Ми повинні знати, ми знатимемо. Звук у вакуумі Звукова хвиля у вакуумі

Описано нове явище в конденсованих середовищах - перестрибування фононів з одного твердого тіла в інше через порожнечу. За рахунок нього звукова хвиля може долати тонкі вакуумні зазори, а тепло може передаватися через вакуум у мільярди разів ефективніше, ніж при звичайному тепловому випромінюванні.

Звукова хвиля – це синхронне коливання атомів речовини щодо положення рівноваги. Для поширення звуку, очевидно, потрібне матеріальне середовище, яке підтримує ці коливання. У вакуумі звук поширюватися не може просто тому, що її немає. Однак, як з'ясувалося зовсім недавно, звукові коливання можуть перескакувати з одного тіла до іншого через вакуумний зазор субмікронної товщини. Цей ефект, який отримав назву «вакуумне тунелювання фононів», був описаний відразу у двох статтях, опублікованих в останніх випусках журналу Physical Review Letters. Відразу відзначимо, що, оскільки коливання кристалічних ґрат переносять не тільки звук, а й тепло, новий ефект призводить також до аномально сильної теплопередачі через вакуум.

Новий ефект працює за рахунок взаємодії між звуковими хвилями в кристалі та електричним полем. Коливання кристалічних ґрат, добігаючи до торця одного кристала, створюють поблизу його поверхні змінні електричні поля. Ці поля «відчуваються» з іншого краю вакуумного зазору і розгойдують коливання решітки у другому кристалі (див. рис. 1). Загалом це виглядає так, ніби окремий фонон – «квант» коливання кристалічних ґрат – перескакує з одного кристала в інший і поширюється в ньому далі, хоча в просторі між кристалами ніякого фонону, звичайно, немає.

Автори відкриття використовували для опису ефекту слово "тунелювання", оскільки він дуже схожий на тунелювання квантових частинок, коли вони перескакують через енергетично заборонені області. Однак варто наголосити, що нове явище цілком описується мовою класичної фізики і зовсім не вимагає залучення квантової механіки. Воно в чомусь споріднене явище електромагнітної індукції, яке використовується в трансформаторах, індукційних електроплитках і пристроях безконтактної зарядки гаджетів. І там і тут деякий процес в одному тілі породжує електромагнітні поля, які без випромінювання (тобто без втрати потужності на випромінювання) передаються через проміжок у друге тіло і викликають у ньому відгук. Різниця лише в тому, що при звичайній індуктивності працює електричний струм (тобто рух електронів), тоді як при вакуумному тунелюванні фононів рухаються самі атоми.

Конкретний механізм, що призводить до такого ефективного зв'язку між коливанням кристала та електричними полями, може бути різним. У теоретичній статті фінських дослідників пропонується з цією метою використовувати п'єзоелектрики - речовини, які електризуються при деформації і деформуються в електричному полі. Самого по собі цього ще недостатньо: для ефективного перескоку фононів через вакуумний зазор необхідно організувати резонанс між «фононами, що набігають», змінними електричними полями і «фононами, що тікають» в іншому кристалі. Обчислення показують, що з реалістичних параметрах речовин такий резонанс справді існує, отже за певних кутах падіння фонони можуть тунелювати з ймовірністю до 100%.

Описано нове явище в конденсованих середовищах - "перестрибування" фононів з одного твердого тіла до іншого через порожнечу. За рахунок нього звукова хвиля може долати тонкі вакуумні зазори, а тепло може передаватися через вакуум у мільярди разів ефективніше, ніж при звичайному тепловому випромінюванні.

Звукова хвиля – це синхронне коливання атомів речовини щодо положення рівноваги. Для поширення звуку, очевидно, потрібне матеріальне середовище, яке підтримує ці коливання. У вакуумі звук поширюватися не може просто тому, що її немає. Однак, як з'ясувалося зовсім недавно, звукові коливання можуть перескакувати з одного тіла до іншого через вакуумний зазор субмікронної товщини. Цей ефект, який отримав назву «вакуумне тунелювання фононів», був описаний відразу у двох статтях, опублікованих в останніх випусках журналу Physical Review Letters. Відразу відзначимо, що, оскільки коливання кристалічних ґрат переносять не тільки звук, а й тепло, новий ефект призводить також до аномально сильної теплопередачі через вакуум.

