Помоги проекту - поделись книгой:
СПОСОБ 3. Для сооружения такого воздушного барометра вам понадобятся: банка с широким горлом; надувной шарик; ножницы; круглая резинка или нитки; пластиковая соломинка для питья; картон; ручка или фломастер; линейка; клейкая лента, нитки.
Отрежьте верхнюю часть надувного шарика и туго ее натяните на пустую стеклянную банку, чтобы получилась мембрана. Закрепите эту мембрану круглой резинкой от нижней части того же шарика или обмотайте нитками. Заострите один конец пластиковой соломинки. Второй конец прикрепите к натянутому шарику клейкой лентой. Это будет стрелка барометра.
Нарисуйте на картонке фломастером или ручкой шкалу и поставьте ее у конца стрелки. Когда атмосферное давление растет, воздух в банке сжимается. Когда оно падает, воздух расширяется. Соответственно стрелка будет двигаться вдоль шкалы вверх или вниз.
Важная деталь: надевать мембрану на банку лучше при среднем атмосферном давлении, равном примерно 740 мм ртутного столба.
ИЗ ИСТОРИИ БАРОМЕТРА
Первым изобретателем, предложившим идею устройства, с помощью которого можно было бы предсказывать изменения погоды в ближайшее время, был Галилео Галилей. Его идею претворили в жизнь ученики — Винченцо Вивиани и Эванджелисто Торричелли — в 1643 году.
Э. Торричелли сумел доказать, что атмосферное давление действительно существует. А В. Вивиани нашел способ измерить его величину, используя запаянную с одного конца трубку, наполненную ртутью. Трубку опрокинули в сосуд, где была ртуть; вещество при этом осталось на определенной отметке, выше которой была пустота. С той поры атмосферное давление так и измеряют в миллиметрах ртутного столба. Английский ученый Роберт Гук в 1670 году придумал шкалу барометра, нанеся на стеклянную трубку с ртутью риски через каждый миллиметр.
Анероидный барометр придумал в XVII веке немецкий ученый Готфрид Вильгельм фон Лейбниц. Ртуть в таком барометре заменяет коробочка из тонкой гофрированной жести, откуда частично откачан воздух. При повышении давления коробочка сплющивается, при понижении — расправляется, перемещая прикрепленную к ее боку стрелку. В 1847 году анероид запатентовал французский инженер Люсьен Види.
АКАДЕМИЯ БЕЗУСЫХ
Что такой «магнитная яма»?
На этот вопрос постарались ответить старшеклассник
«Трение — древнейший враг машин, — пишет Артем. — На его преодоление тратится половина мощности всех двигателей планеты. Кроме того, трение приводит к износу деталей машин. Это значит, миллионы тонн металла теряются безвозвратно, превращаясь в тончайшую пыль.
Способов борьбы с трением придумано множество, но почти все они сводятся к тому, чтобы отделить трущиеся поверхности друг от друга. Для этого, например, подшипники автомобиля смазывают маслом, а некоторые подшипники морских судов делают из резины и смазывают… водой».
За многовековую историю цивилизации люди придумали великое множество подшипников. Однако прогресс стремительно движется вперед. Например, сегодня стоматологи сверлят зубы при помощи пневматических бормашинок. Их валы вращаются от воздушных турбин со скоростью до 100 000 оборотов в минуту. Все известные шариковые подшипники при таких скоростях мгновенно бы пришли в негодность. Поэтому здесь применяют подшипники, которые смазывает сжатый воздух. Это не только снижает трение, но и почти совсем устраняет износ.
Есть, однако, приборы, для которых даже такие подшипники не годятся. Это гироскопические устройства, применяющиеся для точного вождения кораблей, самолетов и ракет. Основа их — волчок, который благодаря быстрому вращению способен сохранять в пространстве положение своей оси. Однако малейшее трение может отклонить ось, и тогда самолет собьется с курса, а ракета пролетит мимо цели.
Лучший способ устранить трение гироскопа — магнитный подвес. Наденьте на карандаш пару кольцевых магнитов, расположив их одноименными полюсами навстречу друг другу. Между ними образуется зазор. Поместив их в вакуум, можно было бы полностью избавиться от трения между ними. Но без оси система становится неустойчивой и при малейшем смещении одного из магнитов выйдет из равновесия.
