Trebuie să știm, vom ști. Sunetul în vid Unda sonoră în vid

Este descris un nou fenomen în materia condensată - „săritul” fononilor de la un corp solid la altul printr-un gol. Datorită acesteia, o undă sonoră poate depăși golurile subțiri de vid, iar căldura poate fi transferată printr-un vid de miliarde de ori mai eficient decât cu radiația termică obișnuită.

O undă sonoră este o vibrație sincronă a atomilor unei substanțe în raport cu o poziție de echilibru. Pentru ca sunetul să se propage, evident, este nevoie de un mediu material care să susțină aceste vibrații. Sunetul nu poate călători în vid pur și simplu pentru că nu există. Cu toate acestea, după cum s-a dovedit destul de recent, vibrațiile sonore pot sări de la un corp la altul printr-un spațiu de vid de o grosime submicroanică. Acest efect, numit „tunelarea în vid a fononilor”, a fost descrisă în două articole publicate în ultimele numere ale revistei Scrisori de revizuire fizică. Să observăm imediat că, deoarece vibrațiile rețelei cristaline transportă nu numai sunet, ci și căldură, noul efect duce și la transfer de căldură anormal de puternic prin vid.

Noul efect funcționează prin interacțiunea dintre undele sonore din cristal și un câmp electric. Vibrațiile rețelei cristaline, ajungând la capătul unui cristal, creează câmpuri electrice alternative în apropierea suprafeței sale. Aceste câmpuri sunt „resimțite” la cealaltă margine a golului de vid și balansează vibrațiile rețelei din al doilea cristal (vezi Fig. 1). În general, pare că un fonon separat - un „cuantum” de vibrație al rețelei cristaline - sare de la un cristal la altul și se propagă mai departe în el, deși, desigur, nu există niciun fonon în spațiul dintre cristale.

Autorii descoperirii au folosit cuvântul „tunnel” pentru a descrie efectul, deoarece este foarte asemănător cu tunelul particulelor cuantice atunci când acestea sar prin regiuni interzise din punct de vedere energetic. Cu toate acestea, merită subliniat faptul că noul fenomen poate fi descris pe deplin în limbajul fizicii clasice și nu necesită deloc implicarea mecanicii cuantice. Este oarecum legat de fenomenul inducției electromagnetice, care este utilizat pe scară largă în transformatoare, sobe cu inducție și dispozitive de încărcare fără contact pentru gadget-uri. În ambele cazuri, un anumit proces într-un corp generează câmpuri electromagnetice, care sunt transmise neradiativ (adică fără pierderi de putere din cauza radiației) prin gol către al doilea corp și provoacă un răspuns în acesta. Singura diferență este că, cu inductanța obișnuită, curentul electric „funcționează” (adică mișcarea electronilor), în timp ce cu tunelul în vid a fononilor, atomii înșiși se mișcă.

Mecanismul specific care duce la o astfel de cuplare eficientă între vibrația cristalului și câmpurile electrice poate varia. Într-un articol teoretic al cercetătorilor finlandezi, se propune utilizarea piezoelectricilor în acest scop - substanțe care se electrifică atunci când sunt deformate și se deformează într-un câmp electric. Acest lucru în sine nu este suficient: pentru săritura eficientă a fononilor prin golul de vid, este necesar să se organizeze o rezonanță între fononii „intrați”, alternarea câmpurilor electrice și fononii „fugați” într-un alt cristal. Calculele arată că, având în vedere parametrii realiști ai substanțelor, o astfel de rezonanță există de fapt, astfel încât la anumite unghiuri de incidență, fononii pot tunel cu o probabilitate de până la 100%.

Este descris un nou fenomen în materia condensată - „săritul” fononilor de la un corp solid la altul printr-un gol. Datorită acesteia, o undă sonoră poate depăși golurile subțiri de vid, iar căldura poate fi transferată printr-un vid de miliarde de ori mai eficient decât cu radiația termică obișnuită.

