/
Author: Бурсиан Э.В.
Tags: физика измерительные приборы учебное пособие общая физика физические опыты
Year: 1984
Text
Э.В.БУРСИАН
Э.В.БУРСИАН
ИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Допущено Министерством просвещения
СССР в качестве учебного пособия для сту-
дентов физико-математических факультетов
педагогических институтов
Изготовлено на:
http://www. booksfiz. nm.ru
http://www. kniga-fm.narod. ru
МОСКВА
« ПРОСВЕЩЕНИЕ »
1984
ББК 22.3
Б91
Рецензенты:
кафедра теоретической физики Курского государственного педагоги-
ческого института, зав. кафедрой доцент Л. И. Анциферов-, Д. И. Пен-
нер, профессор Владимирского педагогического института.
Бурсиан Э. В.
Б91 Физические приборы: Учеб, пособие для студентов физ.-мат.
фак. пед. ин-тов.—М.: Просвещение, 1984. — 271 с., ил.
В книге изложены физические принципы действия наиболее распространенных
приборов, с которыми студенты физических специальностей педагогических институтов
встречаются иа занятиях по общей физике, на лабораторном практикуме по методике
преподавания. Дана классификация приборов, основные схемы и максимально упрощен-
ные чертежи.
О каждом приборе сообщается его назначение, различные модификации. Для
широко распространенных приборов даны правила обращения с ними.
4309021100-655 ББК 22>3
103(03)—84 53
©Издательство «Просвещение», 1984 г,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель пособия — помочь студентам — будущим учителям физики
ориентироваться в сложном мире физических приборов. В краткой и
доступной форме разъясняется, какой минимум знаний надо иметь,
чтобы сознательно использовать тот или иной прибор, например
трансформатор (усилитель, гальванометр), как выбрать нужный транс-
форматор по параметрам (по коэффициенту трансформации, по мощнос-
ти, по частотной характеристике, по входному индуктивному сопро-
тивлению и т. д.). Это пособие по простейшим приборам — своего
рода азбука приборного мира. Для каждого прибора автор пытался
найти лаконичное объяснение. Чертежи сделаны по возможности
упрощенными.
Пособие преследует общие обучающие цели и не является описа-
нием конкретных марок приборов. Основное внимание уделяется фи-
зическим процессам в приборе, а не технической стороне дела. В по-
собии не приводится внешний вид приборов. Дело в том, что одина-
ковые по решаемой задаче и принципу действия приборы, выпускае-
мые разными заводами, могут быть совершенно не похожи по внеш-
нему виду. Наоборот, довольно часто стараются внешне конструктивно
одинаково выполнить совершенно различные приборы. Это создает
определенные удобства при сборке из них установок, при их крепле-
нии на щитах и т. д. Кроме того, многие сложные измерительные при-
боры выдают результаты измерений на стандартный для всех приборов
узел: стрелку микроамперметра, экран осциллографа, цифровой ин-
дикатор, ленту самописца и т. д. Так что по внешнему виду не сразу
можно отличить, например, вакуумметр от усилителя. Учитель дол-
жен уметь разбираться в принципах действия приборов. Тогда по
обозначениям на шкале или панели прибора он легко узнает любой
прибор, даже не имея его паспорта или описания.
В пособии материал расположен в основном по принципу дейст-
вия приборов (механические, электронные), иногда — по назначению
(спидометры, манометры). Прибор упоминается и там, где приборы
группируются по назначению, и там, где они объединены общностью
используемых физических явлений. Описание прибора дается в том
месте, где его название выделено полужирным шрифтом. В остальных
случаях название прибора дано курсивом. Это означает, что по пред-
метному указателю следует найти ту страницу, где излагается прин-
цип работы прибора.
Автор благодарен Н. Н. Малову, Н. В. Александрову, Д. И. Пен-
неру, Л. И. Анциферову, К. А. Чернявскому, А. Н. Броздниченко за
ценные замечания при подготовке рукописи.
3
ВВЕДЕНИЕ
Прибор — это устройство для наблюдений, измерений, обработки
и представления информации, передачи ее на расстояние; для воз-
действия на объект исследования; для регулирования и управления
процессами. Прибор всегда посредник между человеком и природой,
человеком и техникой, между природными или техническими объекта-
ми и другими техническими устройствами.
Многие приборы (лупа, весы, телескоп) были изобретены еще в
прошлые века и еще в древности, однако даже в XIX веке широко рас-
пространенными приборами были только часы и весы. В XX веке при-
боры проникли во все виды нашей деятельности: на производство, в
медицину, в систему образования, в наш быт и досуг.
Чтобы ориентироваться в сложном и разнообразном мире при-
боров, необходимо их классифицировать. Классификация — сорти-
ровка по тому или иному признаку. В зависимости от признака, по-
ложенного в основу, возможны различные классификации.
Приборы можно классифицировать по назначению. По этому
признаку мы будем различать:
1. Приборы для получения информации о явлениях в природе и
технике. Это наблюдательные и измерительные приборы (зрительная
труба, вольтметр и др.).
2. Эталоны и меры (линейки, гири и т. д.).
3. Приборы для передачи и преобразования информации (линии
связи, датчики, усилители, интеграторы, дифференцирующие схемы,
умножители и делители частоты, электронно-вычислительные машины).
4. Приборы для преобразования и передачи энергии (источники
тока, трансформаторы, генераторы, редукторы, линии электро-
передачи).
5. Приборы для воздействия на объекты (механические и другие
инструменты, станки, манипуляторы, насосы, осветители, печи, го-
релки, холодильники и т. д.).
Чаще всего приборы разделяют по отрасли применения:
химические, биологические, медицинские, геодезические, электротех-
нические, радиотехнические, акустические, астрономические и др.
Приборы, применяемые в одной отрасли, например в физических
измерениях, могут классифицироваться по роду измеряемой величины,
например приборы для определения параметров движения (спидомет-
ры, акселерометры, навигационные приборы), приборы для определе-
ния параметров радиотехнических цепей и т. д. При этом в основу
действия прибора, предназначенного для определенной цели, могут
быть положены самые различные физические явления.
4
Так, спидометр может быть и чисто механическим и радиолока-
ционным. В термометрах может быть использовано и расширение
тел от нагревания, и изменение излучения нагретых тел, и наблюде-
ние химических реакций или физических превращений, происходя-
щих при изменении температуры, и вообще любое явление, которое
зависит от температуры.
Наиболее удобна для изучения приборов систематизация по п р и н-
ципу действия, по физическому явлению, положенному в
основу работы прибора. Здесь также можно говорить об электриче-
ских, оптических, магнитных и других приборах, но уже в другом
смысле. Так, оптические приборы когерентной оптики, например
интерферометры, используются и для измерения расстояний, и
для измерения показателей преломления света, и для измерения дай-
ны световой волны, но принцип действия всех интерферометров один:
они реагируют на оптическую разность хода. Другой пример — совре-
менный электронный вольтметр (мультиметр) можно использовать
для измерения силы тока, напряжения, температуры, освещенности
и многих других величин, присоединяя к нему различные датчики.
Однако во всех случаях принцип его действия — это принцип дейст-
вия электронного усилителя.
По конструктивному оформлению приборы могут
быть стационарными (щитовыми, настольными) и переносными. По
внешним конструктивным признакам часто бывают похожими самые
различные приборы. Так, амперметр и спидометр могут выглядеть
на щите совершенно одинаково, равно как самопишущий потенциометр
для измерения напряжения и самопишущий мост для измерения элек-
трического сопротивления. Назначение и принцип действия приборов
в этих случаях можно выяснить только по обозначениям на цифербла-
тах или лицевых панелях.
К классификации по конструктивному оформлению следует от-
нести также различия по компоновке (расположению в пространстве)
блоков и узлов, по характеру соединяющих их линий связи. Разли-
чают:
1. Собственно прибор (все блоки расположены в одном корпусе).
2. Установку (на одном столе или стенде собраны приборы, сое-
диненные между собой линиями связи и ре-
шающие какую-то общую задачу).
3. Информационную систему, или измери-
тельный комплекс. Это также совокупность / / \
приборов, решающих общую задачу, но раз- 2 / \
личные приборы находятся в разных местах,
удаленных друг от друга иногда на большие 77^г,
расстояния. Линии связи при этом оказы-
ваются очень сложными (например, команд- рис. j Пример инфор-
но-измерительный комплекс, обеспечиваю- мационной системы: 1 —
щий космический полет, рис. 1). космический корабль,
Наиболее распространены измерительные ф^аУДз°_ сп таи^св™
приборы, поскольку в современной деятельности ту _ центр^'управле-
человека информация играет важнейшую роль. ’ ния полетом.
5
Измерить какую-либо величину X — значит сравнить ее с одно-
родной величиной х0, принятой за единицу:
X = пх0. (1)
Здесь п — число, результат измерения. Выбор единиц измерения для
каждой i-ой величины — задача непростая. Он определяется приня-
той системой единиц. В настоящее время по международному согла-
шению в качестве такой системы введена Международная система
единиц (СИ). Она определяет основные единицы (м, кг, с, А, кд, К,
моль) и производные (м/с, Н, Дж и т. д.).
Для определения единичных значений для всех основных (иног-
да и для производных) величин созданы эталоны и меры. Эталоны
хранятся в специальных учреждениях и для работы не используются.
По ним только изготавливаются вторичные эталоны, а с последних —
рабочие меры (линейки, гири и т. д.), которые и используются на
практике.
Меры должны соответствовать эталонам, для чего проводится их
поверка. Как и эталоны, они не должны меняться во времени и долж-
ны по возможности слабо зависеть от изменения внешних условий
(температуры, электрического, магнитного и электромагнитного по-
лей, вибрации, воздействия химических агрессивных сред и т. д.).
Набор мер называется магазином. Так, существуют магазины
сопротивлений, емкостей, комплекты гирь к весам.
Измерительные приборы могут быть приборами непосред-
ственного сравнения однородных величин (линейка, гар-
ные весы и т. д.), а могут быть приборами косвенного измерения,
когда прибор непосредственно измеряет некоторую величину X', а
величина X, которую надо определить, связана с X' некоторой функ-
циональной зависимостью. При постоянстве всех других величин,
входящих в эту зависимость (формулу), шкалу прибора можно про-
градуировать в единицах величины X. Так, ртутный термометр
непосредственно измеряет не температуру Т, а увеличение объема
ртути ДУ. Но эти величины связаны. Поэтому на шкале термометра
можно проставить градусы. Так же амперметр магнитоэлектрической
системы измеряет непосредственно не силу тока, а момент силы (силы
Ампера), закручивающей пружинку. Но сила Ампера однозначно
связана с силой тока, и поэтому шкалу градуируют в амперах.
Приборы непосредственного сравнения всегда точнее, но приборы
косвенного измерения обычно удобнее.
Измерительные приборы различаются также по методам измере-
ний. В соответствии с методами измерений приборы могут быть:
п р я м о п о к а з ы в а ю щ и м и (метод непосредственного измере-
ния), нуль-приборами (метод компенсации) и диффе-
ренциальными (метод частичной компенсации).
В прямопоказывающих приборах в зависимости от значения изме-
ряемой величины смещается по шкале указатель (стрелка, «зайчик»),
К этим приборам относятся вольтметр, динамометр, спидометр
и т. д. Пределы измерения такого прибора определяются шириной
шкалы, а точность — возможностью оценивать доли этой шкалы.
6
В нуль-приборе измеряемая ве-
личина уравновешивается (компен-
сируется) набором мер из магазина.
Указатель и шкала служат только
для регистрации равновесия, пол-
ной компенсации измеряемой ве-
личины набором мер (установка на
нуль). Глядя на положение указа-
теля, можно вынести только такие
суждения, как «равно», «больше»,
«меньше», но не насколько больше
(или меньше). Примеры—про- рИс. 2. Пример диффе-
стейшие рычажные весы, мост для репциального прибора,
измерения сопротивлений, изме-
рительный потенциометр. Результат измерения получают не по
шкале, а по набору компенсирующих мер (например, гирь). Как пра-
вило, эти приборы более точны, чем прямопоказывающие, но требуют
большего времени для измерения.
Иногда неудобно использовать в весах все более и более мелкие
гирьки. В этих случаях компенсируют только наиболее существен-
ную часть измеряемой величины, а разность измеряемой величины и
набора использованных для компенсации мер определяют по переме-
щению указателя по шкале. Такой метод называется дифференциаль-
ным, а соответствующий прибор — дифференциальным прибором.
Примером могут служить весьма распространенные торговые весы
с двумя чашками (для груза и для гирь) и с циферблатом, на котором
указатель дает разность масс грузов и гирь (рис. 2).
В современных измерительных приборах часто измеряемая вели-
чина преобразуется в электрическую величину, например в напряже-
ние, иногда в частоту переменного тока или в частоту следующих друг
за другом электрических импульсов. Для преобразования любой ве-
личины (электрической или неэлектрической) в напряжение служат
датчики и преобразователи. Существуют пассивные и активные дат-
чики, их называют еще соответственно параметрическими и генера-
торными. Генераторный датчик преобразует исследуемую величину
сразу в электрическую разность потенциалов, т. е. сам генерирует на-
пряжение (термопара, фотодиод). Пассивный же датчик только из-
меняет под действием измеряемой
му его включают в специальную
цепь, в которой и вырабатывается
необходимое напряжение. В каче-
стве примера приведем термометр
сопротивления (рис. 3). Сопротив-
ление резистора /^зависит от тем-
пературы. Этот резистор включает-
ся в мост сопротивлений, с одной
из диагоналей которого снимает-
ся измеряемое напряжение U х.
Отдельно резистор (в данном слу-
величины свои параметры, поэто-
Рис. 3. Преобразователь температуры
в электрическое напряжение: 1 —
датчик, 2 — преобразователь.
7
Рис. 4. Датчики: 1 — датчик тока (резистор, включенный в разрыв провода с током),
2 — датчик освещенности (фотоэлемент), 3 —' датчик ионизирующего излучения
(счетчик Гейгера), 4 — датчик звука (микрофон), 5 — датчик заряда (конденсатор),
6 — датчик перемещения (переменный резистор).
6
чае резистор является датчиком. Он должен находиться в иссле-
дуемом объекте. Вместе же с мостом он образует преобразователь,
причем измерительная схема (мост) может быть пространственно
удалена от объекта. На рисунке 4 приведены примеры датчиков раз-
личных величин.
Преобразование может быть многоступенчатым. Так, сила, прило-
женная к балке, может измеряться по ее деформации, деформация по
удлинению наклеенной па балку тонкой проволочки, а удлинение про-
волочки по изменению ее сопротивления (резистивный тензодатчик);
в этом случае проволочка включается в мост сопротивлений.
Измерительные приборы всегда более или менее сложным образом
перерабатывают поступающую информацию. В самом простом случае
перемещение указателя прибора прямо пропорционально измеряемой
величине: L сю п (рис. 5, а). При градуировке такого прибора шкала
получается равномерной (все деления имеют одинаковый размер,
ДА сю Дп). Однако это не всегда так*. Если показания прибора не
зависят от знака измеряемой величины, шкала в первом приближе-
нии квадратична: L сю п2 (рис. 5, б). Такую шкалу имеют, например,
многие электроизмерительные приборы. Деления шкалы у такого
прибора не одинаковы, чем дальше от нуля, тем они крупнее. Правда,
в
Рис. 5. Шкалы приборов: а — линей-
ная; б — квадратичная; в — логариф-
мическая.
специальными мерами можно
уменьшить этот дефект.
В тех случаях, когда измеряе-
мая величина изменяется в очень
широких пределах (на несколько
порядков), линейная Шкала неудоб-
на, так как дает малую точность
при малых значениях величины.
В этом случае либо делают пере-
ключатель диапазонов (X 10-1, X 10-2
и т. д.), либо используют логариф-
мическую шкалу, т. е. строят схе-
му прибора Я’ак, чтобы смещение
указателя по шкале L было пропор-
ционально не п, а логарифму п;
Lcx>lgn = Jg — (2)
х0
* Строго линейных шкал вообще не существует.
8
(см. формулу 1). Это достигается, например, применением логарифми-
ческих усилителей, коэффициент усиления которых велик при малых
значениях и мал при больших. Против делений логарифмической
шкалы обычно указывают не значения 1g и (допустим, —2, —1, О,
1, 2, 3), а значения п: 10-2, 10-1, 1, 10, 10а, 103 (рис. 5, в). От этого
шкала не перестает быть логарифмической, так как размер деления
пропорционален изменению логарифма п, а не изменению п.
На такой шкале нет деления, соответствующего п = 0, ибо 1g 0 = — оо,
но могут быть деления, соответствующие малым п. Например, п = —3
означает, что X/хп = 10~3.
Если в качестве х0 принято некоторое пороговое, минимальное
значение энергии сигнала, который можно зарегистрировать (напри-
мер, минимальная громкость звука, которую воспринимает наше ухо),
то логарифмическую шкалу размечают в децибелах. Если измеряемая
величина X превышает порог х0 в 10 раз, то говорят, что энергия сигна-
ла равна 1 белу (Б), или 10 децибелам (дБ):
X X
10 дБ = 1 Б означает 1g— = 1, т. е. — = 10
^0 хо
30 дБ = 3 Б ...................................3...........103
1 дБ = 0,1 Б..................................0,1, . .10°’1=1,259
ЗдБ = 0,ЗБ....................................0,3, . ,10»-3= 1,995 = 2
N дБ =0,1Л’Б................................. 0,11V, . .Ю0-1",
т. е. значение величины в белах или децибелах находится по фор-
мулам:
ЛЦБ) = 1g —; )У(дБ) = 101g —. (3)
На рисунке 5, в даны обозначения делений в децибелах (лг0 = 10-2).
Деления на любых шкалах, казалось бы, можно наносить и часто,
и редко. Однако, как правило, произвол здесь не допускается. Деления
на шкалу наносятся такого размера, чтобы одно деление (или половина
деления) соответствовало абсолютной погрешности прибора при дан-
ных показаниях. Так, на рисунке 5, а показания надо (если не указан
специально класс точности прибора) читать: п = 3,8± 0,1; на рисун-
ке 5, б — п — 4,5 ± 0,1; на рисунке 5, в — п = 0,55 + 0,05.
Для линейной шкалы абсолютная погрешность А п одинакова в нача-
ле и в конце шкалы, но относительная погрешность А п/ц очень велика
в начале шкалы (и мало) и уменьшается к концу шкалы. Для логариф-
мической же шкалы А п!п одинаково в разных ее частях, так как с
увеличением п увеличивается и цена деления, а следовательно, и Ап.
Показания в начале квадратичной шкалы вообще не рекомендуется
использовать.
Нелинейное преобразование из-
меряемой величины может быть и
более сложным. Существуют при-
боры, которые интегрируют изме-
ряемую величину по времени. Ос-
новной их частью является интег-
рирующая цепочка (рис. 6, а). Ес-
Рис. 6. Интегрирующая (а) и диф-
ференцирующая (б) цепочки.
9
Рис. 7. Различные способы вывода информации: а — г — аналоговые приборы,
д — цифровой, е — электронный цифровой, ж — цифропечатающий, з — самопи-
шущий, и — самопишущий двухкоордипатпый, к — дисплей.
ли на вход такой цепочки подать переменное напряжение Ux (t), то
в резисторе R появится ток i ft} и конденсатор С приобретет заряд Q.
На конденсаторе возникает напряжение
G ^2
Q = J idt j' Uidt. (4)
Такие приборы называют интегрирующими (или суммирующими).
Основу дифференцирующего прибора составляет цепочка типа,
изображенной на рисунке 6, б. Напряжение на резисторе небольшого
сопротивления R будет
сю i = сю (5) ’
2 dt dt v
По способу вывода информации измерительные приборы делятся
на аналоговые, цифровые (см. цифровые измерительные приборы},
а также приборы с выводом изображения на плоскость бумаги (само-
писцы) или на телевизионный экран (дисплеи) и т. д. (рис. 7). Анало-
говыми называют приборы, в которых вдоль шкалы перемещаются
какие-либо указатели: стрелка (рис. 7, а}, «зайчик», отраженный от
подвижного зеркала (рис. 7, б), или край облака газового разряда
(рис. 7, в). Или, наоборот, мимо указателя перемещается шкала (вра-
щающийся барабан) (рис. 7, г). В цифровых приборах информация
выдается в виде числа, образованного цифрами (рис. 7, д, е).
Электронные приборы (рис. 7, в и е) предпочтительнее механиче-
ских, так как они устойчивее к вибрации, ударам и, главное, быстро-
действующие.
Информация может также записываться на магнитофонные ленты
или запоминаться какими-либо другими способами (см. запоминающие
электроннолучевые трубки}.
Приведем общую схему измерительного прибора (/—исследуе-
мый объект), включив в нее все возможные узлы и блоки (рис. 8).
Сигнал от датчика 2 обрабатывается в измерительной схеме 3, усили-
вается усилителем 4 и либо запоминается в блоке памяти 6,либо поступа-
ло
13
Рис. 8. Структурная схема измери
тельного прибора.
ет сразу на показывающее устрой-
ство 5, либо на электродвигатель 7,
который приводит в движение по-
казывающие 5' и записывающие 9
устройства (13 — сеть, 12'— блок
питания).
Если используется схема ком-
пенсации (нуль-метод), двигатель
приводит в действие компенсирую-
щее устройство 11, выдающее
встречный сигнал в измерительную
схему до тех пор, пока на вход уси-
лителя не перестанет поступать ка-
кое-либо напряжение (полная ком-
пенсация). Тогда двигатель перестает работать. Показания на индикато-
ре 5' и самописце 9 берутся в этом случае с компенсирующего устройст-
ва. Они указывают, какое напряжение компенсирующему устройству
пришлось выработать, чтобы сигнал скомпенсировать (см. автомати-
ческие самопишущие мост и потенциометр).
Регулятор 10 в зависимости от показаний прибора может из-
менять условия в объекте, например регулировать температуру.
Взаимосвязь блоков может быть и другой. Например, возможна
и электронная обратная связь (4-^3) без использования электродви-
гателя и т. д.
Естественно, что столь сложные схемы реализуются не во всех
приборах. В большинстве имеется лишь часть этих блоков. Так, в
обычном амперметре с шунтом есть только следующие блоки: 2 (шунт
играет роль датчика тока), 3 — сама измерительная часть (рамка в
магнитном поле) и 5 — стрелка.
Следует обратить внимание на то, что из всех блоков в схеме толь-
ко устройство датчика 2 зависит от характера измеряемой величины.
Все остальное может быть выполнено в виде стандартного устройства,
пригодного для любых измерений. Так обеспечивается много-
функциональность устройства. Иногда в приборах пре-
дусматривается также многоканальность — возможность измерения
сразу нескольких величин.
Параметрами любых измерительных приборов являются:
1. Чувствительность — отношение какой-то характе-
ристики выходного сигнала к соответствующей характеристике вход-
ного сигнала. Если на выходе важно напряжение и измеряемая ве-
личина— тоже напряжение, то чувствительность (i/вых /UBx) —
безразмерная величина. Чувствительность может быть и величиной
размерной. Например, 2 В/лк (2 вольта на 1 люкс) — чувствительность
некоторого фотоэлемента, измеряющего освещенность; 10 мм/Н
(10 миллиметров шкалы на 1 ньютон) — чувствительность некоторого
динамометра и т. д.
2. Порог чувствительности — минимальное значе-
ние какой-то характеристики входного сигнала, которое может быть
зарегистрировано при любом последующем усилении. Казалось бы,
11
чем больше усиление, тем более слабые сигналы могут быть зафикси-
рованы. Однако это не так. Существует порог чувствительности, ко-
торый обусловлен двумя причинами. Первая — трение. Наличие тре-
ния покоя ведет к тому, что при слишком слабом сигнале указатель вооб-
ще не придет в движение. Вторая причина связана с тем, что прибор
усиливает не только входной сигнал, но и собственные случайные
колебания токов и напряжений (так называемый собственный шум).
При больших коэффициентах усиления на выходе может быть зафик-
сирован сигнал (усиленный собственный шум) даже при отсутствии
входного сигнала.
Наличие порога чувствительности делает бесполезным большое
усиление сигнала, так как одновременно с сигналом усиливается и
шум. При измерении слабых сигналов порог чувствительности — более
важный параметр, чем чувствительность (см. усилитель электронный).
3. Класс точности — параметр, позволяющий определить
абсолютную погрешность прибора (обозначается буквой М). По опре-
делению класс точности — это отношение абсолютной погрешности в
единицах длины шкалы к длине всей шкалы, выраженное в процентах:
М=.^Ю0%. (6)
Для линейной шкалы, поскольку измеряемая величина пропорцио-
нальна расстоянию по шкале (n со L), класс точности
М=~ 100%, (7)
Дшк
где пшк — предел шкалы (диапазона^ Таким образом, абсолютная
погрешность А п = пшк —, т. е. для нахождения абсолютной по-
грешности от значений, соответствующих пределу шкалы (но не от
показаний прибора!), берется количество процентов, соответствующее
классу точности. Так, если прибор, показанный на рисунке 5, а, имеет
предел шкалы 5А и класс точности 2, то абсолютная погрешность рав-
9
на 5А • —- = 0,1 А независимо от того, где остановилась стрелка.
100
Для нелинейных шкал определение (6) пригодно, а соотношение
(7) — нет.
а 5
Рис. 9. Графики различных режимов
установления показаний прибора (а):
1 — колебательный режим, 2 — кри-
тический, 3 — прибор передемпфиро-
ван, т — постоянная времени; воздуш-
ный демпфер (б).
4. Постоянная време-
н и. После присоединения прибо-
ра к измеряемому объекту указа-
тель прибора не сразу устанавли-
вается в нужное положение. При
небольшом трении он может даже
проскочить нужное деление, затем
пройти мимо него в обратном на-
правлении и т. д. (рис. 9, а, слу-
чай 1). Однако если трение будет
слишком большим, указатель бу-
дет недопустимо медленно ползти
12
к нужному делению (рис. 9, а, случай 3). Наилучшим является так
называемый критический режим (рис. 9, а, случай 2).
Для увеличения трения служит-специальное устройство— демпфер.
На рисунке 9, б приведена схема конструкции воздушного демпфера
(поршень в закрытом с одной стороны цилиндре, не касающийся его
стенок).
Время установления нужного показания называется постоянной
времени т. У приборов с механически движущимися деталями оно
порядка периода колебаний, обычно секунды, в лучшем случае—де-
сятые доли секунды. В электронных приборах т может быть сделана
много меньше.
5. Надежность, защищенность прибора от
внешних воздействий. Этот параметр характеризует
устойчивость прибора к вибрации, ударам, воздействию воды (или вы-
сокой влажности), температуры, внешних электрических, магнитных
и электромагнитных полей (устойчивость к электромагнитным по-
мехам).
Долговечность прибора определяется параметром, который назы-
вается сроком службы. Срок службы обычно определяется
временем, в течение которого гарантируется исправность прибора.
Естественно, в большинстве случаев прибор работает много дольше,
чем указанный срок службы, но уже без гарантии.
Все параметры прибора заносят в его паспорт — документ, со-
провождающий прибор.
ГЛАВА I
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
К механическим приборам относятся приборы, в которых исполь-
зуются законы механики (различные соотношения между кинематиче-
скими и динамическими величинами, а также механической энергией).
В то же время для измерения механических величин используются
и другие физические явления (электрические, оптические, атомные).
Поэтому в этой главе не избежать некоторых экскурсов в электронику,
оптику и другие разделы физики и техники.
§ 1. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ
Линейка, градуированная по эталону в единицах длины (см, мм),
является простейшей рабочей мерой длины. Линейка должна изго-
тавливаться из твердого материала, мало меняющего свои свойства со
временем, лучше из металла (деревянные и особенно пластмассовые
линейки, высыхая, становятся заметно короче). Следует также учи-
тывать тепловое расширение и линейки, и объекта. (На это можно не
обращать внимание только в том случае, если они сделаны из одного
материала.) Широко используются гибкие меры длины: рулетка, порт-
новский метр и т. д. Точность этих приборов невелика.
Большей точности достигают в приборах с нониусом, например
в штангенциркуле. Нониус позволяет более точно определять коли-
чество долей деления основной шкалы. К основной шкале с делением I
изготавливается вспомогательная — нониус, каждое деление которо-
го меньше деления основной шкалы на I — б, где б — малая часть
деления. Определить б нетрудно, совместив начала линеек (рис. 10, а).
Допустим т делений нониуса 2 со-
ответствует т — 1 делениям основ-
ной шкалы 1, т. е. mln =(т — 1)/.
Тогда б = I — 1Н = Чт (на рис. 10,
а — в б = 1/3 основного деления).
Пусть вначале совпадают пулевые
деления обеих шкал (рис. 10, а).
Сдвинув нониус вправо, поместим
измеряемое тело 3 между началами
линеек, как показано на рисунке
10, б. При сдвиге на б первое де-
ление нониуса совпадает с первым
делением основной шкалы, затем
при сдвиге на 26 — второе со вто-
рым и т. д. Таким образом,
Рис. 10. Использование нониуса
штангенциркуле.
14
по номеру совпавшего деления мы можем определить, на сколько до-
лей деления сдвинулся вправо нониус, т. е. какова длина тела.
Если длина тела больше одного деления, то отсчет долей деления
производится аналогично, следует обращать внимание только на то
деление нониуса, которое совпало с некоторым (неважно, каким)
делением основной шкалы. Так, на рисунке 10, в длина тела равна
(2 4- 26 делений = 22/3 деления).
Обычно 6 берут меньше, и нониус может быть сложнее (рис. 10, г),
но всегда цена деления нониуса равна цене од-
ного деления основной шкалы, деленной на
число делений нониуса. Так, на рисунке 10, г цена
1 ММ ~ /Ч Г
одного деления нониуса равна = 0,05 мм.
Другой способ определения доли деления основной шкалы прибора
применен в микрометре. Здесь использован способ винта и барабана.
Винт и полый барабан, составляя одно целое, вращаются и ввинчи-
ваются в основу, зажимая измеряемую деталь (рис. 11). На основной
шкале читаются целые миллиметры (или половины миллиметров).
Один полный оборот барабана соответствует продвижению винта и
барабана на один шаг резьбы, который равен одному делению основ-
ной шкалы. Неполный поворот соответствует неполному делению
основной шкалы. По краю барабана нанесены деления, разделяющие
его окружность на доли оборота. Поворот на одно деление барабана
соответствует смещению винта впра-
во или влево на расстояние, рав-
ное цене деления основной шкалы,
деленной на число делений бара-
бана. Например, если деление ос-
новной шкалы 0,5 мм, а на бараба-
не 50 делений, то поворот на одно
деление соответствует смещению
на 0,01 мм.
Микрометр точнее штангенцир-
куля, но, как правило, может из-
мерять только небольшие детали.
Точность его зависит от точности
изютовления резьбы. Для того
чтобы прижим детали был не слиш-
ком большим (и стандартным), ба-
рабан поворачивают за фрикцион,
который при определенном усилии
перестает вести за собой барабан
и винт («прощелкивает»).
Для дальнейшего увеличения
точности отсчета применяется опти-
ческий рычаг. Рассмотрим прин-
цип действия оптиметра (рис. 12).
Луч света от осветителя 9 прохо-
дит через боковое отверстие в оку-
Рис. 11. Микрометр: 1 — скоба, 2 —
винт с барабаном, 3 — основная шка-
ла, 4—деления барабана, 5 — изме-
ряемая деталь, 6 — фрикцион.
Рис. 12. Вертикальный оптиметр:
1 — станина, 2 — измеряемая деталь,
3 — толкатель, 4 — зеркало, 5 — зри-
тельная труба, 6 — окуляр, 7 — шка-
ла, 8 — полупрозрачное зеркало,
9 — осветитель.
15
ляр 6 зрительной трубы 5, отражается полупрозрачным зеркалом 8, по-
ставленным под углом 45°, и попадает на зеркало 4, наклон которого
зависит от толщины детали 2. В окуляре 6 есть шкала 7, на нее про-
ецируется ее же собственное отражение от зеркала 4. Без детали зер-
кало 4 горизонтально (перпендикулярно лучу) и отражает луч в
прямо противоположном направлении, при этом изображение шкалы
совпадает с самой шкалой 7. Такой окуляр называется автоколлима-
ционным (см. окуляры). При наличии детали зеркало поворачивается
на угол а, а отраженный луч — на угол 2а. В окуляре изображение
шкалы сдвигается относительно самой шкалы, что наблюдается глазом
и позволяет измерять толщину детали. Благодаря большой длине
луча (на рисунке масштаб не выдержан) незначительный поворот
на угол а вызывает значительное смещение изображения шкалы.
Не всегда можно надавливать щупом на деталь, ее размеры могут
от этого измениться. В этих случаях применяются бесконтакт-
ные оптические приборы. К ним относятся измерительный микро-
скоп для измерения размеров малых деталей (см. микроскоп), а для
измерения сравнительно больших размеров — измерительный проек-
тор и компараторы.
Измерительный микроскоп — микроскоп, снабженный приспособ-
лениями для измерения размеров микрообъектов. Это прежде всего
окулярная шкала (или сетка), помещенная в фокальную плоскость
(точнее, люк — см. оптические сис-
^===г^
г д
Рис. 13. Бесконтактные оптические
приборы для измерения размеров:
а — измерительный проектор (/ —
лампа, 2 — конденсор, 3 — изме-
ряемая деталь, 4 — объектив, 5 —
полупрозрачный экран); б — попереч-
ный ив — продольный компараторы
(6 — измеряемая деталь, 7 — эталон,
8 — каретка с микроскопами); г —
катетометр (1 — штатив, 2 — каретка
со зрительной трубой); д — попереч-
ный масштаб.
темы) окуляра, в то место, где
получается изображение объекта.
В результате глаз наблюдает одно-
временно изображение и шкалу.
Для определения цены деления
окулярной шкалы служит объект-
микрометр — прозрачная линееч-
ка с очень мелкими эталонными
делениями (например, по 0,01 мм),
которая помещается вместо объек-
та на столик микроскопа. Другой
способ измерения размеров с по-
мощью микроскопа — применение
окулярного микрометра с микро-
метренным винтом. В этом случае
шкала в окуляре заменяется кре-
стом нитей, который может пере-
мещаться вдоль изображения мик-
рометренным винтом с барабаном.
Крест совмещают сначала с одной
деталью изображения, затем с дру-
гой, а расстояние между ними оп-
ределяют по отсчетам на барабане.
Измерительный проектор (ход
лучей — см. проектор) воспроиз-
водит изображение детали на экра-
16
не. На экране могут быть нанесены различные шкалы, сетки, даже
чертеж, которому должна соответствовать измеряемая деталь (рис.
13, а). Это позволяет сравнивать не только линейные размеры, но и
углы, кривизну кривых и т. д.
Компаратор служит для сравнения размеров предметов с эталон-
ной линейкой или другими предметами. Предмет и эталон устанавли-
вают параллельно друг другу. Главной частью компаратора являет-
ся каретка с закрепленными на ней микроскопами (рис. 13, б, в),
которая перемещается либо перпендикулярно измеряемому отрезку
и эталону (поперечный компаратор), либо параллельно им (продоль-
ный компаратор). Механизм перемещения каретки выполняется с
предельно возможной тщательностью. В микроскопы наблюдают ис-
следуемый предмет или его часть и одновременно соответствующие
деления эталонной линейки.
Катетометр — прибор для бесконтактного измерения расстояний
по вертикали (разности высот). Он состоит из прочного устойчивого
штатива (рис. 13, г), по которому в вертикальном направлении пере-
мещается каретка со зрительной трубой (или микроскопом). Труба
наводится сначала на верхний край детали, затем на нижний. Ее
перемещение фиксируется по шкале, нанесенной на штативе, и нони-
усу, скрепленному с кареткой. Кроме того, в окуляре имеется окуляр-
ная шкала. Для большей точности отсчета в катетометре применяют
еще один, не упоминавшийся ранее способ определения доли деления —
поперечный масштаб (рис. 13, 5). Окулярная шкала выполняется в
виде прямоугольника, разделенного горизонтальными штрихами на
основные деления. В получившихся малых прямоугольниках прово-
дят диагонали. На одинаковом расстоянии друг от друга проводят
вертикальные штрихи (ца рисунке 13, д их десять). Это позволяет
оценить долю основного деления. Так, если в окуляр видна такая сет-
ка и линия измеряемого объекта АА', то положение этой линии можно
определить не только по основным делениям, но и по пересечению
вертикальных штрихов с диагоналями, через которое проходит линия
АА'. Например, на рисунке 13, д положение линии А А' соответству-
ет «1,6» основного деления.
Нивелир — прибор для измерения разнести высот на местности
(рис. 14). Это комплект, состоящий из зрительной трубы на штативе
и реек. Труба может вращаться в горизонтальной плоскости. Если
навести трубу сначала на рейку, поставленную на опорную точку А
(репер), а затем перенести рейку на точку Б и повернуть на нее тру-
бу, то по разности отсчетов на рей-
ке можно определить высоту точки
Б относительно репера А.
Существенная деталь нивелира,
равно как и многих других при-
боров, требующих строго горизон-
тальной установки,—уровень боль-
шой точности.
Приборы для дистанционного
измерения горизонтальных рас-
17
2
Рис. 15. Дальномер.
Рис. 16. Локаторы: а — блок-схема
радиолокатора (/ — генератор,
2 — излучатель-приемник, 3 —объ-
екты, 4 — усилитель, 5 — устройство
измерения времени между импульса-
ми, 6 — генератор круговой разверт-
ки, 7 — индикатор); б — экран инди-
катора радиолокатора (/ — изобра-
жение близкого объекта на северо-
западе, 2 — скопление далеких объек-
тов на юге).
стоянии на местности называют-
ся дальномерами. Они могут быть
весьма различной конструкции. Од-
на из них приведена на рисунке 15.
Через полупрозрачное зеркало 2
глаз видит удаленный предмет 1.
В то же время Другое (поворотное)
зеркало 3 может направить в глаз
изображение того же предмета 4.
Чем ближе предмет и больше база
дальномера I, тем больше угол а—
= ИL, тем больше надо повернуть
поворотное зеркало. Около него
наносятся деления шкалы, которая
градуируется в метрах расстояния
L. Обычно оба колена дальномера
снабжены оптикой, делающей их
Зрительными трубами.
Дальномеры, определяющие рас-
стояние до объектов по времени
распространения волны от прибо-
ра до объекта и волны, отраженной
от объекта к прибору, называются
локаторами. Могут быть звуколока-
торы (эхолоты), радиолокаторы,
лазерные локаторы. Локатор дол-
жен создавать по возможности ко-
роткий и по возможности мощный
импульс. Локатор состоит (рис. 16,
а) из генератора импульсов 1, по воз-
можности коротких и по возможно-
сти мощных, которые направляют-
ся в излучатель 2 (пьезоэлемент
для звуковых волн, антенна для
радиоволн). Излучатель 2 отправ-
ляет в пространство в заданном нап-
равлении сигнал. Отразившись от
объекта <3, сильно ослабленная вол-
на возвращается частично назад и
попадает в приемник (обычно тот же
пьезоэлемент или та же антенна),
который преобразует ее снова в
электрический импульс, поступаю-
щий в усилитель 4. По времени А/
между этими двумя импульсами оп-
ределяется расстояние до объекта
I — —, где v — скорость звука в
среде, а по направлению, в кото-
18
ром был ориентирован в Данный момент Излучатель, — направление
на объект. В радиолокаторе информация о всех объектах переносится
на экран электроннолучевой трубки с круговой разверткой (рис. 16, б),
в которой электронный луч ходит по радиусу экрана. Этот радиус
медленно поворачивается вокруг центра, точно повторяя вращение
излучателя (например, антенны). В момент посылки сигнала начина-
ется движение луча от центра экрана. Когда поступает отраженный
сигнал, яркость луча резко возрастает и на экране возникает яркое
пятно. Расстояние его от центра тем больше, чем позже пришел отра-
женный сигнал, т. е. чем больше расстояние до объекта.
Измерение очень малых расстояний производится интерферен-
ционными методами (см. интерферометры), а также методами, в
которых используется дифракция света, рентгеновских лучей, элек-
тронов, нейтронов и других микрочастиц, причем существенно,
чтобы длина волны зондирующих микрочастиц была близка к раз-
мерам измеряемых промежутков. Существует также множество кос-
венных способов измерения размеров. Так, размер частиц изве-
стной плотности можно определить по скорости оседания в жид-
кости, размер пор в твердом теле— по тому давлению, которое надо
создать, чтобы ртуть начала входить в эти поры, преодолевая
капиллярные силы, и т. д.
§ 2. УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ
Простейшие угломерные приборы—угольники, транспортир при-
меняются в тех случаях, когда достаточна точность в 1°. Специаль-
ные угломерные приспособления в измерительных микроскопах и
измерительных проекторах дают точность до нескольких угловых
минут.
Для измерения углов с точностью до угловых секунд исполь-
зуют достаточно большой диск с делениями, который называется
лимбом, и смещающийся относительно него круговой нониус
(рис. 17). Принцип действия кругового но-
ниуса и правило определения цены деления
те же, что и в случае прямолинейного нониу-
са. Так, на рисунке 17 цена деления основной
шкалы — 30'. Следовательно, цена деления
нониуса 6 = ЗО'/6 = 5'. (Чтобы обеспечить
такую цену деления, надо, чтобы т — 6 де-
лениям нониуса соответствовало т — 1 = 5
делений основной шкалы.)
Гониометр — оптико-механический прибор
для измерения углов между световыми лу-
чами. Он используется для измерения двугран-
ных углов деталей оптическим методом,
углов преломления, дифракции и т. д. Про-
стейший гониометр состоит из массивного
штатива 1, на ось которого насажен диск с
делениями — лимб (рис. 18). Вокруг той же
Рис. 17. Часть лнмба
угломерного прибора
с круговым нониусом:
а — угол равен 28°00',
б — 28°40'.
19
1
a
5
Рис. 18. Гониометр:
а — коллиматорный спо-
соб; б — автоколлима-
ционный.
оси могут вращаться две планки—алидады.
На одной из них закреплена труба 2, кото-
li рая носит название коллиматор, на другой —
' зрительная труба 3, настроенная на бесконеч-
ность. Коллиматор представляет собой трубу
с линзой на конце, обращенном к оси прибо-
ра, и щелью на другом конце. Расстояние от
щели до линзы равно фокусному расстоянию
линзы, так что если щель осветить, то из кол-
лиматора выходит параллельный пучок лу-
чей. В центре гониометра находится столик
4 для изучаемого объекта, который также
вращается вокруг той же оси. Если на столи-
ке ничего нет и зрительная труба поставлена
строго против коллиматора, то параллельный
пучок собирается объективом трубы в фо-
кальную плоскость аналогично тому, как он
расходился в коллиматоре, и глаз увидит че-
рез окуляр изображение щели. Совмещая
это изображение с крестом нитей в окуляре,
можно очень точно установить трубу против
окуляра. Если же на столик поставить призму, то лучи отклонятся на
некоторый угол и трубу нужно будет повернуть на такой же угол,
чтобы снова совместить изображение щели с крестом нитей (рис.
18, а). Отсчет угла между алидадами производится по скрепленным
с ними круговым нониусам. Такой способ использования гониомет-
ра называется коллиматорным.
Для измерения двугранного угла между отражающими поверхно-
стями применяют автоколлимационный способ. Для это-
го зрительная труба снабжается одним из видов автоколлимацион-
ного окуляра с осветителем. Вначале устанавливают зрительную
трубу 3 перпендикулярно одной грани исследуемого объекта. При
этом свет осветителя отражается от грани прямо назад н в окуляре
видны одновременно крест нитей и отраженное изображение этого
креста. Их следует совместить. Это будет свидетельствовать о стро-
гой перпендикулярности луча к поверхности предмета. Затем трубу
поворачивают в положение 3' и таким же способом устанавливают
перпендикулярно другой грани. Угол поворота трубы 0 находят по раз-
ности показаний нониусов, а искомый двугранный угол а — 180° — ₽.