Изобретатели полагали, что следует взять не два магнита, а 5, 100 или 1 000, чтобы получилась устойчивая система. Однако практическое решение найти очень долго никому не удавалось. Причину, казалось бы, обнаружили. Еще в 1839 году английский физик С. Ирншоу доказал, что система тел, связанных силовым полем типа электрического или магнитного, но обязательно убывающим обратно пропорционально квадрату расстояния, не может находиться в устойчивом равновесии.
И все же магнитный подвес был создан. В 60-х годах ХХ века в Польше на одной из международных выставок был продемонстрирован большой глобус, висящий в воздухе как бы ни на чем. Это была сенсация, но из нее никто не делал секрета. Глобус был сделан из легкого пластика, а сверху наклеена пластина мягкой стали. Под потолком укрепили электромагнит, лампочку и фотоэлемент. При включении тока электромагнит притягивал глобус, а он при этом пересекал луч фотоэлемента. Возникал сигнал, который тотчас отключал ток от магнита. Глобус начинал падать и переставал загораживать свет. Тогда от фотоэлемента поступал сигнал на включение магнита. Весь процесс проходил настолько быстро, что дергание глобуса вверх-вниз заметить было невозможно.
Магнитный подвес подобного типа применяется и для подвески роторов гироскопов. Вращающийся с огромной скоростью ротор, висящий в вакууме, сохраняет положение своей оси вращения.
Конечно, в гироскопах самолетов и ракет магнитный подвес управляется сложной электронной системой. Однако можно сделать его проще. Это стало возможным благодаря работам физика из Томска Г. В. Николаева. Но из-за сложного математического аппарата кратко изложить его теорию не удастся. Однако эксперименты, положенные в ее основу, могут быть показаны в школе.
Вот один из них. Возьмите два небольших полосовых магнита, например от мебельных защелок, и положите их параллельно, так, чтобы они притягивались. Ничего особенного в том нет. Но если из них собирать магниты более длинные и также укладывать параллельно, то притяжение между ними по мере роста длины будет ослабевать и даже сменится на отталкивание.
Интересный результат получается, когда короткий магнит приближают к длинному. При этом возникает так называемая магнитная потенциальная яма. Суть эффекта заключается в следующем. На большом расстоянии эти два магнита притягиваются. На малом — отталкиваются, но есть такое место, где магниты друг с другом вовсе не взаимодействуют.
Получившаяся устойчивая система из магнитов не противоречит теореме Ирншоу. Ведь здесь расстояния между магнитами малы по сравнению с их размерами. Поэтому силы взаимодействия ослабевают не обратно пропорционально квадрату расстояния, а гораздо медленнее. Но почему сила притяжения одних и тех же магнитов то меняется на отталкивание, то пропадает вообще? Как утверждает Г. В. Николаев, это явление в рамках обычной электродинамики необъяснимо. Оно связано с существованием двух магнитных полей. Одно из них — поле, охватывающее проводник с током, — мы изучаем в школе. У каждого проводника с током, как установил в свое время Анри Ампер, есть еще и слабое продольное магнитное поле. Его современная электродинамика не учитывает, а зря, ведь оно — причина многих явлений, в том числе и описанного. Причем сложности теории не мешают найти потенциальной «магнитной яме» техническое применение.
А вот, к примеру, забавная игрушка. Паровоз тянет за собою 2–3 вагона. Приглядевшись, вы замечаете, что между ними нет ни крючков, ни нитей, лишь маленький зазор. Если вагоны сблизить до упора и отпустить, то они разойдутся. Стоит их растащить, они, напротив, сойдутся вновь. Во всех случаях зазор между вагонами остается благодаря потенциальной «магнитной яме». Такую «яму», предложенную Николаевым, вероятно, можно применить для создания поезда, парящего над рельсами практически без трения. Да мало ли для чего еще!
Если вас заинтересовали парадоксы магнитного поля, то рекомендуем книгу Г. В. Николаева «Непротиворечивая электродинамика, теории, эксперименты, парадоксы» (Томск, 1997).
А мы пока продолжим наши эксперименты.
В Интернете есть видеоролик, наглядно демонстрирующий один из эффектов, основанный на эффекте потенциальной «ямы» Николаева. Возьмите 2 кольцевых магнита диаметром 10–12 см или меньше (например, из радиодинамиков). Соедините их друг с другом с помощью изоляционной ленты, оставив между ними воздушный зазор примерно 3–5 см. Зазор этот жестко удерживается при помощи 3 пластиковых стержней-опор, расположенных по кругу через 120°. Далее смастерите из одного кольцевого магнита диаметром около 5 см и заостренного пластикового стержня волчок.
