Vi måste veta, vi kommer att veta. Ljud i vakuum Ljudvåg i vakuum

Ett nytt fenomen i kondenserad materia beskrivs - "hoppningen" av fononer från en fast kropp till en annan genom ett tomrum. På grund av det kan en ljudvåg övervinna tunna vakuumgap, och värme kan överföras genom ett vakuum miljarder gånger mer effektivt än med vanlig värmestrålning.

En ljudvåg är en synkron vibration av atomer av ett ämne i förhållande till en jämviktsposition. För att ljud ska fortplanta sig behövs uppenbarligen ett materialmedium som stödjer dessa vibrationer. Ljud kan inte färdas i ett vakuum bara för att det inte finns där. Men som det visade sig ganska nyligen kan ljudvibrationer hoppa från en kropp till en annan genom ett vakuumgap av submikron tjocklek. Denna effekt kallas "vakuumtunnling av fononer", beskrevs i två artiklar publicerade i de senaste numren av tidskriften Fysiska granskningsbrev. Låt oss omedelbart notera att eftersom vibrationer i kristallgittret inte bara bär ljud, utan också värme, leder den nya effekten också till onormalt stark värmeöverföring genom vakuum.

Den nya effekten fungerar genom interaktionen mellan ljudvågor i kristallen och ett elektriskt fält. Vibrationer i kristallgittret, som når änden av en kristall, skapar alternerande elektriska fält nära dess yta. Dessa fält "känns" vid den andra kanten av vakuumgapet och skakar gittervibrationerna i den andra kristallen (se fig. 1). I allmänhet ser det ut som om en separat fonon - ett "kvantum" av vibration av kristallgittret - hoppar från en kristall till en annan och fortplantar sig vidare i den, även om det naturligtvis inte finns någon fonon i utrymmet mellan kristallerna.

Författarna till upptäckten använde ordet "tunneling" för att beskriva effekten, eftersom det är mycket likt tunnling av kvantpartiklar när de hoppar genom energetiskt förbjudna områden. Det är dock värt att betona att det nya fenomenet fullt ut kan beskrivas på klassisk fysiks språk och inte alls kräver inblandning av kvantmekanik. Det är något relaterat till fenomenet elektromagnetisk induktion, som används flitigt i transformatorer, induktionsspisar och kontaktlösa laddningsenheter för prylar. I båda fallen genererar en viss process i en kropp elektromagnetiska fält, som icke-strålning (det vill säga utan effektförlust på grund av strålning) överförs genom gapet till den andra kroppen och orsakar ett svar i den. Den enda skillnaden är att med vanlig induktans "fungerar" den elektriska strömmen (det vill säga elektronernas rörelse), medan atomerna själva rör sig vid vakuumtunnling av fononer.

Den specifika mekanismen som leder till en sådan effektiv koppling mellan kristallvibrationer och elektriska fält kan variera. I en teoretisk artikel av finska forskare föreslås att man använder piezoelektrik för detta ändamål - ämnen som blir elektrifierade när de deformeras och deformeras i ett elektriskt fält. Detta i sig är inte tillräckligt: ​​för att effektivt hoppa av fononer genom vakuumgapet är det nödvändigt att organisera en resonans mellan de "inkommande" fononerna, alternerande elektriska fält och "runaway" fononer i en annan kristall. Beräkningar visar att, givet realistiska parametrar för ämnen, en sådan resonans faktiskt existerar, så att vid vissa infallsvinklar kan fononer tunnla med en sannolikhet på upp till 100 %.

Ett nytt fenomen i kondenserad materia beskrivs - "hoppningen" av fononer från en fast kropp till en annan genom ett tomrum. På grund av det kan en ljudvåg övervinna tunna vakuumgap, och värme kan överföras genom ett vakuum miljarder gånger mer effektivt än med vanlig värmestrålning.