Unda sonoră este o vibrație sincronă a atomilor unei substanțe în raport cu o poziție de echilibru. Pentru ca sunetul să se propage, evident, este nevoie de un mediu material care să susțină aceste vibrații. Sunetul nu poate călători în vid pur și simplu pentru că nu există. Cu toate acestea, după cum s-a dovedit destul de recent, vibrațiile sonore pot sări de la un corp la altul printr-un spațiu de vid de o grosime submicroană. Acest efect, numit „tunelarea în vid a fononilor”, a fost descrisă în două articole publicate în ultimele numere ale revistei Scrisori de revizuire fizică. Să observăm imediat că, deoarece vibrațiile rețelei cristaline transportă nu numai sunet, ci și căldură, noul efect duce și la transfer de căldură anormal de puternic prin vid.

Noul efect funcționează prin interacțiunea dintre undele sonore din cristal și un câmp electric. Vibrațiile rețelei cristaline, ajungând la capătul unui cristal, creează câmpuri electrice alternative în apropierea suprafeței sale. Aceste câmpuri sunt „resimțite” la cealaltă margine a golului de vid și balansează vibrațiile rețelei din al doilea cristal (vezi Fig. 1). În general, pare că un fonon separat - un „cuantum” de vibrație al rețelei cristaline - sare de la un cristal la altul și se propagă mai departe în el, deși, desigur, nu există niciun fonon în spațiul dintre cristale.

Autorii descoperirii au folosit cuvântul „tunnel” pentru a descrie efectul, deoarece este foarte asemănător cu tunelul particulelor cuantice atunci când acestea sar prin regiuni interzise din punct de vedere energetic. Cu toate acestea, merită subliniat faptul că noul fenomen poate fi descris pe deplin în limbajul fizicii clasice și nu necesită deloc implicarea mecanicii cuantice. Este oarecum legat de fenomenul inducției electromagnetice, care este utilizat pe scară largă în transformatoare, sobe cu inducție și dispozitive de încărcare fără contact pentru gadget-uri. În ambele cazuri, un anumit proces într-un corp generează câmpuri electromagnetice, care sunt transmise neradiativ (adică fără pierderi de putere din cauza radiației) prin gol către al doilea corp și provoacă un răspuns în acesta. Singura diferență este că, cu inductanța obișnuită, curentul electric „funcționează” (adică mișcarea electronilor), în timp ce cu tunelul în vid a fononilor, atomii înșiși se mișcă.

Mecanismul specific care duce la o astfel de cuplare eficientă între vibrația cristalului și câmpurile electrice poate varia. Într-un articol teoretic al cercetătorilor finlandezi, se propune utilizarea piezoelectricilor în acest scop - substanțe care se electrifică atunci când sunt deformate și se deformează într-un câmp electric. Acest lucru în sine nu este suficient: pentru săritura eficientă a fononilor prin golul de vid, este necesar să se organizeze o rezonanță între fononii „intrați”, alternarea câmpurilor electrice și fononii „fugați” într-un alt cristal. Calculele arată că, având în vedere parametrii realiști ai substanțelor, o astfel de rezonanță există de fapt, astfel încât la anumite unghiuri de incidență, fononii pot tunel cu o probabilitate de până la 100%.

Într-o altă lucrare, fizicienii au dat peste efectul în discuție în timp ce studiau o întrebare aparent complet tehnică: ce temperatură este vârful unui vârf cald al unui microscop cu tunel de scanare atunci când este adus (fără atingere) pe un substrat rece (vezi Fig. 2) ? Folosind tehnici experimentale subtile, au reușit să măsoare temperatura ultimului atom de la vârful acului și au descoperit un fapt uimitor: acest atom se află la temperatura substratului, nu a acului! Aceasta înseamnă că schimbul de căldură fără contact al ultimului atom al vârfului cu substratul a fost mult mai puternic (prin vid!) decât cu restul vârfului.

Radiația termică convențională, primul gând care îmi vine în minte în astfel de situații, s-a dovedit a fi complet insuficientă. Potrivit cercetătorilor, transferul de căldură de la vârf la substrat a fost de miliarde (!) de ori mai eficient decât ceea ce ar putea furniza radiația termică. Acest fapt, împreună cu rezultatele măsurătorilor detaliate, indică faptul că și aici are loc tunelarea fononilor prin vid.