Для измерения углов па местности исполь-
зуют буссоль, кипрегель и теодолит.
Буссоль — прибор для измерения углов
в горизонтальной плоскости (рис. 19, а).
На оси диска с лимбом вращается планка —
алидада с прорезями (прицелом) и круговым
нониусом. Поскольку направления в гори-
зонтальной плоскости отсчитывают от магнит-
ного меридиана, на ту же ось насаживается
Рис. 19. Буссоль (а) и
кипрегель (б).
20
магнитная стрелка. В таком варианте буссоль отличается от обычно-
го компаса с прицелом для взятия азимута только большим диаметром
п точностью исполнения. Все детали буссоли, как и компаса, дела-
ются из немагнитного материала. В более совершенной буссоли
прицел заменен зрительной трубой.
Кипрегель — прибор для измерения углов в вертикальной
плоскости. Устройство его показано на рисунке 19, б.
Теодолит — результат совмещения в одном приборе буссоли и
кипрегеля. Он имеет горизонтальный и вертикальный лимбы.
Секстан (иногда секстант) — ручной угломерный прибор для оп-
ределения высоты небесных светил над горизонтом. Применяется в
морском деле и авиации, так как не требует крепления на штативе и
может использоваться, например, на качающейся палубе судна.
Основой секстана является рама, состоящая из двух прямых реек
а и Ь, расположенных под некоторым углом А (обычно 60°), и дуго-
образной части с со шкалой (рис. 20). На рейке а укреплена зритель-
ная труба Т так, что при симметричном относительно вертикали рас-
положении реек а и b труба будет направлена горизонтально. На рейке
b имеется зеркало zb закрепленное так, чтобы луч, идущий сверху
вдоль Ь, попадал в трубу Т.
При повороте планки П поворачивается и зеркало г2 вокруг оси,
проходящей через вершину рамы. Это зеркало закреплено так, что
при совмещении планки П с рейкой а горизонтальный луч 1 идет вдоль
b и далее в трубу. Кроме того, в трубу через отверстие в zx попадает
и луч 2 от линии горизонта (рис. 20, а).
Если повернуть планку П (и вместе с ней зеркало z2) на угол ip
(рис. 20, б), то в трубу и в глаз наблюдателя попадут одновременно
луч 2 и луч 1 от светила, находящегося на высоте <р = 2ip (см. пло-
ское зеркало).
Для определения высоты светила необходимо так повернуть план-
ку П, чтобы в трубе совместились линия горизонта и светило, и опре-
делить угол — высоту светила над горизон-
том — по делениям шкалы на дугообразной
части рамы с против метки на планке П. По-
скольку тр <р/2, эти деления вдвое мельче,
чем градусы угла <р.
Для угловой ориентации приборов
относительно направления силы тяжести слу-
жат отвес и уровень. Уровень — это изогну-
тая стеклянная трубка, заполненная жидко-
стью с пузырьком воздуха. Используется
для проверки горизонтальности и для изме-
рения малых углов наклона.
Для ориентации относительно магнитного
меридиана служат магнитный компас и бус-
соль. Кроме магнитного, существует также
гирокомпас, в котором используется свойство
волчка сохранять направление оси в прост-
ранстве. Тяжелый волчок (гироскоп), укреп-
Рис. 20. Секстан.
21
ленный в кардановом подвесе, позволяющем любые повороты относи-
тельно корпуса прибора, приводится скоростным двигателем в бы-
строе вращение. Ориентация оси гирокомпаса фиксируется с по-
мощью различных датчиков и передается на пульт управления кораб-
лем, самолетом и т. д. Для ориентации по астрономическим объектам
служат уже упомянутые и подобные им угломерные приборы. Исполь-
зуется также ориентация по радиосигналам специальных радиостанций.
Здесь используются антенны — радиопеленгаторы.
§ 3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ
И ОБЪЕМА ТЕЛА
Приборы для измерения площади поверхности плоской фигуры
неправильных очертаний называются планиметрами. Это сугубо гео-
метрические приборы и поэтому здесь не описываются.
Объем жидкости определяется мензуркой и другими мерными
сосудами. В частности, для измерения очень малых объемов жидкости
используют градуированную пипетку — бюретку. Форма мензурки и
других мерных сосудов желательна коническая, с тем чтобы при малых
объемах деления были крупнее. Это несколько выравнивает относи-
тельную погрешность при малых и больших количествах жидкости.
Объем твердого тела в случаях, когда из-за сложности формы его
нельзя измерить геометрически, определяют, опуская в мензурку с
жидкостью, не растворяющей и не разрушающей тело. Если такую
жидкость подобрать нельзя, применяют газовые объемомеры. Принцип
действия газового объемомера основан на законе Бойля—Мариотта.
Пусть имеется колпак, плотно примыкающий к тарелке с отводной
трубкой (рис. 21). Трубка соединена с U-образным манометром гибким
шлангом. Поднимая и опуская свободное колено манометра, можно
менять объем газа и измерять при этом его давление. Сечение трубки S
известно, так что из соотношения
— (^о + ^1) Ра™
(8)
можно найти Vo — объем сосуда без тела. Затем из соотношения
(Ео — |/д.) р3 — (Vo Vx~rSh2) /7атм (9)
Рис. 21. Газовый объемо-
мер.
находится объем тела V\..
При непрерывном течении жидкости или
газа по трубопроводу необходимо измерять
расход, т. е. объем вещества, протекаю-
щего через поперечное сечение в единицу вре-
мени. Эту задачу решают расходомеры различ-
ных конструкций. На рисунке 22, а, б при-
ведены схемы расходомеров чашечного типа,
применяемых для небольших расходов. Чаш-
ки, укрепленные на вертушке, по мере
наполнения поворачиваются, переливая оп-
ределенные порции жидкости или пропу-
ская порции газа. С осью скрепляется механи-
ческий счетчик оборотов.
22
Рис. 22. Расходомеры: а — чашечного типа для жидкости; б — для газа; в — рота-
метр.
Существуют также весовые расходомеры, расходомеры типа пово-
ротное крыло, а также тахометрические (с вертушкой-пропеллером).
При больших расходах применяется ротаметр (рис. 22, в) — пробка
в коническом трубопроводе, которая приподнимается потоком
жидкости или газа.
§ 4. ЧАСЫ И ЧАСТОТОМЕРЫ
и другое надо накло-
б
Ч>
Часы — прибор для счета количества одинаковых промежутков
времени, принятых за единицу, от какого-то условного начала отсче-
та. Часы — один из древнейших приборов. Наиболее древними яв-
ляются солнечные часы — шест, тень от которого перемещается по
некоторой поверхности, вообще говоря, любой и любым образом
расположенной в пространстве (рис. 23). Но для того чтобы шка-
ла была равномерной (деления, соответствующие часу, были бы оди-
наковыми и равными 360е/24 — 15°), надо, чтобы шест был располо-
жен параллельно оси вращения Земли, а плоскость круга-циферблата
была перпендикулярна к ней, т. е. и '
нить к северу (в Северном полушарии) на угол
90° — ф, где ср — широта местности. Од-
нако такие часы будут работать только
в летнем полугодии, так как в зимнем
солнце окажется ниже плоскости цифербла-
та. Для измерения малых промежутков
времени применялось пересыпание песка
из одного сосуда в другой или перелива-
ние воды (песочные, водяные часы).
Однако значительно большую точность
обеспечивают часы, опирающиеся на ка-
кие-либо периодические про-
цессы. Чем строже периодичность этих
опорных процессов, тем точнее часы,
а чем больше их частота, тем, как известно,
легче это обеспечить и, кроме того, точнее
отсчет.
В механических часах в качестве та-
ких процессов используют колебания ма-
Рис. 23. Солнечные часы:
а — с горизонтальным
циферблатом; б — с вер-
тикальным;
мерными
(ДО — ось
Земли,
полюс, ВО — вертикаль
в данной местности, <р —
широта места).
в — с равно-
делениями
вращения
N — Северный
23
2
Рис. 24. Основные дета-
ли механических часов:
а — маятниковые часы;
б — балансовые (/ —
маятник, 2 — анкер,
3 — храповик).
ятника (в стенных часах) или балансира —
маховичка, который возвращается спираль-
ной пружиной к нулевому положению, но
по инерции проскакивает его (рис. 24). Су-
щественной частью и тех и других часов
является анкерный механизм, состоящий
из колесика с зубцами определенной фор-
мы (храповик) и коромысла с двумя зуб-
цами, скрепленного с колеблющимся телом
и приходящего от него в колебания (ан-
кер). Расстояние между зубцами анкера
равно полуцелому числу зубцов храпови-
ка, например 3’/2- Задача анкерного ме-
ханизма двойная. С одной стороны, отпус-
кая при каждом колебании зубчатое коле-
со на один зубец, он обеспечивает более
равномерное вращение всех сцепленных
друг с другом зубчатых колес, которым
сообщает вращательное движение гиря или
пружина. С другой стороны, зубцы анкерного механизма устроены
так, что зубчатое колесо слегка подталкивает каждый раз коромысло,
а с ним и маятник или балансир, делая их колебания незатуха-
ющими.
Взаимодействие частей механических часов можно представить
в виде блок-схемы, которая будет, как мы далее увидим, основой лю-
бых часов (рис. 25, а). Для механических часов 1 — либо маятник,
либо балансир, 2 — анкерный механизм, 3 — гиря или пружина, 4 —
система зубчатых колес, уменьшающих скорость вращения (редуктор),
5 — стрелки и циферблат.
Главным параметром часов является стабильность хода — вариа-
ция суточного хода. Этот параметр не следует путать с тем, что часы
могут быть плохо отрегулированы (спешат или отстают). Скорость
хода часов можно отрегулировать высотой груза на маятнике или
длиной работающей части пружины балансира, кроме того, это легко
учесть, вводя поправку. Вариация суточного хода — непредска-
зуемые колебания скорости хода часов, возникающие в резуль-
а В
Рис. 25. Блок-схема механических, кварцевых и других часов (а): 1 —объект, со-
вершающий опорные колебания, 2 — усилитель, 3 — источник энергии, 4 — дели-
тель частоты, 5 — индикатор; блок-схема атомных часов (б). 1 — источник возбуж-
денных атомов цезия Cs, 2 — оптический резонатор, 3 — кварцевые часы, 4 — умно-
житель частоты, 5 — схема сравнения частот, 6 — сигнал ошибки.
24
тате изменения температуры, давления, влажности, Сбстояния смаз-
ки, износа, изменения положения часов в пространстве, вибрации
и т. д. В бытовых механических часах ее трудно сделать менее 10 с.
В морских механических хронометрах, по которым до недавнего вре-
мени определяли долготу места, суточная вариация не более 0,1 с.
Значительно большую равномерность хода имеют часы, опирающие-
ся на акустические колебания, — так называемые кварцевые часы.
Кристалл кварца, являясь пьезоэлектриком, будучи приведен в коле-
бания, превращает механические колебания высокой частоты в элек-
трические, которые далее усиливаются электронным усилителем.
В то же время усилитель, получая энергию от блока питания, отдает
часть ее кристаллу, поддерживая незатухающие колебания. Как и
в механических часах, слишком высокая частота уменьшается в нуж-
ное число раз делителем частоты (рис. 25, а), только в кварцевых ча-
сах это делает не механический редуктор, а электронное устройство.
Индикатор используется также электронный цифровой (см. цифровые
приборы). Вариация суточного хода кварцевых часов] доводится до 10_®
с, а в стационарных условиях может быть еще меньше. Кварцевые часы
в настоящее время интенсивно вытесняют механические даже из до-
машнего обихода.
Наиболее точными современными часами являются атомные (или
квантовые) часы, в которых в качестве опорных используются оптиче-
ские колебания атомов. Таковы, например, цезиевые часы, упрощен-
ная блок-схема которых приведена на рисунке 25, б. Поскольку часто-
та опорных колебаний в этом случае очень велика (vA порядка 1016 с"1),
она не поддается делению. Взаимодействие блоков атомных часов та-
ково: источник возбужденных атомов цезия поставляет их в оптиче-
ский резонатор, в котором и возникают электромагнитные колебания.
В атомные часы в качестве их составной части входят кварцевые часы.
Частота колебаний, вырабатываемых кварцевыми часами, умножает-
ся во столько раз, чтобы результирующую частоту nvKBU можно было
сравнить с vab специальной схеме сравнения, куда поступают обе
частоты. Схема сравнения вырабатывает сигнал ошибки, пропорцио-
нальный разности nvKBII —vA. Этот сигнал подается на кварцевые
часы, подправляя vKBn так, чтобы nvKBU — vA. Так атомные коле-
бания используют для контроля хода кварцевых часов, по которым и
определяется время. Суточная вариация атомных часов менее 10-11 с.
В связи с наличием вариации суточного хода часы необходимо про-
верять (производить поверку), т. е. сверять с другими, более точными,
или с периодическим процессом, период которого принят за эталон.
Поскольку за основу шкалы времени был принят период обращения
Земли вокруг своей оси (сутки), часы устанавливались по астрономи-
ческим наблюдениям за суточным вращением звездного неба. Однако
с появлением кварцевых и атомных часов в результате точнейших
измерений выяснилось, что Земля вращается неравномерно, и за ос-
нову шкалы времени был выбран период вращения Земли вокруг Солн-
ца (год). Часы стали устанавливать по астрономическим наблюдениям
за годичным кажущимся перемещением Солнца по небесной сфере.
25
Этот процесс принят в настоящее время за эталон, а рабочими мерами
для поверки всех часов служат атомные часы. Однако точность атом-
ных часов сейчас выше, чем результаты астрономических наблюде-
ний, и для некоторых целей эталонным считают «атомное время»,
отсчитываемое атомными часами.
В лабораторной практике для измерения малых отрезков времени
используют обычно осциллографы.
Для отмеривания определенного отрезка времени служат секундо-
меры, механические таймеры, в быту — будильники. В электрических
реле времени отрезки времени (от 10-3 с до нескольких минут) отме-
ряются по времени зарядки (или разрядки) конденсатора через рези-
стор по закону U = ийе~Ч1<с. При изменении напряжения, напри-
мер, ве раз (за t = RC) срабатывает реле, включающее или выключаю-
щее любое устройство.
Частотомер (герцметр) — прибор, отличающийся от часов тем,
что измеряет не общее количество одинаковых промежутков времени,
а число этих промежутков за единицу времени. Частотомер включают
только во время измерений, часы же не останавливают вообще.
Существует множество различных типов
8
Рис. 26. Простейшие
электромеханические ча-
стотомеры (а, б); элек-
тронный частотомер (в).
частотомеров; механические, электромехани-
ческие, радиорезонансные, электронносчетные,
гетеродинные, осциллографические и т. д.
Механический частотомер — набор упру-
гих металлических полосок, каждая из кото-
рых имеет свою частоту колебаний. При при-
ведении такого набора в механический кон-
такт с исследуемым колеблющимся телом
одна из полосок приходит в резонанс и начи-
нает сильно колебаться. Механический ча-
стотомер имеет малую точность, узкий диа-
пазон измерений и сейчас применяется редко.
Вариантом механического частотомера в аку-
стике (музыке) является набор камертонов.
В качестве меры низкой частоты порядка 1 Гц
используется метроном.
Электромеханические частотомеры служат
для измерения частоты в цепях переменного
тока не очень больших частот. Простейшие
конструкции даны па рисунках 26, а в б.
Первый — комбинация механического часто-
томера с электромагнитом, который работает
от исследуемой сети. Второй — релейного
типа, в котором реле соединяет конденса-
тор то с батареей, от которой он заряжается,
то с миллиамперметром, через который он раз-
ряжается. Чем выше частота, тем больше
среднее отклонение стрелки миллиампермет-
ра. В простейшем электронном частотомере
роль реле выполняют диоды (рис. 26, в).
26
О частотомерах более сложных и более современных конструкций
говорится в главах «Электромеханические приборы» и «Электронные
приборы». Осциллографический метод определения частоты — см.
осциллограф.
§ 5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Перемещение — величина относительная, измеряется всегда отно-
сительно какой-либо системы отсчета. При этом может быть два случая:
когда есть возможность опираться на метки в системе отсчета и когда
такой возможности нет. Во втором случае о перемещении судят по
скорости и времени движения, т. е. применяют приборы, интегрирую-
щие скорость по времени (приборы, интегрирующие показания спи-
дометров).
Малые перемещения (малые сдвиги, деформации, изме-
нение уровня жидкости в сосуде и т. д.) фиксируются всегда с опорой
на систему отсчета с помощью разнообразных датчиков. На рисунке 27
приведены некоторые из них. В резистивных датчиках движок перемен-
ного резистора, смещаясь, меняет сопротивление. Изменение сопро-
тивления можно регистрировать, включая резистор по схеме реостата
(рис. 27,а), по схеме потенциометра (рис. 27, б) или по схеме моста
(рис. 27, в). Последняя схема наиболее чувствительна и чаще всего
применяется. Движок — механическая деталь, и как таковая она
наиболее уязвима и наименее надежна. Этого недостатка лишен тен-
зодатчик, им можно измерять лишь очень малые перемещения одного
участка тела относительно другого — деформации. Полоска тензо-
датчика — это несколько проволочек из константана, заклеенных в
пластмассу (рис. 27, г). При деформации проволочки растягиваются
Рис. 27. Датчики малых перемещений: а, б, в — резистивные (разные схемы вклю-
чения); г — полоска тензодатчика; д — полоски тензодатчика на деформирующейся
детали; е — емкостный датчик; ж — индуктивный; а — индукционный; и — пьезо-
электрический; к — пьезоэлектрический биморфный; л — фотоэлектрический;
м — механотрон.
27
(сжимаются) и их сопротивление меняется (ft = pj-j. Есть и полупро-
водниковые тензодатчики, они на два порядка более чувствительны.
Обычно на деформируемую деталь наклеивается сразу четыре тензо-
датчика, соединяемые по схеме моста. При деформации мост выходит
из равновесия, так как полоски деформируются по-разному (рис. 27, д).
Емкостные датчики перемещений фиксируют изменение положе-
ния одной из пластин конденсатора, емкость которого можно из-
мерять разными способами (мостовым, резонансным и т. д.) (рис. 27, е).
В индуктивном датчике (рис. 27, ж) от перемещения железного сердеч-
ника меняется индуктивность катушки. Такой датчик, как и преды-
дущие, является пассивным: к нему должна быть добавлена еще изме-
рительная цепь с источником тока (в данном случае — переменного).
Индукционный датчик (рис. 27, з) является активным — он сам вы-
рабатывает ЭДС, однако это скорее датчик скорости, а не перемещения,
так как ЭДС — <z> —. Очень малые перемещения при деформации фик-
dt dt
сируются пьезодатчиками (рис. 27, и), несколько большие — биморф-
ным элементом из пьезоэлементов (рис. 27, к). Это две склеенные иье-
зопластинки с проложенным между ними электродом. При изгибе
одна из пластин растягивается, другая сжимается, давая ЭДС разных
знаков. Пластинки включены в параллель так, что токи от них скла-
дываются.
Оптические датчики малых перемещений с использованием оптиче-
ского рычага рассматривались ранее при описании оптиметра.
В фотоэлектрическом датчике (рис. 27, л) заслонка перекрывает
свет, идущий от осветителя к фотоэлементу.
Весьма совершенным является электронный датчик малых пере-
мещений — механотрон (рис. 27, м), представляющий собой ваку-
умный диод с близко расположенными анодом и катодом, так что анод
входит в область пространственного заряда у катода. При малых
перемещениях анода относительно катода сильно меняется сопротивле-
ние механотрона, поэтому он включается в мостовую измерительную
схему.
Если большая точность не требуется, для фиксирования малых
перемещений достаточно системы рычажков, канатиков и блочков,
которые поворачивают стрелку, как, например, в барометре-анероиде.
Отдельно стоят датчики угла поворота одной детали относительно
другой. Часто поворот нельзя непосредственно наблюдать, и требуют-
ся дистанционные измерения. Например, необходимо от флюгера на
мачте передать информацию о направлении ветра на пульт управления
корабля. Для этого можно воспользоваться длинным валом (жестким
или гибким), однако электрические способы предпочтительнее. Со-
ответствующие измерения производят с помощью потенциометрической
передачи и сельсина (рис. 28). В первом случае по кольцевому рези-
стору передвигаются щетки, питаемые источником постоянного тока.
Трехпроводная линия передает токи на тройку электромагнитов, в
поле которых вращается постоянный магнит — ротор. В положении,
показанном на рисунке 28, а, точки 1 и 2, а следовательно, и точки Г
28
з'
а 5
Рис. 28. Дистанционное измерение угла поворота: а — потенциометрическая пере-
дача; б — сельсин.
и 2' находятся почти под одинаковым потенциалом, и ток в нижнем
электромагните отсутствует. В двух верхних катушках токи создают
магнитное поле, и ротор устанавливается так, как показано на рисун-
ке. При повороте щеток в датчике на такой же угол повернется ротор
в исполнительном механизме.
Сельсин — комплект из двух одинаковых роторов и двух одина-
ковых трехполюсных статоров, соединенных между собой трехпровод-
ной линией (рис. 28, б). Роторы питаются переменным током от одного
внешнего источника. В катушках статора 1 ротор 1 наводит токи, пе-
редаваемые в статор 2. Ротор 2, взаимодействуя магнитным полем
с полем статора 2, занимает определенное положение. При поворо-
те ротора 1 ротор 2 поворачивается на такой же угол.
§ 6. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ
И УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
Скорость можно рассчитать, измерив перемещение и время и
зная характер движения. Например, скорость самолета можно
определить по расстоянию между метками на экране радиолокатора
и секундомеру. Однако нужны и такие приборы, которые непосред-
ственно выдают информацию о скорости в любой момент времени.
Прибор, измеряющий линейную скорость, называется спидомет-
ром (иногда велосиметром), а прибор, измеряющий угловую ско-
рость, — тахометром. Чаще всего при измерении линейной ско-
рости линейное движение сначала преобразуют во вращательное (на-
пример, привод от колеса в транспорте), а затем уже измеряют
тахометром угловую скорость этого вращательного движения. Рас-
смотрим вначале конструкции тахометров. Задача тахометра —
преобразовать угловую скорость вращения в определенное положе-
ние стрелки-указателя относительно циферблата. Простейший
тахометр — центробежный (рис. ,29, а). При вращении вала 1 грузы
2 расходятся под действием центробежной силы инерции тЛ, сжи-
мая противодействующую пружину 3. Кольцо, охватывающее вра-
щающийся хвостовик, также передвигается вдоль оси, перемещая
указатель 4 на расстояние L. Таким образом, уравнение шкалы
прибора:
xm®2r — kL, (10)
где х — некоторый коэффициент, k — жесткость пружины, L — ежа-
29
3
5
5
7
Ь
Рис. 29. Тахометры:
а — центробежный; б —
индукционный; в — ин-
дукционный тахометр
с прямолинейной шка-
лой: 1 — вал, 2 —
грузы, 3 — пружина,
4 — указатель, 5 — не-
магнитная металличе-
ская чашка, 6 — круглый
циферблат, 7 — шкала со
щелью.
тие пружины и одновременно показания
прибора. Таким образом, шкала нелинейна
(L си и3). Это недостаток центробежного та-
хометра.
Спидометры на транспорте обычно построе-
ны по принципу индукционного (магнитного)
тахометра (рис. 29, б): на вращающийся вал
1 насажен постоянный магнит, который вра-
щается внутри немагнитной (алюминиевой)
чашки 5 (картушки), не касаясь ее стенок.
Но в этих стенках наводятся индукционные
токи, которые в соответствии с правилом
Ленца препятствуют вращению магнита. От
этого сама чашка в соответствии с третьим
законом Ньютона поворачивается, сжимая
пружину 3. С осью чашки скреплена стрелка 4.
ЭДС по закону Фарадея пропорциональна
скорости изменения магнитного потока, а
она пропорциональна угловой скорости и:
р d Ф
б оо — <х> и. С другой стороны, токи в кар-
тушке i <z> S, а сила, действующая со стороны
магнита (сила Ампера), пропорциональна маг-
нитной индукции магнита В и i:
и <z> i со F = kL, (11)
т. е. L со io (шкала индукционного тахометра
линейна).
В современном приборостроении от круг-
лых шкал перешли к прямоугольным. Кар-
тушку делают сильно вытянутой, окрашива-
ют часть ее, отделенную спиральной границей, в красный цвет и
ставят ее за шкалой со щелью 7 (рис. 29, в). Чем больше поворот
картушки, тем длиннее красный указатель.
Обычно от того же вала, который идет к спидометру, работает
еще и механический счетчик полного числа оборотов (счетчик прой-
денного пути), монтируемый обычно вместе со спидометром на авто-
мобиле, мотоцикле и т. д.
Не всегда удобно протягивать вал от вращающихся деталей к щиту
управления. В этих случаях используются дистанционные передачи
типа сельсина или тахогенератора (вращающийся от вала постоянный
магнит наводит токи в трехполюсном статоре, как в сельсине, кото-
рые по трехпроводной линии передаются на щит управления; здесь
они направляются в такой же трехполюсный статор, внутри которого
от этих токов приходит во вращение короткозамкнутый ротор, как в
аси нхронном двигателе).
Не всегда допустим механический контакт спидометра с вращаю-
щейся деталью. В этих случаях используют бесконтактные тахометры.
Если деталь неоднородна, т. е. в ней есть отверстия или зубцы, то
30
они могут прерывать луч света, идущий от осветителя к фотоэлементу.
Получается переменный ток, частоту которого измеряют частотомером.
Так устроен оптический тахометр. В радиоактивном тахометре вместо
луча света используются гамма- или бета-лучи. Еще один бесконтакт-
ный тахометр основан на стробоскопическом эффекте. Главной частью
стробоскопического тахометра является импульсный генератор пере-
менной частоты, от которого питается лампа-вспышка, освещающая вра-
щающуюся деталь с какой-либо меткой. При совпадении частоты
вспышек и частоты вращения метка кажется остановившейся. Показа-
ния снимают со шкалы генератора, указывающей частоту.
Приведем примеры спидометров без преобразования линейного
движения во вращательное. Радарный, а также лазерный спидометры
основаны на эффекте Доплера. Пусть радарная установка посылает
сигналы частотой v вслед удаляющемуся автомобилю. Если бы на ав-
томобиле был приемник, он воспринимал бы не частоту v, a v' < v,
так как гребни волн реже достигали бы его (а именно, v' = v (1 —
— v/c)). Автомобиль отражает сигналы (можно считать, что он являет-
ся одновременно и приемником и передатчиком). Приемник радарной
установки будет воспринимать еще более низкую частоту, так как
автомобиль, удаляясь, посылает назад сигналы большей длины волны,
поэтому v" = v' (1 — vic). В итоге v" л; v (1 — 2v/c). Разность частот
Av == 2v/c очень невелика, так как v << с, но она может быть изме-
рена радиотехнической схемой (гетеродинирование). Поскольку ча-
стота пропорциональна v, шкала прибора получается линейной.
Скорости пуль и снарядов измеряют баллистическим маятником.
Это тяжелый ящик с песком, подвешенный на длинных тросах. При
иеупругом ударе (пуля зарывается в песок) весь импульс то переда-
ется маятнику, и по его отклонению можно вычислить v.
Скорость потока вещества измеряется различными вер-
тушками, соединенными с тахометром. Прибор, измеряющий ско-
рость судна относительно воды, называется лагом, а измеряющий ско-
рость ветра — чашечным анемометром. Используются и другие спо-
собы измерения скорости потока вещества (или движения относитель-
но среды): по динамическому давлению (трубка Пито — труба с от-
крытым навстречу потоку отверстием, другим концом соединенная с
манометром), с помощью термоанемометра — нагретая током про-
волочка охлаждается потоком и т. д. Последние способы применяются,
когда из-за больших скоростей потока вертушки не работают.
§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЙ, АКСЕЛЕРОМЕТРЫ
Определить ускорение тела х относительно инерциальной системы
координат можно, как и скорость, расчетом. Например, для измерения
ускорения свободного падения g применяется маятник, период коле-
бания которого Т — 2л л / 1. Существуют прямопоказывающие при-
V g
боры, которые называются акселерометрами. Они основаны на изме-
рении силы инерции FH = —тх, действующей на груз данной массы
31
6 t
Рис. 30. Акселерометры:
а — для измерения вер-
тикальной компоненты
ускорения; б — для из-
мерения горизонталь-
ной; в — с резисторным
датчиком перемещения;
г — с тензометрическим
в системе прибора, а сила измеряется по де-
формации у пружины. Деформации — это
малые перемещения. Методы их измерения
даны в § 5.
На рисунке 30 показаны некоторые аксе-
лерометры.
В системе прибора условие равновесия
груза выражается формулой —тх + ky — 0,
где k — жесткость пружины. Таким образом,
у оо х, т. е. шкала акселерометра линейна.
Для гашения колебаний акселерометры
снабжаются демпфером (рис. 30, а, б). Акселе-
рометры с электрическим выходом (рис. 30,
в, г) применяются для дистанционных измере-
ний и для автоматической обработки информа-
ции. Их обычно изготавливают трехосными,
чтобы знать все три составляющие ускоре-
ния. В отличие от спидометра акселерометр
не обязательно связан с системой отсчета, относительно которой про-
исходит движение.
Градуировка акселерометров на ускорения от£ до —g производит-
ся постепенным наклоном в поле силы тяжести (в соответствии с прин-
ципом эквивалентности общей теории относительности нахождение
в поле силы тяжести эквивалентно движению с ускорением g). Акселеро-
метры на большие ускорения градуируют (чаще всего в единицах g)
с помощью баллистического маятника в виде подвижной наковальни,
на которой этот акселерометр укреплен. По наковальне ударяют спе-
циальным молотом или стреляют в нее из орудия. Так получают уско-
рения до 106 g.
§ 8. ИНТЕГРИРОВАНИЕ ПОКАЗАНИЙ СПИДОМЕТРА
И АКСЕЛЕРОМЕТРА
Интегрирующее (суммирующее) устройство преобразует показа-
ния спидометра в значение пройденного пути: $vdt = $xdt — х +
+ const. Это используется сравнительно редко. Интегрирование же
по времени показаний акселерометра с получением скорости: $xdt —
= v + const — и двойное интегрирование с получением пройденно-
го пути: Цх dt dt = х -f- const — бывает необходимо, когда после
начала движения всякая связь с системой отсчета прервалась (так назы-
ваемая «инерциальная навигация», опирающаяся только на показания
трехосного акселерометра). Постоянные интегрирования находятся из
начальных условий.
В принципе для однократного интегрирования достаточно убрать
из акселерометра пружину, но оставить демпфер. Тогда —тх = —fy
и v — х ~ — у + const, т. е. показания прибора у линейно связаны
32
c v. Для двукратного интегрирования надо убрать и пружину и демпфер.
Тогда у — х (прибор смещается, а груз по инерции остается на месте).
Но при этом пределы измерений х и х — малы. Интегрирование показа-
ний акселерометра производят электронные устройства, и результа-
ты обрабатываются ЭВМ.
Виброметр, виброграф и сейсмограф — приборы для измерения
и записи сравнительно низкочастотных (от 0,1 до нескольких десят-
ков Гц) механических колебаний. Виброметр сходен по устройству с
акселерометром (рис. 30, а), но без демпфера, и груз большой массы
подвешивается на слабой пружине.. Это почти соответствует случаю
двойного интегрирования, когда показания прибора у почти равны
его смещению х. Таким образом, по смещению указателя относительно
прибора можно судить о колебаниях предметов, на которые виброметр
ставится. В вибрографе, в отличие от виброметра, вместо указателя
имеется перо; которое записывает смещения на движущейся бумаге
как функцию времени. Сейсмограф — прибор для записи колебаний
земной коры при землетрясениях. Все эти приборы регистрируют
главным образом амплитуду колебаний, но с их помощью можно оце-
нивать и частоту.
§ 9. АКУСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Высокочастотные механические колебания твердых тел, жидкостей
и газовой среды называются звуком (20 Гц <v <20 кГц) и ультра-
звуком (v 20 кГц), а соответствующие приборы — акустическими.
Источником звука может быть любое колеблющееся тело. Источ-
никами монохроматического звука (преимущественно одной частоты)
являются музыкальные инструменты (струнные и духовые, кроме
шумовых и ударных), а также меры частоты — камертоны.
Струна — натянутая с определенной силой F проволока с линей-
ной плотностью р (масса единицы длины р — т/1). Скорость попереч-
ной волны в такой струне v = 1 / _ На струне длиной L может уста-
F Р
новиться только целое число полуволн: L — пк/2 (рис. 31, а). Струна
может колебаться с частотой
" = Kf’ <12)
Рис. 31. Источники звука: а — струна; б — камертон; в — органная труба; г — си-
рена; д — громкоговоритель; е — телефон.
2 Заказ 771
33
где п — 1, 2, 3. При п 1 частота наименьшая и соответствует ос-
новному тону, в свободном состоянии струна дает максимальную
громкость звука на этой частоте: значения п — 2, 3, ... соответствуют
кратным частотам — обертонам. Частота, таким образом, определя-
ется длиной струны, ее массой и силой натяжения. Подстраивают
частоту струны, меняя ее натяжение. Басовые (низкочастотные) стру-
ны делают длинными и специально утяжеляют, наматывая на сталь-
ную центральную жилу медную проволоку. Струны высокого тона —
тонкие, короткие и сильно натянуты. Тембр звучания струны (количе-
ство и громкость обертонов) зависит от способа возбуждения коле-
бании.
Камертон — мера частоты, служащая для настройки музыкальных
инструментов. Это металлический стержень [7-образной формы, укре-
пленный на ножке (рис. 31, б). На свободных концах стержня уста-
навливается пучность поперечной волны, в месте закрепления — узел.
Таким образом, длина камертона соответствует 1/4.
Органная труба (рис. 31, в) — музыкальный инструмент, в кото-
ром резонирует воздушный столб. В трубе устанавливается четверть
длины волны продольного звука (узел у закрытого конца, пучность —
у открытого, L — 1/4). При прохождении воздуха мимо косо срезан-
ного отверстия возникают завихрения, рождаются самые различные
частоты колебаний (шумы), но резонатор (большая труба) отбирает и
усиливает только одну v =
V
т
V
Считая скорость звука v =
4L
= 330 м/с, получаем для v = 440 Гц («ля») длину трубы около 20 см.
Для самого же низкого звука v = 16 Гц длина трубы L получается
равной около 5 м.
Процесс создания звуков в других духовых инструментах сложнее,
но главный принцип действия остается один: около некоторого кла-
пана турбулентное течение воздуха и колебания самого клапана
рождают немонохроматический звук, а затем воздушная полость,
являясь резонатором, выделяет из него музыкальные тона (прибли-
зительно монохроматические, одночастотные звуки).
Сирена — механический источник звука, но переменной, плавно
меняющейся частоты, используется как сигнал тревоги. Ее устрой-
ство показано на рисунке 31, г. Она состоит из двух дисков с наклон-
ными отверстиями. Если через нижний диск вдувать воздух, то верх-
ний приходит во вращение. От того, сколько раз в секунду отверстия
будут приходиться друг против друга, пропуская воздух и создавая
над верхним диском уплотнение воздуха, т. е. от скорости вращения
диска, будет зависеть частота создаваемых звуковых волн.
Перечисленные источники могут в конкретный момент давать
только одну какую-либо частоту — это источники монохроматиче-
ских (близких к монохроматическим) звуков. Однако существуют и
источники, которые в равной мере приспособлены к излучению лю-
бых звуков (всеволновые). Естественно, в них не должно быть резона-
торов, настроенных на ту или иную частоту. Для этого во всех коле-
блющихся деталях и воздушных полостях увеличивают трение (глав-
ным образом о воздух), а массу деталей делают малой, чтобы их можно
34
было заставить колебаться с любыми частотами. Таковы электроме-
ханические источники звука — громкоговоритель и телефон.
Громкоговоритель электродинамический (электродинамическая
звукоизлучающая головка, распространенное название — динамик) —
источник для создания звуков в больших пространствах. Он состоит
(рис. 31, д) из постоянного магнита 1 с узким кольцевым зазором, в
котором может свободно перемещаться, не касаясь его, тонкая ка-
тушка 2 с проводом, прикрепленная к бумажному раструбу — диф-
фузору 3, или рупору.
При прохождении тока через катушку сила Ампера втягивает
катушку в зазор или (при другом направлении тока) выталкивает из
зазора. Переменный ток приводит ее в колебания, они передаются
диффузору, который и создает звуковые волны мощностью до несколь-
ких ватг.
Телефон — маломощный преобразователь электрических колеба-
ний в звуковые. Переменные токи разных частот, протекая по катуш-
ке 2 электромагнита (рис. 31, е), создают в сердечнике магнита 1
поле, которое притягивает тонкую стальную мембрану 3. Однако если
бы сердечник электромагнита был бы просто железный, он притягивал
бы мембрану два раза за период. Излучалась бы вдвое большая ча-
стота, чем следует. Поэтому в качестве сердечника берется постоянный
магнит. Ток одного направления усиливает его поле, а другого —
ослабляет. Так получается частота колебаний мембраны, соответ-
ствующая частоте переменного тока, пропускаемого через катушку.
Переменные токи, необходимые для работы громкоговорителя
или телефона, получают с помощью усилителей мощности радио-
приемника, магнитофона, электрофона, электромузыкальных ин-
струментов и т. д.
Важной характеристикой громкогово-
рителя и телефона является частотная ха- /
рактеристика — график зависимости мощ-
ности излучаемого звука / от частоты v
(рис. 32). Для правильной звукопередачи
характеристика должна быть плоской в
пределах от 20 Гц до 20 кГц. Частотная Рис. 32. Примеры частотных
характеристика громкоговорителя обычно характеристик громкоговорн-
лучше, чем телефона. Другой важной ха- теля и телеФ°на (2)-
рактеристикой громкоговорителя являет-
ся направленность излучения. Как следует
из теории дифракции любых волн, угол
дифракции (отклонения от прямолинейного
распространения) в радианах всегда поряд-
ка отношения Md, где X — длина волны,
a d — размер излучателя. Роль большого
диффузора в громкоговорителе, таким об-
разом, заключается не только в излучении
большой мощности, но и в усиле-
нии направленности. Такую же роль
играет рупор — труба постепенно увели-
о а
Рис. 33. Роль рупора в усиле-
нии направленности (а)', блок-
схема мегафона (б); / — мик-
рофон, 2 — усилитель, 3 —
громкоговоритель, 4 — источ-
ник питания.
2*
35
Рис. 34. Микрофоны: а —
угольный; б — конденсатор-
ный; в — динамический;
г — пьезоэлектрический; д —
пленочный пьезоэлектрический.
чивающегося сечения (сейчас почти везде заменен электронным ме-
гафоном, состоящим из микрофона, усилителя и громкоговорителя,
см. рис. 33).
Для предотвращения рассеяния звуковой энергии по разным нап-
равлениям используются переговорные трубы — полые трубы диа-
метром, обязательно меньшим длины звуковой волны. В широких
трубах появляется дисперсия — зависимость скорости распростране-
ния волны от частоты, в результате чего звук становится неразборчи-
вым (сравните явления в волноводах и световодах).
§ 10. ПРИЕМНИКИ ЗВУКА, МИКРОФОНЫ
Назначение микрофона — преобразование звуковой энергии в
энергию электрическую, в энергию переменного тока той же частоты.
Общей деталью всех микрофонов является мембрана — тонкая пла-
стинка, колеблющаяся под давлением звуковых волн. Микро-
фоны (рис. 34) различаются по используемым в них датчикам, реги-
стрирующим колебания мембраны (см. датчики перемещений).
В наименее совершенном, почти устаревшем угольном микрофо-
не используется резистивный датчик —
сопротивление угольного порошка в ко-
робочке за мембраной зависит от колеба-
ний мембраны. В результате ток через
микрофон будет содержать, кроме посто-
янной, еще и переменную составляющую,
частота которой будет соответствовать
частоте произносимых перед микрофо-
ном звуков.
В конденсаторном микрофоне меня-
ется под действием звуковых колебании
емкость конденсатора и соответственно
заряд Q = CU. В результате в цепи
возникает переменный ток t — U—.
Динамический микрофон сходен по
устройству с громкоговорителем, только
рупор заменен мембраной. В кольцевом
зазоре магнита колеблется катушка. В.
соответствии с законом электромагнит-
ной индукции в ней наводится ЭДС
я А7й1Ф
ё — —N—, которая и дает переменный
di
ток, если цепь замкнута. Отличие от
громкоговорителя не является принци-
пиальным, и один и тот же прибор не-
редко используется как микрофон и как
громкоговоритель, например в переговор-
ных устройствах. Как говорят, «прибор
обратим».
36
Пьезоэлектрический микрофон с биморфным элементом (см. дат-
чики перемещений} отдает заряд в цепь при деформации элемента. В
последнее время появились пленочные пьезомикрофоны, в которых
мембрана совмещена с датчиком перемещения: пленка из гибкого по-
лимера ПВФ (поливинилиденфторид), приобретающая пьезоэлектриче-
ские свойства после сильной поляризации, наклеивается на металли-
ческую пластинку с отверстиями (рис. 34, 5). Такие микрофоны мало-
габаритны и обладают рядом преимуществ.
Микрофоны, предназначенные для улавливания звука в воде, на-
зываются гидрофонами.
Параметрами микрофонов являются:
1. КПД, или чувствительность, — отношение по-
лезной энергии переменного тока к падающей на него звуковой энер-
гии: 1Гэл /1Гак. Это ценное качество микрофона, но не самое главное,
так как слабые электрические сигналы всегда можно усилить с по-
мощью усилителя. Наибольшей чувствительностью обладает угольный
микрофон (может работать без усилителя), наименьшей — конден-
саторный.
2. Порог чувствительности (см. Введение) опре-
деляется собственными шумами.
3. Частотная характеристика — график чувстви-
тельности микрофона в зависимости от частоты. Характеристика долж-
на быть по возможности плоской, т. е. чувствительность не долж-
на зависеть от частоты. Это обеспечивается правильным соотношением
между высокими и низкими частотами, т. е. отсутствием искажений.
В хороших микрофонах «завалы» характеристики допускаются толь-
ко на частотах v < 20 Гц и v > 20 кГц. Прочие микрофоны имеют
более или менее широкую «полосу пропускания» (вопрос аналогичен
частотным характеристикам усилителей}. Наилучшую частотную
характеристику имеет конденсаторный микрофон, наихудшую —
угольный, который поэтому сильно искажает звуки.
4. Другой причиной искажения звуков могут быть нелиней-
ные искажения — зависимость чувствительности от ампли-
туды падающего звука. Параметры 2, 3 и 4 являются важнейшими,
так как определяют качество звукозаписи, звукопередачи везде, где
используются микрофоны.
5. Сопротивление выхода. Для согласования с вход-
ным сопротивлением усилителя желательно сопротивление микрофона
иметь небольшим.
6. Направленность (одинаково ли со всех направлений
микрофон воспринимает звуки). Бывают нужны и острая направлен-
ность и, наоборот, отсутствие направленности.
Для измерения частоты монохроматического звука микрофон при-
соединяется к частотомеру или, например, к осциллографу (см. опре-
деление частоты с помощью осциллографа}. Если же звук немонохро-
матический и нужно знать его спектр, т. е. распределение интенсивности
по частотам, то сигнал от микрофона с хорошей частотной харак-
теристикой подается на анализатор спектра электрических сиг-
налов.