Теперь поставьте систему из 2 кольцевых магнитов на стол. И запустите рядом с ней волчок, слегка подтолкнув его вперед. Волчок, словно привязанный, будет описывать круги вокруг кольцевых магнитов, оставляя зазор в несколько сантиметров. Получается нечто отдаленно похожее на то, как Луна вращается вокруг Земли.
Еще эксперимент. Возьмем гвоздь. Прикрепим его к пружине. Приподнимем так, чтобы гвоздь повис в воздухе. Упругая сила пружины уравновесила его вес. А может ли повиснуть гвоздь в воздухе, уравновешенный магнитом? Опыт показывает, что нет — гвоздь либо прилипает к магниту, либо падает на землю. И сколько ни пытайся, не зависает.
В чем же принципиальная разница между действием пружины и магнита? Подобный вопрос возник еще в античные времена, когда с помощью магнитов пытались подвесить в храмах железные статуи или, как теперь говорят, получить магнитную левитацию. Критикуя эту затею древних, английский естествоиспытатель Вильям Гильберт в 1600 году писал: «Фракасторо (итальянский ученый эпохи Возрождения, пытавшийся обосновать возможность магнитной левитации) говорит, что кусочек железа повисает в воздухе, так что не может двинуться ни вверх, ни вниз в том случае, когда наверху будет помещен магнит, который в состоянии. тянуть железо вверх на столько же, на сколько последнее наклоняет его вниз: железо как бы укрепляется в воздухе. Это нелепо, так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной».
В этом выводе и содержится ответ на наш вопрос. Действительно, всякая сила притяжения, увеличивающаяся при уменьшении расстояния между двумя магнитными телами, в результате неизбежных случайных смещений от положения равновесия приведет либо к падению тела, либо к прилипанию к магниту. Пружина действует иначе: при отклонении предмета от положения равновесия ее упругие силы возвращают предмет обратно. Затронутый вопрос — частный случай весьма обширной проблемы устойчивости свободных магнитных объектов, будь то магнитное удержание плазмы или левитация железнодорожного вагона. Как же она решалась?
В 1840 году англичанин Ирншоу, как уже сказано, развивая утверждения Гильберта, обосновал принцип неустойчивости неуправляемой магнитной системы. Но ученый тогда не знал о таких материалах, как диамагнетики, которые намагничиваются в направлении, противоположном внешнему полю. Именно с их помощью спустя 100 лет немецкий физик Браунбек осуществил магнитную левитацию и предсказал усиление этого эффекта для сверхпроводников. Прогноз основывался на том, что сплошной сверхпроводник проявляет свойства идеального магнитного зеркала — выталкивает из себя силовые линии магнитного поля (эффект Мейснера — Оксенфельда). Это аналогично тому, что реальный магнит симметрично поверхности сверхпроводника имеет своего двойника — магнит-изображение.
Помимо эффекта Браунбека есть еще один способ, позволяющий осуществить магнитную левитацию. Впервые он был обнаружен теоретически в 1975 году, а затем экспериментально подтвержден И. Колодеевым, М. Крюковым, Г. Караваевым и О. Чебориным. Он состоит в том, что только за счет сближения 2 неизменно ориентированных магнитов сила их притягивания не увеличивается, как это должно быть в соответствии с известными представлениями, а уменьшается! При дальнейшем же сближении вместо притяжения между ними возникает отталкивание! Такое поведение магнитной силы аналогично работе обычной пружины или рессоры. То есть магнитное тело попадает во взвешенное, устойчивое положение — в «яму», из которой не вывалишься! Таким образом, получается, что гвоздь все-таки может зависнуть в воздухе? Может, но при соблюдении определенных условий.
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Микрофонный усилитель без проводов питания
Любителям звукотехники, особенно высококачественной, хорошо известно, что входные цепи усилителей звуковой частоты (УЗЧ) надо тщательно экранировать, а входные сигналы к ним подводить только экранированными проводами, «шнурами», или кабелями. При плохой экранировке громкоговорители или акустические системы (АС) воспроизводят трудноустранимый фон переменного тока, отнюдь не способствующий качественному прослушиванию речи или музыки.