Autorii articolului explică dinamica acestui efect după cum urmează. Orice sarcină adusă pe o suprafață metalică induce o sarcină asupra acesteia (în problemele de electrostatică este adesea modelată cu o imagine de încărcare fictivă). Dacă sarcina inițială tremură, de exemplu, din cauza vibrațiilor termice, atunci și sarcina indusă va tremura cu aproximativ aceeași frecvență și amplitudine (datorită faptului că electronii sunt mult mai ușori decât atomii, au timp să se „ajusteze” la fiecare mișcarea atomului). Drept urmare, se dovedește că un anumit grup de electroni apare chiar pe suprafața substratului, care tremură ca un atom „fierbinte”. Acest mănunchi legănește vibrațiile atomilor de pe substrat, energia este cheltuită pe ei, este luată din grupul de electroni și, prin urmare, din atomul inițial fierbinte - la urma urmei, este conectat „rigid” la grămadă prin forțe electrice! Prin acest mecanism, ultimul atom de pe vârf reușește să devină foarte rece, chiar dacă restul acului este cald.

Aparent, pentru probleme aplicate noul efect va fi interesant tocmai din punct de vedere al transferului de caldura, care in anumite situatii poate fi mult mai eficient decat se credea anterior. Această observație va fi foarte importantă în proiectarea dispozitivelor micromecanice și în studiul conductivității termice a probelor piezoelectrice policristaline. În plus, în microdispozitivele care combină componente piezoelectrice și metalice, electronii pot intra în joc. Toate perspectivele pe care aceasta le deschide pentru transferul rapid de energie între electroni și fononi de la o substanță la alta printr-un vid trebuie încă studiate.

Surse:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Tunnel acustic de fonon și transport de căldură datorită câmpurilor electrice evanescente // Fiz. Rev. Lett. 105, 125501 (14 septembrie 2010); Textul articolului este disponibil gratuit în arhiva e-print sub numărul arXiv:1003.1408.
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Tunnel de fonon cu vid // Fiz. Rev. Lett. 105, 166101 (11 octombrie 2010).

În secțiunea cu întrebarea Sunetul nu călătorește în vid? dat de autor Culoare cel mai bun răspuns este Lumină și sunet în vid
De ce lumina călătorește prin vid, dar sunetul nu?
Expertul SEED Claude Beaudoin răspunde:
Lumina este o undă electromagnetică - o combinație de câmpuri electrice și magnetice - care nu necesită prezența gazului pentru a se propaga.
Sunetul este rezultatul unei unde de presiune. Presiunea necesită prezența unei substanțe (de exemplu, aer). Sunetul se deplasează și în alte substanțe: în apă, scoarța terestră și trece prin pereți, pe care s-ar putea să-i observi când vecinii tăi fac zgomot.
Michael Williams spune:
Lumina este practic energie electromagnetică transportată de particule fundamentale - fotoni. Această situație este caracterizată ca „dualitate val-particulă” a comportamentului undei. Aceasta înseamnă că se comportă atât ca o undă, cât și ca o particulă. Când lumina se propagă în vid, fotonul se comportă ca o particulă și, prin urmare, se propagă liber în acest mediu.
Pe de altă parte, sunetul este vibrație. Sunetul pe care îl auzim este rezultatul vibrației timpanului. Sunetul emis de un radio este rezultatul vibrației membranei difuzorului. Membrana se mișcă înainte și înapoi, făcând ca aerul din jurul ei să vibreze. Vibrațiile aerului circulă, ajungând la timpan și provocându-l să vibreze. Vibrația timpanului este convertită de creier într-un sunet pe care îl recunoașteți.
Astfel, sunetul necesită prezența materiei pentru a vibra. Într-un vid ideal nu există nimic de vibrat, astfel încât membrana vibrantă a unui receptor radio nu poate transmite sunet.
Expertul SEED Natalie Famiglietti adaugă:
Propagarea sunetului este mișcare; Propagarea luminii este radiație sau emisie.
Sunetul nu poate circula în vid din cauza lipsei unui mediu elastic. Omul de știință britanic Robert Boyle a descoperit acest lucru experimental în 1660. A pus un ceas într-un borcan și a pompat aerul din el. După ce a ascultat, nu a putut distinge ticăitul.