En ljudvåg är en synkron vibration av atomer av ett ämne i förhållande till en jämviktsposition. För att ljud ska fortplanta sig behövs uppenbarligen ett materialmedium som stödjer dessa vibrationer. Ljud kan inte färdas i ett vakuum bara för att det inte finns där. Men som det visade sig ganska nyligen kan ljudvibrationer hoppa från en kropp till en annan genom ett vakuumgap av submikron tjocklek. Denna effekt kallas "vakuumtunnling av fononer", beskrevs i två artiklar publicerade i de senaste numren av tidskriften Fysiska granskningsbrev. Låt oss omedelbart notera att eftersom vibrationer i kristallgittret inte bara bär ljud, utan också värme, leder den nya effekten också till onormalt stark värmeöverföring genom vakuum.

Den nya effekten fungerar genom interaktionen mellan ljudvågor i kristallen och ett elektriskt fält. Vibrationer i kristallgittret, som når änden av en kristall, skapar alternerande elektriska fält nära dess yta. Dessa fält "känns" vid den andra kanten av vakuumgapet och skakar gittervibrationerna i den andra kristallen (se fig. 1). I allmänhet ser det ut som om en separat fonon - ett "kvantum" av vibration av kristallgittret - hoppar från en kristall till en annan och fortplantar sig vidare i den, även om det naturligtvis inte finns någon fonon i utrymmet mellan kristallerna.

Författarna till upptäckten använde ordet "tunneling" för att beskriva effekten, eftersom det är mycket likt tunnling av kvantpartiklar när de hoppar genom energetiskt förbjudna områden. Det är dock värt att betona att det nya fenomenet fullt ut kan beskrivas på klassisk fysiks språk och inte alls kräver inblandning av kvantmekanik. Det är något relaterat till fenomenet elektromagnetisk induktion, som används flitigt i transformatorer, induktionsspisar och kontaktlösa laddningsenheter för prylar. I båda fallen genererar en viss process i en kropp elektromagnetiska fält, som icke-strålning (det vill säga utan effektförlust på grund av strålning) överförs genom gapet till den andra kroppen och orsakar ett svar i den. Den enda skillnaden är att med vanlig induktans "fungerar" den elektriska strömmen (det vill säga elektronernas rörelse), medan atomerna själva rör sig vid vakuumtunnling av fononer.

Den specifika mekanismen som leder till en sådan effektiv koppling mellan kristallvibrationer och elektriska fält kan variera. I en teoretisk artikel av finska forskare föreslås att man använder piezoelektrik för detta ändamål - ämnen som blir elektrifierade när de deformeras och deformeras i ett elektriskt fält. Detta i sig är inte tillräckligt: ​​för att effektivt hoppa av fononer genom vakuumgapet är det nödvändigt att organisera en resonans mellan de "inkommande" fononerna, alternerande elektriska fält och "runaway" fononer i en annan kristall. Beräkningar visar att, givet realistiska parametrar för ämnen, en sådan resonans faktiskt existerar, så att vid vissa infallsvinklar kan fononer tunnla med en sannolikhet på upp till 100 %.

I en annan artikel snubblade fysiker på effekten som diskuterades när de studerade en till synes helt teknisk fråga: vilken temperatur är själva spetsen på en varm spets på ett scanningstunnelmikroskop när den bringas (utan att röra) till ett kallt substrat (se fig. 2) ? Med hjälp av subtila experimentella tekniker kunde de mäta temperaturen på bokstavligen den allra sista atomen vid spetsen av nålen och upptäckte ett häpnadsväckande faktum: denna atom är vid substratets temperatur, inte nålen! Detta betyder att den beröringsfria värmeväxlingen av spetsens allra sista atom med substratet var mycket starkare (genom vakuum!) än med resten av spetsen.