Фон этот обусловлен электромагнитными наводками от проводов сети, которыми фактически «опутана» любая современная квартира. Амплитуда наводки немалая — я прикоснулся ко входу осциллографа рядом с компьютером, на котором пишутся эти строки, и получил сильно искаженную синусоиду с частотой 50 Гц и амплитудой около 20 В!
Представьте, что ваши УЗЧ и АС воспроизводят частоты от 30…40 Гц и имеют чувствительность по входу в милливольты, и дальнейшие пояснения станут излишними.
Радиолюбителям хорошо известен старинный способ проверки УЗЧ вообще без приборов — надо прикоснуться пальцем, пинцетом или отверткой ко входному разъему — раздался в громкоговорителе громкий рев — значит, все в порядке, усилитель «жив».
Особенно важна хорошая экранировка микрофонов, ведь развиваемое ими напряжение звукового сигнала очень мало — единицы, а то и доли милливольта. В то же время микрофон желательно подключать достаточно длинным кабелем, как раз и подвергающимся наводкам.
Простейший экранированный кабель содержит только один изолированный провод, окруженный экранирующей оплеткой, которая соединяется с корпусом (землей) УЗЧ и служит вторым проводом. Такое решение еще допустимо для электретных бытовых микрофонов, развивающих значительное напряжение ЗЧ, но часто бывает неприемлемо для более качественных и менее чувствительных (т. е. развивающих меньшее напряжение) динамических и ленточных микрофонов.
Дело в том, что напряжение помехи, наводимое на внешней поверхности оплетки, оказывается приложенным с одной стороны к земле УЗЧ, а с другой — через катушку микрофона и центральный провод — ко входу УЗЧ.
Для решения проблемы для микрофонов и в ряде других ответственных случаев используют двойной экранированный провод, по сути, витую пару, заключенную в оплетку (рис. 1).
Рис. 1
Катушка микрофона или другой источник сигнала с симметричным выходом подключается к выводам «+» и «-» в левой части рисунка и не имеет контакта с оплеткой. Если у микрофона металлический корпус, то его как раз и следует соединить с оплеткой (вывод «0»). На стороне УЗЧ (приемник, справа на рисунке), и только там, один из сигнальных проводов (в данном случае «-») уже можно соединить с оплеткой и корпусом УЗЧ. Напряжение помех, наводимое на оплетку, в этом случае не попадает на вход УЗЧ.
Существует и другой радикальный путь уменьшения наводок — усилить сигнал непосредственно у микрофона. Во сколько раз мы усилим сигнал, во столько же раз уменьшится и относительный уровень наводок, они ведь не зависят от того, что и с каким уровнем передается по кабелю! Это позволяет использовать более простые и значительно более дешевые кабели.
Но микрофоны с размещенными в их корпусе предусилителями требуют для подключения к УЗЧ проводов питания (помимо экранированного сигнального провода). С конструктивной точки зрения это не очень удобно. Число соединительных проводов можно уменьшить, подавая напряжение питания через тот же провод, по которому передается сигнал — центральный проводник кабеля, — так же, как это часто делают в антенных усилителях. Именно такой способ подачи питания и применен в предлагаемом вниманию читателей микрофонном усилителе.
Его принципиальная схема приведена на рисунке 2.
Усиитель рассчитан на работу от электретного микрофона любого типа. Питание на микрофон подается через резистор R1. Звуковой сигнал с микрофона подводится к базе транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Необходимое смещение на базе этого транзистора (около 0,5 В) задается делителем напряжения R2, R3. Усиленное напряжение звуковой частоты выделяется на нагрузочном резисторе R5 и поступает далее на базу транзистора VT2, входящего в составной эмиттерный повторитель, собранный на транзисторах VT2 и VT3.
Эмиттер последнего транзистора VT3 соединен с центральным проводом соединительного одножильного экранированного кабеля и верхним контактом разъема ХР1 (выходом усилителя). Оплетка кабеля соединена с общим проводом. Заметим, что наличие на выходе усилителя эмиттерного повторителя с малым внутренним (выходным) сопротивлением заметно снижает уровень наводок на микрофонный вход УЗЧ.
Около входного разъема УЗЧ или другого устройства, к которому подключается микрофон, смонтированы еще две детали: нагрузочный резистор R6, через который подается питание, и разделительный конденсатор С3, служащий для отделения звукового сигнала от постоянной составляющей напряжения питания.