Новий ефект працює за рахунок взаємодії між звуковими хвилями в кристалі та електричним полем. Коливання кристалічних ґрат, добігаючи до торця одного кристала, створюють поблизу його поверхні змінні електричні поля. Ці поля «відчуваються» з іншого краю вакуумного зазору і розгойдують коливання решітки у другому кристалі (див. рис. 1). Загалом це виглядає так, ніби окремий фонон — «квант» коливання кристалічних ґрат — перескакує з одного кристала в інший і поширюється в ньому далі, хоча в просторі між кристалами ніякого фонону, звісно, ​​немає.

Автори відкриття використовували для опису ефекту слово "тунелювання", оскільки він дуже схожий на тунелювання квантових частинок, коли вони перескакують через енергетично заборонені області. Однак варто наголосити, що нове явище цілком описується мовою класичної фізики і зовсім не вимагає залучення квантової механіки. Воно в чомусь споріднене явище електромагнітної індукції, яке використовується в трансформаторах, індукційних електроплитках і пристроях безконтактної зарядки гаджетів. І там і тут деякий процес в одному тілі породжує електромагнітні поля, які без випромінювання (тобто без втрати потужності на випромінювання) передаються через проміжок у друге тіло і викликають у ньому відгук. Різниця лише в тому, що при звичайній індуктивності працює електричний струм (тобто рух електронів), тоді як при вакуумному тунелюванні фононів рухаються самі атоми.

Конкретний механізм, що призводить до такого ефективного зв'язку між коливанням кристала та електричними полями, може бути різним. У теоретичній статті фінських дослідників пропонується для цієї мети використовувати п'єзоелектрики - речовини, які електризуються при деформації та деформуються в електричному полі. Самого по собі цього ще недостатньо: для ефективного перескоку фононів через вакуумний зазор необхідно організувати резонанс між «фононами, що набігають», змінними електричними полями і «фононами, що тікають» в іншому кристалі. Обчислення показують, що з реалістичних параметрах речовин такий резонанс справді існує, отже за певних кутах падіння фонони можуть тунелювати з ймовірністю до 100%.

В іншій роботі фізики натрапили на обговорюваний ефект, вивчаючи, здавалося б, абсолютно технічне питання: якою температурою має самий кінчик теплої голки тунельного мікроскопа, що сканує, якщо її піднести (без дотику) до холодної підкладки (див. рис. 2)? За допомогою тонких експериментальних методів вони змогли виміряти температуру буквально останнього атома на вістря голки і виявили вражаючий факт: цей атом знаходиться при температурі підкладки, а не голки! Це означає, що безконтактний теплообмін останнього атома вістря з підкладкою йшов (через вакуум!) набагато сильніше, ніж з рештою вістря.

Звичайного теплового випромінювання, думка про яке насамперед спадає на думку в таких ситуаціях, виявилося зовсім недостатньо. За оцінками дослідників, теплопередача від голки до підкладки була в мільярди (!) разів ефективнішою, ніж те, що змогло б дати теплове випромінювання. Цей факт, разом із результатами детальних вимірів, свідчить у тому, що тут має місце тунелювання фононів через вакуум.

Автори статті пояснюють динаміку цього ефекту так. Будь-який заряд, піднесений до металевої поверхні, наводить на ній заряд (у задачах електростатики його часто моделюють фіктивним зарядом-зображенням). Якщо вихідний заряд тремтить, наприклад, за рахунок теплових коливань, то і наведений заряд теж тремтітиме приблизно з тією ж частотою і амплітудою (через те, що електрони набагато легші за атоми, вони встигають «підлаштуватися» під кожен рух атома). В результаті виходить, що прямо на поверхні підкладки виникає якийсь електронний потік, який тремтить, наче «гарячий» атом. Цей потік розгойдує коливання атомів на підкладці, на них витрачається енергія, вона відбирається у електронного згустку, а значить, і у вихідно гарячого атома — адже він «жорстко» пов'язаний зі згустком електричними силами! Саме за рахунок цього механізму останній атом на вістря примудряється сильно охолонути, навіть якщо решта голки тепла.

Очевидно, для прикладних завдань новий ефект буде цікавим саме з точки зору теплопередачі, яка в певних ситуаціях може йти набагато ефективніше, ніж раніше. Це спостереження буде дуже важливим при проектуванні мікромеханічних пристроїв та вивченні теплопровідності полікристалічних зразків п'єзоелектриків. Крім того, в мікропристроях, що поєднують п'єзоелектричні та металеві компоненти, в гру можуть включитись і електрони. Усі перспективи для швидкої передачі енергії і між електронами і фононами з однієї речовини в іншу через вакуум ще тільки належить вивчити.

Джерела:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport du Evanscent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (14 September 2010); текст статті знаходиться у вільному доступі в архіві е-принтів під номером arXiv:1003.1408.
2) Ігор Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 жовтня 2010).

У розділі питання Звук у вакуамі не поширюється? заданий автором Врівеньнайкраща відповідь це Світло та звук у вакуумі
Чому світло проходить через вакуум, а звук – ні?
Відповідає експерт SEED Клод Бодуан:
Світло – це електромагнітна хвиля – поєднання електричних та магнітних полів, для її розповсюдження не потрібна наявність газу.
Звук – це результат дії хвилі тиску. Тиску потрібна присутність будь-якої речовини (наприклад, повітря). Звук поширюється і в інших речовинах: у воді, земній корі і проходить через стіни, що ви могли помітити, коли шумлять сусіди.
Майкл Вільямс каже:
Світло у своїй основі – це електромагнітна енергія, яка переноситься фундаментальними частинками – фотонами. Такий стан характеризується як «корпускулярно-хвильовий дуалізм» поведінки хвилі. Це означає, що вона поводиться як хвиля, і як частка. При поширенні світла у вакуумі фотон поводиться як частка, тому вільно поширюється у цьому середовищі.
З іншого боку, звук – це вібрація. Звук, який ми чули – результат вібрації барабанної перетинки вуха. Звук, що випромінюється радіоприймачем - результат вібрації мембрани динаміка. Мембрана рухається вперед-назад, змушуючи вібрувати повітря, що знаходиться біля неї. Коливання повітря поширюються, досягаючи барабанної перетинки та змушуючи її вібрувати. Вібрація барабанної перетинки перетворюється мозком у відомий вами звук.
Таким чином, для вібрації звуку потрібна наявність речовини. В ідеальному вакуумі вібрувати нема чого, тому вібруюча мембрана радіоприймача не може передавати звук.
Додає експерт SEED Наталі Фамільєтті:
Поширення звуку – це рух; поширення світла – це радіація чи випромінювання.
Звук не може поширюватися у вакуумі через відсутність пружного середовища. Британський вчений Роберт Бойль виявив це експериментально в 1660 р. Він опустив годинник у банку і відкачав повітря. Прислухавшись, він не зміг розрізнити цокання.

Описано нове явище в конденсованих середовищах - перестрибування фононів з одного твердого тіла в інше через порожнечу. За рахунок нього звукова хвиля може долати тонкі вакуумні зазори, а тепло може передаватися через вакуум у мільярди разів ефективніше, ніж при звичайному тепловому випромінюванні.

Звукова хвиля – це синхронне коливання атомів речовини щодо положення рівноваги. Для поширення звуку, очевидно, потрібне матеріальне середовище, яке підтримує ці коливання. У вакуумі звук поширюватися не може просто тому, що її немає. Однак, як з'ясувалося зовсім недавно, звукові коливання можуть перескакувати з одного тіла до іншого через вакуумний зазор субмікронної товщини. Цей ефект, який отримав назву «вакуумне тунелювання фононів», був описаний відразу у двох статтях, опублікованих в останніх випусках журналу Physical Review Letters. Відразу відзначимо, що, оскільки коливання кристалічних ґрат переносять не тільки звук, а й тепло, новий ефект призводить також до аномально сильної теплопередачі через вакуум.

Новий ефект працює за рахунок взаємодії між звуковими хвилями в кристалі та електричним полем. Коливання кристалічних ґрат, добігаючи до торця одного кристала, створюють поблизу його поверхні змінні електричні поля. Ці поля «відчуваються» з іншого краю вакуумного зазору і розгойдують коливання решітки у другому кристалі (див. рис. 1). Загалом це виглядає так, ніби окремий фонон – «квант» коливання кристалічних ґрат – перескакує з одного кристала в інший і поширюється в ньому далі, хоча в просторі між кристалами ніякого фонону, звичайно, немає.