37
§11. ПРИБОРЫ ЗВУКОЗАПИСИ И ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
а 6 S
Рис. 35. Устройства, записывающие и
воспроизводящие звук: а — грампла-
стинка 1 с иглой 2 и диморфным эле-
ментом звукоснимателя 5; б — маг-
нитофонная запись (1 — магнитная
пленка, 2—головка); в — упрощен-
ная структурная схема магнитофона
(1 — микрофон, 2 — головка,
8 —громкоговоритель, 4 — усилитель).
Существует несколько способов
записи и воспроизведения звука
и соответственно несколько типов
приборов: электрофон, магнито-
фон, звуковая киноаппаратура.
Электрофон воспроизводит звук
с грампластинок — пластмассовых
дисков, на которых при записи
звука создается извилистая спи-
ральная бороздка (канавка), изги-
бы которой соответствуют звуковым
колебаниям. При воспроизведении
на вращающуюся пластинку ста-
вят звукосниматель с иглой и пье-
зоэлемеитом (рис. 35, а), который
колебания иглы преобразует в
электрические колебания. Затем ставят усилитель и громкоговоритель.
В магнитофоне использован магнитный способ записи звука.
Основными деталями магнитофона являются лента из пластмассы,
покрытая тонким слоем намагничивающегося порошка из оксидов
железа, и головка (рис. 35, б). При записи переменные токи от ми-
крофона, усиленные с помощью усилителя, направляются в обмотку
головки, относительно которой перемещается пленка. Магнитное
поле у зазора головки заходит в пленку и намагничивает ее. На плен-
ке получается магнитный рельеф, повторяющий звуковые сигналы.
При воспроизведении микрофон отключается, а головка подключается
к входу усилителя (рис. 35, в). Пленка, перемещаясь относительно,
головки, наводит своими намагниченными участками магнитное поле
в головке и индуцирует, таким образом, токи в ее обмотке. После уси-
ления эти сигналы направляются в громкоговоритель. Совершенство-
вание магнитофонов идет по пути уменьшения размеров магнитофо-
нов, повышения качества и плотности записи, перехода от оксидных
порошков к металлическим. Увеличение плотности записи позволило
перейти к записи не только звука, но и изображения (видеомагни-
тофон ).
Запись звука в звуковом кино производится на краю кинопленки
с изображением — на звуковой дорожке в виде потемнения (больше-
го или меньшего, в зависимости от амплитуды сигнала). При воспро-
изведении звука на эту дорожку направляется луч света от осветите-
ля, а за пленкой ставится фотоэлемент, преобразующий получающий-
ся таким образом переменный поток света в переменный электрический
сигнал, направляемый в усилитель, а затем в громкоговоритель.
§ 12. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ. ВЕСЫ
Силу F измеряют главным образом по деформации тела х, которую
она производит: F — kx. В качестве деформируемого тела чаще всего
берут пружины (динамометр, рис. 36, а). Чем на большие силы рас-
38
Рис. 36. Приборы, измеряющие силу:
а — механический динамометр;
б — динамометр с индуктивным дат-
чиком; в—тензометрический датчик
силы.
г В е
Рис. 37. Типы рычажных весов:
а — равноплечные; б — неравно-
плечные; в — безмен; г — квадрант-
ные весы; д — весы для счета деталей
(7 — сотни, 2 — десятки); е — гидро-
статические весы для определения
плотности жидкости.
считан динамометр, тем жестче должна быть пружина (больше коэф-
фициент k). Деформация измеряется непосредственно по смещению
указателя, скрепленного с концом пружины, или любыми другими
методами измерения малых перемещений (§ 5), особенно если необ-
ходимы дистанционные измерения с помощью электрических сигна-
лов. На рисунке 36, б, в показаны индуктивный и тензометрический
методы измерения деформаций под действием силы. В первом случае
в результате упругого разжатия прочного стального кольца с раз-
резом уменьшается индуктивность катушки, поскольку магнитная
проницаемость зазора много меньше проницаемости стали. Шкала при-
бора, измеряющего индуктивность, градуируется в единицах силы
(ньютонах). Во втором — полоски тензодатчика соединяются в схе-
му моста и электроизмерительным прибором измеряется сила тока
разбаланса этого моста.
Как всегда, наиболее точным способом измерения силы является
компенсационный. Для компенсации используется сила тяжести, дей-
ствующая па грузы определенной массы Fy — mg. Например, силу
натяжения горизонтального троса можно измерить путем компенса-
ции ее силой тяжести гирь, изменив направление силы с помощью
блоков.
Приборы для измерения веса, т. е. силы, с которой притягиваемое
землей тело действует на опору или подвес, — весы. Их можно клас-
сифицировать по диапазону: транспортные — для взвешивания ваго-
нов, автомашин (5—200 т), товарные и медицинские (1—100 кг), тех-
нические (10 мг — 1 кг), аналитические (0,1 мг — 100 г) и микроана-
литические (< 0,1 мг).
По общефизическим методам измерений (см. Введение) весы могут
быть прямопоказывающими (циферблатными), компенсирующими (гир-
ными) и дифференциальными.
Далее будем придерживаться классификации по признаку прин-
ципа действия (рычажные, пружинные, тензометрические).
39
Действие рычажных весов основано на правиле рычага, правиле
моментов сил: Ft • = F2- г2, или F^ = F2l2, где / — плечо силы,
т. е. проекция г на направление, перпендикулярное F (рис. 37, а).
Могут быть.равноплечные весы, когда = 12, и, следовательно, весы
будут в равновесии при Fx — F2, а также неравноплечные (рис. 37, б),
требующие меньшего количества гирь для уравновешивания тяжелых
грузов. Обычно берется отношение 1ХИ2, равное 10 или 100. Поэтому
такие весы называют десятичными или сотенными. Возможны также
весы с переменным плечом — стержнем, по которому передвигается
компенсирующий груз. Такие весы называют безменом (т. е. без гирь)
(рис. 37, в). Часто в приборах различные принципы действия соче-
таются. Например, в торговых платформенных весах (или медицин-
ских весах) сочетается принцип действия десятичных весов и безмена.
Часть веса груза компенсируется в них гирями (в 10 или 100 раз мень-
шими), а часть передвижением гири по стержню.
Не всегда в рычажных весах используется принцип полной ком-
пенсации. Так, в розничной торговле используют весы, в которых
компенсируются только целые килограммы, а количество граммов
определяют по отклонению стрелки весов. Существуют и безгирные
прямо показывающие рычажные весы (рис. 37, г).
Не всегда гири делаются по массе кратными граммам или кило-
граммам. Для счета деталей в
(рис. 37, д).
Рис. 38. Детали рычажных весов:
а — детали подвесов (1 — опорные
призмы, 2 — подушки, 3 — щечки,
4 — серьги, 5 — чашка, 6 — демп-
фер, 7 — указатель, 8 — грузик
для подгонки нулевого положе-
ния, 9 — гусарик, 10 — арретир
(или изолир); б — коромысло Ро-
бервальда.
качестве гирь берутся такие же детали
Весы должны градуироваться в
единицах измеряемых величин. На-
пример, гидростатические весы
(рис.37, е, см. § 13) градуируются в
единицах плотности исследуемой жид-:
кости.
Порог чувствительности рычаж-
ных весов (см. Введение) зависит от
того, насколько удалось уменьшить
трение в точках соприкосновения
движущихся друг относительно дру-
га деталей, поэтому опорные призмы
и «подушки» делают острыми и из
твердых сплавов (рис. 38, а). Все ос-
тальные детали подвесов делают лег-
коподвижными. Для плавности хода
используют вязкое трение, не име-
ющее трения покоя (демпфер). Из-
лишнее качание весов изнашивает
острые призмы, поэтому после взве-
шивания коромысло останавливает-
ся арретиром или лучше приподни-
мается с призмы изолиром.
При сравнительно грубых из-
мерениях чашки укрепляют непо-
Рис. 39. К чувствительности рычаж-
ных весов.
Рис. 40. Чувствительные пружинные
весы: а — торсионные весы; б — мик-
ровесы.
средственно на рычагах. Положение груза на чашке может изменить
плечо и исказить результат взвешивания. Чтобы этого не было, ис-
пользуют «коромысло Робервальда» (рис. 38, б). Груз М, положенный
не в центре чашки, действует на стержень А В с силой, равной весу
груза, независимо от своего положения на чашке. Кроме того, он созда-
ет вращающий момент — стремится повернуть стержень АВ. Этот
момент, конечно, зависит от положения груза. Но вращаться стержень
не может, так как он зафиксирован вертикально осями А, В, С и D.
Чувствительность рычажных весов — это отношение Аср/АР, т. е.
угол отклонения при перегрузке одной из чашек на единицу веса
(грамм, миллиграмм). Найдем, от чего она зависит, используя рису-
нок 39. Отметим, что точки А, О, В должны быть на одной прямой, ина-
че при наклоне будет меняться соотношение плеч и шкала не будет
линейной. Заметим также, что центр тяжести коромысла С должен
быть ниже точки опоры О, иначе положение коромысла не будет устой-
чивым.. При наклоне коромысла его центр тяжести поднимается на
Ай (см. рис. 39), а перегрузок АР опускается на А//. При этом долж-
но иметь место равенство
РкАй — АРА//, где (13)
Рк — вес коромысла. Из рисунка видно, что Ай == СС • А<р =
= ОС • Аср2, где ОС — расстояние от точки подвеса до центра тяжести,
а А// = РАср; в результате чувствительность получается равной:
= (14)
ДР Рк- ОС v '
При малом ОС весы колеблются крайне медленно, так как период
колебаний физического маятника Т=2л'1/ А, где L — приведен-
V §
ная длина, равная ----------(/ — момент инерции). Следовательно,
т ОС
чувствительные весы имеют большой период колебаний. Величину
ОС, а следовательно, чувствительность весов и период колебаний
можно менять, подвигая вверх и вниз специальный грузик р'.
Пружинные весы отличаются от рычажных тем, что уравновеши-
ваются не две силы тяжести, а сила тяжести груза уравновешивается
41
упругой силой растянутой (сжатой, закрученной и т. д.) пружины:
F = kx, где х — деформация пружины. Простейшими такими веса-
ми является пружинный безмен, ничем не отличающийся от динамо-
метра (см. рис. 36, а). Чувствительность пружинного безмена Ax/AF =
=k~\ т. е. обратна жесткости пружины. Однако жесткость не всегда
можно сделать малой, так как предел шкалы Fmax может оказаться
недостаточным.
На рисунке 40 показаны другие виды пружинных весов. На ма-
лый предел (до 100 мг), но большую чувствительность рассчитаны
торсионные весы: с одной осью скреплены рычаг, на который подве-
шен груз, и конец спиральной пружины (рис. 40, а). На другом конце
пружины имеется рукоятка, которая с некоторым трением передвига-
ется по круговой шкале. При отсутствии груза рычаг с указателем
приходится против метки, когда рукоятка устанавливается против
нулевого деления. В нагруженном состоянии рычаг опускается, и
чтобы его вернуть в прежнее положение, надо рукояткой закрутить
пружину. Положение рукоятки, таким образом, зависит от массы
груза. Поэтому шкала, по которой определяется положение рукоятки,
градуируется в единицах массы груза.
Еще более чувствительны микровесы — укрепленная за один ко-
нец кварцевая нить, на другой конец которой закрепляется груз
(рис. 40, б). Изгиб нити измеряется измерительным микроскопом М.
В современных весах часто применяют электронное устройство,
которое, обрабатывая информацию, поступающую от датчиков пере-
мещения, выдает ответ в цифрах, причем не только в единицах веса,
но и в стоимости товара и т. д. Показания весов могут суммироваться,
поступать в ЭВМ, запоминаться, подвергаться любой другой сложной
обработке.
§ 13. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ, ПЛОТНОСТИ,
МОМЕНТА ИНЕРЦИИ
Взвешивая груз на рычажных весах (т. е. сравнивая силы притя-
жения груза и гирь к Земле), мы одновременно сравниваем и массы,
поскольку если F\ = Fit то m^g — m2g и = m2. Именно поэтому
на гирях пишут их массу (в килограммах, граммах и т. д.), а не их
вес (в ньютонах).
Пружинные весы непосредственно массу не измеряют. Они опре-
деляют вес Р = F = kx. Чтобы с их помощью найти массу, надо
знать g в данном месте (оно не сокращается, как в предыдущем случае,
и т = kx/g).
При изменении g (в другом месте Земли, на другой планете, в пе-
инерциальной системе и т. д.) пружинные весы, градуированные в
единицах массы, надо переградуировать, а рычажные — не надо. При
уменьшении g до нуля (невесомость) чувствительность и тех и других
весов падает до нуля и они становятся непригодными для измерения
массы. В таких условиях применяют приборы, в которых использу-
ются другие физические законы. Например, может использоваться за-
42
висимость частоты колебаний груза на пружи- *
не от массы: ч/ Л. Массомер для неве-
| т
сомости состоит из двух пружин, закреп-
ленных, как показано на рисунке 41. Жест-
кость пружины k должна быть известна. *
Плотность твердых тел определяется обыч- рис. 41. массомер.
но расчетами (р — или гидростатическим
взвешиванием. Плотность жидкостей измеряют плотномерами (пик-
нометром, гидростатическими весами, ареометром и др.).
Пикнометр — сосуд строго определенного объема. Для измерения
плотности жидкости сначала взвешивают пустой сосуд, затем на-
ливают жидкость до метки и снова взвешивают. Измерение следует
производить при строго определенной температуре и учитывать по-
правку на силу Архимеда в воздухе. Можно использовать пикнометр
и для определения плотности твердого вещества, если его можно по-
местить в жидкость в пикнометре.
Действие гидростатических весов (рис. 37, ё) основано на исполь-
зовании архимедовой силы. Исследуемое твердое тело взвешивают
сначала в воздухе (Р), затем в жидкости известной плотности (Рж):
Рж= Р — Fa =" V, g (рт — Рж), где Fa — сила Архимеда, VT — объем
тела, рт и рж — плотности тела и жидкости. Отсюда
Рт = р Рр Рж- (15)
1 1 ж
Если же определяется плотность жидкости, то в жидкость опускают
тело известной плотности и объема, а по выталкивающей силе находят
Рж^
Рж = ^=^Рт. (16)
В этом случае шкалу можно проградуировать в единицах плотности
жидкости.
Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости, основан-
ный на законе плавания тел: Р = Fа (обозначения см. выше). Только
теперь Fa — p»gVn4, где Vn4 — объем погруженной части тела.
Ареометр представляет собой закрытый стеклянный сосуд объемом
Vo (трубка с делениями и грузом внизу) (рис. 42, а). Ареометр погру-
Рис. 42. Плотномеры (денсиметры): а — ареометр; б — ареометр в отсосе; в — весо-
вой плотномер; г — поплавковый; д — радиоактивный (1 — источник, 2 — счетчик
Гейгера).
43
жается в жидкость тем глубже, чем меньше плотность жидкости
(Fa = Р). Поэтому цифры на шкале возрастают в направлении свер-
ху вниз. Поскольку У11ч = 1/0 + шР/г, где d — диаметр тонкой труб-
ки, то
P = P«(V0+ndW (17)
Таким образом, шкала ареометра нелинейна, хотя в узком диапазоне
рж это почти незаметно. Чувствительность найдем, продифференци-
ровав последнее равенство:
О = Држ (Vo + nd2h) -ф ржлй!2ДЛ, (18)
откуда
i
Рис. 43. Маятник Обер-
бека (а) и трифиляриый
подвес (б) (Т — тело, мо-
мент инерции которого
надо измерить).
Д/г ~
Држ xd-pM ’
(19)
т. е. чувствительность тем больше, чем тоньше верхняя трубка.
Не всегда в сосуд с исследуемой жидкостью можно опустить арео-
метр. Поэтому удобнее иметь отсос, куда с помощью резиновой груши
набирается немного жидкости (рис. 42, б).
Ареометры часто градуируются не в едини-
цах плотности, а в единицах концентрации
спирта в воде (спиртометр), в процентах жир-
ности молока (лактометр) и т. д.
В технологических процессах, которые
происходят непрерывно, используются дру-
гие плотномеры (рис. 42, в, г, д).
Для экспериментального определения
момента инерции / — величины, характери-
зующей распределение массы тела относи-
тельно заданной оси вращения (/= ^т/1),
i
применяются такие приборы, как маятник
Обербека и трифиляриый подвес.
Маятник Обербека — устройство, в кото-
ром на одной общей оси укреплены стерж-
ни с грузами и исследуемое тело (рис. 43, а).
Передвигая грузы, можно всю систему отцен-
трировать, затем привести во вращение с по-
мощью нити, намотанной на барабан, и гру-
за на ее конце. По угловому ускорению р
и моменту приложенной силы М находят
/ — Л4/р, затем из полученного полного
момента инерции вычитают момент инерции
грузов, который легко рассчитать.
Трифиляриый подвес — диск, подвешен-
ный на трех нитях, как показано на рисун-
ке 43, б. На диск помещается тело массой т,
момент инерции которого относительно на-
перед заданной оси следует определить. Те-
44
до кладут На диск так, чтобы ось проходила через центр диска
(рис. 43, б). При закручивании диска он приподнимается, приоб-
ретая потенциальную энергию Wp = mgh. При раскручивании эта
энергия переходит в кинетическую энергию вращательного движе-
ния Wk = у /со2. Из этих соотношений определяют / (значение h
находится из геометрических соотношений, значение со — по периоду
возникающих крутильных колебаний).
ГЛАВА II
ПРИБОРЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
В этой главе рассматриваются приборы, изменяющие и регулирую-
щие давление, температуру, влажность, вязкость и химический со-
став газов и жидкостей.
§ 14. НАСОСЫ
Насосы, создающие повышенное давление, называются компрес-
сорами, насосы для разрежения — вакуумными насосами.
Главными параметрами насосов являются: давление, которое мо-
жет создать насос, и его производительность или расход, т. е. количе-
ство литров (кубометров), которое он перегоняет из входного патрубка
в выходной за секунду (минуту). Произведение перепада давления на
расход равно полезной мощности насоса.
На рисунке 44 приведены различные виды насосов, компрессоров
и вентиляторов. Поршневые насосы применяются главным образом
для создания больших давлений при небольшом расходе. Устройство
поршневого насоса с клапанами показано на рисунке. Поршневые
насосы иногда используют и для получения неглубокого вакуума.
Цилиндр с поршнем может быть заменен резиновым баллоном (гру-
шей), которая то сдавливается, то отпускается (например, насос к
пульверизатору).
Двухроторный насос состоит из камеры, в которой два ротора
вращаются в противоположные стороны так, что они все время плот-
но прилегают друг к другу и к стенкам камеры и в то же время перено-
сят своими углублениями жидкость или газ слева направо.
Эти насосы рассчитаны на небольшие давления и небольшие рас-
ходы. Используются они, например, для подачи топлива или масла в
двигателях.
Если задача заключается только в создании потока воздуха для
смены его в данном месте или помещении, то применяется устройство,
называемое вентилятором. Вентилятор обеспечивает большой расход
при небольшом перепаде давлений. В системах вентиляции наиболее
эффективен центробежный вентилятор (рис. 44, г), в котором лопасти
приводят воздух во вращение, в результате чего центробежная сила
инерции отбрасывает воздух к краям камеры и в выходной патрубок.
Входной патрубок подводит новые порции воздуха к центру. В быту
чаще используются осевые вентиляторы с винтообразно расположен-
ными лопастями.
Иногда жидкость, текущая по трубе или шлангу, не должна со-
прикасаться ни с какими деталями насоса. В этих случаях используют
46
Рис 44. Насосы и ком-
прессоры: а — поршне-
вой; б — двухроторный;
в — осевой компрессор;
г — центробежный венти-
лятор.
Рис. 45. Бесконтактные
насосы: а — перистальти-
ковый; б — МГД-насос;
в — индукционный.
бесконтактные насосы: перистальтиковый, МГД-насос (магнитогидро-
динамический) и др. (рис. 45). Перистальтиковый насос пригоден для
перекачки любых жидкостей, текущих по гибкому трубопроводу.
Ролики пережимают трубку и проталкивают жидкость по ней. Насос
используется главным образом в тех случаях, когда необходимо со-
блюдать стерильность.
Электромагнитные насосы применяются в тех случаях, когда
жидкость или газ, движущиеся в жесткой трубе, служат проводника-
ми тока. Если трубу с жидкостью поместить во внешнее электроста-
тическое и магнитное поля, векторы напряженности и индукции ко-
торых взаимно перпендикулярны и перпендикулярны трубе, то сила
Лоренца создает в трубе тягу (МГД-насос, обращенный МГД-гене-
ратор, рис. 45, б). Если в петлевом или спиральном трубопроводе
создается вращающееся магнитное поле (см. § 34), то оно будет увле-
кать за собой проводящую жидкость (рис. 45, в).
Вакуумные насосы также весьма разнообразны. Перечислим наи-
47
Рис. 46. Вакуумные насосы: а — водоструйный (1 — труба с потоком воды и от-
верстием, 2 — засасывающий патрубок); б — ротационный (1 — корпус, 2 — ци-
линдрическая полость, 3 — слой масла, 4 — ротор, 5 — клапан); в — диффузион-
ный (1 — нагреватель, 2 — масло, 3 — паропровод, 4 — грибок-отражатель,
5 — водяное охлаждение); г — адсорбционный (/ — пористая труба, 2 — поглоти-
тель); д — геттерно-иоиный (/ — распылитель титана, 2 — слой титана — анод,
3 — катод); е — магнитный члектроразрядный (1 — слой титана — катод, 2 — рас-
пылитель титана, 3 — анод).
д
е
более часто используемые (рис. 46). Водоструйный насос представляет
собой трубу 1, по которой с большой скоростью движется вода, на-
пример от водопроводного крана. В трубе имеется боковое отверстие.
Сосуд с патрубком 2 соединен с откачиваемым пространством. Около
отверстия в соответствии с уравнением Бернулли: pgh + — + р =
= const — давление р уменьшается, поэтому через него через патру-
бок 2 начинает засасываться воздух. Водоструйный (иногда — паро-
струйный) насос используется в технике и в лабораторной практике.
Он создает небольшие разрежения.
Ротационный масляный насос широко используется в вакуумной
технике. Он обладает большой производительностью и дает разреже-
ние до 10-1 Па (10"3 мм рт. ст.). В металлическом полом корпусе экс-
центрично, касаясь одной из стенок корпуса, вращается ротор — ме-
таллический цилиндр с прорезью. В прорезь вставлены лопатки, раз-
жимаемые пружиной. При вращении ротора лопатки, то утапливаясь,
те выходя из прорези, все время скользят внешними краями по стен-
кам полости, увлекая таким образом воздух из входного патрубка в
выходной. Все устройство залито маслом, которое, с одной стороны,
обеспечивает смазку, с другой — уплотнение между деталями.
На три порядка большее разрежение может дать диффузионный
насос (масляный или ртутный). Рассмотрим диффузионный масляный
насос (паромасляный, рис. 46, в). Он представляет собой вертикальный
цилиндр с входным и выходным патрубками, на дно которого налито
масло. Нагреватель, расположенный под дном насоса, доводит масло
до кипения. Пары масла поднимаются вверх по трубопроводу, но,
наталкиваясь на отражатель в виде грибка, устремляются вбок и
вниз к стенкам, охлаждаемым водой или потоком воздуха, где кон-
денсируются. Масло стекает вниз. Молекулы газа, находящегося в
верхней части насоса, диффундируют в струю пара между грибком и
стенкой и увлекаются этой струей вниз, а после конденсации масла
выбрасываются в выходной патрубок.
48
Здесь следует обратить внимание на то, что не все вакуумные на-
сосы могут работать, начиная с атмосферного давления. Для части
из них необходимо предварительное разрежение. Так, диффузионный
насос можно включать (т. е. включать нагреватель) только после того,
как создано предварительное разрежение до 1 Па (10~2 мм рт. ст.),
в противном случае масло будет гореть, соединяясь с кислородом воз-
духа. Без предварительного разрежения из разбираемых здесь ваку-
умных насосов могут работать только водоструйный, ротационный и
адсорбционный.
Адсорбционный насос (рис. 46, г) содержит поглотитель, обычно
цеолит — пористое вещество с объемом пбр до 0,75 см3 на каждый
грамм вещества. При этом полная поверхность пор достигает 500 м2/г.
Эта поверхность может поглощать (адсорбировать) большое количе-
ство молекул газа. При нагревании цеолита до 500 °C газ снова вы-
деляется. Насос перед использованием прогревают, присоединяют к
откачиваемому объему, а затем погружают в сосуд Дьюара с жидким
азотом для охлаждения. Насос дает разрежение до 10 1 Па. Преиму-
щество этого насоса — в отсутствии масла и его паров.
Более глубокий вакуум может быть создан титановым геттерным
насосом (рис. 46, 0), в котором после создания предварительного
разрежения со специальной нити иакала испаряется титан. При бы-
стром распылении титан рыхлым слоем покрывает стенки насоса из-
нутри. Этот слой (геттер) способен адсорбировать остатки газа, доводя
разрежение до 10-1 — 10-7 Па. Часто титан распыляют непосредствен-
но в сосуде (в электровакуумной лампе, кинескопе и т. д.). Процесс
можно существенно ускорить, если создать
газовый разряд между титановым слоем
(анод) и накаливаемым катодом. Электроны,
эмиттируемые катодом, объединяются с мо-
лекулами газа, образуя отрицательные ионы.
Под действием электрического поля эти ионы
устремляются к геттерному слою, что увели-
чивает эффективность поглощения. Такой
насос называется геттерно-ионным (электро-
разрядным, рис. 46, 5). Недостатком его яв-
ляется наличие накаливаемого во время рабо-
ты катода. При этом из катода выделяются
газы, портящие вакуум. В магнитном электро-
разрядном насосе накаливаемого катода нет
(рис. 46, е). Для поддержания разряда исполь-
зуется, во-первых, сильное электрическое по-
ле, во-вторых, магнитное поле, заставляющее
редкие электроны двигаться по спирали вок-
руг силовой линии. При этом увеличивается
вероятность встречи с молекулами газа и их
ионизации. Положительные ионы адсорби-
руются геттером.
Вакуумная установка обычно имеет два
насоса: предварительного разрежения (фор-
Рис. 47. Вакуумная уста-
новка: 1 — колпак,
2 — тарелка, 3 — мано-
мегр, 4 — обходной ка-
нал, 5 — кран для на-
пуска воздуха, 6 — фор-
вакуумный насос,
7 — выхлоп, 8 и 10 —
трехходовые краны,
9 — высоковакуумный
насос, 11 — испаритель
металла или другие
вспомогательные устрой-
ства.
49
вакуумный) и высоковакуумный насосы. В роли форвакуумных обыч-
но используют ротационный или адсорбционный, высоковакуумного
(второй ступени) — диффузионный или элекпгроразрядный. На ри-
сунке 47 дана схема двухступенчатой вакуумной установки.
Порядок ее включения строго определен: сначала запускается
форвакуумный насос, откачивающий воздух из всей установки,
и только при достижении необходимого предварительного разрежения
включается вторая ступень. При необходимости напуска воздуха на
время замены деталей под колпаком трехходовыми крапами отключают
высоковакуумный насос, производят напуск атмосферы и новую пред-
варительную откачку, пользуясь обходным каналом.
§ 15. МАНОМЕТРЫ
Приборы для измерения давления называются манометрами.
Существует очень много типов манометров, часть из них приведена
на рисунках 48—51. Принцип действия поршневого манометра пока-
зан на рисунке 48, а. Трубчатый манометр (рис. 48, б) — самый рас-
пространенный из манометров для повышенных и высоких давлений.
Он представляет собой трубу плоского сечения, изогнутую по дуге.
При повышении давления внутри трубы она распрямляется, повора-
чивает сектор, а тот, в свою очередь, стрелку-указатель. Таким обра-
зом, это деформационный манометр. К деформационным относятся
также мембранные и сильфонные манометры (рис. 48, в — е). Силь-
фонные (с гофрированной легко растягивающейся трубой) более чув-
ствительны и имеют больший диапазон измерений.
Следует отметить, что манометры бывают разностными (измеряют
разность давлений) и абсолютными. По принципу абсолютного дефор-
мационного манометра построен барометр-анероид (рис. 48, а). Он
может быть как мембранным, так и сильфонным.
Поскольку давление воздуха при подъеме над поверхностью Земли
убывает, абсолютный манометр можно использовать для определения
высоты. Барометр-анероид, предназначенный для этой цели и градуи-
рованный в- метрах (километрах) высоты, называется альтиметром.
Для электрической регистрации и дистанционной передачи ин-
формации к деформационному манометру можно добавить любой из
датчиков перемещения (см. § 5).
Для измерения очень больших давлений (до 3 10® Па, т. е. 30 тыс.
атм = 30 кбар) используется манганиновый манометр, катушка ман-
Рис. 48. Манометры: а — поршневой; б — трубчатый; в — мембранный; г — баро-
метр-анероид; д — сильфонный; е — сильфонный с тензометрическим датчиком.
50
ганиновой проволоки, сопротивле-
ние которой зависит от давления.
Действие жидкостных /7-образ-
ных манометров (рис. 49) основано
на уравновешивании измеряемого
давления газа давлением столба
жидкости (ртути, воды и т. д.).
Давление находится по формуле
р =-. pgh. Следует отметить, что
при определенном давлении вели-
чина h зависит от ускорения сво-
бодного падения в данном месте.
Не всегда такой манометр градуи-
руется в паскалях, часто бывает
удобным измерять давление в еди-
ницах высоты столба данной жид-
кости — в миллиметрах ртутного
столба, водяного столба (1 мм вод.
ст. = 9,8 Па; 1 мм рт. ст. = 133,3
Па).
Если разность уровней полу-
чается малой, то точный отсчет
затрудняется. Можно наклонить
манометр. Тогда разность уровней
по вертикали сохранится, но в нак-
, h
лонном положении I — -----,и при
sin а
малых углах а длину I легче из-
мерить, чем h (рис. 49, б). Такой
прибор называется микроманомет-
ром.
Чтобы не делать два отсчета,
одно колено часто выполняют в ви-
де широкого сосуда (рис. 49, в), в
котором уровень почти не меняет-
ся.
На рисунке 49, г, д показаны
ртутный барометр и укороченный
ртутный манометр — вакуумметр
для измерения давлений от 50—100
мм рт. ст. до 1 мм рт. ст. В закры-
том колене барометра после опус-
кания ртути остается вакуум. (При
тонных измерениях необходимо
учитывать небольшое давление
ртутных паров в закрытом колене.)
Если трубка узкая, то необходи-
мо учитывать поправку на капил-
лярные явления.
Рис. 49. Жидкостные манометры:
а — (7-образный; б — микромано-
метр; в — манометр с постоянным
уровнем отсчета; г — ртутный баро-
метр; д — укороченный ртутный ма-
нометр в роли вакуумметра.
Рис. 50. Компрессионный манометр
(вакуумметр) Мак-Леода.
51
Когда давление становится много меньше 1 мм рт. ст., измерить
разность уровней уже практически невозможно. Однако если исследу-
емый газ сжать, т. е. уменьшить его объем в известное число раз, во
столько же раз возрастет давление и его можно будет определить
tZ-образным манометром. Эта идея лежит в основе работы компрес-
сионного манометра Мак-Леода (рис. 50). Когда сосуд 5 опущен, ртуть
сливается в него, и шар 3 с капилляром 1 соединены с откачиваемым
исследуемым объемом. При поднимании сосуда ртуть входит в трой-
ник 4, перекрывает его, затем начинает сжимать газ в шаре. Ртуть под-
нимают так, чтобы она достигла в левой трубе уровня верхнего конца
капилляра. В капилляре же она не дойдет до верха на величину h,
так как в нем находится сжатый во много раз газ. По закону Бойля —
Мариотта давление этого сжатого газа р' — р или h — И
где Ко — объем шара и капилляра, d — диаметр капилляра, Н —
измеряемое давление в мм рт. ст. Таким образом, искомое Н=^ —h2 —
= const - h2 (шкала нелинейна).
Есть и другой способ работы с компрессионными манометрами:
доводить ртуть до определенной метки в капилляре 1. Тогда разность
уровней Д/i будет линейно связана с И.
Чтобы не учитывать капиллярные явления, уровень ртути в капил-
ляре 1 сравнивают с уровнем ртути в таком же капилляре 2, который
сообщается с широкой трубой.
Манометр Мак-Леода громоздкий и поэтому неудобен в работе, не
приспособлен для дистанционных измерений. Но его ценность в том,
что его показания не зависят от состава газа. Поэтому в настоящее
время он используется как контрольный прибор для градуировки дру-
гих манометров-вакуумметров.
В практике широко применяются компактные манометры с элек-
трическим выходом — манометрические лампы (рис. 51). В наиболее
простых — тепловых используется зависимость теплопроводности газа
от его давления (рис. 52). При постоянной силе тока температура нити
накала 1 (рис. 51, а) будет зависеть только от теплопроводности газа.
Эту температуру можно измерить по сопротивлению этой нити, вклю-
чая ее в схему моста, но чаще используют термопару 2, а ЭДС термо-
Рис. 51. Манометрические лампы вакуумметров:
а — термопарная; б — ионизационная; в —
магнитная электроразрядная.
Рис. 52. Зависимость
теплопроводности газа
от давления.
62
пары измеряют микровольтметром. Микровольтметр градуируется
в единицах давления. Так устроен термопарный манометр. Он может
работать только в области давлений от р2 « 100 Па (1 мм рт. ст.) до
х 10 1 Па, так как только в этой области теплопроводность газа
зависит от давления (рис. 52).
Для измерения более глубокого вакуума используют ионизацион-
ную лампу (см. рис. 51, б). Как видно из рисунка, роль анода в этой
лампе играет редкая сетка 2, за которой расположен коллектор 3
с отрицательным потенциалом. Электроны, вылетая из катода 1, устрем-
ляются к сетке-аноду, но в большинстве случаев проскакивают ее
по инерции и совершают около нее колебания. При этом возрастает
вероятность столкновения их с молекулами газа. При столкновении
происходит ионизация. Электроны в конце концов попадают на сетку,
а положительные ионы собираются коллектором, в цепи которого
возникает ток, измеряемый микроамперметром. Сила тока зависит
от числа молекул газа в единице объема, т. е. от давления, поэтому
микроамперметр градуируется в единицах давления. Постоянство тока
в цепи катод — анод поддерживается также с помощью микроампер-
метра. Ионизационная лампа работает в области давлений 10-1 —
IO"6 Па.
Недостаток ионизационной лампы — наличие накаливаемого ка-
тода, который испускает газы и нарушает вакуум. Этот недостаток
устранен в магнитном электрораз-
рядном манометре (см. рис. 51, в),
здесь катод остается холодным.
Электроны образуются за счет ав-
тоэлектронной эмиссии (между ка-
тодом и анодом создается высокое
напряжение в - несколько кило-
вольт). Вероятность столкновения
электронов с молекулами газа уве-
личивается за счет того, что элект-
рон движется в магнитном поле.
При этом его путь (по спирали вок-
руг силовой линии) существенно
удлиняется. Проскакивая кольце-
образный анод по инерции, элект-
рон совершит несколько!колебаний,
пока не попадет на анод. Сила то-
ка в цепи анод — катод зависит от
давления, так как в основном опре-
деляется числом ионов в единице
объема. Диапазон измерений тако-
го манометра — 102 — Itr11 Па.
Не всегда достаточно знать дав-
ление смеси газов. Часто требуется
измерить по отдельности, сколько
какого газа в сосуде, т. е. п а р ц и-
альные давления. Такую
Рис. 53. Масс-спектрометр в роли
газоанализатора (а): 1 — манометри-
ческая лампа, 2— катод, 3 — анод,
4 — ускоряющие диафрагмы,
5 — область магнитного поля,
6 — коллектор, 7 — измерительный
прибор; график зависимости силы то-
ка от U или В (б).
53
задачу решают газоанализаторы. Они бывают разных систем, здесь
мы рассмотрим наиболее распространенную — масс-спектрометриче-
скую. В простейшем масс-спектрометре (рис. 53, а) в лампе 1 проис-
ходит ионизация газа вследствие столкновения электронов с молеку-
лами. Часть ионов через отверстие в лампе попадает в электрическое
поле, где ускоряется и формируется в узкий пучок. Скорость ионов
можно найти из соотношения тиЧ2 — eU, где U — ускоряющее на-
пряжение. Затем ионы попадают в магнитное поле, где движутся по
дуге окружности. В соответствии со вторым законом Ньютона
mo'RR = evB. Из этих двух соотношений радиус
R — 1/— const • ]//й, (20)
еВ г т
т. е. зависит от массы молекулы. При выходе из магнитного поля ионы
определенной массы улавливаются коллектором. Сила тока пропор-
циональна числу этих ионов. Изменив В или U, можно направить в
коллектор другие иопы и также узнать их число. Так получают
спектр — график распределения числа ионов, а следовательно, и
числа молекул N в газе от их массы (рис. 53, б).
§ 16. НАГРЕВАТЕЛИ И ХОЛОДИЛЬНИКИ
Электрическим нагревателем является участок цепи, где в резуль-
тате большего, чем в подводящих проводах, сопротивления выделя-
ется большее количество теплоты Q = i2Rl. Это может быть проволо-
ка с большим удельным сопротивлением (нихром и другие сплавы,
слабо окисляющиеся в воздухе даже при высоких температурах).
Нихром в воздухе может иметь температуру до 1100 °C, сплавы — до
1200 °C. Для получения более высоких температур используют воль-
фрам (до 2500 °C), но он легко окисляется, поэтому его следует по-
мещать в защитную бескислородную, лучше восстановительную атмо-
сферу (аргон, водород, пары спирта и т. д.).
Если необходимо нагрев объекта вести в воздухе, то нагреваемый
объект отделяют от спирали газонепроницаемой огнеупорной стенкой
(алунд — спеченный оксид алюминия). Но при этом температура в
рабочем пространстве печи снижается.
Высокие температуры в воздухе выдерживают нагреватели в виде
стержней, спеченных из смеси углерода и оксидов, например кремния
(силитовые стержни, до 1400 °C), или нагреватели из дисилицида мо-
либдена. На очень высокие температуры и также на окислительную
среду рассчитаны стержни из оксида тория (IV), но они дороги и ра-
диоактивны.
Мощность нагревателя при заданном напряжении питания тем
больше, чем меньше его сопротивление (Р — U2/R).' Например, чем
короче спираль и чем толще проволока, тем больше мощность нагре-
вателя и тем больший ток он потребляет.
Температура в электрических печах легко регулируется с помощью
автотрансформаторов или реостатов. В этом преимущество электри-
ческой печи перед другими. Для автоматической регулировки темпе-
54
ратуры в печах используют контактные тер-
мометры, включающие и выключающие цепь,
а также любые другие датчики температуры
с электрическим выходом (см. термометры),
которые через усилитель и исполняющий
двигатель управляют автотрансформатором
или реостатом (рис. 54).
Кроме электрических печей с металличе-
ским или полупроводниковым нагревателем,
применяют дуговые электропечи, где нагре-
вателем служит газовый разряд, а также оп-
тические печи (нагрев светом или инфракрас-
ными лучами), топливные (нагрев за счет горе-
ния угля, нефти, бензина, бутана, водорода
ит. д. в тонне или горелке) и атомные (точнее,
ядерные, ядерный реактор).
Аппаратура для получения низких темпе-
ратур и работы при этих температурах носит
название криогенной техники. Рассмотрим
работу компрессионного холодильника (в том
числе бытового). Он состоит из замкнутого
трубопровода, в который последовательно
включены компрессор, радиатор, дроссель и
морозильная камера (рис. 55, а). Система
заполняется обычно фреоном (дифтордихлор-
метан CF2C12)— жидкостью, которая при
нормальном атмосферном давлении (100 кПа)
кипит при температуре t та —30° С, при дав-
лении вдвое большем — при t —15 +, а
при давлении 800 кПа — при t +30 СС.
Компрессор сжимает газообразный фреон при-
близительно до 800 кПа. При быстром, поч-
ти адиабатическом сжатии газ нагревается.
Поступая затем в радиатор, он охлаждается
воздухом почти до комнатной температуры
и конденсируется. Образовавшаяся жидкость
поступает в дроссель — переходит от очень
узкого сечения трубопровода в широкое.
Происходит адиабатическое расширение при-
близительно до 200 кПа. Жидкость при этом
испаряется, что приводит к понижению тем-
пературы. Холодный газ поступает в моро-
зильную камеру и охлаждает находящиеся
там объекты. При этом он нагревается. Наг-
ретый фреон вновь поступает в компрессор.
Энергетически процесс сводится к соверше-
нию работы А над рабочим веществом, в ре-
зультате чего оно получает от морозильной
камеры количество теплоты С2з и отдает
Рис. 54. Схема автомати-
ческой регулировки тем-
пературы в электропечи:
1 — печь, 2 — нагрева-
тель, 3 — реостат,
4 — сеть, 5 — датчик
температуры, 6 — усили-
тель, 7 — исполняющий
реверсивный двигатель.
Рис. 55. Холодильник:
а — схема узлов (/ —
компрессор, 2, 4, 6, 8 —
трубопроводы, 3 — ради-
атор, 5 — дроссель,
7 — морозильная каме-
ра): б — энергетическая
диаграмма (9 — рабочее
вещество).
55
а
Рис. 56.' Криогенные
приборы: а — машина
Линде для получения
жидких газов; б —
сосуд Дьюара.
радиатору количество теплоты Qf А + Q2 = Qi-
Под КПД холодильника понимается величина
Q2'A. Таким образом, происходит перенос теп-
лоты от более холодного тела (морозильная ка-
мера) к более горячему (радиатор). Это не про-
тиворечит второму началу термодинамики, так
как система открыта (над ней совершается внеш-
няя работа Л).
Для получения более низких температур,
при которых большинство газов сжижается,
применяется машина Линде. В ней компрессор
/ сжимает газ (например, атмосферный воздух)
и направляет его в узкий трубопровод — змее-
вик 2 (рис. 56, а), который расположен внутри
другого змеевика 3. Кран 4 выпускает газ в на-
ружный змеевик. При этом происходит дроссели-
рование и охлаждение (см. холодильник). Охлаж-
денный газ поднимается вверх и противотоком
охлаждает газ во внутреннем змеевике. Цикл
повторяется многократно. Наконец, температура
понижается настолько, что при дросселировании газ охлаждается
ниже температуры кипения и сжижается. Далее дросселирование
производят через второй кран 5 (рис. 56, а) и выпускают сжиженный
газ наружу.
Жидкие газы хранят в сосудах Дьюара — сосудах с двойными
стенками (стеклянными или металлическими), между которыми выка-
чан воздух, что предотвращает передачу теплоты за счет конвекции
и теплопроводности (рис. 56, б). Кроме того, стенки покрывают бле-
стящим слоем металла для отражения излучения и предотвращения
передачи энергии излучением. Сосуды делают размерами от очень
малых до цистерн на несколько тонн.
§ 17. ТЕРМОМЕТРЫ
Прибор, измеряющий температуру, называется термометром. Су-
ществуют контактные и бесконтактные термометры. Бесконтактные
термометры будут рассмотрены в главе «Оптические приборы».
Контактный термометр приводят в контакт с исследуемым телом.
При тепловом равновесии температура термометра равна температуре
исследуемого тела. Однако следует помнить, что термометр измеряет
свою собственную температуру, и если контакт с телом плохой, то
может возникнуть существенная ошибка. Другой источник ошибки --
слишком массивный термометр. Теплоемкость термометра должна
быть много меньше теплоемкости тела.
В контактном термометре может быть использовано любое свой-
ство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку
таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много.
