Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Можно ли переходить с применения переменного тока на постоянный и наоборот? Можно, но это вызывает дополнительные проблемы. С ними сталкивается каждый, кто часто возит с собой ноутбук: в дополнение к нему приходится обязательно брать небольшую, но довольно увесистую коробочку – неотъемлемую часть кабеля питания ноутбука. Это адаптер, преобразующий переменный ток, получаемый от настенной электрической розетки, в постоянный, требуемый для питания ноутбука. Альтернативный источник питания устройства – внутренняя аккумуляторная батарея, которая представляет собой источник постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный требуются трансформаторы, это катушки проводов и довольно сложные электрические цепи, поэтому сделать адаптеры очень маленькими пока не удается[79].

Сегодня мы воспринимаем электронику как нечто само собой разумеющееся. Но в пору становления она доставляла нам немало хлопот своей капризностью и непредсказуемым поведением. Мой дедушка хорошо помнит те времена, когда электроника лишь робко входила в наши дома, принося вместе с собой сложности, которые были весьма необычны для живущих тогда людей.

Мой дедушка Джек был одним из первых телевизионных инженеров. В те времена электроника была громоздкой, выделяла много тепла и даже «сильно воняла», как утверждает моя бабушка. Ее описания неисправностей, которые приходилось устранять дедушке, живо напоминали мне об особенностях первых электронных устройств, напрочь забытых в наши времена повсеместного распространения смартфонов и Wi-Fi. Слушая воспоминания бабушки, я не переставала удивляться ее познаниям в области телевизионной техники того периода. Я никогда не слышала, чтобы она интересовалась техникой как таковой, но когда речь заходила о старых телевизорах, бабушка подчас употребляла технические термины, которые были незнакомы даже мне. Однажды она рассказывала: «Важным компонентом был строчный выходной трансформатор. Когда с ним возникали проблемы, из корпуса телевизора вился легкий дымок и чувствовался запах гари». Ее ярко выраженный акцент северянки напоминал мне о том, что люди с севера Англии вообще очень сдержанны в своих эмоциях и высказываниях: возможно, бабушка что-то недоговаривала и в действительности все обстояло гораздо хуже. Пользуясь телевизорами первых поколений, вы всегда рисковали: в любой момент что-либо внутри них могло задымиться, загореться, а то и взорваться. Можно сказать, что мой дедушка присутствовал при рождении новой эпохи – эпохи телевидения – и принадлежал к тому поколению людей, которые могли по-настоящему прочувствовать, что такое мир электричества. Они могли в буквальном смысле пощупать этот мир собственными руками. Впрочем, к моменту окончания трудовой деятельности моего дедушки транзисторы, а затем и микросхемы скрыли от человеческих глаз многие нюансы из жизни этого мира и отдалили от него людей. Крошечные размеры этих компонентов не позволяют человеку разглядеть их богатый и сложный внутренний мир. Но в годы, предшествовавшие появлению современных электронных чипов, вы могли воочию наблюдать многое из того, что происходит в мире электричества.

В 1935 году, в 16-летнем возрасте, мой дедушка нанялся учеником в компанию Metropolitan Vickers. Этот гигант тяжелого электромашиностроения выпускал электрогенераторы, паровые турбины и прочие виды крупного электротехнического оборудования. Когда в двадцать один год дедушка завершил курс обучения и стал специалистом по электротехнике, считалось, что он владеет редкой и очень востребованной профессией. Поэтому его не призвали на военную службу, а оставили работать в Metropolitan Vickers, где в течение пяти лет он испытывал электронные системы управления стрелковым вооружением самолетов. Первый тест таких систем назывался «испытанием на пробой». Вы прикладывали к тестируемой системе напряжение 2000 вольт, и если она выдерживала его, то считалась пригодной к дальнейшему тестированию. Это было, так сказать, начальной стадией приручения электрона, когда люди пытались поставить его себе на службу.

По окончании Второй мировой войны крупная британская компания EMI остро нуждалась в опытных специалистах по электронике, так как первые телевизоры были чрезвычайно капризными и сложными созданиями и для их настройки и ремонта требовались высококвалифицированные специалисты. EMI отправила моего дедушку на курсы повышения квалификации в Лондон, где он должен был освоить профессию инженера-телевизионщика. В то время в мире электроники – и, в частности, в телевизорах – бал правили компоненты весьма внушительных размеров: кинескопы, радиолампы, резисторы, конденсаторы, провода и трансформаторы. Вся эта смесь стекла, керамики и металла имела довольно привлекательный внешний вид и служила основой любого телевизора вплоть до начала 1990-х годов. Задача этих компонентов была достаточно простой: создать направленный пучок электронов и управлять им так, чтобы на экране кинескопа формировалось подвижное изображение.

Дедушка осваивал телевизоры на ЭЛТ. Мне нравится эта аббревиатура, поскольку она соединяет нас с миром, существовавшим задолго до открытия электронов. ЭЛТ расшифровывается как «электронно-лучевая трубка» (cathode ray tube – CRT); дословно «трубка катодных лучей». Когда эти «катодные лучи» только были открыты, они показались довольно странными. Представьте изумленное выражение лица немецкого физика Иоганна Гитторфа, наблюдавшего в далеком 1867 году результаты своего эксперимента, суть которого сводилась к следующему: он брал стеклянную трубку, из которой полностью выкачан воздух, а с обоих концов впаяны два металлических стержня, и подавал на эти стержни высокое напряжение от электрической батареи. В результате внутри трубки возникало течение странной невидимой субстанции от одного стержня к другому. Гитторф был уверен, что эта субстанция действительно возникает при подаче напряжения, подтверждением чему служило свечение, появляющееся на конце одного из стержней. Более того, помещая внутри трубки на пути этой субстанции те или иные препятствия, Гитторф фиксировал появление тени. Хотя никто не знал, что именно представляла собой эта субстанция, ее нужно было как-то назвать. Гитторф решил назвать ее катодными лучами. Катод – это электрод, подключенный к отрицательному полюсу батареи. Именно из катода исходили загадочные лучи.

Прошло еще тридцать лет, прежде чем Дж. Томсон открыл, что «катодные лучи» – вовсе не лучи, а поток отрицательно заряженных частиц, известных сегодня как электроны. Впрочем, их первоначальное название было решено оставить. Затем этот устоявшийся термин перекочевал в название электронно-лучевой трубки – cathode ray tube, или CRT. Сегодня мы знаем, что, приложив к ней высокое напряжение, мы создаем электрическое поле, тянущееся от одного ее конца к другому. Под воздействием этого электрического поля электроны вылетают из отрицательного конца (катода) и направляются в сторону положительного конца (анода). Любая частица, обладающая электрическим зарядом, под воздействием электрического поля будет ускоряться, то есть постоянно подталкиваться вперед на всем пути от одного конца трубки к другому. Таким образом, электроны не просто продвигаются вперед, к положительному концу трубки, потому что притягиваются им, а ускоряются на этом пути. Чем выше разность напряжений между двумя концами трубки, тем быстрее движутся электроны, приближаясь к другому концу. В телевизоре с ЭЛТ электроны в момент соударения с экраном достигают скорости порядка нескольких километров в секунду. Это не так уж мало по сравнению со скоростью света – наибольшей скоростью, которой можно достичь во Вселенной.