Konventionell värmestrålning, den första tanken som kommer att tänka på i sådana situationer, visade sig vara helt otillräcklig. Enligt forskarna var värmeöverföringen från spetsen till substratet miljarder (!) gånger effektivare än vad värmestrålning kunde ge. Detta faktum, tillsammans med resultaten av detaljerade mätningar, indikerar att även här sker tunnling av fononer genom vakuumet.

Författarna till artikeln förklarar dynamiken i denna effekt enligt följande. Varje laddning som förs till en metallyta inducerar en laddning på den (i problem inom elektrostatik modelleras den ofta med en fiktiv laddningsbild). Om den ursprungliga laddningen darrar, till exempel på grund av termiska vibrationer, kommer den inducerade laddningen också att darra med ungefär samma frekvens och amplitud (beroende på det faktum att elektroner är mycket lättare än atomer har de tid att "justera" sig till varje atomens rörelse). Som ett resultat visar det sig att ett visst elektronknippe dyker upp precis på ytan av substratet, som darrar som en "het" atom. Detta gäng skakar vibrationerna av atomer på substratet, energi spenderas på dem, det tas bort från elektronknippen och därför från den initialt heta atomen - trots allt är den "stelt" ansluten till massan av elektriska krafter! Det är genom denna mekanism som den allra sista atomen på spetsen lyckas bli väldigt kall, även om resten av nålen är varm.

Tydligen, för tillämpade problem kommer den nya effekten att vara intressant just ur värmeöverföringssynpunkt, som i vissa situationer kan vara mycket effektivare än man tidigare trott. Denna observation kommer att vara mycket viktig vid utformningen av mikromekaniska anordningar och vid studiet av termisk konduktivitet hos polykristallina piezoelektriska prover. Dessutom, i mikroenheter som kombinerar piezoelektriska och metallkomponenter, kan elektroner spela in. Alla möjligheter detta öppnar för snabb överföring av energi mellan elektroner och fononer från ett ämne till ett annat genom ett vakuum har ännu inte studerats.

Källor:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Akustisk fonontunnel och värmetransport på grund av Evanescent Electric Fields // Phys. Varv. Lett. 105, 125501 (14 september 2010); Artikelns text är fritt tillgänglig i e-printarkivet under numret arXiv:1003.1408.
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Varv. Lett. 105, 166101 (11 oktober 2010).

I avsnittet om frågan Reser ljud inte i ett vakuum? ges av författaren Spola det bästa svaret är Ljus och ljud i vakuum
Varför färdas ljus genom ett vakuum men inte ljud?
SEED-experten Claude Beaudoin svarar:
Ljus är en elektromagnetisk våg - en kombination av elektriska och magnetiska fält - som inte kräver närvaro av gas för att spridas.
Ljud är resultatet av en tryckvåg. Tryck kräver närvaro av något ämne (till exempel luft). Ljud färdas också i andra ämnen: i vatten, jordskorpan, och passerar genom väggar, vilket du kanske märker när dina grannar låter.
Michael Williams säger:
Ljus är i grunden elektromagnetisk energi som bärs av fundamentala partiklar - fotoner. Denna situation karakteriseras som "våg-partikeldualitet" av vågbeteende. Det betyder att den beter sig både som en våg och som en partikel. När ljus fortplantar sig i ett vakuum, beter sig fotonen som en partikel och fortplantar sig därför fritt i detta medium.
Å andra sidan är ljud vibration. Ljudet vi hör är resultatet av vibrationer i trumhinnan. Ljudet som sänds ut av en radio är resultatet av vibrationer från högtalarmembranet. Membranet rör sig fram och tillbaka, vilket får luften runt det att vibrera. Luftvibrationer färdas, når trumhinnan och får den att vibrera. Vibrationen från trumhinnan omvandlas av hjärnan till ett ljud du känner igen.
Således kräver ljud närvaron av materia för att vibrera. I ett idealiskt vakuum finns det inget att vibrera, så det vibrerande membranet i en radiomottagare kan inte överföra ljud.
SEED-experten Natalie Famiglietti tillägger:
Utbredningen av ljud är rörelse; Ljusets utbredning är strålning eller emission.
Ljud kan inte färdas i ett vakuum på grund av bristen på ett elastiskt medium. Den brittiske vetenskapsmannen Robert Boyle upptäckte detta experimentellt 1660. Han lade en klocka i en burk och pumpade ut luften från den. Efter att ha lyssnat kunde han inte urskilja tickandet.

