРУ СОЛНЦА

Спектр любого твердого тела, нагретого до любой температуры, можно измерить спектрометром. Этот прибор представляет собой слегка измененный спектроскоп.

В фокальной плоскости линзы L₂ установлена пластина с узкой вертикальной щелью В (рис. 2 на цвет. табл. у стр. 176). Если трубу D поворачивать вокруг вертикальной оси, то через щель В будет проходить свет только узких участков сплошного спектра. Перед щелью А коллиматора установлена лампа накаливания, а за щелью В - болометр: очень тонкая, за-

черненная металлическая полоска, которая одинаково поглощает световые лучи с любой длиной волны.

Чем больше энергии излучения поглощает болометр, тем сильнее он нагревается и тем больше становится его электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление болометра легко измерить и тем самым определить, какую энергию испускает нить лампы в различных участках спектра.

Попытаемся построить график, в котором будет отражено, как зависит энергия, излучаемая 1 см² абсолютно черного тела, от длины волны (рис. 10). В излучении абсолютно черного тела невозможно обнаружить энергию, соответствующую излучению волны со строго определенной длиной. Поэтому приходится измерять энергию излучения в каком-то узком участке спектра, например в диапазоне от l₁ до l₂. Если эту энергию разделить на ширину участка l₂ - l₁, то определится излучательная способность e_l абсолютно черного тела для волны длиной l, лежащей между волнами l₁ и l₂ .

Отложим значение e_l по оси ординат, а по оси абсцисс - длину волны l. Получим кривую с максимумом.

Рис. 10. Зависимость излучательной способности e_l абсолютно

черного тела от длины волны излучения (для разных его температур) .

175

Предположим, мы построили график зависимости (рис. 11) для тела, нагретого до 6000° К (фотосфера Солнца). Самое большое значение e_l будет при длине волны l_m =0,5 мк. В обе стороны от этой точки регистрируемая в спектрометре энергия будет убывать. Будем двигаться к красной границе солнечного спектра. Уже в области 0,7-0,75 мк красный цвет переходит в темноту. Но и в темных участках болометр будет показывать, что энергия продолжает поступать. Значит, на красной границе спектр Солнца не

Рис. 11. Распределение энергии в спектрах Солнца и абсолютно черного тела при 6000° К и 6500°К.

заканчивается, хотя излучения с длиной волны больше 0,75 мк человеческий глаз не воспринимает.

Здесь начинаются невидимые инфракрасные лучи - инфракрасная область оптического спектра. Инфракрасное излучение примерно в области 500 мк переходит в диапазон радиоволн (см. ст. «Радио»).

То же происходит и на другом конце спектра. За фиолетовыми лучами в области волн в 0,4 мк начинается невидимое ультрафиолетовое излучение, которое где-то около волн в 0,002 мк переходит в рентгеновские лучи (см. цвет. табл. у стр. 177). Спектральные области наиболее коротких ультрафиолетовых лучей и наиболее длинных рентгеновских лучей накладываются друг на друга.

Инфракрасную область света излучают спектрометром, призма которого изготовлена из кристалла каменной (поваренной) соли. Даже специальные сорта стекла (тяжелый флинт) полностью поглощают инфракрасное излучение, начиная с волн длиной в 2,7 мк. А каменная соль пропускает это излучение с длиной волны

до 13,5 мк. В инфракрасном спектрометре вместо линз поставлены вогнутые металлические зеркала, хорошо отражающие инфракрасные лучи.

Ультрафиолетовое излучение исследуют с помощью оптических деталей из кварца или флюорита. Кварц слабо поглощает это излучение до волны в 0,18 мк, а флюорит - до 0,12 мк.

Поместим перед спектрометром с призмой из каменной соли абсолютно черное тело, у которого температура внутренних стенок полости равна 100° Ц. Такое тело не светится даже в полной темноте, но болометр, установленный у выходной щели спектрометра, позволяет и в этом случае определить зависимость e_l от длины волн. Максимум излучательной способности тела, нагретого до 100°Ц, соответствует длине волны в 7,8 мк. Опыты показали: чем выше температура полости, тем короче должна быть длина волны l _m (рис. 10). Величина l _m как бы смещается с ростом температуры в сторону более коротких волн.

В результате этих опытов и некоторых теоретических соображений немецкому физику Вильгельму Вину удалось вывести формулу, которая теперь называется законом смещения Вина: l _m Т = 2897 мк °К. Если в эту формулу подставить l_m в микронах, определится величина Т - температура излучающего нагретого тела в* градусах Кельвина. С помощью спектроскопа можно измерить температуру любого тела, даже температуру Солнца или звезды.

Иначе, как с помощью спектрометра, узнать температуру Солнца невозможно. Нельзя же установить на Солнце термометр! Но, допустим, мы как-то добыли кусочек Солнца. Из какого же материала сделать термометр? Даже самый тугоплавкий металл - вольфрам плавится при 3000°К. Поэтому температуру Солнца можно определить только измерением l_m. Так же определяется температура звезд, а в земных условиях - температура сильно нагретых тел, например раскаленной плазмы (см. ст. «Сто миллионов градусов»).

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА

В конце XIX века считалось твердо установленным, что нагретое твердое тело излучает непрерывные световые волны, теоретические расчеты показывали: в этом случае излучательная способность нагретого твердого тела e_l

176

Таблица к статье "Свет"

Спектры. 1. Схема спектроскопа (на рисунке нет линзы, которая обычно ставится между источником света и щелью А, чтобы собрать на щель больше света).

2. Ход световых лучей через оптическую систему спектроскопа.

3. Сплошной спектр.

4. Световые лучи перед тем, как войти в щель A₁, проходят через пламя горелки, окрашенное парами какого-либо химического элемента.

5. Линейчатый спектр натрия.

Таблица к статье "Свет"

Физические свойства световых лучей.

1. Призма.

2. Сплошной спектр с указанием длины волн каждого цвета.

3. Инфракрасные лучи обладают тепловыми свойствами, в данном случае повышают температуру градусника.

4. Ультрафиолетовые лучи обладают химическими свойствами, в данном случае вызывают свечение люминофора.

5. Кривая видимости лучей невооруженным глазом; но оси абсцисс отложены длины волн в миллимикронах, по

оси ординат - соответствующие интенсивности лучей.

6. Эффект Доплера.

в ультрафиолетовой части его спектра должна была бы беспредельно возрастать. Это резко противоречило опыту. Не могла классическая физика объяснить, например, и такой простой факт: почему остывающая печь не светится желтым светом? К концу прошлого века ученые стали в тупик перед явлениями, связанными с изучением нагретых твердых тел. Такое положение было образно названо «ультрафиолетовой катастрофой».

Опытную зависимость e_l от длины волн и температуры удалось объяснить в 1900 г. немецкому физику Максу Планку. Для этого ему пришлось допустить, что свет излучается не как непрерывная волна, а отдельными порциями, которые он назвал квантами. Энергия кванта равна h n, где h - постоянная Планка, величина, равная 6,6210^-27 эрг/сек, a n - частота излучения. Ни одно тело не может передать другому телу энергию меньше кванта.

Гипотеза Планка положила начало квантовой механике, которая стала основой современной теоретической физики. Кстати, только очень сложная квантовая теория Планка объяснила, как излучает нагретая печь.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

Свет, поглощаясь в веществе, передает ему свою энергию в виде тепла. Но оказывает ли световой поток механическое воздействие на тела, которые он освещает?

Великий астроном Иоганн Кеплер еще в 1604 г. объяснил форму хвоста кометы влиянием светового давления. Но доказать это удалось лишь 250 лет спустя английскому физику Максвеллу. Он вычислил величину светового давления, исходя из своей теории электромагнитного поля.

Если на единицу площади тела за одну секунду падает и полностью поглощается им световая энергия Е, то световое давление q равно E/c. Когда же свет полностью отражается, то 2Е

q=2E/c.

Представим себе свет, падающий на какую-то отражающую поверхность, как поток частиц -фотонов. Фотоны ведут себя как обычные мячики: они отскакивают от этой поверхности. Говоря языком теоретической механики, вектор количества движения р фотона меняет свое направление на противоположное. Полное изменение D р этого вектора равно 2 р. Величина Ар равна давлению q на поверхность, если на единицу площади этой поверхности каждую секунду падает один фотон.

Сравним полученный результат с формулой

Максвелла. По этой формуле q = 2 E_ф / c =2р,

если на поверхность падает в секунду один фотон с энергией Е_ф . Из предыдущей формулы следует: Е_ф = рс, где р - количество движения фотона. Н o количество движения частицы равно ее массе, умноженной на скорость, а скорость фотона - это скорость света с. Значит, энергия фотона Е_ф = m фс² . Если этот вывод обобщить на любую частицу массы то, то

Е= mc² !

По формуле Максвелла можно подсчитать, что в полдень лучи Солнца действуют на 1 м² земной поверхности с силой около 0,00039 н. Но физики долгое время не могли измерить световое давление практически. Это оказалось

Рис. 12. Схема опыта П. Н. Лебедева.

слишком сложным. Многие ученые стали сомневаться в полученных Максвеллом результатах.

Впервые удалось доказать опытным путем, что световое давление существует, русскому физику П. Н. Лебедеву в 1899 г. Он подвесил в вакууме на тонкой нити пару крылышек; одно из них было черным, другое - блестящим (рис. 12). Свет почти полностью отражался от блестящего крылышка и оказывал на него давление, на черное крылышко давление было вдвое меньшим. Это соответствовало и теории Максвелла. Такое превышение давления оказалось достаточным, чтобы закручивать нить. По углу поворота крылышек можно определить силу, действующую на блестящее крылышко, а значит, и давление света.

Опыт кажется простым. Но такое впечатление обманчиво. До Лебедева попытки измерить световое давление не удавались, потому что

177

конвекция (перенос тепла движущейся средой) газов и другие физические явления оказывали помехи, в тысячи раз превышавшие световое давление. Физик Томсон так определил значение этого опыта: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавал его световое давление, и вот опыты Лебедева заставили меня сдаться». Интересное явление открыто в последние годы. У Земли обнаружился газовый шлейф, направленный в сторону от Солнца. Этот шлейф создается давлением солнечного света на газ в верхних слоях атмосферы.

В ГЛУБЬ АТОМА

Линейчатый спектр состоит из серий полосок разного цвета. Физики тщательно зарегистрировали все эти серии, составили из них каталоги и, взглянув на спектр, легко находят, какому элементу он принадлежит. Но очень долго ученые не могли найти закономерности, по которым эти серии построены.

Поставим, например, перед щелью спектрографа колбу, наполненную водородом, заставим этот газ светиться. Сделать это не так уж трудно. В колбу впаяны металлические электроды, и достаточно подвести к ним электрическое напряжение, как водород засветится голубоватым цветом. Если в плоскости В-В установить при этом фотопластинку, а потом проявить ее, обнаружится ряд линий линейчатого спектра: Н_a, Н_b, Н_g, , H_d ... Волны, соответствующие этим линиям, имеют длину 0,656; 0,486; 0,434 и 0,410 мк.

Ученые искали: существует ли зависимость между этими величинами? Существует ли зависимость в системе линий линейчатого спектра любого другого химического элемента?

Швейцарский учитель Бальмер был убежден, что во всем в природе царит порядок и гармония. Поэтому он считал, что спектральные линии не могут располагаться хаотично. После долголетних поисков он в 1885 г. эмпирически нашел связь между спектральными линиями. Он вывел формулу для линий водорода. А пять лет спустя немецкий физик Иоганн Ридберг придал этой формуле современный вид:

1/ l = R (1/2² -1/m²).

Величина R была потом названа постоянной Ридберга. R =109 677,581 см ^-1. Чтобы получить длину волны какой-нибудь из линий спектра, например Н_a, Н_b, Н_g или H_d, в формулу Бальмера нужно подставить одно из значений т:

3, 4, 5 или 6. Формула эта дает очень точные результаты. Разница между вычисленными и измеренными длинами волн обнаруживается лишь в сотых долях ангстрема.

И лишь через 28 лет после того, как Бальмер «угадал» закономерность расположения линий в спектре водорода, датчанин Нильс Бор дал этой закономерности физическое объяснение.

Атом водорода состоит из электрически положительно заряженного ядра - протона и движущегося вокруг него отрицательно заряженного электрона. Чем ближе орбита электрона к ядру, тем меньше у атома запас энергии, потому что чем дальше друг от друга два электрических заряда разных знаков, тем больший у них запас энергии.

Излучив свет, атом из состояния с большей энергией переходит в состояние с меньшей энергией. При поглощении света происходит обратное. По гипотезе Планка, свет излучается квантами. Значит, электрон в атоме может переходить с орбиты на орбиту только скачком.

Нильс Бор предположил, что в атоме водорода существует набор «разрешенных» орбит. Электрон в атоме может двигаться только по этим орбитам. Каждой из орбит соответствует определенная энергия атома водорода, например орбите 3 - энергия Е₃ . Значения Е_n называются уровнями энергии атома. На рисунке 13 показана схема разрешенных орбит водорода. Если электрон переходит с орбиты 3 на орбиту 2, то атом излучает энергию e, которая равна энергии кванта света:

e =Е₃ - E₂ = h n .

Здесь h - постоянная Планка, a n - частота излучения. Физики называют такой процесс излучения переходом атома с энергетического уровня Е₃ на энергетический уровень E₂. Из этого уравнения можно определить частоту колебаний излучаемой световой волны.

Испускает свет или поглощает его атом, электрон при этом переходит с одной разрешен-

178

ной орбиты на другую, иначе говоря, атом переходит с одного энергетического уровня на другой.

Сравнивая уравнения отдельных переходов Е_m -Е_n = h n с опытными данными, удалось определить энергетические уровни водородного атома. Уровень Ё₁ соответствует наименьшему запасу энергии в атоме и называется основным уровнем. В схему энергетических уровней водородного атома (см. рис. 13) вошли и серии линий, открытые после исследований Бальмера.

Теория Бора - следующий за гипотезой Планка шаг в развитии квантовой механики. Она позволила с большой точностью вычислить постоянную Ридберга. Бор объяснил процессы, происходящие в атоме водорода при излучении. Но объяснить с такой же полнотой излучение более сложных атомов теория Бора не смогла. Это удалось сделать только в 20-х годах, когда квантовая теория была уже достаточно разработана.

Сложные атомы, излучая кванты света, так же как и водородный атом, переходят с одного энергетического уровня на другой. И это, конечно, отражается в их спектрах.

Возьмем, например, атом натрия. В его спектре две близко друг к другу расположенные желтые линии. Схема энергетических уровней натрия показана на рисунке 14. Атом натрия может поглотить не только энергию E₂ - Е₁, но и Е₃ - Е₁. Следовательно, пары натрия могут поглощать излучения с частотой

n₁ =(E₂ -E₁ )h и n₂ =(E₃ -E₁ )/h .

Когда энергия атома натрия соответствует уровням Е₂ или Е₃, он стремится перейти на основной уровень Е₁, при этом излучает свет соответственно с частотой колебаний n₁ либо n₂. Атом не может ни поглощать, ни излучать свет с другой частотой. Например, в спектре излучения натрия две яркие желтые линии: D₁ ( l =0,5896 мк) и D₂ ( l =0,5890 мк); именно на месте этих ярких линий появляются в сплошном спектре темные линии (рис. 5 на цвет. табл. у стр. 176), когда свет лампы накаливания проходит через пламя, подкрашенное солями натрия.

Рис. 13. Энергетические уровни в атоме. Левая часть рисунка - схема всех разрешенных орбит в атоме водорода; при переходе электрона с более удаленной на более близкую к ядру орбиту испускается квант света; переход электрона с орбиты на орбиту означает переход атома с одного энергетического уровня на другой. На правой части рисунка показан переход атома с энергетического уровня E₅, на уровень Е₃, переход атома с уровня Е₄ на Е₂ и переход атома с уровня E₄ на Е₃ ; каждый переход электрона с одной орбиты на другую орбиту соответствует определенной линии в спектре водорода.

МОГ ЛИ СЖЕЧЬ КОРАБЛИ АРХИМЕД?

Многие тысячи лет назад люди мечтали передавать энергию света на большие расстояния. Из глубины веков дошла до нас легенда о том, как Архимед с помощью зеркал сжег вражеский флот, стоящий на якорях около города Сиракузы. Идею «луча смерти» использовали и современные писатели. В романе Герберта Уэллса

179

линкоры боровшихся сними англичан. В романе А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» так же уничтожается вражеский флот.

Но передача световой энергии на расстояние гораздо важнее для человечества в мирной жизни. Светом можно было бы резать алмазы и тугоплавкие металлы. В определенных условиях могут оказаться незаменимыми оптический телефон, оптический локатор, оптический микрофон.

В большинстве приборов оптической связи важно создать наибольшую освещенность на возможно большем расстоянии. Освещенность поверхности - это поток лучистой энергии, падающий за секунду на единицу площади освещаемой поверхности. Получить большую освещенность на очень далеком предмете - это значит создать на нем высокую концентрацию энергии. Для этого необходим источник света высокой яркости.

Понятие яркости самое сложное и самое важное в фотометрии. Рассмотрим две плоские площадки S₁ и S₂, расположенные перпендикулярно оси О-О (рис. 15). За площадкой S₁ поместим

светящийся плоский источник Q. Световые лучи проходят одновременно через площадки S₁ и S₂. Объем однородной среды, заполненный световой энергией, ограничен линейчатой поверхностью, т. е. поверхностью, образованной движением прямой линии и этими площадками. Расстояние между S₁ и S₂ равно l. Поток лучистой энергии, проходящий от площадки S₁ к площадке S₂, пропорционален произведению площадей обеих площадок и обратно пропорционален квадрату расстояния l. В самом деле, если S₂ удалить от S₁ на расстояние в k раз большее, чем l, то от площадки S₁ на площадку S₂ будет падать поток энергии в k² меньший. Таким образом, поток

энергии Ф равен ( S₁ S₂) В/ l² . В этой формуле В - яркость светового пучка там, где находится площадка S ₁ . Только так можно определить яркость неба, светящегося газа, луча, идущего от лазера, и других источников света, у которых нет определенной светящейся поверхности.

Освещенность Е, создаваемая любой оптической системой на большом от нее расстоянии l,

определяется формулой Е= kBS/l² . В этой формуле S - площадь линз (или зеркал) оптической системы, k - коэффициент, показывающий, какую часть лучистой энергии пропускает она. В формуле этой содержится глубокий физический смысл: освещенность на большом расстоянии определяется размером оптической системы и яркостью источника света, причем размеры

источника не играют никакой роли. Величина S / l²

не может быть большой, иначе размеры линзы были бы сравнимы с расстоянием, т. е. зеркала или линзы должны были бы быть чрезвычайно громоздкими.

Подсчитаем, например, какова должна быть яркость источника света, чтобы с помощью оптической системы площадью 1 м² создать освещенность Е в 100 раз большую, чем освещенность Земли Солнцем в полдень. Расстояние от источника света - 10 км, S =1 м². Солнечная постоянная - 0,14 вт/см² . Следовательно: Е =14 вт/см² .

В= El² /S =1,410⁹ вт/см² .

Еще совсем недавно казалось немыслимым получить такую яркость: ведь она примерно в 100 000 раз больше, чем энергетическая яркость Солнца. Поэтому считалось принципиально невозможным создать прибор, который мог бы передавать концентрированный световой пучок на очень большое расстояние.

ЛАЗЕР

В 1960 г. появился необычайный источник света - квантовый световой генератор. Он

может испускать лучи в миллиарды раз ярче солнечных. Назван он лазером. Это слово составлено из первых букв английского названия генератора: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает - усиление света с помощью вынужденного излучения.

180

Длина волны света, генерируемого в лазерах различного типа, лежит между 0,25 мк и несколькими микронами.

Сначала были созданы лазеры, в которых основной деталью - излучающим телом - был искусственный рубин, размерами и формой напоминающий обычный карандаш. Рубин - это прозрачный, розоватый кристалл А l₂ O₃ с примесью Cr₂ O₃. Чтобы понять, почему рубин может быть излучающим телом, надо разобраться в энергетических уровнях его атомов.

На рисунке 16 показана схема энергетических уровней иона хрома Cr⁺⁺⁺ в розовом рубине. Наименьшей энергии иона хрома соответствует уровень 1, т. е. уровень его основного состояния. Возбужденным состояниям иона соответствуют уровень 2 и полоса 3, в которой много энергетических уровней. Облучая кристалл белым светом, можно перевести ионы хрома из основного состояния на один из уровней полосы 3. Из всей энергии белого света полезно используется в рубине спектральный участок, соответствующий переходам от верхнего до нижнего края полосы 3. Если бы ширина полосы 3 была незначительна, даже мощному источнику света не удалось бы перевести большое число ионов хрома в состояние 3.

Из этого состояния ионы хрома в подавляющем большинстве возвращаются в основное состояние через промежуточный уровень 2. На уровень 2 они переходят с полосы 3, отдавая кристаллической решетке рубина часть энергии Е₃ - E₂. Если в состоянии 2 ионы хрома задержатся на какое-то заметное время, то достаточно мощным облучением рубина можно добиться, что на энергетическом уровне 2 будет больше ионов хрома, чем в основном состоянии 1.

Из энергетического состояния 2 атомы хрома переходят в основное состояние 1, излучая поток ярко-красного света с длиной волны в

0,6943 мк. Частота этого излучения равна ( E₂ -E₁)/h. Пользуясь формулой n = c/ n и обозначая E₂ - Е₁

как E₂₁, мы получим l = hc/E₂₁ .

Это излучение, образующееся в процессе перехода ионов хрома с уровня 2 на уровень 1, окрашивает рубин в характерный для него красный, рубиновый цвет. Такое свечение называется люминесценцией. Оно распространяется по всевозможным направлениям, и его еще нельзя назвать лазерным излучением. Чтобы рубиновый стержень мог работать как лазер, его торцы А и Б должны быть параллельными с очень высокой точностью.

Рис. 16. Фотоны, испускаемые источником белого света с энергией от h n₁ = D E₃ до h n₂ = D Е₃ + D Е_n забрасывают ионы хрома на полосу 3. С полосы 3 ион хрома переходит на уровень 2, не испуская свет. Не нужно думать, что ион хрома при этом движется: он находится все время на одном и том же месте в кристаллической решетке рубина. Изменяется только его энергия. С уровня E₂ ионы переходят на уровень E₁ самопроизвольно или под воздействием пролетающего рядом фотона. В результате этого перехода излучается фотон h n = E₂ - Е₁.

Современная техника в состоянии обработать кристалл с такой точностью. Торцы А и Б тщательно отполированы и посеребрены. На торце Б толстый слой серебра, он полностью отражает падающий на него свет. На другой торец нанесен тонкий слой серебра, и, так как в очень тонком слое металлы прозрачны, этот торец пропускает некоторую долю падающего на него света.

Рубиновый стержень окружен спиралеобразной импульсной лампой В (рис. 17). Эта лампа освещает рубиновый стержень мощным све-

Рис. 17. Рубиновый лазер.

181

Рис. 18. Процесс вынужденного излучения у иона хрома: А - на уровне 2 накопилось много ионов хрома; Б - первый справа ион хрома сам перешел на уровень 1, испустив при этом фотон; В - пролетая мимо другого нона хрома, фотон a «увлекает» за собой фотон b ; Г - второй ион хрома оказался на уровне 1.

товым потоком. Ионы хрома поглощают световую энергию и переходят на уровни полосы 3, а затем - на уровень 2 (рис. 18). На этом энергетическом уровне накопляется все больше и больше ионов хрома. Сами по себе они сравнительно медленно переходят с уровня 2 на уровень 1. Но фотоны (кванты) с энергией Е₂₁ вынуждают эти ионы совершить такой переход. При этом излучается фотон так же направленный и с той же частотой, что и фотон, вызвавший переход. Поэтому, когда на энергетическом уровне 2 находится значительно больше ионов хрома, чем на уровне 1, возникают каскады фотонов (рис. 19). Фотон, самопроизвольно перешедший с уровня 2 на уровень 1, увлекает другие фотоны; те, в свою очередь, также увлекают за собой фотоны - каскад нарастает лавинообразно.

Рис. 19. Фотоны, выходящие через торец Л, на рисунке не показаны. Возбуждение каскада фотонов в лазере.

Направление его может быть самым разным. Все каскады быстро покинут кристалл, кроме того каскада, в котором фотоны движутся параллельно к оси стержня. Эти фотоны будут, не переставая, многократно отражаться от зеркальных торцов: то от торца А, то от торца В. Чем точнее выдержана параллельность этих торцов, тем больше отражений совершат фотоны, тем больше света выйдет через торец Б.

Двигаясь вдоль оси С-С, пучок фотонов вынуждает все новые переходы в ионах хрома. Его мощность непрерывно нарастает. Часть света, вышедшая через торец Б, дает световой пучок с очень малой расходимостью и с громадной яркостью. Свет этого пучка практически монохроматичен; ширина его спектральной линии не превышает 0,1 А.

Мы описали самую простую конструкцию лазера. В исследовательских лабораториях всего мира создаются новые типы квантовых генераторов света. Уже сконструированы полупроводниковые лазеры, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую.

Пучок лазера в 100 млн. раз ярче пучка солнечного света. Это значит, что с его помощью можно создавать невиданную концентрацию энергии и передавать ее на очень дальнее расстояние. Лазеры можно применить для связи в космосе. Оценки ученых позволяют заключить, что на космических расстояниях выгоднее осуществлять связь с помощью лазеров, а не радиоволн.

182

ПОЮЩИЕ ЭЛЕКТРОНЫ

Когда я впервые заглянул в ядерный реактор «плавающего типа», т. е. в реактор, в котором урановые стержни погружены в воду, мое внимание привлекло яркое голубоватое свечение, окружавшее стержни. «Смотри, это черенковское излучение»,- сказал мне товарищ. Это излучение было открыто задолго до пуска первого реактора, в 1934 г. в Ленинграде, советским физиком Павлом Алексеевичем Черенковым.

Атомы разреженных газов и нагретых твердых тел, поглощая какую-либо энергию, например световую, могут переходить в возбужденное состояние и отдавать эту энергию в виде светового излучения. Если от момента поглощения этой энергии атомом до его высвечивания проходит какое-то определенное время, то излучение называется люминесценцией.

Изучая люминесценцию солей урана под действием g -лучей радия, Черенков обратил внимание, что так же, хотя и значительно слабее, светится вода, в которой этих солей нет. Сначала он предположил, что свечение происходит за счет находящихся в жидкости примесей. Но контрольные опыты не подтвердили это предположение: под действием g -лучей одинаково светились любые чистые жидкости. Кроме того, люминесценцию обычно можно «потушить», добавляя в жидкость некоторые соединения, например йодистый калий или азотнокислое серебро. Но излучение, открытое Черенковым, «потушить» не удавалось. Следовательно, это было совсем не люминесценцией. И надо было установить: какова же природа этого излучения?

Гамма-лучи - такие же электромагнитные колебания, как и свет. Только энергия g -кванта, например, испускаемого радием, превосходит энергию кванта зеленого света в сотни тысяч раз.

Световой скальпель. На этих замечательных фотографиях, полученных во французском национальном центре переливания крови в Париже, видны красные кровяные тельца, которые ученые изучают с помощью светового луча лазера. Справа показана аппаратура, которой они пользуются: телевизионная установка, работающая без выхода в эфир, рубиновый лазер и мощный микроскоп. Снимок внизу иллюстрирует изумительную точность, которой добиваются ученые с помощью когерентного светового луча; хирург может воспользоваться таким лучом как микроскальпелем. 1 - Телевизионная камера передает на экран изображения красных кровяных телец, помещенных под микроскоп. Лучом обычного света «нацеливаются» на одно из кровяных телец. 2 - Вспышка света от лазера длительностью около одной тысячной секунды попадает затем в красное кровяное тельце. 3 - При попадании луча лазера тельце меняет цвет и начинает растворяться. Темное пятно в месте проникновения луча образовано, по-видимому, свернувшимся гемоглобином.

183

Установка П. А. Черенкова для измерения яркости свечения жидкостей: а) сосуд с жидкостью, б) зеркало, в) паз для оптического клина, г) линза, дающая изображение входной диафрагмы на сетчатку глаза, д) свет, е) g -лучи. Луч света ослабляется специальным устройством (оптическим клином), пока глаз исследователя не перестанет его ощущать. По степени ослабления света, необходимой для этого, определяется яркость луча. Опыт проводился в полной темноте.

Рис. 20. Магнитное поле, проходя через жидкость, как показано на рисунке, отклоняет электроны, движущиеся по направлению АВ, вниз. Свет в основном распространяется вдоль траектории электронов. В глаз наблюдателя попадает минимальное количество света. Если изменить направление магнитного поля, яркость свечения, видимого наблюдателем, возрастет, потому что электроны при этом отклоняются вверх.

Проходя через вещество, g -кванты передают его электронам часть своей энергии, и электроны начинают двигаться с большой скоростью. Может быть, таким движением электронов и создается свечение жидкости?

Можно изменить направление движения электронов, например, с помощью магнитного поля. Дальнейшие опыты Черенкова показали, что свечение сильно зависит от направления магнитного поля, пронизывающего исследуемую жидкость (рис. 20). Значит, свечение вызвано электронами. Акад. С. И. Вавилов, руководивший работами Черенкова, предложил объяснить свечение облучаемой жидкости торможением электрического заряда в веществе. Уменьшение скорости заряда изменяет его электромагнитное поле, а изменение поля всегда сопровождается излучением.

Но это предположение не подтвердилось. Расчеты давали величину яркости в сотни раз меньшую, чем опыты. Кроме того, тормозное излучение сильно зависит от атомного номера жидкости, в которой тормозится электрон, а опыты показали, что яркость излучения, открытого Черенковым, не зависит от этого атомного номера. Так ученые убедились, что это свечение - новый, еще неизвестный вид излучения света.

Полет равномерно движущейся пули сопровождается свистом. Пуля «поет», когда летит в воздухе быстрее скорости звука, т. е. со скоростью большей, чем 330 м/сек. Если скорость пули меньше 330 м/сек, она летит бесшумно (см. статьи «Крылатый полет» и «Звук»).

Обозначим скорость пули и скорость звука буквами v и u . Каждая точка траектории пули - источник гармонических колебаний, распространяющихся со скоростью u. Из точки А в точку С (рис. 21) звуковые колебания дойдут

за время l/u , а из точки В - за время l₂ / u. Но в

точке B они возникли позднее на время l₁ / v.

Таким образом, колебания, пришедшие из точки В, отстанут от колебаний, пришедших из точки А, на время т:

Если v меньше u , то колебания, складываясь, погасятся и пуля «петь» не будет. Если же v больше u, то фронт звуковой волны будет распространяться под углом q к направлению полета пули. Этот угол определится из условия:

Все это справедливо не только для звуковых волн, но для любых других, в том числе и для

184

электромагнитных волн. Когда в веществе движется с постоянной скоростью электрон, то в каждой точке его траектории возникают электромагнитные волны. Если скорость электрона меньше, чем скорость распространения электромагнитных колебаний, то волны в результате интерференции погасятся, так же как и при полете пули в воздухе. Чтобы электроны «пели», т. е. чтобы за счет их движения в веществе генерировался свет, нужно, чтобы скорость их была больше скорости света.

Но ведь скорость света - предел, через который не может перейти никакая движущаяся частица. Да, это так. Но это справедливо только в пустоте. В веществе скорость света равна

c/n - показатель преломления, с - скорость

света в вакууме). Поэтому электрон, получив от g -кванта радия достаточную энергию, может

двигаться со скоростью большей, чем c/n .

Гамма-лучи радия разгоняют электрон до 250 000 км/сек. Показатель преломления у воды

1,333, следовательно, c/n =225000 км/сек.

Получается, что электрон может двигаться в веществе быстрее, чем распространяется в том же веществе свет.

Так в 1937 г. объяснили свечение Черенкова советские физики И. Е. Тамм и И. М. Франк. Опыты подтвердили все их теоретические выводы. Эта теория помогла выяснить и высчитать многие характеристики излучения: угол излучения электрона к траектории его полета, интенсивность излучения, зависимость излучения от скорости электрона, его спектральный состав.

В наше время эффект Вавилова - Черенкова открыл новые пути в исследованиях процессов, протекающих под действием ядерных частиц с высокой энергией; на его основе созданы, например, регистраторы таких частиц. Физики во всем мире изучают в лабораториях это удивительное излучение.

КАК ИЗМЕРИЛИ ДЛИНУ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

Задолго до того, как было установлено, что свет - это электромагнитные колебания, ученые знали, что свет обладает волновыми свойствами. Но что именно колеблется в световой волне, стало ясным только после того, как появилась теория Максвелла. Однако физикам уда-

лось создать, по аналогии с волнами механическими и звуковыми, стройную теорию, которая позволила не только изучать волновые свойства света, но и измерить длину световой волны.

Волновое движение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Сложение волн называется интерференцией.

Осветим лампой накаливания экран YX (рис. 22) через две очень узкие параллельные щели, которые расположены друг от друга на расстоянии 0,05 мм. На экране свет распределится равномерно. Освещенность экрана будет просто суммой освещенностей, даваемых каждой щелью в отдельности.

Если же через эти щели будет идти свет лазера (рис. 23), то на экране появятся светлые и темные полосы. Получится так называемая интерференционная картина - результат сложения гармонических колебаний. Освещенность в любой точке экрана уже не будет суммой освещенностей.

185

Понять это явление можно с помощью несложных математических расчетов (см. рис. 22). Всякое гармоническое колебание с длиной волны l и периодом колебания Т, которое распространяется от щели S₁ к М, можно записать в виде формулы:

Следовательно, световая волна, приходящая от щели S₂ в точку М₁, это:

Складываясь в точке М₁, колебания s₁ и s₂ дадут результирующее колебание:

Амплитуда колебания А будет равна

Освещенность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний. В точке М она равна

Наибольшие значения освещенности будут, когда

Определив положение, например, третьего максимума, когда т - 2, и вычислив величину d₂ -d₁ мы можем найти по этой формуле длину волны света, излучаемого лазером.

Почему же два даже очень малых накаленных тела не дают интерференционную картину? Это объясняется тем, что излучаемые такими делами электромагнитные волны никак нельзя представить в виде синусоидальной (гармонической) волны. Свет излучается атомами таких источников хаотически, или, как говорят, с переменной фазой, и интенсивности отдельных излучений просто складываются. Поэтому на экране и нет интерференционной картины. Квантовый же генератор дает колебания гармонические с постоянной разностью фаз. Такие колебания называются когерентными.