Примененное в данном усилителе схемотехническое решение обеспечивает автоматическую установку и стабилизацию режима его работы. Рассмотрим, как это происходит. После включения питания напряжение на верхнем выводе разъема ХР1 возрастает примерно до 6 В. При этом напряжение на базе транзистора VT1 достигает порога его открывания 0,5 В, и через транзистор начинает протекать ток. Падение напряжения, возникающее в этом случае на резисторе R5, заставляет открыться транзисторы VT2 и VT3 составного эмиттерного повторителя. В результате общий ток усилителя возрастает, а вместе с ним увеличивается и падение напряжения на резисторе R6, после чего режим стабилизируется.
Поскольку коэффициент усиления составного эмиттерного повторителя по току (он равен произведению коэффициентов усиления по току транзисторов VT2 и VT3) может достигать нескольких тысяч, стабилизация режима получается очень жесткой. Усилитель в целом работает подобно стабилитрону, фиксирующему выходное напряжение на уровне 6 В независимо от напряжения питания. Тем не менее, при использовании источника питания с другим напряжением надо подобрать резисторы делителя R2, R3 так, чтобы напряжение на верхнем контакте разъема ХР1 было равно половине напряжения питания. Любопытно, что режим практически нельзя изменить, изменяя сопротивление нагрузочного резистора R5. Падение напряжения на нем всегда равно суммарному напряжению открывания транзисторов составного эмиттерного повторителя (около 1 В), а изменения его сопротивления приводят только к изменению тока через транзистор VT1. То же относится и к резистору R6.
Еще интереснее работа усилителя в режиме усиления переменного тока. Напряжение звуковой частоты с нижнего вывода резистора R5 передается эмиттерным повторителем на выход усилителя. При этом ток через резистор R5 постоянен и почти не подвержен колебаниям со звуковой частотой. Иными словами, усилительный каскад оказывается нагруженным на генератор тока, то есть на очень большое сопротивление.
Входное сопротивление эмиттерного повторителя тоже весьма велико, и в результате коэффициент усиления оказывается очень большим. При негромком разговоре перед микрофоном амплитуда выходного напряжения может достигать нескольких вольт. Цепочка R4, С2 не пропускает переменную составляющую сигнала звуковой частоты к цепи питания микрофона и делителя напряжения.
Однокаскадный усилитель совершенно не склонен к самовозбуждению, поэтому расположение деталей на плате особого значения не имеет, желательно только вход и выход разместить с разных концов платы.
Налаживание сводится к подбору резисторов делителя R2, R3 до получения на выходе половины напряжения питания. Полезно еще подобрать и резистор R1 под конкретный микрофон, ориентируясь по наилучшему звучанию сигнала. Если входное со
противление радиоаппарата, с которым используется данный усилитель, менее 100 кОм, емкость конденсатора С3 следует соответственно увеличить, чтобы не ослаблять нижние частоты звукового спектра.
Этот микрофонный усилитель проектировался для работы в составе любительской радиостанции. Там, кроме проблемы сетевых наводок, вызывающих фон переменного тока, существует еще проблема радиочастотных наводок от собственного передатчика, вызывающих сильные искажения сигнала, а порой и самовозбуждение всей системы.
Обе проблемы были успешно решены благодаря этому усилителю. Но для телефонной радиопередачи не нужны частоты звукового спектра ниже 300 Гц, поэтому емкости разделительных конденсаторов С1 и С3 были выбраны довольно малыми. Для аудиофилов и любителей «сочных басов» эти емкости можно выбрать 0,33 мкФ и 1 мкФ соответственно. Тогда нижняя граничная частота полосы пропускания усилителя опустится ниже 30 Гц.
ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ
Читал, что западные специалисты намерены взять под свой контроль Интернет. Осуществимо ли это? Можно ли выключить Сеть по чьему-то указанию?
В наши дни многие уже привыкли к Интернету настолько, что не представляют себе жизни без него. Но поскольку той же всемирной Сетью пользуются хакеры, террористы и прочие злоумышленники, то время от времени правительства разных стран предпринимают попытки ограничить доступ в Интернет. Удается это с трудом и лишь в определенных регионах. Однако по мере того, как каналы связи становятся, подобно телевидению, спутниковыми, ограничить доступ все труднее. Тут уж не поможет даже принудительное отключение серверов в каком-то регионе.
Сейчас проблему порой представляет не отключение Сети, а ее переполнение в каких-то местах атакой специально созданных вирусов.
Поделиться книгой: