Moramo znati, znat ćemo. Zvuk u vakuumu Zvučni val u vakuumu

Opisana je nova pojava u kondenziranoj materiji - "skakanje" fonona s jednog čvrstog tijela na drugo kroz prazninu. Zahvaljujući njemu, zvučni talas može savladati tanke vakuumske praznine, a toplota se može prenositi kroz vakuum milijarde puta efikasnije nego kod običnog toplotnog zračenja.

Zvučni val je sinhrona vibracija atoma tvari u odnosu na ravnotežni položaj. Da bi se zvuk širio, očigledno, potreban je materijalni medij koji podržava ove vibracije. Zvuk ne može putovati u vakuumu jednostavno zato što ga nema. Međutim, kako se nedavno pokazalo, zvučne vibracije mogu skočiti s jednog tijela na drugo kroz vakuumski procjep submikronske debljine. Ovaj efekat, tzv "vakuumsko tuneliranje fonona", opisano je u dva članka objavljena u najnovijim brojevima časopisa Physical Review Letters. Odmah da primijetimo da, budući da vibracije kristalne rešetke nose ne samo zvuk, već i toplinu, novi efekat također dovodi do nenormalno jak prenos toplote kroz vakuum.

Novi efekat djeluje kroz interakciju između zvučnih valova u kristalu i električnog polja. Vibracije kristalne rešetke, dostižući kraj jednog kristala, stvaraju naizmjenična električna polja blizu njegove površine. Ova polja se „osećaju“ na drugoj ivici vakuumske praznine i ljuljaju vibracije rešetke u drugom kristalu (vidi sliku 1). Općenito, izgleda kao da zasebni fonon - "kvant" vibracije kristalne rešetke - skače s jednog kristala na drugi i dalje se širi u njemu, iako, naravno, u prostoru između kristala nema fonona.

Autori otkrića su koristili riječ "tuneliranje" da opisuju efekat, jer je vrlo sličan tuneliranju kvantnih čestica kada skaču kroz energetski zabranjene regije. Međutim, vrijedno je naglasiti da se novi fenomen može u potpunosti opisati jezikom klasične fizike i uopće ne zahtijeva uključivanje kvantne mehanike. To je donekle povezano s fenomenom elektromagnetne indukcije, koja se široko koristi u transformatorima, indukcijskim pećima i uređajima za beskontaktno punjenje uređaja. U oba slučaja, određeni proces u jednom tijelu stvara elektromagnetna polja, koja se nezračenjem (tj. bez gubitka snage zbog zračenja) prenose kroz otvor do drugog tijela i izazivaju reakciju u njemu. Jedina razlika je u tome što sa običnom induktivnošću "radi" električna struja (tj. kretanje elektrona), dok se kod vakuumskog tuneliranja fonona sami atomi kreću.

Specifični mehanizam koji dovodi do tako efektivne sprege između kristalnih vibracija i električnih polja može varirati. U teoretskom članku finskih istraživača predlaže se korištenje piezoelektrika u tu svrhu - tvari koje se naelektriziraju kada se deformiraju i deformiraju u električnom polju. Ovo samo po sebi nije dovoljno: za efikasno skakanje fonona kroz vakuumski procep potrebno je organizovati rezonanciju između „dolaznih” fonona, naizmeničnih električnih polja i „odbeglih” fonona u drugom kristalu. Proračuni pokazuju da, s obzirom na realne parametre supstanci, takva rezonancija zaista postoji, tako da pod određenim uglovima upada fononi mogu tunelirati sa vjerovatnoćom do 100%.

Opisana je nova pojava u kondenziranoj materiji - "skakanje" fonona s jednog čvrstog tijela na drugo kroz prazninu. Zahvaljujući njemu, zvučni talas može savladati tanke vakuumske praznine, a toplota se može prenositi kroz vakuum milijarde puta efikasnije nego kod običnog toplotnog zračenja.

Zvučni val je sinhrona vibracija atoma tvari u odnosu na ravnotežni položaj. Da bi se zvuk širio, očigledno, potreban je materijalni medij koji podržava ove vibracije. Zvuk ne može putovati u vakuumu jednostavno zato što ga nema. Međutim, kako se nedavno pokazalo, zvučne vibracije mogu skočiti s jednog tijela na drugo kroz vakuumski procjep submikronske debljine. Ovaj efekat, tzv "vakuumsko tuneliranje fonona", opisano je u dva članka objavljena u najnovijim brojevima časopisa Physical Review Letters. Odmah da primijetimo da, budući da vibracije kristalne rešetke nose ne samo zvuk, već i toplinu, novi efekat također dovodi do nenormalno jak prenos toplote kroz vakuum.

Novi efekat djeluje kroz interakciju između zvučnih valova u kristalu i električnog polja. Vibracije kristalne rešetke, dostižući kraj jednog kristala, stvaraju naizmjenična električna polja blizu njegove površine. Ova polja se „osećaju“ na drugoj ivici vakuumske praznine i ljuljaju vibracije rešetke u drugom kristalu (vidi sliku 1). Općenito, izgleda kao da zasebni fonon - "kvant" vibracije kristalne rešetke - skače s jednog kristala na drugi i dalje se širi u njemu, iako, naravno, u prostoru između kristala nema fonona.

Autori otkrića su koristili riječ "tuneliranje" da opisuju efekat, jer je vrlo sličan tuneliranju kvantnih čestica kada skaču kroz energetski zabranjene regije. Međutim, vrijedno je naglasiti da se novi fenomen može u potpunosti opisati jezikom klasične fizike i uopće ne zahtijeva uključivanje kvantne mehanike. To je donekle povezano s fenomenom elektromagnetne indukcije, koja se široko koristi u transformatorima, indukcijskim pećima i uređajima za beskontaktno punjenje uređaja. U oba slučaja, određeni proces u jednom tijelu stvara elektromagnetna polja, koja se nezračenjem (tj. bez gubitka snage zbog zračenja) prenose kroz otvor do drugog tijela i izazivaju reakciju u njemu. Jedina razlika je u tome što sa običnom induktivnošću "radi" električna struja (tj. kretanje elektrona), dok se kod vakuumskog tuneliranja fonona sami atomi kreću.

Specifični mehanizam koji dovodi do tako efektivne sprege između kristalnih vibracija i električnih polja može varirati. U teoretskom članku finskih istraživača predlaže se korištenje piezoelektrika u tu svrhu - tvari koje se naelektriziraju kada se deformiraju i deformiraju u električnom polju. Ovo samo po sebi nije dovoljno: za efikasno skakanje fonona kroz vakuumski procep potrebno je organizovati rezonanciju između „dolaznih” fonona, naizmeničnih električnih polja i „odbeglih” fonona u drugom kristalu. Proračuni pokazuju da, s obzirom na realne parametre supstanci, takva rezonancija zaista postoji, tako da pod određenim uglovima upada fononi mogu tunelirati sa vjerovatnoćom do 100%.

U drugom radu, fizičari su naišli na efekat o kojem se raspravljalo proučavajući naizgled potpuno tehničko pitanje: koja je temperatura samog vrha toplog vrha skenirajućeg tunelskog mikroskopa kada se (bez dodirivanja) prinese na hladnu podlogu (vidi sliku 2) ? Koristeći suptilne eksperimentalne tehnike, uspjeli su izmjeriti temperaturu doslovno posljednjeg atoma na vrhu igle i otkrili zadivljujuću činjenicu: ovaj atom je na temperaturi supstrata, a ne igle! To znači da je beskontaktna izmjena topline posljednjeg atoma vrha sa podlogom bila mnogo jača (kroz vakuum!) nego sa ostatkom vrha.

Konvencionalno toplotno zračenje, prva pomisao na pamet u takvim situacijama, pokazalo se potpuno nedovoljnim. Prema istraživačima, prijenos topline od vrha do podloge bio je milijarde (!) puta efikasniji od onoga što bi toplotno zračenje moglo pružiti. Ova činjenica, zajedno sa rezultatima detaljnih mjerenja, ukazuje da se i ovdje odvija tuneliranje fonona kroz vakuum.

Autori članka objašnjavaju dinamiku ovog efekta na sljedeći način. Svaki naboj doveden na metalnu površinu indukuje naelektrisanje na njoj (u problemima u elektrostatici često se modelira fiktivnom slikom naboja). Ako izvorni naboj podrhtava, na primjer, zbog termičkih vibracija, tada će inducirani naboj također podrhtavati s približno istom frekvencijom i amplitudom (zbog činjenice da su elektroni mnogo lakši od atoma, imaju vremena da se "prilagode" svakom kretanje atoma). Kao rezultat toga, ispada da se određena grupa elektrona pojavljuje upravo na površini supstrata, koja podrhtava poput "vrućeg" atoma. Ova gomila ljulja vibracije atoma na podlozi, na njih se troši energija, oduzima se snopu elektrona, a samim tim i prvobitno vrućem atomu - na kraju krajeva, električnim silama je "čvrsto" povezan sa gomilom! Kroz ovaj mehanizam posljednji atom na vrhu uspijeva da postane veoma hladan, čak i ako je ostatak igle topao.

Po svemu sudeći, za primijenjene probleme novi efekat će biti zanimljiv upravo sa stanovišta prijenosa topline, koji u određenim situacijama može biti mnogo efikasniji nego što se mislilo. Ovo zapažanje će biti veoma važno u projektovanju mikromehaničkih uređaja i u proučavanju toplotne provodljivosti polikristalnih piezoelektričnih uzoraka. Osim toga, u mikrouređajima koji kombiniraju piezoelektrične i metalne komponente, elektroni mogu doći u igru. Svi izgledi koje ovo otvara za brzi prijenos energije između elektrona i fonona s jedne supstance na drugu kroz vakuum tek treba da se prouče.

Izvori:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Akustičko fononsko tuneliranje i prijenos topline zbog evanescentnih električnih polja // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (14. septembar 2010.); Tekst članka je slobodno dostupan u e-print arhivi pod brojem arXiv:1003.1408.
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vakuumsko fononsko tuneliranje // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11. oktobar 2010.).

U dijelu o pitanju Da li zvuk ne putuje u vakuumu? dao autor Flush najbolji odgovor je Svetlost i zvuk u vakuumu
Zašto svjetlost putuje kroz vakuum, a zvuk ne?
SEED stručnjak Claude Beaudoin odgovara:
Svjetlost je elektromagnetski val – kombinacija električnog i magnetnog polja – koji ne zahtijeva prisustvo plina za širenje.
Zvuk je rezultat talasa pritiska. Pritisak zahteva prisustvo neke supstance (na primer, vazduha). Zvuk putuje i u drugim supstancama: u vodi, zemljinoj kori i prolazi kroz zidove, što možete primijetiti kada vaši susjedi prave buku.
Michael Williams kaže:
Svjetlost je u osnovi elektromagnetna energija koju nose osnovne čestice - fotoni. Ova situacija je okarakterisana kao „dualnost talasa i čestica“ ponašanja talasa. To znači da se ponaša i kao talas i kao čestica. Kada se svjetlost širi u vakuumu, foton se ponaša kao čestica i stoga se slobodno širi u ovom mediju.
S druge strane, zvuk je vibracija. Zvuk koji čujemo rezultat je vibracije bubne opne. Zvuk koji emituje radio je rezultat vibracije membrane zvučnika. Membrana se kreće naprijed-nazad, uzrokujući da zrak oko nje vibrira. Vibracije zraka putuju, dopiru do bubne opne i uzrokuju njenu vibraciju. Vibraciju bubne opne mozak pretvara u zvuk koji prepoznajete.
Dakle, zvuk zahtijeva prisustvo materije da bi vibrirao. U idealnom vakuumu nema šta da vibrira, tako da vibrirajuća membrana radio prijemnika ne može prenijeti zvuk.
SEED ekspert Natalie Famiglietti dodaje:
Širenje zvuka je kretanje; Širenje svjetlosti je zračenje ili emisija.
Zvuk ne može da putuje u vakuumu zbog nedostatka elastičnog medija. Britanski naučnik Robert Bojl je ovo otkrio eksperimentalno 1660. godine. Stavio je sat u teglu i ispumpao vazduh iz nje. Nakon slušanja, nije mogao razlikovati kucanje.