Автори відкриття використовували для опису ефекту слово "тунелювання", оскільки він дуже схожий на тунелювання квантових частинок, коли вони перескакують через енергетично заборонені області. Однак варто наголосити, що нове явище цілком описується мовою класичної фізики і зовсім не вимагає залучення квантової механіки. Воно в чомусь споріднене явище електромагнітної індукції, яке використовується в трансформаторах, індукційних електроплитках і пристроях безконтактної зарядки гаджетів. І там і тут деякий процес в одному тілі породжує електромагнітні поля, які без випромінювання (тобто без втрати потужності на випромінювання) передаються через проміжок у друге тіло і викликають у ньому відгук. Різниця лише в тому, що при звичайній індуктивності працює електричний струм (тобто рух електронів), тоді як при вакуумному тунелюванні фононів рухаються самі атоми.

Конкретний механізм, що призводить до такого ефективного зв'язку між коливанням кристала та електричними полями, може бути різним. У теоретичній статті фінських дослідників пропонується з цією метою використовувати п'єзоелектрики - речовини, які електризуються при деформації і деформуються в електричному полі. Самого по собі цього ще недостатньо: для ефективного перескоку фононів через вакуумний зазор необхідно організувати резонанс між «фононами, що набігають», змінними електричними полями і «фононами, що тікають» в іншому кристалі. Обчислення показують, що з реалістичних параметрах речовин такий резонанс справді існує, отже за певних кутах падіння фонони можуть тунелювати з ймовірністю до 100%.

Останнім часом дедалі популярнішим стає конструювання лампової звукотехніки. У цій статті спробую розповісти, що потрібно знати, починаючи роботу.

1 . Анатомія

Принцип дії електронних ламп ґрунтується на русі заряджених частинок (електронів) в електростатичному полі. Розглянемо пристрій радіолампи. На малюнку наведено схему конструкції найпростішої лампи (діода) непрямого розжарення.

Власне, лампа є скляним балоном, у якому створено високий вакуум (10-5 – 10-7 тор). У класичних ламп форми електродів схожі і є концентричними «циліндрами». Сенс всього полягає в тому, що при нагріванні катода електрони збуджуються і залишають його. Катод прямого розжарення є просто вольфрамовою ниткою як у звичайній освітлювальній лампі. Такі катоди застосовуються у випадках, коли немає необхідності створювати на катоді особливий режим. У більшості ламп використовується катод непрямого розжарення. У цьому випадку нитка розжарювання поміщається у металеву трубку. На деякій відстані від катода розташований анод – електрод, який є кінцевою зупинкою електронного потоку. Для керування швидкістю руху електронів від катода до анода застосовуються додаткові електроди. Сітки поділяються на 3 типи. Керуючі, екранні та захисні (антидинатронні). Сітка є дротяною спіралью, навитою на металеві стійки (траверсах), затиснуті між двох слюдяних фланців. Цими фланцами утримуються траверси анода і катода. Також зустрічаються лампи, що містять кілька електродних систем. Такі лампи називають комбінованими. Залежно від потужності лампи, її електроди та корпус можуть бути виготовлені із різних матеріалів, т.к. зі збільшенням струму, що проходить через її, збільшується розсіювана потужність.

2. Вдачі

Цілком зрозуміло, що кожен тип ламп має свої оригінальні параметри та характеристики. Насамперед, з'ясуємо робочі режими ламп. Для створення нормального електронного потоку в міжелектродних просторах лампи створюються особливі електростатичні потенціали. Ці потенціали визначаються напругою, що діє на її електродах. Розглянемо основні робочі режими:
1. Гранично допустима анодна напруга (Ua max). Напруга між анодом і катодом, у разі перевищення якого відбувається пробою. При холодному катоді ця напруга більша. Те саме стосується сіточних напруг.

2. Гранично допустимий анодний струм (Ia max). Гранично допустиме значення струму в анодному ланцюзі. По суті, струм, що проходить через лампу, за вирахуванням незначної частки, «витягнутої» потенціалами сіток.

3. Напруга напруження (Uн). Типова напруга, що підводиться до нитки розжарювання (підігрівача), при якому катод досягає температури, необхідної для термоелектронної емісії, в той же час лампа зберігає заявлені параметри довговічності.

4. Струм розжарення (Ін). Струм, що споживається ниткою розжарення.

Ще є ряд характеристик, обумовлених конструкцією ламп, що впливають на параметри вузла, зібраного на цій лампі:

1. Крутизна параметри (S). Відношення збільшення анодного струму до збільшення напруги на сітці, що управляє. Тобто. ми можемо визначити, наскільки зміниться анодний струм при зміні напруги, що управляє, на 1В.