В дилатометрическом термометре используется зависимость ли-
нейных размеров тела или объема вещества от температуры. Жид-
66
костный термометр (рис. 57, а—г) делается в виде узкого капилляра,
переходящего в нижней части в шарик, в котором находится основная
масса жидкости. При расширении жидкость входит в капилляр, за-
полняя его до определенного деления. (Используется разница темпе-
ратурных коэффициентов расширения жидкости
В жидкостных термометрах применяется
ртуть или спирт. Ртуть замерзает при тем-
пературе ниже —39 °C, а стекло размягчает-
ся при 500—600 °C. Этим определяется диа-
пазон ртутных термометров. Спиртовые тер-
мометры применяются для измерения тем-
ператур в диапазоне от —80 до ф-70 °C
(при t =—114 °C спирт замерзает, а при
высоких температурах t л: 78 °C — кипит).
Термометры различаются по чувствитель-
ности.
Пусть объем шарика Уш, радиус
ляра г, а высота столбика жидкости в
лярей. Тогда
VIU + №/i-Уш(1 + Р0,
капил-
капил-
(21)
где р — температурный коэффициент
ного расширения жидкости. Отсюда чу ветви
тельность (в миллиметрах шкалы на 1 °C):
dh _ ИШР
dt sir2.
объем-
(22)
и стекла.)
е
Температурный коэффициент объемного рас-
ширения р спирта в 6 раз выше, чем у ртути,
соответственно и чувствительность у спирто-
вого термометра выше. Для’ данной жидкости
чувствительность тем больше, чем больше
объем шарика и чем тоньше капилляр. Одна-
ко сужение капилляра одновременно сужает
диапазон измерений.
Чтобы измерить небольшой интервал
температур, например от 180 до 200 сС, при-
меняют укороченный термометр. Он пред-
ставляет собой узкий капилляр, шарик ко-
торого заполнен термометрической жидкостью
не полностью (рис. 57, б). Термин «укорочен-
ный» означает, что он в 20 раз короче, чем
был бы термометр от 0 до 200 °C той же чув-
ствительности. Для того чтобы охватить
достаточно широкий диапазон температур, из-
готавливают наборы таких термометров (на-
пример, от 0 до 20 °C, затем от 20 до 40 °C и
Т. д.).
и
х
Рис. 57. Термометры:
а — обычный жидкост-
ный; б — укороченный;
е — медицинский мак-
симальный; г — контакт-
ный; д —'дилатометри-
ческий; е, ж — биме-
таллические; з — газо-
вый манометрический;
и — с использованием
термочувствительных
красок; к — термометр,
сопротивления.
57
В тех случаях, когда надо, чтобы после измерения уровень ртути
не опускался, несмотря на остывание термометра (например, в меди-
цинском термометре), применяется максимальный термометр. В таком
термометре шарик сообщается с измерительным капилляром через
более узкий капилляр (рис. 57, в). При нагревании ртуть проталкива-
ется через узкое место, а при остывании столбик ртути рвется в этом
месте и ртуть не возвращается в шарик, фиксируя максимальную тем-
пературу. Для возвращения ртути термометр необходимо сильно встря-
хнуть.
Ртутный термометр, который используется не только для измере-
ния температуры, но и для ее регулирования, называется
контактным (рис. 57, г), так как в него введена тонкая контактная про-
волочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты.
Положение верхнего контакта можно менять магнитом. Сила тока в
термометре должна быть небольшой, а при необходимости регулиро-
вания токов большой силы используют реле.
Иногда в дилатометрическом термометре используется расширение
твердого стержня (рис. 57, д'). Однако чаще изготавливают биметал-
лическую пластинку — склеивают или скрепляют две гибкие метал-
лические пластинки с разными температурными коэффициентами рас-
ширения (рис. 57, е, ж). При нагревании биметаллическая пластинка
изгибается.
Действие газового манометрического термометра показано на
рисунке 57, з.
В качестве термометров используют также различные физико-
химические индикаторы температуры — вещества, которые изменяют
свое состояние (плавятся, кипят, изменяют цвет и т. д.) при определен-
ных температурах. Например, такими индикаторами могут быть тер-
мочувствительные краски. В последнее время стали широко применять
некоторые жидкие кристаллы — вещества, плавно меняющие свой
цвет от красного до фиолетового. На рисунке 57, и изображен такой
термометр. Задняя планка разделена на участки, на которые нанесены
жидкие кристаллы разного состава. Пусть первый участок становится
зеленым только при температуре 35 °C, второй при температуре 36 °C,
третий при 37 °C и т. д. При других температурах они имеют другие
цвета. Если накрыть эту пластинку зеленым светофильтром, то при
каждом значении температуры будет светиться зеленым только один
какой-либо участок. Против него можно увидеть значение этой тем-
пературы (на рис. 57, и буквами обозначены цвета).
Термочувствительные краски не требуют никакой дополнительной
аппаратуры, с их помощью можно измерять температуру в трудно-
доступных местах (детали работающего двигателя, детали, находя-
щиеся под высоким напряжением). Эти краски показывают не только
температуру в какой-либо одной точке, но и распределение темпе-
ратуры по поверхности, обозначая расположение изотерм Г (%, у)
(т. е. визуализируют температурное поле). Недостатками их являются
недолговечность, зависимость от освещения и малая точность.
Датчиками температуры с электрическим выходом являются
электрические термометры: термометры сопротивления и термопары.
Г>8
Металлический термометр сопротивления —
это катушка с проводом (рис. 57, к), соп-
ротивление которого возрастает с темпера-
турой: 7? — (1 + at)- Для устойчивости
к окислению берут тонкую платиновую про-
волоку (платиновый термометр) диаметром
менее 0,1 мм. Сопротивление измеряется мос-
том, шкала которого может быть проградуи-
рована в градусах.
Значительно более чувствителен термистор —
термометр сопротивления на полупровод-
нике. Термистор имеет более узкий диапа-
зон измерений и не обеспечивает линейность
шкалы. Он представляет собой бусинку из
оксидов металлов (Си, Мп, Mg, Со, Ni). Сопро-
тивление полупроводника убывает с темпе-
ратурой по закону R — Roea/r. Отсюда не-
линейность шкалы. В той области температур,
где сопротивление резко изменяется, можно
вместо моста использовать логометр, что зна-
Рис. 58. Термопара:
а — с контролем тем-
пературы второго спая
(7 — медь, 2 — другой
металл, 3 — сосуд с таю-
щим льдом); б — термо-
чительно упрощает измерения.
Термопары в отличие от термометра
сопротивления являются активными элек-
трическими датчиками температуры (см. Вве-
дение). На рисунке 58, а показана схема тер-
мопары, состоящая из двух разных металлов,
двух спаев между ними (чаще всего провода
свариваются) и прибора, измеряющего раз-
ность потенциалов (милливольтметр, потен-
циометр, цифровой прибор). Один спай при-
водится в тепловой контакт с исследуемым
пара из двух не медных
проводов (4 — третий
металл); в — термопара
без контроля температу-
ры второго спая (5 —
клемма, играющая роль
второго спая).
телом, другой поддерживается при постоян-
ной температуре, например находится в сосуде стающим льдом. Воз-
никает ЭДС, пропорциональная разности температур спаев:
^=а(Л-Л),
(23)
где а измеряется в микровольтах на градус Кельвина и называется
коэффициентом термо-ЭДС. Если проволоки однородны, то темпера-
туры в промежуточных точках не играют роли. Провод внутри изме-
рительного прибора обычно медный. Поэтому если один из проводов
термопары тоже медный, то температура клемм прибора не важна.
Если же термопара составлена из двух не медных проводов, то необхо-
дим контроль температуры обоих спаев, соединяющих термопару с
медным проводом прибора (рис. 58, б). В тех случаях, когда измеря-
ются очень высокие температуры и ошибка в 10—20° несущественна,
применяют схему без контроля температуры второго спая (рис. 58, в).
Наиболее часто употребляемые термопары приведены в таблице 1.
При предельных температурах термопары быстро «стареют» (ме-
няется состав, и, следовательно, меняется а).
59
Таблица 1
Термопары (химический состав проволоки) Предельная температура. °C а, мкВ/К
Медь-константан (100%Си; 60%Cu + 40%Ni) 400 43
Хромель-копель (10%Сг + 90%Ni; 56%Cu + 44%Ni) 800 70
X ромель-алюмель (10%Cr + 90%Ni; 2%AI + l%Cr + 2%Mn + 95%NH) 1200 40
Платина-платинородий (100%Pt; 90%Pt-f- 10%Rh) 1600 8
Следует отметить, что формула (23) работает только в узком ин-
тервале температур. В широком интервале необходимо учитывать за-
висимость а от температуры, т. е. нелинейность. Так, платино-пла-
тинородиевая термопара дает при 200 °C а =7,1 мкВ/K, а при 1600 °C—
10,4 мкВ/K, т. е. градуировочный график — не прямая линия и его
нужно строить по точкам. В качестве реперных (проверочных, опор-
ных) точек берут, например, температуры отвердевания цинка
(419,5 °C), меди (1083 °C) и т. д.
Провода термопары должны быть по возможности тонкими, чтобы
не было большого теплоотвода.
Для измерения выделяемого или поглощаемого телами количества
теплоты служат калориметры. Это сосуды с теплоизолирующими стен-
ками (адиабатическими оболочками), часто заполненные какой-либо
калориметрической жидкостью. Если необходимо удерживать дав-
ление в калориметре, например, для измерения количества теплоты,
выделяющегося при взрыве, стенки делают прочными (калориметриче-
ская бомба).
§ 18. ПРИБОРЫ, ИЗМЕРЯЮЩИЕ ВЛАЖНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ
Влажность твердых тел, сыпучих и других материалов определя-
ется отношением массы содержащейся в них воды к общей массе влаж-
ного материала. Наиболее простой способ ее измерения — взвешива-
ние до и после высушивания, для чего существуют специальные сушил-
ки. Этот способ хотя и точный, но долгий. При экспресс-измереииях
применяются влагомеры, в которых используется зависимость какой-
либо физической величины от влажности, например, электропровод-
ности, диэлектрической проницаемости и т. д. Так, влажность песка
можно измерить с помощью двух электродов и омметра, мегаомметра
или тераомметра.
Абсолютной влажностью газа, например воздуха, называется
количество воды, которое содержится в 1 м3 воздуха. Она характери-
зуется либо плотностью водяных паров р, т. е. массой воды в 1 м8,
либо чаще парциальным давлением рп водяных паров. Абсолютная
влажность от температуры почти не зависит. Относительной влажно-
стью называется отношение имеющегося парциального давления водя-
60
пых паров к тому давлению, которое достаточно для насыщения при
данной температуре:
Ф = —100%. (24)
Рип (О
Поскольку рнп зависит от температуры (см. таблицу 2), то и ср
Ц^и данной абсолютной влажности зависит от температуры. Всегда
можно найти такую температуру, при которой ср = 100%, т. е. пар
становится насыщающим (/?„ = рнп) и выпадает роса или иней.
Таблица 2
Зависимость давления и плотности насыщающего пара от температуры
f, °C Ркп, г11а р, г/м1
—20 1,3 1,1
’ 0 6 5
10 12 9
20 23 17
50 123 83
Приборы, измеряющие влажность газов,
называются гигрометрами или психрометра-
ми.
Действие волосяного гигрометра основа-
но на свойстве волоса удлиняться при уве-
личении влажности. Устройство волосяного
гигрометра показано на рисунке 59, а. Волос
должен быть обезжирен. Этот гигрометр не
очень точен.
Гигрометр Ламбрехта (рис. 59, б) пред-
ставляет собой металлический цилиндр, за-
полненный эфиром 1, один торец которого от-
полирован- В цилиндре имеется патрубок для
продувания воздуха и отверстие для термо-
метра 2. При продувании воздуха эфир ис-
паряется, охлаждая цилиндр. При некоторой
температуре (точка росы) водяной пар вбли-
зи поверхности цилиндра становится насы-
щенным и полированная поверхность 3 мут-
неет. Для сравнения она окружена тоже
полированным, но не охлаждаемым коль-
цом 4. По точке росы /р с помощью таблиц
находят р„ = рнп (ip). Это и есть абсолютная
влажность. По этой же таблице, зная темпе-
ратуру газа t, находят р„„ (/), а затем и ф.
Например (см. таблицу 2), если i„ = 10 °C, а
i = 20 °C, то <р = (12/23) • 100% « 50%.
Рис. 59. Приборы для
измерения влажности
воздуха: а — волосяной
гигрометр; б — гигро-
метр Ламбрехта; в — пси-
хрометр без обдува;
г — аспирационный пси-
хрометр.
61
а 5 d
Рис. 60. Вискозиметры:
а — капиллярный; б —
по Стоксу; в — рота-
ционный.
Прибор неудобен в работе, но его достоин-
ство в том, что он не требует градуировки
(абсолютный прибор).
В психрометрах, приведенных на рисун-
ке 59, в, г, измеряется разность показаний
сухого и смоченного термометров. Шарик од-
ного из двух одинаковых термометров обмо-
тан куском мокрого тонкого материала. Чем
суше воздух, тем быстрее испаряется вода,
те.м холоднее смоченный термометр. Сущест-
вуют таблицы, или номограммы, по кото-
рым, зная показания двух термометров, на-
ходят относительную влажность, а затем по формуле (24) — абсо-
лютную. В аспирационном психрометре термометры обдувают пото-
ком исследуемого воздуха, что приводит к увеличению разности по-
казаний и, следовательно, к повышению точности измерений. Ско-
рость испарения зависит от скорости потока, но начиная с 2 м/с
приближается к постоянной величине. Поэтому вентилятор 1 в аспи-
рационном психрометре должен обеспечить скорость потока воздуха
v 2 м/с.
Сила жидкого трения, т. е. трения слоев жидкости, равна F —
;= р8 где ц — динамическая вязкость, 8 — площадь соприкос-
dn
новения слоев, dv'dn, — градиент скорости в направлении, перпен-
дикулярном скорости относительного движения слоев. Вязкость ц
зависит от температуры. Для измерения вязкости применяют виско-
зиметры (рис. 60). В капиллярном вискозиметре р определяется по
скорости протекания жидкости по узкой трубке — капилляру. Ис-
пользуется формула Пуазейля: расход, т. е. объем жидкости, проте-
кающей по трубе в единицу времени, равен Q—k — &р, где d —
ц/
диаметр капилляра, I — его длина, А/? — разность давлений на его
концах, a k — некоторый числовой коэффициент.
Существуют вискозиметры, в которых ц определяют по скорости v
равномерного падения твердого шарика в жидкости (используется
формула Стокса — сила трения шарика о жидкость равна F =
— блгро. Эта сила приравнивается к разности силы тяжести и силы
Архимеда, действующих на шарик: (р — Рж) ^)- Тяжелый шарик мо-
жет быть заменен всплывающим пузырьком. Применяются также ро-
тационные (вертушки с лопастями), вибрационные и другие виско*
зиметры.
ГЛАВА III
- ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Основными элементами любой электрической цепи являются
источник тока, провода и потребитель электроэнергии (нагрузка).
Для измерения параметров цепи (напряжения, силы тока), а также для
управления этими параметрами служат электроизмерительные при-
боры, ключи и переключатели, а также различные элементы, регули-
рующие и преобразующие ток в нагрузке и напряжения на ней. Это
резисторы, предохранители, конденсаторы, дроссели и более сложные
преобразователи.
§ 19. ИСТОЧНИКИ ТОКА
Источником тока называется та неотъемлемая часть электрической
цепи, где сторонние силы (неэлектростатического происхождения)
приводят в движение электрические заряды. В зависимости от приро-
ды сторонних сил источники тока могут быть электромеханическими,
электромагнитомеханическими, химическими, фотоэлектрическими
и т. д.
Основными параметрами источника тока являются: ЭДС 8 — на-
пряжение на клеммах разомкнутого, неработающего источника то-
ка, внутреннее сопротивление г, максимальная сила тока imax> ко-
торую можно получить от источника, а также полный заряд Q, кото-
рый он может отдать во внешнюю цепь без замены в нем деталей или
подзарядки. Поскольку 8 — iR -ф ir, где R — сопротивление внеш-
ней цепи, то сила тока имеет максимальное значение imax = 8/г при
R — 0. При этом клеммы источника замыкаются толстым проводом
накоротко, поэтому возникающий ток называют током короткого,
замыкания iK3. Но так определять tmax можно только при больших г.
При малых г источник не выдерживает короткого замыкания, разру-
шается, так что
imax iK3 — —• (25)
г /
00
Параметр Q == ^idt называют емкостью* источника. Эта величина
о
измеряется в кулонах, но чаще — в ампер-часах: 1 А • ч = 3600 Кл.
Она вводится для источников тока, в которых энергия, преобразующая-
* Следует обратить внимание па то, что смысл этого термина не совпадает с
термином «электроемкость» конденсатора.
63
Рис. 61. Зависимость на-
ся в электроэнергию, содержится в самом
источнике тока (химические, атомные источ-
ники тока). Если же электроэнергия получа-
ется за счет энергии, подводимой к источнику
извне, например в машинном генераторе, то
срок службы источника определяется только
износом его деталей и измеряется в часах.
Существенным является также вид тока,
который дает источник: постоянный, пере--
менный (синусоидальный, несинусоидальный,
импульсный). Для переменного тока важна
частота, для несинусоидального — форма
колебаний, для импульсного — длительность
импульса и скважность (промежуток между
импульсами). Источники переменного и им-
пряжения на клеммах ис- пульсного тока называются генераторами,
точника тока от нагруз- Иногда говорят и о генераторах постоянного
ки (а); зависимость мощ-
ности, даваемой источ- ’
ником от нагрузки (б): Другими параметрами источника тока яв-
1~ полная мощность, ляются: масса, габариты, стабильность па-
2—мощность,и выделяв- раметров, стоимость, устойчивость к воз-
мая во внешней части це- действию температуры, вибраций и т. д.
пи (на нагрузке). гл- i
v При замыкании цепи (соединении клемм
источника проводником сопротивлением R)
по цепи идет ток i. Этот проводник называют
нагрузкой, a i — силой тока нагрузки (иногда тоже «нагрузкой»).
Нагрузка считается тем больше, чем меньше R, т. е. чем больше i.
Напряжение на клеммах источника при этом уменьшается на значе-
ние напряжения на внутреннем участке цепи U = iR = 8 — ir,
т. е. зависимость между напряжением и силой тока — линейная
(рис. 61, а). При коротком замыкании :кэ — Sir и U — 0.
Полная мощность, выделяемая источником, равна Р — 18, но на
нагрузку приходится только часть Ри = i8 — i2r, так как Рг затра-
чивается на нагрев внутренней части цепи (рис. 61,6). Рн =.0 при
i = 0 и при i — tK3 (Ра — (S/r) 8 — (82/r2) г = 0). Максимальная мощ-
ность Рн находится из условия dPH Idi — 0: 8 — 2ir = 0. Таким обра-
зом, максимальная мощность отдается во внешнюю цепь при i =>
= 8l2r — iK3 /2, т. е. при R — г. Этот случай называется согла-
сованием сопротивлений. Однако с энергетической
точки зрения такая нагрузка не является оптимальной, так как КПД
при этом равен т) = ~ Поэтому в электротехнике
обычно используют токи i < tK3/2, т. е. берут Я > г. В маломощной же
аппаратуре, когда потери энергии не так существенны, но важно как
можно больше передать энергии от одного узла к другому (например,
в радиотехнике при усилении слабых сигналов), сопротивление на-
грузки всегда согласуют с сопротивлением источника. При то-
ках I работать невыгодно.
Приведенные рассуждения справедливы для любых источников
тока при условии, что § и г не зависят от нагрузки.
64
Рис. 62. Образование электрохимической разности потенциалов (а); гальваническая
пара, т. е. гальванический элемент (б); работающий гальванический элемент (в).
Наиболее широко распространены химические источники тока (в
переносных приборах) и машинные генераторы (питание электро-
сетей).
К химическим источникам тока относятся гальванические эле-
менты и аккумуляторы.
Рассмотрим возникновение ЭДС в гальваническом элементе. При
погружении металлического электрода в электролит (водный раствор
кислоты, щелочи или соли) часть атомов металла переходит в раствор
в виде положительных ионов (рис. 62, а), сам же электрод оказывается
при этом отрицательно заряженным. Между ним и электролитом воз-
никает скачок потенциала. Но при этом усиливается и обратный про-
цесс— переход положительных ионов из раствора. Нарастание по-
тенциала прекратится, когда эти два процесса уравновесят друг
друга.
Если в электролит опустить еще один электрод, причем такой,
который либо вообще не растворяется (уголь), либо растворяется сла-
бо (медь), то около него скачок потенциала будет малым или его вооб-
ще не будет (рис. 62, б). Между такими электродами образуется раз-
ность потенциалов (ЭДС б) порядка 1 В. Если замкнуть цепь на на-
грузку (соединить точки а и а'), то возникнет ток как на внешнем, так
и на внутреннем участке. На этих участках образуются падения по-
тенциала соответственно iR и ir, сумма которых равна ЭДС (рис. 62, в).
Поскольку во внешней части цепи заряды движутся от плюса к мину-
су, медный (угольный) электрод считается положительным. Это озна-
чает, что его потенциал выше, чем у цинкового, но не обязательно озна-
чает, что он имеет избыточный положительный заряд. /
Однако для такого элемента не будет выполняться условие неза-
висимости 8 и г от нагрузки. При прохождении тока через электролит
происходит электролиз. На аноде (медный или угольный электрод)
выделяется водород (ионы водорода отдают аноду свой заряд и ней-
трализуются). Это увеличивает г и уменьшает S довольно быстро до
нуля, поскольку пара «цинк—уголь» заменяется парой «цинк — уголь,
покрытый водородом». Это называется поляризацией электродов.
Поэтому такая простая система, как пара электродов и электролит,
никогда не используется. Обязательно добавляется деполяризатор,
3 Заказ 771 й:
Рис. 63. Химические источники тока:
а — гальванический элемент с депо-
ляризатором (/ — цинковая оболочка
(катод), 2 — угольный стержень
(анод), 3 — электролит, 4 — деполя-
ризатор); б — нормальный элемент
(1 — ртуть, 2 — смесь серной кисло-
ты H2SO4 и сульфата кадмия CdSO4,
3 — кристаллы той же соли CdSO4,
4 — насыщенный раствор того же
сульфата CdSO4, 5 — амальгама кад-
мия, т. е. сплав кадмия со ртутью);
в — свинцовый аккумулятор (/—цепь
зарядки, 2 —цепь разрядки); г—зависи-
мость ЭДС от израсходованного заря-
да (/ — для свинцового аккумулято-
ра, 2 — для железоникелевого);
д — аккумуляторный пробник.
например сильный окислитель. На
рисунке 63, а приведен распро-
страненный гальванический эле-
мент с деполяризатором — оксидом
марганца (IV) МпО2, кристаллы ко-
торого насыпаны в пористый мешо-
чек, окружающий угольный анод.
В качестве электролита использу-
ется водный раствор хлорида аммо-
ния — МН4С1,ионы которого
движутся к угольному, а ионы С1~
—к цинковому электроду. Если
специальной добавкой загус-
тить электролит, а сам элемент
плотно закрыть, получается так
называемый сухой элемент.
В последнее время стали ис-
пользовать серебряно-магниевые
элементы (они хранятся в сухом
виде, а перед работой заливаются
водой), а также ртутно-цинковые
герметические гальванические эле-
менты, имеющие форму плоских
дисков.
Сила тока, даваемого гальва-
ническим элементом (/тах), зави-
сит от площади электродов и обыч-
но бывает порядка 0,1 А/см2. Од-
нако работать на предельных токах
не рекомендуется, так как срок ра-
боты элементов при этом
не превышает одного часа.
При необходимости получить
бблыпие токи и емкости элемен-
ты соединяют параллельно. Токи
и емкости при этом складываются.
Для увеличения ЭДС элементы
соединяют последовательно. Сое-
динение элементов называется ба-
тареей. Сила тока, получаемая от
батареи из N элементов, равна
i = _------------------ (26)
R + mln, R rm2/N '
где § и г — параметры одного
элемента; т— число элементов,
соединенных последовательно; п—
66
число параллельных ветвей. Для выяснения условия получения
максимального тока от V имеющихся элементов при данных R, § и
г следует взять производную от выражения (26) по т.
В качестве эталонной меры разности потенциалов используется
нормальный элемент (рис. 63, б). Он дает <? = 1,0186 В при 20 °C.
При других температурах вводятся поправки (ЭДС падает с повыше-
нием температуры примерно на 40 мкВ на 1 градус). Элемент сохраня-
ет значение ЭДС десятки лет. От нормального элемента нельзя полу-
чать токи более 1 мкА, но это и не требуется, так как другие источники
сравниваются с ним методом компенсации, при котором от нормаль-
ного элемента требуется сила тока порядка 10-7 — 10-9 А.
Названные гальванические элементы — источники тока разово-
го пользования. После того как их емкость израсходована, они не
подлежат восстановлению. Если же в гальваническом элементе можно
осуществить все химические реакции в обратном направлении, таким
обравом снова зарядив элемент, то получится устройство многоразово-
го пользования, называемое аккумулятором. Наиболее распространены
кислотные (свинцовые) аккумуляторы и щелочные (железоникелевые).
Свинцовый (кислотный) аккумулятор состоит из двух электродов,
погруженных в водный раствор серной кислоты. Корпус аккумуля-
тора изготовлен из кислотоупорного материала. Катод сделан из по-
ристого свинца, анод — из оксида свинца (IV) РЬО2 (рис. 63, в).
Часть кислорода с анода в виде ионов О2” переходит в раствор, заря-
жая тем самым анод положительно, катод же окисляется до РЬО, при-
чем ионы О2' отдают ему свои электроны. В разомкнутом аккумуля-
торе процесс прекращается, как только возникает разность потен-
циалов, препятствующая движению ионов О2-. Если же аккумулятор
замкнуть на нагрузку, процесс продолжается долгое время вплоть
до превращения обоих электродов в оксид свинца (II) РЬО. ЭДС све-
жезаряженного аккумулятора при разрядке (работе на нагрузку)
сначала быстро падает с 2,7 до 2 В, затем остается почти постоянной,
далее начинает медленно уменьшаться (рис. 63, г).
На самом деле процесс сложнее: частично ионы О2- соединяются с
ионами Н\ образуя воду. Кроме ионов О2-, на катоде нейтрализуют-
ся и ионы SO42-, образуя сульфат свинца PbSO4 (сульфатация). Та-
ким образом при работе аккумулятора уменьшается концентрация
серной кислоты. Однако этот процесс в отличие от первого обратим не
полностью. Поэтому кислотный аккумулятор нельзя разряжать ниже
чем до 1,85 В.
Использовать заряд аккумулятора Q можно, получая от него раз-
ные токи I. Чем сила тока меньше, тем дольше будет работать/аккуму-
лятор, так как время работы t « Q/i. Предельный ток определя-
ется из условия 10-часового режима: емкость в ампер-часах надо де-
лить на 10 часов. Например, если аккумулятор имеет емкость 80 А • ч,
то tn™ = 8 А. Кратковременно (1—3 с) можно брать ток в 100 раз
больший, что очень ценно на транспорте, где часто нужны большие
токи, например для запуска двигателя автомобиля. Внутреннее сопро-
тивление такого аккумулятора мало и не препятствует потреблению
большого тока.
3*
67
При зарядке аккумулятор доливают при необходимости дистил-
лированной- водой или раствором кислоты, проверяют концентрацию
ареометром и доводят ее до значения, указанного в паспорте для раз-
ряженного аккумулятора. Затем подключают к источнику то-
ка, ЭДС которого чуть больше ЭДС аккумулятора (батареи аккуму-
ляторов), причем плюс к плюсу для того, чтобы ток шел в обратном
направлении. Сила тока при зарядке должна быть в 2—3 раза меньше,
чем I'max. Вначале указанные реакции идут в обратном направлении
(образуется свинец РЬ на катоде, оксид свинца (IV) РЬО2 па аноде,
увеличивается концентрация H2SO4). Затем происходит электролиз
воды с выделением водорода. Бурное «кипение» — признак конца
зарядки. Концентрация кислоты доводится до значения, указанного
в паспорте для заряженного аккумулятора.
Свинцовый аккумулятор «боится» короткого замыкания, «боится»
разрядки ниже 1,85 В. Для проверки состояния аккумулятора служит
аккумуляторный гробпик — на вилке с двумя остриями крепится
вольтметр, ключ-кнопка и сменный резистор (рис. 63, д), который
подбирается с расчетом, чтобы измерять напряжение на клеммах
аккумулятора, нагруженного током 10-часового режима. Напряжение
не должно падать ниже 2 В.
Железоникелевый (щелочной) аккумулятор состоит из железного
корпуса (катод) и электрода из гидроксида никеля (III) Ni (ОН)3
(анод). В корпус заливается 20%-пый водный раствор гидроксида
калия КОН. ЭДС вновь заряженного аккумулятора—1,5—1,4 В.
По мере расходования заряда ЭДС плавно снижается (рис. 63, г).
Щелочные аккумуляторы менее капризны, не «боятся» короткого за-
мыкания и переразряда, но имеют большее внутреннее сопротивление,
не)позволяющее брать от него большие токи.
Электроэнергия, получаемая от гальванических элементов и ак-
кумуляторов, много дороже, чем энергия от машинных генераторов,
питающих электросети, но эти элементы имеют огромное преимуще-
ство — они автономны. Поэтому они широко используются в перенос-
ных приборах, автомобилях и т. д.
Электромагнитомеханические генераторы называют еще машин-
ными или электротехническими. Ток генерируется в них за счет меха-
нической энергии вращения ротора относительно корпуса, называе-
мого статором. Используется явление электромагнитной индукции,
значение ЭДС которой выражается формулой S = _ где Ф —
dt
магнитный поток, пронизывающий контур.
На рисунке 64, а изображена рамка из провода между полюсами
магнита. Пусть а — угол между силовыми линиями магнитного поля
и нормалью к плоскости рамки. При повороте рамки магнитный по-
ток, пронизывающий ее, будет меняться по закону Ф = Ф cos а ~
— BS cos at, а — угловая скорость вращения. Это ведет к появлению
ЭДС, равной
S = aBS sin at, (27)
а при подключении нагрузки — к синусоидальному току. Чтобы про-
бе
Рис. 64. Машинные электротехнические генераторы: а — рамка в магнитном поле;
б — рамка с коллектором; в — то же, вид с торца; г — генератор постоянного тока;
д — генератор переменного тока.
вода не перекручивались, а также для выпрямления (коммутации)
тока в генераторах постоянного тока применяется коллектор. Это мед-
ные полукольца, к которым присоединены концы рамки. Полукольца
скользят по неподвижным угольным щеткам, с которых и снимается
напряжение во внешнюю цепь (рис. 64, б). Через каждые пол-оборота
происходит переключение. В результате получается пульсирующий,
но одного направления ток. Для уменьшения пульсации число рамок
увеличивают, одновременно увеличивая число пар пластин в коллек-
торе (рис. 64, г). Отметим, что в реальном генераторе обмотки (рамки)
не престо переключаются, а соединяются с помощью коллектора друг
с другом, образуя параллельные цепи, в каждой из которых обмотки
соединены последовательно. Вращающаяся часть машины постоян-
ного тока называется якорем. Вместо постоянного магнита чаще ис-
пользуют электромагнит, который питается от того же генератора
(самовозбуждение). Обмотку электромагнита в этом случае называют
обмоткой возбуждения. Она может присоединяться параллельно
якорю (и нагрузке) или последовательно (соответственно шунтовой и
сериесный генераторы). Чаще делается две обмотки—одна параллель-
но, другая последовательно с нагрузкой (компаунд-генератор).
В генераторе переменного тока переключение и коллектор не нуж-
ны. Концы обмотки подводятся к двум изолированным кольцам, с
которых напряжение снимается во внешнюю цепь прижимными щет-
ками (рис. 64, д). В реальном промышленном генераторе строение об-
моток ротора и форма полюсов электромагнита значительно сложнее.
Кроме того, в промышленных генераторах, дающих большие токи,
обычно меняют роли ротора и статора: в ротор подают через щетки
постоянный ток, делая его вращающимся электромагнитом — индук-
тором, а в статоре наводится переменный ток, направляемый в сеть.
При этом отпадает необходимость пропускать этот последний, очень
большой ток через щетки, что очень ценно, так как иначе было бы боль-
шое искрение щеток. Через щетки же проходит значительно меньший
постоянный ток возбуждения.
В промышленности чаще всего используется трехфазный перемен-
ный ток. В статоре укладываются три обмотки, смещенные друг отно-
сительно друга на 120°.
Подробно с устройством машинных генераторов следует ознако-
миться по курсам электротехники. Машинные генераторы строятся
иа самые различные ЭДС и токи, так что мощности их могут быть от
69
нескольких ватт до нескольких мегаватт. В
приборостроении генераторы используются
для преобразования тока одной частоты в
ток другой частоты. Тогда ось электродви-
гателя, работающего от сети, соединяют ме-
ханически с осью генератора, дающего нуж-
ную частоту. Такое устройство называется
машинным преобразователем или умформером.
Генераторы небольшой мощности, рабо-
тающие от двигателей внутреннего сгорания,
применяются на транспорте для питания
электрооборудования автомобиля, трактора,
самолета и т. д.
Существуют источники тока (генераторы),
в которых используются другие принципы
создания ЭДС.
Электромеханические (электростатические)
генераторы используются только в учебных
и редко в некоторых научных целях. Мощ-
ность этих генераторов невелика, но они
способны давать очень высокие напряже-
ния — до сотен киловольт и даже десят-
ков мегавольт. К ним относятся такие при-
боры, как генератор Ван-де-Граафа и электро-
форная машина. В этих приборах исполь-
зуется разделение небольших зарядов за счет
трения или просто контактной разности по-
тенциалов, увеличение этих зарядов за счет
явления электростатической индукции. Затем
заряженные детали разводятся на большое
расстояние, емкость при этом уменьшается,
заряд остается тем же, а напряжение U—QIC
увеличивается.
Электрофорная машина — учебный демонстрационный прибор,
главной частью которого являются два одинаковых изолирующих
диска, вращающиеся в противоположные стороны. На дисках накле-
ены кусочки металлической фольги — обкладки. На рисунке 65 для
удобства объяснения диск, расположенный сзади, изображен несколь-
ко больших размеров и обозначен цифрой 2. Пусть на одной из обкла-
док диска 2 случайно возник положительный заряд (рис. 65, а). Соеди-
ним находящуюся против него обкладку диска 1 проводником с ме-
таллической метелкой с диаметрально противоположной обкладкой.
Положительный заряд с левой верхней обкладки уйдет на правую ниж-
нюю, при этом знаки электрических зарядов на обкладках будут
противоположными (явление электростатической индукции). Повер-
нем диск 1 на пол-оборота по часовой стрелке. В результате вся верх-
няя правая часть будет заряжена отрицательно, а левая нижняя —
положительно. Соединим таким же проводником с метелками две про-
тивоположные обкладки диска 2, как показано на рисунке 65, б.
70
Теперь там произойдет явление электростатической индукции поД
действием поля зарядов диска 1. Но разделение зарядов будет более
значительным, так как влияет не одна, а несколько заряженных об-
кладок. После поворота диска 2 против часовой стрелки заряды рас-
пределятся так, как показано на рисунке.
Если повернуть диск 1 опять по часовой стрелке, то на нем возник-
нут еще большие заряды (рис. 65, в). Диски приводятся во вращение
в противоположных направлениях. При этом механическая энергия
преобразуется в электрическую.
Там, где на дисках возникли одинаковые заряды, расположим
проводники с остриями, не касающимися обкладок (гребенки). При на-
коплении больших зарядов они начнут стекать на острия. Эти гребен-
ки и будут полюсами электрофорной машины для внешней цепи. Для
накопления заряда они соединены с конденсаторами большой электри-
ческой прочности, хотя и небольшой емкости (лейденскими банками,
рис. 65, в).
Следует обратить внимание на то, что при ином расположении де-
талей или изменении направления вращения машина работать не бу-
дет.
Электрофорная машина дает ЭДС более 30 кВ, но сила тока, ко-
торую можно от нее получить, не превышает 100 мкА. Заряд, накап-
ливаемый на лейденских банках, порядка 100 мкКл.
Фотоэлектрический источник тока — это фотоэлемент ср — п-
нереходом (см. § 55 «Приемники света»). Создаваемая фотоэлементом
ЭДС невелика (десятые доли вольта), но при большой площади по-
верхности ср — n-переходом может быть получена значительная сила
тока. Так, например, кремниевые фотоэлементы используются не толь-
ко как датчики света, но и как источники электроэнергии. Для повы-
шения ЭДС элементы соединяют в батареи последовательно. Возбуж-
дение электронов в зону проводимости, необходимое для возникнове-
ния ЭДС, может производиться и другими видами излучений (рентге-
новским, ос-, р- и у-лучами). На этом основано действие атомных ис-
точников тока.
Термоэлектрический источник тока — это термопара из двух раз-
ных металлов или полупроводников, лучше р- и п-типа.
ЭДС, даваемая термопарой, невелика, но термоэлементы, соединен-
ные в батарею, могут использоваться в качестве источника тока при
отсутствии других возможностей.
В последнее время батареи последовательно соединенных термоэле-
ментов объединяют в один блок с радиоактивным источником теплоты.
Благодаря радиоактивному распаду, в отсеке с радиоактивным изото-
пом температура поднимается до 400 °C. В этом отсеке находятся, до-
пустим, нечетные спаи батареи, а четные выведены в окружающую
среду. Такие радиоизотопные термоэлекурические генераторы исполь-
зуются, например, для автономного питания приборов автоматических
метеостанций в течение года и более.
Идея термоэлектронного генератора заключается в использовании
тока, создаваемого электронами, вылетающими из накаленного като-
да в вакуумном диоде. Из графика зависимости силы тока от напряже-
71
Рис, 66. Термоэлектронный генератор (а): 1 — горячий катод, 2 — холодный анод;
использование контактной разности потенциалов в термоэлектронном генераторе
(б): At — работы выхода; магнитогидродинамический генератор (в): 1 — поток
плазмы, 2 — область магнитного поля.
ния на аноде (вольт-амперная характеристика) (см. рис. 123, е) сле-
дует, что и при Ua = 0 электроны, эмиттируемые катодом, создают не-
большой ток. Силу тока можно увеличить, приблизив анод к катоду
и выполнив катод из материала, характеризующегося большой рабо-
той выхода, а анод — малой (рис. 66, а). Тогда внешняя контактная
разность потенциалов создаст между электродами поле, способствую-
щее движению электронов к аноду (рис. 66, б). Разогревается катод
за счет химической энергии сгорания топлива или за счет ядерной
реакции. Заметим, что электроды названы катодом и анодом по анало-
гии с вакуумным диодом. Для внешней цепи горячий электрод будет
положительным полюсом, а холодный — отрицательным.
Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) исполь-
зует энергию плазмы — ионизованного газа, получаемого при сгора-
нии топлива или какой-либо другой реакции. Струя плазмы, содер-
жащая движущиеся в одном направлении положительно и отрицатель-
но заряженные частицы, попадает в магнитное поле. На рисунке 66, в
Рис. 67. Традиционный
способ получения элек-
троэнергии при сгорании
топлива (а): 1 — камера
сгорания, 2 — тепловая
машина, 3 — генератор;
б — топливный элемент.
индукция магнитного поля направлена за
чертеж. Силы Лоренца отклоняют заряжен-
ные частицы в противоположные стороны;
эти частицы попадают на два разных кол-
лектора, которые и становятся положитель-
ным и отрицательным полюсами для внеш-
ней цепи.
В топливных элементах используется прин-
ципиально новый путь превращения энергии,
выделяющейся при сгорании топлива, в элек-
троэнергию. На существующих электростан-
циях (см. рис. 67, а) топливо сжигается в ка-
мере сгорания 1, имеющей КПД гц. Часть
полученной теплоты используется в тепло-
вой машине 2 с КПД т]2- Полученная меха-
ническая энергия затрачивается на враще-
ние генератора 3, где часть энергии с КПД
Из превращается в электроэнергию. Общий
КПД т] = ть'Пг'Пз мал, так как все т]г < 1,
72
Причем г|2 существенно меньше единицы и в принципе увеличен быть
не может.
На рисунке 67, б схематично показано действие топливного эле-
мента, в котором топливом служит кислород, а окислителем водород.
Молекула водорода, прежде чем соединиться с кислородом, превраща-
ется в положительные ионы, отдавая электроны катоду К. Аналогич-
но на атом кислорода переходят электроны с анода А, превращая его
в отрицательный ион. Заряды с электродов используются для питания
внешней цепи. Таким образом, в топливном элементе исключены про-
межуточные этапы и его КПД много выше.
§ 20. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА (НАПРЯЖЕНИЯ)
S
Рис. 68. Перемен-
ный резистор в ро-
ли реостата (а) и
потенциометра (б);
постоянный дели-
тель напряже-
ния (в).
Если напряжение источника тока или сила тока, которую от него
можно получить, не соответствуют тому напряжению или силе тока,
которые необходимы для работы потребителя, а мощность источника до-
статочна, дополучаемые от него напряжение и силу тока всегда можно
преобразовать с помощью преобразователей. К преобразователям
относятся реостат, делитель напряжения (потенциометр), трансфор-
матор, выпрямители, фазовращатели, различные преобразователи
постоянного тока в переменный или тока одной частоты в ток другой
частоты, а также*стабилизаторы тока, напряжения, частоты и т. д.
Простейшими преобразователями, с помощью
которых можно плавно уменьшать (и только умень-
шать!) напряжение на потребителе (а значит, и
силу тока), являются преобразователи на пере-
менном резисторе — реостат и потенциометр.
Включение резистора по схеме реостата (рис.
68, а) означает последовательное соединение ис-
точника тока, резистора и потребителя (нагруз-
ки). При этом часть напряжения источника при-
ходится на реостат, а на потребитель остается
Un — U — iRp, где U — напряжение источника,
Rp — сопротивление участка реостата ас, которое
можно регулировать, перемещая движок с. Ток
. • У
через потребитель также уменьшается: i—------,
₽п + 7?р
где Rn — сопротивление потребителя. Реостат не
может уменьшить Un и i до нуля.
На реостате указывается два параметра: соп-
ротивление и максимальная сила тока. Чтобы
уменьшить силу тока и напряжение па потреби-
теле в п раз, реостат должен иметь полное со-
противление, равное
RP = R„(n~ 1). (28)
Схема реостата непригодна для высокоомных пот-
ребителей, когда уже невозможно подобрать R?,
удовлетворяющее формуле (28), например, когда Rn -> оо.
73
Для снижения напряжения на потребителе и силы тока в нем может
быть использован и резистор, включенный по схеме потенциометра
(рис. 68, б). Переменный резистор (его называют в этом случае рео-
хордом или потенциометром) подключают клеммами а и b к источнику,
а потребитель Н подключают к клеммам с и Ь. Разность потенциалов U
распределяется по отдельным участкам резистора (реохорда) ab про-
порционально сопротивлениям R этих участков, так что на потреби-
тель подается напряжение Un = Ucb, составляющее от напряжения U
некоторую часть:
— = *4 (29)
U Rab 7
Для реохорда сопротивление пропорционально длине, поэтому Un —
= IjRcb — и —. Перемещая движок с, можно плавно менять
Rab ab
напряжение на потребителе от U до 0.
Но так будет при условии, если сопротивление потребителя дос-
таточно велико (много больше Rcb). В противном случае сопротивле-
ние между точками с и b следует считать сопротивлением параллель-
ного соединения Rcb и Rn . Оно, как известно, меньше меньшего из
них. И если Дп мало, оно шунтирует участок cb, на который теперь
приходится напряжение меньшее, чем U —. При передвижении коп-
аЬ
cb
такта с это напряжение теперь меняется не пропорционально —,
ab
т. е. не линейно. Если R„ Rcb, то на участке cb и на потребителе
напряжение практически равно нулю. Если попытаться увеличить
Un передвижением с к а, то на оставшийся малый участок ас будет
подано почти все напряжение U и этот участок может сгореть. По-
этому потенциометр годится для регулирования напряжения только
па высокоомном потребителе. Для низкоомных сле-
дует применять реостат.
Резистор для потенциометра подбирают по двум параметрам: по
сопротивлению и по силе тока. Его сопротивление должно быть доста-
точно большим, чтобы при подключении к источнику напряжением U
сила тока в резисторе не превысила бы допустимое значение. В то же
время это сопротивление должно быть много меньше сопротивления
потребителя.
Если нужно понизить напряжение на высокоомном потребителе,
но нет необходимости плавно его менять, применяется делитель на-
пряжения на двух постоянных резисторах (рис. 68, в).
Преобразователи на резисторах можно использовать в цепях как
постоянного, так и переменного тока невысокой частоты. Недостат-
ками этих преобразователей являются невозможность повышения на-
пряжения и силы тока и большие потери энергии. Их достоинством
является малая масса.
Преобразователем, позволяющим как понижать, так и повышать
напряжение (по только в цепях переменного тока), является транс-
форматор. Он состоит из двух или более катушек с проволочными об-
74
мотками на одном обычно замкну-
том железном или ферритовом сер-
дечнике (рис. 69, а — в). Одна из
обмоток называется первичной,
остальные — вторичными. Если на
первичную обмотку подать напря-
жение Ult а вторичную обмотку
оставить разомкнутой (холостой
ход трансформатора), то по первич-
ной пойдет ток ilt а в сердечнике
возникнет магнитный поток Ф си
со где щ— общее число вит-
ков первичной обмотки, ар. —
магнитная проницаемость сердеч-
ника (см. соленоид).
Поскольку -ток переменный, в
каждом витке всех обмоток возни-
кает ЭДС S = ——. Витки соеди-
dt
йены последовательно, поэтому
ЭДС в первичной обмотке равна
<?х = —Во вторичной обмот-
ке с п2 витками ЭДС индукции
р dd>
равна &2 — —п2—, так что на
dt
Si ni
холостом ходу — = —
Si П2
Индуктивность первичной об-
мотки L (ее индуктивное сопротив-
Рис. 69. Трансформатор с сердечника-
ми разного тина (а, б); обозначение
трансформатора на схемах (в); трех-
фазный трансформатор (г); соедине-
ние обмоток по схеме звезда / тре-
угольник (Э); схема автотрансформа-
тора (а).
ление зависит от «х и сечения же-
лезного сердечника) должна быть
достаточно велика, чтобы ток на
холостом ходу трансформатора был
бы достаточно малым. Поскольку г’х
зависит от подаваемого на первич-
ную обмотку Ult количество вит-
ков первичной обмотки зависит также от Uj_. Предельное значение
Ult которое можно подавать на первичную обмотку, является одним
из параметров трансформатора. При размыкании сердечника разбор-
ного трансформатора индуктивность L резко падает и подавать преж-
нее напряжение на первичную обмотку нельзя.
Очень малое значение силы тока ir при холостом режиме работы
означает, что — —Ux. Тогда
(30)
«г
Эта ЭДС и используется во вторичной цепи, содержащей нагрузку.
При небольших нагрузках (малых i2) U2 х, S2, так что отношение на-
75
Да
и.
пряжений
«2 , ry ,,
— = k. Это отношение называется коэффициентом
трансформации. Таким образом, t/2 может быть и больше (и много
больше) и меньше (повышающий и понижающий трансформаторы).
Потери энергии в трансформаторе невелики — только на нагрев
проводов и сердечника. Поэтому мощность, подводимая к первичной
обмотке Pr = iiUi, практически равна мощности, отдаваемой во вто-
ричную цепь: Р2 ~ i2U2 (КПД л? 100%). Отсюда
(31)
I j U 2 ?^2
т. е. трансформатор, повышающий напряжение в k раз, во столько же
раз уменьшает силу тока (понижающий трансформатор увеличивает).
В уменьшении или увеличении i2 и U2 по сравнению с и (Ди заклю-
чается задача трансформатора.
Чем больше Р та Рг « Р2, тем большие размеры имеют трансфор-
маторы. Поэтому передаваемая мощность — важный параметр транс-
форматора. Поскольку эта мощность относится к первичной и вторич-
ной цепям, трансформатор ее только передает, но не потребляет, она
условно указывается для трансформатора в вольт-амперах (В • А),
а не в ваттах. Если она на трансформаторе не указана, то можно грубо
оценить порядок ее величины для маломощных трансформаторов про-
мышленной частоты 50 Гц так: количество сотен вольт-ампер примерно
соответствует массе трансформатора,измеряемой в килограммах (транс-
форматор массой 3 кг способен питать потребитель мощностью до
300 Вт). С повышением рабочей частоты масса при той же мощности
трансформатора уменьшается, так как необходимое индуктивное со-
противление (oL обеспечивается за счет частоты о.
Таким образом, основными параметрами, по которым подбирается
трансформатор, являются коэффициент трансформации k, напряжение,
на которое рассчитана первичная обмотка Ult и общая пропускаемая
мощность в вольт-амперах (В • А).
Если имеется трансформатор с большим числом выводов и неиз-
вестно, каким обмоткам они соответствуют, следует прежде всего с
помощью омметра найти обмотку с наибольшим сопротивлением (и,
следовательно, с наибольшим числом витков), затем подать на эту об-
мотку переменное напряжение и измерить все напряжения па других
обмотках.
Для преобразования трехфазного тока используются трехфазные
трансформаторы с шестью обмотками (рис. 69, г). В каждой паре
обмоток фазовые напряжения связаны коэффициентом трансформации:
(7ф1 = Как первичные, так и вторичные обмотки соединяются
между собой либо по схеме «звезда» (у), либо по схеме «треугольник»
(Д). На рисунке 69, д приведен пример соединения Д/у, при котором
линейные напряжения связаны соотношением: £/Л1 = ]/31/ф2 =
= k /У(/ф, = k У~зиЛ1.
Автотрансформатор в отличие от трансформатора имеет всего
одну обмотку (рис. 69, е). Напряжение от источника подается на
витков (точки 1, 2), а снимается с п2 витков той же обмотки (точки 3, 4)
76
на нагрузку. Здесь используется не взаимная электромагнитная ин-
дукция, а самоиндукция. Токи первичной и вторичной обмоток сдви-
нуты по фазе приблизительно на л, т. е. частично компенсируют друг
друга. Это позволяет несколько уменьшить сечение общей части об-
мотки.
Перемещая движок, можно менять п2, а следовательно, выходное
напряжение 1/2. В этом есть внешнее сходство с потенциометром
(сравните рис. 69, е и 68, б). Однако принцип работы автотрансформа-
тора такой же, что и трансформатора, и отличен от принципа действия
потенциометра. В частности, автотрансформатор потребляет сравни-
тельно малую силу тока при холостом ходе. Автотрансформатор в
отличие от потенциометра нельзя использовать в цепях постоянного
тока. От автотрансформатора можно получить выходное напряжение
и больше входного, если п2 > nY.
Для предотвращения межвиткового замыкания движок должен
касаться каждый раз только одного витка. Следовательно, витки
должны быть редкими. Поэтому обмотка делается из небольшого чис-
ла витков, что уменьшает индуктивность, а следовательно, увеличивает
силу тока холостого хода- Частично это компенсируется большим се-
чением железного сердечника. В результате увеличивается масса
прибора.
Другой недостаток автотрансформатора связан с наличием общей
точки. Наличие общей точки приводит к тому, что не всякий провод
первичной или вторичной обмотки можно заземлять. Если в первичной
обмотке заземлить провод 1 (рис. 69, е), то провода 3 и 4, разность
потенциалов между которыми может быть невелика, окажутся под
высоким напряжением относительно земли. Это опасно, и кроме того,
ни один из проводов нельзя заземлять. Если же заземлен провод 2,
то в этом случае во вторичной цепи можно заземлять только провод 4,
ио не провод 3.
Автотрансформатор не применяется при больших коэффициентах
трансформации.
Выпрямители служат для преобразования переменного тока в по-
стоянный. В них используются вентили — элементы, пропускающие
ток только в одном направлении: полупроводниковые диоды, вакуум-
ные диоды (кенотроны), газотроны, принцип действия которых будет
дан в главе IV. Здесь рассмотрим только схемы их включения.
На рисунке 70, а дана схема однополупериодного выпрямления.
Соответствующий график выпрямленного (но пульсирующего) тока
дан на рисунке 70, е, кривая 1. Для того чтобы использовать вторую
половину периода, собирают мостовую схему из четырех вентилей —
схему Греца (рис. 70, б и кривая 2 на рис. 70, е). Независимо от того,
будет ли на верхней клемме «Д» или «—», ток в нагрузке будет всегда
одного направления.
Часто выпрямитель содержит трансформатор для повышения или
понижения напряжения. Если у вторичной обмотки трансформато-
ра есть отвод от средней части, то схему двухполупериодного выпря-
мления собирают так, как изображено на рисунке 70, в. К сожалению,
из-за наличия трансформатора увеличивается масса прибора.
77
Рис. 70. Выпрямители: а — однополупериодное выпрямление; б — мостиковая схе-
ма Греца; в — двухполуиериодное выпрямление с отводом от средней точки транс-
форматора; а — выпрямление с удвоением напряжения; д — сглаживающий ГС-
фильтр; е — графики тока после выпрямления (1 — однополупериодное выпрямле-
ние, 2 — двухполуиериодное, 3 — то же после фильтра).
Если потребляемый ток невелик, то можно повысить напряжение
в два раза и без трансформатора — с помощью схемы удвоения напря-
жения (рис. 70, г). В одну половину периода, когда на верхней клемме
плюс, заряжается только правый конденсатор, в другую половину
периода — только левый. Правый при этом не разряжается, этому
мешает вентиль. Поскольку конденсаторы соединены последовательно,
напряжения на них складываются. Существуют подобные схемы
утроения и дальнейшего умножения напряжения.
Пульсации выпрямленного тока обычно сглаживают, подключая
параллельно выходу конденсатор большой емкости (пунктир на
рис. 70, а). Более полное сглаживание дают ЕС-фильтры (рис. 70, д'),
в которых параллельно выходу ставят конденсаторы большой емкос-
ти, а последовательно — дроссель большой индуктивности. Дроссель
представляет собой большое сопротивление для переменной состав-
ляющей тока. Этот переменный ток проходит через конденсатор, а
постоянный через дроссель и нагрузку.
Напряжение на выходе выпрямителя и степень сглаженности за-
висят от силы тока нагрузки. Чем меньше сила тока, тем меньше пуль-
сации, а напряжение ближе к значению U — U3 V 2, где U3 — эф-
фективное значение напряжения переменного тока. Так, при неболь-
шой нагрузке и Ua — 220 В в схемах а и б (рис. 70) на выходе будет
/7 = 220 В . 300 В.
Преобразователи, повышающие напряжение постоянного тока,
построить сложнее, чем преобразователь, повышающий напряжение
переменного тока (трансформатор), и применяются они реже. Обыч-
78
но напряжение повышают, включая последовательно несколько ис-
точников постоянного тока. Чтобы повысить постоянное напряжение
во много раз, используют один из следующих преобразова-
телей.
Вибропреобразователь содержит электромагнит и притягиваю-
щийся к нему якорь. При прохождении тока через обмотку электро-
магнита якорь притягивается к нему и отходит от контакта; ток в це-
пи прерывается, якорь отпускается, снова касается контакта, снова
идет ток и т. д. После вибропреобразователя ток получается пульси-
рующим, хотя и текущим в ©дном направлении. Его можно считать
состоящим из постоянной и переменной составляющих. Напряжение
переменной составляющей можно теперь поднять с помощью транс-
форматора. При необходимости его можно затем выпрямить и сгла-
дить с помощью выпрямителя. На рисунке 71, а дана схема одного
из таких приборов, который называется катушкой Румкорфа. Она
представляет собой вибропреобразователь, совмещенный с повышаю-
щим трансформатором. С ее помощью можно
от источника постоянного тока с ЭДС в нес-
колько вольт получить переменное напряже-
ние до нескольких десятков киловольт.
В современной электронике такие прибо-
ры не используются из-за наличия механи-
ческих деталей — якоря и контакта. В бо-
лее совершенном приборе прерывание посто-
янного тока получают с помощью транзис-
тора (рис. 71, б). При включении источника
постоянного тока ток начинает течь по це-
пи эмиттер — коллектор р — п — p-транзис-
тора и по обмотке 1 трансформатора; воз-
растающий ток наводит возрастающий маг-
нитный поток Ф в сердечнике трансформатора.
В результате в обмотках 2 и 3 возникают
ЭДС S — —п —. ЭДС, возникающая в ка-
dt
тушке 2, даст на базу транзистора положи-
тельный сигнал, который закрывает тран-
зистор (отрицательная обратная связь). Ток
в цепи эмиттер — коллектор и обмотке 1
прекращается, поток Ф уменьшается, и в об-
мотке 2 возникает ЭДС индукции противо-
положного знака, снова открывающая тран-
зистор, и т. д. Таким образом, по обмотке 1
идет прерывистый ток. В результате в обмот-
ке 3 наводится переменный ток, который при
желании может быть выпрямлен. Тогда ЭДС
в зависимости от соотношения числа витков
в обмотках 1 и 3 получается заметно боль-
ше ЭДС батареи питания.
Вибропреобразователи и транзисторные
Рис. 71. Приборы, повы-
шающие напряжение по-
стоянного тока: а — виб-
ропреобразователь : (ка-
тушка Румкорфа);
б — транзисторный;
я — машинный (мотор-
генератор, умформер).
79
[
Рис. 72. Фазовращатель:
а — схема; б — вектор-
ная диаграмма.
преобразователи применяют для питания
только маломощных потребителей. В качестве
более мощных используют машинные преоб-
разователи — мотор-генераторы (умформеры)
(рис. 71, в).
К преобразователям также следует от-
нести устройства, плавно изменяющие фазу
колебаний переменного тока, — фазовраща-
тели.
Схема простейшего фазовращателя при-
ведена па рисунке 72, а: 7?! и R2 — два оди-
наковых резистора, С — конденсатор, R —
переменный резистор. Рассмотрим векторную
диаграмму напряжений на разных участках
этой схемы (рис. 72, б). Пусть вектор UBX
означает входное напряжение. С одной сто-
роны, его можно представить как сумму на-
пряжений на активных сопротивлениях
и /?2: + U2. С другой — как век-
торную сумму UR и Uc — напряжений на
резисторе R и конденсаторе С: UBX = UR 4- Uс- Но эти напряже-
ния сдвинуты относительно друг друга по фазе на 90°’ (Uc от-
стает по фазе от тока и от t//J. Это и отражено на рисунке. При изме-
нении R (или С) длины векторов UR и Uc будут меняться, но они всегда
должны образовывать между собой прямой угол и составлять в сум-
ме UBX. Отсюда следует, что точка А должна при этом перемещаться
по дуге окружности, диаметр которой — UBX. Найдем теперь С/вых.
Из рисунка 72, а следует, что это разность: 1/ВЪ1Х — 1Л — Uc, т. е.
t/Bb,x + Uс ~ Следовательно, 1/вых— это вектор, обозначенный
на рисунке 72, б пунктиром. Угол <р — это и есть требуемый сдвиг
—>
по фазе между (7ВХ и иаъ1Х. При изменении R он меняется от 0 до 180°,
амплитуда |67вых| не меняется и везде равна \/2 • |ПВХ|.
Стабилизаторы тока или напряжения обеспечивают постоянство
напряжения на потребителе или тока в нем. Это не одно и то же, так
как сопротивление потребителя может меняться и при постоянном на-
пряжении на потребителе ток в нем также может меняться. Поэтому
различают стабилизаторы напряжения и стабилизаторы тока
Грубо постоянную силу тока в цепи можно поддерживать с помо-
щью реле (рис. 73, а). При повышении силы тока обмотка реле 1
(включенная как амперметр) притягивает якорь и размыкает контак-
ты 2. Часть напряжения падает на резисторе 3 и сила тока в потреби-
теле 4 уменьшается. Это — реле тока. Если включить обмотку реле
параллельно потребителю (как вольтметр), то оно будет срабатывать
при превышении напряжения. Это — реле напряжения. И то и другое
80
Рис. 73. Стабилизаторы напряжения и тока: а — реле тока; б — газоразрядный
стабилизатор напряжения «стабиловольт»; в — стабилизатор тока с транзистором Т
и усилителем постоянного тока (УПТ); г, д — ферромагнитный стабилизатор пере-
менного напряжения и пояснение к нему; е — феррорезонансный стабилизатор
напряжения.
широко используется в мотоциклах и автомобилях для поддержания
более или менее постоянными силы тока и напряжения генератора,
питающего электрооборудование и подзаряжающего аккумуляторы.
В электронике для стабилизации напряжения используются ста-
биловольт (газоразрядная неоновая лампа), диод и другие нелинейные
элементы. Схема включения дана на рисунке 73, б. С развитием ин-
тегральных схем, уменьшением веса и габаритов усилителей постоян-
ного тока (УПТ) широко стали применяться более сложные схемы ста-
билизации. Схема транзисторного стабилизатора тока приведена на
рисунке 73, в. Потребитель питается через цепь эмиттер — коллектор
транзистора. Пропусканием транзистора управляет база, на которую
подается потенциал с выхода усилителя постоянного тока (УПТ).
На вход УПТ подается разность потенциалов с эталонного резистора,
которая зависит от силы тока. При усилении тока транзистор через
УПТ прикрывается. Так осуществляется обратная связь, поддерживаю-
щая ток постоянным.
В мощных цепях используются ферромагнитные и феррорезонанс-
ные стабилизаторы. Ферромагнитный стабилизатор состоит из двух
трансформаторов 7\ и Т2 (рис. 73, г). Трансформатор 7\ содержит
сердечник, который насыщается уже при слабом токе через обмотку.
Магнитный поток в сердечнике, а следовательно, и напряжение во
вторичной обмотке сначала меняются быстро, а затем насыщаются
и слабо зависят от силы тока в обмотке. В трансформаторе Т2 сердеч-
ник не насыщен, U2 меняется пропорционально i7BX, но во вторичной
обмотке витков немного и U2 невелико. Можно рассчитать трансфор-
маторы так, что графики t/j и U2 (рис. 73, д), начиная с некоторого
значения t/BX, пойдут параллельно. Если теперь включить обмотки
навстречу друг другу, то напряжения будут вычитаться и на выходе
будет £/вых = U-l — Uг = const, не зависящие от £/вх.
В феррорезонансном стабилизаторе (рис. 73, е) вместо основного
трансформатора ставится колебательный контур, работающий в ре-
жиме резонанса напряжений. Это дает большее ТА при меньшем весе
трансформатора. В остальном принцип действия тот же, что и в фер-
ромагнитном стабилизаторе.
§ 21. ПРОВОДА И ИХ СОЕДИНЕНИЕ
Провода служат для передачи электрических сигналов или элект-
роэнергии от источника тока к нагрузке по возможности без потерь.
Потери в проводе на постоянном токе или па низких частотах (при-
мерно до 105 — 10е Гц) в основном заключаются в нагревании провода.
В простейших случаях, когда в цепи нет проводников II рода, кон-
денсаторов, катушек индуктивности, а также, когда не учитывается
эффект Пельтье, мощность, идущая на нагревание провода, равна
P = iU = PR = U2!R. (32)
Естественно, сопротивление R должно быть минимальным.
Из металлов малое удельное сопротивление р имеют медь и алюминий.
Алюминий дешевле и легче, но р у него несколько больше, кроме того,
он менее пробен и не паяется. Алюминиевые провода применяются в
силовых линиях электропередачи. Для увеличения прочности не-
сколько алюминиевых проволок скручиваются с одной стальной.
В аппаратуре, имеющей много соединений, используются медные
провода. Для облегчения пайки монтажные медные провода часто
лудят (покрывают оловом).
Провод характеризуется двумя основными параметрами: предель-
ной допустимой силой тока и предельным допустимым напряжением
между проводом и изолированными от него деталями. Допустимая
сила тока определяется сечением проводов, а допустимое на-
пряжение — изоляцией. Сечение должно быть достаточным,
чтобы удовлетворять трем условиям: провод не должен нагреваться,
на нем не должно быть заметного падения напряжения и он должен
быть механически прочным. В зависимости от реальной ситуации ре-
шающим может быть какой-либо один из этих факторов. Так, сечение
медного провода без изоляции при силе тока до 100 А должно быть не
менее 0,1 мм2/А, т. е. провод может быть нагружен до 10 А/мм2, алю-
миниевые и стальные провода должны иметь большее сечение. Для
изолированного провода, а тем более свитого в жгут с другими про-
водами сечение должно быть увеличено. Медный провод без изоляции
плавится приблизительно при 200 А/мм2. Эта цифра может быть исполь-
82
a
a
зована при примерном расчете во-
лосков для изготовления плавких
предохранителей. Например, пре-
дохранитель на 10 А должен иметь
сечение около 0,05 мм2, т. е. диа-
метр около 0,2 мм.
Изоляция провода может быть
разнообразной.Для низких напря-
жений применяется лаковое по-
крытие («эмалированный провод»),
для более высоких — пластмассо-
вое покрытие, шелковая оплетка,
резина, тефлоновое (фторопласто-
вое) покрытие и т. д.
Если по проводу передается информация (сигналы), то внешние
электрические и магнитные поля, особенно высокой частоты или им-
пульсные, могут сильно искажать сигналы. Для предотвращения
помех провод одевают поверх изоляции в металлическую оплетку —
экран, потенциал которого поддерживается постоянным (соединяется
с корпусом прибора или с землей).
Группа изолированных друг от друга проводов, скрученных и
скрепленных вместе, называется жгутом, а каждый отдельный про-
вод в жгуте — жилой. Провода, заключенные в общую изоляцию,
экран или механическую защиту, образуют кабель.
Если нужно, чтобы провод был гибким и выдерживал большое
число изгибаний, не ломаясь, то неизолированные друг от друга про-
вода объединяют изоляцией в один провод.
Роль проводов могут играть и другие металлические части при-
боров (корпус, экран, шасси и т. д.). В электронике широко распро-
странены печатные платы, заменяющие монтажные провода. Пласгины
изолятора покрываются слоем меди, затем медь местами вытравлива-
ется так, что на поверхности платы остается ряд проводящих медных
каналов, соединяющих определенные точг^ друг с другом. К этим
точкам припаиваются навесные детали схемы: резисторы, конденса-
торы и т. д. (рис. 74).
Соединения проводов друг с другом и с другими элементами схем
могут быть постоянными, долговременными и временными. Постоян-
ные соединения — это соединения пайкой или сваркой. Менее надеж-
ное соединение — под болт (прижимное соединение). Соединение про-
водов скручиванием не допускается, так как оно малонадежное.
В современной микроэлектронике вообще отказываются от сборки
схем путем соединения различных элементов. Все или большая часть
элементов и все соединения изготавливаются в едином технологиче-
ском процессе, на одном кристаллическом основании (интегральные
схемы).
Долговременные соединения — это соединения при помощи за-
жимов или клемм, а также соединения типа штепсель — гнездо или
разъема. С их помощью можно соединять проводники и другие эле-
менты. Штепсель — это контакт в виде стержня, вставляемый с тре-
Рис. 74. Схема двухполупериодного
выпрямителя (а) и реализация на пе-
чатной плате с навесными деталями (б).
83
Рис. 75. Соединения: а — штепсель
1 — гнездо 2 н его обозначения на
схемах; б — разъем, в — обозначение
на схемах (1 — штепсельная часть,
2 — гнездовая, 3 — ключ); г — ру-
бильник; д — обозначения рубиль-
ника на схемах; е, ж — кнопочные
выключатели (е — замыкающая кноп-
ка; ж — размыкающая); з — шести-
полюсный переключатель полярно-
сти; и — многолозиционный пере-
ключатель; к — галетный переклю-
чатель ил — его обозначение на схе-
мах.
нием в гнездо (рис. 75, а). Если нуж-
но соединить один прибор с дру-
гим или один узел внутри прибора
с другим несколькими проводами,
используют разъемы разных типов.
Разъем состоит из штепсельной
и гнездовой частей. Чтобы соеди-
нение было правильным, в разъемах
всегда предусматривается ключ —
устройство, допускающее соедине-
ние только одним способом (рис.
75, б, в).
Для временных соединений ис-
пользуются ключи и всевозможные
переключатели (коммутаторы). Они
могут быть механическими, элек-
тромеханическими и электронны-
ми. Последние обеспечивают боль-
шую скорость коммутации (см.
электронные приборы).
Рассмотрим вначале механичес-
кие ключи. В сильноточных цепях
для замыкания тока использу-
ются разного типа рубильники
(рис. 75, г, д). При размыкании
цепей, содержащих большие индук-
тивности, вследствие самоиндук-
ции возникают большие экстратоки
размыкания. В результате в месте
разрыва может образоваться дуга,
оплавляющая контакты рубильни-
ка. Поэтому очень важно быстро
развести контакты на значительное
расстояние. С этой целью рычаг
(рукоятку) скрепляют с подвижным
контактом не непосредственно, а
через пружину, контакты же прижимаются друг к другу с трением
(рис. 75, г). Даже при плавном движении рукоятки пружина растя-
гивается, а затем рывком отсоединяет подвижный контакт от непо-
движного. Принцип преобразования плавного движения в рывок ис-
пользуется почти во всех пускателях, выключателях (в том числе
бытовых), тумблерах, кнопочных и клавишных переключателях
и т. д. Конкретные их конструкции разнообразны. Остановимся на
часто встречающихся схемах переключателей. Шестиполюспый
переключатель с перекрестным соединением крайних клемм (рис. 75, з)
используется для изменения полярности. На рисунке 75, и дан много-
дозиционный переключатель. Клавишные и галетные переключатели
позволяют осуществлять сложные переключения. В галетном переклю-
чателе (рис. 75, к, л) переключение осуществляется вращением ротора
84
/---цр_з
S
Рис. 76. Реверсивный пу-
скатель: а — схема ре-
версирования; б — уст-
ройство реверсивного
пускателя; в — его внеш-
ний вид.
относительно статора, на котором укреплены
контакты 1—12. При повороте ротора (см.
рис. 75, к) скользящий контакт 9 соединяет-
ся вместо контакта 12 с контактом 11, затем
10. На одну ось насаживается несколько та-
ких пар ротор — статор. Так что одним пово-
ротом ручки производится большое число пе-
реключений. '
Для пуска мощных двигателей и других
потребителей трехфазного тока используются
ручные реверсивные пускатели (рис. 76). Ру-
коятка реверсивного пускателя имеет три
устойчивых положения. Для изменения на-
правления вращения ротора трехфазного
двигателя необходимо поменять местами две
из трех фаз (рис. 76, а). Это достигается спе-
циальным соединением деталей ротора пуска-
теля (рис. 76, б). При повороте рукоятки и
ротора вправо провод 2 соединяется с проводом
2', а провод 3 — с 3'. При повороте влево
провод 2 соединяется с проводом 3', а 3—с 2'.
В цепях автоматики механические ключи
заменяются на различного типа реле.
Электромагнитное реле—прибор для вклю-
чения или выключения тока в управляемой
цепи (обычно мощной) посредством измене-
ния тока в управляющей цепи (обычно мало-
мощной). Реле в упрощенном виде и его обозначения иа схемах даны
на рисунке 77, а, б (1 — управляющая цепь, 2 — управляемая цепь,
К — управляющий ключ, К' — управляемые контакты, Р —обмот-
ка электромагнита реле). Условные обозначения Управляющей и
управляемой частей реле не обязательно должны изображаться на
схемах в одном месте. На рисунке 77, а показано реле «с поворотным
якорем». Применяются и реле с втяжиым якорем (см. электромагнит
с втяжным якорем). Положение якоря определяется соотношением
силы притяжения и возвращающей упругой силы (пружины или ме-
таллических полосок, на которых закреплены контакты /Со-
управляющая обмотка реле может питаться как постоянным, так
и переменным током, причем направление силы, действующей на
якорь, не зависит от направления силы тока (/’со i2). Однако в случае
переменного тока два раза за период (когда i = 0) магнит отпускает
якорь. Для предотвращения этого в реле переменного тока исполь-
зуются две обмотки на разных сердечниках, причем токи в обмотках
сдвинуты по фазе. (Одна из обмоток может быть короткозамкнутой —
ток создается в ней вследствие индукции;) Другой способ — примене-
ние выпрямляющих диодов.
Выбирают реле по следующим параметрам: разрывная мощность
(мощность, разрываемая в управляемой цепи); сила тока и напряже-
ние питания управляющей обмотки для срабатывания и отпускания
85
Mt
2 (они не одинаковы); вре-
мя срабатывания.
i , В последние годы по-
™ лучили распространение
герконовые ключи. В от-
качанной и запаянной
стеклянной трубке с
двумя вводами имеются
два лепестка из магни-
томягкого материала
(рис. 77, в). Если труб-
ку поместить в магнит-
ное поле, индукция ко-
торого В параллельна
оси трубки, то лепестки
намагничиваются и при-
тягиваются друг к дру-
гу, замыкая цепь уп-
равляемого тока I. Маг-
нитное поле может соз-
даваться, например, об-
моткой с управляющим
током Л Тогда в этом
электромагнитном реле
лепестки будут йграть
сразу три роли: якоря,
контактов и возвраща-
ющей пружины. Пре-
имущество этого вида
реле перед обычными—
малогабаритность и на-
дежность (контакты, на-
ходясь в вакууме, не
обгорают).
В поляризованном
реле применяется по-
стоянный магнит. В
этом случае положение
якоря зависит от на-
Рис. 77. Электромагнитные
реле: а — реле; б — изобра-
жение реле на схемах; в—
герконовый ключ; г, д — по-
ляризованные реле (NS—по-
стоянный магнит, 1— желез-
ный якорь, 2—управляющая
обмотка, 3, 4, 5 — контакты
управляемых цепей, 6 — возвращающая пружина); е — вибропреобразователь на
поляризованном реле; ж — шаговый искатель; з — магнитный пускатель.
86
правления (знака) тока. Поляризованное реле много чувствительнее
обычного (рис. 77, г, д,)
Поляризованное реле используется в вибропреобразователе, кото-
рый преобразует постоянный сигнал в переменный (рис. 77, е). Плюс
сигнала подается то на контакт а, то на контакт б с частотой /, так как
к якорю подводится переменный ток. Полученный переменный сигнал
пропускается через фильтр LC, настроенный на частоту f, а затем пода-
ется на усилитель переменного тока.
Разновидностью реле является шаговый искатель — реле с боль-
шим числом устойчивых положений (рис. 77, ж). При однократном
замыкании ключа К якорь поворачивает храповой механизм на один
зубец, в результате передвигая щетку щ, скользящую по шине 1,
с контакта т на контакт п. При размыкании и новом замыкании клю-
ча К шина 1 соединяется с контактом I и т. д. Таким образом, шина
оказывается соединенной с номером контакта, соответствующим числу
импульсов тока. С помощью таких шаговых искателей соединяются
абоненты па автоматических телефонных станциях.
Реле переменного тока используется в магнитном пускателе —
устройстве для включения станков и других потребителей трехфаз-
ного тока. Четыре ключа соединены друг с другом механически
(рис. 77, з). Три из них (/Съ Кг, К3) — силовые — для включения
трехфазной сети. При нажатии кнопки П («пуск») якорь Д втягива-
ется в катушку реле Р и замыкает все четыре контакта Ki, ., Кб..
Теперь кнопку «пуск» можно отпустить, так как ток в обмотку Р пой-
дет через контакты Кб (реле само себя держит в замкнутом положе-
нии). Для отключения достаточно разомкнуть цепь обмотки кнопкой
С («стоп»). Управляющие кнопки могут быть вынесены далеко от
управляемого устройства в удобное для управления место, их может
быть несколько в разных местах.
§ 22. РЕЗИСТОРЫ, КОНДЕНСАТОРЫ И ДРОССЕЛИ
*
Резистор — элемент цепи, обладающий активным сопротивлением.
Он используется для ограничения тока в цепи, является частью по-
стоянного делителя напряжения и более сложных схем. Переменный
резистор используется в схемах реостата, потенциометра и т. д.
Параметрами, по которым выбирают резистор, являются его со-
противление и наибольшая допустимая мощность, расходуемая на
нагревание резистора (она рассеивается в виде теплоты в окружающее
пространство, см. формулу 32). Эта так называемая номинальная мощ-
ность указывается в паспорте резистора. Размеры резистора в основ-
ном определяются вторым параметром. Резисторы делаются на
рассеиваемую мощность от сотых долей ватта (размер около 1 мм) до
десятков киловатт (около 1 м). В радиотехнике наиболее часто исполь-
зуются резисторы номинальной мощности 0,1—1 Вт. Обычный де-
монстрационный реостат размерами около 1—2 дм способен, не пере-
греваясь, рассеивать мощность до 100 Вт. Для грубых оценок: допу-
стимая мощность пропорциональна квадрату габаритов I, т. е. площади
поверхности: Р (Вт) ос Р (см2). Вместо номинальной мощности на
87
Рис. 78. Резисторы:
а, б — постоянные про-
волочный и непроволоч-
ный резисторы; в, г —
их изображение на схе-
мах; д — переменный ре-
зистор; е — его изобра-
жение на схемах;
Ж — магазин сопротив-
лений.
мощных резисторах, например на реостатах,
указывают наибольшую допустимую (номи-
нальную) силу тока. Эти номиналы связаны
между собой соотношением (32).
Сопротивление является основным пара-
метром резистора. Диапазон его значений
огромен — от ничтожных долей ома до те-
раома (1 ТОм = 10’2 Ом) и более.
Резисторы также характеризуются тем-
пературным коэффициентом сопротивления
(ТКС) и уровнем шумов. Оба эти параметра
должны быть по возможности минимальными.
Резисторы делают в основном двух типов:
проволочные и непроволочные. Проволочные
резисторы представляют собой керамический
теплостойкий каркас (рис. 78, а), иа который
наматывается проволока с большим удельным
сопротивлением и малым ТКС. Обычно ис-
пользуются специальные сплавы меди, ни-
келя, хрома и железа с добавками марган-
ца: нихром, никелин, манганин, константан.
Наибольшее удельное сопротивление имеет
нихром (1,1 Ом • мм2/м), наименьший ТКС —
константан (4 10-8 К"1), в то время как у
большинства металлов р~10"х—10-2 Ом-мм2/м,
а ТКС порядка 10-3К-1. Постоянные прово-
лочные резисторы номинальной мощностью
5—100 Вт обычно покрываются стеклообраз-
ным слоем.
В переменных резисторах имеется подвижный контакт — движок.
В цепях переменного тока высокой частоты проволочные резисто-
ры не применяются, так как они имеют заметную индуктивность.
Непроволочные резисторы (обычно меньшей мощности, чем про-
волочные) представляют собой керамические цилиндры небольших
размеров, на которые нанесен углеродистый или тонкий металличе-
ский слой (рис. 78, б). Для увеличения сопротивления делается спи-
ральный разрез слоя. После присоединения отводов готовый резистор
покрывают слоем лака.
Переменные резисторы небольшой номинальной мощности от 0,1
до 10 Вт делаются круглыми (рис. 78, д). Движок такого резистора
перемещается по проводящему слою поворотом рукоятки. Для рези-
сторов указанного типа важно знать закон, по которому изменяется
сопротивление между одним из концов и движком. Оно может нара-
стать пропорционально углу поворота (линейный резистор), но часто
меняется и по другому закону — быстрее или медленнее (соответствен-
но показательный или логарифмический резисторы). В радиотехнике
такой переменный резистор используют и как переменный делитель
(потенциометр), и как реостат.
Круглый или прямолинейный проволочный резистор с сопротив-
88
лением, меняющимся пропорционально углу поворота или длине,
называется реохордом. Реохорд применяется в измерительных при-
борах — мосте и измерительном потенциометре. Чем больше длина
реохорда, тем точнее выполняются измерения.
Набор эталонных резисторов с переключателями, позволяющими
устанавливать любое сопротивление от нуля до некоторого макси-
мального, называется магазином сопротивлений.
Терморезистор (термистор) — это полупроводниковый резистор,
сопротивление которого существенно зависит от температуры (умень-
шаясь при ее увеличении). Термистор выполняется в виде бусинки,
цилиндрика или пленки с двумя проволочными отводами. Термисторы
используются как датчики температуры в цепях автоматического
управления и температурной стабилизации. Величина — может
иметь значение до 10"2 К-1. Существуют резисторы, сопротивление
которых с нагреванием возрастает (позисторы).
Фоторезистор меняет свое сопротивление при освещении. Это
один из распространенных приемников света.
Нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от при-
ложенного к ним напряжения, называются варисторами. В этих
резисторах намеренно усилены отклонения от закона Ома / = U/R(U),
так что сила тока не пропорциональна напряжению (обычно возра-
стает быстрее, чем напряжение). Варисторы используются для стаби-
лизации напряжения.
Конденсатор — элемент электрической цепи переменного тока,
служащий для накопления зарядов. Используется свойство снижения
потенциала заряженного тела при приближении к нему другого тела
с зарядом противоположного знака.
Основным параметром конденсатора является его электрическая
емкость С. Она определяется зарядом, который способен удержи-
ваться на одной из пластин конденсатора, когда разность потенциалов
между пластинами равна 1 В: С = Q/U.
Для плоского конденсатора
С= , (33)
d
где S — площадь пластин, d — расстояние между ними, е — диэлек-
трическая проницаемость вещества между пластинами, а е0 = 8,85 X
Х10~12 Ф/м. Измеряется емкость в фарадах. На практике использу-
ются конденсаторы емкостью от 103 мкФ до 0,1 пФ.
Вторым важным параметром конденсатора является его электри-
ческая прочность, т. е. максимальное напряжение, на которое рассчи-
тан конденсатор. Прочность определяется, главным образом, толщи-
ной слоя диэлектрика между пластинами. Однако чем больше эта
толщина, тем больше объем и масса конденсатора.
Кроме того, конденсатор характеризуется температурным коэф-
фициентом емкости (ТКЕ), желательно минимальным, и тангенсом
угла диэлектрических потерь tg 6 (или добротностью 1/tg 6). Эгой
величиной учитывается выделение теплоты в конденсаторе при про-
89
а в б
г ’ д
Рис. 79. Конденсаторы: а — устройст-
во бумажного конденсатора; б — кон-
денсатор переменной емкости;
в — подстроечный керамический кон-
денсатор; г — электролитический
конденсатор {1, 2 — металлические
электроды, 3 — электролит, 4 — ок-
сидный слой); д — оксидный конден-
сатор.
Хождении через него переменного
тока. Она должна быть по возмож-
ности минимальной. Существенна
также утечка конденсатора — со-
противление его изоляции.
Свойства конденсатора в ос-
новном определяются диэлектри-
ком. Конденсаторы могут быть
воздушными (вакуумными), бу-
мажными, слюдяными, керамичес-
кими, фторопластовыми (тефлоно-
выми), сегнетоэлектрическими
и т. д. Чаще всего конденсатор из-
готавливают из двух металличес-
ких лент, между которыми проло- •
жен ленточный диэлектрик (рис.
79, а). В металлопленочных кон-
денсаторах на тонкую ленту ди-
электрика напыляется с обеих сто-
рон слой металла. Затем ленты
скручиваются в рулон и уклады-
ваются в металлическую коробку.
В конденсаторах переменной емкости одна пластина (или группа
пластин) смещается относительно другой пластины (группы пластин,
рис. 79, б). В формуле емкости плоского конденсатора (33) величина S
(для данного конденсатора) — не площадь пластин, а площадь вза-
имодействующей части пластин. Поэтому при относи-
тельном сдвиге пластин емкость меняется. Диэлектриком служит чаще
всего воздух. Для воздушного конденсатора важно, чтобы пластины
не задевали друг друга, поэтому расстояние d между пластинами сде-
лать достаточно малым не удается. В результате емкость переменного
воздушного конденсатора обычно не превышает 600 пФ.
Для увеличения емкости или уменьшения габаритов конденсатора
между пластинами прокладывают тонкую пленку фторопласта. Тогда
пластины можно прижать друг к другу, обеспечив все же возможность
их скольжения друг относительно друга.
Для того чтобы емкость менялась по определенному закону (ли-
нейному, квадратичному, обратноквадратичному), подвижные пла-
стинки делают специальной формы.
Полупеременные керамические конденсаторы обычно имеют не-
большую емкость; они используются в схемах для подстройки. Чтобы
изменить емкость, нужно повернуть отвёрткой верхний диск отно-
сительно нижнего (рис. 79, в).
Электролитические конденсаторы обладают гораздо большей ем-
костью, чем рассмотренные выше. Их устройство напоминает устрой-
ство бумажных или пленочных конденсаторов (рис. 79, а), но вместо
изолирующей бумаги между металлическими лентами прокладыва-
ется пористая бумага, пропитанная проводящим раствором (электро-
литом), роль же изоляции выполняет тончайший слой оксида, покры-
90
вающий один из электродов (рис. 79, г). Такой конденсатор полярен.
На него можно подавать напряжение только так, как показано на
рисунке. При несоблюдении полярности кислород в результате элек-
тролиза уходит из оксидного слоя. Этот слой становится тоньше и
пробивается. Поэтому электролитические конденсаторы нельзя ис-
пользовать в цепях со знакопеременны.м напряжением. Чаще всего
их ставят в сглаживающих фильтрах, выпрямителях.
Менее чувствительны к нарушению полярности оксидные конден-
саторы без электролита, в которых поверх оксидного слоя напыляется
слой металла — второй электрод (рис. 79, 5). Для изготовления элек-
тролитических и оксидных конденсаторов используется алюминиевая
фольга, покрытая слоем оксида алюминия А12О3. Теперь применяют
также тантал, титан или ниобий.
Особое место занимают нелинейные конденсаторы, т. е. конденса-
торы, в которых заряд и потенциал не пропорциональны друг другу.
Иными словами, в формуле Q = CU коэффициент С является функцией
от поданного напряжения: С([/). К нелинейным конденсаторам от-
носятся вариконды и варикапы.
Вариконды — конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика
используются керамические сегнетоэлектрики, обладающие очень
большой диэлектрической проницаемостью е (до 103—10'1), что обе-
спечивает малогабаритность конденсатора. Вариконд—управляе-
мый конденсатор, его емкость зависит от величины управляющего на-
пряжения U. Это используется в цепях автоматической настройки.
Однако зависимость е от температуры и сравнительно большие поте-
ри ограничивают область применения варикондов.
Катушка индуктивности и дроссель, как и конденсатор, использу-
ются в цепях переменного тока. Это соленоид с сердечником или без
него (см. раздел «Магнитные приборы»), который является либо эле-
ментом колебательного контура, либо применяется для создания ин-
дуктивного сопротивления переменному току (переменной составляю-
щей тока). В первом случае его называют катушкой индуктивности,
во втором — дросселем.
При прохождении переменного тока в катушке индуктивности воз-
никает ЭДС самоиндукции (в каждом витке S = — —, в N последо-
dФ
вательно соединенных витках — 8 — —N —, где Ф — магнитный
dt
поток через витки: Ф — • dS). Катушку характеризуют парамет-
$
ром L (индуктивность катушки), который определяется как коэффи-
циент пропорциональности в формуле
— L-. (34)
dt ' '
Индуктивность L измеряется в генри (1 Гн = 1 В • с/А).
Индуктивность бесконечно длинного соленоида или тороида
(рис. 80, а) (поле считается однородным) равна
L = pup№p (35)
91
Рис. 80. Катушки индуктивности
(дроссели).
где ц0 — магнитная проницаемость
вакуума (ц0 = 1,26 • 10"6 Гн/м);
ц — магнитная проницаемость ма-
териала сердечника; S — площадь
сечения соленоида; I — длина со-
леноида.
Для коротких катушек (рис.
80, б) точной формулы не существу-
ет. Индуктивность рассчитывается
в таких случаях по приближенным
выражениям;
D2
~ РоН D/3 + z +1
(36)
Здесь D — средний диаметр катушки. Величина ц* меньше обычной
магнитной проницаемости материала сердечника и зависит от формы
катушки, а также от положения сердечника (вставлен или выдвинут
сердечник из катушки). Последнее обстоятельство используется при
изготовлении катушек переменной индуктивности. Следует также
отметить, что в ферромагнитных сердечниках величина ц (а следова-
тельно, ц*) зависит от индукции магнитного поля, т. е. от силы тока i.
На частотах порядка 1 кГц в качестве материалов для сердечников
используют ферриты, а при радиочастотах — магнитодиэлектрики,
для которых ц* обычно порядка нескольких единиц. Например, ка-
тушка размером примерно 1 см с N — 100 витков имеет индуктив-
ность порядка 1 мкГн. Индуктивность же первичной обмотки на 220 В
силового трансформатора средних размеров порядка нескольких
генри.
Для катушек индуктивности, применяемых в колебательных кон-
турах, важным параметром является добротность Q — отношение
индуктивного сопротивления к активному сопротивлению: Q =
= (oL/R. Для высокочастотных катушек Q порядка 20—200.
Для дросселей, кроме их индуктивного сопротивления aL, важно
еще предельное значение силы тока, на которую они рассчитаны. От
этого параметра зависят размеры и масса дросселя.
§ 23. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Нагрузка (потребитель электроэнергии) как элемент электрической
цепи характеризуется следующими параметрами:
1. Номинальное напряжение — напряжение, на ко-
торое она рассчитана.
2. Если нагрузка активная (не содержит емкостей и индуктив-
ностей), то основным ее параметром является активное сопро-
тивление R, определяющее силу тока i = UIR и мощность, вы-
деляющуюся на нагрузке Р = LPIR. Однако следует сразу оговорить,
что при изменении U величина R обычно меняется, например за счет
нагревания. Для большинства нагрузок (печи, лампы накаливания,
газосветные лампы) формула i — U/R уже не означает пропорцио-
92
нальность силы тока напряжению, т. е. закон Ома не имеет места,
поскольку R зависит от температуры, которая, в свою очередь, за-
висит от напряжения U. Сопротивление, например лампы накали-
вания, в рабочем состоянии в несколько раз больше, чем в холодном;
газосветной, напротив, во много раз меньше. Поэтому указывать со-
противление лампы бессмысленно. Можно говорить только о сопро-
тивлении при номинальном напряжении. Нель-
зя, например, присоединив последовательно к источнику тока две
лампы вместо одной, считать, что сопротивление увеличилось в
2 раза.
3. То же относится и к такому параметру, как мощность
потребителя. Имеет смысл говорить только о номинальной мощности,
т. е. мощности при номинальном напряжении.
4. Если нагрузка содержит индуктивность или емкость, то при
питании переменным tokoiM напряжение и ток не совпадают по фазе.
Такая нагрузка характеризуется полным сопротивле-
нием — импедансом Z и сдвигом тока по фазе относительно напря-
жения, т. е. к о э ф ф и ц и е н т о м мощности cos ф. Вычисля-
ются Z и cos ф по значениям С, L и R с помощью векторных диаграмм.
Мощность, потребляемая такой нагрузкой от источника переменного
тока, равна Ра = iU cos ср. Это активная мощность. Она переходит
в нагрузке в теплоту и другие виды энергии. Кроме того, к такому по-
требителю подводится мощность, которая возвращается источнику.
Эю реактивная мощность Рр = iU sin ф. Примером сложной нагруз-
ки (и активной, и реактивной) является электродвигатель перемен-
ного тока.
Электродвигатели (электромоторы) могут быть как постоянного,
так и переменного тока. Они подробно рассматриваются в курсе элек-
тротехники. Мы рассмотрим толь-
ко основные принципы их действия.
Наиболее распространенным
двигателем постоянного тока явля-
ется коллекторный, главная часть
которого рамка с коллектором (ба-
рабан с разрезами). Рамка поме-
щена в поле постоянного магнита
или электромагнита (рис. 81, а).
На верхний и нижний провода рам-
ки действует сила Ампера Fa =
(i7) X В. Эта пара сил поворачи-
вает рамку. После поворота на 90°
надо, изменить направление тока в
рамке. Это обеспечивается коллек-
тором и контактными щетками.
Иначе рамка будет поворачивать-
ся в обратном направлении.
Вращающаяся часть (рамка
или много рамок с коллектором)
м м
'нех
S г
Рис. 81. Коллекторный двигатель по-
стоянного тока: а — принцип дейст-
вия; б — шунтовый двигатель;
в — сериесный; г — зависимость ско-
рости вращения от механической на-
грузки (III — для шунтового двигате-
ля, С — для сериесного, — для
компаундного).
93
называется якорем (или ротором), а неподвижный электромагнит,
создающий магнитное поле, — индуктором (или статором).
При подведении к якорю двигателя напряжения U в обмотке
якоря возникнет ток 1Я . Если не давать возможность якорю вращать-
ся, то этот ток будет равен 1Я = U/Rx . Поскольку сопротивление
якоря Rn мало, ток 1Я будет очень велик и обмотка якоря может сго-
реть. Если же якорь отпустить, то его обмотка будет пересекать линии
индукции магнитного поля и в ней возникнет ЭДС, которая создаст
ток, направленный противоположно току якоря. Эта ЭДС называется
п роти воэл е ктр од в и ж у ще й силой. В результате ток
якоря уменьшается
п__
• _" (о
я Rn
Подставив значение S из формулы (27), получаем, что угловая ско-
рость вращения якоря
(37)
(38)
/7 — InRn
0) со---—
В
откуда следует, что «(уменьшается с ростом В (а не увели-
чивается, как иногда интуитивно кажется). Таким образом, для регу-
лирования скорости вращения (числа оборотов в минуту п= —60)
\ 2л /
можно менять либо U, либо В, т. е. ток в электромагните (ток возбуж-
дения). Механический момент на валу двигателя М = F • 2г прямо
пропорционален В и гя .
И якорь, и индуктор чаще всего питают от одного и того же источ-
ника (хотя встречаются и схемы с независимым возбуждением). При
питании от одного источника якорь и индуктор можно соединить либо
параллельно (шунтовой двигатель, рис. 81, б), либо последовательно
(сериесный двигатель, рис. 81, в). Характеристики этих двигателей
различны. На рисунке 81, г показана зависимость скорости вращения
мотора п от механической нагрузки Ммех. В шунтовом двигателе при
U = const скорость вращения почти не зависит от Миек, а при неко-
тором значении А4тах двигатель резко останавливается. Такой дви-
гатель применяется в тех случаях, когда надо менять скорость вра-
щения, например изменением напряжения U или силы тока в цепи
возбуждения (путем введения в эту цепь реостата). В сериесном дви-
гателе п плавно падает с увеличением Ммех, без механической на-
грузки п стремится к бесконечности (двигатель «разносит»). Сериесный
двигатель применяется на транспорте (трамвай, троллейбус), так
как, с одной стороны, малых механических нагрузок там не бывает,
с другой — чем меньше п (скорость трамвая), тем большее механиче-
ское усилие А4мех развивает этот двигатель. В лабораторном экспе-
рименте он неприменим. Для получения средних характеристик в
двигателях используют и шунтовую, и сериесную обмотки (компаунд-
двигатель).
В момент пуска электродвигателя (при подключении певращаю-
щегося двигателя к источнику тока) возникает очень большой пуско-
94
i д е ж
Рис. 82. Двигатели переменного тока
с вращающимся магнитным полем:
а — вращение постоянного магнита
вслед за вращающимся магнитным
полем; б — синхронный трехфазный
двигатель; в — асинхронный трех-
фазиый двигатель; г — однофазный
асинхронный двигатель; д — двух-
фазный; е — двухфазный с коротко-
замкнутой обмоткой; ж — располо-
жение проводов в роторе 1 и статоре 2
асинхронного двигателя.
вой ток, так как противоэлек-
тродвижушаяся сила равна ну-
лю. Для ограничения этого то-
ка двигатель подключается че-
рез пусковой реостат, который
выводится постепенно, по мере
увеличения числа оборотов. Без
пускового реостата можно за-
пускать только электромотор
малой мощности.
Наиболее распространенны-
ми являются электродвигатели
переменного тока с вращающим-
ся магнитным полем. Если со-
здать магнитное поле, вектор ин-
дукции которого будет повора-
чиваться с некоторой угловой
скоростью, то постоянный маг-
нит, стремящийся ориентиро-
ваться по полю, будет повора-
чиваться вслед за полем (рис.
82, а). Вращающееся магнитное
поле можно получить, располо-
жив в пространстве под углом
120° три неподвижные катушки
(рис. 82, б) и создав в них пере-
менный трехфазный ток (катуш-
ки соединяются между собой и с источником тока по схеме «звезда» или
«треугольник», токи в них сдвинуты по фазе на 120°, и поэтому пооче-
редно то одна, то другая катушки создают, например, северный полюс).
Вместо постоянного магнита можно использовать рамку с постоянным
током. Такой двигатель называется синхронным, так как рамка враща-
ется вслед за магнитным полем стой же угловой скоростью. Можно рам-
ку закоротить (рис. 82, в). Так как во вращающемся магнитном поле по-
ток вектора В через рамку будет меняться, то в ней будет наводиться
ЭДС индукции S — — ^5, поэтому возникнет ток. Согласно правилу
Ленца, этот ток будет направлен так, что своим магнитным полем бу-
дет препятствовать изменению потока Ф через рамку. В результате
рамка будет поворачиваться вслед за полем. Однако в
этом случае возможно некоторое отставание вращения рамки от вра-
щения В, особенно если ось рамки притормаживать (механически на-
гружать). Такой двигатель называется асинхронным. Это отставание
(скольжение) незначительно, не более 2—6%, поэтому скорость вра-
щения двигателя почти точно определяется частотой тока f и числом
троек неподвижных катушек р: п = —- (об/мин). Есть двигатели
Р
на 3000, 1500, 1000 об/мин.
95
а
8\
6
Рис. 83. Линейный (а) и синхронный
реактивный электродвигатели (б).
Маломощные асинхронные дви-
гатели с короткозамкнутым ро-
тором могут быть и однофазными.
Пусть катушка (рис. 82, г) создает
переменное по времени магнитное
поле, вектор индукции которого В
всегда направлен вертикально. Его
можно представить как векторную
сумму двух векторов, вращающих-
ся во взаимно противоположных
направлениях. Если рамку подтолк-
нуть в какую-либо сторону, то
в результате различного ее взаи-
модействия с этими вращающимися
полями она будет продолжать вра-
щаться за одним из полей. Для за-
дания определенного направления
вращения ставят дополнительную обмотку, в которой ток каким-либо
образом сдвинут по фазе (рис. 82, 5). Такой двигатель по принципу
действия двухфазный, но для него достаточно однофазного питания.
Для изменения направления вращения достаточно поменять концы
вспомогательной обмотки. В маленьких моторчиках эту обмотку де-
лают короткозамкнутой, возникающий в ней ток индукционный (он
всегда сдвинут по фазе), направление вращения изменить нельзя
(рис. 82, е).
Во всех асинхронных двигателях используется не одна рамка, а
много. Образованный ими короткозамкнутый ротор носит название
«беличьего колеса» (рис. 82, ж). Обмотки, питаемые от сети и создаю-
щие вращающееся магнитное поле, укладываются в пазах непод-
вижной части мотора — в статоре.
Обмотки статора могут быть уложены не по окружности, а вдоль
прямой линии, например под рельсами железной дороги (рис. 83, а).
Такие катушки могут создать магнитное поле, бегущее вдоль линии
(равномерно или с ускорением). Это поле способно увлекать за собой
поезд, в котором проложены короткозамкнутые провода. Так устроен
линейный электродвигатель. Можно витки, создающие бегущее маг-
нитное поле, укладывать в поезде, а короткозамкнутые контуры —-
между рельсами.
В реактивных синхронных двигателях (например, в электрофонах
для вращения грампластинки) статор имеет большое число зубцов,
на которых расположена трех- или двухфазная обмотка, создающая
вращающееся магнитное поле. Ротор — стальной диск с зубцами, но
без обмоток (рис. 83, б). Число зубцов у ротора больше, чем у стато-
> 1 **
ра. Когда вектор В повернется в положение В', зубец2' будет стремить-
ся занять положение против полюса 2, в результате диск ротора по-
вернется на небольшой угол. Преимущество этого двигателя в малой
скорости вращения и в ее постоянстве.
S6
§ 24. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
Электроизмерительными приборами называют приборы различных
систем, измеряющие такие величины, как силу тока, напряжение,
заряд, частоту тока, разность фаз, работу тока и т. д. Электроизмери-
тельные приборы могут быть основаны на механическом перемещении
подвижной части со стрелкой или зеркалом под действием электриче-
ских или электромагнитных сил. Такие приборы называют электроме-
ханическими. Электромеханические приборы постепенно вытесняются
электронными. Однако в настоящее время довольно часто в приборах
сочетаются электронные и электромеханические узлы. Например,
усилитель — электронный прибор, но напряжение на выходе может
измеряться электромеханическим вольтметром.
Если стрелка или световой указатель плавно перемещается по
шкале и показания прибора являются непрерывной функцией изме-
ряемой величины, то такие приборы называются аналоговыми в от-
личие от цифровых (см. § 42 «Цифровые приборы»). Аналоговые при-
боры постепенно вытесняются цифровыми.
В электромеханических измерительных приборах указатель (стрел-
ка) обычно укреплен на поворачивающейся в подшипниках оси
(рис. 84). Чтобы сила тяжести, действующая на стрелку, не оказывала
влияния на ее положение, используются противовесы. В отсутствие
электрических или электромагнитных сил стрелка удерживается в
нулевом положении спиральной пружинкой. Под действием сил,
создающих вращающий момент, пружинка сжимается и ось со стрел-
кой останавливается в новом положении (измерение). По прекраще-
нии действия сил пружинка возвращает ось и стрелку в начальное
нулевое положение. Для более точной установки стрелки на нуль слу-
жит корректор — устройство,
на котором закреплен внешний
конец пружинки. Для успокое-
ния колебаний стрелки служит
демпфер. Это может быть воз-
душный поршневой демпфер, в
котором воздух с трением про-
ходит в зазоре между поршнем
и цилиндром, а может быть
магнитоиндукцйоцный демпфер—
алюминиевая пластина, качаю-
Рис. 84. Детали механической части
стрелочного прибора: 1 — ось,
2 — подшипники, 3 — активное уст-
ройство, поворачивающее ось и
стрелку, 4 — стрелка-указатель,
5 — противовесы, 6 — возвращающая
пружинка, 7 — корректор, 8 — порш-
невой демпфер, 9 — магнитоиндук-
ционный демпфер.
щаяся между полюсами постоян-
ного магнита. В пластине наво-
дятся индукционные токи, на-
правленные так, что своим
магнитным действием препятст-
вуют тому движению, в результа-
те которого они возникли. В ряде
приборов специальный демпфер
не нужен (см. гальванометр).
4 Заказ 771
97
Существуют различные актив-
ные устройства 3, поворачивающие
ось электромеханического изме-
рительного прибора (рис. 84).
В зависимости от принципа
действия этого устройства прибо-
ры делятся па магнитоэлектриче-
ские, электромагнитные, электро-
динамические и т. д. Эти системы
электроизмерительных приборов
различаются конструкцией, гра-
дуировкой шкалы (линейная, квад-
ратичная и т. д.), чувствительно-
стью, точностью, потребляемой
энергией, стоимостью, устойчиво-
стью к внешним воздействиям.
Чувствительность стрелочного при-
бора определяется отношением
da/di или da/dU, где а—угол пово-
рота стрелки.
§ 25. ПРИБОРЫ
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ
В магнитоэлектрических прибо-
рах на оси крепится рамка с не-
сколькими витками провода(рис. 85,
а). Рамка находится в магнит-
г
Рис. 85. Прибор магнитоэлектрической
системы: а, б — рамка с током в маг-
нитном поле; в — схема прибора
(1 — рамка, 2 — каркас рамки,
3 — железный магнитопровод,
4 — постоянный магнит); г — к вы-
воду уравнения шкалы магнитоэлект-
рического прибора.
ном поле постоянного магнита. Магнитное поле действует на проводник
с током с силой Ампера РА — (il) X В, где i — сила тока, которая
должна быть измерена, В — магнитная индукция. Поскольку прово-
да а и b перпендикулярны В, то F,\ = ИВ. Эта сила создает вращаю-
щий момент М = г X Fa , модуль которого равен М —rFA sin ср =
= rFA cos а0, где а0 — угол между плоскостью рамки и вектором В
(рис. 85, б). Учитывая, что у рамки две стороны и в каждой по п про-
водов, получаем:
М = 2r (ini В) cosa0 = nSBicosa0,
(39)
где S — площадь рамки.
Для однородного поля (В ±= const) угол а0 равен углу поворота
рамки а (рис. 85, б).
В магнитоэлектрических приборах внутри рамки помещают желез-
ный якорь, чтобы увеличить магнитный поток через рамку. Рамка
поворачивается в узком зазоре между полюсами и якорем (обычно не-
подвижным). В этом случае при повороте рамки на угол а значение а0,
98
как видно из рисунка 85, г, не меняется и cos <х0 = 1 при изменении а
в широких пределах.
Под действием момента Л4 рамка поворачивается на угол а. Даль-
нейшему вращению препятствует сила упругости закрученной пру-
жины, создающая противодействующий момент, пропорциональный
углу поворота: М' = ka. Рамка останавливается, когда М — М',
т. е.
BSn .
а = — i
k
(40)
Эта формула называется уравнением шкалы. Из нее следует, что угол
поворота рамки а пропорционален силе тока в первой степени.
Чувствительность магнитоэлектрических приборов может быть
очень большой, так как индукция В магнитного поля велика (для
гальванометров — до 108 рад/А). При изменении направления тока,
как видно из формулы (40), а изменяет свой знак, т. е. рамка повора-
чивается в обратную сторону. Поэтому прибор пригоден только для
измерений в цепях постоянного тока. При переменном токе частотой
в несколько герц стрелка не будет успевать колебаться и останется в
нулевом положении (см., однако, вибрационный гальванометр). Для
работы в цепях переменного тока в прибор может быть встроен вы-
прямляющий вентиль (детектор).
Магнитоэлектрические приборы точны, потребляют мало энергии,
устойчивы по отношению к внешнему магнитному полю, поскольку
собственное магнитное поле много сильнее внешних полей. Однако
стоимость их довольно велика в связи с необходимостью точного из-
готовления деталей. Эти приборы боятся вибрации и ударов. При
силе тока, больше допустимой, легко перегорают токоподводы к рам-
ке (их роль играют возвращающие пружинки, см. рис. 84). Даже при
неразрушающем перегреве упругость этих пружинок меняется (ме-
няется k), и у прибора нарушается градуировка.
Существуют магнитоэлектрические приборы и других конструкций;
например, магнит может быть подвижным (его насаживают на ось),
а рамка с проводом — неподвижной. Чувствительность такого при-
бора небольшая.
Магнитоэлектри-
ческий логометр —
прибор для измере-
ния отношения
сил токов. В этом при-
боре на ось жестко
насажены под опреде-
ленным углом у друг
к другу две рамки
(рис. 86, а), а возвра-
щающая пружинка
удалена. Логометр
имеет четыре контак-
Рис. 86. Магнитоэлектрический логометр: а — под-
вижная часть; б — использование логометра для
измерения перемещения; в — для регистрации из-
менения сопротивления.
4*
99
Рис. 87. Шлейфовый ос-
циллограф: 1 — шлейф,
2 — зеркало, 3 — полюса
магнита, 4 — движущая-
ся фотобумага.
Рис. 88. Зеркальный
гальванометр: а — ос-
новные детали; б— ре-
жимы колебаний;
в — присоединение кри-
тического сопротивления
г — клеммы гальва-
нометра с добавочным со-
противлением /?,.
та (три — в том случае, если рамки соединены
внутри прибора и имеют общий вывод). В ло-
гометре зазор не везде одинаков (рис. 86, а),
поэтому индукция магнитного поля, в которое
попадает рамка, зависит от угла поворота рам-
ки а (убывает к краям зазора). Рамки прекра-
щают поворот, когда моменты сил, действую-
щих на рамки, оказываются равными и про-
тивоположно направленными; = М2, т. е.
nSB (а) q = nSB (а -}- у) i2. (41)
Следовательно, угол а определяется отноше-
нием i\/i2. Логометры распространены в тех-
нике как контрольно-измерительные приборы
(например, их можно увидеть на щитках
управления транспортом, механизмами). Как
видно из рисунка 86, б, в, их применение час-
то упрощает схемы.
Осциллограф шлейфовый — магнитоэлект-
рический светолучевой прибор для записи
на фотобумагу электрических колебаний (силы
тока i как функции времени/). Схема прибора
дана на рисунке 87. Между полюсами пос-
тоянного магнита 3 натянута удлиненная рам-
ка из провода; на рамке находится легкое
зеркало 2. При прохождении тока по рамке
рамка поворачивается, и вместе с зеркалом
поворачивается отраженный от него луч. Луч
падает на движущуюся полоску фотобумаги 4,
на которой после проявления получается след
луча — график i (f). Шлейфовый осциллограф
в настоящее время применяется редко, так
как по сравнению с катодным осциллографом
имеет малое входное сопротивление, требу-
ет большого количества фотобумаги или фо-
топленки, не позволяет наблюдать графики в
момент опыта. Однако он прост, в одном при-
боре можно иметь сразу 10—20 шлейфов и за-
писывать одновременно на одной ленте не-
сколько различных процессов, а затем сопо-
ставлять графики. Шлейфовый осциллограф
используется в биологии, медицине. В лек-
ционных демонстрациях вместо фотобумаги
на пути луча ставят вращающееся зеркало,
отбрасывающее луч на экран и обеспечиваю-
щее развертку.
Магнитоэлектрический прибор высокой
чувствительности называется гальванометром.
Наибольшей чувствительностью обладает зер-
100
кальный гальванометр. Принцип действия гальванометра тот же, что
и у любого прибора магнитоэлектрической системы, но для увеличения
чувствительности рамка подвешивается на длинной и очень тонкой
нити, чем обеспечивается малая упругость (k мало) (рис. 88, а). Зазор
между магнитом и железным сердечником делают узким, чтобы уси-
лить магнитное поле в нем. Отсюда сложность установки гальваномет-
ра. Он должен быть установлен строго вертикально и жестко закреп-
лен, чтобы рамка не задевала за магнит. Это делается с помощью уста-
новочных винтов. Гальванометр очень «боится» сотрясений, даже
слабых. Для предохранения нити от повреждений в гальванометре име-
ется устройство, приподнимающее и закрепляющее рамку, — арре-
тир. Прежде чем переместить гальванометр, его необходимо аррети-
ровать!
При пропускании тока по рамке гальванометра она не сразу оста-
навливается в новом положении равновесия (с углом поворота а0),
а совершает колебания около этого положения (рис. 88, б, кривая /).
Чтобы этого не было, в гальванометре используется электромагнитное
торможение, которое заключается в том, что рамку замыкают рези-
стором rk (рис. 88, в). При колебаниях рамки в магнитном поле в ней
возбуждается ЭДС индукции. В цепи рамка — резистор rh возникают
токи, которые в любой момент времени направлены так, что своим
магнитным полем будут препятствовать колебаниям рамки (правило
Ленца). Чем меньше значение rh, тем это явление сильнее выражено.
Но если rk будет близко к нулю, то рамка будет двигаться слишком
медленно (рис. 88, б, кривая 2). Надо подобрать такое значение rk,
чтобы рамка достаточно быстро поворачивалась на угол а0, но не ко-
лебалась около этого положения (рис. 88, б, кривая 3). Такое сопро-
тивление rk называется критическим.
Сопротивление цепи, к которой подключают гальванометр, может
оказаться малым, тогда рамка будет двигаться слишком медленно
даже при правильном подборе rk. Чтобы этого не случилось, в цепь
последовательно включают резистор сопротивление которого в
несколько раз больше rk. Тогда даже при сопротивлении цепи, близ-
ком к нулю, рамка не окажется закороченной. Часто такое сопротив-
ление уже имеется в гальванометре. У такого гальванометра три клем-
мы (рис. 88, г).
Малый угол поворота рамки измеряют при помощи маленького зер-
кала; при этом возможны два метода измерения. Первый —это ме-
тод субъективного отсчета (рис. 89, а). На некотором расстоянии от
гальванометра Г помещают шкалу Ш. С помощью зрительной трубы Т
рассматривают изображение этой шкалы, даваемое зеркалом гальва-
нометра. В зависимости от угла поворота зеркала видно то или иное
деление шкалы. Второй метод носит название объективного отсчета
(рис. 89, б). В этом случае от осветителя О (лампа с линзой-конденсо-
ром, на поверхность линзы черной краской нанесена метка) направля-
ют свет на шкалу Ш. В зависимости от поворота зеркала световой
зайчик 3 оказывается на том или ином месте шкалы. С помощью допол-
нительной длиннофокусной линзы, установленной в гальванометре,
на шкале получают изображение поверхности линзы-конденсора с
101
меткой. Фокусное расстояние F линзы при
Рис. 89. Два способа от-
счета угла поворота зер-
кала: а — субъектив-
ный; 6 — объективный;
в — фотоэлементы фото-
электрического усилите-
ля к гальванометру
(/, 2 — фоторезисторы,
3 — световой «зайчик»
от гальванометра).
ствительность по току
2
этом должно удовлетворять условию — =
F
— (см. проектор', удвоенная оптическая
а Ь
сила взята в формуле в связи с тем, что свет
проходит линзу дважды, смысл величин а и
b ясен из рисунка 89, б).
Чувствительность гальванометра по току
— принято в этом случае выражать не в
di
радианах на ампер, а связывать с отклонени-
ем метки (в миллиметрах) на шкале, постав-
ленной на расстоянии 1 м. Например, 10-п
А/мм^м соответствует 10-11Л • = Ю~8
А/рад, т. е. чувствительность его равна 108
рад/А. Чувствительность обычно указана па
гальванометре, но так как она зависит от по-
ложения гальванометра, ее необходимо уточ-
нять после каждого перемещения прибора-
Для этого можно взять батарейку или ак-
кумулятор, ЭДС которого известна с доста-
точной точностью. Это напряжение следует
поделить .с помощью делителя примерно в
108—10s раз. Полученное напряжение через
резистор большого сопротивления можно по-
дать на гальванометр. Сопротивление R под-
бирается, исходя из приблизительной чувстви-
тельности гальванометра, указанной в пас-
порте прибора.
Чувствительность по напряжению (рад/В,
В/рад или В/мм/м) определяют, зная чув-
и сопротивление гальванометра (с учетом rk и
7?о, см. рис. 88, г; сопротивление рамки указывается на гальвано-
метре).
Гальванометр настольный менее чувствителен, так как рамка
крепится на оси, вращающейся в подшипниках, или на ленточной ра-
стяжке. Однако он не требует точной установки в определенное поло-
жение. Возвращающий момент обеспечивается спиральной пружиной
(или лентой-растяжкой). Угол поворота фиксируется либо так же, как
в предыдущем случае (рис. 89, б), либо при помощи стрелки, скреплен-
ной с рамкой. Чтобы не возникали колебания, каркас подвижной ка-
тушки делается из алюминия (магнитоиндукционное демпфирование,
см. рис. 84). Такой прибор в принципе не отличается от чувствитель-
ного амперметра (микроамперметра) магнитоэлектрической системы.
Так, например, устроен демонстрационный гальванометр.
Чувствительность настольного гальванометра можно увеличить,
применяя фотоэлектрическое усиление. Зайчик от гальванометра
102
(рис. 89, б) направляют не на шкалу, а на два рядом расположенных
фоторезистора (рис. 89, в). Фоторезисторы включаются в схему мо-
ста. Малейшее, незаметное для глаза, отклонение зайчика меняет
соотношение сопротивлений фоторезисторов и выводит мост из равно-
весия. На выходе моста имеется либо другой гальванометр, либо элек-
тронный усилитель. ч
Гальванометр баллистический. Если вращающуюся часть прибора
сделать более массивной, то при кратковременном пропускании тока
(заряд Q протекает за малое время А/) рамка не успеет существенно
сместиться, а только получит толчок и будет двигаться по инерции,
пока ее не затормозит противодействующая пружинка. Пусть сред-
няя сила тока равна I, тогда средняя сила, действующая на каждый
провод рамки (сила Ампера) будет равна F —ИВ, а импульс силы равен
FM — ИВМ = Q/B. С другой стороны, FM = А (то) — то, где v —
скорость провода рамки, когда протекание тока через нее закон-
чится и начнется замедленное движение. Накопленная кинетическая
энергия рамки Wk перейдет в потенциальную энергию сжатия пружи-
ны (закручивания подвеса): Wp — kxz/2. Таким образом,
= QIB = то — V 2mW k — V 2mWp = V mkxz — x V~mk, (42)
откуда следует, что отклонение пропорционально заряду Q, прошед-
шему через рамку. В действительности, так как движение рамки вра-
щательное, следует рассматривать не силу, а момент силы; не массу,
а момент инерции, не максимальное отклонение рамки х, а макси-
мальный угол поворота а, тогда вместо вышеприведенных формул бу-
дем иметь:
М — inSB; Л1Д/ = QnSB;
ММ = А (/©) = /©; Wp -= у; (43)
MM = Ia> = V2lW~k^V2JW~p^VW==aVTk.
Результат получается тот же самый: а пропорционально протекающему
заряду Q. Разряжая на такой гальванометр конденсатор, заряженный
предварительно до известной разности потенциалов U, мы по макси-
мальному отклонению зайчика гальванометра находим Q, а затем и
емкость С — Q/U. Баллистическая чувствительность гальванометра
измеряется в радианах на кулон (рад/Кл) или в кулонах на 1 мм шка-
лы, расположенной на расстоянии 1 м.
Гальванометр вибрационный. Если гальванометр включить в цепь
переменного тока, то его подвижная часть будет колебаться с частотой
этого тока. Амплитуда колебаний, а следовательно, чувствительность
будет максимальной, если собственная частота колебаний подвижной
части (рамки на пружинящей растяжке) будет совпадать с частотой
измеряемого тока. На шкале отмечают не положение светового
зайчика, а размах его колебаний (ширину световой полоски).
В настоящее время в научных исследованиях гальванометры за-
меняются электронными устройствами (усилителями).
103
Рис. 90. Электромагнит-
ный прибор с «плоской
катушкой».
боты для поворота тела
мент) следует М =
da
§ 26. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СИСТЕМЫ
В приборах электромагнитной системы
железный сердечник втягивается в катушку
электромагнита при пропускании по ней то-
ка. Такая конструкция прибора называет-
ся «с плоской катушкой» (рис. 90).
В амперметрах используется катушка с
небольшим числом витков толстого провода,
в вольтметрах — катушка с большим числом
витков тонкого провода.
Уравнение шкалы и формулу для чувстви-
тельности электромагнитного прибора можно
получить следующим образом. Из формулы ра-
вокруг оси dA = Mda (М — вращающий мо-
, где dFMr — изменение магнитной энергии
при повороте на угол da. Магнитная энергия катушки индуктивности
при силе тока в ней i равна £/2/2.. Таким образом, М —--. Про-
2 da
тиводействующий момент М" = &а создается пружинкой. При про-
пускании тока подвижная часть со стрелкой поворачивается и уста-
навливается в положение, при котором М — М', т. е.
1 dL ,о
а =-------г
2k da
(44)
При — = const, а <х> 12, т. е. шкала у прибора должна быть ква-
da
дратичной (см. Введение). Это означает, во-первых, что деления шкалы
неодинаковы (при больших i — крупнее, при малых настолько мел-
кие, что отсчет начинают только с некоторого значения силы тока).
Во-вторых, прибор не реагирует на направление тока, давая отклоне-
ние всегда в одну сторону. Следовательно, им можно измерять как
переменный, так и постоянный токи. (Градуировка шкалы для пере-
менного и постоянного токов может быть разной.)
Чувствительность прибора — — — — i зависит от силы тока I.
di k da
Размер деления на шкале тем больше, чем больше значение силы то-
ка I. Однако если воспользоваться зависимостью чувствительности от
множителя —, то можно так подобрать форму сердечника, что шкала
di
станет более равномерной или деления для переменного тока промыш-
ленной частоты (50 Гц) будут приблизительно совпадать с делениями
для постоянного тока. Для другой частоты градуировка будет иной.
Прибор может иметь и две катушки, в которые одновременно втя-
гиваются противоположные концы одного и того же сердечника. Это
электромагнитный логометр.
104
Электромагнитные приборы широко применяются в технике, осо-
бенно как щитовые приборы. Они пригодны для постоянного и
переменного токов, надежны, по сравнению с магнитоэлектрическими
приборами более устойчивы к сотрясениям, значительно меньше
боятся перегрузок током (катушка неподвижна, поэтому может быть
выполнена из достаточно толстого провода). Однако они менее
точны, менее чувствительны, потребляют больше энергии. Кроме то-
го, на их показания влияют внешние магнитные поля.
§ 27. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
В электродинамических приборах ис-
пользуются две катушки. Одна катушка
(неподвижная) создает магнитное поле, дру-
гая вращается на оси, приводя в движение
стрелку (рис. 91, а). Как и в случае прибора
магнитоэлектрической системы, вращающий
момент равен М — 2r (inlB) cos а ~
= inSB cos а, где I—сила тока в подвижной ка-
тушке, п — число витков, S — ее площадь,
а а — угол между плоскостью подвижной ка-
тушки и вектором магнитной индукции В.
В данном случае магнитное поле создает-
ся неподвижной катушкой (соленоидом),
для которого В ~ Цо KIN, где N—число витков,
/ — сила тока в соленоиде, К — коэффици-
ент, зависящий от формы соленоида. Поэто-
му М со И cos а (остальные величины за-
висят от конструкции прибора). Из условия
М — М' — ka, где k —жесткость пружинки,
получаем для шкалы а II cos а. При
приближении а к нулю угол поворота ока-
зывается пропорциональным произведению
токов. (Неоднородностью поля В пренебрега-
ем, т. е. считаем а = а0, см. § 25.)
Если соединить катушки последовательно,
то прибор может быть использован как ам-
перметр или вольтметр с квадратичной шка-
лой: а со II со i2 (см. замечания к электро-
магнитному прибору).
Электродинамические приборы отличают-
ся большой точностью (нет ферромагнитных
деталей), способностью измерять как посто-
янный, так и переменный токи. Но эти прибо-
ры потребляют много энергии, на их показа-
ния влияет внешнее магнитное поле, они «бо-
ятся» механических ударов и перегрузок
током (так как подвижная катушка
Рис. 91. Электродинами-
ческий прибор ’ (а) и
электродинамический
логометр (б); векторная
диаграмма к логометру,
работающему как фазо-
метр (в).
J05
Рис. 92. Использование
электродинамического при-
бора в качестве: а — ватт-
метра (7?д — добавоч-
ное сопротивление к воль-
товой обмотке); 6 — фа-
зометра.
сделана из тонкой проволоки). Поэтому в ка-
честве амперметра и вольтметра прибор при-
меняется редко, только как контрольно-изме-
рительный. Однако при раздельном включе-
нии катушек на основе этого прибора созданы
такие ценные приборы, как ваттметр, фазо-
метр и др.
Ваттметр — прибор электродинамической
системы, неподвижная катушка которого
включается последовательно с потребителем
электроэнергии, как амперметр, а подвиж-
ная (через дополнительное сопротивление)—
параллельно потребителю, как вольтметр
(рис. 92, а). В этом случае катушки и назы-
ваются соответственно «токовой» и «вольто-
вой». По ним проходят токи: I — ток че-
рез потребитель и i — ток, пропорциональ-
ный напряжению U- При постоянном токе
а со г/ со IU, т. е. угол а пропорционален
мощности Р. Однако при постоянном токе
ваттметр не нужен, так как мощность потре-
бителя легко найти с помощью амперметра и
вольтметра. При переменном же токе активная
мощность Ра — IU cos ф, где ф — угол сдви-
га фаз между током и напряжением, если
нагрузка-потребитель не является активной.
Покажем, что ваттметр измеряет именно ак-
тивную мощность. Пусть через потребитель
течет ток не в фазе с подаваемым напряжением, а со сдвигом ср:
U — U0 sin cat,
I = 10 sin (со/ И- ср). (45)
Ток в вольтовой обмотке, благодаря большому активному добавоч-
ному сопротивлению, совпадает по фазе с поданным напряжением:
i = Zosinco/. (46)
Вращающий момент в электродинамическом приборе
Мсо И cos а — in70 cos а • sin со/ • sin (со/ ф) со
со Z70/0 cos а • sin со/ • sin (со/ + ф) — ~ Uolo cos а х
X [cos ф — cos (2о>/ + ф)]. (47)
Средний момент
М со /7/ cos а cos ф, (48)
где Uni — эффективные значения соответственно напряжения и силы
тока.
106
Из условия равенства моментов М. и М' (при равновесии) следует, что
при а, близком к нулю:
а со UI cos <р = Ра. (49)
Клеммы вольтовой и токовой обмоток, которые следует соединить
вместе, обозначают звездочкой (рис. 92, а).
На основе электродинамического логометра созданы фазометр,
частотомер, фарадметр и другие приборы. У электродинамического
логометра имеются две подвижные катушки, насаженные на ось и
скрепленные друг с другом под некоторым углом у, и одна неподвиж-
ная (рис. 91, б). На рисунке 92, б показана схема его включения в
качестве фазометра. Через неподвижную катушку в этом случае про-
ходит весь ток. Если потребитель не чисто активный, то ток сдвинут
относительно питающего напряжения по фазе на угол ф. По первой
подвижной катушке и по встроенному в прибор дросселю проходит
одинаковый ток ix. Он запаздывает по фазе относительно напряже-
ния U на угол р (см. векторную диаграмму на рис. 91, в). Ток t2, про-
ходящий по второй подвижной катушке и резистору, совпадает по
фазе с напряжением. Подбирая резистор, можно обеспечить i2 — it.
Используя уравнение (48), напишем выражения для средних момен-
тов, действующих на подвижные катушки:
со //cos а • cos (ix, /)= ц/ cos а • cos (P — ф);
M2 co i2Z cos (y — a) • cos (t a,Z) = i2/ cos (y — a)- cos ф. (50)
Катушки останавливаются, повернувшись на некоторый угол, когда
Mi — М2 (пружины в логометре нет). Отсюда
cos a cos (р — ф) = cos (у — a) • cos ф. (51)
Угол у обычно равен 60—90°. Подбором индуктивности дросселя мож-
но добиться того, что углы р и у будут равны. Тогда решением послед?
него уравнения будет a = ф, т. е. катушки поворачиваются на такой
угол, который соответствует сдвигу фаз в цепи, следовательно, градусы
дуги шкалы будут просто соответствовать градусам угла ф.
§ 28. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Явление электростатического взаимодействия между зарядами
используется в приборах электростатической системы. К ним отно-
сятся учебные приборы — электроскоп, электрометр, а также про-
мышленные и научные электрометры для измерения высоких напря-
жений. Хотя эти приборы малочувствительные, но их достоинство
состоит в том, что они, имея практически бесконечно большое сопро-
тивление, совсем не потребляют тока и одинаково хорошо работают на
любых частотах — до нескольких мегагерц.
Электроскоп представляет собой стержень, вставленный через
изолирующую пробку в стеклянный сосуд (рис. 93, а). Индикатором
зарядов служат легкие бумажные листочки. Угол между листочками
зависит не только от их заряда, но и от зарядов других предметов,
107
Рис. 93. Приборы электростатической
системы: а — электроскоп; б — де-
монстрационный электрометр;
в — измерительный электрометр
(/ — подвижная алюминиевая пла-
стинка, 2 — растяжка, 3 — квадрант,
4 -г зеркальне, 5 — магнитоиндук-
ционный демпфер).
находящихся недалеко от прибо-
ра. Такой электроскоп измери-
тельным прибором не является.
В демонстрационном электро-
метре (рис. 93, б) этот недоста-
ток частично устранен тем, что
прибор имеет металлический кор-
пус, потенциал которого можно
сделать определенным, например,
заземляя его. Силы, действующие
на стрелку, которая отклоняется
относительно центрального стерж-
ня, определяются электрическим
полем, существующим между стер-
жнем и корпусом. Поле в любой
точке определяется градиентом по-
разностью
этот
шка-
тенциала Е = —grad <р, а он, в свою очередь, задается
потенциалов между стержнем и корпусом. Таким образом,
прибор является вольтметром. Шкала его нелинейна. Предел
лы соответствует нескольким киловольтам.
Измерительный электрометр электростатической системы (рис. 93, в)
состоит из легкой алюминиевой пластинки 1 (один полюс), втягиваю-
щейся в неподвижный квадрант 3 (другой полюс). Пластинка закреп-
лена на растяжке 2 в виде тонкой ленточки, на которой находится еще
зеркало 4. Противодействующий момент М' — ka обеспечивается
растяжкой, а прекращение колебаний — электромагнитным «трением»
в магнитоиндукционном демпфере 5. Указатель обычно светолучевой
(зайчик от зеркала отбрасывается на полупрозрачную шкалу). Суще-
ствуют и другие конструкции прибора.
Уравнение шкалы найдем из условия М — d—E_, где dWz — изме-
da
нение энергии электрического поля, вызывающего закручивание пру-
жинки. Поскольку энергия We конденсатора (а мы имеем дело с кон-
денсатором сложной формы) равна U2C, то момент М = -1 U2
и из условия М = М' следует, что а — U2 т. е. а со U2,
прибор имеет квадратичную шкалу. Это значит, что его показания не
зависят от знака U, он пригоден и для постоянного и для переменного
тока, но шкала его неудобна: очень мелкие деления в начале шкалы и
крупные в ко.нце, что видно и из выражения для чувствительности:
U (чем больше U, тем больший угол поворота при-
ходится на 1 В). Частично это можно устранить соответствующей фор-
мой алюминиевой пластинки (предусмотрев определенную зависи-
мость емкости от угла поворота).
108
§ 29. ПРИБОРЫ ТЕПЛОВОЙ
СИСТЕМЫ
Рис. 94. Приборы тепловой
системы.
В тепловых приборах исполь-
зуется явление выделения тепло-
ты в проводнике, по которому идет
ток. Ценным качеством таких при-
боров является совпадение шкалы
для переменного тока (любой час-
тоты вплоть до 108 Гц) со шкалой
для постоянного тока (именно на
условии совпадения теплового дей-
ствия основано определение эффективных значений силы тока и на-
пряжения переменного тока).
Поскольку выделяющаяся мощность Р со i2, шкала получается
квадратичной.
При нагревании проволочки — основной части теплового при-
бора — изменяется ее длина, что может быть зафиксировано (рис. 94, а).
Можно также измерить температуру проволочки с помощью термопары.
Термопара должна находиться в тепловом контакте с проволочкой,
но электрически не обязательно с ней соединена (рис. 94, б, в). ЭДС
термопары обычно измеряется встроенным в прибор микровольтмет-
ром. Такой прибор называют термоэлектрическим.
Входное сопротивление тепловых приборов невелико, поэтому
они больше подходят к работе в качестве амперметров, чем вольт-
метров.
§ 30. ИНДУКЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Индукционными называются приборы, состоящие из одной или
двух неподвижных катушек и алюминиевой пластинки. При прохож-
дении по катушкам переменного тока в пластинке наводятся индук-
ционные токи, взаимодействие которых с магнитным полем катушек
приводит к смещению пластинки. На таком принципе работает счет-
чик электроэнергии.
Счетчик энергии переменного тока* служит для измерения электро-
энергии, расходуемой различными потребителями. Горизонтально
расположенный алюминиевый диск помещен между полюсами двух
электромагнитов (рис. 95, а). Один из них представляет собой сердеч-
ник, на который намотано несколько витков толстой проволоки. Эта
обмотка (амперная или токовая) соединяется с потребителем последо-
вательно. По ней проходит весь ток, который течет через потребитель.
На другой сердечник (расположен сверху) намотано большое число
витков тонкой проволоки. Эта обмотка подключается к нагрузке па-
раллельно и называется параллельной или вольтовой. По ней про-
ходит ток, пропорциональный напряжению на потребителе.
* Написано совместно с Г. В. Комаровым.
109
Рис. 95. Счетчик электро-
энергии переменного тока: а—
взаимное расположение элект-
ромагнитов и диска; б —
схема подключения обмоток
к источнику переменного
тока и к потребителям; в— на-
правление линий индукции
при максимальном значении
силы тока; г, д, е — последо-
вательные направления маг-
нитных полей через пос-
ледовательные промежутки
времени в 1/4» 2/4 и 3/4
периода.
Если по обеим катушкам идут переменные
токи, то диск приходит во вращение. Выясним
причину этого. Пусть сопротивление потре-
бителя чисто активное, т. е. он не вносит
сдвига фаз, и ток 7 (7) совпадает по фазе с
напряжением U (I). Ток в последовательной
обмотке создает в сердечнике обмотки пе-
ременный магнитный поток, совпадающий
с ним по фазе. Через параллельную обмот-
ку тоже идет ток, так как к ней приложе-
но напряжение U (7), совпадающее по фазе
с током 7 (7). Но эта обмотка обладает
большим индуктивным сопротивлением (ак-
тивное сопротивление у нее мало, как и у
первой катушки). Вследствие этого ток в
параллельной обмотке, а следовательно,
и магнитный поток, им создаваемый, от-
стает от напряжения U по фазе на 90° (на
1/4 периода). На рисунке 95, в изображены
линии индукции магнитных полей, прони-
зывающие диск, когда сила тока в токовой
обмотке, а следовательно, и в сети макси-
мальна. На рисунке 95, г, д, е показаны
линии индукции через 1/4, 2/4 и 3/4 перио-
да. Ток в вольтовой катушке (верхней) и
создаваемый им магнитный поток все вре-
мя отстают по фазе на 90°. Обратим вни-
мание на следующее обстоятельство: маг-
нитный поток Фх постепенно смещается
вправо вдоль окружности алюминиевого
диска. За движущимся вправо магнитным
потоком Фх вправо будет смещаться и по-
ток Ф2 и т. д. Движение магнитных пото-
ков увлечет за собой и диск, подобно тому
как в асинхронном двигателе вращающее-
ся магнитное поле увлекает за собой якорь
двигателя.
Расчеты показывают, что сила, дейст-
вующая на диск и приводящая его во
вращение, пропорциональна произведению
7, U и cos <р, где <р — сдвиг по фазе меж-
ду током и напряжением в потребителе,
если ои, кроме активного, имеет еще и
реактивное сопротивление. Постоянный
магнит П (рис. 95, а) оказывает тормозя-
щее действие. В итоге оказывается, что и
скорость вращения диска пропорциональна
IU cos ф, т. е. активной мощности пере-
менного тока. Умножив обе величины на
ПО
время, получаем, что полное число оборотов диска пропорционально
электроэнергии.
На рисунке 95, б приведена схема подключения счетчика к сети
и к потребителю энергии.
§ 31. ОММЕТРЫ
fix
б —
по-
S
Рис. 96. Омметры:
а — однорамочный;
двухрамочный,
строенный на основе ло-
Омметр — прибор для измерения сопротивления. Наиболее рас-
пространены два типа омметров: однорамочные (с использованием
микроамперметра) и двухрамочные (с использованием логометра).
На рисунке 96, а дана упрощенная схема однорамочного омметра.
Сопротивление исследуемого резистора определяется по силе тока,
проходящего по этому резистору. Поскольку показания микроампер-
метра зависят от ЭДС источника, необходима коррекция его чувстви-
тельности (например, переменным шунтом г). Вначале концы 1, 2
замыкают накоротко, что соответствует Rx =• 0. При помощи реос-
тата добиваются максимального отклонения стрелки микроампер-
метра. Здесь на правом конце шкалы ставят «0» сопротивления. За-
тем концы 1, 2 присоединяют к Rx. Стрелка отклонится на меньший
угол. Шкала заранее градуируется в омах. Самое левое положение
стрелки (сила тока равна нулю) соответствует Rx = оо.
Омметр, основанный на магнитоэлектрическом логометре
(рис. 96, б), не требует предварительной «установки на 0», поскольку
логометр измеряет не силу тока, а отношение
двух сил токов. Его показания не зависят от
ЭДС источника тока. Особенно удобен такой
омметр для измерения очень больших соп-
ротивлений, когда ЭДС тоже должна быть
большой, чтобы получились заметные токи.
Большую ЭДС может дать ручной генератор—
магнето (якорь генератора вращают рукой).
То обстоятельство, что ЭДС при этом зави-
сит от скорости вращения рукоятки, не вли-
яет на показания прибора. Так устроены пе-
реносные мегаомметры и тераомметры для
проверки сопротивления изоляции.
Точные измерения сопротивлений произ-
водят не омметрами, а мостами.
В электронных омметрах (мегаомметрах,
тераомметрах) небольшую силу токов, проте-
кающих по большим сопротивлениям, измеря-
ют специальными усилителями с большим
сопротивлением входа (электрометрические
усилители). Такими омметрами измеряют
сопротивления до 1016 Ом.
§ 32. ИЗМЕНЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ШКАЛЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
ПРИБОРА, ВАРИАНТЫ ОФОРМЛЕНИЯ ШКАЛ И УКАЗАТЕЛЕЙ,
ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ШКАЛАХ
da
Чувствительность — и длина шкалы Да (для дуговой в градусах)
связаны для линейной шкалы соотношением:
Да = ~т~Д/, (52)
at
где Д/ — предел шкалы (например, в амперах). Расширить пределы
шкалы означает снизить чувствительность прибора. Это может быть
сделано несколькими способами.
Для расширения пределов шкалы гальванометра или амперметра
используют шунт. Это провод или лепта, присоединяемые к прибору
параллельно (рис. 97, а). Большая часть тока направляется
через шунт, меньшая — через прибор. Для снижения чувствитель-
ности в п раз сопротивление шунта должно быть в п — 1 раз меньше
сопротивления прибора. Обрыв шунта опасен для прибора. Поэтому
шунт включается непосредственно в цепь, а гальванометр присоеди-
няют к нему параллельно более тонкими проводами.
Для использования чувствительного прибора в качестве вольтмет-
ра используют добавочный резистор, присоединяемый к прибору по-
следовательно (рис. 97, б). При этом большая часть измеряемого на-
пряжения должна приходиться на этот резистор. Для расширения
пределов прибора в п раз резистор должен иметь сопротивление в п — 1
раз больше сопротивления прибора.
Шкалу прибора с шунтом или
дополнительным сопротивлением
градуируют уже с учетом этих при-
способлений, т. е. с уже расширен-
ными в п раз пределами, например
вместо 0—10 мкВ наносят деления
0 —50 В. '
Применение шунтов и дополни-
тельных сопротивлений дает воз-
можность изготавливать серийно
всего один чувствительный прибор
(микроамперметр, гальванометр),
делая его с помощью этих при-
способлений амперметром или вольт-
метром с разными пределами шкал,
т. е. можно получить многопредель-
ные электроизмерительные прибо-
ры. Если в прибор вмонтированы
выпрямитель, а также необходимые
детали для омметра и др., то при-
бор называется комбинированным.
Переносный комбинированный при-
бор называют тестером.
Рис. 97. Шунт (а) и дополнительное
сопротивление (б) к гальванометру.
Q 6 в
Рис. 98. Измерительные трансформа-
торы: а — трансформатор напряже-
ния; б — трансформатор тока;
в — измерительные токовые клещи.
112
В цепях переменного тока для расширения пределов шкалы при-
бора применяют трансформаторы.
Измерительный трансформатор напряжения позволяет измерять
напряжение в высоковольтной цепи вольтметром, рассчитанным на
небольшое напряжение. Трансформатор располагают около линии
высокого напряжения, а от понижающей обмотки провода идут на
пульт управления к вольтметру (рис. 98, а). От обычного трансформа-
тора трансформатор напряжения отличается надежной высоковольт-
ной изоляцией вторичной обмотки от первичной. Шкалу вольтметра
градуируют в киловольтах, хотя на вольтметр приходится обычно
напряжение до 100 В.
Измерительный трансформатор тока служит для измерения боль-
ших сил токов в линиях электропередач. Железный или ферритовый
сердечник надевается на исследуемый провод, который таким обра-
зом образует один виток его первичной обмотки (рис. 98, б). Во вто-
ричной обмотке трансформатора с
п витками индуцируется ток, в п
раз меньший; его измеряют обыч-
ным амперметром.
Однако надевание сердечника
на провод связано с необходимо-
стью разрыва этого провода. Что-
бы не делать этого, используют
трансформаторные клещи, в кото-
рых- железный сердечник разры-
вается, а на момент измерения
крепко сжимается (рис. 98, в). Ам-
перметр вторичной обмотки укреп-
ляется на самих клещах.
Внешнее конструктивное оформ-
ление аналоговых электроизмери-
тельных приборов, конструкция
шкалы и указателя зависят от ус-
ловий применения приборов. При-
боры могут быть настольными, пе-
реносными и щитовыми. Тради-
ционная дугообразная шкала со
стрелкой часто неудобна для щи-
товых приборов, когда на щите
нужно разместить рядом много
приборов. В узкопрофильных при-
борах стрелку изгибают так, как
показано на рисунке 99, а. Если
стрелку заменить зеркалом, осве-
тителем и полупрозрачной шкалой
(как в зеркальном гальванометре,
Рис. 99. Модификации шкалы и ука-
зателя электромеханического элект-
роизмерительного прибора: а — ос-
новная часть узкопрофильного щито-
вого прибора; б — прозрачная ма-
товая шкала илоскопрофильного при-
бора со световым указателем.
Рис. 100. Пример оформления шкалы
прибора. Слева заводской порядко-
вый номер прибора и год выпуска.
*
но все расположить в корпусе при-
бора), то получается совсем плос-
кая и узкая шкала со световым
113
Таблица 3
Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов
Л — амперы
тЛ — миллиамперы
рЛ — микроамперы
V — вольты
1. Обозначения единиц
kV — киловольты
W — ватты
Q — омы
MQ — мегаомы
Н — генри
F — фарады
Hz — герцы
kWh — киловатт-часы
2. Система прибора
— магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой
— магнитоэлектрический прибор с выпрямителем
— магнитоэлектрический логометр
— магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом
—- электромагнитный прибор
— электромагнитный логометр
— электродинамический прибор
— электродинамический логометр
— ферродинамический прибор
— индукционный прибор
— электростатический прибор
— тепловой прибор
114
Продолжение
-----— термоэлектрический прибор
3. Род измеряемого тока
— постоянный
— переменный
— и постоянный и переменный
— трехфазпый
4. Класс точности
1,5 —класс точности 1,5 (погрешность 1,5% от всей шкалы)
5. Рекомендуемое положение прибора
— горизонтальное
— вертикальное
— наклонное (шкала под углом СО0 к горизонту)
6. Изоляция корпуса прибора от измерительной цепи
— изоляция выдерживает напряжение 5 кВ
— знак красного цвета: «Осторожно! Прочность изоляции не со-
ответствует нормам».
___________________________________________________________________.
указателем (рис. 99, б). На такой шкале около определенных значе-
ний могут быть помещены фоторезисторы или фотодиоды, которые
включаются в схемы автоматической регулировки, сигнализации и
т. д. Под часть шкалы может быть положено цветное стекло. Тог-
да при выходе за пределы нормы будет меняться цвет светового
указателя.
Система электроизмерительного прибора, класс точности прибо-
ра, характер измеряемой величины, устойчивость к внешним воздей-
ствиям и другие сведения о приборе изображаются обычно на шкале
условными знаками. Разъяснение наиболее важных знаков дано в
115
таблице 3. На рисунке 100 приведены условные обозначения на
шкале некоторого конкретного прибора.
§ 33. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Наиболее точные измерения
производятся методом компенсации
(см. Введение). В электроизмери-
тельной технике — это мост (для
измерения сопротивления и лю-
бых других величин, которые мо-
гут быть преобразованы в сопро-
тивление) и измерительный потен-
циометр (для измерения напряже-
ния и любых других величин, ко-,
торые могут быть с помощью дат-
чиков преобразованы в напряже-
ние). В отличие от перечисленных
ранее показывающих электроиз-
мерительных приборов, это прибо-
ры сравнения с мерой, т. е. нуль-
прибор ы.
Мост для измерения активных
сопротивлений (мостик Уитстона)
представляет собой четыре резис-
тора (один из них гх — иссле-
дуемый), соединенных по схеме,
изображенной на рисунке 101, а.
Резисторы гх и г2 называются «пле-
чами». В одну диагональ моста
включается источник тока, в дру-
гую — гальванометр. Перемещая
движок переменного резистора г9,
добиваются, чтобы в цепи гальвано-
метра отсутствовал ток. Это значит,
что потенциалы точек А и В(фл и <рд)
в
z
Рис. 101. Мост: а — схема моста для изме-
рения активного сопротивления; б—панель
декадного моста со встроенными гальвано-
метром и источником тока (1—гальванометр,
2 — рукоятка изменения соотношения
плеч г\ : г2, 3 — четыре декады для на-
бора г0); в — автоматический самопишу-
щий мост (1 — усилитель, 2— испол-
няющий двигатель, 3 — реохорд, 4 — ка-
ретка с указателем и пером, 5—движущая-
ся бумага); г — мост для измерения комп-
лексных сопротивлений (один из вариантов).
116
равны. Если напряжение на клеммах источника равно U, то сила тока
и Ur, .
в верхних ветвях равна------и потенциал <р. = -----—. Аналогич-
Ur Г1 -т-Го '1+ га
но <рв =-----— . Из условия <рл = <ps следует:
Г2 + ГХ
Ufi _ Uf2 . Г1 __ £2 . г1 _ (53)
н + Гг + Гх Го гх’ г2 гх
Последняя формула называется условием равновесия
моста. Она и служит для определения гх, если г0 и отношение rjr2
известны.
Резисторы гх и г2 обычно представляют собой проволоку, натянутую
между точками А и В (рис. 101, е). Скользящий по ней движок опре-
деляет точку С. Такой резистор называется реохордом. Его сопротивле-
ние пропорционально длине проволоки. При передвижении движка
меняется отношение rjr2, что и позволяет уравновесить мост.
В качестве источника тока в схеме моста может быть применен
генератор звуковой частоты. Вместо гальванометра удобен в этом
случае телефон.
В более точных приборах резистор г0 выполняется в виде декад
(ступенчатое переключение) в одном корпусе с резисторами rt и г2,
сопротивление которых можно менять специальным переключателем
(рис. 101, б). В этот же корпус могут быть вмонтированы гальванометр
и источник тока. Или, кроме клемм для присоединения гх, имеются
клеммы для подключения внешнего гальванометра и внешней батареи.
После установки нужного соотношения плеч уравновешивание такого
моста осуществляется уже не плавным изменением гфг2, а подбором г0
с помощью декад.
В автоматических мостах (рис. 101, в) операцию уравновешивания
моста производит специальный реверсивный (меняющий направление
вращения при изменении знака подаваемого на него напряжения)
электродвигатель 2. С диагонали моста через усилитель 1 на двига-
тель подается напряжение того или иного знака, в результате чего
двигатель передвигает в ту или иную сторону движок реохорда 3
до тех пор, пока мост не уравновесится, т. е* на вход усилителя не
перестанет поступать какой-либо сигнал.
Автоматический мост можно сделать самопишущим, т. е. способ-
ным непрерывно записывать значения меняющихся сопротивлений.
Для этого достаточно механически (обычно тросиками) связать дви-
гатель не только с движком реохорда, но и с кареткой, передвигаю-
щейся по стержню. На каретке 4 крепится перо. Под ним равномерно
перемещается бумажная лента 5, на которой получается график за-
висимости величины гх от времени.
При помощи мостов переменного тока можно измерять полное со-
противление — Z. Например, можно измерить емкость С и сопротив-
ление утечки конденсатора гх, индуктивность дросселя Lx и его актив-
ное сопротивление, индуктивность обмотки трансформатора и т. д.
Условие равновесия такого моста будет выражено уравнением
_ £о
zx
(54)
117.
г 0 < у 0 я
д
током; в — схема измерительного потен-
циометра; г — автоматический самопи-
шущий потенциометр; д — двухкоорди-
натный автоматический самопишущий по-
тенциометр.
где Zk — zke^k. Уравнение (54)
равносильно двум условиям:
?1гх = W Ф1 + Фх = Фг + Фо> (55)
т. е. индикатор показывает нуль
при подборе не только амплитуд
полных сопротивлений, но и фаз.
Например, в мосте для определе-
ния емкостей (рис. 101, г) доби-
ваются равновесия моста, регули-
руя г0 и Со. Отметив значения этих
двух величин, находят две неизве-
стные величины гх и Сх.
Потенциометр измерительный
служит для измерения малых на-
пряжений (ЭДС) источников, осо-
бенно с большим внутренним соп-
ротивлением. ЭДС равно разности
потенциалов на клеммах разомкну-
того.. (неработающего) источника
тока. Если источник тока замкнут
на нагрузку, то напряжение на его
клеммах меньше ЭДС на величину
ir, где г — внутреннее сопротив-
ление источника. Поэтому, изме-
ряя ЭДС вольтметром, мы всегда
будем получать значения, меньшие
ЭДС, так как обычные вольтмет-
ры, например магнитоэлектриче-
ской системы, хотя и обладают
большим сопротивлением, но все
же потребляют небольшой ток*.
Если внутреннее сопротивление ис-
точника велико, то ошибка в опре-
делении ЭДС будет значительной.
Метод компенсации позволяет
измерить ЭДС очень точно. Сущ-
ность его заключается в следующем
(рис. 102, а). Резистор подклю-
Рис. 102. Измерительный потенцио-
метр: а — схема реохорда с неопре-
деленным рабочим током; б — схема
реохорда с определенным рабочим
118
* Исключение представляют вольт-
метры электростатической системы, по
они могут быть сделаны достаточно точ-
ными только для больших напряжений.
чают к аккумулятору по схеме потенциометра. С этого потенцио-
метра можно снять любое напряжение, перемещая движок (но не
большее, чем ЭДС аккумулятора). Подсоединим к точкам а и с по-
тенциометра источник тока, ЭДС которого (ёх) требуется измерить.
Если падение напряжения на участке ас равно ё'х (Uac — ёх) 'и эти
напряжения действуют навстречу друг другу (см. знаки на рис. 102, а),
то тока в цепи сёхГас не будет и стрелка гальванометра Г не откло-
нится. Отсюда название метода: известная ЭДС компенсиру-
ется специально подобранным напряжением на потенциометре.
В первом варианте этого метода используется неградуированный
реохорд (рис. 102, б). Напряжение па участке ас в этом случае пропор-
ционально длине 1ас. Включают сначала источник ёх. Добиваются,
перемещая движок, чтобы стрелка гальванометра не отклонялась.
Пусть для этого движок нужно поставить в положение с. Затем вместо
ё х ставят источник с известной ЭДС (так называемый нормальный
элемент ёп). И снова, чтобы стрелка гальванометра не отклонялась,
движок перемещают в положение с'. При этом выполняется соотноше-
ние:
х _ U ас __ I ас /с»
ёп ^ас lac
Реостат Rp нужен для получения подходящего рабочего тока в рео-
хорде. Кнопка К служит для кратковременного замыкания цепи с
гальванометром.
Можно и иначе использовать схему (рис. 102, б), т. е. не всегда
находить ёх из соотношения (56). Если по реохорду будет проходить
всегда один и тот же ток, то на нем ш на его отдельных
участках всегда будут одни и те же падения напряжения. Можно за-
ранее определить, какому напряжению соответствует определенное
положение движка с, т. е. проградуировать реохорд в вольтах. В
этом случае достаточно присоединить источник неизвестной ёх и
посмотреть, какому делению (в вольтах) соответствует положение
движка, при котором стрелка гальванометра не отклоняется.
Но нужно следить, чтобы ток в реохорде (рабочий ток) был строго
постоянным, и подправлять его с помощью реостата рабочего тока
/?р. Для измерения рабочего тока (который меняется, так как акку-
мулятор разряжается, хотя и медленно) можно поставить точный
амперметр. Но в измерительных потенциометрах для этой цели при-
меняется метод, дающий большую точность. На рисунке 102, в изо-
бражена упрощенная схема такого потенциометра. Рабочий ток здесь
контролируется по падению напряжения на эталонном сопротивле-
нии /?э . Если оно равно ЭДС нормального элемента (б’л), то при за-
мыкании ключа К влево стрелка гальванометра не должна отклонять-
ся. В противном случае этого нужно добиться с помощью реостата
рабочего тока 7?р, а затем уже, перекинув ключ К вправо, приступить
к измерению ё х.
Потенциометры могут измерять не только ЭДС, но и любые другие
величины, если только эти величины могут быть преобразованы в ЭДС
с помощью датчиков. Например, датчиком температуры может быть
119
термопара, которая вырабатывает ЭДС, пропорциональную темпера-
туре (точнее, разности температур горячего и холодного спаев):
^ = а(Т2-Л)- (57)
Потенциометр в этом случае может быть отградуирован в градусах.
Автоматический самопишущий потенциометр. Упрощенная схема
такого измерительного потенциометра приведена на рисунке 102, г.
Вместо гальванометра здесь имеется усилитель, к выходу которого
подсоединен электродвигатель ЭД. Ротор двигателя может вращаться
в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала напряжения,
подаваемого на вход усилителя (реверсивный двигатель). Ось электро-
двигателя через уменьшающую частоту вращения передачу соединена
механически с движком с реохорда, а также со стрелкой С. Если дви-
жок с стоит в таком положении, что компенсация не происходит, то
через вход усилителя идет ток, мотор вращается и автоматически ста-
вит движок в нужное для компенсации положение (обратная связь).
Одновременно передвигается и стрелка и останавливается против
какого-то деления на шкале Ш, откуда мы и узнаем значение неизвест-
ной ЭДС (Sx). Стрелка может быть соединена с пером П, оставляю-
щим след на бумаге. Если бумага под пером медленно движется, то
перо выписывает кривую зависимости Sx от времени.
Если надо выяснить, как зависит некоторая величина, преобра-
зованная в ЭДС S х не от времени, а от какой-либо другой величины,
преобразованной в ЭДС 3 , применяется двухкоординатный автома-
тический самопишущий потенциометр или графопостроитель
(рис. 102, д'). В таком потенциометре имеется два реохорда, два усили-
теля, два двигателя. Один из двигателей смещает по горизонтальному
стержню вправо или влево каретку с пером пропорционально Sx,
другой перемещает две каретки, в которых закреплены концы гори-
зонтального стержня, по вертикальным стержням вверх и вниз про-
порционально £ . Получается график Sy ($Д, например зависимость
интенсивности света от длины волны.
Автоматический самопишущий потенциометр — прибор, широко
применяемый в научных исследованиях и на производстве.
§ 34. ПРИБОРЫ, СОЗДАЮЩИЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
И ИЗМЕРЯЮЩИЕ ЕГО ИНДУКЦИЮ
Магнитное поле образуется в пространстве вокруг движущихся
зарядов, в частности вокруг провода стоком. Но оно получается очень
слабым, даже если сила тока велика. Поле становится более сильным
в катушке (соленоиде), состоящей из большого числа витков, особен-
но если в катушку введен сердечник (магнитопровод) с большой
магнитной проницаемостью р (рис. 103, а). Индукция магнитного поля
в длинном соленоиде определяется числом ампер-витков на едини-
цу длины iN/l и магнитной проницаемостью материала сердечника р:
В = popiW//,
(58)
120
где Цо = 1.26 • 1О"Й Гн/м—магнит-
ная постоянная. Проницаемость р,
для большинства веществ пример-
но равна 1. Для ферромагнетиков
ц « 102—103, в этом случае ц, зави-
сит от индукции магнитного поля.
В центре короткой катушки
(кругового тока) В — piopi7V/(2/?),
где 2R — диаметр (рис. 103, б).
Соленоид — основная часть ка-
тушки индуктивности, дросселя
и электромагнита. Электромагни-
ты в основном применяются для
двух целей: для создания сильного
магнитного поля (например, при
исследовании поведения веществ в
магнитных полях) и для притя-
жения железных или стальных
предметов, деталей и т. д. Кроме
того, электромагниты являются де-
талями в реле, электромоторах,
громкоговорителях, телефонах,
микрофонах и т. д.
На рисунке 104 приведены
простейшие конструкции электро-
магнитов.
Электромагниты, используемые
для создания магнитного поля,
характеризуются предельным зна-
чением магнитной индукции в за-
зоре; объемом, в котором создается
поле; степенью его однородности;
напряжением и силой тока; общей
массой (обычно значительной).
Общий магнитный поток в сер-
Рис. 103. Соленоид (а) и короткая ка-
тушка (б). Для соленоида с железным
сердечником изображены линии век-
тора напряженности магнитного поля
И и линии вектора магнитной индук-
—>
ции В.
Рис. 104. Электромагниты: а — для
получения сильных магнитных по-
лей; б — для поднятия железных
предметов; в—для передвижения де-
талей .
дечнике равен .
Ф = B3S3 = —HpW (59)
/с
где i — сила тока, N — число витков, /с и 13 — длины участков маг-
нитопровода (сердечника и зазора), Sc и S3 — их сечения, цс — маг-
нитная проницаемость материала сердечника, В3 — индукция маг-
нитного поля в зазоре. Таким образом, величина В3 зависит от длины
13 и сечения S3. Чтобы значение В3 в небольшом объеме было велико,
сечение S3 выгодно сделать меньше сечения Sc. Для этого полюсные на-
конечники заостряют (рис. 104, а). Однако при этом ухудшается одно-
родность поля в зазоре. При l3/S3 /c/(p,cSc) (из-за большого зна-
чения set 103) В3 « —Значение В3,тах определяется величи-
*3
121
нами N, ls и максимальной силой тока, который может выдержать об-
мотка. Это значение тока определяется количеством теплоты, выде-
ляющейся в медных проводах сопротивлением 7?Пр- Поэтому обычно
значение В3,тах (если не применяется специальное охлаждение) не
превышает 0,2—2 Тл. При этом катушки потребляют мощность поряд-
ка нескольких киловатт. Охлаждение водой позволяет несколько уве-
личить i, а следовательно, и В. Радикально задача решается в сверх-
проводящих электромагнитах, где катушка делается из металла,
переходящего в состояние /?пр = 0 при низких температурах (при
/Не = 4,2 К)- В этом случае в катушке вообще не выделяется тепло-
та. После установления тока в катушке ее можно закоротить и отклю-
чить источник тока. Ток сохраняется в обмотке длительное время без
дополнительных затрат энергии. Необходимо только поддерживать
низкую (гелиевую, ниже 4,2 К) температуру, на что расходуется много
меньше энергии. Такие магниты создают постоянное поле с индукцией
до 10 Тл.
При кратковременном пропускании тока (получении импульсных
магнитных нолей) тепловое ограничение снимается и в обычном, не-
сверхпроводящем электромагните. В таких электромагнитах через
катушки (без железного сердечника) пропускается заряд от батареи
конденсаторов большой емкости, заряженных до большой разности
потенциалов. В этом случае имеет значение прочность катушки (то-
ки, текущие по противоположным сторонам витка, разрывают его).
В катушках, заключенных в специальную удерживающую броню,
В3,|пах может достигать нескольких сотен тесла.
Электромагниты, служащие для притягивания железных деталей
(рис. 104, б), характеризуются максимальной силой, которую они
могут развивать. Эта сила в значительной степени зависит от рас-
стояния до предмета. Поскольку работа по приближению предмета
равна dA — Fdl3, а изменение энергии магнита при этом составляет
.ТТЛ/ J \ j2 JT JzH с ‘N -г .т.
dW = d —] =—dL — — d<£>, то F = — —. Так как Ф оо
(,2 / 2 2 2 dls
/71, то F со /~2, т. е. сила возрастает при приближении предмета к
магниту. Поэтому предмет на некотором расстоянии почти не притя-
гивается, а при приближении к магниту с быстро увеличивающейся
скоростью устремляется к нему.
Возможны, однако, конструкции, где сила мало зависит от расстоя-
ния (рис. 104, «). В этом случае по мере втягивания якоря на расстоя-
ние I магнитный поток возрастает приблизительно прямо про-
порционально I так, что dQldl № const и предыдущие рассуждения
приводят к независимости силы F от перемещения I. Такой электромаг-
нит используется для перемещения различных деталей.
Для создания магнитного поля используются также постоянные
магниты — куски магнитожесткого материала, обладающие остаточ-
ной намагниченностью. Такие материалы представляют собой сплав
стали с хромом, кобальтом и другими веществами. Используются и
другие сплавы (не на основе стали) с добавками редкоземельных
элементов. Кроме ферросплавов, сейчас широко применяются ферри-
ты. Постоянные магниты могут быть полосовыми, дугообразными и
122
более сложной формы. Для намаг-
ничивания заготовку вставляют в
соленоид, по которому кратковре-
менно пропускают ток, получая
В порядка 1—10 Тл. В результа-
те у торца заготовки остается поле
с индукцией В ~ 1СГ1 Тл.Оста-
точная намагниченность разруша-
ется со временем вследствие меха-
нических сотрясений и нагревания.
Постоянные магниты использу-
ются в громкоговорителях, телефо-
нах, компасах и ряде других при-
боров.
Вращающееся магнит-
ное поле получают с помощью
двух или трех обмоток, переменные
токи в которых сдвинуты друг от-
носительно друга по фазе.
Для измерения индукции В
магнитного поля может быть ис-
пользована любая зависимость ка-
Рис. 105. Магнетометры: а — магнито-
электрический; б — флюксметр
или веберметр; в — датчик Холла;
г — феррозонд, д — к объяснению
действия феррозонда.
кой-либо величины от В. Это реализуется в различного типа магне-
тометрах.
В магнитоэлектрическом магнетометре (это магнитоэлектрический
электроизмерительный прибор без магнита) используется сила Ампе-
ра. Роль магнита выполняет внешнее магнитное поле, которое и за-
ставляет рамку с известным током поворачиваться на угол, зависящий
от значения В (рис. 105, а). Прибор должен быть правильно ориенти-
рован относительно линий индукции магнитного поля, как, впрочем,
и все другие типы магнетометров.
Явление электромагнитной индукции используется в флюксметре.
Этот прибор измеряет магнитный поток через рамку из п витков про-
вода (рис. 105, б). Рамка соединяется с баллистическим гальванометром,
который фиксирует полный заряд Q, обусловленный кратковремен-
ным импульсом тока. Рамка вносится в магнитное поле перпендикуляр-
но линиям индукции. Когда подвижная система гальванометра успо-
коится, рамку быстро удаляют из магнитного поля. При этом в ней
индуцируется ЭДС индукции 8 = —п —. После интегрирования
dt
получаем: Ф = — f 8dt —-idt = —, где R — общее сопротивле-
п J п п
ние рамки и гальванометра. Таким образом, показания баллистиче-
ского гальванометра, измеряющего Q, пропорциональны магнитному
потоку через рамку Ф = BS, где S — площадь рамки.
Веберметр (милливеберметр) близок по принципу действия к
флюксметру. В отличие от флюксметра рамка в веберметре замыкает-
ся на переносный магнитоэлектрический прибор, в котором подвижная
часть может устанавливаться в любом положении (нет возвращающей
123
пружинки). Сопротивление внешней рамки и самого прибора 7? много
меньше критического сопротивления (см. гальванометр), так что
прибор «переуспокоен». Однако когда рамку удаляют из магнитного
поля, в цепи возникает ток t со л — ив итоге подвижная часть при-
dt
бора со стрелкой переходит в новое положение. Разность показаний,
как и во флюксметре, пропорциональна пФ == nBS В- Прибор снаб-
жается устройством для установки стрелки перед измерением в удоб-
ное начальное положение.
Действие датчика Холла (рис. 105, в) основано на эффекте Холла,
который заключается в следующем. Если в полупроводнике от электро-
да а к электроду b движутся заряды, то в магнитном поле они откло-
няются силой Лоренца Fn=q [ц, В] в направлении, перпендикуляр-
ном к направлению тока (т. е. скорости носителей тока ц), и индукции
—
магнитного поля В. В результате на электродах cd возникает разность
потенциалов, пропорциональная В. Она измеряется потенциометром.
Менее чувствительны магнетометры, действие которых основано
на эффекте магнетосопротивления — изменении сопротивления полу-
проводника или полуметалла в магнитном поле. Сопротивление, на-
пример, висмутовой спирали измеряется в таком магнетометре мо-
стом.
В настоящее время распространены магнетометры, в которых
используется феррозонд, обладающий большой чувствительностью.
Феррозонд состоит из двух ферритовых полосок, намагниченных
вдоль оси, но в противоположных направлениях. На каждой полоске
находится обмотка, по которой проходит ток частотой со от генерато-
ра (рис. 105, г). Связь между индукцией В магнитного поля в феррито-
вой полоске и силой тока в обмотке i (или напряженностью внешнего
намагничивающего поля Н) нелинейная (рис. 105, д). Пусть полоски
имеют остаточную намагниченность и остаточную индукцию Вост,
так что одна находится в состоянии 1, а другая в состоянии 2. При про-
пускании по обмоткам переменного тока (т. е. под действием внеш-
него переменного поля напряженностью Н~) в катушках возник-
нут переменные магнитные поля с индукцией В^ (на чертеже показа-
ны двойными вертикальными черточками). Витки обмоток намотаны
так, что векторы В^ в полосках имеют противоположные направления.
На обе катушки намотана еще одна обмотка, соединяемая с измери-
тельным прибором. Однако в ней ЭДС не наводится, так как В~ в
полосках компенсируют друг друга. Ситуация изменится, если все
устройство поместить во внешнее магнитное поле напряженностью
Н=. Это будет означать, что полоски перешли из состояний 1 и 2 в
состояния Г и 2' (одна немного размагничивается, другая намагни-
чивается чуть больше). Теперь при одинаковых Н~ В~ будут иметь
разные значения и разность будет отличаться от нуля. В резуль-
тате во внешней катушке возникает ЭДС. Частота этой ЭДС будет не
<в, а 2 о. Это связано с тем, что разность В~ возникает за счет нели-
нейной зависимости В от Н,
124
ГЛАВА IV
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
Электроника — наука об электронных и
ионных процессах в вакууме, газе, полупро-
воднике и на их контактах, а также о приме-
нении этих процессов в электровакуумных,
ионных и полупроводниковых приборах. В
технике термином «электроника» обозначают
все устройства с использованием этих при-
боров.
§ 35. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
В полупроводниках используются элект-
ронные процессы — движение электронов и
дырок (носителей). Для создания электронной
проводимости в кристалл вводят примесь, по-
ставляющую большое число электронов. Полу-
чается полупроводник «-типа. Другая при-
месь может создать, наоборот, большое число
дырок (полупроводник p-типа). Эти электроны
и дырки называются основными носите-
лями. Кроме того, в р-полупроводнике может
существовать и небольшое число свободных
электронов, возникающих за счет наличия не-
большой примеси другого сорта, за счет осве-
щения и других воздействий. Их обычно не-
много, и они носят название н ео с но в ных.
Аналогично в «-полупроводнике могут при-
сутствовать неосновные носители — дырки.
Полупроводниковый диод. Пусть в одной
части кристалла создана «-область, а в дру-
гой — p-область. Если граница между ними
достаточно тонкая, то образуется р — «-пере-
ход. Из «-области электроны диффундируют
в p-область. В обратном направлении диффун-
дируют дырки. В результате возникает кон-
тактная разность потенциалов Uk (рис. 106, а,
б). Вблизи р — «-перехода слой обеднен носи-
телями, так как электроны и дырки взаимно
рекомбинируют, — это слой большого сопро-
Рис 106. Полупроводни-
ковый диод: а — распре-
деление носителей;
б — распределение по-
тенциала; в — энерге-
тические зоны в районе
р — п-перехода; г — ре-
зультат приложения поля
а. пропускном направле-
нии; д —в запирающем.
125
Рис. 107. Вольт-ампер-
ная характеристика по-
лупроводникового диода.
тивлсния. На рисунке 106, в изображена схе-
ма уровней энергии электронов (зонная схе-
ма* )• В «-области, которая зарядилась по-
ложительно, энергия электронов меньше.
Диффузионный ток исчезает благодаря возни-
кновению барьера. Точнее, незначительный
ток диффузии 1ДИфф полностью уравновешива-
ется током неосновных носителей 1К.
Создадим теперь за счет внешнего источни-
ка разность потенциалов (рис. 106, г, справа
«+»)• В результате у электронов справа энер-
гия уменьшится, а у электронов слева увеличится, барьер понизится и
электроны (основные носители) в большом количестве будут диффун-
дировать направо, а дырки (основные носители в р-области) — налево.
Обедненный слой делается более тонким или вообще исчезает. Возни-
кает большой прямой ток 1прям = /ДИфф. Этот процесс носит название
инжекции.
Если изменить полярность источника (рис. 106, 5), барьер повысит-
ся и /ДИфф -> 0. Останется только ток неосновных носителей, который
и образует очень малый обратный ток 1обрати- Обедненный слой боль-
шого сопротивления расширится.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет вид, показанный на
рисунке 107. Участок 1—2 — график прямого тока, 1'—3 — обратно-
го, 3—4 — область электрического (обратимого, неразрушающего)
пробоя, 4—5 — область теплового пробоя. Таким образом, р —
— «-переход (диод) пропускает ток в одном направлении и не пропу-
скает в другом, т. е. представляет собой выпрямитель, вентиль. Схемы
для выпрямления рассмотрены в § 20.
По конструкции диоды бывают плоскостные и точечные, имеющие
разные ВАХ. Следует обратить внимание на то, что при малых напря-
жениях на участке 1—1' (рис. 107) выпрямления не происходит. У
точечных диодов, служащих для детектирования слабых сигналов,
этот участок мал. Плоскостные диоды рассчитаны для выпрямления
сильных токов. Для них важными параметрами являются максималь-
но допустимое обратное напряжение С/пред и максимальная сила тока
в прямом направлении iraax (рис. 107). Для повышения (7прсд диоды
можно соединять последовательно. Однако, для того чтобы на все
диоды пришлись примерно одинаковые напряжения, их надо шунти-
ровать резисторами (рис. 108, а), сопротивление которых меньше, чем
сопротивление диодов в обратном направлении.
Полупроводниковые диоды используют также в качестве стабили-
заторов напряжения (стабилитроны), конденсаторов переменной,
управляемой емкости (варикапы), в схемах ограничения сигналов,
* Предполагается, что основные сведения из зонной теории полупроводников
известны: понятия о валентной зоне (заштрихована на рис. 106, в), зоне проводимо-
сти (не заштрихована), об уровнях энергии доноров, поставляющих электроны в зо-
ну проводимости в «-области (слева на рисунке) и об уровнях энергии акцепторов
в p-области (справа), создающих в валентной зоне дырки — положительные носи-
тели тока.
126
OF
a
5
Рис. 108. Последователь-
ное (а) и параллельное
соединение диодов (б).
41-
Рис. 109. Характери-
стика стабилитрона и его
использование для ста-
билизации напряжения.
отбора сигналов по амплитуде (дискриминато-
ры), очень широко как детали логических эле-
ментов «И», «ИЛИ» и т. д. в электронно-вычис-
лительных машинах.
Стабилитрон — диод с удлиненным участком
2—3 (рис. 109, а). В этом случае напряжение
на диоде (£/ст) почти не зависит от силы тока.
Схема стабилизации показана па рисунке 109, б.
Варикап — управляемый конденсатор. При
подаче па диод разности потенциалов Uo6p в
обратном направлении барьерный обедненный
слой представляет собой плоский конденсатор,
толщина которого, а следовательно, емкость за-
висит от Uo6p (рис. НО, а). Схема использования
варикапа в колебательном контуре, частоту ко-
лебаний которого можно изменять, меняя ем-
кость варикапа, показана на рисунке ПО, б.
Туннельный диод. Если р—«-переход полу-
Рис. НО. Варикап.
чить на полупроводнике с очень большой концентрацией носителей
(вырожденный полупроводник), то энергетическая диаграмма для
электронов будет такой, как на рисунке 111, а. В «-области, в зоне
проводимости, электроны плотно заполняют зону — вплоть до некото-
а 5 д г 3
Рис. 111. Туннельный диод.
127
Рис. 112. Вольт-ампер-
ная характеристика тун-
нельного диода.
Рис. 113. Генератор
на туннельном
диоде.
+•
6
Рис. 114. Транзистор.
128
рого уровня (уровень Ферми ц),' а в р-облас-
ги на этом уровне имеется большое число
дырок. Барьер в этом случае превышает ши-
рину запрещенной зоны Eg. Если на р-об-
ласть подать отрицательный потенциал, то
произойдет следующее (рис. 111,6). При боль-
шой концентрации носителей ширина обед-
ненного слоя мала. Электроны будут просачи-
ваться через этот слой (туннельный эффект),
и в том направлении, которое для обычного
диода было запирающим, потечет большой
ток. Такой же большой ток, но в обратном
направлении возникает при подаче на р-об-
ласть небольшого положительного потенциа-
ла (рис. 111, в). Таким образом, туннельный
диод не является выпрямителем (участки аб
и бе на ВАХ, рис. 112, почти симметричны).
При дальнейшем увеличении положительного
потенциала p-области сила тока резко начнет
уменьшаться. Это произойдет тогда, когда дно
зоны проводимости слева поднимется выше по-
толка валентной зоны справа (рис. 111, [г).
Туннельный эффект прекратится (участок г на
рис. 112). Только при значительно большем
потенциале справа, когда барьер почти исчез-
нет, возникнет большой прямой ток, как в
обычном диоде (масштаб по горизонтали на
рис. 112 растянут по сравнению с рисунком 107,
Ua — небольшое напряжение).
Практическое значение имеет «падающий»
участок г на ВАХ (рис. 112), поскольку этот
эффект можно использовать для создания ге-
нератора. Рассмотрим цепь на рисунке 113.
Пусть от батареи на колебательный контур
LC подается как раз напряжение Uo (рис J112).
Если случайно на верхней пластине конден-
сатора возникнет плюс, то это уменьшит на-
пряжение на туннельном диоде D. При этом
сила тока через диод D увеличится и конден-
сатор подзарядится. Наоборот, при минусе на
верхней пластине конденсатора сила тока че-
рез диод D уменьшится и зарядка конденса-
тора прекратится. Такой генератор может
работать на очень высоких частотах, до
1011 Гц (X = 3 мм), так как туннельный пе-
реход происходит за очень малое время.
Транзистор — полупроводниковый триод—
кристалл с тремя областями и тремя вывода-
ми (рис. 114, а). Последовательность областей
может быть п — р — п или р — п — р. Сред-
няя часть делается очень тонкой. Выводы име-
ют названия: эмиттер (Э), коллектор (К) и
база (5). Энергетическая диаграмма для элек-
тронов после диффузии и установления кон-
тактной разности потенциалов (см. полупро-
водниковый. диод) дана на рисунке 114, б.