Opisana je nova pojava u kondenziranoj materiji - "skakanje" fonona s jednog čvrstog tijela na drugo kroz prazninu. Zahvaljujući njemu, zvučni talas može savladati tanke vakuumske praznine, a toplota se može prenositi kroz vakuum milijarde puta efikasnije nego kod običnog toplotnog zračenja.

Zvučni val je sinhrona vibracija atoma tvari u odnosu na ravnotežni položaj. Da bi se zvuk širio, očigledno, potreban je materijalni medij koji podržava ove vibracije. Zvuk ne može putovati u vakuumu jednostavno zato što ga nema. Međutim, kako se nedavno pokazalo, zvučne vibracije mogu skočiti s jednog tijela na drugo kroz vakuumski procjep submikronske debljine. Ovaj efekat, tzv "vakuumsko tuneliranje fonona", opisano je u dva članka objavljena u najnovijim brojevima časopisa Physical Review Letters. Odmah da primijetimo da, budući da vibracije kristalne rešetke nose ne samo zvuk, već i toplinu, novi efekat također dovodi do nenormalno jak prenos toplote kroz vakuum.

Novi efekat djeluje kroz interakciju između zvučnih valova u kristalu i električnog polja. Vibracije kristalne rešetke, dostižući kraj jednog kristala, stvaraju naizmjenična električna polja blizu njegove površine. Ova polja se „osećaju“ na drugoj ivici vakuumske praznine i ljuljaju vibracije rešetke u drugom kristalu (vidi sliku 1). Općenito, izgleda kao da zasebni fonon - "kvant" vibracije kristalne rešetke - skače s jednog kristala na drugi i dalje se širi u njemu, iako, naravno, u prostoru između kristala nema fonona.

Autori otkrića su koristili riječ "tuneliranje" da opisuju efekat, jer je vrlo sličan tuneliranju kvantnih čestica kada skaču kroz energetski zabranjene regije. Međutim, vrijedno je naglasiti da se novi fenomen može u potpunosti opisati jezikom klasične fizike i uopće ne zahtijeva uključivanje kvantne mehanike. To je donekle povezano s fenomenom elektromagnetne indukcije, koja se široko koristi u transformatorima, indukcijskim pećima i uređajima za beskontaktno punjenje uređaja. U oba slučaja, određeni proces u jednom tijelu stvara elektromagnetna polja, koja se nezračenjem (tj. bez gubitka snage zbog zračenja) prenose kroz otvor do drugog tijela i izazivaju reakciju u njemu. Jedina razlika je u tome što sa običnom induktivnošću "radi" električna struja (tj. kretanje elektrona), dok se kod vakuumskog tuneliranja fonona sami atomi kreću.

Specifični mehanizam koji dovodi do tako efektivne sprege između kristalnih vibracija i električnih polja može varirati. U teoretskom članku finskih istraživača predlaže se korištenje piezoelektrika u tu svrhu - tvari koje se naelektriziraju kada se deformiraju i deformiraju u električnom polju. Ovo samo po sebi nije dovoljno: za efikasno skakanje fonona kroz vakuumski procep potrebno je organizovati rezonanciju između „dolaznih” fonona, naizmeničnih električnih polja i „odbeglih” fonona u drugom kristalu. Proračuni pokazuju da, s obzirom na realne parametre supstanci, takva rezonancija zaista postoji, tako da pod određenim uglovima upada fononi mogu tunelirati sa vjerovatnoćom do 100%.

U posljednje vrijeme dizajn cijevne audio opreme postaje sve popularniji. U ovom članku pokušat ću vam reći šta trebate znati kada počnete raditi.

1 . Anatomija

Princip rada elektronskih cijevi zasniva se na kretanju nabijenih čestica (elektrona) u elektrostatičkom polju. Razmotrimo uređaj radio cijevi. Na slici je prikazan dijagram dizajna najjednostavnije indirektne žarulje sa žarnom niti (diode).

Zapravo, lampa je staklena posuda u kojoj se stvara visok vakuum (10-5 - 10-7 torr). Za klasične lampe, oblici elektroda su slični i koncentrični su „cilindri“. Poenta svega je da kada se katoda zagreje, elektroni se pobuđuju i napuštaju je. Katoda sa direktnim vlaknom je jednostavno volframova nit, kao u običnoj rasvjetnoj lampi. Takve katode se koriste u slučajevima kada nema potrebe za stvaranjem posebnog režima na katodi. Većina lampi koristi indirektnu katodu sa žarnom niti. U ovom slučaju, filament se stavlja u metalnu cijev. Na određenoj udaljenosti od katode nalazi se anoda - elektroda, koja je "konačna stanica" toka elektrona. Za kontrolu brzine kretanja elektrona od katode do anode koriste se dodatne elektrode. Mreže su podijeljene u 3 tipa. Kontrolni, ekran i zaštitni (anti-dinatron). Mreža je žičana spirala namotana na metalne stupove (traverze), u sendviču između dvije prirubnice liskuna. Iste prirubnice drže traverze anode i katode. Postoje i lampe koje sadrže nekoliko sistema elektroda. Takve lampe se nazivaju kombinovane lampe. U zavisnosti od snage lampe, njene elektrode i telo mogu biti izrađeni od različitih materijala, jer Kako se struja koja prolazi kroz njega povećava, rasipanje snage se povećava.

2. Moral

Sasvim je jasno da svaka vrsta lampe ima svoje originalne parametre i karakteristike. Prije svega, hajde da saznamo načine rada lampi. Da bi se stvorio normalan protok elektrona, u međuelektrodnim prostorima lampe se stvaraju posebni elektrostatički potencijali. Ovi potencijali su određeni naponima koji djeluju na njegove elektrode. Pogledajmo glavne načine rada:
1. Maksimalni dozvoljeni anodni napon (Ua max). Napon između anode i katode, ako je prekoračen, dolazi do sloma. Kod hladne katode ovaj napon je veći. Isto vrijedi i za mrežne napone.

2. Maksimalna dozvoljena anodna struja (Ia max). Maksimalna dozvoljena vrijednost struje u anodnom kolu. U suštini, struja koja prolazi kroz lampu, umanjena za mali dio "razvučen" potencijalima mreže.

3. Napon filamenta (Un). Tipični napon primijenjen na nit (grijač), pri kojem katoda dostiže temperaturu potrebnu za termoelektronsku emisiju, dok istovremeno lampa održava deklarirane parametre trajnosti.

4. Struja filamenta (In). Struja koju troši filament.

Postoje i brojne karakteristike određene dizajnom svjetiljki koje utječu na parametre sklopa sastavljenog na ovu lampu:

1. Karakteristični nagib (S). Odnos prirasta anodne struje i prirasta napona na kontrolnoj mreži. One. možemo odrediti koliko će se promijeniti anodna struja kada se upravljački napon promijeni za 1V.

2. Unutrašnji otpor lampe (Ri). Odnos prirasta anodnog napona i odgovarajućeg prirasta anodne struje. Na neki način, ovo se može usporediti sa trenutnim koeficijentom prijenosa tranzistora jer kako se kontrolni (pozitivni) napon povećava, anodna struja raste. Izvana, ovo izgleda kao smanjenje otpora. Naravno, lampa kao takva nema nikakav aktivni otpor. Određuje se međuelektrodnim kapacitetima i reaktivne je prirode.

3. Statičko pojačanje (µ). Odnos prirasta anodnog napona i kontrolnog inkrementa koji uzrokuje isto povećanje anodne struje. One. u suštini pokazuje koliko je puta efikasnije povećanje kontrolnog napona za 1V od sličnog povećanja anodnog napona.

3. Imena

Neki parametri i karakteristike dizajna lampi mogu se prepoznati po njihovim oznakama:

1. element – ​​broj koji pokazuje zaokruženi napon niti

2. element – ​​slovo koje označava vrstu lampe:
A – žarulje za pretvaranje frekvencije sa dvije upravljačke rešetke.
B – diodne pentode
B – sijalice sa sekundarnom emisijom
G – diode-triode
D – diode, uključujući prigušne
E – elektronski svjetlosni indikatori
F – visokofrekventne pentode sa kratkom karakteristikom. Uključujući dvostruko kontrolisane pentode
I - triode-heksode, triode-heptode, triode-oktode.
K - pentode sa proširenom karakteristikom.
L – lampe sa fokusiranim snopom.
N – duple triode.
P – izlazne pentode, tetrode snopa
P – dvostruke tetrode (uključujući snopove) i dvostruke pentode.
C – triode
F – triode-pentode
X – dvostruke diode, uključujući kenotrone
C – kenotroni koji pripadaju kategoriji prijemnih i pojačavačkih lampi. (specijalizirani ispravljači imaju posebne oznake)
E – tetrode

3. element je broj koji označava serijski broj tipa uređaja (tj. serijski broj razvoja lampe u ovoj seriji. Na primjer, 1. razvijena lampa iz serije 6-voltnih duplih trioda tipa prsta - 6N1P ).

Četvrti element je slovo koje karakterizira dizajn lampe:

A - u staklenoj vitrini prečnika do 8 mm.
B – subminijaturna, u staklenoj vitrini prečnika do 10,2 mm
G - subminijaturna, u metalno-staklenom kućištu prečnika većeg od 10,2 mm
D – u metalno-staklenoj kutiji sa disk lemovima (nalazi se uglavnom u mikrotalasnoj tehnologiji)
K – u keramičkoj kutiji
N - subminijaturna, u metal-keramičkom kućištu (nuvistori)
P - minijatura u staklenoj vitrini (prst)
P - subminijaturna, u staklenoj vitrini prečnika do 5 mm.
C – u staklenoj vitrini prečnika većeg od 22,5 mm.
Oktalne lampe promjera većeg od 22,5 mm u metalnom kućištu nemaju 4. element za označavanje.

4. Uslovi rada

Postoji predrasuda da su lampe zahtjevnije za ugradnju od poluvodičkih uređaja. Zapravo, radni uslovi EVP se ne razlikuju mnogo od onih koje nameću poluvodički uređaji. Štaviše, lampe su manje zahtevne za termičke uslove od poluprovodnika. Dakle, izlazni stupnjevi cijevnih pojačala snage do 20W ne zahtijevaju prisilno hlađenje, za razliku od poluvodičkih. Većina lampi se ugrađuje u posebnu vrstu konektora - grla za lampe. Neke lampe imaju terminale na vrhu sijalice. Najčešće su to terminali anodne ili ekranske mreže, na koje se primjenjuje relativno visok napon. To se radi kako bi se izbjegao kvar između njega i priključaka drugih elektroda. Ako se lampe tokom rada jako zagreju, preporučljivo je da ih razmaknete što je više moguće. Nedavno se pojavio poseban trend u konstrukciji tehnologije lampe. Lampe i transformatori su postavljeni na gornju ploču uređaja, a preostali dijelovi su montirani u podrumu šasije. Takvi uređaji se mnogo bolje hlade, a ovakav pristup smatram sasvim razumnim ako u gornjem dijelu lampe nema anodnih terminala koji prijete korisniku visokonaponskim oštećenjem. Svjetiljke ne moraju biti postavljene strogo okomito. Bilo koji ugao nagiba u odnosu na horizont je dozvoljen ako ne postoji opasnost da će se rešetke zagrijati i popustiti, stvarajući tako međuelektrodni kratki spoj.