Ett nytt fenomen i kondenserad materia beskrivs - "hoppningen" av fononer från en fast kropp till en annan genom ett tomrum. På grund av det kan en ljudvåg övervinna tunna vakuumgap, och värme kan överföras genom ett vakuum miljarder gånger mer effektivt än med vanlig värmestrålning.

En ljudvåg är en synkron vibration av atomer av ett ämne i förhållande till en jämviktsposition. För att ljud ska fortplanta sig behövs uppenbarligen ett materialmedium som stödjer dessa vibrationer. Ljud kan inte färdas i ett vakuum bara för att det inte finns där. Men som det visade sig ganska nyligen kan ljudvibrationer hoppa från en kropp till en annan genom ett vakuumgap av submikron tjocklek. Denna effekt kallas "vakuumtunnling av fononer", beskrevs i två artiklar publicerade i de senaste numren av tidskriften Fysiska granskningsbrev. Låt oss omedelbart notera att eftersom vibrationer i kristallgittret inte bara bär ljud, utan också värme, leder den nya effekten också till onormalt stark värmeöverföring genom vakuum.

Den nya effekten fungerar genom interaktionen mellan ljudvågor i kristallen och ett elektriskt fält. Vibrationer i kristallgittret, som når änden av en kristall, skapar alternerande elektriska fält nära dess yta. Dessa fält "känns" vid den andra kanten av vakuumgapet och skakar gittervibrationerna i den andra kristallen (se fig. 1). I allmänhet ser det ut som om en separat fonon - ett "kvantum" av vibration av kristallgittret - hoppar från en kristall till en annan och fortplantar sig vidare i den, även om det naturligtvis inte finns någon fonon i utrymmet mellan kristallerna.

Författarna till upptäckten använde ordet "tunneling" för att beskriva effekten, eftersom det är mycket likt tunnling av kvantpartiklar när de hoppar genom energetiskt förbjudna områden. Det är dock värt att betona att det nya fenomenet fullt ut kan beskrivas på klassisk fysiks språk och inte alls kräver inblandning av kvantmekanik. Det är något relaterat till fenomenet elektromagnetisk induktion, som används flitigt i transformatorer, induktionsspisar och kontaktlösa laddningsenheter för prylar. I båda fallen genererar en viss process i en kropp elektromagnetiska fält, som icke-strålning (det vill säga utan effektförlust på grund av strålning) överförs genom gapet till den andra kroppen och orsakar ett svar i den. Den enda skillnaden är att med vanlig induktans "fungerar" den elektriska strömmen (det vill säga elektronernas rörelse), medan atomerna själva rör sig vid vakuumtunnling av fononer.

Den specifika mekanismen som leder till en sådan effektiv koppling mellan kristallvibrationer och elektriska fält kan variera. I en teoretisk artikel av finska forskare föreslås att man använder piezoelektrik för detta ändamål - ämnen som blir elektrifierade när de deformeras och deformeras i ett elektriskt fält. Detta i sig är inte tillräckligt: ​​för att effektivt hoppa av fononer genom vakuumgapet är det nödvändigt att organisera en resonans mellan de "inkommande" fononerna, alternerande elektriska fält och "runaway" fononer i en annan kristall. Beräkningar visar att, givet realistiska parametrar för ämnen, en sådan resonans faktiskt existerar, så att vid vissa infallsvinklar kan fononer tunnla med en sannolikhet på upp till 100 %.

På senare tid har designen av rörljudutrustning blivit allt mer populär. I den här artikeln ska jag försöka berätta vad du behöver veta när du börjar arbeta.

1 . Anatomi

Funktionsprincipen för elektronrör är baserad på rörelsen av laddade partiklar (elektroner) i ett elektrostatiskt fält. Låt oss överväga enheten för ett radiorör. Figuren visar ett diagram över utformningen av den enklaste indirekta glödlampan (dioden).

Egentligen är lampan en glasbehållare i vilken ett högt vakuum skapas (10-5 - 10-7 torr). För klassiska lampor är formerna på elektroderna liknande och är koncentriska "cylindrar". Poängen med det hela är att när katoden värms upp exciteras elektroner och lämnar den. Den direkta filamentkatoden är helt enkelt en volframglödtråd, som i en vanlig belysningslampa. Sådana katoder används i fall där det inte finns något behov av att skapa en speciell regim vid katoden. De flesta lampor använder en indirekt filamentkatod. I detta fall placeras filamentet i ett metallrör. På något avstånd från katoden finns en anod - en elektrod, som är "slutstoppet" för elektronflödet. För att kontrollera hastigheten på elektronrörelsen från katoden till anoden används ytterligare elektroder. Grids är indelade i 3 typer. Kontroll, skärm och skydd (anti-dynatron). Nätet är en trådspiral lindad på metallstolpar (traverser), inklämd mellan två glimmerflänsar. Samma flänsar håller anod- och katodgenomgångarna. Det finns även lampor som innehåller flera elektrodsystem. Sådana lampor kallas kombinationslampor. Beroende på lampans kraft kan dess elektroder och kropp vara gjorda av olika material, eftersom När strömmen som passerar genom den ökar, ökar den förbrukade effekten.

2. Moral

Det är helt klart att varje typ av lampa har sina egna ursprungliga parametrar och egenskaper. Först och främst, låt oss ta reda på lampornas driftslägen. För att skapa ett normalt elektronflöde skapas speciella elektrostatiska potentialer i lampans interelektrodutrymmen. Dessa potentialer bestäms av de spänningar som verkar på dess elektroder. Låt oss titta på de viktigaste driftslägena:
1. Högsta tillåtna anodspänning (Ua max). Spänningen mellan anoden och katoden, om den överskrids, uppstår ett genombrott. Med en kall katod är denna spänning högre. Detsamma gäller nätspänningar.

2. Maximal tillåten anodström (Ia max). Högsta tillåtna strömvärde i anodkretsen. I huvudsak strömmen som passerar genom lampan, minus den lilla del som "sträcks ut" av nätpotentialerna.

3. Filamentspänning (Un). Typisk spänning applicerad på glödtråden (värmaren), vid vilken katoden når den temperatur som krävs för termionisk emission, samtidigt som lampan bibehåller de deklarerade hållbarhetsparametrarna.

4. Filamentström (In). Ström som förbrukas av glödtråden.

Det finns också ett antal egenskaper som bestäms av lampornas design som påverkar parametrarna för enheten monterad på denna lampa:

1. Karakteristisk lutning (S). Förhållandet mellan anodströmökningen och spänningsökningen på styrnätet. De där. vi kan bestämma hur mycket anodströmmen kommer att förändras när styrspänningen ändras med 1V.

2. Lampans inre motstånd (Ri). Förhållandet mellan anodspänningsökningen och motsvarande anodströmökning. På vissa sätt kan detta jämföras med strömöverföringskoefficienten för en transistor eftersom när styrspänningen (positiv) ökar, ökar anodströmmen. Utåt ser detta ut som en minskning av motståndet. Naturligtvis har lampan inget aktivt motstånd som sådan. Den bestäms av interelektrodkapacitanser och är reaktiv till sin natur.

3. Statisk förstärkning (µ). Förhållandet mellan anodspänningsökningen och styrinkrementet som orsakar samma ökning i anodströmmen. De där. visar i huvudsak hur många gånger effektivare en ökning av styrspänningen med 1V är än en liknande ökning av anodspänningen.

3. Namn

Vissa parametrar och designfunktioner för lampor kan kännas igen av deras markeringar:

1:a elementet – ett nummer som visar den rundade glödtrådens spänning

Andra elementet – bokstav som anger typen av lampa:
A – frekvensomvandlande lampor med två kontrollgaller.
B – diodpentoder
B – lampor med sekundär emission
G – diodtrioder
D – dioder, inklusive spjäll
E – elektroniska ljusindikatorer
F – högfrekventa pentoder med kort karakteristik. Inklusive dubbla styrda pentoder
Och - triod-hexoder, triode-heptoder, triode-oktoder.
K - pentoder med en utökad egenskap.
L – lampor med fokuserad stråle.
N – dubbla trioder.
P – utgångspentoder, stråltetroder
P – dubbla tetroder (inklusive balk) och dubbla pentoder.
C – trioder
F – triod-pentoder
X – dubbla dioder, inklusive kenotroner
C – kenotroner som tillhör kategorin mottagnings- och förstärkningslampor. (specialiserade likriktare har speciella märkningar)
E – tetroder

Det 3:e elementet är ett nummer som anger serienumret för enhetstypen (dvs serienumret för utvecklingen av lampan i denna serie. Till exempel den första utvecklade lampan från serien med 6-volts dubbla trioder av fingertyp - 6N1P ).

Det fjärde elementet är en bokstav som kännetecknar lampans design:

A - i en glasmonter med en diameter på upp till 8 mm.
B – subminiatyr, i en glaslåda med en diameter på upp till 10,2 mm
G - subminiatyr, i en metall-glaslåda med en diameter på mer än 10,2 mm
D – i ett metall-glasfodral med skivlödningar (finns främst inom mikrovågsteknik)
K – i keramikfodral
N - subminiatyr, i ett metallkeramiskt hölje (nuvistors)
P - miniatyr i glaslåda (finger)
P - subminiatyr, i en glaslåda med en diameter på upp till 5 mm.
C – i en glasmonter med en diameter på mer än 22,5 mm.
Oktala lampor med en diameter på mer än 22,5 mm i ett metallhölje har inte det 4:e märkningselementet.

4. Arbetsförhållanden

Det finns en förutfattad mening att lampor är mer krävande att installera än halvledarenheter. Egentligen skiljer sig driftsvillkoren för EVP inte mycket från de som åläggs av halvledarenheter. Dessutom är lampor mindre krävande för termiska förhållanden än halvledare. Utgångsstegen för rörförstärkare med en effekt på upp till 20W kräver således inte forcerad kylning, till skillnad från halvledar. De flesta lampor är installerade i en speciell typ av kontakter - lampsockel. Vissa lampor har terminaler överst på glödlampan. Oftast är detta anodens eller skärmnätets anslutningar, till vilka en relativt hög spänning appliceras. Detta görs för att undvika sammanbrott mellan den och terminalerna på andra elektroder. Om lamporna blir mycket varma under drift, är det lämpligt att placera dem så långt ifrån varandra som möjligt. Nyligen har en speciell trend dykt upp i konstruktionen av lampteknik. Lampor och transformatorer placeras på enhetens topppanel, och de återstående delarna är monterade i källaren på chassit. Sådana enheter kyls mycket bättre, och jag anser att detta tillvägagångssätt är ganska rimligt om det inte finns några anodterminaler i den övre delen av lamporna som hotar användaren med högspänningsskador. Lampor behöver inte placeras strikt vertikalt. Vilken lutningsvinkel som helst i förhållande till horisonten är tillåten om det inte finns någon risk för att gallren värms upp och sjunker, vilket skapar en kortslutning mellan elektroderna.