2. Внутрішній опір лампи (Ri). Відношення збільшення анодної напруги до відповідного збільшення анодного струму. Певною мірою це можна порівнювати з коефіцієнтом передачі струму у транзистора т.к. зі збільшенням управляючого (позитивного) напруги, збільшується анодний струм. Зовні це виглядає як зменшення опору. Звичайно, у лампи немає як такого активного опору. Воно визначається міжелектродними ємностями та носить реактивний характер.

3. Статичний коефіцієнт посилення (µ). Відношення збільшення анодної напруги до збільшення управляючого викликають однакове збільшення анодного струму. Тобто. по суті показує у скільки разів ефективніше збільшення керуючого напруги на 1В, ніж аналогічне збільшення анодної напруги.

3. Імена

Деякі параметри та конструктивні особливості ламп можна дізнатися щодо їх маркування:

1-й елемент – цифра, що показує округлену напругу напруження

2-й елемент – літера, що показує тип лампи:
А – частотно-перетворювальні лампи із двома керуючими сітками.
Б - діод-пентоди
В – лампи з вторинною емісією
Г – діод-тріоди
Д – діоди, у тому числі демпферні
Е – електронно-світлові індикатори
Ж – високочастотні пентоди із короткою характеристикою. У тому числі пентоди з подвійним керуванням
І – тріод-гексоди, тріод-гептоди, тріод-октоди.
К - пентоди з подовженою характеристикою.
Л – лампи зі сфокусованим променем.
Н – подвійні тріоди.
П – вихідні пентоди, променеві тетроди
Р – подвійні тетроди (у тому числі променеві) та подвійні пентоди.
С – тріоди
Ф – тріод-пентоди
Х – подвійні діоди, у тому числі кенотрони
Ц – кенотрони, що належать до категорії приймально-підсилювальних ламп. (спеціалізовані випрямні прилади мають особливе маркування)
Е – тетроди

3-й елемент - цифра, що вказує порядковий номер типу приладу (тобто порядковий номер розробки лампи в даній серії. Наприклад 1-а розроблена лампа із серії 6-вольтових пальчикових подвійних тріодів - 6Н1П).

4-й елемент – буква, що характеризує конструктивне виконання лампи:

А – у скляному корпусі діаметром до 8мм.
Б – надмініатюрні, у скляному корпусі діаметром до 10,2 мм
Г - надмініатюрні, в металостеклянному корпусі діаметром понад 10,2 мм
Д - в металостеклянному корпусі з дисковими впаями (зустрічаються, в основному, у НВЧ техніці)
К – у керамічному корпусі
Н - надмініатюрні, в металокерамічному корпусі (нувістори)
П – мініатюрні у скляному корпусі (пальчикові)
Р – надмініатюрні, у скляному корпусі діаметром до 5 мм.
С – у скляному корпусі діаметром понад 22,5 мм.
у октальних ламп діаметром понад 22,5 мм у металевому корпусі відсутній 4-й елемент маркування.

4. Умови праці

Існує упереджена думка, що лампи більш вимогливі до монтажу ніж напівпровідникові прилади. Власне, умови експлуатації ЕПП мало чим відрізняються від напівпровідникових приладів, що пред'являються. Більше того, лампи менш вимогливі до теплового режиму ніж напівпровідники. Так вихідні каскади лампових підсилювачів потужністю до 20Вт не потребують примусового охолодження, на відміну від напівпровідникових. Більшість ламп встановлюються в особливих роз'ємах – лампових панельках. Деякі лампи мають висновки у верхній частині балона. Найчастіше це висновки анода чи екранної сітки, куди подається порівняно висока напруга. Це робиться, щоб уникнути пробою між ним та висновками інших електродів. Якщо лампи в процесі роботи сильно розігріваються, то бажано розносити їх якнайдалі один від одного. Останнім часом намітилася особлива тенденція у побудові лампової техніки. Лампи та трансформатори виносяться на верхню панель пристрою, а інші деталі монтуються у підвалі шасі. Такі прилади значно краще охолоджуються, і я вважаю такий підхід цілком обґрунтованим, якщо у верхній частині ламп немає анодних висновків, що загрожують користувачеві поразкою високою напругою. Лампи не обов'язково повинні розташовуватися вертикально. Допускається будь-який кут нахилу щодо горизонту, якщо немає небезпеки, що сітки розігріються і провиснуть, створивши, тим самим, міжелектродне замикання.