Este descris un nou fenomen în materia condensată - „săritul” fononilor de la un corp solid la altul printr-un gol. Datorită acesteia, o undă sonoră poate depăși golurile subțiri de vid, iar căldura poate fi transferată printr-un vid de miliarde de ori mai eficient decât cu radiația termică obișnuită.

O undă sonoră este o vibrație sincronă a atomilor unei substanțe în raport cu o poziție de echilibru. Pentru ca sunetul să se propage, evident, este nevoie de un mediu material care să susțină aceste vibrații. Sunetul nu poate călători în vid pur și simplu pentru că nu există. Cu toate acestea, după cum s-a dovedit destul de recent, vibrațiile sonore pot sări de la un corp la altul printr-un spațiu de vid de o grosime submicroanică. Acest efect, numit „tunelarea în vid a fononilor”, a fost descrisă în două articole publicate în ultimele numere ale revistei Scrisori de revizuire fizică. Să observăm imediat că, deoarece vibrațiile rețelei cristaline transportă nu numai sunet, ci și căldură, noul efect duce și la transfer de căldură anormal de puternic prin vid.

Noul efect funcționează prin interacțiunea dintre undele sonore din cristal și un câmp electric. Vibrațiile rețelei cristaline, ajungând la capătul unui cristal, creează câmpuri electrice alternative în apropierea suprafeței sale. Aceste câmpuri sunt „resimțite” la cealaltă margine a golului de vid și balansează vibrațiile rețelei din al doilea cristal (vezi Fig. 1). În general, pare că un fonon separat - un „cuantum” de vibrație al rețelei cristaline - sare de la un cristal la altul și se propagă mai departe în el, deși, desigur, nu există niciun fonon în spațiul dintre cristale.

Autorii descoperirii au folosit cuvântul „tunnel” pentru a descrie efectul, deoarece este foarte asemănător cu tunelul particulelor cuantice atunci când acestea sar prin regiuni interzise din punct de vedere energetic. Cu toate acestea, merită subliniat faptul că noul fenomen poate fi descris pe deplin în limbajul fizicii clasice și nu necesită deloc implicarea mecanicii cuantice. Este oarecum legat de fenomenul inducției electromagnetice, care este utilizat pe scară largă în transformatoare, sobe cu inducție și dispozitive de încărcare fără contact pentru gadget-uri. În ambele cazuri, un anumit proces într-un corp generează câmpuri electromagnetice, care sunt transmise neradiativ (adică fără pierderi de putere din cauza radiației) prin gol către al doilea corp și provoacă un răspuns în acesta. Singura diferență este că, cu inductanța obișnuită, curentul electric „funcționează” (adică mișcarea electronilor), în timp ce cu tunelul în vid a fononilor, atomii înșiși se mișcă.

Mecanismul specific care duce la o astfel de cuplare eficientă între vibrația cristalului și câmpurile electrice poate varia. Într-un articol teoretic al cercetătorilor finlandezi, se propune utilizarea piezoelectricilor în acest scop - substanțe care se electrifică atunci când sunt deformate și se deformează într-un câmp electric. Acest lucru în sine nu este suficient: pentru săritura eficientă a fononilor prin golul de vid, este necesar să se organizeze o rezonanță între fononii „intrați”, alternarea câmpurilor electrice și fononii „fugați” într-un alt cristal. Calculele arată că, având în vedere parametrii realiști ai substanțelor, o astfel de rezonanță există de fapt, astfel încât la anumite unghiuri de incidență, fononii pot tunel cu o probabilitate de până la 100%.

În ultimul timp, proiectarea echipamentelor audio cu tub a devenit din ce în ce mai populară. În acest articol voi încerca să vă spun ce trebuie să știți când începeți munca.

1 . Anatomie

Principiul de funcționare al tuburilor electronice se bazează pe mișcarea particulelor încărcate (electroni) într-un câmp electrostatic. Să luăm în considerare dispozitivul unui tub radio. Figura prezintă o diagramă a designului celei mai simple lămpi cu incandescență indirectă (diodă).

De fapt, lampa este un recipient de sticlă în care se creează un vid înalt (10-5 - 10-7 torr). Pentru lămpile clasice, formele electrozilor sunt similare și sunt „cilindri” concentrici. Ideea este că atunci când catodul este încălzit, electronii sunt excitați și îl părăsesc. Catodul cu filament direct este pur și simplu un filament de tungsten, ca într-o lampă de iluminat obișnuită. Astfel de catozi sunt utilizați în cazurile în care nu este necesar să se creeze un regim special la catod. Majoritatea lămpilor folosesc un catod cu filament indirect. În acest caz, filamentul este plasat într-un tub metalic. La o anumită distanță de catod există un anod - un electrod, care este „oprirea finală” a fluxului de electroni. Pentru a controla viteza de mișcare a electronilor de la catod la anod, se folosesc electrozi suplimentari. Grilele sunt împărțite în 3 tipuri. Control, ecran și protecție (anti-dinatron). Plasa este o spirală de sârmă înfășurată pe stâlpi metalici (traverse), prinse între două flanșe de mica. Aceleași flanșe țin traversele anodului și catodic. Există, de asemenea, lămpi care conțin mai multe sisteme de electrozi. Astfel de lămpi se numesc lămpi combinate. În funcție de puterea lămpii, electrozii și corpul acesteia pot fi din diverse materiale, deoarece Pe măsură ce curentul care trece prin el crește, crește puterea disipată.

2. Morala

Este destul de clar că fiecare tip de lampă are propriile parametri și caracteristici originale. În primul rând, să aflăm modurile de funcționare ale lămpilor. Pentru a crea un flux normal de electroni, în spațiile interelectrode ale lămpii sunt create potențiale electrostatice speciale. Aceste potențiale sunt determinate de tensiunile care acționează asupra electrozilor săi. Să luăm în considerare principalele moduri de funcționare:
1. Tensiunea anodică maximă admisă (Ua max). Tensiunea dintre anod și catod, dacă este depășită, are loc o defecțiune. Cu un catod rece, această tensiune este mai mare. Același lucru este valabil și pentru tensiunile rețelei.

2. Curentul anodic maxim admis (Ia max). Valoarea maximă admisă a curentului în circuitul anodic. În esență, curentul care trece prin lampă, minus fracția mică „întinsă” de potențialele rețelei.

3. Tensiunea filamentului (Un). Tensiune tipică aplicată filamentului (încălzitor), la care catodul atinge temperatura necesară pentru emisia termoionică, în timp ce lampa menține parametrii de durabilitate declarați.

4. Curentul filamentului (In). Curentul consumat de filament.

Există, de asemenea, o serie de caracteristici determinate de designul lămpilor care afectează parametrii ansamblului asamblat pe această lampă:

1. Pantă caracteristică (S). Raportul dintre creșterea curentului anodului și creșterea tensiunii pe grila de control. Acestea. putem determina cât de mult se va schimba curentul anodului când tensiunea de control se schimbă cu 1V.

2. Rezistența internă a lămpii (Ri). Raportul dintre creșterea tensiunii anodului și creșterea corespunzătoare a curentului anodului. În unele moduri, acest lucru poate fi comparat cu coeficientul de transfer de curent al unui tranzistor deoarece pe măsură ce tensiunea de control (pozitivă) crește, crește curentul anodului. În exterior, aceasta arată ca o scădere a rezistenței. Desigur, lampa nu are nicio rezistență activă ca atare. Este determinată de capacitățile interelectrodului și este de natură reactivă.

3. Câștig static (µ). Raportul dintre creșterea tensiunii anodului și creșterea de control provoacă aceeași creștere a curentului anodului. Acestea. în esență arată de câte ori este mai eficientă o creștere a tensiunii de control cu ​​1V decât o creștere similară a tensiunii anodului.

3. Nume

Unii parametri și caracteristici de design ale lămpilor pot fi recunoscuți după marcajele lor:

Primul element – ​​un număr care arată tensiunea filamentului rotunjit

Al doilea element – ​​litera care indică tipul de lampă:
A – lămpi convertitoare de frecvență cu două grile de control.
B – diode pentode
B – lămpi cu emisie secundară
G – diodă-triode
D – diode, inclusiv cele amortizoare
E – indicatoare luminoase electronice
F – pentode de înaltă frecvență cu o caracteristică scurtă. Inclusiv pentode controlate duble
Și – triodă-hexode, triodă-heptode, triodă-octode.
K - pentode cu o caracteristică extinsă.
L – lămpi cu fascicul focalizat.
N – triode duble.
P – pentode de ieșire, tetrode de fascicul
P – tetrode duble (inclusiv cele cu fascicul) și pentode duble.
C – triode
F – triodă-pentode
X – diode duble, inclusiv kenotroni
C – kenotroni aparținând categoriei lămpilor receptoare și amplificatoare. (dispozitivele de redresare specializate au marcaje speciale)
E – tetrode

Al treilea element este un număr care indică numărul de serie al tipului de dispozitiv (adică numărul de serie al dezvoltării lămpii din această serie. De exemplu, prima lampă dezvoltată din seria de triode duble de tip deget de 6 volți - 6N1P ).

Al 4-lea element este o literă care caracterizează designul lămpii:

A – într-o cutie de sticlă cu un diametru de până la 8 mm.
B – subminiatură, într-o cutie de sticlă cu diametrul de până la 10,2 mm
G - subminiatura, într-o carcasă metal-sticlă cu un diametru mai mare de 10,2 mm
D – într-o carcasă din metal-sticlă cu lipire pe disc (se găsește în principal în tehnologia cu microunde)
K – într-o cutie ceramică
N - subminiatura, în carcasă metal-ceramică (nuvistori)
P – miniatură într-o cutie de sticlă (deget)
P - subminiatură, într-o cutie de sticlă cu diametrul de până la 5 mm.
C – într-o cutie de sticlă cu un diametru mai mare de 22,5 mm.
Lămpile octale cu un diametru mai mare de 22,5 mm într-o carcasă metalică nu au al 4-lea element de marcare.

4. Conditii de munca

Există o preconcepție conform căreia lămpile sunt mai solicitante de instalat decât dispozitivele semiconductoare. De fapt, condițiile de funcționare ale EVP nu sunt foarte diferite de cele impuse de dispozitivele semiconductoare. În plus, lămpile sunt mai puțin pretențioase în condițiile termice decât semiconductorii. Astfel, treptele de ieșire ale amplificatoarelor cu tub cu o putere de până la 20W nu necesită răcire forțată, spre deosebire de cele cu semiconductor. Majoritatea lămpilor sunt instalate într-un tip special de conectori - socluri pentru lămpi. Unele lămpi au terminale în partea de sus a becului. Cel mai adesea acestea sunt bornele grilei anodului sau ecranului, cărora li se aplică o tensiune relativ ridicată. Acest lucru se face pentru a evita defectarea între acesta și bornele altor electrozi. Dacă lămpile devin foarte fierbinți în timpul funcționării, este recomandabil să le distanțați cât mai mult. Recent, a apărut o tendință specială în construcția tehnologiei lămpii. Lămpile și transformatoarele sunt amplasate pe panoul superior al dispozitivului, iar părțile rămase sunt montate în subsolul șasiului. Astfel de dispozitive sunt răcite mult mai bine și consider această abordare destul de rezonabilă dacă nu există terminale anodice în partea superioară a lămpilor care amenință utilizatorul cu daune de înaltă tensiune. Lămpile nu trebuie să fie poziționate strict vertical. Orice unghi de înclinare față de orizont este permis dacă nu există pericolul ca grilele să se încălzească și să se încline, creând astfel un scurtcircuit interelectrod.