Но интерференция была изучена задолго до появления лазеров с помощью обычных источников света. Для этого французский физик Френель соорудил изящные оптические системы: зеркало и бипризму Френеля. В его опытах использовались два изображения одного и того же источника света.

Интерференционные методы исследования позволяют измерять длину волны с необычайной точностью. Интерферометр - специальный прибор, сконструированный на основании законов о сложении световых колебаний,- позволил определить длину волны оранжевой линии криптона-86 до восьмого знака, т. е. до одной десятимиллионной доли микрона. Длина эта равна 0,60578021 мк. Она принята в 1960 г. на международной XI Генеральной конференции по мерам и весам за эталон длины (см. ст. «Всему миру одну меру»).

СВЕТ ОГИБАЕТ ПРЕДМЕТЫ

В 1818 г. в Париже на одном из заседаний французской Академии наук рассматривался мемуар (так назывались доклады ученых, представляемые в академию) Френеля. В докладе Френеля была изложена теория, которая объясняла прямолинейное распространение света, исходя из предположения, что свет - это волны. Известный ученый Пуассон, присутствовавший на заседании, сразу же указал на ошибочность рассуждений Френеля. Ведь из них следовало, что если перед очень небольшим источником света поставить непрозрачный экран с весьма ровными краями, то в центре тени от экрана, в точке Б, появится светлое пятно. Это, по мнению Пуассона, противоречило здравому смыслу. Тотчас же перед членами Академии был поставлен опыт (рис. 24). К удивлению ученых, в центре теневого круга появилось светлое пятнышко.

Проследим за рассуждениями Френеля (см. рис. 25). В точке А, центре сферы, находится точечный источник света. Световые волны от него дойдут одновременно до каждой точки поверхности сферы S . Действие источника А можно заменить действием воображаемых источников света, на-

Рис. 24.

186

ходящихся на поверхности сферы S , от которых в точку В распространяются световые волны. В точке В эти волны складываются по законам интерференции волн.

Френель значительно упростил вычисления, разбив поверхность S на кольцевые зоны так, что расстояния от внутренней и внешней

границ в каждой зоне до точки В отличались на половину длины световой волны, т. е.

М₁ В-М₀ В = М₂ B - М₁ В = ... = l /2.

При таком разделении у всех зон будет одинаковая площадь, равная p ab l /(a+b). Световые колебания, идущие от двух соседних зон, отстают друг от друга на половину длины волны. Если колебания гармонические и выходят от сферы S в одинаковой фазе, то волны второй и третьей зон ослабляют друг друга в точке В.

Для удобства доказательства мы допустили, что свет идет со сферы S в точку В. Чем дальше зона на сфере S от точки В, тем меньше световая волна. Значение S₀ больше, чем S₁ ; B₁ больше, чем S₂, и т. д. Складываясь в точке B, колебания зон дадут суммарную амплитуду колебаний: S=S₀ - S₁ +S₂ -S₃ +... + S_n = S₀ - ( S₁ - S₂) - ( S₃ -S₄)... Величины (S₁ - S₂), ( S₃ -S₄)... малы и быстро убывают по мере того, как возрастает номер зоны. Действие световой волны источника Л в точке В сводится практически к действию центральной зоны.

Длина волны зеленого света 0,5 мк. Если а = b =20 см, то площадь действующей части волны равна:

p ab l / ( a + b)= 0,16 мм² .

Следовательно, свет от А к В распространяется вдоль узкого канала с осью АВ. Иными словами, луч света распространяется прямолинейно.

Как же объяснить опыт, показанный Френелем на заседании Академии наук? Казалось бы, непрозрачный экран должен был закрыть центральную зону, и свет от источника А не может попасть в точку В. Так предполагал и Пуассон. На самом же деле освещенность в точке В создается и за экраном первой открытой зоной. Если экран невелик, действие этой зоны не отличается от действия центральной зоны. Освещенность за экраном в точке В останется такой же, как если бы его и не было. Огибание светом непрозрачных тел, встречающихся на его пути, называется дифракцией.

ЗВЕЗДА-ГИГАНТ

Одна из самых крупных звезд в созвездии Ориона - Бетельгейзе. Ее диаметр -390 млн.км, т. е. больше, чем диаметр орбиты, по которой Земля движется вокруг Солнца. Солнце по сравнению с этой звездой - карлик: его диаметр в 278 раз меньше, чем диаметр Бетельгейзе. Но долгое время астрономы знали только, что Бетельгейзе - звезда первой величины. Измерить ее они не могли, так как никакие телескопы не позволяли определить угол, под которым видна эта звезда с Земли. (Угол этот называется угловым диаметром звезды.)

Измерить диаметр Бетельгейзе удалось только в 1920 г. Американские ученые физик А. Майкельсон и астроном Ф. Пиз применили для этого интерферометр - прибор, принцип действия которого основан на законах интерференции световых волн.

Чтобы понять действие интерферометра, проследим, как распространяется параллельный пучок света, пройдя через узкую щель. Разобьем щель на ряд параллельных полосок равной площади. Фазы волн, проходящих через эти полоски, одинаковы, так как лучи параллельного пучка доходят до щели одновременно. Амплитуды волн также одинаковы, потому что площади полосок равны. Линза, установленная за щелью, сводит параллельные лучи в фокальной плоскости ММ в одну точку. В этой плоскости установлен экран (рис. 26).

Все лучи в точку В₀ приходят в одной фазе, когда j =0. Если угол j не равен нулю, то волны от разных участков щели придут в точку B_j с разными фазами и могут ослабить друг друга. Так, если угол j удовлетворяет условию b sin j = l, то в точке B_j свет будет ослаблен.

То же самое произойдет, когда sin j равен l /b, 2 l /b, 3 l /b ...

187

В точках экрана, соответствующих этим углам, будут темные полосы. А между темными полосами лягут светлые полосы - максимумы света. Амплитуда волны достигает максимума в фокальной плоскости при углах

Величина этих максимумов различна и быстро убывает с увеличением угла j. Физики называют сочетание темных и светлых полос на экране, установленном в фокальной плоскости линзы, дифракционной картиной.

Поставим перед источником света экран с двумя щелями - АВ и А₁ В₁. Если эти щели попеременно закрывать, дифракционная картина не будет меняться, потому что расположение

Рис. 27. Распределение интенсивности света при дифракции на двух параллельных щелях шириной b , расположенных на расстоянии d друг от друга. Пунктирная кривая - освещение

щелей иекогерентное, сплошная кривая - когерентное.

максимумов определяется только направлением пучков света.

Если мы откроем одновременно обе щели, то в фокальной плоскости на экране дифракционные картины совместятся. Но это не будет простым наложением одной дифракционной картины на другую (рис. 27). В новой дифракционной картине скажется взаимодействие волн, идущих от обеих щелей.

Принцип действия интерферометра заключается в измерении деталей дифракционной картины при падении света через две щели, расстояние D между которыми можно изменять. Чтобы измерить, например, угловое расстояние между двумя близкими друг к другу звездами, перед объективом телескопа ставят экран с двумя щелями. Свет от одной звезды падает на щели параллельно главной оптической оси

Почему ночью темно?

Этот простой вопрос далеко не так прост. Он волновал астрономов свыше ста лет. В бесконечной Вселенной звезд бесконечно много. Каждая звезда - солнце. Не имеет значения, что звезды далеки от нас. От бесконечного множества солнц свет должен слиться в ослепительном испепеляющем сиянии всего небесного свода. А между тем ночью темно! Почему? Попытка объяснить ночь тем, что свет от далеких звезд по дороге к нам поглощается межзвездной непрозрачной пылью, не оправдалась. Пыли в космосе немного, скопления ее редки и не могут заслонить от нас световые потоки, идущие из бесконечных глубин Вселенной.

Астрономы обнаружили удивительное явление. Его объяснения еще вызывают споры, но твердо доказано, что оно существует. Оказывается, чем дальше находится от нас звезда, тем быстрее она от нас удаляется и тем сильнее все линии в спектре се излучения сдвинуты в сторону длинных волн. Этот замечательный эффект назван «красным смещением» .

Открытие «красного смещения» прояснило загадку ночи. Свет далеких звезд смещается в невидимую глазом область спектра, и такие звезды перестают быть видимыми. Мало того, должен существовать такой предел во Вселенной, который пока ограничивает для нас возможность наблюдать звезды. Можно рассчитать, что

с расстояний, превышающих 10 млрд. световых лет, свет до нас вообще дойти не может. На таком расстоянии «красное смещение» должно быть так велико, что частоты световых колебаний воспринимаемого нами излучения стремятся к нулю. Вот почему, оказывается, ночью темно.

188

телескопа, свет от другой звезды падает под углом q к этой оси (рис. 28). Так как положение дифракционных картин в фокальной плоскости определяется только направлением падающего на щель света, то в данном случае дифракционные картины будут сдвинуты относительно друг друга на угол q. Центральная полоса К₀ и ближняя к ней полоса К₁ дифракционной картины, например, первой звезды сдвинуты

друг от друга на угол j = l /D. Если расстояние

между щелями изменять, то когда угол j будет равен 2 q, максимумы дифракционной картины первой звезды совпадут с максимумами от второй. Освещенность на экране в фокальной плоскости распределится почти равномерно. Угол j легко определить, проанализировав дифракционную картину от одной щели. Таким образом, дифракционные полосы «смываются» в тот момент, когда q = l /D. Измерение угла q сводится к определению величины D, когда пропадают дифракционные полосы.

Так же определяется и угловой диаметр одиночной звезды. Ведь края звезды можно рассматривать как два источника света, которые находятся на угловом расстоянии q .

Расстояние R от звезды до Земли измеряется гораздо проще (см. в т. 2 ДЭ ст. «Как измеряют расстояния до небесных светил»). Умножив эту величину на угол q, выраженный в радианах, найдем линейный диаметр звезды - R q .

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

Перед источником света могут быть не только две, но и большее количество щелей. Система близко расположенных щелей называется дифракционной решеткой (рис. 29).

Рис. 29. Щели дифракционной решетки, d - ее период.

Такая решетка может представлять собой стеклянную плоскую пластинку, на которую нанесено большое количество штрихов. Применяются, например, решетки, у которых на 1 мм приходится более тысячи штрихов.

Положение мест, где свет, рассеянный решеткой, собирается в светлые полосы - максимумы, определяется формулой d sin j = m l и зависит от длины волны. Чем меньше d, тем на больший угол j отклонятся друг от друга лучи с различной длиной волны. Если m = 0, то угол j для любой длины волны равен 0. В этом направлении получится белая полоса. Когда m= 1, на экране появится спектр первого порядка - цветные полосы.

Решетки с малым периодом d позволяют измерить длину волны с точностью до шестого десятичного знака.

Первую дифракционную решетку построил Фраунгофер. Именно с ее помощью были открыты темные линии в спектре Солнца - линии Фраунгофера.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

Быстро мчится автомобиль к перекрестку дорог. На светофоре горит красный сигнал, но машина, не останавливаясь, проскочила перекресток. Постовой задерживает водителя:

- В чем дело? Почему вы поехали на красный свет?

- Машина шла очень быстро... из-за этого красный свет показался мне зеленым.

Такой шуткой может, конечно, ответить только физик.

В самом деле, если двигаться навстречу

189

волне, то ее частота будет возрастать, а если удаляться, то убывать (рис. 6 на цвет. табл. у стр. 177). Это справедливо для всех волновых явлений, в том числе для света и звука (см. ст. «Звук»).

Когда наблюдатель движется по направлению к источнику света со скоростью v, частота световой волны n, которую он будет воспринимать, определяется формулой:

где с - скорость света, a n₀ - частота световой волны, воспринимаемая наблюдателем, когда источник света неподвижен. С какой же скоростью должен был двигаться автомобиль, чтобы красный сигнал светофора показался водителю зеленым?

Длина волны зеленого света - 0,5 мк, а красного - 0,7 мк. Определив соответствующие частоты из зависимости n = c/ l, вычислим автомобиль должен был двигаться со скоростью 97 000 км/сек. Изменение длины волн при движении наблюдателя к источнику волны или от него называется эффектом Доплера (по имени открывшего это явление австрийского физика X. Доплера). Эффект Доплера часто затрудняет спектральные измерения.

Современные приборы позволяют разделять спектральные линии, у которых длина волны света различается на 0,002 А. Но в пламени горелки атомы движутся по самым разным направлениям, и скорость их движения около 1000 м/сек. Длина волны у атома, двигающегося к фокальной плоскости линзы L₂ в спектроскопе, будет на 0,03 А короче, чем у атома, двигающегося в противоположном направлении.

Такая разница не давала исследователям возможность определить подлинную структуру спектральных линий. Вот, например, желтая спектральная линия натрия. Однородна ли она или состоит из нескольких линий? Из-за эффекта Доплера линии расширяются и за счет этого сливаются. Исследования А. Н. Теренина и Л. Н. Добрецова подтвердили такое предположение. Они установили коллиматор спектроскопа перпендикулярно светящемуся пучку атомов натрия. Ведь изменение частоты излучения атомного пучка пропорционально составляющей скорости атома, направленной на наблюдателя или от него. Когда же наблюдатель видит пучок сбоку, эта составляющая равна нулю.

Опыты Теренина и Добрецова установили, что обе линии натрия D₁ (0,5896 мк) и D₂ (0,5890 мк) оказались двойными. Так была открыта сверхтонкая структура спектральных линий. Уже после этого открытия было определено, что такая сверхтонкая структура вызвана взаимодействием электронной оболочки атома и его ядра.

ВЕСТИ ИЗ МЕЖЗВЕЗДНОГО ПРОСТРАНСТВА

Вернемся к простейшему атому - к атому водорода. Когда электрон движется по ближайшей к ядру орбите, атом водорода находится в его основном состоянии - у него минимальный запас энергии. Но у ядра и электрона, кроме взаимодействия, происходящего за счет их зарядов, существует еще взаимодействие, обусловленное, в конечном счете, их собственным вращением (рис. 30). Когда и электрон и ядро вращаются каждый вокруг своей оси, в одинаковом направлении (например, по часовой стрелке), связь их между собой больше, чем если они вращаются в разные стороны. Это значит, что при «согласном» вращении запас энергии в атоме меньше, чем при вращении в «несогласном» направлении. Если электрон и ядро вращаются в «несогласном» направлении, то у атома есть запас энергии, который он может израсходовать и перейти в состояние, когда ядро и электрон будут вращаться в одном направлении. Такой переход может произойти либо при столкновении атомов, когда избыток энергии будет передан другому атому, либо атом водорода сам испустит квант электромагнитного излучения с длиной волны в 21 см.

Рис. 30. При переходе из одного состояния (вращение протона и электрона в разные стороны) в другое состояние (вращение протона и электрона в одну и ту же сторону) атом водорода испускает квант энергии, которому соответствует излучение с длиной волны в 21 см.

190

В земных условиях атом газа сталкивается со своими «соседями» или стенками сосуда, в котором он заключен, от миллиардов до сотен миллиардов раз в секунду, а на то, чтобы атом водорода отдал свою энергию, испустив самопроизвольно квант - 21 см, в среднем требуется 11 миллионов лет! Поэтому в земных условиях атом не успевает отдать энергию в виде излучения с длиной волны в 21 см. Эта энергия перейдет в другие формы в результате столкновения.

Другое дело - межзвездное пространство. Здесь атомы на больших расстояниях друг от друга и сталкиваются редко: в среднем между двумя столкновениями проходит 300 лет.

В 1944 г. голландский студент-физик Ван де Хулст сделал доклад в Лейденском университете. В этом докладе он утверждал, что атом водорода должен излучать в межзвездном пространстве радиоволну длиной в 21 см. В то время Голландия находилась под фашистской оккупацией. Научные связи между учеными разных стран были прерваны. Лишь в 1947 г. идея Ван де Хулста стала известна широким кругам ученых.

Советский астрофизик И. С. Шкловский провел интересные и важные вычисления. Оказалось, что обнаружить излучение межзвездного водорода вполне разрешимая задача. Исследования этого излучения дают сведения о движении межзвездной материи и о структуре межзвездного пространства. Регистрируя излучение линии 21 см, удалось изучить структуру и движение Галактики. Исследования эти продолжаются.

КВАНТЫ И ЭЛЕКТРОНЫ

Объясняя, как излучают нагретые твердые предметы, Планку пришлось ввести в науку понятие о квантах света - фотонах.

Чтобы понять, как действуют фотоны на вещество, поставим опыт (рис. 31). В вакууме помещены две металлические пластины. Соединим их извне проводом с включенным в него гальванометром. На одну из пластин направим свет. В гальванометре появится ток. Его создадут электроны за счет энергии, полученной ими от фотонов. Если в цепь включить батарею Б так, чтобы освещенная пластина была положительным электродом, промежуток между

электродами станет проводящим. Фотоны выбивают из положительно заряженной и освещенной пластины отрицательные заряды. С увеличением напряжения между пластинами ток начнет падать и при некотором напряжении станет равным нулю. Это происходит потому, что не у всех отрицательных зарядов, выбитых фотонами из пластины, достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение положительного электрода.

Когда напряжение на положительном электроде достигнет такой величины, что даже самый «быстрый» электрон, выбитый из него фотоном, не дойдет до отрицательного электрода, ток в цепи гальванометра прекратится.

Способность фотонов выбивать электроны из твердых тел называется фотоэффектом. Его нельзя объяснить, если рассматривать свет как волну. Энергия света переходит в этом процессе в механическую энергию электронов, и свет здесь проявляет свойства частиц, как говорят физики,- корпускулярные свойства. Фотон ведет себя как частица с энергией h n и количеством движения - (количеством движения любой частицы называют произведение ее массы на скорость).

В результате открытия фотоэффекта было выяснено, что свет одновременно обладает свойствами и волны и частицы. Такое сочетание свойств объясняет современная квантовая теория света.

В нашем опыте электроны покидали пластину и вылетали в вакуум, создавая электрический ток. Такой процесс называется внешним фотоэффектом. Многие полупроводниковые материалы в лучах света уменьшают свое электрическое сопротивление потому, что в кристаллической решетке полупроводника под действием фотонов возникают «свободные» электрические заряды.

191

Рис. 32. Электронно-оптический преобразователь.

Такое действие света называют внутренним фотоэффектом.

В московском метро нельзя пройти через турникет, не опустив в его стойку пятикопеечную монету: не пропустит световой луч. Он пересекает проход и попадает на фотоэлемент (см. ст. «Полупроводники»). Если закрыть луч, фотоэлемент подаст сигнал. Радиолампы усилят этот сигнал и передадут его на механическую систему, закрывающую турникет.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом устроен так. На стенку стеклянного баллона нанесен металлический слой, а поверх него - слой полупроводникового вещества, это - катод. К катоду подведен отрицательный полюс батареи, а к аноду (никелевому стержню внутри баллона) - положительный. Когда свет выбивает из катода электроны, в цепи фотоэлемента течет ток. Когда света нет, нет и тока. Действие фотоэлемента можно усилить и использовать для управления любой механической системой.

В такую же схему, как и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, могут быть включены и фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Они называются фотосопротивлениями потому, что увеличивают или уменьшают сопротивление электрической цепи, в которую включены. Самое ценное свойство фотосопротивлений - их способность реагировать на излучение слабо нагретых тел: на лучистую энергию с большой длиной волны, т. е. на инфракрасные лучи.

Ученые уже создали фотосопротивления, чувствительные к лучам с длиной волны около 9 мк. Вспомним закон Вина - закон смещения. l Т= 2897 мк. Если l =9,35 мк, то Т=2897/9,35 =309°К,

или примерно 36°Ц. Такие лучи испускает наше тело. Если бы человеческий глаз реагировал на эти излучения, мы ночью видели бы лица людей светящимися.

НЕВИДИМОЕ СТАНОВИТСЯ ВИДИМЫМ

Инфракрасное излучение можно увидеть с помощью специального устройства - электронно-оптического преобразователя (рис. 32). Объектив А переносит изображение «светящегося» в темноте тела на экран Б-В, покрытый прозрачным полупроводниковым слоем Г. Падая на этот слой, кванты инфракрасного излучения выбивают из него электроны. Между слоем Г (катодом) и экраном (анодом) поддерживается электрическое напряжение; под его действием электроны двигаются, ускоряясь, к экрану и переносят на него инфракрасное изображение. Экран испускает уже видимое излучение.

Можно и по-другому преобразовать инфракрасное изображение в видимое. Для этого на экран передающей телевизионной трубки наносится вместо слоя, реагирующего на видимый свет, полупроводниковый слой, чувствительный к инфракрасному излучению. Электронный луч передаст инфракрасное изображение с такого экрана через усилительную радиосхему на приемную трубку - кинескоп, такую же, как и в обычном телевизоре.

Обе эти системы позволяют преобразовать изображения очень слабо нагретых тел в видимые. Для электронно-оптического преобразователя фотоны должны обладать энергией, достаточной, чтобы выбить электрон из его чувствительного слоя. В телевизионном преобразователе, там, куда попадет излучение, должно измениться сопротивление слоя. Для этого энергия может быть меньшей, и, следовательно, можно обнаруживать излучения с более длинной волной.

Изображение человека на экране кинескопа, полученное в полной темноте с помощью инфракрасной передающей трубки.

192

Таблица к статье "Свет"

Цветная фотография. 1. Сфотографировать предмет А через красный, зеленый и синий светофильтры все равно, что сфотографировать его освещенным красными, зелеными и синими лучами. Негативы будут черно-белыми, но почернение эмульсии будет соответствовать разложению цветов светофильтром. 2. Получение позитива с трех негативов. 3. Ход цветных лучей в призме. 4. Разрез трехслойной цветной фотографической пленки.

Таблица к статье «Радио»

Наверху - спектр электромагнитных волн, внизу - спектр радиоволн.

ГЛАВНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР

Каковы бы ни были оптические устройства, все они рассчитаны на глаз человека. Это тоже оптический прибор (рис. 33). Его оптическую систему можно сравнить с оптической системой фотоаппарата. С помощью простейшего объектива (двояковыпуклой одиночной линзы) предмет, светящийся или отражающий лучи других источников света, может быть изображен в любой плоскости.

Объектив фотоаппарата передает изображение на фотопластинку, а оптика глаза - на глазную сетчатку, своего рода светочувствительный слой, передающий изображение в мозг. Объектив фотоаппарата, как правило, подвижен, так как изображения предметов, находящихся на разном расстоянии от аппарата, можно пере-

Рис. 33. Глаз человека: 1 - радужная оболочка, 2 - хрусталик, 3 - сетчатая оболочка, 4 -слепое пятно и глазной нерв, 5 - стекловидное тело (студенистое прозрачное вещество).

дать на фотопластинку, только перемещая объектив вдоль его оптической оси. Глазная линза - хрусталик - изменяет с помощью особых мышц кривизну своей поверхности. Это дает возможность хрусталику, оставаясь неподвижным относительно сетчатки, изображать на ней по-разному удаленные от глаза предметы.

Диафрагма в фотоаппарате ограничивает пучок света, входящий в объектив.

Ту же роль играет в глазе радужная оболочка. В зависимости от силы светового потока, падающего на поверхность глаза, отверстие в радужной оболочке меняется помимо нашей воли.

Переведите взгляд с темного на яркий предмет: зрачки глаза начнут сужаться (уменьшается диаметр радужной оболочки), в глаз попадет уже меньшая доля светового потока. Так глаз защищается от излишней световой энергии.

Светочувствительный слой сетчатки состоит из элементов двух видов: колбочек и палочек.

От каждой из них идет нервное волокно, передающее световое раздражение в мозг. В сетчатке человеческого глаза 120 млн. палочек и 6 млн. колбочек! Но есть место на сетчатке, не чувствительное к свету, - слепое пятно. Через него входит в глаз зрительный нерв, в котором собраны нервные волокна от всех палочек и колбочек.

Закройте правый глаз и посмотрите левым на крест, изображенный на рисунке 34. Боковым зрением вы увидите черный кружок слева. Если приближать рисунок к глазу, то на расстоянии 20-25 см круг исчезнет из поля зрения, - его изображение в глазу попадет на слепое пятно.

В области видимого света от 0,39 до 0,75 мк чувствительность человеческого глаза очень высока. Если человек долгое время находится в темноте, его глаза приспосабливаются к восприятию чрезвычайно малых световых потоков. Академик С. И. Вавилов доказал своими опытами, что глаз в таких условиях может чувствовать даже отдельные кванты света.

Не ослепляют глаз и большие потоки света. Они могут превосходить наименьшие потоки, воспринимаемые человеческим глазом, в 1000 млрд. раз (в 10¹² раз). Такое соотношение было бы, например, если на одних и тех же весах взвешивать тела от 0,0001 г до 10 т: бациллу и железнодорожный вагон!

Глаз хорошо различает цвета, хотя он и по-разному реагирует на потоки монохроматического света одинаковой мощности, но с разной длиной волны.

Желто-зеленые лучи покажутся самыми яркими, красные и фиолетовые - самыми слабыми. Если яркость желто-зеленого света ( l =0,555 мк), ощущаемую глазом, принять за единицу, то яркость голубого света ( l =0,49 мк) при той же мощности будет за две десятых, а яркость красного ( l =0,65 мк) - за одну десятую единицы (рис. 5 на цвет. табл. у стр. 177). Излучения с длиной волны меньше 0,3 мк (ультрафиолетовые лучи) и с длиной волны больше 0,9 мк (инфракрасное излучение) глаз даже в мощных потоках не почувствует. Если в диаграмме по оси абсцисс отложить чувствительность глаза к свету с различными длинами волны, а по оси ординат - соответствующую длину волн, то получим кривую спектральной чув-

193

ствительности глаза. Эту кривую называют «кривой видности».

Максимум чувствительности глаза совпадает с максимумом излучательной способности Солнца. Глаз приспособлен именно к солнечному свету. Но механизм зрения слишком сложен, и пока что нет полностью удовлетворительного объяснения, почему желтые и зеленые лучи кажутся глазу намного ярче, чем красные и фиолетовые.

Существует, быть может, и не очень серьезная, но все же интересная теория. В спектре лучей, которые пропускает в свои толщи вода морей и океанов, энергия распределена так же, как и на кривой, отражающей способность человека видеть цвета. Подводный мир освещен как раз тем светом, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен.

Жизнь зародилась в океане. Глаза первобытных животных приспособились к свету морских глубин. Если предположить, что глаз в течение миллионов лет сохранил свои характеристики неизменными, пока живые организмы прошли путь от земноводных до человека, тогда все в порядке: это объясняет кривую видности человеческого глаза.

ОПТИЧЕСКОЕ ВООРУЖЕНИЕ ГЛАЗА

Положите двухкопеечную монету на закопченное стекло, отставьте это стекло на 20 см от глаза и посмотрите сквозь него на Солнце. Двигая по стеклу монету, вы закроете ею Солнце. Гигантское Солнце удалено от нас на 150 млн.км, но его изображение на сетчатке глаза в десять раз меньше, чем изображение двухкопеечной монеты, отстоящей от глаза на 20 см. Это объясняется тем, что Солнце мы видим под углом зрения 31', а монету под углом примерно в десять раз большим -5°. Лучи, идущие от контуров какого-либо предмета к зрачку, образуют угол, под которым мы видим предмет. Им и определяется видимая в глазе величина этого предмета. Если глаз видит две точки под углом, меньшим чем 1', то они сливаются. Оптики определяют это свойство глаза так: разрешающая способность глаза не превышает одну угловую минуту. Хрусталик глаза не может изобразить предмет на сетчатке, если этот предмет отстоит от глаза меньше чем на 10 см. Максимально возможная кривизна хрусталика недостаточна для этого.

Чтобы видеть очень малые предметы под большим углом зрения, изобретен микроскоп.

Микроскоп в разрезе: 1 - объектив, 2 - окулярная линза, 3 - система линз осветителя (конденсатора).

Самый простой микроскоп - двояковыпуклая линза. Когда предмет TS находится между линзой и ее фокусом F, линза дает мнимое увеличенное изображение T'S' на большем расстоянии от глаза, чем предмет TS. Если T находится намного ближе к F, чем к линзе, то угол, под которым виден предмет, примерно

равен TS/F. Максимальный угол, под которым можно увидеть

предмет, не применяя линзу, равен TS/d, где d - наименьшее

расстояние, на котором предмет отчетливо различается глазом. Отношение - и есть угловое увеличение линзы; у одиночной линзы оно не превышает 20.

Схема оптической системы микроскопа. Объектив - сложная линза с очень малым фокусным расстоянием - создает увеличенное изображение предмета. Это изображение рассматривается глазом через окуляр микроскопа.

194

Современные биологические микроскопы увеличивают предметы от 400 до 2000 раз. Больше чем в 2000 раз никакой оптический микроскоп увеличить не может, потому что размеры предметов, рассматриваемых в микроскоп, должны быть сравнимы с длиной волны того света, которым освещен объект (рассматриваемый предмет). Иначе говоря, размеры деталей предмета, различимые в оптический микроскоп, определяются формулой:

d=0,61 l /A.

В этой формуле А приблизительно равно единице. Для золеного света величина d равна 0,3 мк. Чтобы видеть предмет такого размера под углом зрения, большим чем 1', достаточно увеличить его в 1000 раз. Если добиться большего увеличения, никаких новых подробностей в изображении не обнаружится. Попробуйте посмотреть через сильную лупу на фотографию, напечатанную в газете. Новых деталей вы не увидите, но изображение потеряет четкость. Излишнее увеличение не помогает. Так же и в микроскопе: слишком большое увеличение не поможет рассмотреть предмет, размеры которого меньше, чем световая волна. Такие предметы свет огибает по законам дифракции света.

А если освещать предмет ультрафиолетовым излучением? Ведь длина волны ультрафиолетовых лучей короче, чем у видимых лучей. Да, существуют такие микроскопы, но на этом много не выиграешь.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

Изображения предметов можно получить не только с помощью световых лучей, но и применив пучки заряженных частиц, например электронов. Для этого и служит электронный микроскоп.

Допустим, нам нужно изучить вирусы, невидимые в самые лучшие оптические микроскопы. Каплю воды с вирусами наносят на очень тонкую коллодиевую пленку толщиной всего в 0,01 мк. Пленка высушивается и закладывается на так называемый предметный столик электронного микроскопа. На нее направляют параллельный пучок электронов (рис. 35). Тело вируса неоднородно, и разные его части рассеивают электроны по-разному. Чем сильнее рассеиваются электроны, проходящие через какую-либо часть вируса, тем меньшая доля

Рис. 35. Оптическая схема электронного микроскопа.

Ученый-вирусолог смотрит в окуляр электронного микроскопа.

их проходит через отверстие DD- апертурную диафрагму микроскопа. Электронная линза L собирает в точке В электроны, вышедшие из точки А расходящимся пучком, и так точку за точкой дает электронное изображение предмета на светящемся под действием электронов экране S. Наименьшая плотность электронов, падающих на экран, будет в тех местах изображения, которые соответствуют наиболее плотным, а значит, и рассеивающим электроны частям вируса. Эти места на экране будут темными. Менее плотные и менее рассеивающие части вируса изобразятся как светлые участки.

На самом деле в электронном микроскопе нет экрана. Полученное в плоскости SS изображение служит, как и в оптическом микроскопе, предметом для второй линзы, которая и дает изображение на экране, светящемся под действием электронов. На этом экране микроскопист рассматривает изображение в лупу.

Преимущество электронного микроскопа перед оптическим в том, что у него гораздо большая разрешающая способность.

Французский физик Луи де Бройль высказал смелую мысль: связь между длиной световой волны фотона и количеством его движения справедлива для любой частицы. Эксперименты подтвердили эту гипотезу. Если электрон движется со скоростью v, то длина его волны

195

равна l = h/mv. В микроскопах электроны, падающие на рассматриваемый предмет, разгоняются электрическим напряжением порядка 15 000 в. Их скорость достигает 72 500 км/сек, а длина волны равна 0,1 А. Так как длина волны электрона в 50 000 раз меньше световой волны в зеленой части спектра, то дифракция в электронном микроскопе сказывается значительно меньше, чем в оптическом. Разрешаемое расстояние d ограничивается в них уже не дифракцией, а несовершенством электронных линз. В хороших электронных микроскопах d достигает 6 Å, т. е. в 200 раз меньше, чем в ультрафиолетовом оптическом микроскопе.

ТЕЛЕСКОП

У зрительных труб и телескопов другая задача: дать возможность под большим углом зрения рассматривать удаленные предметы. Телескоп с диаметром объектива или зеркала в D мм позволяет различать предметы, угловые размеры которых равны 140/ D. Из этой формулы следует, что разрешающая способность телескопа может быть увеличена, если в нем поставить зеркало большего диаметра. Существуют телескопы с диаметром зеркала около 5 м. (О телескопах подробнее рассказано в т. 2 в ст. «Как работают астрономы».)

ЦВЕТНАЯ ФОТОГРАФИЯ

Глаз отличает в солнечном спектре семь цветов и множество оттенков. Цвета, например синий и желтый, нормальный глаз легко различит, даже если их яркость одинакова. Мы считаем одинаковыми цвета двух монохроматических пучков, если длина их волн отличается всего на 0,001 мк. Только когда разница в длине волны достигнет 0,002 мк, глаз начинает чувствовать различие в цвете.

Но глаз ни в коей мере не может быть таким же точным, как спектроскоп, не может заменить его. Световые потоки с совершенно различным спектральным составом могут восприниматься нами как потоки одинакового цвета. Больше того, смешав в определенной пропорции три основных цвета, можно получить любой спектральный цвет и даже цвет, которого нет в спектре: малиновый, пурпурный и, наконец, белый. На этом явлении основана цветная фотография.

В технике цветного фотографирования за основные цвета приняты синий, зеленый и красный. Еще в 1861 г. Максвелл указал на возможность получать многоцветное изображение из этих трех цветов (см. цвет. табл. у стр. 192). Сделаем с предмета, окрашенного в различные цвета, три обычных фотоснимка, освещая его красным, синим и зеленым светом. Изготовим три отпечатка на позитивных фотопленках, затем каждую из этих пленок окрасим в цвет того света, которым освещался предмет при получении ее негатива. С помощью трех проекционных фонарей совместим на экране все три цветных изображения: снятый предмет предстанет перед нами во всех его натуральных цветах. Из трех цветов получились все остальные.

Свет, падающий на фотопленку, разлагает в ее светочувствительном слое бромистое серебро. В проявителе те места пленки, куда попало много света, станут темными, а где света было мало - светлыми. Так получают негатив черно-белого изображения.

Фотографируя в красных лучах, мы тоже получим черно-белое изображение, но почернения образуются в тех местах снятого предмета, которые отражали цвета - оранжевый, желтый, пурпурный, ну, и, конечно, сам красный цвет. Места изображения, где предмет окрашен в зеленый, голубой, синий и черный цвета, останутся светлыми. Предмет был окрашен в красный цвет, и потому эти места его не отразили.

С негативной пленки получают позитив, и на нем соотношение черных и белых пятен будет обратное: красно-желтые оттенки дадут светлые пятна, а сине-зеленые темные

пятна.

Так же получают и две другие позитивные пленки. На негативе, снятом в зеленых лучах, почернение будет там, где предмет окрашен в цвета: голубой, зеленый, желтый, белый и серый. На негативе, полученном при синей подсветке, почернение получится там, где предмет окрашен в цвета: синий, голубой, пурпурный и белый.

На экране в результате смешения цветов изображение предмета будет окрашено в натуральные цвета. С помощью специальных приемов и проявителей можно таким же способом, с трех негативных пленок, зафиксировать цветное изображение и на фотобумаге, конечно, не на обычной, а на специально изготовленной для цветного фотографирования.

В 30-х годах нашего столетия изобретены способы, как получать цветную фотографию не с трех, а с одной негативной пленки, снимая

196

предметы, освещенные обычным солнечным светом. Фотографируют на специальную цветную пленку. В ее светочувствительной эмульсии три слоя, каждый из которых чувствителен только к одному цвету. По тому же принципу изготовляется и специальная цветная фотобумага.

РОЛЬ ОПТИКИ В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ

Многие поколения ученых, пытаясь определить, что такое свет, ставили исключительно тонко задуманные и в совершенстве исполненные опыты. На основании этих опытов создавались новые физические теории, которые касались не только оптики, но и всех разделов физики.

Более двух тысяч лет назад был установлен закон о прямолинейном распространении света. Следующий шаг сделал Ньютон: он доказал, что призма разлагает белый свет на «простые» цвета. Френель обосновал волновую теорию света. Максвелл доказал, что световая волна - это электромагнитные колебания. Ученые, исследуя излучения накаленных тел и линейчатые спектры паров и газов, создали квантовую теорию - основу всей современной теоретической физики.

В наше время энергия света играет большую роль и в технике, особенно в измерительных приборах. Во многих случаях никакими другими способами нельзя получить такие точные результаты измерений, как с помощью световых волн.

Еще совсем недавно многие физики считали, что в науке, изучающей свет,- в оптике - вряд ли можно ожидать революционные открытия: ведь этой науке более двух тысяч лет. Но это, конечно, не так. Еще многое в науке о свете осталось неясным и требует кропотливых и длительных исследований. Некоторые ученые считают, что «свет - самое темное место в физике»; пожалуй, они правы.

В 1960 г. оптика снова вторглась во все разделы физики. Созданы новые источники света - лазеры, яркость луча которых в сотни миллионов раз превосходят яркость Солнца. Уже теперь ученым ясно: в очень недалеком будущем лазеры окажут огромное влияние на развитие науки и техники.

Вечно молодая наука о свете опять оказалась на переднем крае науки.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

МАГНЕТИЗМ

Нет, наверное, такого человека, который не слыхал бы или не читал детскую сказочку о Мальчике-с-пальчик. А каждый тот, кто помнит ее, знает, как Мальчик-с-пальчик ухитрился найти дорогу домой: он оставлял на дороге камушки. Но такое происходит не только в сказках. Например, некоторые виды муравьев отмечают себе обратную дорогу капельками сильно

пахнущей жидкости.

Отправляясь в поход или в путешествие, прежде всего позаботься о компасе. Он надежнее, чем камушки мальчика из сказки. Магнитная стрелка определит направление стран света и не даст заблудиться в дороге.

В древние времена свойства магнитной стрелки казались волшебными. В древней Греции это свойство связывали с деятельностью богов. Камень, которым натирали железную иглу, называли камнем Геркулеса.

«Этот камень не только притягивает железное кольцо,- он одаряет своей силой и кольцо, так что оно в свою очередь может притягивать другое кольцо, и таким образом может висеть друг на друге множество колец или кусков железа; это происходит благодаря силе магнитного камня». Так древнегреческий мудрец Сократ описывал свойство камня, найденного вблизи города Магнесия, в Малой Азии.

Древние народы хорошо знали этот удивительный камень. В Китае и Индии о нем ходили легенды. Там же, на Востоке, впервые догадались, что намагниченной иглой можно пользоваться как указателем севера или юга. И по сей день компас - надежный помощник путешественника, штурмана, геолога, туриста.

197

Всем известно, что голуби, как и многие виды птиц, возвращаются домой за сотни километров. Еще древние египтяне заметили это и использовали голубей для связи. Во время франко-прусской войны 1870 - 1871 гг. голуби доставили в осажденный Париж 150 тыс. официальных депеш и почти миллион писем!

Но по каким же приметам ориентируются голуби? С Мальчиком-с-пальчик все понятно. С муравьями тоже. А голуби? Как они находят дорогу из Америки в Европу (были и такие случаи)?

Некоторые ученые-орнитологи предполагают, что голубям помогает особое чувство - магнитная ориентировка. Но это еще не доказано.

Магнетизм с незапамятных времен загадывает людям множество загадок, и, проникая в его секреты, ученые все больше убеждаются, что природа магнетизма неисчерпаема, а его закономерности влияют на многие жизненные процессы.

Если же мы охватим взглядом все, что связано и с магнетизмом и с электричеством, и попытаемся представить себе все значение электрических и магнитных явлений, то увидим, что ни наука, ни техника, ни многие другие проявления человеческой деятельности просто немыслимы без познания и использования их законов.

Магнитная стрелка

Намагниченная игла - магнитная стрелка не всегда устанавливается послушно в направлении север - юг. Наблюдения за ее поведением показали, что она может «капризничать».

«Всякий раз, когда я плыву из Испании в Индию,- свидетельствовал Христофор Колумб,- я замечаю, отойдя 100 морских миль

к западу от Азорских островов, необычайное изменение в движении небесных тел, температуре воздуха и поверхности моря. Я тщательно отмечал эти изменения и нашел, что компас, до того отклонявшийся к северо-востоку, теперь переходил к северо-западу...».

Угол, на который отклоняется стрелка от направления север - юг, называют склонением. Если на географической карте нанести склонения, получится так называемая геомагнитная карта склонений.

Склонение вызывается тем, что направление на географический полюс не совпадает с направлением на магнитный. Но нередко стрелка капризничает и по другой причине. Долгое время всех удивляло беспокойное поведение стрелки компаса вблизи Курска, это явление называли Курской магнитной аномалией. А потом выяснилось, что под Курском богатейшие залежи железной руды, кое-где выходящей даже на поверхность. Эта руда и вызывает беспокойство у магнитной стрелки.

Но, что самое интересное, вызывает она беспокойство и у птиц. Долетая до магнитных аномалий, они разбиваются на отдельные группы, строй их нарушается, и так продолжается до тех пор, пока они не выберутся из тревожного места.

По уклонению магнитной стрелки от меридиана люди обнаруживают железную руду. Так были найдены залежи не только под Курском, но и в Казахстане, и в ряде других мест.

Наблюдения за магнитной стрелкой помогли открыть еще одно ее свойство: она не только отклоняется от магнитного меридиана, но и наклоняется к земле. Это легко обнаружить, если подвесить длинную магнитную стрелку за центр ее тяжести. Еще нагляднее покажет это явление простой прибор: шарик из пробки надо проколоть намагниченной иглой и положить его на поверхность воды.

Наклонение стрелки или иглы дает возможность понять, какая причина заставляет ее поворачиваться в направлении север - юг. Было время, когда предполагали, что магнитные силы находятся на Северном полюсе, где сосредоточены магнитные горы, или на Полярной звезде. Но на севере гор нет, и конец стрелки тянется книзу, а не вверх.

В 1600 г. в Лондоне вышла книга королевского лейб-медика Вильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли». Гильберт полагал, что Земля подобна намагниченному шару. Сделав стальной шар, он намагнитил его так, чтобы в диаметрально про-

198

тивоположных точках были ярко выражены полюсы. Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, Гильберт наблюдал, как наклонение ее концов убывает от одного полюса к другому, а на экваторе становится равным нулю. И Гильберт сделал вывод, что магнитные силы сосредоточены в самой Земле. В наше время магнитное поле Земли уже объясняется процессами, которые должны происходить в ее ядре. Земля - гигантский магнит. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых линий, которые идут над поверхностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии (рис. 1).

Книга Гильберта была началом науки о магнетизме, который привлекает внимание ученых вплоть до наших дней. Гильберт заметил, что при намагничивании железный стержень удлиняется. В 1847 г. Д. Джоуль исследовал это явление и обосновал закономерности магнитострикции - попеременного удлинения и укорачивания металлического стержня при перемагничивании. Магнит, указывал Гильберт, теряет свои свойства при сильном

нагревании (рис. 2). В 1895 г. Пьер Кюри установил зависимость магнитных свойств магнетиков от температуры, и в учении о магнетизме появилась точка Кюри. Если об этих свойствах известно не всем, то уж каждый знает, что, как ни разламывать магнит, в любом

его куске будет все равно два полюса. Это свойство магнита побудило исследователей задуматься, что же происходит в железе при его намагничивании?

Крутильные весы

Одноименные полюсы двух магнитных стрелок отталкиваются (рис. 3), противоположные притягиваются (рис. 4). Сила, с которой взаимодействуют полюсы магнита, была впервые определена с помощью крутильных весов. Весы эти изобрел Шарль Огюстен Кулон. Будучи саперным офицером французской армии, он все свободное время посвящал научным занятиям.

В 1779 г. Кулон удостоился приза Академии наук за работу о судовом компасе, а через два года был избран членом Академии. В 1784 г. он сконструировал крутильные весы (рис. 5), чтобы исследовать упругие свойства проволоки, и вначале вовсе не помышлял о магнитах. Потом же оказалось, что если на проволоку подвесить продолговатый магнит и к одному из его концов поднести конец другого магнита, то из-за их взаимодействия проволока начнет закручиваться, и это будет продолжаться, пока сила притяжения или отталкивания не уравновесится упругой силой закрученной проволоки.

199

Верхний конец проволоки закреплялся после того, как магнит, подвешенный на ее нижнем конце, был установлен вдоль магнитного меридиана. Угол закручивания проволоки определялся световым зайчиком, отраженным от зеркальца, которое было прикреплено к нижнему концу проволоки. Весы были установлены в стеклянном цилиндре. Деления на его стенках позволяли измерять расстояние между полюсами взаимодействующих магнитов. Так как при взаимодействии подвешенный магнит уклоняется от магнитного меридиана, то величина силы взаимодействия отличается от истинной, ибо в нем участвует магнитная сила Земли. Магнитную силу Земли можно учесть, замеряя угол закручивания проволоки, при котором подвешенный к ней магнит сохраняет свое положение после того, как другой магнит убран.

В результате исследований стало возможным утверждать, что величина силы взаимного действия двух магнитных полюсов пропорциональна их магнитным массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F=m₁ m₂ / R²,

где m₁ и m₂ - магнитные массы полюсов магнитов, а R - расстояние между ними.

Этот закон назван именем Кулона.

Но, изучая архивы английского ученого Генри Кавендиша, Максвелл обнаружил статью, из которой следовало, что тот еще раньше Кулона создал прибор, схожий с крутильными весами. Но Кавендиш не опубликовал свое открытие.

Закон Кулона внешне сходен с законом всемирного тяготения. Сила тяготения тел, как показал Ньютон, пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Случайное ли это совпадение? Этот вопрос возник давно, однако исчерпывающего ответа на него пока нет.

Кулону принадлежат весьма убедительные доводы, почему магнитная сила Земли лишь поворачивает магнитную стрелку, но не смещает ее. Силы взаимодействия между каждым из полюсов Земли и стрелкой равны по величине, приложены к ее концам, параллельны, но направлены в противоположные стороны. Силы, приложенные к телу таким образом, не могут его смещать. Их действие приводит к вращению тела. По мере приближения стрелки к направлению меридиана линии действия этих сил F₁ и F₂ сближаются, уравновешивают друг друга,

и стрелка устанавливается по магнитному меридиану (рис. 6).

Кулон полагал, что в железе при намагничивании образуются маленькие магнитики. В каждой частичке железа есть северный и южный магнетизм, и их можно отделить друг от друга. Заблуждение Кулона рассеял ирландский химик Ричард Кирван в 1797 г. Он предложил

рассматривать молекулы железа как природные магниты независимо от того, намагничено оно или нет. Когда железный брусок натирают от середины к краям противоположными полюсами магнита, магнитики-молекулы, подобно стрелке компаса, устанавливаются вдоль бруска и сам он становится магнитом (рис. 7). Такое представление объясняло, почему магнитную силу нельзя увеличивать в железном бруске беспредельно. Предел наступает, когда все магнитики-молекулы повернутся в одну сторону.

Таким образом, к началу XIX в. природу магнетизма стали усматривать в свойствах, присущих молекулам: намагничивание - это магнитная ориентация молекул в одном направлении.

Дальнейшие исследования магнетизма все теснее связывались с изучением электричества.

200

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электродвижущую силу атмосферного электричества ученые исследуют и в наше время.

Проявление электричества в природе известно каждому. Это молнии - мгновенные разряды атмосферного электричества. Реже встречаются шаровые молнии - бесшумно парящие скопления электрических зарядов. Но электричество играет большую роль в самых разнообразных явлениях природы, которые на

первый взгляд кажутся совсем не электрическими.

Янтарь-электрон

В древние времена к берегам Балтийского и Северного морей металл привозили из средиземноморских стран. Среди товаров, получаемых в обмен, особенно ценилась ископаемая смола. На севере ее называли янтарем, а на юге - электроном. Из янтаря-электрона делали украшения.

Обрабатывая янтарь, греки заметили, что, если его натереть, он притягивает ворсинки шерсти, обрывки ниток, волосы, перья. В обиходе появились даже янтарные палочки, которыми собирали пыль с одежды.

Удивительное свойство натертого янтаря не привлекало до Гильберта внимание ученых. Гильберт первым обнаружил, что этим свойством обладают очень многие вещества - алмаз, сера, кварц и, как потом обнаружилось, даже металлы. Электризацию металлов наблюдал в начале XVIII в. английский ученый Грей. Чтобы обеспечить изоляцию от земли, он натирал металлические предметы, расположившись на качелях, которые были сделаны из волосяных веревок (рис. 8).

Силу притяжения, которой обладает натертое тело, Гильберт назвал электрической, а связанные с этим явления - электрическими явлениями. Этим он подчеркнул роль янтаря-электрона в новой области науки.

Сначала электрическими явлениями лишь развлекались, но постепенно к ним стали относиться серьезно, ими заинтересовались ученые. В середине XVII в. магдебургский бургомистр Отто фон Герике, открывший немало физических явлений, сделал большой шар из серы, насадил на ось и, вращая, электризовал его трением (рис. 9). Шар легко притягивал пушинки.

Коснувшись шара, пушинка отталкивалась от него. Так было открыто электрическое отталкивание. При электризации шара Герике слышал легкое потрескивание, а проводя опыт в темноте, обнаружил слабо мерцающие электрические искры. Но самые важные открытия начались в XVIII в. Лишь тогда ученые стали находить правильные объяснения свойствам янтаря и других наэлектризованных тел и пытаться применить эти свойства на практике.

Два вида электричества

Французский естествоиспытатель Шарль Дюфе экспериментировал однажды с наэлектризованным золотым листком, удерживая его в воздухе тоже наэлектризованной стеклянной палочкой. Он приблизил к листку наэлектризованную палочку смолы: вопреки ожиданию, она не оттолкнула листок, а притянула. Дюфе продолжал опыты и, в конце концов, разгадал новое явление. «... Существует два рода электричества - один род я называю стеклян-

201

ным электричеством, а другой смоляным, - писал он.- Первый род получается (трением) в стекле, в драгоценных камнях, в волосах, в шерсти и т. д., другой - в янтаре, смоле, шелке и т. д. Существенное различие этих двух родов электричества состоит в том, что каждый из них отталкивает электричество того же рода, но притягивает электричество другого рода».

Какого рода электричество получилось после натирания предмета, помогает узнать электрический маятник - шарик из бузины, подвешенный на шелковой нити. Если к шарику приблизить стеклянную наэлектризованную палочку, он притянется к ней и, коснувшись, оттолкнется: шарик зарядился стеклянным электричеством! Если теперь поднести смоляную палочку, он притянется к ней, а потом оттолкнется. Шарик зарядился смоляным электричеством.

Бенджамин Франклин, рассуждая о причинах электризации тел при трении, полагал, что происходит перераспределение «электрического вещества», содержащегося в каждом теле. Избыток его не может находиться внутри тел и выступает на поверхность. Тело заряжено положительно, что соответствует «стеклянному электричеству». Недостаток электрического вещества соответствует отрицательно заряженному телу («смоляное электричество»). Названия двух родов электричества -

положительное (плюс) и отрицательное (минус) - стали общепризнанными (рис. 10), но гипотеза Франклина об одном лишь роде электричества оказалась неверной. Количественные исследования электрической силы провел Кулон на тех же крутильных весах. На серебряной нити подвешивалась палочка из шелка. На одном ее конце был бузи-

новый шарик, на другом, для равновесия,- бумажный кружок, смоченный скипидаром. К шарику прикасались таким же заряженным шариком, оба получали одинаковый заряд и отталкивались. Шарик на весах закручивал серебряную нить на такой угол, при котором упругая сила кручения уравновешивала электрическую силу отталкивания (рис. 11).

Измерив углы закручивания при различных зарядах и подсчитав силы отталкивания,

Кулон обнаружил в 1785 г. закон взаимодействия электрических зарядов: сила взаимодействия пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон можно записать так:

F=q₁  q₂ /R² ,

где q₁ и q₂ - величина электрических зарядов, а R - расстояние между ними. Измерения силы взаимного действия производились в воздухе.

Натирая и электризуя тела, исследователи долго не обращали внимание на то, что электризуются при этом оба тела, причем противоположными зарядами. Но как только это заметили, стало ясно: электризация тел - это не создание электрических зарядов, а их разделение.

Тела, наэлектризованные равными противоположными зарядами, соприкасаясь, теряют свойство притяжения. Заряды при этом не уничтожаются, а нейтрализуются, т. е. на каждом из тел становится поровну положительных и отрицательных зарядов.

Все это позволяет сделать очень важный вывод: каждое электрически нейтральное тело содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов. Тело окажется наэлектризованным в том случае, если зарядов одного знака будет больше, чем зарядов другого.

Электрический ток

В первых же опытах с электризацией тел обнаружилось, что одни из них хорошо передают электрический заряд, а другие совсем не

202

передают. Первоначально все вещества поделили на проводники и изоляторы. Потом выяснилось, что изоляторы можно в свою очередь поделить на плохие проводники и полупроводники. Оказалось, что плохой проводник, например стекло, может стать проводником, если его нагреть. Все это, конечно, означало, что проводимость зависит от химических и физических свойств вещества.

Направленное перемещение электрических зарядов в проводнике назвали электрическим током. Теперь надо было выяснить, при каких условиях можно его поддерживать в проводниках. К решению этой задачи подошли несколько неожиданным путем.

Скальпель Гальвани, столб Вольта и дуга Петрова

Живший в Болонье профессор анатомии Луиджи Гальвани, подобно многим своим современникам, увлекался электрическими явлениями и пользовался в опытах электрической машиной, которая позволяла разделять электрические заряды, образующиеся от трения

вращающегося диска (рис. 12). Заряды стекали на два металлических шара. Когда зарядов накапливалось много, между шарами проскакивала искра, подобная той, которую наблюдал Герике.

Однажды Гальвани препарировал лягушку, а рядом потрескивала электрическая машина.

О том, что случилось дальше, он рассказал в книге «Трактат о силах электричества при мускульном движении»: «Когда один из помогавших мне случайно чуть-чуть коснулся концом скальпеля до внутреннего бедренного нерва лягушки... все мускулы этого сочленения сократились несколько раз, как будто в них произошли сильные токсические* судороги. Другой человек, помогавший нам при электрических опытах, как ему показалось, заметил, что это происходило, когда из кондуктора машины извлекалась искра... Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это явление и пролить свет на то, что было за ним скрыто».

Гальвани не удалось пролить свет на это загадочное явление: слишком сложны были электромагнитные явления для ученых той поры. Но опыт Гальвани помог естествоиспытателям открыть источники электрического тока.

Итальянский физик Алессандро Вольта обратил внимание на то, что мускулы лягушки сокращаются особенно сильно, если их касаться двумя разнородными металлами, например медью и железом. Он даже предположил, что разнородные металлы при соприкосновении становятся источником тока.

20 марта 1800 г. Вольта написал свое знаменитое письмо, в котором сообщал, что найден постоянно действующий источник электричества:

«... Я взял несколько дюжин круглых медных пластинок - серебряные еще лучше - приблизительно в один дюйм диаметром и такое же число оловянных или лучше цинковых пластинок. Затем из пористого материала, который может впитывать и удерживать много жидкости (картон, кожа), я нарезал достаточное число кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же порядке и что каждая пара пластинок отделялась от следующей влажным кружком из картона или кожи».

Далее он рассказывает, что если коснуться одной рукой верхней пластинки, а другой - нижней, то почувствуешь сильный электрический удар. Такой же удар, какой испытывают пловцы, нечаянно натолкнувшиеся на электрического угря.

Много лет спустя стало известно, что вдоль хвоста у электрического угря (о котором упоминал Вольта в своем письме) расположены две электрические батареи, каждая содержит около 6 тыс. изолированных клеток. В результате мгновенных химических реакций непроводящая ткань изоляции приобретает способность проводить ток. Электрический разряд происходит мгновенно при напряжении до 600 в и может убить другое животное или человека.

Вольтов столб, таким образом, стал источником, поддерживающим перемещение электрических зарядов по проволоке, которой замкнуты его полюсы. Это была первая электрическая батарея, сделанная руками человека.

В 1802 г. русский академик В. В. Петров собрал вольтов столб необычных размеров. На заседании научного общества он изумил всех присутствующих негаснущей искрой. Ослепительное электрическое пламя имело вид дуги.

* Вызванные действием ядовитого вещества.

203

В 1803 г. В. В. Петров выпустил книгу с длинным названием: «Известие о гальвани-вольтовых опытах, которые проводил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии». В этой книге предполагалась возможность плавить металлы с помощью электрической дуги, которая возникает между кусочками древесного угля, соединенными с полюсами батареи. В 1882 г. в России начались первые опыты с электросваркой металлов посредством вольтовой дуги, или «дуги Петрова». А еще раньше, в 1876 г., улицы европейских столиц осветились сиянием дуговых ламп, сконструированных русским изобретателем П. Н. Яблочковым.

Первые источники электрического тока- гальванические элементы

Элементов этих много, каждый носит имя своего изобретателя, но у всех у них есть и общее название - гальванические.

Действие гальванического элемента объясняется химическими реакциями, энергия которых преобразуется в электрическую. Процесс преобразования, естественно, сопровождается известными потерями, величина которых зависит от устройства проводников и типа химических реакций. Действие элементов характеризуют физической величиной - электродвижущей силой (ЭДС), единица измерения которой - вольт.

ЭДС первых элементов была очень мала, но ее оказалось достаточно, чтобы исследователи открыли законы электрического тока. Основные законы постоянного тока установил в 1826г. немецкий физик Георг Ом. Закон Ома определяет силу тока ( I) в проводнике при данной ЭДС, (Е) источника тока и данных сопротивлениях источника ( r) и проводника (R):

I=E/(R+r).

Силу тока определяют величиной заряда, прошедшего через поперечное сечение ( q) проводника в единицу времени (t):

I=q/t.

Речь здесь идет о постоянном токе, при котором направление движения зарядов по проводнику не меняется.

Признаки электрического тока

О наличии электрического тока мы судим по разным признакам: по теплу, которое развивается в твердых проводниках (проволоку можно накалить до яркого свечения); по выделению вещества из раствора электролитов, по цветному свечению газов. Эти признаки называют частными, так как они сопутствуют току, проходящему через вещество; они положены в основу электроизмерительных приборов и устройств, очень распространенных в технике.

Например, ослепительное свечение раскаленного проводника привело А. Н. Лодыгина и Т. Эдисона к мысли создать электрическую лампочку. Выделение вещества при прохождении тока через электролит помогло М. Фарадею открыть законы электролиза, а Б. С. Якоби- заложить основы гальванопластики и гальваностегии. При этом глубже была исследована и природа электрического заряда. Электрический заряд наименьшей величины назван элементарным. Если вещество при электролизе одновалентно, то его грамм-атом будет выделен прошедшим через раствор зарядом, равным числу Фарадея:

F = N e,

где N - число Авогадро, F - число Фарадея, а е - элементарный заряд, величину которого можно вычислить так:

Это открытие указывает на связь электрического заряда с атомным строением веществ.

По количеству серебра, выделенного из раствора AgNO₃, впервые установили единицу измерения силы тока ампер.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Общий признак электрического тока - его влияние на магнитную стрелку - обнаружили при своеобразных обстоятельствах. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед во время лекции об электричестве и магнетизме заметил, что магнитная стрелка компаса уклоняется от своего направления. После лекции он установил, что вблизи от компаса находился провод, который соединял полюсы гальванического элемента. Как только элемент замыкался, стрелка меняла направление. Эрстед долго

204

размышлял над этим странным явлением, экспериментировал со стрелками и железными опилками, которые в момент замыкания располагались кругами вокруг провода (рис. 13). Наконец, в 1820 г. он установил связь между магнетизмом и электричеством. Затем было установлено, что магнетизм сопутствует току и в проводниках, и в электролитах, и в газах, а это значит, что действие на магнитную стрелку- общий признак электрического тока.

Французские физики Ж. Био и Ф. Савар осенью того же 1820 г. установили, что каждая часть проволоки с током действует на магнитный полюс. Это исследование привело к закону взаимодействия тока и магнитного полюса.

Число опытов, которые обнаруживали взаимодействие постоянного магнита с электрическим током, текущим по проволокам различной формы, быстро увеличивалось. Среди них привлекает внимание опыт, при котором электрический ток пропускали через катушку проволоки - соленоид. На концах катушки было обнаружено два противоположных полюса, ничем не отличавшиеся от полюсов магнита (рис. 14). Эти полюсы вступали с магнитом во взаимодействие. Полюсы появлялись даже при одном витке. Такой двухполюсный виток, помещенный вблизи магнита или проводника с током, вел себя подобно магнитной стрелке (рис. 15).

Другой опыт провел французский физик

Доминик Араго. Он поместил стальной стержень в стеклянную трубку, обмотанную медной проволокой, пропустил по проволоке ток - стержень намагнитился (рис. 16). Так была открыта возможность намагничивания при помощи электрического тока. Это открытие сыграло важную роль для выявления связи между электричеством и магнетизмом.

Андре Ампер, узнав об опытах Эрстеда, продолжил их и установил, что два параллельных проводника притягиваются друг к другу, если токи в них направлены в одну сторону, и отталкиваются, если токи направлены в противоположные стороны.

Опыты Ампера позволили обнаружить закон, определяющий величину и направление сил, которые действуют на проводник с током, если он помещен между полюсами магнита, т. е. в магнитном поле. Направление силы определяют с помощью известного из курса физики правила «левой руки» (рис. 17).

Амперу принадлежит гипотеза о сущности намагничивания. Он предположил, что причину намагничивания следует искать в существовании круговых молекулярных токов. Токи эти, подобно магнитным стрелкам, имеют два полюса и поэтому устанавливаются в направлении намагничивания.

Ученые встретили гипотезу Ампера благожелательно, но она многое не объясняла. Взять хотя бы наблюдения Фарадея над тем, как ведут себя между полюсами магнитов стержни из различных веществ. Их поведение позволило разделить все вещества на парамагнитные и диамагнитные. Стержни первых тел между полюсами устанавливаются вдоль силовых линий, стержни вторых - перпендикулярно к ним. Это явление объяснили позже, когда стало ясным строение атома.

Электромагнитная индукция

Майкл Фарадей родился в 1791 г. в семье бедного кузнеца, в предместье Лондона. Тринадцати лет он поступил в обучение к пере-

205

плетчику и каждую свободную минуту читал. Больше всего его увлекали загадки природы. В 1810-1812 гг. он прослушал курс лекций о естествознании, в том числе и лекции знаменитого химика Гемфри Дэви. В конце концов он решил оставить работу у переплетчика и попросил Дэви взять его к себе в помощники. Дэви предложил ему место лаборанта.

В 1813 г. Фарадей сопровождал своего учителя в поездке по Франции и Италии, познакомился там с крупными учеными. По возвращении он продолжал свою работу и вскоре стал блестящим экспериментатором и лектором. Образцом этих лекций служит «История свечи», которая читается с интересом и в наши дни. В 1824 г. Фарадей был избран членом Королевского общества, с 1825 г. стал директором лабораторий Королевского института.

Вначале Фарадей увлекался химией, но затем посвятил себя обессмертившим его имя опытам с магнитными и электрическими явлениями. Он приступил к этим опытам не сразу. Хотя он постоянно носил с собой магнитик, чтобы не забывать о том, что пора, давно пора заняться магнетизмом. Административная работа в Королевском институте долго отвлекала его от этого. Сообщения об опытах Араго заставили Фарадея, наконец, бросить другие занятия, и он принялся за эксперименты. К осени 1831 г. он получил электрический ток в проволоке под влиянием магнетизма и назвал новое явление электромагнитной индукцией.

В записной книжке Фарадея появился рисунок (рис. 18), снабженный таким описанием: «У меня было железное кольцо (из мягкого

железа) толщиною⁷ /₈ дюйма и с внешним диаметром 6 дюймов. Я обмотал медную проволоку много раз (вокруг железного кольца), причем одна половина обмотки была изолирована от другой посредством ниток и кусочков ситца; в моем распоряжении было три проволоки, каждая длиною в 24 фута: их можно было связать в одно или пользоваться каждой в отдельности... Назову одну сторону кольца А. Другая сторона В была обмотана двумя проволоками, общая длина коих равнялась 60 футам. Обороты А и В шли в одном и том же направлении. Я соединил проволоки в одну проволоку и привязал ее концы к медной проволоке, проходившей очень близко над магнитной стрелкой. Затем я замкнул электрический ток батареи посредством одной из проволок А. Магнитная стрелка мгновенно вышла из своего положения, стала качаться вперед и назад; вскоре, однако, она пришла в спокойное состояние, заняв первоначальное положение. Когда я затем прерывал ток, стрелка снова выходила из своего положения».

Фарадей сделал вывод: при намагничивании железного кольца, вызванного током в обмотке А, наводится (индуктируется) ток в обмотке В. Это легко обнаружить при помощи магнитной стрелки, расположенной вблизи медной проволоки, замыкающей обмотку В. Железное кольцо, как только потечет ток в обмотке А, становится магнитным, как и в опыте Араго. В этот момент в обмотке В возникает ток, который может быть обнаружен магнитной стрелкой, как в опыте Эрстеда. Обратите внимание, что опыты Эрстеда и Араго тесно переплетаются в новом опыте Фарадея.

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831 г., а в 1833 г. петербургский академик Э.Х. Ленц предложил правило, которое позволяет определить направление возбуждаемого электрического тока.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитные исследования Кулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов; исследования Ампера - закон взаимодействия проводников с токами, а также проводника с током и магнита. Величина силы F, действующей на помещенный между полюсами магнитов проводник с током, пропорциональна силе тока (/), длине проводника (l) и синусу угла между направлением тока и тем направлением, по которому устанавливается магнитная стрелка там, где расположен проводника

F = B 1 l sin a .

То, что в формуле участвует синус угла означает, что величина действующей силы зависит от ориентации проводника с током. Величина F будет

206

наибольшей, когда угол прямой. При этом sin a =1.

Некоторые из ученых объяснили взаимодействия магнитных полюсов, магнитного полюса и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствие магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия). Дальнейшие исследования подтвердили правильность второй точки зрения.

Магнитный полюс или проводник с током создают вокруг себя магнитное поле. В каждой точке этого поля его силовое действие на проводник с током характеризуют определенной величиной - наибольшей силой, с которой действует поле на проводник длиной в 1 м при силе тока в 1 а. Силовая характеристика магнитного поля называется индукцией. Согласно закону Ампера индукция В определяется отношением силы F на произведение силы тока / и длины проводника l.

Индукция - это вектор, направление которого в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением магнитной стрелки:

В = F/I l.

Магнитное поле удобно изображать графически при помощи силовых линий. Касательная к силовой линии указывает направление вектора индукции магнитного поля (рис. 19). Если в данном месте магнитное поле по

какой-либо причине изменится, это означает, что изменяются величина и направление вектора индукции.

В Международной системе единиц измерения для индукции поля установлена единица тесла. Эта единица названа в честь югославского ученого Николы Тесла. Она определяется величиной силы, действующей на электрический ток в 1 а при длине проводника в 1 м.

В этом томе есть специальная статья о системах измерения физических величин. И тем не менее здесь уместно рассказать о некоторых единицах Международной системы, имеющих отношение к электромагнитным явлениям.

В этой системе формулы, чаще всего употребляемые, записаны наиболее просто. Но это только внешняя сторона системы измерительных единиц. Существенное же в ней то, что в запись основных законов введены постоянные m₀ и e₀. Физическое содержание этих постоянных раскрыто в уравнениях Максвелла.

В Международной системе (СИ) 6 основных единиц и 2 дополнительных (см. ст. «Одна мера всему миру»).

Для описания механических явлений достаточно первых трех единиц этой системы измерений: метра, килограмма и секунды. Описание явлений, электрических и магнитных, требует четвертой единицы - силы тока. Эти четыре единицы позволяют выразить единицы всех физических величин, характеризующих электричество и магнетизм.

Основным законом магнитных явлений в системе СИ считается закон Ампера, который определяет силу взаимодействия прямых параллельных токов. Ампер рассматривал взаимодействие в воздухе, но величина силы не изменится, если влиянием воздуха пренебречь и представить себе явление происходящим в вакууме:

F=k(I₁  I/r)l,

где коэффициент k зависит от единиц измерения силы токов I₁ и I при расстоянии между ними r, длине проводников l и действующей на них силы F. Сила тока - основная единица. Она установлена на основании закона Ампера. Единица ее измерения - а (ампер).

Ампер - это сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками на каждый метр их длины силу взаимодействия, равную 210^-7 единиц силы, принятых в СИ (см. ст. «Всему миру единую меру»).

Если измерять все эти величины в единицах Международной системы, т. е. токи в амперах, расстояние и длину в метрах и силу в ньютонах, то коэффициент k будет равен 2 10^-7 .

Чтобы упростить остальные формулы электромагнитных измерений, в числитель и знаменатель этой формулы вводится коэффициент 4 p (формула, так сказать, рационализируется):

F =4 p 10^-7 (2 I₁ I /4 p r)  l.

207

Коэффициент 4 p 10^-7 обозначают как m₀. Закон Ампера при этом запишется так:

где m₀ = 4 p 10^-7 всек/ам. Это так называемая магнитная постоянная вакуума. Если токи поместить в магнетик, т. е. в среду, которая влияет на силу взаимодействия, сила эта изменится; ее изменение учитывается относительной магнитной проницаемостью среды. Эта величина ( m) показывает, во сколько раз по сравнению с вакуумом увеличится или уменьшится сила:

Рассматривая взаимодействие прямых параллельных проводников с током, из которых один создает магнитное поле, а другой испытывает на себе силовое действие поля, находим, что индукция магнитного поля, создаваемая прямым током I₁, равна:

Учитывая это, легко объяснить, почему силовые линии магнитного поля, которое вызвано прямым током, расположены по концентрическим окружностям вокруг проводника с током, как вокруг оси. Чтобы упростить вычисление индукции 5, которая создается токами различной формы, вводят новую характеристику магнитного поля - напряженность Н:

B = m m₀ H .

Напряженность магнитного поля Н специального названия не имеет, в Международной системе измеряется единицей а/м.

В явлении электромагнитной индукции, открытом Фарадеем, особое значение имеет понятие потока индукции. Поток определяется как произведение площади S, расположенной перпендикулярно к направлению поля, на величину вектора индукции В, т. е.:

Ф= BS.

В Международной системе поток индукции измеряется единицей вебер.

По правилу Ленца легко можно найти направление индуктированного тока. Ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле направлено противоположно изменению создавшего его магнитного потока.

Опираясь на закон сохранения энергии, немецкий ученый Герман Гельмгольц выразил закон Фарадея математически:

E_инд =- D Ф/ D t. .

Этот закон определяет величину ЭДС (электродвижущей силы), которая возбуждает электрический ток, наводимый изменяющимся потоком индукции D Ф за малый промежуток времени D t. Знак «минус» указывает направление тока, определяемое правилом Ленца. Электродвижущая сила измеряется в системе СИ в вольтах.

Генератор переменного тока

После открытия и исследования электромагнитной индукции стала очевидной возможность создать генератор, который сможет преобразовывать механическую энергию в энергию электрическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток проволоки относительно магнита.

Первый генератор электрического тока, построенный в 1832 г., был весьма несовершенен. Посмотрите на его изображение (рис. 20): вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковообразного магнита. Ток, создаваемый такой машиной, был не похож на ток от гальванического элемента - он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока, производимого гальваническим элементом.

По-иному был сконструирован другой генератор: рамка проводника вращалась между неподвижными полюсами магнита. Ее концы соединялись с двумя кольцами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих контактов подключалась электрическая цепь. На контактах колец возникал то «плюс» ,то «минус», что и означало генерирование переменной ЭДС.

То, что ток получался переменным, сочли

208

недостатком и принялись искать способ его выпрямить. Для этого прибегли к так называемому коммутатору. Во второй машине, например, оба конца рамки подсоединили к кольцу, которое разрезали пополам, и изолировали каждую половину слоем не проводящего ток вещества. Один скользящий контакт касался только того конца вращающейся рамки, на котором был «плюс», а второй контакт замыкался на «минусе». Но хотя ток в цепи и стал постоянным по направлению, его величина менялась с каждым полуоборотом рамки. Чтобы избежать резких изменений величины тока, увеличили количество рамок. Их концы подсоединили к диаметрально противоположным участкам разрезанного кольца-коллектора. Ток от такой машины тем более похож на постоянный, чем больше рамок на вращающемся барабане - роторе (неподвижные магниты в такой машине называют статором).

Униполярная машина. Рассмотрим движение проводника длиною L в плоскости, перпендикулярной направлению поля, когда один конец проводника неподвижен, а другой описывает окружность. Электродвижущая сила на концах проводника определяется формулой закона электромагнитной индукции:

E_инд =- D Ф/ D .

Изменение потока индукции (рис. 21) выразится произведением площади малого сектора D S, которую опишет проводник при вращении с угловой скоростью w за время D t, на индукцию магнитного поля В, в котором движется проводник:

D Ф= B D S = В ¹ /₂  L² w D t . Величина ЭДС выразится так:

E инд=⁻¹ /₂  B L² w .

Машина, работающая по этой схеме (рис. 22), может быть построена, если проводник заменить проводящим диском, который вращается относительно оси, расположенной параллельно магнитному полю.

Электрическую цепь следует подключить одним концом к оси диска, а другим - к его краю с помощью скользящего контакта. Машина эта называется униполярной, так как она генерирует ток одного направления.

ЭДС униполярной машины тем больше, чем больше индукция магнитного поля, радиус диска и угловая скорость вращения. Усилить индукцию магнитного поля постоянных магнитов нельзя, но их можно заменить катушкой проволоки и пропускать по ней постоянный ток; поток индукции, создаваемый катушкой, пропорционален силе протекающего в ней тока. Униполярная машина очень проста, но она в состоянии создать очень большую ЭДС и, значит, постоянный ток большой силы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Если размеры наэлектризованных тел по сравнению с расстоянием между ними малы, то величина силы, с которой они взаимодействуют, определяется законом Кулона. Трудность, как и в решении проблемы взаимодействия намагниченных тел, была связана с пониманием, как действуют заряды. И в этом случае одержала верх «теория близкодействия»: каждый из электрических зарядов возбуждает вокруг себя электрическое поле, которое оказывает действие на другой заряд.

Силовая характеристика электрического поля - напряженность. Она определяется силой, действующей на единичный положительный заряд в каждой точке поля:

E=F/q .

В Международной системе единиц (т. е. в системе СИ) сила F измеряется единицей н (ньютон), а заряд q - единицей k (кулон). У единиц напряженности электрического поля нет специального названия, она измеряется единицей н /k. Напряженность поля удобнее измерять единицей в/м, которая выводится из уравнений нм=дж и дж= k в.

209

Электрическое поле удобно изображать графически с помощью силовых линий; касательные, нанесенные в каждой точке этих силовых линий, определят направление вектора напряженности поля.

Теперь обратимся к электрическим явлениям. Для них основной закон - закон Кулона. Он определяет взаимодействие точечных зарядов в вакууме:

F=k q₁ q/r² ,

где k - коэффициент, зависящий от выбора единиц для измерения зарядов q₁ и q, расстояния между ними r и силы F, приложенной к каждому заряду.

При измерении этих величин в единицах Международной системы, т. е. зарядов в кулонах (асек), расстояния в метрах и силы в ньютонах, коэффициент k будет равен 9 10⁹, а формула приобретет следующий вид:

F = 9 10⁹ q₁ q / r² .

Введем в нее коэффициент 4 p так же, как это было сделано в формуле закона Ампера:

Заменив (1/36 p) 10⁹ обозначением e₀, получим

закон Кулона в рационализированой форме:

F = q₁ q /4 p e₀ r2,

где e₀ =(1/36 p) 10^-9 асек/вм. Эта величина называется электрической постоянной вакуума.

Если же поместить заряды в диэлектрик, т. е. в среду, которая влияет на силу взаимодействия, величина силы изменится и придется учитывать относительную диэлектрическую проницаемость среды e :

F = q₁ q/4 p e e₀ r² .

Рассматривая взаимодействие зарядов с точки зрения теории близкодействия (q₁ образует поле, a q испытывает его действие), находим напряженность электрического поля для точечного заряда:

Е= F/q=q1/4 p e e₀ r²

и находим силу, действующую на заряд в любой точке поля:

F =Е q .

Чтобы упростить вычисление силовой характеристики поля (Е), Максвелл ввел новую характеристику - D : электрическое смещение:

D = e e₀ E .

В Международной системе для D нет специального названия. Электрическое смещение измеряется единицей

асек/м, т. е. кулон/ м²

Таким образом, электрическое смещение можно рассматривать как характеристику образования электрического поля в среде, когда заряды, связанные в атомах и молекулах вещества, смещаются. Мера этого процесса - заряд, сместившийся через единицу поверхности.

Таким образом, в основные законы были введены две постоянные, характеризующие вакуум,- электрическая e₀ и магнитная m₀. При этом само понятие вакуума обогатилось новым содержанием, которое расширяет наше представление об отвлеченном безвоздушном пространстве.

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Новое содержание закона электромагнитной индукции

Джемс Клерк Максвелл родился в том же году, когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Через 30 лет Максвелл обогатил открытие Фарадея более глубоким физическим содержанием, а затем разработал теорию взаимосвязи электрических и магнитных явлений - теорию электромагнитного поля.

Изучая электромагнитную индукцию, Максвелл обратил внимание на то, что Фарадей не заметил. Его заинтересовала причина, порождающая ток в проводнике, когда магнитное поле изменяется. Он хотел понять, как и почему это происходит.

Ток - это перемещение свободных зарядов в проводнике. Они приходят в движение, лишь когда существует электрическое поле. А единственная возможность появления электрического поля связана в свою очередь с изменением магнитного поля, в котором находится проводник. Учитывая это, можно представить себе явление электромагнитной индукции так: при изменении магнитного поля вокруг него возникает вихре-

210

Джемс Клерк Максвелл.

вое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Обнаружить это электрическое поле проще всего с помощью витка проволоки, в котором возникает ток свободных зарядов.

Таким образом, ЭДС индукции определяется в законе Фарадея величиной работы сил электрического вихревого поля, которое возбуждается вокруг изменяющегося магнитного поля.

Скорость, с которой изменяется поток индукции магнитного поля, т. е. величина D Ф/ D t, измеряется в вольтах. Физическую сущность открытого Фарадеем явления Максвелл выразил кратко одним уравнением, которое носит его имя:

Эта формула записана символами высшей математики. Она означает, что силовые линии электрического поля вокруг изменяющегося потока индукции магнитного поля замкнуты, т. е. это вихревое поле.

Обратите внимание: линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Обнаружив способность изменяющегося магнитного потока создавать вихревое поле, Максвелл начал искать связь между электрическими и магнитными явлениями. У него появилась идея, что вихревое магнитное поле возникает вокруг изменяющегося потока электрического поля. Этот поток определяется произведением

площади 5, расположенной в данном месте, на величину вектора D (рис. 23), т. е,

N = DS.

Единица, которой измеряется поток вектора электрического смещения,- кулон. Поток N изменится, проходя через площадь S, лишь в том случае, если изменится вектор электрического смещения, т. е.

D N = D D S. Скорость изменения потока N определяется величиной D N / D t и измеряется амперами.

Изменяющийся поток электрического поля, по предположению Максвелла, создает вокруг себя магнитное поле, ничем не отличающееся от поля электрического тока. Его сила зависит от скорости, с которой изменяется поток электрического поля. Величину этой скорости Максвелл назвал током смещения:

I_см = D N / D t .

Гипотеза Максвелла о том, что вокруг токов смещения существует магнитное поле, указывала на связь между двумя полями. Она была подтверждена остроумным опытом московского профессора А. А. Эйхенвальда и стала теорией.

Понятие «ток смещения» стало равноправным с понятием «ток проводимости».

Оно позволило Максвеллу написать второе уравнение, которое связывало изменение потока электрического поля с возникающим вокруг него магнитным полем:

Из уравнений Максвелла следует, что связь электрического и магнитного полей обнаружи-

211

вается при их изменениях: изменяющееся магнитное поле порождает вокруг себя вихревое электрическое, а изменяющееся электрическое - вихревое магнитное поле. Совокупность двух переменных полей называется электромагнитным полем.

Математические исследования этой взаимосвязи Максвелл опубликовал в книге «Трактат об электричестве и магнетизме», которая вышла в 1873 г.

Электромагнитная природа света

Открытие взаимосвязи полей позволило по-иному увидеть многие из явлений природы. Но прежде чем рассказать об этом, напомним весьма кратко о волновых процессах в физических телах.

Всем известно, как создаются звуковые волны в воздухе. Вы хлопаете в ладоши, воздух уплотняется, и благодаря его объемной упругости уплотнение распространяется во все стороны. Скорость распространения зависит от свойств и состояния среды - от давления, плотности, теплоемкости. При распространении звуковой волны частицы воздуха приходят в движение - колеблются около положения равновесия по направлению распространения волны. Звуковые волны в воздухе называют продольными.

То же можно сказать и о распространении волн в жидкости: скорость распространения определяется физическими свойствами и состоянием среды, и прежде всего ее упругостью и плотностью.

В твердых же телах благодаря их упругости при растяжении, сжатии, сдвиге и кручении можно создавать и продольные и поперечные волны; скорость распространения волн определяется величиной упругости и плотностью твердого тела.

Таким образом, физическое содержание волнового процесса заключено в распространении местного возмущения среды (газообразной, жидкой или твердой) во все стороны благодаря тому или иному виду упругости.

Теперь вернемся к электромагнитному полю и к уравнениям Максвелла. Математические преобразования этих уравнений приводят к выводу, что даже в вакууме, т. е. в пространстве, где нет вещества в привычных для нас формах, распространяется электромагнитное возмущение. Изменяющийся поток индукции возбуждает вихревое электрическое поле; оно, изменяясь,

в свою очередь возбуждает вихревое магнитное поле. Процесс захватывает одну точку пространства за другой и распространяется во все стороны от места своего возникновения. Распространяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

Из уравнений, описывающих этот процесс, следует, что электромагнитное поле распространяется в вакууме не с бесконечной скоростью, так как она выражена через электрическую постоянную вакуума e₀ и магнитную постоянную вакуума m₀ :

Подставив значения постоянных

получим с величину скорости распространения электромагнитных волн в вакууме:

с = 310⁸ м/сек.

Если распространение происходит в какой-либо среде, то скорость зависит от относительной диэлектрической и магнитной проницаемости среды e и m :

Сейчас мы спокойно относимся к тому, что электромагнитное поле распространяется со скоростью в 300 000 000 м/сек, но в свое время эта величина произвела ошеломляющее впечатление на весь ученый мир. Она была несравнима ни со скоростью распространения упругих волн в воздухе, т. е. звука (330 м/сек), ни со скоростью их распространения в воде (1500 м/сек), ни со скоростью их распространения в твердом теле (5000 м/сек). Все эти волны наблюдали не раз, не раз вычисляли их скорости, но волны Максвелла никто не наблюдал - они появились из уравнений, среди которых только уравнение электромагнитной индукции считалось достоверным, а второе уравнение вытекало лишь из гипотезы.

С другой стороны, в ту пору была известна одна скорость, которая совпадала со скоростью волн Максвелла. Это - скорость света. Французские физики И. Физо (в. 1849 г.) и Ж. Фуко (в 1850 г.) измерили скорость света в земных условиях и получили результат, весьма близкий к 300000000 м/сек. Что же касается природы света, то общепризнанным было представление

212

о нем как об упругих волнах, распространяющихся в особой среде (эфире), которая заполняет весь мир и проникает во все тела.

Очевидное совпадение величин дало Максвеллу повод предположить, что свет обладает электромагнитной природой. Другим поводом для этого послужило открытое в 1846 г. Фарадеем явление: плоскость поляризации света вращается в магнитном поле.

Современники не приняли предположение Максвелла. Они требовали экспериментов, которые подтвердили бы тождественность электромагнитных и световых волн. В то время опыт уже считался единственным критерием истины.

В 1880 г. А. Майкельсон приступил к грандиозным экспериментам в измерении скорости света. Метод измерения он совершенствовал почти полвека и в 1927 г. получил наиболее точный, бесспорный результат (299 796+4 км/сек). Профессор Московского университета Н. А. Умов примерно в то же время пришел к выводу, что от источника упругая волна несет с собой в пространство энергию. Теоретические выводы Умова позволили голландскому ученому Пойтингу вычислить поток плотности энергии в электромагнитной волне. Тогда же казанский профессор Д. А. Гольдгаммер вычислил давление, которое должна была бы производить электромагнитная волна при падении на преграду.

Однако никто не проводил опыты с электромагнитными волнами, так как не известно было, как эти волны получать. Сталкиваясь на каждом шагу с этими волнами (при электрическом разряде, при включении цепей тока и т. д.), физики не связывали эти явления с работами Максвелла.

Но вот в 1889 г. немецкий физик Генрих Герц завершил блестящую серию опытов с неизвестным до того излучением, которое испускалось разрядником, соединенным с катушкой Румкорфа. Излучение хорошо принималось аналогичной системой.

Волновой характер излучения был проверен на таких известных свойствах упругих волн, как отражение, преломление, интерференция и дифракция. Эти опыты были проведены русским физиком П. Н. Лебедевым. Он же измерил величину давления света. Этот эксперимент завершил всю серию исследований, доказавших электромагнитную природу света.

Результаты опытов совпали с теорией Максвелла. Это доказывает, что излучение, открытое Герцом, не что иное, как электромагнитные волны, а свет - электромагнитные волны, воспринимаемые органами зрения.

Полная система уравнений Максвелла

В первоначальной теории Максвелла уравнения, устанавливающие связь между магнитным и электрическим полями, были довольно громоздкими. За математическими символами не сразу можно разглядеть физическую сущность явления, которое они описывают. И тем не менее Герц писал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такое чувство, будто в математических формулах есть самостоятельная жизнь, собственный разум - как будто они умнее нас, умнее даже своего автора, будто они дают нам больше, чем в свое время было в них вложено».

Герц придал уравнениям Максвелла четкую, математически и физически ясную форму, и их по справедливости называют уравнениями Максвелла - Герца. Они взаимосвязаны и выглядят в единицах Международной системы измерений так:

Это уравнение говорит о том, что вокруг изменяющегося потока индукции магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Это уравнение утверждает: магнитное поле вокруг тока, текущего по проводнику, ничем не отличается от того, которое возникает вокруг изменяющегося потока электрического смещения.

Это уравнение показывает, что силовые линии электростатического поля начинаются и оканчиваются на зарядах электричества либо уходят в бесконечность.

Это уравнение утверждает, что силовые линии магнитного поля замкнуты.

Это уравнение говорит, что плотность электрического тока в проводнике всегда пропорциональна напряженности электрического поля.

213

Два последних уравнения показывают связь между силовыми характеристиками электрического и магнитного полей с векторами электрического смещения и напряженности магнитного поля, с постоянными вакуума e₀ и m₀, с относительной проницаемостью e и m диэлектрической среды и магнитной среды.

Эти замечательные уравнения могут быть записаны и в дифференциальной форме, которая дает возможность выразить связь между электрическими и магнитными величинами в любой момент времени в какой-либо точке электромагнитного поля. Уравнения Максвелла - Герца позволяют решать самые разнообразные задачи в области электрических и магнитных явлений. В этом смысле они подобны законам Ньютона.

Учение о механических явлениях, построенное на законах Ньютона, называется классической механикой. Учение же об электрических и магнитных явлениях, построенное на уравнениях электромагнитного поля, называется классической электродинамикой.

ЭЛЕКТРОНИКА

Электронная природа тока в металле

Об элементарной частице - электроне - подробно рассказывается в статье «Элементарные частицы». Здесь же мы подчеркнем лишь то, что исследование свойств электрона позволило многое узнать о природе электромагнетизма. Именно его движение в проводнике и создает электрический ток.

Первым эту мысль высказал голландский физик Гендрик Лоренц. Электронную природу тока в металлах доказывает, например, опыт, предложенный советскими академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси.

Если металлическое кольцо быстро и равномерно вращать, то вместе с ним начнут вращаться и свободные электроны атомов металла (рис. 24). Что же произойдет, если резко остановить кольцо? Свободные электроны по инерции будут продолжать движение, и в кольце пройдет ток. Он создаст магнитное поле, и его можно легко обнаружить магнитной стрелкой.

Опыт Милликена

Электрическое поле действует на электрический заряд при любых обстоятельствах, движется он или покоится. Если он покоится, поле приведет его в движение, передав ему энергию.

Электрон обладает наименьшей долей электрического заряда. Какие бы тела мы ни зарядили и какой бы заряд им ни сообщили, заряд электрона будет общим наименьшим кратным всех электрических зарядов. Это экспериментально установили Фарадей - в явлении электролиза и Р. Милликен - в специальном опыте, подтвердившем атомистичность электрического заряда.

Опыт Милликена поразительно прост, а его результаты неопровержимы. Если электрически заряженная капля (например, масла) окажется в электрическом поле плоского конденсатора с горизонтальными пластинами, то ее движение будет обусловлено силой Ньютона, силой Архимеда, силой Стокса (сила вязкого трения, возникающая при движении капли масла в воздухе) и силой Кулона. Первые три силы для любой капли неизменны, а четвертую - силу Кулона - можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля между пластинами. Этим и воспользовался Милликен.

Силы Архимеда, Стокса и Кулона направлены противоположно силе Ньютона. Если сумма трех первых сил будет равна четвертой, капля останавливается, конденсатор отключается от батареи, электрическое поле, а с ним и сила Кулона выбывают из игры. Тем самым нарушается равновесие. Капля начинает двигаться с возрастающей скоростью. Но по мере возрастания скорости, в той же пропорции, увеличивается и сила Стокса. Через некоторое время, когда сумма сил Архимеда и Стокса сравняется с силой Ньютона, капля начнет двигаться равномерно. Зафиксировав время и пройденное каплей расстояние, можно определить ее скорость. На основе этой величины находят радиус капли, что в свою очередь позволяет измерить ее заряд.

214

Тысячи капель, десятки тысяч числовых значений электрических зарядов, которыми были заряжены капли, заносились изо дня в день в таблицу наблюдений. И если справедливо, что существует наименьшее значение электрического заряда, то должно быть и наименьшее кратное всех зарядов капель. Это число было найдено:

е =1,610^-19 кулона.

Сила Лоренца

Поместим проводник с током в магнитное поле. Он придет в движение. Силу, которая на него действует, -определил Ампер:

F_A = B 1 l sin a .

Если же угол а между направлением поля и тока в проводнике прямой, то выражение получает такой вид:

F_A = B I I.

Но что же надо считать первопричиной движения проводника с током в магнитном поле? Из чего складывается сила Ампера? Поле перемещает проводник, если в нем течет ток, а ток - движение электронов. Очевидно, сумма сил, действующих на каждый из движущихся зарядов, и есть сила Ампера. Лоренц определил силу, действующую на каждый электрон. Для этого он разделил силу Ампера на число электронов в проводнике:

F_Л = F_A / n = B I l /n.

В этой формуле В - индукция поля, I - сила тока, l - длина проводника и n - число электронов. Сила тока определяется в объеме проводника зарядом q, проходящим через сечение проводника в единицу времени: I=q/t .

Заряд q определяется произведением числа электронов я на заряд одного электрона е:

q = n e . Если в формулу Ампера подставить значение I, то

где v - скорость движения электрона в проводнике.

Теперь формулу Лоренца можно записать так:

Сила Лоренца перпендикулярна как вектору скорости электрона v, так и вектору индукции поля В. Из механики известно: если на движущееся тело действует сила, перпендикулярная направлению его движения, то это центростремительная сила - тело будет двигаться по кругу. Учтя это, можно сказать, что заряженная частица, попадая в однородное магнитное поле, направление которого перпендикулярно ее движению, будет двигаться под действием силы Лоренца по окружности.

Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Направление силы, действующей на заряд, всегда перпендикулярно его движению, а это значит, что она изменяет лишь направление движения, но не его скорость. Кинетическая энергия частицы остается без изменений.

Так как центростремительная сила - это сила Лоренца, т. е.

то, следовательно:

B e v = m v² / R .

Эта формула позволяет находить отношение заряда частицы к ее массе:

e/m=v/(B R).

Такое поведение движущегося заряда в магнитном поле дает возможность строить гигантские инструменты для проникновения в сокровенные тайны микромира - ускорители элементарных частиц. Электрическое поле ускоряет частицы, а магнитное поле возвращает их для повторения цикла.

Электрический момент

и поляризация диэлектрика

Два разноименных электрических заряда, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, называются электрическим диполем. Диполь характеризуют вектором электрического момента ( Р_э), который равен произведению одного заряда на расстояние между

зарядами, т. е. P^→_э =q l^→ . Вектор этот направлен от отрицательного заряда к положительному и в электрическом поле ориентируется (поворачивается) по направлению поля. Это явление называется поляризацией. Если поле

215

Рис. 25.

однородно, то его действие приводит диполь во вращение (рис. 25,а). Диполь в неоднородном поле не только поворачивается, но и смещается (рис. 25, б). Атомы и молекулы многих диэлектриков - диполи. Попадая в электрическое поле, они поляризуются. Однако поляризуются и те диэлектрики, атомы и молекулы которых недиполи, т. е. не обладают электрическим моментом: сначала силы поля разделяют заряды в атомах и молекулах этих веществ и превращают их в диполи, а затем диполи ориентируются в направлении поля.

Магнитный момент и намагничивание магнетика

Согласно модели Резерфорда - Бора в ядре атома есть положительный заряд, а вокруг ядра движутся отрицательные заряды - электроны. При своем движении каждый из электронов образует электрический ток, вокруг которого создается магнитное поле. Круговой ток равноценен маленькому магниту, который характеризуется вектором магнитного момента Р_м. Численно он равен произведению силы тока на площадь, обтекаемую им:

P_м ^→ = I S^→ .

Вектор магнитного момента направлен перпендикулярно к плоскости вращения электрона. Каждый из электронов атома движется по своей орбите, орбиты же лежат в разных плоскостях. Если векторы магнитных моментов сложить, получится результирующий вектор - орбитальный магнитный момент атома.

Из механики известно, что вращающееся тело обладает моментом количества движения. Если на тело не действует момент внешней силы, то момент количества движения сохраняется. Отсюда ясно, что и атом благодаря движению электронов вокруг ядра имеет механический момент количества движения. А так как

при этом образуются круговые токи, то существует и магнитный момент.

Существование магнитного момента доказывается опытом, который провели Эйнштейн и де-Гааз. Металлический цилиндр подвешен за ось так, что может вращаться. На цилиндр намотана проволока, концы которой соединены с электрическим генератором. Когда включают ток, цилиндр начинает вращаться. Это видно по движению светового пучка, который отражается зеркальцем, укрепленным на оси цилиндра. Какие же силы вращают цилиндр? При включении тока цилиндр намагничивается, т. е. магнитные моменты атомов ориентируются в металле по направлению магнитного поля, которое создается обмоткой. При этом у каждого атома вектор момента количества движения меняет направление, а значит, меняется и величина механического момента количества движения всех атомов. Согласно закону сохранения момента количества движения цилиндр не может оставаться в покое.

Опыт подтверждает, что в атомах существуют магнитные моменты, но результаты опытов не совпадают с теоретическими расчетами. Теоретически должны получаться меньшие величины. После тщательных поисков причину расхождения нашли. Электрон, двигаясь вокруг ядра, вращается, подобно Земле, и вокруг своей оси. Это вращение создает его собственный магнитный момент - спин. Таким образом, магнитный момент атома складывается как из орбитальных моментов его электронов, так и из их спинов.

Сумма векторов зависит от их направлений. Не исключено, что у атомов некоторых веществ, например у висмута, эта сумма равняется нулю. Вещество, у атомов которого магнитный момент равен нулю, называется диамагнетиком; если же магнитный момент у атомов отличается от нуля, вещество называется парамагнетиком.

Среди парамагнетиков выделяются ферромагнетики. В больших группах их атомов магнитные моменты даже в ненамагниченном состоянии вещества направлены в одну сторону (рис. 26, а). Намагничивание связано с ориентацией магнитных моментов вдоль поля. В обычном парамагнетике (рис.26, б) каждый магнитный момент устанавливается самостоятельно, а в ферромагнетике ориентируется целыми областями.

Что же касается диамагнетиков (рис. 26, в), то под действием магнитного поля на движущиеся заряды (сила Лоренца) электроны их ве-

216

щества приобретают добавочное движение; в результате этого возникает магнитный момент, направленный против поля. Поле выталкивает диамагнетик, и он устанавливается, как доказал Фарадей, перпендикулярно полю.

КВАНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Фотоэффект

Накануне XX века теорию электромагнитного поля постигла неудача. Г. Герц открыл новое физическое явление - фотоэффект. Это явление подробно исследовал русский физик А. Г. Столетов.

Фотоэлектрические опыты Столетова удивили и озадачили весь ученый мир. Удивление было вызвано действием света, т. е. электромагнитных волн на заряженную отрицательным электричеством металлическую пластинку. Закономерности, обнаруженные при этом, противоречили уже известным свойствам электромагнитных волн. Поэтому объяснить фотоэффект казалось невозможным.

Если освещать отрицательно заряженную металлическую пластинку, она разрядится. Это означает, что «свободные» электроны покинули металл. Если вылетевшие электроны попадут в электрическое поле положительно заряженной пластинки, соединенной с пластинкой освещаемой, то в цепи потечет ток. Этот ток назвали фотоэлектрическим. Вызвать его можно не всяким освещением. При одном цвете света (т. е. при одной длине электромагнитной

волны), как ни увеличивать его интенсивность, фотоэлектрического тока совсем нет. Зато при другом цвете по мере увеличения интенсивности света возрастает и ток. При этом обнаруживается зависимость фотоэффекта от металла пластинки. Каждому металлу соответствует определенная частота колебаний световой волны, при которой начинается эффект. Частоту эту назвали порогом фотоэффекта или «красной границей». Если частота электромагнитных колебаний света, которым освещают металл, больше порога, эффект наблюдается; если меньше, то, как ни увеличивать интенсивность света, эффект отсутствует.

Все это противоречило классическим представлениям о физических процессах. Если электрону нужна энергия, чтобы покинуть металл, то, казалось бы, чем выше интенсивность электромагнитной волны, тем больше она принесет энергии. А этого-то как раз и не видно у тех волн, частота которых меньше порога.

Объяснить порог фотоэффекта классическая электродинамика не смогла.

Гипотеза Планка

Сюрприз преподнесло решение задачи о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при заданной температуре. Задачу эту решали полвека, ею занималось целое поколение ученых. Но решить ее так, чтобы результаты измерения энергии на различных участках спектра совпали с формулой, не удавалось.

Различные тела поглощают электромагнитные волны по-разному. Физическое тело, поглотительная способность которого равна единице, т. е. тело, поглощающее все падающие на него лучи, называют абсолютно черным. Примером может служить зачерненная изнутри полость с небольшим отверстием. Сажа и черный бархат очень близки к абсолютно черному телу. Как это ни странно, всем требованиям, предъявляемым к абсолютно черному телу, отвечает Солнце - его поглотительная способность равна единице.

Ученые долго не могли решить задачу о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. По мнению немецкого физика Макса Планка, их неудачи были неизбежны, так как они считали, что электромагнитная энергия поглощается и излучается телом непрерывно. Планк же предположил, что атомы тела поглощают и излучают энергию определен-

217

ными порциями - квантами. Величина кванта поглощенной и излучаемой энергии пропорциональна частоте соответствующей волны:

e = h n .

Коэффициент пропорциональности (К) называют постоянной Планка: h= 6,6210^-34 джсек.

Теперь можно было и решить задачу. Формула Планка соответствовала результатам опыта. Вслед за этим решением возникла квантовая теория; Эйнштейн дополнил теорию Планка, предположив, что распространение света происходит квантами. Это объяснило закономерности фотоэффекта, обнаруженные в опытах Столетова.

Рассматривая с квантовой точки зрения поглощение волны, падающей на поверхность заряженного металла, Эйнштейн выразил закон сохранения энергии в явлении фотоэффекта так:

где mv²/2 кинетическая энергия электрона, вылетающего из металла, А - работа, затрачиваемая на его вылет. Если электроны не вылетают из пластинки, это означает, что квант энергии меньше А. Увеличение интенсивности приводит лишь к увеличению числа квантов, а не энергии в каждом кванте. Согласно квантовой теории на пороге фотоэффекта частота световой волны - это та частота, при которой квант энергии равен работе, затраченной вылетающим электроном:

n₀ =A/h.

Если же частота волны больше частоты порога, то кинетическая энергия вылетающего электрона будет равна разности между квантом энергии и работой вылета:

¹/₂ mv² = hν − A.

Так возникло представление о новых квантовых свойствах электромагнитного поля и, естественно, его видимого спектра - света.

Следующим успехом квантовой теории было то, что она объяснила спектры излучения атомов. Возьмем, например, спектр водорода. В нем видны линии, отстоящие друг от друга и объединенные в группы - серии. Каждая линия указывает на электромагнитную волну определенной частоты. Значит, атом при излучении волны отдает строго определенную энергию. В этом, собственно, и состоит квантовый характер излучения. Он выражается правилом частот Бора:

hν = E₁ - E₂,

где E₁ - энергия атома до излучения кванта энергии, E₂ - энергия атома после излучения, a ν - частота волны.

Квантовая теория обогатилась, таким образом, новым физическим содержанием. Она открыла те возможные значения энергии, которыми обладает атом. Не любые значения энергии может иметь атом, а только, как принято говорить, квантовые, так как энергия атома изменяется скачком.

Эта особенность побудила искать другие квантовые свойства атомов. Физики обратились к магнитному моменту атома. Опыт был прост. Узкий пучок атомов пропустили через магнитное поле. Пройдя поле, пучок разделился надвое. Магнитные моменты, следовательно, ориентированы двумя способами и имеют определенную величину, т. е. тоже оказываются квантованными.

Таким образом, квантовый характер электромагнитного поля отражает квантовые свойства излучающих его источников - атомов и молекул. Видимый свет стало возможным объяснить при помощи фотона - частицы, энергия которой равна кванту:

e =hν.

Так открылась двойственная природа света - волновая и корпускулярная. Каждое свойство объясняет определенный круг явлений. Они не исключают друг друга, а дополняют.

Квантовая электроника

В 1917 г. Эйнштейн обнаружил одно интересное явление, но, как ни странно, не придал ему особого значения. Когда пучок света проходит через слой вещества, он частично поглощается этим слоем. Луч света - это поток фотонов, энергия каждого из них равна кванту hν. Проходя через вещество, фотон встречается с его атомами и может быть ими поглощен. Число фотонов луча уменьшится, и вышедший из слоя пучок будет менее интенсивным. Но что произойдет с атомом, поглотившим фотон? Энергия его вырастет; он перейдет, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень. Но в таком возбужденном состоянии он будет находиться недолго, примерно 10^-7сек. Вернувшись в нормальное состояние, он отдаст полученную энергию - испустит фотон в лю-

218

бом направлении. На пути фотона встретится другой атом, с которым произойдет то же. Так поглощается свет веществом, атомы которого находятся в нормальном состоянии.

Иная картина наблюдается, когда атомы вещества возбуждены (именно это и отметил Эйнштейн). Фотон светового пучка, встречаясь с возбужденным атомом, не поглощается им. Более того, взаимодействуя с ним, он заставляет атом излучить фотон. Новый фотон неотличим от фотонов пучка ни энергией, ни направлением: он входит в общий поток, увеличивая в пучке число фотонов. Интенсивность светового луча, выходящего из вещества, становится больше интенсивности луча входящего. Атом же переходит в нормальное состояние. Излучение возбужденного атома под влиянием фотонов Эйнштейн назвал индуцированным.

Фотоны светового пучка, пропуская свет через активное вещество, будут взаимодействовать с возбужденными атомами и увеличивать количество себе подобных как по энергии кванта, так и по направлению распространения. По такому принципу действует квантовый усилитель. Возбуждение индуцированного излучения начинается в активном веществе квантового генератора «случайными фотонами», которые излучаются возбужденными атомами активного вещества при самостоятельном переходе в нормальное состояние. «Случайные фотоны», проходя через вещество, взаимодействуют с возбужденными атомами и порождают себе подобные фотоны. Количество фотонов индуцированного излучения начинает быстро увеличиваться.

Получать выходящий из вещества луч с более высокой интенсивностью можно, только возбуждая атомы вещества. Хотя поддерживать большое количество атомов в возбужденном состоянии нелегко, тем не менее такой эксперимент был осуществлен советскими учеными. В 1951 г. Комитет по делам изобретений зарегистрировал полностью разработанное открытие - усиление электромагнитных волн атомами среды, находящимися в возбужденном состоянии. Авторами открытия были В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева. Через несколько лет в СССР и в других странах начали конструировать квантовые генераторы радиоволн - мазеры и видимого света - лазеры (подробнее о них написано в статьях «Свет» и «Радио»). Эти генераторы испускают очень плотный концентрированный пучок монохроматических электромагнитных колебаний высочайшей интенсивности. Они обещают произвести целый переворот в технике связи, в обработке металла и, быть может, в передаче энергии.

На основе квантовой теории возникли квантовая электроника и радиофизика - наиболее перспективные и заманчивые отрасли экспериментальной физики, которые ведут свое происхождение от первых опытов с электромагнитным полем.

РАДИО

ВЕЛИКИЙ ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА

«Говорит Москва!» И миллионы людей во всех концах нашей страны, во всех уголках планеты слышат голос человека, говорящего в Москве.

Москва слышит голоса моряков, ушедших в далекое плавание, зимовщиков, исследующих Южный континент и Северный полюс... В далекой Якутии молодой врач должен делать сложную операцию; он не может ждать и не имеет права ошибиться, и ему помогает советом опытный коллега, находящийся за несколько тысяч километров...

Весь мир слышал голос первого космонавта Юрия Гагарина: «Полет проходит нормально!»

Все это - радио, великое чудо, созданное руками и гением человека. Это воплощенная мечта человечества, веками стремившегося говорить, слышать и видеть на расстоянии.

«Там-там-там...» - рокотали барабаны в джунглях. Это первобытное «радио» Африки несло важную весть от селения к селению.

На деревянных вышках в заокской степи один за другим вспыхивали костры. Их зажигали дозоры, предупреждающие о приближении воинственных кочевников. Костер на последней вышке видел дозорный Кремля, и вот уже над столицей гудел тревожный набат, созывая москвичей на защиту родного города...

Прошли века, и теперь важные для народа вести передает радио, спасает жизнь тысячам

219

людей, предупреждая их о непогоде, о штормах и буранах. При землетрясении у берегов Южной Америки рождается гигантская волна цунами, почти со скоростью звука двигающаяся на острова и Азиатский материк. Только радиоволны могут обогнать ее и вовремя предупредить людей об опасности.

Радио со спутников и космических станций сообщает нам важные данные о космосе: радиосигналы доносят до нас «голоса» Вселенной и расшифровывают тайны мироздания.

Изобретение радио решило сразу две проблемы - максимальную быстроту сообщений (300 000 км/сек) на любое расстояние и их передачу большому количеству людей. Ни у одного вида связи не было и нет такой громадной аудитории.

Радио - величайший триумф науки и техники. И радио - важнейшее средство научно-технического прогресса. Успехи в освоении космоса, в познании Вселенной, в раскрытии тайн микромира, в автоматизации были бы невозможны без радио и радиоэлектроники.

ПЕРВАЯ РАДИОГРАММА

Основы радио заложены величайшими открытиями науки XIX в. Первые из этих открытий сделал знаменитый английский физик Майкл Фарадей. Он положил начало представлению об электрическом и магнитном полях. Фарадей пришел к выводу, что электрическое и магнитное поля возникают в пространстве и распространяются на бесконечные расстояния с громадной скоростью. Соотечественник Фарадея - Джемс Максвелл развил его учение и создал теорию электромагнитного поля. Максвелл доказал, что любое изменение электрического поля влечет за собой изменение магнитного поля. Если по проводнику течет переменный электрический ток, вокруг него возникает электромагнитное поле и распространяется в пространство со скоростью света. Максвелл первым предположил, что и свет - это электромагнитное излучение.

В 1886-1889 гг. немецкий физик Генрих Герц открыл способ получать и обнаруживать электромагнитные волны. Он экспериментально доказал, что они распространяются со скоростью света, отражаются от металлических поверхностей, преломляются призмой из парафина и т. п.

Герц получал электромагнитные волны при помощи катушки Румкорфа в искровом промежутке между двумя шариками. Большое вогнутое металлическое зеркало, подобно прожектору, отражало эти волны пучком ко второму такому же устройству, служившему приемной антенной.

Когда в первом разряднике проскакивала искра, во втором появлялись маленькие искорки: электромагнитное излучение вызывало в приемном резонаторе появление высокочастотного электрического тока. (Подробнее о работах Фарадея, Максвелла и Герца см. в ст. «Электромагнитное поле»).

Герц не оценил значение сделанного им открытия. Он заявил, что не видит для него практического применения. Но всего через 10 лет это, казалось бы, не подающее надежд дитя, подобно андерсеновскому гадкому утенку, заставило говорить о себе весь мир. А еще через 20 лет оно само разносило голоса людей по всей планете. Изобретатель радио А.С. Попов доказал, что электромагнитные волны могут быть применены для передачи сигналов через пространство.

В опытах Герца, которому удавалось обнаруживать электромагнитные волны всего в 2-3 м от их источника, Попов увидел принципиальную возможность принимать их на любом расстоянии.

В своем первом радиоприемнике Попов использовал в качестве обнаружителя электромагнитных волн когерер, изобретенный незадолго до этого (рис. 1).

Рис. 1. Когерер в грозоотметчике А. С. Попова. На рисунке для наглядности полоски платины раздвинуты.

Когерер - это стеклянная трубка, наполненная металлическими опилками. При прохождении электромагнитных волн опилки слипаются друг с другом, и их сопротивление электрическому току резко падает. В приемнике Попова ток, начинавший течь при прохождении электромагнитных волн через когерер, включал электрический звонок. После приема сигнала молоточек электрического звонка встряхивал когерер, восстанавливая его высокое сопротивление.

220

В 1896 г. Попов продемонстрировал свой радиотелеграф (рис. 2), передав без проводов первую в мире радиограмму: «Генрих Герц». Передатчиком был вибратор Герца, который приводился в действие телеграфным ключом; в приемнике когерер включал телеграфный аппарат, который записывал сигналы азбуки Морзе на ленту. Дальнейшее усовершенствование радиотелеграфа позволило Попову осуществить связь между кораблями в море. В 1901 г. Попов организовал радиосвязь потерпевшего аварию броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» с Кронштадтом, и одна из первых радиограмм спасла жизнь рыбакам, унесенным в море на льдине, сообщив о бедствии с корабля на берег.

Значительную роль в развитии радио сыграл итальянец Маркони. Он разработал новые конструкции передатчиков и приемников и в 1921 г. впервые осуществил регулярную радиосвязь между Европой и Америкой.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Радиоволны, как и свет, - это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью 300 000 км/сек. Они переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т. е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное поле возникает при электрических колебаниях и в контуре, т. е. в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности. При каждом изменении направления электрического тока в контуре вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, а оно, согласно теории Максвелла, обязательно рождает и электрическое поле. Замкнутые силовые линии полей как бы отрываются от пластин конденсатора и отправляются путешествовать в пространство.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой им энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока, а следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах. Один герц ( гц) - это одно колебание в секунду; мегагерц ( Мгц) - миллион раз в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Частоте в 1 Мгц соответствует длина волны 300 м. Световым колебаниям соответствуют длины волн от 0,4 до 0,8 мк.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух и космическое пространство. Но если им встретится металлический провод - антенна - или любое проводящее тело, они отдают ему свою энергию, вызывая в этом проводнике переменный электрический ток той же частоты. Однако часть электромагнитных волн отражается от поверхности проводников. На этом основано их использование в радиолокации.

Замечательная особенность электромагнитных волн, как и всяких волн,- это их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Если же тело больше, чем длина волны, оно

221

может отразить ее. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше 10 м.

Энергия, которую приносят электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и от расстояния до него. Поток энергии, проходящей через единицу площади, прямо пропорционален мощности передатчика и обратно пропорционален квадрату расстояния до него. Для примера укажем, что поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхности Земли достигает 1 квт/м², а потоки энергии широковещательных радиостанций - всего тысячные и миллионные доли ватта на 1 м² .

Радиоволны, т. е. электромагнитные волны, используемые сейчас в радиотехнике, занимают область, или, как говорят ученые и инженеры, спектр, электромагнитных волн длиной от 10 тыс.м (30 кгц) до 1 мм (300 тыс.Мгц).

Это только часть обширного спектра электромагнитных волн (см. цвет. табл. у стр. 193). Свет и радиоволны, тепловые и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи и грозные гамма-лучи - у всех у них одна и та же природа. Это электромагнитные колебания, различающиеся только длиной волны.

За радиоволнами (по убывающей длине волны) следуют тепловые, или инфракрасные, лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, а за ним размещается спектр ультрафиолетовых лучей, на которые наш глаз уже не реагирует. Их можно обнаружить с помощью фотопластинки. За ультрафиолетовыми следуют рентгеновские лучи. Они обладают свойством проникать сквозь такие тела и предметы, которые совершенно непроницаемы для лучей видимого света. Они проходят сквозь ткани человеческого тела, дерево и даже металлы. Еще дальше лежит область гамма-лучей; их испускают при распаде ядра атомов радиоактивных веществ.

Границы между областями спектра намечены условно. Эти области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях даже перекрывают друг друга.

Общепринято делить спектр радиоволн, применяемых в радиовещании, на четыре области:

Волны Частота Длина волны

Длинные - от 0,1 до 0,4 Мгц от 3000 до 700 м

Средние - от 0,5 до 1,5 Мгц от 600 до 200 м

Короткие - от 3 до 25 Мгц от 100 до 11 м

Ультракороткие - до 100 Мгц от 10 до 1 м

Кроме метровых волн, диапазон ультракоротких волн (УКВ) включает также дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны. Для радиовещания отведены участки:

Длинные волны- 2000 - 750 м

Средние волны - 600-180 м

Короткие волны - 80- 10 м

Ультракороткие волны - 10-5 м

Это так называемые вещательные диапазоны. Другие участки радиоспектра предназначены для радиотелефонной связи, для радиосвязи с самолетами, радиомаячной, морской и других специальных радиослужб.

На волне 600 м передается знаменитый сигнал « SO S» - сигнал бедствия. На этой волне работают только аварийные передатчики.

Короткие волны служат для дальних связей. На метровых волнах ведут телевизионные передачи. Дециметровые и сантиметровые волны используют радиолокация, радионавигация, радиогеодезия. Миллиметровые волны в последнее время все шире применяются в радиолокации. Используются они и в специальных, физических исследованиях.

КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны могут излучаться через антенну в пространство и распространяться без проводов в виде энергии электромагнитного поля. Однако волны различной длины распространяются не одинаково и требуют антенн различных размеров.

Земля представляет собой проводник электричества, хотя и не очень хороший. Радиоволны, проходя лад Землей, возбуждают в ней электротоки. На создание этих токов тратится часть энергии, и радиоволны постепенно ослабевают; чем волна короче, тем больше она поглощается Землей.

Радиоволна ослабевает еще и потому, что энергия, излученная передатчиком, расходится во все стороны пространства, и, чем дальше от передатчика, тем меньше приходится энергии на такую же площадь, тем меньше энергии может принять одна антенна.

Передачи длинноволновых станций можно принимать на расстояниях до нескольких тысяч километров, причем громкость приема уменьшается плавно, без скачков (рис. 3). Средние волны распространяются в пределах тысячи километров. Ночью слышимость средневолновых станций резко возрастает. Что же

222

Рис. 3. Распространение радиоволн в тропосфере.

касается коротких волн, то энергия их резко убывает по мере удаления от передатчика.

Не удивительно поэтому, что в первые годы развития радиотехники для дальней связи применяли волны длиной от 1 до 30 км. Волны короче 100 м считались непригодными для дальней связи и их отвели радиолюбителям.

Однако, после того как ученые глубже исследовали свойства коротких и ультракоротких волн, оказалось, что они быстро затухают, лишь когда идут у поверхности Земли. Распространяясь вверх под большим углом к горизонту, короткие волны не уходят в пространство,

а возвращаются обратно. Объясняется это свойствами атмосферы. Она состоит из тропосферы, стратосферы и ионосферы. Верхний слой - ионосфера - отражает короткие волны и помогает нам использовать их для дальней радиосвязи.

Это свойство ионосферы было обнаружено почти случайно. В 1921 г. один французский радиолюбитель принял на волне 20 м передачу маломощной американской радиостанции. Так, между Европой и Америкой был переброшен первый коротковолновый «радиомост». А меньше чем через год уже была установлена двухсторонняя радиосвязь через Атлантический океан.

Секрет дальнодействия коротких волн заинтересовал физиков. Еще в 1902 г. американский ученый Кеннеди и английский ученый Хевисайд высказали предположение, что на большой высоте должен быть слой воздуха, отражающий радиоволны. Сверхдальняя любительская радиосвязь подтвердила эту догадку, а современная наука точно установила наличие ионизированных слоев воздуха, отражающих радиоволны.

Процесс распространения коротких волн протекает так. Отразившись от ионосферы, они возвращаются к Земле далеко от источника, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны» (рис. 4). Но, пропутешествовав к ионо-

Рис. 4. Распространение коротких и ультракоротких радиоволн. В местах падения луча на Землю - зоны слышимости, между ними - «мертвые» зоны.

223

сфере и обратно, волна не успокаивается. Коснувшись Земли, она отражается от ее поверхности и вновь устремляется к ионосфере, снова отражается и т. д. Так, многократно отражаясь от ионосферы и земли, она может несколько раз обогнуть земной шар.

Установлено, что угол отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем дальше от источника посылает ее ионосфера. Но эта зависимость верна лишь для волн длиною до 8-15 м. Более короткие волны ионосфера не отражает: они пронизывают ее насквозь и безвозвратно уходят в космическое пространство.

Эти ультракороткие волны ближе всех других радиоволн стоят к световым лучам и кое в чем напоминают их. Они почти не огибают земную поверхность и распространяются прямолинейно, в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но у них есть и преимущества для радиосвязи.

Поскольку они распространяются в пределах прямой видимости, радиостанции, работающие на УКВ, можно строить в 150-300 км друг от друга - взаимного влияния между ними не будет. Иными словами, одна и та же частота может быть многократно использована для радиопередач с соседних станций.

Но не только это позволяет работать на ультракоротковолновом диапазоне очень многим станциям. Волны длиной от 10 до 5 м охватывают полосу частот от 30 до 60 Мгц, т. е. полосу в 30 Мгц. Длинные и средние волны- от 2000 до 200 м - соответствуют частотам от 0,15 до 1,5 Мгц, т. е. занимают полосу частот всего в 1,35 Мгц. Во всем диапазоне УКВ можно расположить в 1000 раз больше радиостанций, чем в диапазонах длинных, средних и коротких волн, вместе взятых.

Ультракороткие волны близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен прожектор. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с радиоволнами УКВ-диапазона. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для длинных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры: диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны. Эта особенность УКВ позволила использовать их в первую очередь для радио-

локации, радиорелейной связи, телевидения- везде, где нужно направленное излучение.

И еще одно свойство выгодно отличает УКВ - малые помехи в радиоприеме. Этим свойством, в частности, объясняется, что в последние годы даже дешевые приемники снабжаются наряду с обычными диапазонами одним или несколькими ультракоротковолновыми.

Самые короткие волны радиоспектра - миллиметровые - распространяются так же, как и УКВ, но сильно поглощаются атмосферой. Для волн короче 1 см туман, дождь, облака - уже серьезные помехи, сильно ограничивающие дальность распространения.

Таким образом, волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его особенности.

СХЕМА РАДИОСВЯЗИ

Схема радиосвязи очень проста (рис. 5): электрические колебания в антенне радиопередатчика вызывают электромагнитные колебания - радиоволны, распространяющиеся в пространстве. Достигнув антенны приемника, они наводят в ней переменный электрический ток. В первом приемнике Попова мощности передатчика хватало на то, чтобы когерер обнаруживал электромагнитное поле на расстоянии до 40 км. Для больших расстояний нужно было бы увеличить мощность передатчика. Но увеличение мощности передатчиков имеет экономические и технические пределы, поэтому радиотехника стремилась увеличить чувствительность приемников. В них стали применять усилитель электрических колебаний тока, вызванного в антенне.

Замечательным свойством радиоволн оказалась возможность их модуляции, т. е. передачи с их помощью звуковых частот (см. стр. 233). Конечно, принципиально можно передавать электромагнитные колебания, соответствующие звуковым частотам, но их излучение и прием связаны с большими техническими трудностями.

КАК НАСТРАИВАЮТСЯ НА ВОЛНУ

Для того чтобы множество станций могло вести передачи, не мешая друг другу, каждой из Них выделена строго определенная частота или длина волны. А чтобы принять одну из этих

224

Рис. 5. Приемник прямого усиления. Радиоволны идут от антенны передатчика к антенне приемника, затем через колебательный контур - к усилительной лампе, детектируются диодом и подводятся к динамику громкоговорителя.

передач, в приемнике есть специальное устройство - колебательный контур (рис. 6). Он представляет собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Катушка (ее иногда называют индуктивностью) - это свитый в спираль провод, а конденсатор - близко расположенные металлические пластины, на которых можно собирать заряды и накапливать, таким образом, электрическую энергию.

Если присоединить батарею к пластинкам конденсатора, на нем появятся электрические заряды. Пластина, соединенная с отрицательным полюсом, зарядится отрицательно, а соединенная с положительным - положительно. На пластинах появится электрическое напряжение, которое будет возрастать, пока не сравняется с напряжением батареи. Тогда конденсатор окажется заряженным до предела, соответствующего его электрической емкости, т. е. способности запасать электрические заряды. Чем больше емкость конденсатора, тем больше зарядов «войдет» в него при данном напряжении, тем больше электрической энергии сосредоточится в электрическом поле между пластинами.

Запасенная энергия останется в конденсаторе и после отключения батареи. Если заряженный конденсатор присоединить к катушке индуктивности, запасенная энергия вызовет протекание электрического тока через катушку: по ней потечет разрядный ток конденсатора.

Вокруг всякого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Появляется оно и вокруг катушки. Электрическая энергия конденсатора превращается в катушке в магнитную энергию электрического тока. В тот момент, когда конденсатор разрядится, магнитное поле достигает наибольшего значения и начинает убывать, пронизывая витки катушки.

Энергия, запасенная магнитным полем, разумеется, не может исчезнуть бесследно, она должна перейти в другой вид энергии. Согласно закону магнитной индукции, уменьшающееся

Рис. 6 Колебательный контур и его условное обозначение на радиосхемах.

225

магнитное поле катушки создает в ней электродвижущую силу, которая препятствует исчезновению поля. Эта сила создает ток, который начинает снова заряжать конденсатор. Но этот зарядный ток будет течь уже в обратную сторону. Конденсатор вновь зарядится, но его пластины как бы поменяются местами: положительная зарядится отрицательно, отрицательная- положительно. Зарядившийся конденсатор снова начнет разряжаться через катушку. Однако разрядный ток в цепи потечет уже в другом направлении. Вокруг катушки появится магнитное поле, и процесс повторится в той же последовательности.

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, называется замкнутым колебательным контуром. В нем происходит периодическое перемещение электрических зарядов (т. е. движение тока) в противоположных направлениях. Конечно, со временем колебания тока в контуре прекратятся подобно тому, как постепенно затухают колебания маятника. Ведь провода, из которых сделан контур, обладают электрическим сопротивлением. Часть энергии при каждом колебании затрачивается, чтобы преодолеть это сопротивление, и превращается в тепло. Это основная причина энергетических потерь в контуре.

От чего же зависит частота электрических колебаний в контуре? Период колебания маятника, например, связан с его длиной. Чем больше длина, тем больше период, тем медленнее качается маятник. В часах ходиках, например, период равен 0,5 секунды, а самый большой маятник, подвешенный под 100-метровым куполом Исаакиевского собора в Ленинграде, совершает полное колебание за 20 секунд.

В электрическом контуре частота колебаний определяется величиной емкости конденсатора и индуктивности катушки. Чем больше число витков в катушке, тем меньше при данном диаметре ее индуктивность, тем быстрее изменяется сила тока в контуре. Чем меньше емкость конденсатора (рис. 7), тем меньше времени нужно на его разрядку и зарядку. Меняя величину емкости или индуктивности, легко настроить контур на любую частоту.

Колебания в электрическом контуре могут совершаться неизмеримо быстрее, чем качается самый короткий маятник. Перезарядка конденсатора с малой емкостью происходит за тысячные и миллионные доли секунды. Это значит, что частота колебаний в контуре - тысячи и миллионы раз в секунду, т. е. тысячи и миллионы герц.

Рис. 7. Конденсатор с переменной емкостью.

В электрический контур можно вводить энергию извне. Для этого нужно воздействовать на контур внешней периодической силой, т. е. переменной электродвижущей силой какой-то определенной частоты. Такие колебания, вызванные действием внешней силы, называются вынужденными колебаниями.

Если частота вводимой в контур электродвижущей силы совпадает с частотой колебаний контура, возникает явление резонанса - амплитуда колебаний достигает наибольшей величины. При этом не надо увеличивать амплитуду подводимого колебания; нужно только, чтобы частота подводимых колебаний равнялась собственной частоте контура. Именно это явление и позволяет настраивать приемник на определенную волну и выделять нужную станцию среди огромного количества других.

Попробуем пояснить физическую сущность этого явления сначала на примере маятника. Чтобы маятник не останавливался, нужно подталкивать его в такт его собственным колебаниям. Даже если каждый толчок очень слаб, он передаст маятнику небольшую порцию энергии, но постепенно маятник можно раскачать очень сильно.

Так же можно «раскачать» и электрический контур, если подавать в него энергию в такт его собственным колебаниям. Из электрических колебаний различных частот контур выделит только нужную, свою частоту (рис. 8), так как лишь она вызовет явление резонанса. Из слабых «подталкиваний» контур постепенно соберет, накопит значительную энергию. Контур не сможет, конечно, собирать «толчки» и увеличивать амплитуду колебаний беспредельно. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем больше амплитуда тока, тем больше потери, тем больше энергии рассеивается в виде тепла.

226

Каждый контур способен усиливать не одну частоту, а целую полосу частот, но чем выше его качество, или, как говорят, добротность, тем уже эта полоса. Если в паспорте приемника записано, что полоса пропускания 6 кгц, а мы настроились на волну 1500 м (200 кгц), то приемник примет все частоты от 197 до 203 кгц. Расстояние между вещательными станциями, как правило, 9-10 кгц. Поэтому, принимая полосу в 6 кгц, мы все же слышим лишь одну передачу. Правда, случается, что в приемнике слышны сразу две передачи. Это значит, что контур приемника плохо разделяет частоты, что у него недостаточная избирательность.

Рис. 8. Колебательный контур «пропускает через себя» волны той частоты, на которую он настроен.

АНТЕННА И ПРИЕМНИК

Сигналы - электромагнитные волны - улавливает антенна. Чаще всего она состоит из куска провода. Принципиально это тоже колебательный контур, но резонансные свойства его выражены слабо, добротность низка. Через этот контур пройдут, не ослабляясь, сигналы всех радиовещательных станций.

Высокочастотное поле радиосигнала наводит в антенне токи высокой частоты, отсюда они поступают на входной контур. Этот контур выделит из хаоса частот узкую полосу, на которую он настроен.

Энергия сигналов, выделенных входным контуром приемника, а следовательно, и напряжение, возникающее на нем, весьма малы. Их недостаточно, чтобы привести в действие громкоговоритель. Только очень близкие и мощные радиостанции вызовут в приемном контуре достаточно сильные электрические колебания.

Чтобы преобразовать колебания принятого сигнала в электрические колебания звуковой частоты, которые приведут в действие громкоговоритель, их необходимо усилить (часто в тысячи и миллионы раз), а затем выделить из высокочастотных колебаний ту звуковую частоту, которую радиоволны принесли «на себе».

КАК УСИЛИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

Мощность, потребляемая громкоговорителем радиоприемника или кинескопом телевизора, достигает 10-30 вт. Такую мощность сигнал радиостанции доставить не может. Дополнительная энергия доставляется по электрической сети или от батарей, которыми питается приемник. Слабые электрические колебания во входном контуре управляют выключением батареи. Одним словом, усилить электрические колебания - это значит использовать их энергию для включения и выключения источников питания. Хотя энергия колебаний и очень мала, она достаточна, чтобы привести в действие переключатель.

В жизни мы сплошь да рядом встречаемся с подобными явлениями. У автомобиля мощный двигатель, он может везти десятки тонн груза. Шофер управляет двигателем автомобиля, включая сцепление. По сравнению с силой двигателя сила шофера мала, но ее достаточно, чтобы «включить» могучую машину. Электрические колебания входного контура, управляющие включением батареи, играют роль шофера.

Входной контур управляет включением батареи, включая ее столько раз в секунду, сколько совершается колебаний в нем самом. Иными словами, в цепи управляемого источника тока создаются электрические колебания, частота которых та же, что и у управляющих колебаний, а мощность гораздо больше. Такое использование слабых электрических колебаний и называется усилением.

СРЕДСТВО УСИЛЕНИЯ - РАДИОЛАМПЫ

В современных приемниках роль усилителя играют радиолампы. Но так было не всегда. Для приема близких и мощных радиостанций можно построить приемник и без усилительных ламп. Если во входном контуре развиваются достаточно мощные электрические колебания, то, выпрямив этот высокочастотный переменный ток и включив в его цепь телефон, можно услышать радиопередачу. Так и

227

Рис. 9. Схема и внешний вид детекторного радиоприемника на три программы.

работали первые приемники (рис. 9). Электрические колебания контура пропускались через детектор - кристалл сернистого свинца - галенита. Этот кристалл выпрямляет переменный электрический ток.

Детектор был очень капризен. Чтобы он начал работать, нужно было тонкой, заостренной на конце проволочкой найти на кристалле точку, в которой он обладает наибольшей чувствительностью. Точку приходилось каждый раз искать заново.

В 1883 г. знаменитый американский изобретатель Томас Альва Эдисон экспериментировал с пустотной лампой накаливания - прообразом обычной электрической лампочки. В то время такие лампы еще не наполнялись инертным газом. Чтобы предотвратить перегорание нити накала, из них откачивали воздух до возможно большой степени разряжения.

В одном из опытов в стеклянный баллон лампы была впаяна, кроме нити накала, металлическая пластинка (рис. 10). Совершенно случайно подключив положительный полюс батареи к пластинке, а отрицательный - к нити накала, Эдисон заметил, что через пространство между нитью и пластинкой течет электрический ток. Неожиданное открытие взволновало и заинтересовало Эдисона, но объяснить его физическую сущность и применить на практике он так и не смог.

Почему ток при этих условиях течет через безвоздушное пространство? Вещество, как вы знаете, состоит из атомов. В центре каждого

атома расположено ядро. Его окружает одна или несколько электронных оболочек. Ядро заряжено положительно, а каждый электрон несет отрицательный заряд. В целом атом нейтрален, так как отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Но электроны не связаны с атомом неразрывно - при известных обстоятельствах они могут его покидать. Тогда в потерявшем электрон атоме появится избыток положительного заряда.

Особенно легко расстаются с электронами атомы металлов. Остов их кристаллической решетки состоит из ионов, между ними беспорядочно движутся свободные электроны. Чтобы свободный электрон мог «выскочить» из металла, он должен преодолеть притяжение положительно заряженных ядер или ионов, составляющих кристаллическую решетку, Металл, из которого вылетел хоть один электрон, становится положительно заряженным и начинает притягивать электрон обратно. Чтобы преодолеть это притяжение, свободный электрон должен обладать достаточной энергией. Такую

Рис. 10. Схема эдисоновского опыта с пустотелой лампой накаливания.

228

энергию он получает, например, когда проводник нагревается. При нагревании скорость движения электронов увеличивается, растет запас их кинетической энергии, и при определенной температуре ее уже оказывается достаточно, чтобы преодолеть силы, удерживающие электрон внутри металла. Сначала вылетают наиболее быстрые электроны, и чем выше температура, тем все больше электронов покидает проводник.

Процесс испускания электронов, происходящий при нагревании проводников, носит название термоэлектронной эмиссии. В металлах заметная эмиссия электронов начинается при температуре 2000°Ц. Правда, далеко не каждый металл выдерживает такую температуру, не плавясь! Но есть и тугоплавкие. Вольфрам, например, при температуре белого каления (2200°) еще достаточно прочен.

Первые радиолампы потому и назывались лампами, что они светились не хуже обычных осветительных. Это и понятно: ведь нужно было обеспечить хорошую эмиссию. Свечение электронной лампы не мешает эмиссии, но на нагревание нити до белого каления идет слишком много электроэнергии, такие лампы неэкономичны. Поэтому очень важно было повысить эмиссионную способность нагретой нити. Раньше для этого добавляли к вольфраму торий или барий, а сейчас нить покрывают соединениями окислов бария, стронция или других металлов. Все эти меры облегчают выход электронов из металла, и термоэлектронная эмиссия начинается при более низких температурах - при 500-700° Ц.

В современных радиолампах часто используют подогревный катод. Он представляет собой трубочку, внутри которой протянута нить, накаленная электрическим током.

Самое важное условие высокой эмиссии при нагревании - это вакуум. Если бы Эдисон не откачал из лампы воздух, он едва ли заметил бы, что от пластинки к нити течет ток. Вырываясь из раскаленного металла, электроны сразу встретились бы с атомами и молекулами воздуха, быстро потеряли бы свою энергию и не добрались бы до пластинки. Поэтому нить, испускающую электроны, помещают в стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух. Давление в баллоне в несколько миллиардов раз меньше атмосферного, и электроны распространяются здесь практически беспрепятственно. Из миллиона электронов только один может встретиться с молекулой газа.

Рис. 11. Схема работы диода.

Простейшая радиолампа - диод (рис. 11) - состоит из раскаленной нити, испускающей электроны, и пластинки, помещенной на их пути. Нить - это катод, пластинка - анод. К катоду приложено отрицательное напряжение, к аноду - положительное. Если диод включен в цепь переменного тока, он пропускает ток только в одном направлении, т. е. работает в те периоды, когда к аноду приложено положительное напряжение. Когда же к аноду подведено отрицательное напряжение, диод оказывается «запертым» и ток через него не проходит.

Как правило, напряжение в цепях переменного тока изменяется строго периодически: отрицательные и положительные полупериоды следуют друг за другом через равные промежутки времени. Изменения переменного напряжения обычно изображают синусоидой - кривой, которая очень напоминает волну.

Процессы, происходящие в диоде, нагляднее всего можно представить графиком. На рисунке 12 изображена синусоида напряжения, которое подается между анодом и катодом диода. Ток течет через прибор, включенный в цепь диода, только когда к аноду лампы приложены положительные значения напряжения. На втором графике видно, что этот ток пульсирующий, он течет только в одном направлении, но напряжение его меняется и даже прерывается

229

Рис. 12. Диод выпрямляет переменный электрический ток.

Даже небольшое положительное напряжение «открывает» диод, так как и без приложенного напряжения через диод течет при достаточной эмиссии «начальный» ток, правда очень небольшой.

Настоящую революцию в радиотехнике совершила другая лампа, появившаяся вслед за диодом. В 1906 г. американец Ли де Форест ввел в радиолампу третий электрод. Между катодом и анодом он расположил пластинку с отверстиями. Отверстий было так много, что электрод напоминал сетку. До сих пор его так

и называют сеткой, хотя теперь он больше похож на спираль. По числу электродов лампу назвали триодом (рис. 13).

Если на сетку не подать напряжение, электроны будут свободно пролетать через нее к аноду, практически не задерживаясь: отверстие даже в самой густой сетке неизмеримо больше, чем электрон.

Отрицательный заряд на сетке отталкивает электроны, и только некоторые из них могут проскочить через нее. Можно, разумеется, так повысить отрицательный заряд, что сетка полностью «запрет» лампу и ток прекратится. Для этого достаточно отрицательное напряжение всего в несколько вольт. Это напряжение так и называется напряжением запирания.

Если же подать на сетку положительное напряжение, она начнет притягивать электроны, разгонять их. Большинство из них так разгоняется, что проскакивает сетку «с ходу». А за ней электроны еще сильнее притягивает анод. Положительный заряд сетки помогает добраться до анода и тем электронам, скорость которых так мала, что без ускорения они не долетели бы до него.

Те же электроны, которые «воткнутся» в «проволочки» сетки или пролетят очень близко от них и притянутся ими, создадут побочный «сеточный ток». Но обычно он ничтожно мал по сравнению с основным, анодным током. Пока на сетке отрицательное напряжение, лампа заперта. Сетка не позволяет ни одному электрону подойти к аноду, но катод продолжает их беспрерывно испускать. Между катодом и сеткой возникает так называемое электронное облако. Его плотность увеличивается до тех пор, пока оно само не станет выталкивать электроны, вылетающие из катода обратно. Когда на сетку подается положительное напряжение, к аноду устремляется из электронного облака целая лавина электронов.

Рис. 13. Схема работы триода.

230

Электронное облако - это резерв свободных электронов, которыми так эффективно управляет сетка.

Катод испускает за секунду строго определенное количество электронов, оно зависит от температуры катода и от металла, из которого он сделан. При появлении на сетке положительного потенциала все электронное облако притягивается к аноду. В этот момент анодный ток достигает наибольшей величины,

Рис. 14. Триод усиливает слабое переменное напряжение тока.

он так и называется током насыщения радиолампы. Если положительное напряжение на сетке и на аноде увеличить, ток, идущий через лампу, не станет больше, ибо катод при данной температуре не может испускать электронов больше.

Попробуем теперь подать на сетку переменное напряжение (рис. 14), т. е. увеличивать и уменьшать с какой-то частотой (столько-то раз в секунду) потенциал сетки. Очевидно, тем самым мы будем ослаблять или увеличивать анодный ток в такт с изменениями напряжения на сетке. На аноде появится копия всех изменений напряжения, поданного на сетку, но копия значительно увеличенная. С помощью небольшого переменного напряжения сетка превращает большую энергию анодной батареи в энергию переменного напряжения, которое точно повторяет изменения напряжения на сетке.

Лампа с сеткой обладает еще одним ценнейшим свойством - безынерционностью. Это значит, что изменение напряжения на сетке мгновенно изменяет величину анодного тока, так как скорость электронов в вакууме громадна.

Сетка совершила в технике революцию. Она позволила усиливать слабые радиосигналы во много тысяч раз. Кроме того, с ее помощью можно генерировать радиоволны.

Ламповые генераторы быстро вытеснили все другие приборы, применявшиеся в то время, так как они были проще, надежнее и позволяли передавать по радио речь и музыку. Они легко перестраиваются на волну любой длины и не мешают друг другу. С появлением генераторных ламп, радиотехника стала стремительно развиваться. Усилительные качества диодов и триодов непрерывно улучшались.

В 1920 г. один из основоположников современной радиотехники, М. А. Бонч-Бруевич, сконструировал в Нижегородской радиолаборатории мощную электронную генераторную лампу с водяным охлаждением. В том же году были проведены первые пробные передачи по радио речи и музыки. А через год был передан по радио из Москвы концерт для Берлина. Это была рекордная для того времени дальность музыкальной передачи. Немцы прекрасно слышали музыку, но ответить таким же концертом не могли: в Германии в то время радиотехника была еще слабой. В 1933 г. в Москве была создана самая большая по тому времени радиостанция им. Коминтерна, мощностью в 500 квт.

Триод открыл для радио новый период. Ученые, изобретатели, инженеры непрерывно совершенствовали электронную лампу, улучшали ее качества и расширяли область ее применения. Появились лампы с двумя, тремя, четырьмя, пятью и даже шестью сетками. С помощью этих ламп стало возможным управлять электрическими колебаниями и преобразовывать их.

ЧТО ДАЛА ВТОРАЯ СЕТКА

Чтобы освоить короткие волны, нужно было усилить напряжения высокой частоты. Усилители на триодах для этого не годились: они работали неустойчиво и ненадежно.

Две любые пластины, разделенные промежутком, образуют конденсатор: в триоде между проволочными выводами от сетки и анода тоже образуется емкость (конденсатор), и она значительна. А емкость, не пропуская постоянный ток, свободно пропускает переменный, особенно ток высокой частоты. Поэтому при усилении высоких

231

Радиолампы со стеклянными баллонами: а) тетрод, б) триод, в) двойной тетрод, г) пентод.

Радиолампы, стеклянные баллоны которых защищены металлическими экранами: а) пентод, б) двойной диод, в) диод плюс триод.

частот емкость между сеткой и анодом начинала оказывать вредное воздействие. Часть усиленного напряжения поступает с анода через эту емкость обратно на сетку. Работа лампы становится неустойчивой, возникает самовозбуждение, лампа начинает работать как генератор, и усиление прекращается.

Устранить вредное действие этой емкости удалось, поместив между первой управляющей сеткой и анодом еще одну, экранирующую сетку. Емкость между сеткой и анодом уменьшилась.

Так как в лампе стало четыре электрода, ее назвали тетродом. Но и тетрод не свободен от недостатков: экранирующая сетка слишком усердно помогает разгонять электроны, и они с такой силой ударяются в анод, что выбивают из оболочек его атомов так называемые вторичные электроны. Часть этих электронов притягивается обратно к аноду, а часть долетает до экранирующей сетки и создает обратный - динатронный ток. Этот эффект, называемый динатронным, приводит к самовозбуждению усилителя или к сильным искажениям сигнала.

И вот между экранирующей сеткой и анодом поместили еще одну, чтобы не пускать вторичные электроны на экранирующую сетку. Третья сетка не только предотвращает последствия динатронного эффекта: в лампе еще больше уменьшается емкость между управляющей сеткой и анодом, усиление тока лампой возрастает и становится в несколько десятков раз больше, чем у триода. Эта лампа названа пентодом. Пентод оказался идеальной лампой для усиления высокочастотных сигналов.

Введение четвертой, пятой и шестой сеток было вызвано появлением супергетеродинного метода приема, о котором будет рассказано ниже.

Радиолампы совершенствовались не только путем добавления сеток. Появились комбинированные лампы: в одном стеклянном баллоне и часто над одним катодом размещались две, а то и три лампы, например два диода и триод или два триода и т. д. Такие лампы очень удобны и практичны, так как для них нужно меньше катодов, чем в соответствующем наборе ординарных ламп, следовательно, на их нагревание расходуется меньше энергии.

ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДА В РАДИОТЕХНИКЕ

Во входном контуре приемника, настроенном в резонанс с передающей радиостанцией, возникают электрические колебания высокой частоты, в сотни и тысячи мегагерц. Их можно усилить радиолампами. Но если эти усиленные высокочастотные колебания подать в катушку громкоговорителя, мы ничего не услышим: мембрана громкоговорителя или телефона не может следовать за их частотой и совершать миллионы колебаний в секунду. Но даже если бы это было возможно, мы бы все равно ничего не услышали: наше ухо слышит, лишь когда мембрана колеблется со звуковой частотой от 16 до 16 000 гц. Усиленный высокочастотный сигнал не может привести в действие и телеграфный аппарат.

Если же это переменное высокочастотное напряжение приложить к диоду, он выпрямит его, и через диод потечет пульсирующий, но постоянный по направлению ток, которым можно привести в действие динамик, реле, звонок и т. д.

На передающей станции высокочастотное электромагнитные колебания модулируются звуковой частотой. В приемнике эти высокочастотные колебания выпрямляются, и через

232

ОБОЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОСХЕМ

1 - передающая антенна; 2 - приемная антенна; 3 - приемопередающая антенна; 4 - заземление; 5- присоединение к корпусу; 6, 7, 8, и 9 - сопротивления (резисторы) на мощность соответственно в 0,25) 0,5, 1,0 и 2,0 вт; 10 - переменное сопротивление (потенциометр); 11 - конденсатор (ёмкость); 12 - электролитический конденсатор; 13 - переменный конденсатор; 14 - блок переменных конденсаторов; 15 - полупеременный конденсатор (триммер); 16 - катушка индуктивности (индуктивность); 17 - катушка индуктивности с ферритовым сердечником; 18 - катушка индуктивности с перестраиваемым сердечником; 19-трансформатор без сердечника; 20 - трансформатор с железным сердечником; 21 - трансформатор c ферритовым сердечником; 22 - батарея гальванических элементов; 23 - электродинамический громкоговоритель; 24 - наушники; 25 - микрофон; 26 - универсальная записывающая магнитофонная головка; 27 - диод; 28 - двойной диод с катодом прямого накала; 29 - двойной диод; 30 - триод; 31 - двойной диод-триод; 32 - лучевой тетрод; 33 - пентод; 34 - газовый диод; 35 - разрядник с поджимом; 36-тиратрон; 37 - фотодиод; 38 - фотоэлектрический умножитель; 39- лампочка накаливания; 40 - электроннолучевая трубка с магнитным отклонением луча; 41 - электроннолучевая трубка с электростатическим отклонением луча; 42 - полупроводниковый диод; 43 - полупроводниковый триод (транзистор) p-n-p типа; 44 - полупроводниковый триод n-p-n типа; 45 - полупроводниковый фотодиод; 46 - туннельный диод.

диод идет постоянный ток. Но сила тока меняется в такт с колебаниями модулирующей звуковой частоты. Если этот ток пропустить через катушку телефона, мембрана колеблется именно с той частотой, которой модулирована радиочастота передающей радиостанции.

Этот процесс, в сущности обратный процессу модулирования, называется детектированием (обнаружением). С помощью диода осуществляется также и манипуляция - передача по радио сигналов азбукой Морзе: излучение радиочастоты между точками и тире прерывается.

Диод иногда применяется в радиотехнике, просто чтобы получить постоянный ток из промышленного тока переменной частоты (обычно 50 гц). Постоянный ток необходим для питания усилительных ламп в радиоприемниках и генераторных ламп в радиопередатчиках. После выпрямления диодом получается пульсирующий постоянный ток. Чтобы его «сгладить», на выходе выпрямителя устанавливают фильтр, состоящий из емкости и индуктивности (дроссель).

233

ПЕРЕДАЧА И ПРИЕМ РАДИОПРОГРАММЫ

Контур и лампа - основа радиоприемника. Но не меньшую роль контур и лампа играют в передатчике - в генераторе радиочастотных колебаний.

Колебательный контур генератора включается в анодную цепь лампы. Рядом с основной катушкой располагается вспомогательная сеточная катушка. Если в контуре происходят незатухающие колебания, направление тока периодически меняется. Вместе с этим меняется и магнитное поле в катушке контура. Это переменное магнитное поле воздействует на витки близко расположенной сеточной катушки и наводит в ней переменное напряжение той же частоты. Напряжение подается на сетку, которая заряжается попеременно то положительно, то отрицательно. В соответствии с этим автоматически изменяется сила тока и в анодной цепи.

Эти изменения воздействуют на катушку контура, создавая в нем дополнительные напряжения, которые не позволяют затухнуть собственным колебаниям контура. По сути дела, на сетку поступает с контура небольшая доля напряжения высокой частоты, напряжение это усиливается и «в такт» снова подается на кон-

тур. Так как в анодную цепь это напряжение приходит усиленным, оно с лихвой покрывает все потери электромагнитной энергии контура, и колебания не затухают. Контур поддерживает свои колебания за счет энергии анодной батареи.

Таким образом, источник энергии в генераторе - энергия анодной батареи, которая в схеме генератора превращается в энергию незатухающих, периодических электромагнитных колебаний. Из нее же черпается энергия на покрытие потерь в контуре, на нагрев лампы, проводов и т. п.

Когда хотят излучить колебания в пространство, рядом с основной катушкой помещают еще одну - антенную. В ней появляются электромагнитные колебания той же частоты и идут через антенну.

Ламповый генератор создает электромагнитный сигнал - радиоволну; ее частота определяется настройкой контура. Но чтобы передать какое-либо сообщение, а тем более речь, музыку или изображение, нужно на основной сигнал, на несущую частоту, наложить дополнительные сигналы. Таким образом, радиосигнал - это не одна непрерывно излучаемая частота: его основная несущая частота «раскрашена» более низкими частотами. При передаче речи и музыки на несущую частоту накладываются звуковые частоты: в телевидении - сигналы изображения, так называемые видеочастоты; в радиолокации - импульсы; в телеграфии - точки и тире. Процесс такой смысловой «раскраски» сигнала называется модуляцией, а устройства, воздействующие на высокочастотный сигнал генератора и управляющие его колебаниями «в такт» с изменениями частоты передаваемого сигнала, носят название модуляторов.

При наложении модулирующих частот спектр передаваемого сигнала расширяется. Он становится тем шире, чем выше модулирующие частоты. В середине спектра лежит основная, несущая частота; по бокам - модулирующие.

При передаче речи или музыки на сигнал поочередно накладываются все звуковые частоты, из которых состоит речь или мелодия. Ее ширина определяется наивысшей частотой модуляции. Набор частот, из которых состоит спектр сигнала, зависит от сложности передаваемого сообщения. Так, для передачи речи достаточно частотной полосы в 2-4 кгц, для музыки - 6-8 кгц, а для телевизионного изображения необходима полоса в тысячу раз более широкая - 6 Мгц. Для цветного изображения

233

нужно уже 12-15 Мгц, а радиолокационные сигналы занимают спектр шириной до 20 Мгц. Спектру сигнала должна соответствовать полоса пропускания резонансных контуров в усилителях приемного устройства. Она выбирается равной спектру или несколько шире его. Чем сложнее сигнал, тем более широкополосным должно быть приемное устройство и тем сложнее оно.

Радиоволны вызывают в антенне множество высокочастотных переменных токов. Входной контур приемника выбирает из них тот, на частоту которого он настроен. В контуре устанавливаются электрические колебания с частотой передающей станции. Сила сигнала пока очень низка, но то, что подано на сетку первой усилительной лампы, усиливается в несколько сот раз и передается на следующий контур, включенный в анодную цепь и настроенный на ту же частоту. С этого контура колебания можно подать на сетку второго триода и вновь усилить сигнал. Пройдя несколько таких каскадов усиления высокой частоты, колебания становятся в тысячи и миллионы раз сильнее, чем они были в приемной антенне.

Теперь их можно подать на детектор - обнаруживатель радиосигналов. Детекторная лампа выпрямит переменное напряжение, через нее потечет постоянный ток. Он просигнализирует, что через контуры приемника прошел сигнал той частоты, на которую настроены контуры каскадов усиления. А если сигнал был промодулирован частотами речи или музыки, частота его изменений будет соответствовать звуковым частотам, которыми был промодулирован сигнал. Этот ток, пропущенный через динамик, заставит его звучать, и мы услышим то, что принесла нам радиоволна.

Так работали простейшие приемники прямого усиления. Названы они так были потому, что высокочастотный сигнал усиливается в них прямо, без каких-либо преобразований. Все контуры их каскадов настроены на одну частоту. Долгое время существовали только такие радиоприемники. Современные нам приемники устроены иначе. Они отличаются от приемников прямого усиления не только техническим совершенством, качеством ламп и отделки, но и принципом работы. Такой приемник часто называют супергетеродинным или просто «супером» (см. табл. у стр. 233).

В супергетеродинном приемнике, как и в приемнике прямого усиления, сигнал тоже усиливается радиолампами, но не на частоте сигнала, а на так называемой промежуточной частоте. Эта частота постоянна на всех частотах настройки и на всех диапазонах приемника.

Преобразование колебаний принятого сигнала в колебания промежуточной частоты происходит обычно сразу же после антенны, в так называемом преобразовательном каскаде приемника. Пришедший сигнал смешивается с сигналом «местного гетеродина», т. е. маломощного генератора, частота которого близка к частоте сигнала. Получающаяся в результате такого смешения промежуточная частота усиливается и подается на ламповый детектор.

Гетеродинный метод резко увеличил чувствительность приемников, т. е. дальность их действия, и улучшил качество приема. В наибольшей мере положительные свойства супергетеродина сказываются при работе на коротких волнах. «Супер» гораздо сложнее приемников прямого усиления, но его преимущества так велики, что в радиовещании приемники прямого усиления уже не применяются.

СОВРЕМЕННЫЕ РАДИОЛАМПЫ

С развитием обычных усилительных радиоламп их размеры непрерывно уменьшались. Вместо старых радиоламп с большим пластмассовым цоколем (в нем расположены штыри для крепления лампы на панели) появились пальчиковые лампы (рис. 15). В диаметре такая лампа действительно не толще пальца, а длиной в 2-3 раза меньше. Вслед за пальчиковыми конструкторы создали сверхминиатюрные лампы - не толще карандаша.

Рис. 15. «Пальчиковые» радиолампы: а) пентод, б) гептод; субминиатюрные лампы: в) триод, г) триод, д) пентод.

Качество радиоламп, разумеется, при этом не снизилось. Созданы и совсем крошечные лампы - чуть больше рисового зерна. Это, как правило, диоды или триоды. По размерам они успешно соперничают с кристаллическими приборами, но из-за малой практичности применяются редко.

234

На радиотрансляционных узлах и передающих вещательных станциях применяются мощные генераторные радиолампы высотой почти в человеческий рост (рис. 16). На их анодах выделяется такая огромная мощность, что нужно применять водяное охлаждение.

Но если обычные триоды, пентоды и т. д. в процессе усовершенствования сохранили все свои особенности и свойства, то с переходом на все более короткие волны потребовались лампы принципиально нового типа.

Мы говорили, что при усилении длинных, средних и коротких волн электронную лампу можно было считать безынерционным прибором. Она мгновенно реагирует на все изменения тока, как бы часто они ни происходили.

Рис. 16. Современная мощная генераторная лампа с водяным охлаждением.

Время пролета электронов от катода до сетки гораздо меньше, чем период применяемых частот. По сравнению со скоростью электрона частота даже коротких волн - это медленный процесс.

С освоением УКВ положение изменилось. На огромных частотах, соответствующих волнам диапазона УКВ, временем пролета электронов в лампе пренебрегать стало нельзя. Так, при волне в 1 м (300 тыс.кгц) время пролета электрона до сетки (0,003 микросекунды) становится равным периоду колебания, а при волне в 10 см - уже в 10 раз больше него. Значит, электрон, вылетевший из катода в тот момент, когда сетка была заряжена положительно, перестанет испытывать ее притяжение, еще не долетев до сетки. Мало того, сетка оттолкнет его, так как напряжение на ней уже успеет переменить свой знак.

Конструкторы стали уменьшать расстояние между электродами, размеры ножек ламп и других соединительных элементов. Так появились лампы типа «желудь», в которых расстояние между электродами сокращено до предела

Рис. 17. Радиолампа «желудь» рядом с обычной спичкой.

Рис. 18. «Маячковая» радиолампа.

(рис. 17). В результате конструктивных улучшений «желуди» эффективно работают на волнах до 1 м.

Для волн 10-20 см пришлось создать уже совсем необычные - «маячковые» лампы (рис. 18). Выводы катода, сетки и анода сделаны здесь в виде дисков и проходят прямо через стекло баллона наружу: через штырьки в цоколе подводится только напряжение накала.

Но «желуди» и даже «маячковые» лампы непригодны для волн в 2-3 см. Пришлось сконструировать лампу с принципиально новым способом управления электронным потоком.

Первая лампа этого типа - магнетрон (рис. 19). У нее всего два электрода - катод и анод, на анод подается напряжение в несколько тысяч вольт. Сетки у магнетрона нет, но зато в нем есть мощный постоянный магнит. Он расположен так, что силовые линии создаваемого им поля направлены параллельно катоду.

Магнитное поле искривляет путь движущихся в нем электронов, если они летят перпендикулярно его силовым линиям. Подбирая соответствующее магнитное поле и напряжение на аноде, можно заставить электроны двигаться круговым потоком у самой поверхности анода.

Круглый цилиндр катода окружен массивным анодом. Электроны, вылетающие из катода, отклоняются полем магнита и пополняют электронный поток, отдающий свою энергию на поддержание высокочастотных колебаний.

Магнетрон сам генерирует эти колебания; ему не нужен, как триоду, контур с проволочной катушкой связи. Его

Рис. 19. Схема магнетрона.

235

Рис. 20. Внешний вид клистрона.

анод - массивное медное кольцо с многочисленными цилиндрическими камерами (объемными резонаторами). Через узкие щели камеры сообщаются с пространством вокруг катода, где создается круговой поток электронов. Объемные резонаторы и есть колебательные контуры для сверхвысоких частот.

Частота колебаний, возникающих в резонаторах, определяется их размерами. Электроны, которые движутся вблизи щелей анода, возбуждают в резонаторах колебания и отдают при этом свою энергию. Потеря энергии приводит к уменьшению скорости. Поток электронов уплотняется. Можно подобрать резонаторы определенного размера, величину магнитного поля и напряжения, так что участки уплотненного электронного потока будут пролетать мимо щелей резонаторов как раз в те мгновения, когда поток передает энергию колебаниям объемного контура. Таким образом, электронный поток поддерживает эти колебания, и они становятся незатухающими.

В магнетронах удается получать колебания сверхвысоких частот с длиной волны до 0,5 см. Впервые магнетроны были применены на радиолокационных станциях, и до сих пор без них не обходится ни один радиолокатор.

Другой прибор для генерирования ультракоротких волн - клистрон (рис. 20). Этот

Рис. 21. Внешний вид радиолампы бегущей волны.

генератор менее мощный, чем магнетрон, но он тоже объединяет в себе функции лампы и контура. Колебания в резонаторе клистрона, как и в магнетронной системе, поддерживаются потоком электронов неодинаковой плотности. Но поток здесь не кольцевой, а прямолинейный. Электроны излучаются катодом в одном направлении, ускоряются электродом и пролетают мимо резонаторов.

Наиболее часто применяется так называемый отражательный клистрон. В нем поток электронов, разделенный резонатором на зоны

уплотнения и разрежения, встречает на своем пути электрод, заряженный отрицательно, и, отразившись от него, направляется обратно к резонатору.

Третья группа ламп нового типа - это лампы бегущей волны (рис. 21) и лампы обратной волны. Они широко применяются для диапазона сантиметровых волн. Принцип их работы основан на, взаимодействии магнитного поля и электронного потока. Электромагнитное поле распространяется, как известно, со скоростью света. Электронам же и при напряжениях в несколько тысяч вольт можно сообщать лишь одну десятую скорости света. Поэтому, чтобы заставить взаимодействовать магнитное поле и электронный поток, нужно уменьшить скорость распространения электромагнитной волны до скорости электронного потока.

Но скорость движения поля не затормозишь. Инженеры нашли выход, они заставили поле проходить от «входа» до «выхода» более длинный путь, чем путь электронов.

Лампа бегущей волны похожа на длинную пробирку с цоколем. Вдоль нее проложена спираль, по которой движется электромагнитная волна. Вместе с волной вокруг витков спирали обегает и электромагнитное поле. А пучок электронов движется внутри спирали вдоль ее Оси. Поле перемещается к выходу во столько раз медленнее, во сколько раз длина провода одного витка больше шага спирали.

Когда сигнал, т. е. электромагнитное колебание, идет по спирали, он воздействует на равномерный поток электронов, перегруппировывая в нем электроны по их скоростям. Сгруппированный поток, продвигаясь вдоль оси спирали, в свою очередь воздействует «в такт» на электромагнитное поле, отдавая ему энергию. По мере продвижения по спирали поле непрерывно усиливается, и, если спираль лампы достаточно длинна, выходное напряжение значительно превысит входной сигнал.

Лампы бегущей волны могут усиливать волны длиной от 20 и до 3 см, на что не способны радиолампы никаких других типов. Применяя такие лампы, можно построить генератор, который сможет перестраиваться в широком диапазоне частот.

Этими тремя типами ламп в основном и ограничиваются электровакуумные приборы, работающие в диапазоне сверхвысоких частот. Самые короткие волны 0,5-2 см нельзя усилить даже лампами бегущей волны, но их можно генерировать магнетронами и клистронами.

236

В последнее время создано много новых типов сверхвысокочастотных генераторных и усилительных ламп. Во всех этих лампах используются те же самые методы управления электронным потоком, что и в клистронах, магнетронах и лампах бегущей волны.

ВМЕСТО РАДИОЛАМПЫ - КРИСТАЛЛ

В послевоенные годы у радиолампы появился сильный соперник - полупроводниковые (кристаллические) приборы. Они успешно вытесняют радиолампу даже из таких, казалось бы, прочно завоеванных ею областей применения, как радиоприемники и телевизоры.

Первые кристаллические приборы - кристаллические детекторы - появились в начале 20-х годов. Во время второй мировой войны они широко применялись в приемниках радиолокационных станций для детектирования и выпрямления сигналов. С тех пор сфера применения кристаллических электронных устройств непрерывно расширяется.

Для изготовления таких приборов используют химические материалы, электрические свойства которых ставят эти материалы в промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Эти вещества называют полупроводниками (см. ст. «Полупроводники»). Применяя их, удалось создать полупроводниковые триоды (транзисторы), в которых, как и в электронной лампе, можно управлять электронным потоком. Используя транзисторы, научились генерировать, усиливать и преобразовывать высокочастотные сигналы.

По сравнению с электронной лампой транзисторы обладают рядом преимуществ. У них очень небольшие размеры. Им не нужен дополнительный источник тока для нагрева нити; поэтому они практически не нагреваются. Транзистор потребляет значительно меньше энергии. Он более надежен в работе, меньше боится ударов, тряски, воздействия влаги. Срок службы полупроводниковых приборов исчисляется десятками тысяч часов, тогда как обычные вакуумные усилительные лампы могут работать не более 3 тыс. часов.

Эти свойства полупроводниковых приборов оказались особенно ценными в тех электронных устройствах, для которых важны небольшие размеры, экономичность и высокая надежность: в электронно-счетных машинах, в оборудовании космических ракет и спутников Земли, в разнообразном военном радиооборудовании.

Устройства на полупроводниках поражают своими малыми размерами. Электронно-счетные аппараты, которые раньше занимали целые залы, уменьшились до габаритов шкафа. Сложный радиолокатор, едва размещавшийся на линкоре, теперь может быть установлен на самолете. Радиоприемник, работающий на транзисторах, можно скомпоновать в обычном портсигаре.

Но и это далеко не предел. Уже появились в продаже советские самые маленькие в мире, меньше спичечной коробки, приемники на микропленках.

Детали подобных радиосхем, в том числе и транзисторы, наносятся фотохимическим способом на фарфоровое основание или в вакууме напылением. Схемы из микродеталей самых различных конструкций все шире применяются на практике. Как говорят радиоинженеры, идет процесс микроминиатюризации радиоаппаратуры.

Вершина этого процесса - так называемая твердая схема; все ее элементы - сопротивления, конденсаторы, транзисторы, диоды и т. п.- формируются специальной обработкой в одном полупроводниковом кристалле. Такая схема действительно «твердая»: кусок вещества представляет собой усилитель или приемник электрических сигналов!

Но, как ни велики преимущества полупроводниковой техники, в ряде случаев электронные лампы по-прежнему незаменимы, например для усилителей в генераторах большой мощности. Одним словом, полупроводниковые и электровакуумные приборы, несмотря на конкуренцию, не только сосуществуют, но и хорошо дополняют друг друга.

Современная радиотехника использует сотни различных типов электровакуумных, газонаполненных и полупроводниковых приборов. Среди них, кроме обычных радиоламп и транзисторов, электронные стабилизаторы напряжений, газоразрядные лампы, электронные коммутаторы-переключатели, фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и, наконец, электроннолучевые трубки.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛУЧ

Электроннолучевые трубки (рис. 22) - это чудесные приборы, которые помогают наблюдать электрические процессы. Они позволили создать современное телевидение, без них немыслима радиолокация, они широко применя-

237

Рис. 22. Электроннолучевая трубка.

ются в разнообразнейших приборах - от простейших лабораторных осциллографов до «блоков памяти» в современных электронно-вычислительных машинах,

Электронная трубка - это прибор, в котором электронный луч «рисует» световые изображения на специальном экране, обладающем способностью светиться в том месте, куда попадает поток электронов. Она имеет вид большого, обычно стеклянного (иногда металлического) конуса с почти плоским стеклянным дном. Диаметр дна может превышать 50 см. От вершины конуса отходит цилиндрическая трубка, горловина которой заканчивается обычным радиоламповым цоколем. Трубка герметически запаяна, воздух из нее выкачан.

В горловине трубки расположен катод, из которого, как и в любой радиолампе, вылетают электроны. Форма катода и другие конструктивные особенности трубки позволяют направлять практически все электроны в сторону экрана. Чтобы электроны могли «рисовать», их нужно собрать в тонкий острый луч. Эту операцию проделывают электронные линзы, которые так сжимают луч, что его диаметр у экрана не превышает долей миллиметра.

Перед фокусировкой, сразу же после вылета из катода, электроны пролетают через кольцевой управляющий электрод (своего

рода радиоламповую сетку). От напряжения на нем зависит яркость светящейся точки на экране в том месте, куда попадает луч. Чем выше отрицательное напряжение на управляющем электроде, тем меньше интенсивность электронного потока и электроны ударяются об экран трубки с меньшей скоростью. А яркость свечения экрана зависит от силы их ударов.

Чтобы на экране появилось изображение, светящуюся точку нужно перемещать. Для этого применяются электростатические и электромагнитные отклоняющие системы. Они отклоняют луч и посылают его в любое место экрана.

Электростатическая система состоит из двух пар пластин, расположенных в горловине трубки. Каждая пара пластин отклоняет луч в одной плоскости: влево - вправо и вверх - вниз. Если на одну из пластин подать отрицательное напряжение, а на другую - положительное, то первая оттолкнет электронный луч, а вторая его притянет. В результате луч отклонится к положительной пластине и сместится на экране в соответствующую сторону. Если изменить знаки напряжения, луч отклонится в обратную сторону. Чем сильнее разность напряжений, тем быстрее отклоняется луч.

Так же действуют на луч электромагнитные системы. Они отклоняют элект-

238

ронный луч, воздействуя на него магнитным полем различной напряженности.

Экран покрыт особым веществом - люминофором; его свойства таковы, что он гаснет не сразу, а продолжает светиться несколько секунд и после того, как луч уже ушел. За это время луч успевает пробежать по экрану несколько тысяч раз, он почти непрерывно «подсвечивает» каждую точку и не дает погаснуть изображению.

Электроннолучевые трубки широко применяются при исследовании различных электрических явлений. Они позволяют видеть «форму» электрического напряжения и радиосигналов, изучать быстропеременные процессы. С их помощью можно наблюдать сигнал в любой точке радиоприемника или передатчика и очень точно настраивать радиоаппаратуру.

КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ РАДИОУСТРОЙСТВА

Шла вторая мировая война. Фашистские самолеты бомбили города Англии. Радиолокационные станции на британском побережье обнаруживали вражеские самолеты и позволяли англичанам подготовиться к защите.

Постепенно было замечено, что радиолокаторам, которые работали на волнах метрового диапазона, мешают сильные помехи. Англичане предположили, что это противник «забивает» эфир помехами нового вида. Но после внимательных наблюдений обнаружилось, что помехи всегда появлялись рано утром, на заре, когда антенны смотрели в сторону восходящего солнца. Весь остальной день и всю ночь станции работали нормально. Следовательно, радиопомехи посылало Солнце.

Этот случай лишний раз подтвердил, что природа всех электромагнитных волн одинакова. Солнце излучает и свет и радиоволны в широком диапазоне частот. Из Вселенной к нам непрерывно идет поток радиоизлучений от звезд и туманностей, от скоплений межзвездного газа и других космических объектов.

Излучение электромагнитных волн заключено в самой природе вещества и энергии. Электромагнитную энергию частиц вещества изучает наука квантовая механика.

Каждый атом состоит из ядра и электронных оболочек - орбит, по которым вращаются электроны. Орбита электрона может проходить и близко от ядра и на сравнительно далеком от него расстоянии - это зависит от количества его

энергии. Но у каждого атома есть свои определенные, «разрешенные» орбиты, между которыми электроны находиться не могут: энергия электронов может меняться только скачками (см. статьи «Свет» и «Загадки твердого тела»).

В обычном, или, как говорят, невозбужденном, состоянии электрон занимает самый нижний энергетический уровень. Чем больше запас энергии, тем дальше от ядра вращается электрон. Ближняя к ядру орбита - самая устойчивая, и в возбужденном атоме электрон всегда стремится перебраться на нее. Но если электрон был на высоком уровне, то куда же денется избыток энергии, когда он перейдет на нижний уровень? Вот эта-то энергия и излучается в виде электромагнитной волны.

При переходе электрона с одного уровня на другой энергия выделяется вполне определенными порциями - квантами. Чем больше разница между энергетическими уровнями, чем больше энергия кванта, тем выше частота электромагнитного излучения. Таким образом, атомы, в которых много электронов и много «разрешенных» орбит, могут излучать электромагнитные волны самой различной длины, в том числе и радиоволны.

В окружающей нас природе происходят и другие квантовые процессы, которые сопровождаются излучением электромагнитной энергии. Изменение энергии колебаний атомов в пределах молекулы порождает инфракрасные лучи; изменение энергии во вращательном движении молекул создает еще более длинноволновые излучения, спектр которых в зависимости от вещества простирается до радиоволн сантиметрового диапазона. Свет, идущий от пламени спички, это результат многочисленных перемещений электронов, возбужденных тепловым воздействием горения.

Таким образом, атомы и молекулы излучают электромагнитные волны самых разных частот. Такое беспорядочное излучение нельзя использовать для радиопередач, так как модулирующий сигнал, несущий сообщение, может быть наложен лишь на волну какой-либо определенной, устойчивой частоты. Такие колебания называют монохроматическими, т. е. колебаниями одной частоты. Если спектр излучаемого сигнала шире, чем спектр модулирующих частот, то они затеряются среди многочисленных частот излучаемого сигнала и их нельзя будет выделить из него. Поэтому, чтобы использовать для целей радиотехники, скажем, свет, нужно создать генераторы монохроматического, или, как еще говорят, когерентно-

239

го, светового излучения. Иными словами, устройство должно излучать не просто световой луч, а луч только одной частоты, одной длины волны, например только красный (рис. 23). Проникновение в микромир, глубокое изучение строения вещества и квантовых взаимодействий, разработка методов, как управлять поведением атомов и молекул,- все это позволило использовать сами атомы в качестве пере-

Рис. 23. Схема действия оптического генератора.

датчиков и приемников радиоволн. Этим занимается специальная отрасль радиотехники -квантовая электроника.

Одними из первых были применены в технике молекулярные усилители и генераторы. Были построены генераторы с небывалой стабильностью частоты. Это не удивительно, ведь в качестве колебательной системы использовались молекулы вещества, колебательные свойства которых практически не зависят от времени.

Современные квантовые генераторы теоретически позволяют, например, создать часы с такой точностью хода, что ошибка не превысит одну секунду за многие тысячи лет. Погрешность уже созданных атомных часов равна одной секунде за триста лет. Без таких сверхточных часов невозможны будут, например, космические полеты.

Огромную ценность для радиотехники представляют квантовые усилители радиочастотных колебаний. Они позволяют значительно увеличить чувствительность приемных устройств (до сих пор ее ограничивали собственные шумы приемного устройства). В этих усилителях атомы кристаллов, в которых происходит взаимодействие с квантами, подвергнуты глубокому охлаждению (см. ст. «На подступах к абсолютному нулю»). При температуре,

близкой к абсолютному нулю, собственные шумы в сантиметровом диапазоне волн ничтожны. Это и позволяет принимать сигналы, в сотни раз более слабые, чем с помощью обычных радиоприемников (рис. 24).

Квантово-механические приборы помогают радиотехнике осваивать все более и более короткие волны. В одном из первых молекулярных генераторов использовались молекулы аммиака. Частота их собственных колебаний соответствует радиоволне длиной 1,25 см.

А сейчас квантовая электроника располагает устройствами, способными генерировать и усиливать радиоволны, длина которых доли микрона, т. е. генерировать и усиливать свет!

В обычных источниках света атомы возбуждаются (их электроны переводятся на более высокий энергетический уровень) за счет нагревания (в лампах накаливания) или за счет газового разряда (в газоразрядных лампах). Поскольку возбужденное состояние, как правило, неустойчиво, атомы излучают свет и возвращаются на первоначальный уровень, причем происходит это беспорядочно, неодновременно.

Колебания таких источников, как говорят, некогерентны.

Но переход электрона на нижний энергетический уровень можно вызвать, искусственно воздействуя внешней силой - электромагнитной волной. Подобно тому как резонансный контур откликается только на ту частоту, на которую он настроен, так и энергетический переход электрона в атоме может произвести только та электромагнитная волна, энергия

Рис. 24. Схема действия оптического усилителя.

кванта которой в точности соответствует разнице энергий между возможными энергетическими уровнями электрона.

240

Таким образом, если перевести атомы какого-либо вещества на верхний уровень и облучить их волной соответствующей длины, все атомы будут излучать согласованно, в такт с проходящей волной. Колебания источников излучения будут когерентными. Правда, нужно найти вещества, атомы которых длительное время могли бы находиться в возбужденном состоянии и не излучали бы самопроизвольно. Физики нашли такие вещества.

Один из наиболее распространенных квантово-механических приборов - генератор когерентного светового излучения. Он назван лазером.

Это название составлено из первых букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Так же составлены названия и других квантово-механических приборов: мазер - генератор сантиметровых и миллиметровых радиоволн, и разер - генератор инфракрасных лучей.

Основа лазера - кристалл искусственного рубина, внешним видом и размерами похожий на толстый карандаш. В качестве примеси в кристалл входят ионы хрома. При облучении обычным, некогерентным зеленым светом от мощного внешнего источника (его называют генератором «накачки») энергия как бы накачивается в кристалл (рис. 25) и беспорядочно переводит ионы хрома на верхний уровень. Они так же самопроизвольно и беспорядочно возвращаются, но не на нижний уровень, а на средний, теряя только часть приобретенной энергии. Здесь они могут удерживаться достаточно долго. А уже с этого уровня их может столкнуть на нижний уровень - одновременно, как по команде, - луч красного света.

Зеленый свет применяется для накачки лазера потому, что энергия его квантов соответствует энергии, необходимой для перевода ионов хрома с нижнего уровня на верхний. Переход со среднего уровня на нижний соответствует излучению красного света, поэтому только красный луч и может вызвать излучение возбужденных до среднего уровня атомов.

Полезная работа лазера состоит в том, что энергия луча, проходящего сквозь кристалл,

Рис. 25. Схема энергетических уровней (зон) ионов хрома в рубине.

увеличивается за счет излучения ионов, и из прибора луч выходит усиленным. Но лишь десятая доля процента, идущая от лампы-накачки, преобразуется в рубине в узкий пучок красного цвета.

Только узкая полоса частот соответствует зеленому свету, который переводит ионы хрома с нижнего энергетического уровня на верхний. Эта полоса так узка, что практически луч лазера монохроматичен, т. е. излучение идет на одной частоте. Сконцентрированные на среднем энергетическом уровне ионы скачком переходят на нижний уровень и излучают частоту, соответствующую разнице между энергиями нижнего и среднего уровней.

Излучение лазера импульсное, так как ионы не могут долго удерживаться на среднем уровне. Стоит нескольким из них перейти на нижний уровень, как появившийся красный луч начнет вызывать переходы других ионов.

Пройдя вдоль рубинового «карандаша», луч усилится сравнительно ненамного. Поэтому торцы кристалла покрывают серебром и полируют, превращая их в отражающие зеркала. Отражаясь от них, луч многократно пройдет из конца в конец по кристаллу, соберет энергию со всех возбужденных ионов и выйдет через узкое отверстие, оставленное в одном из посеребренных концов, т. е. выстрелит красным лучом. Весь этот процесс длится тысячные доли секунды.

В последнее время появились и лазеры непрерывного действия. Они работают как усилители света.

К описанному остается добавить, что гене-

241

ратор «накачки» обычно представляет собой газоразрядную лампу, стеклянная трубка которой спирально обвивает кристалл рубина. Кроме того, прибор оборудован сложной системой охлаждения, оптическими устройствами и т. п. (см. рис. 17 на стр. 181).

Значительные возможности генераторов света, микроволн и инфракрасных лучей обусловливают две физические особенности.

Во-первых, когерентность, монохроматичность излучения. Это свойство позволяет накладывать на сигнал генератора модуляцию любого вида, что особенно важно для связи.

Во-вторых, передача электромагнитных колебаний, длина волны которых ничтожна по сравнению с радиоволнами, применяемыми в радиотехнике. Короткая волна обеспечивает высокую направленность излучения, которая тем выше, чем больше отношение диаметра антенны к длине волны.

Так, например, антенна (прозрачный торец рубинового кристалла) диаметром в 10 мм при длине волны в 0,7 мк имеет такую же направленность, как и антенна диаметром в 1,5 км при длине волны в 10 см.

Не удивительно, что луч, выходящий из рубина, почти не расходится. Уже существующие лазеры могут высветить на Луне пятно диаметром всего в несколько километров! Это особенно важно для космической связи с ее огромными расстояниями: потери энергии будут сравнительно небольшими. (См. ст. «Разговор с планетами по радио».)

Особенно интересны перспективы применения лазеров и мазеров на космических ракетах. В космосе можно обойтись без источников тока для накачки генераторов. Здесь всегда есть даровая энергия. В лучах Солнца есть и зеленые лучи; сфокусировав их на кристалле с помощью линз и зеркал, можно обеспечить генераторы и усилители нужной им энергией в любом количестве.

Как именно можно применить оптические частоты в радиотехнике, еще далеко не полностью ясно. Но перспективы, открывшиеся уже сейчас, сулят этой области науки и техники грандиозное будущее. Ученые уже говорят и о создании малошумящих усилителей, и об «атомных» стандартах частоты, и об очередной проверке теории относительности, и о космической связи на расстоянии, измеряемом световыми годами, и о радиолокации с высочайшей разрешающей способностью, т. е. практически о «радиовидении», и о наземных и космических радиолиниях с немыслимой ранее емкостью каналов. Впереди также применение квантово-механических приборов в вычислительных машинах, в управлении химическими реакциями и биологическими процессами, в исследованиях веществ под воздействием чрезвычайно концентрированных потоков световой энергии, плотность которых приближается к плотности энергии в дуге при электросварке.

РАЗГОВОР С ПЛАНЕТАМИ ПО РАДИО

1962 год ознаменовался в истории событием особой важности. 29 декабря в газете «Правда» было помещено информационное сообщение:

«...Советским ученым впервые в истории человечества 19 и 24 ноября 1962 г. удалось осуществить радиосвязь через планету Венера. Переданное с Земли телеграфным кодом 19 ноября слово МИР достигло планеты Венера, отразилось от нее и, пройдя общее расстояние 81 миллион 745 тысяч километров, через 4 минуты 32,7 секунды было принято на Земле.

Этим же методом 24 ноября на Венеру были переданы слова ЛЕНИН и СССР. Отразившись от поверхности планеты, через 4 минуты 44,7 секунды эти слова были приняты на Земле. Они прошли в космосе 85 миллионов 360 тысяч километров!»

ДЛЯ ЧЕГО БЫЛ НУЖЕН «РАЗГОВОР» С ПЛАНЕТАМИ?

Эпоха космических полетов выдвигает перед наукой все новые и новые задачи, не решив их, немыслимо дальше развивать исследования солнечной системы.

Космический корабль, отправляясь к какой-либо планете, должен быть обеспечен надежной радиосвязью с Землей: ведь с него нужно передавать информацию о полете, результаты научных исследований, сведения о самочувствии экипажа корабля. Космонавтам, высадившимся на планету, также будет необходима радиосвязь с Землей.

Чтобы правильно рассчитать траекторию, по которой полетит космический корабль, надо очень точно

242

знать расстояния до планет. Эти расстояния измеряются особой мерой длины - Астрономической единицей (АЕ). Она равна среднему расстоянию от Солнца до Земли. Орбиты планет, выраженные в АЕ, определены очень точно, но точность самой АЕ была недостаточна, чтобы рассчитать маршрут космического корабля к планете, удаленной от Земли на многие миллионы километров. Действительно, если величина АЕ определена с ошибкой всего лишь в 0,1%, то корабль, пройдя 100 млн.км, может оказаться в 100 тыс.км от намеченной цели и посадка на эту планету станет невозможной.

Кроме того, посадка на планету может быть безопасной только в том случае, если хорошо известны температура поверхности планеты, продолжительность суток на ней, ее рельеф, состав атмосферы и многое другое. Обо всем этом можно узнать, «поговорив» с планетой (проведя радиолокацию планеты). Из «разговора» можно точно определить расстояние от Земли до планеты, а следовательно, и точную величину АЕ. «Разговор» с планетой подтвердит и возможность радиосвязи на миллионы километров.

ПЛАНЕТНЫЙ РАДИОЛОКАТОР

Наверное, каждый слышал о радиолокаторах, которые позволяют отыскивать самолет в густых облаках, обеспечивают безопасное вождение гигантских морских судов даже в плотном тумане, помогают летчику управлять самолетом в облаках и ночью. Радиолокацию применяют и метеорологи: с ее помощью они следят за движением гроз и штормов. Можно было бы назвать и много других применений радиолокации. В последние годы радиолокация получила и космическую специальность: она применяется для исследования Вселенной.

Космическая радиолокация совсем еще молодая наука. Ее основной прибор - планетный локатор: это гигантское сооружение. О его величине и сложности можно судить хотя бы по тому, что во всех его узлах количество электронных ламп и полупроводниковых приборов выражается... пятизначным числом.

От своих собратьев, применяемых для наземных целей, планетный локатор отличается сильным голосом (мощностью луча) и удивительно тонким слухом (высокой чувствительностью).

Это сооружение включает в себя мощные передатчики, сложнейшие антенные устройства, высокочувствительные приемники и тончайшую регистрирующую и управляющую аппаратуру.

Радиолокационный метод исследований космического пространства позволяет решить многие научные проблемы, недоступные другим методам. Оптический и радиоастрономический методы пассивны. Они позволяют наблюдать и регистрировать лишь отраженный от планеты солнечный свет и лишь собственное радиоизлучение планеты.

Космическая радиолокация - метод активный. Его сущность в том, что в сторону планеты посылают радиоволны, которые, отразившись от ее поверхности, возвращаются на Землю и улавливаются локатором. По этим отраженным сигналам можно определить расстояние до планеты, скорость ее движения, период вращения, физические свойства поверхности и т. д.

Запись сигналов, отраженных поверхностью Венеры; А - прямая запись на кинопленке, Б - изображение прямой записи в виде чередующихся импульсов, В - та же запись азбукой Морзе.

243

«ГОЛОС» И «СЛУХ» ЛОКАТОРА

Колебания высокостабильного кварцевого генератора с помощью системы преобразования и умножения частот доводятся до частоты порядка. 700 млн.гц, проходят через мощные усилители, а затем уже излучаются антенной. Мощность этого радиолуча чрезвычайно велика, достаточно сказать, что на единицу телесного угла (на один стерадиан) приходится энергии около 250 млн.вт.

Небесные тела находятся в беспрерывном движении. Расстояние между Землей и исследуемой планетой либо сокращается, либо увеличивается; из-за эффекта Доплера (см. стр.189) частота отраженного от планеты сигнала может отличаться от частоты излученного сигнала на несколько десятков герц; кроме того, в течение сеанса связи может несколько изменяться и частота излучаемого сигнала. Поэтому в планетном радиолокаторе есть специальное устройство, вводящее поправку на доплеровское смещение частоты. Без этого устройства невозможно было бы выделить отраженный сигнал; оно действует автоматически с очень высокой точностью по заранее составленной программе.

Отраженный от планеты сигнал улавливается антенной и, усиленный парамагнитным и параметрическим усилителями, поступает в супергетеродинный приемник. Там сигнал преобразуется до звуковой частоты, а затем записывается магнитофоном. Анализ записанного сигнала проводится на специальном анализаторе спектра, который позволяет выделить полезный сигнал из различных шумов.

Приведем расчет, который позволит понять, как сложно «разговаривать» с планетами. Диаметр Венеры - 12 400 км. Наименьшее расстояние, на которое она сближается с Землей,- 39 млн.км. В это время Венера видна с Земли в телесном угле 810^-8 стерадианов. Если радиолокатор излучает до 250 млн.вт на стерадиан, то на всю видимую поверхность Венеры приходится лишь около 20 вт, из них большая часть энергии поглотится поверхностью планеты. Примем для нашего расчета, что отразится 15% энергии, т. е. около 3 вт. Но, конечно, не вся отраженная от Венеры энергия дойдет до Земли. На всю поверхность Земли приходится лишь около 410^-8 вт энергии, а на 1 м² земной поверхности - l,6 10^-22 вт. Чтобы «услышать» такой чрезвычайно слабый сигнал, планетный локатор должен обладать поистине фантастически чутким слухом.

Высокочувствительные приемники локатора позволяют регистрировать и более слабые сигналы, в которых на 1 м² приходится энергии около 1,610^-24 вт.

Этот расчет показывает, как велики успехи в технике передачи и обнаружения радиосигналов. Стало возможным проводить радиосвязь с планетами, удаленными на миллионы километров! А ведь всего лишь 60 лет назад была впервые осуществлена радиосвязь. 24 марта 1896 г. А. С. Попов продемонстрировал передачу и прием по радио телеграфного текста на расстояние около 250 ж.

«РАЗГОВОРУ» МЕШАЕТ ВСЕЛЕННАЯ!

Так как сигнал, улавливаемый планетным локатором, чрезвычайно слаб, его регистрация в сильной степени зависит от уровня шумов. У каждого приемника есть свои, так сказать, внутренние шумы. Они возникают во всех элементах его схемы: в контурах и сопротивлениях, в линиях передачи из антенны, в электронных лампах и полупроводниковых приборах.

244

Эти шумы возникают от многих причин: от теплового движения электронов в проводниках, от того, что в лампах ток эмиссии катодов непостоянен, от тепловых беспорядочных колебаний токов в полупроводниковых приборах.

Наибольшую часть внутренних шумов дают в приемнике первые каскады усиления: их шумы усиливаются всеми последующими каскадами. Поэтому в планетном локаторе перед входом в приемник установлен малошумящий парамагнитный усилитель, охлаждаемый жидким гелием до температуры 4°К. Парамагнитные усилители значительно повышают уровень сигнала и практически не добавляют шумов, при этом большую роль играют внешние шумы, принимаемые антенной от внеземных (космических) источников и из атмосферы.

Атмосферные шумы обусловлены тепловым движением зарядов и заряженных частиц в атмосфере: любое движение зарядов порождает электромагнитное поле, и это поле воспринимается приемником как радиопомеха.

Все основные внеземные источники радиопомех в настоящее время известны. Их природа различна. Так, например, солнечные радиошумы создаются движением электрических зарядов в хромосфере и в короне Солнца. Радиоизлучение Солнца в значительной степени зависит от его активности и от времени суток. В периоды повышенной активности Солнца его радиоизлучение может вырасти во много раз по сравнению с излучением спокойного Солнца. Сами планеты

тоже сравнительно мощные источники радиоизлучений, именно на этом основан радиоастрономический метод измерения температуры планет и звезд.

Даже космическое пространство создает радиошум. Он происходит потому, что межзвездный водород постоянно изменяет свое энергетическое состояние, в нем совершаются квантовые переходы (см. стр. 191 и 350). Чувствительные радиоприемники воспринимают этот шум как постоянный фон.

Радиосигнал, уловленный приемником, состоит из отраженных планетой радиоволн и шумов; в течение нескольких сеансов он записывается на магнитную ленту и пропускается через 20-канальный анализатор - полезный сигнал выделяется из общего спектра радиоколебаний методом фильтрации и накопления. Сущность метода накопления в том, что через анализатор пропускают записи нескольких сеансов радиосвязи. Полезный сигнал присутствует в каждой такой записи, и он-один и тот же. А шумы происходят от случайных процессов: они различны, и каждый из шумов присутствует не во всех сеансах радиосвязи.«Прослушав» магнитную запись нескольких сеансов, анализатор усиливает полезный радиосигнал, выделяя его из неусиленных шумов.

Телеграфная радиосвязь через Венеру 19 и 24 ноября 1962 г. была возможной потому, что отраженный сигнал превышал уровень шумов в несколько раз. На рисунках, помещенных на странице 243, видно, что прямая запись отраженного от планеты сигнала достаточно хорошо повторяет сигнал, посланный к планете.

245

РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ «РАЗГОВОРАХ» С ПЛАНЕТАМИ

С помощью радиолокации планет была уточнена Астрономическая единица. Локацией Венеры в 1961 г. установлено, что Астрономическая единица равна 149 599 300 км. Возможность ошибки не превышала +2000 км. Повторная радиолокация Венеры в 1962 г. позволила уменьшить эту неопределенность и уточнить значение Астрономической единицы : оно оказалось 149 598 100+750 км. Выяснилось, что до локации 1961 г. величина АЕ была известна с точностью .0,1%. Мы уже говорили, что такая точность недостаточна для вождения космических кораблей.

При локации Венеры был определен коэффициент отражения от поверхности этой планеты. Он оказался 12 - 18%. Это означает, что на поверхности Венеры есть твердые породы, близкие по свойствам к скальным породам Земли.

В июне 1962 г. была проведена радиолокация Меркурия. Она подтвердила значение АЕ, полученное при локации Венеры. Коэффициент отражения Меркурия равен 3-7%. Годом позже такая же локация была проведена из США. В феврале 1963 г. установлена из СССР радиолокационная связь с Марсом. В это время Марс находился от Земли в 100 млн.км. Коэффициент отражения оказался меньше, чем у Венеры,

но временами достигал 15%. Радиолокационные данные показывают, что на Марсе есть ровные горизонтальные участки размером более километра.

Дальнейшее усовершенствование планетного локатора позволило в сентябре - октябре 1963 г. провести локацию планеты Юпитер - самой большой планеты солнечной системы. Юпитер в этот период находился в 600 млн.км от Земли. Радиоволны, посланные к Юпитеру, возвращались на Землю через 1 час 6 минут, пройдя 1 млрд. 200 млн. км. Коэффициент отражения поверхности Юпитера более 10%. Эксперимент показал, что радиосвязь возможна и на расстоянии в несколько сот миллионов километров.

Все эти исследования имеют большое значение в освоении космического пространства. Недалек тот день, когда космический корабль, покинув Землю, устремится по точно рассчитанному маршруту к одной из планет солнечной системы. Космонавты будут вооружены всем необходимым, чтобы поддерживать связь с Землей.

Экспериментальная радиосвязь через Венеру впервые в мире произведена в Советском Союзе. Она доказала возможность надежной радиосвязи с далеко удаленными от Земли планетами и космическими кораблями. И символично, что первое государство рабочих и крестьян послало в космос и приняло обратно самые понятные и близкие всем людям слова, с которыми человечество связывает свои надежды на прекрасное будущее: «МИР», «ЛЕНИН», «СССР»,

ПОЛУПРОВОДНИКИ

В современной технике много чудес, о которых совсем недавно можно было только мечтать. Представьте себе радиоприемник, который спрятан в пилюле, похожей на лекарственную. Ее можно проглотить, и пойдут радиосигналы прямо из желудка, они расскажут врачам о состоянии внутренних органов больного.

Приборы космического корабля питаются электрическим током от маленьких темных пластинок, сложенных в виде щита. Солнечный свет падает на пластинки и превращается в электрическую энергию.

Существует устройство, которое зимой обогревает дом за счет мороза, а летом охлаждает его за счет уличной жары. Созданы термометры величиной с булавочную головку, холодильники не больше наперстка И многие другие удивительные и полезные приборы.

Во всех этих приборах действуют полупроводниковые материалы.

Полупроводники широко и многообразно применяются в современной технике. К ним относится много веществ: кристаллы германия, кремния, селена, углерода, разнообразные сплавы и окислы. Есть полупроводники стекловидные и даже жидкие.

Наука о полупроводниках появилась совсем недавно. И сейчас во всем мире исследуются их свойства. В нашей стране этой проблемой занимаются многочисленные коллективы специалистов, в том числе целая школа ученых, созданная крупнейшим советским физиком академиком А. Ф. Иоффе.

ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

Медная проволока хорошо проводит электрический ток. Поэтому медь, как и другие металлы, называют проводником. А фарфоровый ролик или какой-нибудь предмет из резины, эбонита не пропускают ток. Это - изоляторы.

Любое вещество построено из очень большого количества атомов. А в каждом атоме есть сравнительно массивное, положительно заряженное ядро, вокруг которого кружатся электроны - легкие частицы, несущие отрицательный заряд. И вот оказывается, что

246

Рис. 1. Электроны в проводнике: а - «свободные» электроны образуют в металле электронный газ, б - под действием электрического поля электроны двигаются к положительному полюсу - течет ток.

Рис. 2. В изоляторе нет электронного газа. Все электроны связаны в атомах, и электрическое поле не может создать ток.

наружные, так называемые валентные электроны атомов (те самые, что создают химические связи) ведут себя в проводниках иначе, чем в изоляторах.

В металле валентные электроны не удерживаются у атомов, соскакивают с них и свободно блуждают, образуя внутри металла своеобразный электронный газ. Правда, частицы этого газа - электроны - не могут уйти из металла. Общее притяжение положительно заряженных ядер надежно удерживает электронный газ внутри металлического предмета. Можно считать, что валентные электроны там обобществлены: принадлежат сразу всем атомам вместе, а не каждому из них в отдельности.

Стоит прижать металлическую проволочку к полюсам электрической батареи, как частички электронного газа подхватываются электрическим полем и устремляются к положительному полюсу. По металлу начинает течь электрический ток (рис. 1).

Из школьных опытов читатель, вероятно, помнит, что при нагревании проводника его электропроводность падает. Спираль электрической плитки сразу после включения в сеть обладает значительно меньшим сопротивлением, чем когда докрасна раскалится. Как это можно объяснить?

Электронный поток в металле пробивается через кристаллическую решетку атомов, лишенных внешних электронов. Но ведь атомы не стоят неподвижно. Чем выше температура, тем сильнее колеблется решетка. И электронному потоку все труднее пробиваться сквозь нее, ибо раскачивающиеся из стороны в сторону атомы сбивают электроны с пути.

В фарфоре, как и в любом другом изоляторе, дело обстоит иначе. Электронного газа там нет, атомы крепко удерживают свои внешние электроны (рис. 2). В изоляторе нечему переносить ток. Правда, если очень сильно разогреть изолятор, его иногда все же можно сделать электропроводным: при интенсивном тепловом движении атомы начнут терять валентные электроны, которые и станут носителями тока. На этом принципе, кстати сказать, устроены «градусники», измеряющие очень высокую температуру (выше тысячи градусов).

ЭЛЕКТРОНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике «сидит» в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Участвуя в тепловом движении, атомы раскачиваются и теряют наружные электроны. При нагревании полупроводника в нем увеличивается количество электронного газа, т. е. свободных электронов, способных переносить электрический ток.

Значит, полупроводник при нагревании не уменьшает, как металл, а, наоборот, увеличивает свою электропроводность (рис. 3). В этом заключается важный физический признак любого полупроводникового материала.

Характерна и другая особенность. Оказывается, в полупроводнике переносят ток не только оторвавшиеся от атомов электроны, но и электроны, которые сравнительно слабо свя-

247

Рис. 3. В полупроводнике электроны могут срываться с внешних оболочек атомов и занимать места на внешних оболочках других атомов. При нагревании полупроводника такой процесс становится интенсивнее, и электропроводность полупроводника увеличивается.

заны с атомами и могут освобождаться под действием тепловых колебаний или под действием электрического поля.

В куске полупроводника, соединенном с полюсами электрической батареи, атомы кристаллической решетки колеблются. Электроны с них срываются, тотчас подхватываются электрическим полем и летят к положительному полюсу. Но в каждом атоме, избавившемся от электрона, остается как бы «свободное место». Оно остается пустым лишь ничтожное мгновение. Под действием электрического поля на него сразу же переходит электрон с соседнего атома. Не получая полную свободу, такой электрон просто «меняет хозяина»; он стремится при этом двигаться туда, куда его влечет электрическое поле батареи. Но, «скакнув» на освободившееся место, электрон-«перебежчик» освобождает место, на котором был раньше. Туда тоже устремляется электрон с более далекого атома. На место этого электрона «соскакивает» с соседнего атома следующий электрон и т. д. Словом, стремясь к положительному полюсу батареи, электроны как бы «скачут» по атомам. Это создает значительную добавку к обычному электронному току, текущему через полупроводник. Такая добавка называется «дырочным» током. А «свободные места», по которым «прыгают» в атомах связанные электроны, физики именуют «дырками».

«ДЫРКИ»

Вот сравнение, которое поможет лучше уяснить, в чем сущность понятия «дырки». В театре сидит публика. Зал заполнен до отказа.

Но вот кто-то, сидящий с краю на первом ряду, уходит, оставляя пустой стул. Это и есть дырка. На освободившееся место тотчас пересаживается зритель из второго ряда, оставляя пустой стул (дырку) уже во втором ряду. Снова пересадка - и свободное место (дырка) перекочевала в третий ряд. Так, зрители один за другим передвигаются к сцене, а пустое место тем временем отодвигается назад (рис. 4).

В полупроводнике дырка ведет себя подобно пустому месту в театральном зале. Когда по полупроводнику течет ток, электроны и дырки бегут в противоположных направлениях.

И вот что существенно: дырки движутся к отрицательному полюсу, т. е. как частички, несущие положительный электрический заряд. Закономерности движения дырок таковы, что этим «пустым местам» физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но

Рис. 4. Электроны в полупроводнике - как зрители в театральном зале; пересаживаясь со стула на стул поближе к сцене, они перемещаются в одну сторону. А дырки, как освободившиеся места, движутся в другую сторону.

248

положительный), и «эффективную массу»: принимают для удобства расчетов, что дырки обладают определенной массой (немного большей, чем у электронов, потому что дырки не так подвижны, как электроны).

Выходит, что поведение дырки во всем подобно поведению материальной частицы с самым маленьким в природе положительным зарядом. Принято считать, что эта «частица», как и свободный электрон, служит в полупроводнике носителем электрического тока. Разумеется, надо помнить, что дырка понятие чисто условное. Это совсем не настоящая частица. На самом деле в ней нет ни заряда, ни массы. Пользуются понятием «дырки» лишь ради удобства, чтобы избежать сложных и громоздких рассуждений.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Стоит ввести в чистый полупроводник совсем небольшое количество другого химического элемента, как появляется либо избыток электронов, либо избыток дырок. Например, закись меди обогащается электронами, если меди в ней больше «нормы», если же в ней есть «лишний» кислород - дырками. Происходит это потому, что атомы кислорода оттягивают на себя электроны и создают избыток дырок, а атомы меди, наоборот, отдают свои электроны, создавая избыток электронного газа. Те полупроводники, в которых основные носители тока - электроны, называются электронными. А материалы с избытком дырок именуются дырочными полупроводниками.

Изготовить полупроводник - дело очень нелегкое. Главная трудность - в очистке материалов. Например, полупроводниковый кристаллический германий надо так очистить, чтобы на миллион его атомов приходилось не более одного атома примесей. Еще большей чистоты требуют физики от кремния: на миллиард атомов не больше одного чужого! Современная

Рис. 5. Схема установки для очистки германия зонной плавкой.

техника справляется с такой очисткой материалов. Для этого применяют разные методы.

Химики давно подметили, что кристалл всегда чище жидкости (раствора или расплава), из которой он выращен. Ведь в кристаллическую решетку встраиваются без помехи только атомы, принадлежащие веществу кристалла. Для других атомов в кристалле нет «подходящего места», и если они иногда «принимаются в строй», то лишь в виде исключения. Поэтому, например, лед на поверхности моря менее соленый, чем морская вода.

Следовательно, чтобы очистить полупроводник, можно сначала расплавить его, а затем вырастить из расплава кристалл. Если эту операцию повторить многократно, с каждым разом кристаллы будут получаться все чище и чище. Такое выращивание кристалла - дело совсем не простое. Посуда для расплава должна быть жаростойкой и идеально чистой. На всем протяжении процесса должны быть обеспечены определенные, строго регулируемые условия. Кристаллизация - капризный процесс, и управлять ею нужно с исключительной аккуратностью.

Германий до кристаллизации подвергают так называемой зонной плавке (рис. 5). Длинный германиевый слиток, положенный в графитовую лодочку, помещают в кварцевую трубку, из которой удален воздух (или заменен инертным газом). Трубку охватывает кольцевая высокочастотная электропечь, которая в каждый момент воздействует на сравнительно узкий участок слитка. Включается ток, высокочастотное поле расплавляет полупроводник. В твердом

249

Рис. 6. Установка для вытягивания монокристаллов германия из расплава.

Рис. 7. Слитки германия (верхний) и кремния (нижний), полученные выращиванием кристалла. Величиной они сравнимы с карандашом.

слитке получается жидкая перемычка. Кольцевая электропечь медленно (несколько сантиметров в час) продвигается вдоль трубки. Вместе с ней движется в слитке и расплавленная зона. Позади этой зоны, в затвердевающей части слитка, германий оказывается очищенным, потому что примеси переходят в зону расплава. Так эти примеси отгоняются к другому концу слитка.

Зонная плавка, даже повторенная много раз, еще не обеспечивает нужную чистоту полупроводника. Германий надо подвергнуть кристаллизации в атмосфере очищенного водорода. Слиток, полученный после зонной плавки, расплавляют на этот раз целиком в идеально чистом

тигле. В расплав опускают затравку - крошечный кусочек очень чистого германиевого кристалла (рис. 6). Затравку медленно поднимают и на ней «намерзают» слои очищенного полупроводника. При этом затравка плавно поворачивается вокруг своей оси, а тигель так же плавно поворачивается в другую сторону. Поэтому выращенный кристалл приобретает правильную цилиндрическую форму (рис. 7), и в нем равномерно распределены оставшиеся еще в германии примеси. Скорость кристаллизации (вытягивание затравки и ее вращение) регулируется очень тщательно - этим тоже достигается равномерность очистки. Так же как и зонная плавка, кристаллизация проводится несколько раз.

Еще труднее очистить кремний. Графитовые тигли для этого непригодны: они недостаточно жаростойки (температура плавления у чистого кремния примерно 1400°Ц). Пользуются сверхчистыми кварцевыми тиглями или вовсе обходятся без тиглей: в вертикально укрепленном слитке ведут так называемую бестигельную зонную плавку (рис. 8) - перекристаллизацию «на весу». А это очень трудный и тонкий процесс.

В многократно очищенный материал добавляют уже другие, но нужные примеси. Так получают полупроводники с самыми разнообразными свойствами и назначениями. Ничтожные добавки различных веществ превращают электронный полупроводник в дырочный, и наоборот. Тем же способом можно в сотни, в тысячи раз изменять электропроводность этих материалов и регулировать другие их свойства.

ТЕРМИСТОРЫ

Самая простая особенность полупроводника - ярко выраженная зависимость его электропроводимости от температуры. Чем сильнее нагрет полупроводниковый материал, тем обильнее в нем освобождаются электроны и образуются дырки, тем лучше он проводит ток. Поэтому из полупроводников делают простые и надежные электротермометры. Их называют термосопротивлениями или термисторами (рис.9).

Каких только термисторов сейчас не встретишь на наших заводах, в научно-исследовательских институтах, в больницах и даже в колхозах! Есть, например, многометровые штанги, которыми удобно проверять температуру где-нибудь в глубине наполненного зерном элеватора. Есть термисторы, похожие на кин-

250

Рис. 8. Схема установки для бсстигельной зонной очистки

кремния.

Рис. 9. Термистор действует так же, как и обычная термопара, т. е. спай двух полосок из различных металлов. При нагреве стыка полосок возникает ток. Его направление зависит от того, какой из стыков нагревается.

жалы. Их втыкают в почву, чтобы узнать, насколько нагреты разные ее слои. Миниатюрными полупроводниковыми электротермометрами агрономы измеряют, как нагревается поверхность листьев растений (рис. 10), а врачи - температуру кожи больного. Крошечные чувствительные элементы термисторов можно вводить прямо в кровеносный сосуд!

Инженеры ставят термисторы в машины, чтобы вовремя получить предупреждение о чрезмерном разогревании детали. Очень широко начинают применяться эти приборы в автоматике, всюду, где нужно поддерживать постоянную температуру или связанные с ней физические явления (например, влажность, скорость движения газа).

Чувствительность некоторых полупроводниковых термометров настолько велика, что на их основе строят особые приемники лучистой энергии - болометры. За несколько километров они могут уловить тепловое излучение горящей папиросы и даже тепловые лучи, испускаемые человеческой кожей. От хорошего болометра не укроется ничто - темной ночью в заснеженной степи он отыщет замерзающего человека, в ненастном небе без радиолокатора найдет невидимый самолет.

МАШИНЫ ЧУВСТВУЮТ СВЕТ

Есть полупроводники, которые «чувствуют» свет. Световая энергия вызывает в них избыток носителей тока - электронов и дырок.

Давно уже перестали быть редкостью прочные и миниатюрные полупроводниковые «глаза» - фотосопротивления. Они идут в технику на смену хрупким и дорогим стеклянным фотоэлементам и надежно работают в различных автоматических устройствах. Можно, например, заставить падать на фотосопротивление тень от деталей, проходящих по заводскому конвейеру, и таким образом подсчитывать количество выпущенных изделий.

Рис. 10. Полупроводниковый «градусник» - пирометр - прибор для измерения температуры поверхностей.

251

Фотосопротивления умеют оценивать качество шлифовки, окраски изделия. Часто применяются они в аппаратах техники безопасности. Стоит рабочему случайно попасть рукой в опасное место машины, как на фотосопротивление падает тень, и ток, текущий через него, прекращается, что служит командой для немедленной автоматической остановки машины.

С помощью миниатюрных фотосопротивлений сконструирована в СССР интересная «читающая машина» для слепых. Ее чувствительный элемент, двигаясь вдоль строки книги, улавливает очертания букв печатного текста. Электрические сигналы преобразуются в движения маленьких стерженьков, которые слепой ощущает пальцами. Человек, лишенный зрения, получает возможность читать обычные книги, а не только выпуклые тексты, специально изготовленные для слепых, как это было прежде.

Фотосопротивления, как и термисторы, могут обладать очень высокой чувствительностью. Прибавьте к этому надежность и прочность, и вы поймете, как ценны эти приборы для техники.

НАГРЕВАТЕЛИ И СВЕТИЛЬНИКИ

Представьте себе электрокипятильник для воды в виде небольшой трубки, которая надевается прямо на водопроводный кран. Трубка сделана из стекла, на которое изнутри нанесена тонкая пленка полупроводника. Когда через пленку идет ток, полупроводник сильно разогревается и струя воды в трубке закипает. Вы открываете кран и спустя секунду из трубки льется кипяток!

Некоторые полупроводники создают при электрическом воздействии яркое свечение. Явление объясняется просто: электрическое поле воссоединяет электроны с дырками. Электроны как бы «проваливаются» в дырки. При этом освобождается энергия, которая и выделяется в виде света. Физики пытаются на этой основе создать экономичные, удобные светильники, плоские телевизионные экраны (рис. 11) и многое другое.

Существуют полупроводниковые материалы, которые светятся от воздействия потока электронов, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Эти вещества - отличные покрытия для экранов рентгеновских установок, телевизионных трубок, ламп дневного света. Люминофоры - светящиеся материалы, которые в наши

Рис. 11. Примерно так будет выглядеть плоский телевизионный экран.

дни все шире входят в технику, в быт, даже в искусство,- это не что иное, как полупроводники.

Из полупроводников теперь делают счетчики радиоактивных частиц, всякого рода индикаторы и указатели, которые светят непрерывно десятки лет, питаясь энергией радиоактивного распада какого-либо вещества. Известны, наконец, полупроводники, которые способны как бы заряжаться светом, а потом отдавать его по электрической «команде».

ЗАПИРАЮЩИЙ СЛОЙ

До сих пор мы говорили о техническом применении полупроводников какого-либо одного вида - либо электронных, либо дырочных. Но есть устройства, в которых сочетаются оба вида полупроводников.

Представьте себе полупроводник, в котором как бы срослись два слоя с разными примесями - электронный и дырочный. Из электронного слоя в дырочный продвигаются благодаря диффузии электроны. Они оставляют пустые места в атомах - дырки. В дырочном же слое электроны-пришельцы «проваливаются» в дырки, количество которых поэтому уменьшается. За границей раздела получается с дырочной стороны избыток электронов, а с электронной -

252

избыток дырок. В конце концов наступит равновесие, количество электронов-перебежчиков и дырок-перебежчиц уравняется. И тогда в дырочном слое у самой его границы возникнет ряд отрицательных зарядов, а в электронном - ряд положительных зарядов. Между двумя разноименными зарядами, как между обкладками заряженного конденсатора, появится электрическое поле. Оно будет направлено против новых «нарушителей границы». В электронном слое это поле станет задерживать электроны, стремящиеся перейти границу - оттолкнет их обратно. А в дырочной области пограничное поле оттолкнет обратно новых перебежчиц-дырок. Движение зарядов через границу прекратится. На границе возникнет запирающий слой, преодолеть который носители тока не смогут без помощи внешнего электрического поля. Этот запирающий слой - основа многих ценнейших аппаратов и приборов.

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Техника наших дней широко пользуется выпрямителями - устройствами, которые преобразуют переменный электрический ток в постоянный. Чаще всего это особые радиолампы - кенотроны. Их можно найти в любом сетевом радиоприемнике. Главными частями мощных выпрямителей для радиостанций, электроплавильных печей, электровозов были до недавних пор мотор-генераторы или приборы газового разряда - ртутные лампы. Такие устройства громоздки (для мощного мотор-генератора строят целое здание), неэкономичны, часто выходят из строя.

Теперь появились полупроводниковые выпрямители с запирающим слоем. Они прочны, надежны, миниатюрны и вместе с тем рекордно экономичны.

Пограничное электрическое поле в полупроводнике, состоящем из дырочной и электронной областей, существует всегда, независимо от того, подведены провода от электрической батареи к разным частям полупроводника или нет (рис. 12, а). Но внешнее поле сильно влияет на внутреннее поле запирающего слоя.

Если к электронной части полупроводника подвести положительный полюс батареи, а к дырочной - отрицательный, то направление электрического поля батареи совпадет с направлением внутреннего поля в запирающем слое. Это расширит запирающий слой, и ток через прибор не пойдет (рис. 12, б). Образно

Рис. 12. На границе электронного и дырочного полупроводников возникает запирающий слой. Он пропускает электрический ток лишь в том направлении, при котором электроны и дырки движутся навстречу друг другу.

говоря, внешнее поле усилит «стражу пограничников» - электронов и дырок.

А если поменять местами полюсы батареи, то поле батареи и поле запирающего слоя будут направлены в разные стороны. Сильное поле батареи переборет слабенькое поле запирающего слоя, «стража пограничников» - электронов и дырок - будет сметена, и через прибор потечет ток (рис. 12, в).

Теперь подведем к прибору переменное внешнее поле, т. е. такое поле, направление которого беспрестанно меняется. Запирающий слой станет то расширяться, то пропадать. При его расширении ток через полупроводник не будет идти, а в моменты исчезновения пойдет. Значит, двухслойный полупроводник пропустит ток лишь в одну сторону и, следовательно, выпрямит переменный ток, превратит его в постоянный.

Купроксные (на закиси меди) и селеновые выпрямительные устройства уже давно применяются в технике. Сейчас внедряются мощные выпрямители из германия и кремния. Их, например, ставят на электровозы. В ближайшие годы во многих отраслях техники полупроводниковыми выпрямителями будут вытеснены дорогие и ненадежные кенотроны, ртутные колбы, мотор-генераторы.

253

КРИСТАЛЛЫ И ЛАМПЫ

Простейший полупроводниковый выпрямитель был широко распространен еще лет 30- 40 назад, на заре радиовещания. Речь идет о детекторе - сердце детекторного радиоприемника (рис. 13). Кристаллик детектора преобразовывал быстропеременные электрические колебания, пойманные антенной, в пульсирующие постоянные токи, которые в наушниках рождали звук.

Конечно, в те времена детекторы работали не очень хорошо. Включая приемник, приходилось проволочкой нащупывать на кристалле место с хорошим запирающим слоем - «чувствительную точку», которая то и дело сбивалась. Многие изобретатели старались улучшить детектор. Занимался этим и сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев. Сочетая в схеме два детектора, он научился слегка усиливать радиосигналы и возбуждать электрические колебания. Радиоприемники Лосева - «кристадины» - долгое время были популярны. Но потом, когда детекторы уступили место радиолампам, о кристадинах забыли.

Несколько десятилетий радиолампы безраздельно господствовали в радиотехнике. Осваивая и совершенствуя их, радиотехника добилась огромных успехов. С участием радиоламп развились радиовещание, телевидение, радиолокация, автоматика, телемеханика. Появилась новая обширная область технической физики- электроника.

Но постепенно становилось ясно, что радиолампы далеко не безупречны. Хрупкие, недолговечные, неэкономичные, они все меньше удовлетворяли конструкторов. И тогда вспомнили о полупроводниковом детекторе. Возникла идея заменить стеклянный пузырь радиолампы твердым полупроводниковым камешком.

Немало усилий потратила наука, чтобы «научить» детектор новым «профессиям». Надо было создать сочетание полупроводниковых кристаллов, способное не только выпрямлять токи, но и в широких пределах усиливать и возбуждать электрические колебания. В 1948 г. проблема была решена. Американцы Бардин и Браттейн создали первый полупроводниковый усилительный прибор.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТРИОД

Кристаллический усилитель: слабым сигналом отпирает запирающий слой для

Рис. 13. Детекторы: а -такими были детекторы 40 лет назад; б -размеры современного детектора - меньше спички; в - схема полупроводникового детектора.

мощного тока. Представьте себе крошечный кусочек кристаллического полупроводника - германия. У него электронная проводимость. На верхней грани кристалла специальной обработкой (введением примеси) создана область с дырочной проводимостью. Между дырочной и электронной областями образуется, как всегда, запирающий слой. Кристаллик снизу припаян к металлической пластинке - к базе, а сверху к нему присоединены рядышком две проволочки - эмиттер и коллектор. Вот и весь прибор. Он называется полупроводниковым триодом или транзистором.

Когда нужно усилить очень слабый сигнал, его можно включить в прибор по-разному. Например, источник слабого сигнала подклю-

Рис. 14. Одна из простейших схем включения транзистора

(полупроводникового триода) для того, чтобы усилить слабые

электрические сигналы.

254

чается к эмиттеру и к базе в «пропускном» направлении запирающего слоя («плюс» - к дырочной области). А в цепи базы и коллектора включается сопротивление и батарея в «запретном» направлении запирающего слоя (к дырочной области - «минус»).

Пока сигнала в цепи эмиттера нет, в цепи коллектора ток тоже не идет: его не пускает запирающий слой (рис. 15, а). Но вот сигнал подан. Через эмиттер в среднюю (дырочную) область кристалла входит импульс электрического поля (рис. 15, б). Он сметает запирающий слой, делая его электропроводным и для «запретного» направления. Между коллектором и базой возникает на мгновение как бы электропроводный мостик, и по нему пробегает усиленный импульс. Когда этот мгновенный импульс пройдет, у эмиттера и коллектора восстанавливаются запирающие слои. Так еле заметные сигналы, проходящие между базой и эмиттером, возбуждают в цепи кол-

Рис. 15. Принцип действия транзистора: А - слабый импульс в цепи эмиттера «вспрыскивает» дырки в запирающий слой; Б - в этот момент между базой и коллектором возникает сильный импульс, который делает запирающий слой электропроводящим.

лектора и батареи мощный толчок тока. Происходит усиление сигналов.

За последние годы создано множество разновидностей транзисторов. Выпускаются кристаллические триоды для больших токов, полупроводниковые тетроды и пентоды (приборы с четырьмя и пятью контактами), усиливающие колебания высоких частот.

Разработаны полупроводниковые усилители, действующие на совершенно новых принципах. Физики предложили, например, погружать транзисторы в жидкий гелий. Там при сверхнизкой температуре приборы действуют

с небывалой точностью и чистотой. Другой пример: созданы транзисторы (на основе кристаллов алмаза), способные безотказно действовать при температуре в сотни градусов.

ПРОЧНОСТЬ, МИНИАТЮРНОСТЬ

Обходясь без радиоламп, удается делать передатчики и приемники исключительно прочными. Их можно смонтировать даже в обыкновенном слесарном молотке. Сколько ни стучи

255

Рис. 16. Типы современных транзисторов на сантиметровой масштабной линейке.

таким молотком, радиоприбор не испортится, не перестанет работать. Радиостанцию на кристаллах можно вмонтировать в артиллерийский снаряд, поставить на искусственный спутник Земли, на межпланетный корабль. Ей не страшны ни самая сильная тряска, ни самые резкие удары.

Очень ценна и миниатюрность полупроводниковых радиоприборов (рис. 16). Давно перестал быть редкостью приемник величиной с портсигар, даже со спичечную коробку. Читатель, немного знакомый с радиотехникой, без особых затруднений может построить миниатюрный полупроводниковый приемник (рис. 17).

Совсем крошечные полупроводниковые радиостанции помещают в медицинских приборах. Таков, например, радиозонд для исследования внутренних органов человека - это маленькая, вроде фасолины, «пилюля», в которой спрятан радиопередатчик на кристалликах. Человек проглатывает такую «пилюлю», и она, блуждая по кишечнику, методично посылает условные радиосигналы о состоянии внутренних органов, о температуре в них, давлении и т. д.

Рис. 17. В радиопромышленности идет процесс «миниатюризации» : а - радиоприемник, сконструированный из микромодулей в корпусе авторучки; б - современный миниатюрный приемник; в - телевизор «Спутник-2» с полупроводниковыми деталями в сравнении с авторучкой.

Огромную роль обещают сыграть полупроводники в развившейся за последние годы электронно-вычислительной технике. Поначалу в кибернетические машины приходилось ставить сотни и тысячи радиоламп, потому что эти устройства «думали» именно с помощью радиоламп. Понятно, что ламповые машины занимали большие комнаты, целые залы, даже здания, к тому же часто портились, а при работе потребляли огромное количество энергии. Но когда появились полупроводники, электронно-счетные и управляющие машины были быстро «переучены». Они стали «думать» с помощью кристаллических триодов и других полупроводниковых деталей. Кибернетический «мозг» уменьшился во много сотен раз. Энергии ему требуется теперь совсем немного.

ПЕРЕВОРОТ В РАДИОТЕХНИКЕ

Для миниатюрных радиоустройств на кристаллах изобретены и соответствующие им крохотные источники питания, например батарейки величиной с трехкопеечную монету. Благодаря скромному «аппетиту» полупроводников такой батарейки им хватает на несколько месяцев. Строятся радиопередатчики, в которых источник энергии сам передаваемый звук. Человек говорит в микрофон, звуковые колебания преобразуются в импульсы тока: одна часть их поступает на усиление, а другая сглаживается и питает усилитель энергией. Весь передатчик умещается в корпусе микрофона. Можно использовать для питания полупроводниковых радиоприемников и даже радиопередатчиков энергию радиоволн. Если приемник настроен на какую-либо слабую радиостанцию, то энергия радиоволн другой работающей в это же время мощной радиостанции тоже улавливается и используется на питание триодов усилителя.

Переворот в радиотехнике вызван также появлением миниатюрных радиодеталей: индукционных катушек, сопротивлений, ферритовых магнитных антенн величиной с карандаш, крошечных, но достаточно емких конденсаторов. Развиваются техника и технология производства всевозможных радиоприборов. Вместо ювелирной ручной сборки на радиозаводах появились механизированные конвейеры и автоматика.

Широко внедряется метод печатных схем: радиоаппаратура изготовляется своеобразным типографским способом, словно открытки или

256

Рис. 18. Установка микромодулей на плате.

почтовые марки. Интересная новинка - так называемые микромодули (рис. 18). Это тонкие листки, на которых отпечатаны диоды, триоды, сопротивления и прочие элементы радиосхем. Складывая эти листки в стопки, получают бесчисленные варианты радиоприборов. Миниатюрность, экономичность и надежность сочетаются в них с быстротой и легкостью монтажа. Наконец, удается печатать сложнейшие радиосхемы на непрерывных лентах. Работая с ними, радиоконструктор становится Похожим на портного-закройщика: из ленты вырезает ножницами необходимые куски и соединяет их в нужном порядке.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ ТЕПЛА

В далеких деревнях и селах, в домах лесников и бакенщиков можно встретить своеобразную керосиновую лампу «электростанцию»: она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно просто. Полупроводниковые брусочки смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло. Когда лампа зажжена, грани брусочков, обращенные внутрь трубочки, разогреваются теплом горячих газов, поднимающихся от пламени. Противоположные же их грани охлаждаются комнатным воздухом. И в результате в полупроводниковой батарее рождается электрическая энергия.

Батарея построена из брусочков двух типов - электронных и дырочных. Все они соединены попарно. Каждая пара спаяна металлической пластинкой, образуя нечто вроде буквы «П» (рис. 19). Место спая нагревается, а противоположные грани брусочков охлаждаются. Нагрев рождает избыток носителей тока,

причем в разных полупроводниках разного знака. В электронном брусочке освобождаются электроны, а в дырочном - дырки. У нагретых граней возникает как бы «толчея» носителей тока, электроны и дырки перекочевывают к холодным граням - там «спокойнее». В результате у холодной грани дырочного брусочка возникает положительный заряд, а отрицательный - у холодной грани электронного брусочка. Если холодные грани всех пар соединить проволокой, по ней потечет ток, возбужденный с помощью тепла.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ

Полупроводниковые термоэлектрогенераторы будут, конечно, широко применяться в технике. Ведь тепло в них превращается в электроэнергию непосредственно - совсем не так, как, скажем, на современных тепловых электростанциях, где работают паровые котлы, турбины, электрогенераторы. В полупроводниковых термобатареях нет никаких промежуточных преобразований энергии, никаких движущихся частей. Как заманчиво было бы установить большую батарею полупроводников прямо в топке электростанции!

Однако в наши дни такие устройства применяются лишь в маленьких приборах. Дело в том, что они пока менее экономичны, чем обычные турбины и котлы. Коэффициент полезного действия термопары 6-8%, а в лабо-

Рис. 19. Схема действия полупроводниковой термопары.

257

раторных условиях около 10%. Это, вообще говоря, немало. Примерно таков же к. п. д. у паровоза. Но все же это в несколько раз меньше, чем к. п. д. у современных тепловых электростанций.

Физики стремятся сейчас усовершенствовать полупроводниковые термоэлектрогенераторы - повысить их мощность и экономичность. Но и в нынешнем виде они могут применяться довольно широко: там, где нужно использовать так называемое низкопотенциальное тепло, т. е. теплоту, заключенную в массах вещества со сравнительно невысокой температурой,- в дыме заводской трубы, в сбросной воде завода. Значительное количество такой теплоты сейчас бесполезно теряется, а с помощью полупроводников она может быть преобразована в электроэнергию. Кое-что в этом направлении уже сделано. Например, создан термоэлектрогенератор, вырабатывающий электрический ток из тепла выхлопных газов автомобильного двигателя. Полученная таким способом энергия сразу же идет на подзарядку аккумуляторов.

НОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ

С брусочками полупроводниковых термопар можно делать странные на первый взгляд превращения. Мы нагреваем их с одной стороны, охлаждаем с другой, и они порождают электроэнергию. А что, если просто пропустить через них постоянный электрический ток? Тогда они с одной стороны нагреются, а с другой охладятся, ибо внешнее электрическое поле перераспределит электроны и дырки, как бы «растянет» их в разные места. Там, где возникнет недостаток носителей тока, они начнут образовываться заново, черпая на это энергию из окружающей среды, и тем самым охладят ее. Там же, где носители тока будут в избытке, электроны станут воссоединяться с дырками, энергия начнет выделяться в виде теплоты. Таким образом, в брусочках возникнет разность температур.

На этой основе в Институте полупроводников Академии наук СССР было разработано несколько систем холодильников. В них нет ни движущихся жидкостей, ни моторов, ни компрессоров. В заднюю стенку холодильного шкафа вмонтирована небольшая плитка, собранная из полупроводниковых термопар. Она соприкасается с двумя радиаторами: один выходит наружу холодильника, другой расположен внутри него. Полупроводниковый выпрямитель преобразует переменный ток электросети и питает холодильник постоянным током. Холодильник действует, совершенно не изнашиваясь. По экономичности же последние модели этих устройств не уступают обычным холодильным установкам. Сейчас полупроводниковые холодильники успешно действуют на борту нескольких самолетов ТУ-104.

Способность полупроводников создавать искусственный холод пригодится, конечно, не только в быту. Для научных исследований созданы холодильники-малютки величиной с наперсток. Никаким другим способом их построить невозможно. Врачи надеются получить от физиков холодильный полупроводниковый пластырь, даже охлаждающее устройство, предназначенное для ввода в человеческое тело. Все это под силу технике наших дней.

НАГРЕВ ВМЕСТЕ С ОХЛАЖДЕНИЕМ

Стоит переменить направление тока через полупроводниковую батарею - и холодильник словно «выворачивается наизнанку». Там, где был недостаток носителей тока, теперь избыток, и наоборот. Тепло и холод меняются местами. Греются уже не внешние, а внутренние концы полупроводниковых брусочков. Из холодильника получается духовой шкаф. Разумеется, и эту возможность, совершенно недоступную обычным холодильным аппаратам, техника охотно использует всюду, где необходимо поддерживать постоянную температуру или попеременно разогревать и охлаждать какую-нибудь деталь. Например, германиевые полупроводниковые триоды плохо переносят изменение температуры, поэтому их полезно помещать в полупроводниковые же термостаты.

Войдя в жилой дом недалекого будущего, вы увидите под подоконниками широкие пластины радиаторов. Но ни парового, ни водяного отопления в этом доме не будет. Такие же пластины - и с наружной стороны стен. А между внутренними и внешними радиаторами будут установлены батареи полупроводниковых термопар. Пропуская через них постоянный ток в определенном направлении, мы заставим комнатный радиатор нагреваться. А летом, в жаркую погоду, ток включат в обратном направлении. Комнатный радиатор вберет теплоту окружающего воздуха и охладит помещение,

Такая система проста, надежна, гигиенична. Но главное ее достоинство - большая эко-

258

комичность. Комната станет обогреваться не только за счет энергии электрического тока, пропускаемого через полупроводники. В какой-то мере отоплению поможет охлаждение и без того холодного уличного воздуха. Ведь он будет «работать», отдавая свое тепло наружному радиатору. Правда, при сильном морозе «переброска» тепла в здание извне будет незначительной. Но при температуре воздуха от -5° Ц до +10° Ц полупроводниковый «тепловой насос» может принести большую пользу. Первые отопительно-охладительные полупроводниковые агрегаты уже созданы и испытываются.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ

Среди наших читателей, несомненно, есть немало фотолюбителей, а из них многие знакомы с удобным прибором, определяющим экспозицию при съемке, - с фотоэлектрическим экспонометром. Вы открываете крышку прибора, направляете его «глаз» на предмет, который хотите сфотографировать, и стрелка на шкале тут же показывает, какую надо сделать выдержку. Прибор не требует никаких источников питания - батареек, аккумуляторов. Он преобразует световую энергию в энергию электрического тока, отклоняющего стрелку. Свет превращается в ток.

Чувствительный элемент экспонометра сделан из полупроводника селена, обладающего дырочной проводимостью. Он лежит на стальной подложке. На внешнюю поверхность селена нанесена тонкая пленка металла, например золота. И эта добавка превращает поверхностную область полупроводника из дырочной в электронную.

В электронной области обстрел световыми частицами (фотонами) освобождает из атомов электроны. Они мечутся, сталкиваются и, «не умещаясь» в тоненьком слое электронного селена, уходят в пленку золота. Иного пути у них нет, так как в дырочную область дорога закрыта запирающим слоем. Поэтому в пленке золота накапливается избыток электронов - отрицательный электрический заряд. Вместе с электронами в электронной области, естественно, образуется и некоторое количество дырок. Для них запирающий слой не преграда. Положительный заряд - как бы «пропуск» для прохода через границу. И благодаря этому на стальной подложке возникает положительный заряд. Таким образом, энергия света создает

разность потенциалов между противоположными поверхностями полупроводниковой пластинки. Если эти поверхности соединить проволочкой, возникнет электрический ток, который будет течь, пока селен освещен. И ток будет тем сильнее, чем сильнее освещение.

Такие вентильные, по терминологии физиков, фотоэлементы известны уже давно. Они широко применяются в различных автоматических устройствах: например, отлично справляются с анализом крови (фиксируют ничтожное различие в количестве красных кровяных телец), непрерывно следят за насыщенностью крови кислородом при хирургических операциях и т. д. Однако до недавних пор у полупроводниковых фотоэлементов был очень низкий коэффициент полезного действия - они преобразовывали в электрическую энергию лишь тысячные доли энергии падающего светового потока.

СВЕТ РАБОТАЕТ

Несколько лет назад удалось создать фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток до 13% энергии падающего света. Элементы эти состоят из тонких пластинок, вырезанных из крупных, специально выращенных кристаллов полупроводника кремния. Квадратный метр поверхности прибора, освещенной солнцем, способен дать до 120 вт электроэнергии. В солнечный день батарея кремниевых фотоэлементов площадью в половину газетной страницы может питать, например, электромотор стандартной швейной машины.

Несмотря на трудность очистки и обработки кристаллов кремния, такие фотоэлементы уже внедряются в технику. Созданы приемники, передатчики и другие приборы, питающиеся от солнечных батарей (рис. 20). Выпускаются даже часы, «заводящиеся» светом, фото- и киноаппараты, которые не только сами угадывают экспозицию, но и «солнечной силой» устанавливают нужную диафрагму.

Солнечные батареи дают энергию телефонным подстанциям. Построены модели механизмов оросительных систем, «солнцемобилей» и судов, использующих энергию солнечных лучей. Представьте себе экипаж, который движется без всякого горючего лишь потому, что освещен солнцем. Правда, наземные транспортные средства такого рода едва ли получат сколько-нибудь заметное распространение. Мощность солнечного излучения для них все

259

Рис. 20. Радиоприемники (а и б) и часы (в), работающие на энергии, полученной от солнечного света.

же мала. Но, скажем, речные баржи, обладающие большой поверхностью, вполне способны были бы двигаться за счет энергии солнечных лучей.

В наземном транспорте солнечные батареи смогут быть дополнительными и аварийными источниками энергии. Если в автомобиле истощатся аккумуляторы, то до зарядной станции он «дотянет» на солнечных лучах, улавливая их крышей - фотоэлементом. К тому же на любой дневной стоянке такой автомобиль будет непрерывно набирать энергию в свои аккумуляторы.

К СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Особенно велика ценность полупроводниковых «ловушек света» для энергетики, которую принято называть «малой». Солнечные батареи дадут энергию в неэлектрифицированных районах: в горах, на островах, в тайге - всюду, куда трудно тянуть линию электропередачи, а строить электростанции невыгодно. Подсчитано, что, если на крыше дома разместить солнечные фотоэлементы, они обеспечат энергией и отопительные электропечи, и кухонные плиты, и осветительные приборы - словом, все бытовые нужды. А как заманчиво было бы устроить солнечные фотоэлементы в виде ткани, скатывающейся в рулон! На привале геолог или турист размотает такой коврик, разложит его - и готова электростанция. Можно включить электроплитку, миниатюрный полупроводниковый холодильник или, скажем, согреть воздух в палатке.

На наших спутниках, ракетах, автоматических межпланетных станциях солнечные батареи дают электрический ток радиостанциям и другим приборам бортовой аппаратуры (рис. 21). Двигаясь к Марсу или к Венере, межпланетный корабль летит в мощном световом потоке незаходящего Солнца. И даже при нынешнем коэффициенте полезного действия солнечных батарей применение их на десятки тонн снижает вес космического корабля.

Следует отметить, что современные кремниевые фотоэлементы, по всей видимости, еще не самые эффективные. Ученые пытаются их усовершенствовать и, главное, ищут новые материалы, способные освоить большую долю световой энергии, чем кремний. Теоретически возможно создать полупроводниковые солнечные батареи, превращающие в электрический ток почти половину энергии падающего на них света.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ЖИЗНЬ

Рождение солнечной энергетики - начало нового этапа в истории техники. До недавних пор лишь растения могли задерживать, накоплять и использовать энергию солнечного луча. Все запасы ископаемого топлива в конечном итоге - «консервы солнечного света», заготовленные некогда зелеными листьями древних растений. С помощью полупроводников человек лишил природу этой монополии.

Между прочим, в зеленом листе, как выясняется, происходят явления, весьма схожие с теми, которые протекают в вентильных фото-

Рис. 21. Автоматическая межпланетная станция получает энергию от солнечных лучей.

260

элементах. Сегодня в лабораториях с помощью окрашенных полупроводников уже осуществлен первый этап фотосинтеза - процесса, который преобразует солнечный свет в химическую энергию живого вещества, накапливает ее и питает всю органическую жизнь Земли. Перед наукой открылась заманчивая перспектива - применить искусственный фотосинтез в широких масштабах. Предстоит научиться синтезировать с помощью солнечного света сложные органические соединения прямо из простых минеральных солей воды и воздуха, минуя растения. Успехи физики полупроводников вместе с достижениями химии и биологии ведут к решению этой проблемы.

Физика полупроводников и в других областях тесно соприкасается с наукой о жизни. Электронные явления, сходные с процессами в запирающих слоях, играют огромную роль в физиологии нервной системы, а природные приспособления, подобные вентильному фотоэлементу,- в физиологии зрения.

Полупроводники приобретают большое значение и для химии. Катализ - процесс, в котором малые добавки тех или иных веществ резко ускоряют химические превращения,- оказывается, можно объяснить влиянием примесей на электронные явления в полупроводниках.

В биохимических реакциях катализаторами служат сложные органические вещества, называемые ферментами, причем живая ткань автоматически регулирует их состав и состояние. Так наш организм ведет управление различными жизненными процессами.

Необыкновенно широк охват учения о полупроводниках. Овладевая полупроводниками, ученые обогащают физику и химию, движут к новым высотам технику, раскрывают вековые загадки биологии. Сегодня даже трудно вообразить в полной мере грядущее развитие физики полупроводников. С каждым годом эти замечательные материалы будут прочнее входить в нашу жизнь.

261

Детская Энциклопедия - Список томов
Продолжение тома 3

Том 1. Земля	[1) ...]	[2) ...]
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры	[1) ...]	[2) ...]
Том 3. Вещество и энергия	[1) ...]	[2) ...]
Том 4. Растения и животные	[1) ...]	[2) ...]
Том 5. Техника и производство	[1) ...]	[2) ...]
Том 6. Сельское хозяйство	[1) ...]	[2) ...]
Том 7. Человек	[1) ...]	[2) ...]
Том 8. Из истории человеческого общества	[1) ...]	[2) ...]
Том 9. Наша советская Родина	[1) ...]	[2) ...]
Том 10. Зарубежные страны	[1) ...]	[2) ...]
Том 11. Язык. Художественная литература	[1) ...]	[2) ...]
Том 12. Искусство	[1) ...]	[2) ...]
- Список томов

БЕЗ ФИЗИКИ И ХИМИИ ВАМ НЕ ОБОЙТИСЬ

ДВИЖЕНИЕ И ЭНЕРГИЯ

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ НАШИХ ДНЕЙ

РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ

НЕРАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ И СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА

СИЛА

КОЛЕБАНИЯ

ОТ МЕХАНИКИ КЛАССИЧЕСКОЙ К МЕХАНИКЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ

«ВОЛЧОК»

ПОЛЕТ В КОСМОСЕ

ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО

ОТ ОГНЕННЫХ СТРЕЛ ДО БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАКЕТЫ — ОРУДИЕ НАУКИ

ПЕРВЕНЦЫ КОСМОСА

ЗАПУСК СПУТНИКОВ В США

АВТОМАТИЧЕСКИЕ МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ

К ВЕНЕРЕ И МАРСУ

«ЛУНА-9» HA ОКЕАНЕ БУРЬ

ОБОРУДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ

НА КОСМОДРОМЕ

УСТРОЙСТВО КОРАБЛЯ «ВОСТОК»

МНОГОМЕСТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ВОСХОД»

ЗА БОРТОМ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ

НЕВЕСОМОСТЬ

МИКРОКЛИМАТ

РАДИОСВЯЗЬ

СПУСК С ОРБИТЫ

ПРОБЛЕМЫ БУДУЩЕГО

КРЫЛАТЫЙ ПОЛЕТ

АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА

ПОЧЕМУ ЛЕТАЕТ САМОЛЕТ

«ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР» И «ТЕПЛОВОЙ БАРЬЕР»

ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ И ОБТЕКАНИЕ КРЫЛА

КАК ПРОВЕРЯЮТ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

КАК ВЫБИРАЮТ РАЗМЕРЫ САМОЛЕТА

КАК УПРАВЛЯЮТ САМОЛЕТОМ

УСТОЙЧИВОСТЬ САМОЛЕТА

ПРОЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ

КРЫЛАТЫЕ РАКЕТЫ

ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ АВИАЦИИ

ЧЕЛОВЕК ПОКОРЯЕТ ОКЕАН

ТАЙНА ОСТРОВА ПАСХИ

КАК ЖИДКОСТИ ВСТРЕЧАЮТ «ГОСТЕЙ»

ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ

КАК ОБОЙТИСЬ БЕЗ ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКИ

АРХИМЕД И ЕГО ОТКРЫТИЕ

ПЛАВАНИЕ — ЭТО РАВНОВЕСИЕ

ПЛАВАНИЕ ПОД ВОДОЙ

ПЛАВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

УПРЯМОЕ ПОЛЕНО

ЦЕНТР ДАВЛЕНИЯ «ПУТЕШЕСТВУЕТ»

МЕТАЦЕНТР

ВОДОИЗМЕЩЕНИЕ

КОРАБЕЛЬНЫЙ АКАДЕМИК КРЫЛОВ

АТОМНЫЙ ЛЕДОКОЛ «ЛЕНИН»

КАК ДВИЖЕТСЯ КОРАБЛЬ?

ЗВУК

ЗВУКОВАЯ ВОЛНА

КАК ИЗМЕРИЛИ СКОРОСТЬ ЗВУКА

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА

ЭНЕРГИЯ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ И СИЛА ЗВУКА

ЭНЕРГИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГОЛОСА

НАШЕ УХО

ЗАГАДКА НАШЕГО СЛУХА

ЕЩЕ БОЛЕЕ УДИВИТЕЛЬНАЯ ЗАГАДКА

СЛУХ И ЛОГАРИФМЫ

ГРОМКОСТЬ ЗВУКА И ЕГО ТОН

ОТКУДА ПРИШЕЛ ЗВУК?

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

УДАРНАЯ ВОЛНА

РЕЗОНАТОРЫ

МУЗЫКАЛЬНЫЕ ЗВУКИ

МУЗЫКАЛЬНЫЕ СОЗВУЧИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЕ МУЗЫКАЛЬНЫХ ЗВУКОВ

ПЕРЕДАЧА ЗВУКОВ НА РАССТОЯНИЕ И ЗАПИСЬ ЗВУКОВ

НЕСЛЫШИМЫЕ «ЗВУКИ»

ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА

ЗВУК НА СЛУЖБЕ У ЧЕЛОВЕКА

«ЛУНА-9»
HA
ОКЕАНЕ БУРЬ