Подадим на коллектор п — р — п -транзис-
тора большой положительный потенциал.
Энергия электронов резко уменьшится (рис.
114, в). Однако переходу электронов из эмит-
тера на коллектор препятствует барьер, соз-
даваемый базой Б. Если подать на базу не-
большой положительный потенциал относи-
тельно эмиттера, то барьер снизится и сила
тока в цепи ЭК значительно возрастет. Если
к тому же на базу относительно эмиттера по-
дать слабый переменный сигнал, то он будет
сильно влиять на силу тока в цепи ЭК- По-
лучился управляемый резистор, который мож-
но использовать для усиления сигналов.
На схемах триод обозначается так, как по-
казано на. рисунке 115. Стрелка на выводе-
эмиттере означает принятое в электротехнике
направление тока. В транзисторе п —р—п-
типа она направлена от базы (рис.. 115, а),
а в транзисторе р — п — р-типа — к базе
(рис. 115, б). Ее направление сразу указы-
вает, с каким полюсом батареи питания нуж-
но соединить коллектор: ток должен течь от
плюса к минусу в цепи КЭ по направлению
стрелки. Для открывания п — р — п-траи-
зистора на базу относительно эмиттера следу-
ет подать положительный потенциал, для от-
крывания р — п — р-транзистора — отрица-
тельный.
Для.усиления сигналов используется, на-
пример, схема, показанная на рисунке 116,
а. Слабые колебания напряжения в цепи БЭ
Рис. 115. Обозначение на
схемах: а — п — р — п-
транзистора; б—р-п—р-
транзистора.
Рис. 116. Схемы усиле-
ния на транзисторе: а—с
общим эмиттером; б — с
общей базой; в — с общим
коллектором.
приведут к сильным колебаниям силы тока в цепи ЭК- Этот ток, про-
текая по нагрузке RH, создает значительные колебания напряжения
на нагрузке. С нагрузки RH снимается усиленный выходной сигнал.
Такая схема называется схемой с общим эмиттером. В зависимости от
того, с каким электродом соединена общая точка входа и выхода пе-
ременных сигналов, возможны еще две схемы: с общей базой (рис.
116, б) и с общим коллектором (рис. 116, в). На рисунке 116 это соеди-
нение обозначено жирной линией. При этом источники постоянного
напряжения во внимание не принимаются, так как для переменно-
го тока они имеют практически нулевое сопротивление. Во всех трех
5 Заказ 771
129
схемах входной сигнал подается в цепь БЭ, а нагрузка 7?н, на
которой образуется выходной сигнал, должна быть в цепи коллек-
тора.
Параметры транзисторов зависят от их конструкции и от схе-
мы включения. Значения некоторых параметров приведены в та-
блице 4.
Таблица 4
Примерные параметры транзисторов при различных включениях
Параметры Схема включения
оэ ОБ ок
10—102 <,1 10
Йу 10’. 10* 1
10’ 10? 10
Явх, Ом 103 10 104
Явых, Ом 104 104 103
В таблице используются следующие обозначения!
k t — коэффициент усиления по переменному току,
— по напряжению, kp — по мощности,
7?вх и ^вых — соответственно входное и выходное сопротивления.
Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером обоз-
начается р, в схеме с общей базой — а. Коэффициенты связаны фор-
мулой
а
Р
1 + Р‘
Схема с общей базой по сравнению со схемой с общим эмитте-
ром имеет преимущества по температурным и частотным характе-
ристикам.
о В
Рис. 117. Подача положительного сме-
щения на базу транзистора (а)
(п — р — n-траизистор, схема с об-
щим эмиттером); многоэмиттерный
транзистор (без корпуса) (б).
Кроме того, в ней меньше нели-
нейные искажения, хотя усиление по
току и по мощности тоже меньше.
Схема с общим коллектором исполь-
зуется реже, в основном в тех случа-
ях, когда надо иметь большое вход-
ное и небольшое выходное сопро-
тивления (преобразователь сопро-
тивлений, коллекторный повтори-
тель).
Для создания постоянного по-
ложительного смещения на базе не
обязательно использовать второй
источник тока. Положительный
130
Тц2
потенциал можно получить, ис-
пользуя схему рисунка 117, а.
Один транзистор может иметь не-
сколько эмиттеров (рис. 117, б), что
используется в вычислительных,
машинах (см. логические схемы).
При работе с триодами необхо-
димо знать также следующие пара-
метры: предельную частоту усиле-
ния, наибольшее допустимое на-
пряжение на коллекторе, пре-
дельно допустимую мощность рас-
сеивания коллектором и другие, а
также схему выводов. Значения
этих параметров можно найти в
соответствующих справочниках.
Тиристор представляет собой
более сложную комбинацию р — п-
переходов. Это четырехслойная
структура (рис. 118, а). Тиристор
имеет всего два вывода — анод А
и катод К (диодный тиристор, или
динистор). Рассмотрим энергетичес-
кую схему для электронов в отсут-
ствие поля (рис. 118, б) и с поло-
жительным потенциалом на аноде А
относительно катода К (рис. 118, в).
Когда поля нет, то контактные раз-
ности потенциалов устанавливают-
ся вследствие диффузии (см. полу-
проводниковый диод). Благодаря
приложенной разности потенциа-
лов приоткрываются переходы
1—2 и 3—4 и запирается переход
2—3 (рис. 118, в). Получаются как
бы два транзистора п—р—п (Тр 1)
и р — п — р (Тр 2), включенные навстречу друг другу и частично
совмещенные (см. зонную схему для транзистора). Область 1 играет
роль эмиттера электронов. Она инжектирует электроны, которые под
действием поля перехода 2—3 попадают в область 3. Из теории тран-
зистора известно, что через коллекторный переход, несмотря на то
что он включен в обратном направлении, может идти ток, если в
этот переход инжектируются носители. В данном случае в переход
2—3 инжектируются электроны (из области 1) и дырки (из области 4).
Причем оба процесса помогают друг другу, так как впрыскивание элек-
тронов в область 3 поднимает здесь зоны, что способствует инжекции
дырок из области 4 через область 3 в 2. При некотором напряжении
б/вкл этот процесс приобретает лавинообразный характер и сопротив-
ление всего прибора делается очень малым (см. ВАХ на рис. 118, г).
2 де
Рис. 118. Тиристор (а), энергетическая
схема без поля (б) и с полем (в); вольт-
амперная характеристика (г) и обозна-
чения динистора (д) и тринистора (е)
на схемах.
5*
131
Рис. 119. Приме-
нение тиристора
для регулировки
электронагревате-
лей.
Рис. 120. Полевой
транзистор (а) и
полевой транзис-
тор с.изолирован-
ным затвором (б).
Так работает динистор. Он имеет два устойчивых
положения — с большим и малым сопротивлени-
ем. Динистор используется как самозамыкающий-
ся электронный ключ.
Триодный тиристор (тринистор) имеет третий
электрод, от области р (электрод Y на рис. 118, а).
Если на этот электрод подать положительный по-
тенциал, то, как и в обычном транзисторе, поток
электронов из эмиттера в коллектор через базу
возрастет. В данном случае это приведет к умень-
шению UBKJI (пунктир на рис. 118, г). Таким обра-
зом, тиристор может работать как управл яе-
мый электронный ключ. Он используется и как
элемент для управления сильными токами, напри-
мер в схемах автоматического регулирования тем-
пературы электронагревателей при питании их пе-
ременным током. В этом случае напряжение с ти-
ристора снимается каждые полпериода (рис. 119)
и он гаснет, а включение можно осуществить в
любой момент (точка а на рис. 119) с помощью
управляемого электрода. Для использования вто-
рой половины периода можно применить схему
двухполупериодного выпрямления.
Обозначения динистора и тиристора на схемах
даны на рисунке 118, д, е. Динистор использует-
ся в релаксационном генераторе, для усиления
импульсов, а также в переключающих схемах.
Тиристоры широко применяются в электронных
устройствах автоматики и в импульсной технике.
Полевой транзистор в отличие от ранее рас-
смотренных транзисторов с двумя р — «-перехода-
ми (биполярные транзисторы) называется унипо-
лярным. Схематически он изображен на рисунке
120, а. Кристалл, например, «-типа при помощи
двух электродов: И — исток, С — сток, включается
в цепь постоянного тока. Для управления током,
проходящим через «-область, создана р-область. На рисунке штрихов-
кой показана область высокого сопротивления, обедненная носителя-
ми, она всегда образуется на р — «-переходе (см. диод). Эта область
расширится, если на р — «-переход подать напряжение в запирающем
направлении. Если подать на p-область с помощью электрода 3 (зат-
вора) отрицательный потенциал, то обедненная область расширится и
преградит путь электронам, идущим по «-области. Напряжение, при
котором прекращается ток, называется напряжением отсечки. На-
оборот, слабый положительный сигнал на затворе открывает цепь ИС
и на нагрузке Ra появляется сравнительно большое падение напря-
жения. Следовательно, в таком транзисторе ток переносится зарядами
только одного знака. Отсюда название: униполярный транзистор.
Униполярные транзисторы по сравнению с биполярными обладают
s
.132
рядом преимуществ, например имеют большее входное сопротивление.
Входное сопротивление еще больше (до 1015 Ом) у полевых транзи-
сторов с изолированным затвором (рис. 120, б). Пусть основной кри-
сталл имеет проводимость p-типа. В нем созданы две n-области и от
них имеются выводы: И — исток, С — сток. По поверхности кристал-
ла эти области соединены очень тонким слоем (каналом) «-типа. Ка-
нал прикрыт диэлектриком, а затем на диэлектрик напылен слой
металла. Получается управляющий электрод — затвор. Такие тран-
зисторы в соответствии с конструкцией называются: МДП-транзисто-
рами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами
(металл-оксидный слой-полупроводник). В отличие от полевого тран-
зистора с р — «-переходом в полевом транзисторе с изолированным
затвором управляющий электрод гальванически не соединен с кри-
сталлом.
При подаче напряжения на С относительно И ток может течь
только по каналу, так как при любом направлении тока один из
р — «-переходов заперт. Если на затвор подать отрицательный по-
тенциал, то под действием поля носители (электроны) покинут канал
и его сопротивление возрастет (обеднение). При некотором напряжении
отсечки канал закрывается полностью. При другом знаке потенциала
на затворе концентрация носителей в канале увеличится и проводи-
мость его возрастет (обогащение).
Канал может быть заранее и не заготовлен, но он может образовы-
ваться под действием поля, приложенного к затвору (МОП-транзистор
с индуцированным каналом).
Для усиления сигналов полевые транзисторы, так же как и бипо-
лярные, могут включаться по одной из трех схем: с общим затвором,
с общим истоком, с общим стоком; Эти транзисторы имеют малую вход-
ную емкость и могут работать до частот порядка 108 Гц. Главное их
достоинство — малое потребление энергии.
Более сложными элементами микроэлектроники являются инте-
гральные схемы ИС, или микросхемы. Одной из основных задач со-
временной электроники является микроминиатюризация. Простое
уменьшение размеров элементов не решает этой задачи, поэтому сей-
час применяется другой путь: налажено массовое производство инте-
гральных схем. Одновременно на поверхности или в объеме твердого
тела создается несколько элементов и соединений между ними, напри-
мер, сначала создаются все эмиттерные области всех транзисторов,
затем все базовые, все резисторы и т. д. Это, с одной стороны, удешев-
ляет и ускоряет производство (устраняется монтаж), экономит исход-
ные дорогие материалы, а с другой — увеличивает быстродействие
схем (в связи с более тесным расположением деталей). Схемы малой
интеграции содержат 10—30 элементов, большой — до 1000. Существу-
ют и схемы сверхбольшой интеграции — свыше 104 элементов.
Для создания интегральных схем используются два метода: 1) вве-
дение различных примесей в разные части кристалла в процессе его
выращивания (или путем диффузии) и формирование, таким образом,
р — «-переходов и других элементов (полупроводниковая техноло-
гия); 2) последовательное напыление различных слоев испарением
133
//
Рис. 122. Пример электрической схе-
мы цепи (а) и ее интегрального выпол-
нения (5).
оЯц.
Рис. 121. Пример интегральной схе-
мы — двухкаскадный усилитель.
или катодным распылением через определенные маски-трафареты (пле-
ночная технология). Существуют и такие методы: фотолитография
(избирательное вытравливание отдельных участков после засвечива-
ния поверхности ярким светом через маску-трафарет); нанесение ри-
сунка электронным лучом (выжигание малых участков); оксидирова-
ние (окисление), в результате чего возникают диэлектрические слои;
ионная имплантация (обстрел пучком ионов, ускоренных до больших
энергий); наращивание эпитаксиальных слоев и др. Поскольку эти
способы позволяют изготавливать сразу большое количество транзи-
сторов, то часть транзисторов используют как диоды, конденсаторы
(емкость р — п-перехода), резисторы и т. д. В качестве основы ИС
применяется чаще всего монокристаллическая кремниевая пластина.
Элементы изолируют друг от друга двумя способами: либо окислением
кремния — диэлектрическим слоем SiO2, либо созданием р — п-
переходов, смещенных в обратном направлении. Схемы, в некоторых
местах которых присоединяются снаружи бескорпусные навесные
детали, называются гибридными интегральными схемами.
Пример ИС показан на рисунке 121 (двухкаскадный усилитель).
Другой пример электрической схемы и ее интегрального исполнения
дан на рисунке 122.
В виде интегральных схем могут быть выполнены усилители, гене-
раторы, преобразователи, модуляторы, детекторы, триггеры, элек-
тронные ключи, фильтры, линии задержки, логические элементы,
запоминающие устройства, а также многофункциональные схемы.
Интегральные схемы стараются унифицировать, т. е. сделать их
такими, чтобы одна и та же интегральная схема в зависимости от
того, какие выводы используются, могла играть роль разных прибо-
ров (усилителя, преобразователя и т. д.).
134
§ 36. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
В электровакуумных приборах электрические процессы происхо-
дят в вакууме. Для того чтобы электрон двигался в приборе без
столкновения с молекулами оставшегося газа, давление газа долж-
но быть меньше 10ч Па. В приборах большого размера, например в
кинескопах, давление должно быть еще меньше. К электровакуумным
приборам относятся электронные лампы: диод, триод, тетрод, пен-
тод, гексод и т. д.; лампы для СВЧ (магнетрон, клистрон, ЛБВ
и ЛОВ); электроннолучевые приборы (осциллографические электрон-
нолучевые трубки); электронно-оптические преобразователи; фото-
электронные приборы (вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные
умножители); рентгеновские трубки и многие другие приборы.
Вакуумный диод служит для выпрямления, детектирования, огра-
ничения напряжений, отбора сигналов по амплитуде и для других
целей. Если диод используется для выпрямления, он называется кено-
троном. Диод представляет собой стеклянный или металлический бал-
лон, внутри которого расположены накаливаемый катод и холодный
анод. Катод бывает двух типов: прямого накала и подогревный
(рис. 123, а, б). В первом случае электроны испускаются нитью нака-
ла (катодом), во втором — накаленная нить разогревает цилиндр,
на который нанесен тонкий слой собственно катода; этот слой и слу-
жит источником электронов.
В результате электронной эмиссии вблизи катода образуется плот-
ное облако электронов. Если на анод относительно катода подать по-
ложительный потенциал, то частично или полностью эти электроны
попадут на анод. Если потенциал анода будет отрицательным — ток
через лампу не пойдет. На рисун-
ке 123, е даны вольт-амперные ха-
рактеристики (ВАХ) вакуумного
диода. Начальный участок такой
ВАХ соответствует закону icnU'it.
При больших положительных по-
тенциалах на аноде наступает на-
сыщение. Сила тока насыщения за-
висит от силы тока эмиссии, т. е.
от температуры катода.
Таким образом, диод представ-
ляет собой выпрямитель, основны-
ми характеристиками которого яв-
ляются ВАХ (рис. 123, е), реко-
мендуемая сила тока накала, мак-
симальное встречное напряжение,
которое можно подавать на диод,
предельная мощность, рассеиваемая
на аноде, и т. д. Обычные парамет-
ры таковы: i3 — от 0,1 до 100 мА;
ia — от 10 мА до 10 А; — от 0,1
До 103 В; Ua — от 2 до 6 В.
Рис. 123. Вакуумный диод: а — с ка-
тодом прямого накала; б — с подо-
гревным катодом; в, г — обозначения
на схемах; д — схема включения;
е — вольт-амперные характеристики
при разных температурах нити накала
катода.
135
Рис. 124. Вакуумный триод (а), его
сеточная характеристика (б) и схема
включения как усилителя электриче-
ских колебаний (в).
Главным параметром диода яв-
ляется максимальная сила тока
эмиссии. Она зависит от конструк-
ции катода. Простой катод — это
вольфрамовая проволока, которую
приходится накаливать примерно
до 2500°. Такие катоды неэкономич-
ны. Сложные катоды представляют
собой активированный слой, у ко-
торого искусственно снижена рабо-
та выхода электронов. Например,
тарированные катоды (покрытые
торием) работают при температуре
1000°. Наиболее распространены
оксидные катоды, выполненные из
смеси оксидов бария, кальция,
стронция. Для этих катодов харак-
терен . большой ток эмиссии при
температурах меньше 1000 °C. У
оксидных катодов на ВАХ нет уча-
стка насыщения (пунктир на рис.
123, е). При больших напряжениях
эти катоды разрушаются. В настоя-
щее время вакуумные диоды вытес-
няются полупроводниковыми. Од-
нако вакуумные диоды по сравне-
нию с полупроводниковыми имеют некоторые преимущества, а именно:
они выдерживают большое обратное напряжение; обратный ток у них
практически равен нулю.
Вакуумный триод. При добавлении третьего электрода, получив-
шего название управляющей сетки (спираль между анодом и катодом),
появляется возможность управлять анодным током, меняя весьма не-
значительно потенциал сетки на At/C. Поскольку при этом сильно
(на At/вых) меняется падение напряжения на нагрузке (рис. 124), то
триод является усилителем. Триод можно рассматривать как нелиней-
ный резистор, сопротивлением которого можно управлять с помощью
> потенциала сетки. В результате происходит перераспределение анод-
ного напряжения t/a между лампой и нагрузкой. Часть электронов
попадает на сетку, образуя сеточный ток 1С. Однако анодное напряже-
ние много выше сеточного. Поэтому большая часть электронов прохо-
дит через редкую сетку и попадает на анод, так что ic << ia. Ток
катода, естественно, равен сумме ia + ic.
На рисунке 124, б приведена основная (сеточная) характеристи-
ка вакуумного триода. Участок б — в — почти прямая линия — это
линейный участок характеристики. Обычно лампы имеют левую ха-
рактеристику, т. е. линейный участок почти полностью находится в
области отрицательных значений t/c.
Если напряжение на сетке изменить на At/C, то изменится анодный
ток на Ага. Отношение Sc = AZa/At/c при t7a = const называется
136
крутизной сеточной характеристики. Чтобы правильно выбрать лам-
пу, следует также знать номинальные значения напряжения, накала
и анодного напряжения, предельную мощность, рассеиваемую на
аноде Ра = iaUa, и ряд других характеристик.
В рабочем режиме потенциал сетки должен соответствовать при-
близительно середине линейного участка, т. е. на сетку должен быть
подан небольшой отрицательный потенциал относительно катода
(отрицательное смещение). Такое смещение достигается включением
в цепь катода резистора небольшого сопротивления /у (рис. 124, в),
который шунтируется конденсатором, чтобы не создавать помех для
переменной составляющей тока (соединение резистора с конденсато-
ром называется автоматическим смещением). Чтобы на значения по-
тенциала смещения не могла повлиять постоянная составляющая от
входа, сетка «защищается» конденсатором С (закрытый вход), а для
устранения изменения среднего потенциала сетки за счет сеточного
тока применяется сопротивление утечки сетки R. Существуют и дру-
гие схемы включения триода (с общей сеткой, общим анодом, см.
полупроводниковый триод).
Триод используется как основной элемент в усилителях и генера-
торах, а также в большом числе других схем разного назначения.
Тетрод. Триод обладает большой межэлектродной емкостью анод —
сетка (проходная емкость). В результате на высоких частотах сопро-
тивление лампы в значительной мере шунтируется этой емкостью.
Для устранения этой емкости между управляющей сеткой и анодом
вводится вторая сетка — экранная, на которую подается постоянный
потенциал, несколько меньший анодного.
Лучевой тетрод. Существенным недостатком тетрода является
динатронный эффект — выбивание вторичных электронов из анода
быстрыми электронами, движущимися от катода (вторичная электрон-
ная эмиссия). Это ослабляет анодный ток (электроны могут попасть
на экранную сетку). В лучевом тетроде уходу вторичных электронов
с анода препятствует большой объемный заряд электронов, подходя-
щих с катода. Большая плотность этого заряда обеспечивается спе-
циальной конструкцией сеток лампы и лучеобразующими электродами,
имеющими потенциал катода (рис. 125, б).
Пентод (пятиэлектродная лампа). Другой способ устранения ди-
натронного эффекта — введение третьей сетки между экранной сет-
кой и анодом. Эта сетка обычно соединена внутри лампы с катодом.
Она своим полем отталкивает сравнительно медленные вторичные
Рис. 125. Многоэлектродные электронные лампы: а — двойной диод; б — лучевой
тетрод; в — пентод прямого накала; г — гептод; д — триод-гексод; е и ж — двой-
ной триод.
137
Рис. 126. Сеточная ха-
рактеристика пентода
переменной крутизны.
электроны обратно к аноду, поэтому ее назы-
вают защитной. На электроны, движущиеся
от катода, защитная сетка почти не влияет,
так как они имеют большую скорость. Пен-
тод — наиболее распространенная приемно-
усилительная лампа (рис. 125, в).
Сетка может быть неоднородной по густо-
те. Редкий участок сетки практически нельзя
запереть, даже подав на нее большой отрица-
тельный потенциал. При этом получается пен-
тод с удлиненной характеристикой, или лампа
переменной крутизны (рис. 126). В таких лам-
пах, меняя сеточное смещение £/с.см, можно
менять коэффициент усиления, что использует-
ся, например, в системе автоматической регу-
лировки усиления (АРУ) в радиоприемниках.
Существуют многоэлектродные лампы, со-
держащие и большее число электродов. Так,
гексод — лампа с шестью электродами. Для гетеродинирования (сме-
шения частот), получения разностной частоты применяются гепто-
ды— лампы с пятью сетками (рис. 125, г). Гептод — лампа с двой-
ным управлением: на первую сетку подается напряжение Ur часто-
той fr, на третью — напряжение U2 частотой f2. Другие сетки име-
ют то же назначение, что и в пентоде. С помощью гептода в радио-
приемниках получают промежуточную частоту /пр = Д — /г, на ко-
торой в основном и идет усиление.
Комбинированные лампы — это лампы, в которых в одном баллоне
совмещены две лампы, работающие независимо или имеющие общие
электроды (рис. 125, д). Если такие «половинки» лампы используются
в разных частях схемы, то и на схемах в соответствующих местах
изображается лишь половина лампы (рис. 125, е, ж).
У большинства многоэлектродных ламп выводы расположены оди-
наково, что позволяет использовать стандартные панели. Более по-
дробные сведения о лампах имеются в учебниках и справочниках по
радиотехнике.
Специальные электровакуумные лампы — лампы узкоспециаль-
ного назначения. Так, для измерения малых перемещений применя-
ется механотрон, для анализа состава остаточных газов — омега-
трон и т. д. Для усиления и генерации в диапазоне СВЧ применяются
лампы сложной конструкции (магнетрон, ЛБВ, ЛОВ). В качестве
приемников света используют вакуумные фотоэлементы.
Электроннолучевые трубки (ЭЛТ). В этих приборах «работают»
пучки электронов (рисуют изображение на некотором транспаранте
или читают информацию, записанную на транспаранте). Основными
элементами ЭЛТ (рис. 127) являются: баллон /; электронная пушка,
состоящая из нити накала 2, оксидного катода 3, модулятора 4, пер-
вого анода 5 и второго анода 6; отклоняющая система (две вертикаль-
но отклоняющие пластины 7 и две горизонтально отклоняющие пла-
стины 8); транспарант, или экран 9, по которому перемещается луч.
138
6
управлением;
источником
Рис. 127. Электроннолучевые трубки: а — с электростатическим
б — с магнитным; в — с радиальным отклонением.
Электронная пушка (электронный прожектор) служит
электронного пучка. Электроны эмиттируются с поверхности като-
да 3. Катод находится внутри отрицательно заряженного цилиндра —
модулятора 4, который прижимает поток электронов к оси трубки,
осуществляя таким образом предварительную фокусировку электро-
нов, пропуская их только через отверстие. Кроме того, меняя отри-
цательный потенциал на модуляторе, можно менять число электронов,
даваемых пушкой в единицу времени, т. е. модулировать пучок по
интенсивности. Поэтому вывод от модулятора называют «вход Z» или
«яркость». Аноды 5 и 6 ускоряют электроны, а в промежутке между
ними электроны дополнительно фокусируются. Для фокусировки ис-
пользуются принципы электронной оптики (см. электронный микро-
скоп). В данном случае аноды 5 и 6 образуют электростатическую
линзу. В ряде приборов используется для фокусировки магнитная
линза 11.
Отклоняющие системы, обеспечивающие развертку, или сканиро-
вание луча по экрану, бывают электростатическими и магнитными.
Электростатическая система состоит из двух пар пластин, на которые
подается отклоняющее напряжение (рис. 127, а).. Пластины X назы-
вают горизонтально отклоняющими, а пластины Y — вертикально
отклоняющими. Магнитная система (рис. 127, б) представляет собой
две пары катушек, которые создают магнитное поле, действующее с
-* —>-
силой Лоренца F^= е [и, В] на электроны. Магнитная отклоняющая
система расположена вне трубки, что упрощает ее изготовление.
Недостаток системы магнитного отклонения состоит в том, что угол
отклонения, кроме напряжения на катушках, зависит еще от частоты,
так как ток i (а следовательно, индукция магнитного поля, им созда-
ваемого) зависит от индуктивного сопротивления катушек &L. По-
этому магнитные системы используют лишь тогда, когда частота раз-
вертки неизменна, например в телевизорах, индикаторных трубках
радиолокационных станций, hq не в осциллографах.
Для получения изображения предметов, расположенных в плоскости
вокруг некоторой точки (например, вокруг радиолокационной стан-
ции), используются трубки с радиальным отклонением. В этих труб-
ках (индикаторах) луч быстро двигается по радиусу от центра экрана
и обратно, а сам радиус медленно поворачивается вокруг центра.
Входной сигнал подается на модулятор, так что на экране в полярных
139
координатах в зависимости от поступления сигнала высвечиваются
отдельные места (рис. 127, в). Развертка в индикаторах осуществляется
двумя катушками А А, которые создают магнитное поле, отклоняющее
луч по радиусу а. Чтобы повернуть сам радиус, катушки можно вра-
щать вокруг трубки, но можно использовать вторую пару катушек
ББ, которая независимо будет отклонять луч вдоль направления б.
Направление вращения радиуса г в этом случае зависит от амплитуд
и фаз токов в катушках А А и ББ.
Экран покрывается веществом, которое способно светиться под
действием падающих на экран электронов (катодолюминесценция).
Кремнекислый цинк с активатором в виде марганца светится зеленым
светом, вольфрамат бария — сине-фиолетовым и т. д. По мере нако-
пления электронов на экране отрицательный потенциал экрана мог
бы начать задерживать электроны. Это не происходит, так как электрон
выбивает с поверхности экрана несколько электронов (вторичная
электронная эмиссия). Эти вторичные электроны улавливаются спе-
циальным проводящим слоем, которым покрыты стенки трубки около
экрана 10 на рисунке 127, а. Для этого на специальный проводящий
слой подается положительный потенциал.
Параметрами ЭЛТ служат: диаметр экрана, напряжение, или сила
тока (для нити накала, анодов, отклоняющей системы); яркость экра-
на; цвет свечения и длительность послесвечения (обычно от 10~2 до
10 с); максимальная скорость отклонения луча, при которой луч еще
успевает оставить след на экране. Эту скорость можно увеличить,
дополнительно ускорив электроны уже после их отклонения. Скорость
записи таким способом может быть доведена до 104 км/с.
Наиболее важный параметр — чувствительность трубки, измеря-
емая в миллиметрах отклонения луча на экране при подаче на от-
клоняющую систему напряжения 1 В (обыч-
но в пределах 0,1—1 мм/В). При использо-
вании усилителей чувствительность можно
повысить. Общий размах отклонения луча в
современных телевизионных электроннолуче-
вых трубках (кинескопах) доводится до 110°.
Запоминающие электроннолучевые трубки
способны запомнить, а затем воспроизвести
изображение, вычерченное электронным лучом
на экране. В электроннолучевой трубке
(рис. 128), применяемой для этих целей, пе-
ред обычным экраном с люминофором рас-
положена частая сетка с нанесенными на нее
в большом количестве маленькими кусочками
диэлектрика. В трубке имеется два прожек-
тора. При записи узкий пучок быстрых
электронов от одного из прожекторов вы-
черчивает на сетке какую-либо фигуру. В тех
местах, куда попадал пучок, надолго остается
положительный заряд (из-за сильной вторич-
ной электронной эмиссии выбивается больше
Рис. 128. Запоминающая
электроннолучевая труб-
ка: 1 — прожектор бы-
стрых электронов,
2 — отклоняющая си-
стема, 3 — сетка с ку-
сочками диэлектрика,
4 — люмииесцирующий
экран, 5 — коллектор,
6 — читающий прожек-
тор медленных электро-
нов.
140
электронов, чем попадает). При воспроизведении всю сетку облу-
чают широким пучком медленных электронов от другого (читающе-
го) прожектора. В тех местах, где есть положительный заряд,
электроны ускоряются и, проходя далее, вызывают свечение люми-
нофора.
К электроннолучевым трубкам относятся также передающие те-
левизионные трубки', иконоскоп, суперортикон, видикон, а также
электронно-оптический преобразователь (см. § 55 «Приемники изо-
бражения»).
§ 37. ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
По конструкции ионные (газоразрядные) приборы сходны с элек-
тровакуумными (баллон, электроды), но рабочее пространство в них
заполнено газом. При прохождении электрического тока возникает
газовый разряд, который может быть самостоятельным (тлеющий раз-
ряд) и несамостоятельным (дуга). Естественно, что приборы, в которых
происходит самостоятельный разряд, требуют для работы более вы-
сокого напряжения.
Неоновая лампа служит индикатором напряжения. Ударная
ионизация, благодаря которой возникает самостоятельный разряд,
имеет место только при определенном напряжении на электродах,
называемом напряжением зажигания. Вольт-амперная характеристи-
ка (ВАХ) изображена на рисунке 129. При достижении напряжения
зажигания вспыхивает тлеющий разряд. Сопротивление резко падает.
При этом напряжение на лампе- уменьшается, хотя сила тока (при
малом внутреннем сопротивлении источника) резко возрастает (кри-
вая 1 на рис. 129), что может привести к разрушению лампы. Это так
называемая падающая ВАХ. Во избежание этого последовательно с
газоразрядным прибором включают буферный (балластный) резистор,
ограничивающий силу тока (кривая 2 на рис. 129). Лампы разных кон-
струкций имеют напряжение зажигания от 80 до 200 В.
Неоновая лампа может использоваться и как генератор пило-
образного напряжения.
Стабилитрон (стабиловольт) — та же неоновая лампа, но электроды
в ней‘асимметричны (площадь катода делается больше). Использу-
ется как стабилизатор напряжения благодаря
наличию почти вертикального участка АВ на J t
вольт-амперной характеристике (рис. 129). ;
Этот участок по сравнению с соответствую- 'J/ I
щим участком ВАХ обычных неоновых ламп Zz
имеет большую длину, так как разряд по ~7' ” 9
мере увеличения силы тока постепенно захват J
тывает все большую площадь катода. I / *,
Цифровой индикатор представляет собой л •
неоновую лампу с одним-двумя анодами и Рис. -129. вольт-амперная
десятью катодами из проволочек, изогнутых характеристика неоновой
в виде цифр. Газ светится вблизи того като- лампы.
141
Рис. 130. Цифро-
вой индикатор на
тлеющем разряде.
а б & г д
Рис. 131. Обозначения на схемах газо-
разрядных (ионных) приборов:
а — неоноваи лампа; б — стабило-
вольт; в — газотрон; г — тиратрон с
холодным катодом; д — тиратрон
с горячим катодом.
да, на который в данный момент подано напряжение. Аноды н ка-
тоды выполнены из тонких проволочек и не мешают видеть один из
светящихся катодов (рис. 130).
Газотрон—двухэлектродный газонаполненный прибор с накали-
ваемым подогревным катодом (рис. 131, в) или катодом прямого на-
кала. Источником дугового разряда являются эмиттируемые горячим
катодом электроны. Поэтому ВАХ резко асимметрична, что позволяет
использовать прибор в качестве выпрямителя переменного тока не-
высоких частот. По сравнению с вакуумным диодом у|газотрона зна-
чительно меньшее внутреннее сопротивление. На высоких частотах
разряд не успевает погаснуть и возникает обратный ток. Газотрон
«боится» включения анодного напряжения при неразогретом катоде.
Тиратроны могут быть с холодным и горячим катодами (ТХ- и
ТГ-типов, рис. 131, г, д). В том и другом случае это ионный прибор с
тремя электродами (добавляется управляющая или пусковая сетка).
При положительном потенциале сетки разряд начинается раньше.
В отличие от вакуумного триода в тиратроне при разряде сетка окру-
жается ионным облаком зарядов противоположного знака, в резуль-
тате чего оказывается полностью экранированной. Поэтому после за-
жигания сетка теряет свои управляющие свойства и разряд продол-
жается независимо от того, какой на ней потенциал. Погасить тира-
трон можно, только отключив анодное напряжение. Таким образом,
тиратрон имеет два устойчивых состояния: включенное и выключен-
ное.
Тиратроны применяются как управляемые электронные ключи в
импульсной технике, электроавтоматике, релаксационных генера-
торах и т. д. Многосеточные тиратроны используются как логические
элементы для построения схем «И», «ИЛИ» и т. д.
К ионным приборам относятся также газонаполненные фотоэлемен-
ты, газоразрядные источники света, счетчики микрочастиц и многие
другие специальные устройства.
ГЛАВА V
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Из описанных в предыдущей главе элементов (а также многих
других) составляются схемы электронных приборов и сложных ин-
формационных систем. Это предмет специальных курсов радиотех-
ники и вычислительной техники. В данной главе рассмотрим только
назначение, параметры и принципы действия
приборов и систем, в частности взаимодействие различных узлов и
блоков. При пользовании прибором этого достаточно. К конкретной
схеме обращаются лишь при необходимости ремонта или переделки
прибора.
Сложный электронный прибор или узел прибора, состоящий из
десятков и сотен элементов, на схемах часто обозначается одним знач-
ком. Приведем примеры таких обозначений (таблица 5).
Таблица 5
. Обозначения электронных приборов и узлов на схемах
— усилитель
— регулируемый усилитель
Г — — генератор
___— генератор
переменного тока (синусоидальных сигналов)
___— генератор
пилообразных колебаний
___— генератор
прямоугольных импульсов
143
__— фильтр, не пропускающий переменной составляющей тока
—| _ — записывающее или воспроизводящее устройство;
стрелка показывает направление прохождения сигнала
дб
— аттенюатор (ослабитель в известное число раз)
50 ___ — фазовращатель
— линия задержки
—преобразователь
— выпрямитель
— преобразователь постоянного тока в переменный
— преобразователь частоты
— смеситель
§ 38. УСИЛИТЕЛИ
Усилитель — самое распространенное электронное устройство*,
используется самостоятельно, а также входит в состав других более
сложных электронных приборов. Назначение усилителя — увеличе-
ние амплитуды электрических колебаний за счет энергии источника
* Кроме электронных, в технике распространены, хотя и в меньшей степени,
механические, гидравлические, пневматические, электромеханические, машинные,
оптические квантовые (см, лазеры) и другие усилители.
Н4
a 0 5
Рис. 132. Эквивалентные схемы электронного усилителя.
питания (рис. 132, а). Усилитель может быть сконструирован либо для
усиления напряжения, либо — силы тока (усилитель тока). В отличие
от трансформатора в усилителе увеличивается и мощность сигнала,
хотя это увеличение в усилителях тока и напряжения не является
главной задачей. Когда на выходе нужно получить большую мощность
колебаний, применяют усилители мощности.
Эквивалентная схема электронного усилителя дана на рисунке
132, б. S — источник постоянного тока, Rn — сопротивление нагруз-
ки (потребителя), RM — переменное управляемое сопротивление.
В качестве такого управляемого элемента используется транзистор
или электронная лампа. Пока сопротивление R^ не меняется, в цепи
есть некоторый постоянный ток i. Если же сопротивлениеRа меняет-
ся с некоторой частотой, то меняется ток i и на нагрузке появляется
переменная составляющая напряжения. Для управления величиной
требуется небольшое напряжение (ток, мощность), а
на нагрузке RH появляется большое переменное напряжение (ток,
мощность).
Усилитель представляет собой четырехполюсник (рис. 132, в),
т. е. имеет две клеммы, на которые подается управляющий сигнал, —
вход, и две клеммы, к которым подключается нагрузка, — выход.
Кроме того, обязательно подключают источник питания (если нет
встроенной внутрь батареи).
Основными характеристиками усилителя являются: амплитудная
и частотная характеристики, а также сопротивление входа и выхода.
На рисунке 133, а дана амплитудная характеристика — зависимость
напряжения (тока, мощности) на выходе от напряжения (тока, мощ-
ности) на входе. Тангенс угла наклона этого графика, т. е. отношение
д^вых^А^вх, .называется коэффициентом усиления по напряжению
Rv (аналогично определяются коэффициенты усиления по току /С,
и по мощности Кр). Усиление можно менять с помощью регулятора.
Только средняя часть амплитудной характеристики представляет
собой прямую линию (рис. 133, а). Дело в том, что на выходе усилите-
ля всегда есть некоторый хаотический сигнал (шум, 1/ш), даже если на
вход не подается никакой сигнал. Входной сигнал, меньший
дает UBM < иш и поэтому не обнаруживается в выходном сигнале.
Но и на больших начинаются отклонения от линейности, обуслов-
ленные особенностями работы транзистора (лампы), — происходит
145
В
Рис. 133. Амплитудная (а) и частот-
ная (б) характеристики усилителя (К—
коэффициент усиления,
1 — характеристика широкополосного
усилителя низкой частоты,
2 — характеристика селективного
высокочастотного усилителя,
5 — характеристика усилителя по-
стоянного тока).
насыщение. Таким образом, только
в области от i7m|n до i7max коэф-
фициент усиления постоянен, т. е.
имеет место пропорциональность
между 1/вых и UBX.
Пусть U„ = U0_m cos at, т. е.
на вход подается монохроматиче-
ский гармонический сигнал часто-
ты со. Если 1/вт пропорционально
Uвх (^АыХ ШД ТО Уных ==
= KUo, вх cos “Д т> е- содержит ту
же частоту со. Увеличивается толь-
ко амплитуда, что и является зада-
чей усилителя — сигнал усилива-
ется без искажения. Отклонение от
пропорциональности можно учесть
таким образом:
^вь,х = /<Ах + + ВДхЧ...
(60)
Второй член этого разложения даст
/с
К2(/2>вх cos2co/=-^.[ 1 + COS(2W)/],
т. е. в усиленном сигнале появляет-
ся частота 2со (третий член дает Зсо
и т. д., т. е. появляются высшие гармоники). Это называется нели-
нейным искажением сигнала.
Частотная характеристика — зависимость коэффициента усиления
от частоты (рис. 133, б). Она отражает тот факт, что усилитель не все
частоты усиливает одинаково. Область, где коэффициент усиления К
мало зависит от частоты, называется полосой пропуска-
ния. По краям этой области значение Д’ уменьшается (усилитель
«заваливает» более низкие и более высокие частоты). В зависимости от
вида кривой /С (/) усилители носят названия усилителя низкой часто-
ты — УНЧ, высокой частоты — УВЧ, промежуточной — УПЧ и
усилителя постоянного тока — УПТ, у которого нет завала на f = 0.
По ширине полосы пропускания усилители делятся на узкополосные
(селективные, т. е. избирательные) и широкополосные.
Узкополосные усилители применяются для усиления гармониче-
ских или почти гармонических (модулированных) сигналов. Такой
усилитель не усиливает помех на других частотах. Селективный уси-
литель широко используется в радиоприемниках, телевизорах и во-
обще в технике связи. В этих случаях обычно предусматривается
возможность смещения полосы — настройка на другую станцию. При
несоответствии полосы пропускания полосе частот, занимаемой усили-
ваемым сигналом, появляются частотные искажения — неодинаковое
усиление разных частот. В усилителях часто предусматривается воз-
можность исправления частотной характеристики, например с по-
146
Рис. 134. Примеры каскадов усилите-
лей; а — каскад на биполярных тран-
зисторах; б — сочленение каскадов на
полевых транзисторах.
мощью регулятора «тембр» в УНЧ
приемников, магнитофонов и т. д.
Широкополосные усилители при-
меняются в импульсной технике,
так как короткий импульс можно
рассматривать как сумму большо-
го числа гармонических сигналов
различных частот и все они долж-
ны усиливаться одинаково, чтобы
сигнал не искажался.
Сопротивление вхо-
д а усилителя — важный пара-
метр, так как для передачи макси-
мальной мощности от источника
сигнала к усилителю сопротивление
входа должно соответствовать соп-
ротивлению источника сигнала, т. е.
должно иметь место хотя бы прибли-
зительное согласование полных со-
противлений. Если же задача уси-
лителя — усиление по напряжению,
то необходимо большое входное
сопротивление усилителя (каскада) (см. § 19 «Источники тока»). Сопро-
тивление выхода усилителя также необходимо согласовать с сопро-
тивлением потребителя усиленных сигналов (например, с сопротивле-
нием громкоговорителя, исполняющего двигателя и т. д.). В усилите-
лях, предназначенных для экспериментирования (например, в школь-
ном усилителе), предусматривается несколько входов и несколько
выходов разного сопротивления. Усилители постоянного тока с очень
большим сопротивлением входа (1010 Ом и более ) называются электро-
метрическими, поскольку они, подобно электрометрам, пригодны
для электростатических измерений, но много чувствительнее их.
Конструкция усилителя зависит от того, какие нелинейные эле-
менты используются для усиления (электронные лампы, биполярные
транзисторы, полевые транзисторы). Каким образом эти элементы вы-
полняют функции усилителя, рассказано в главе IV. Элемент вместе
с вспомогательными резисторами, конденсаторами и т. д. называется
каскадом. Для примера на рисунке 134, а приведена схема одного из
каскадов двухтактного усилителя мощности на биполярных транзи-
сторах.
Обычно усиления одного каскада недостаточно. На рисунке 134, б
показано, как каскад, например, на полевом транзисторе соединяется
со следующим каскадом, образуя многокаскадный усилитель.
Здесь использована емкостная связь между каскадами. Возможна
также резисторная и трансформаторная связь (рис. 134, а). На боль-
ших частотах в селективных усилителях используют резонансные
каскады. Подробно схемы усилителей следует изучать по курсу радио-
техники. Мы ограничимся блок-схемой многокаскадного усилителя
(рис. 135). Все каскады, кроме последнего, —это каскады предвари-
147
Рис. 135. Блок-схема многокаскад-
ного усилителя: 1, 2, ..., п — каскады
усиления, п — усилитель мощности,
ИП — источник питания, пунктир —
обратная связь.
связь увеличивает коэффициент
тельного усиления (усилители на-
пряжения), а последний является
усилителем мощности.
В усилителях часто использует-
ся обратная связь: часть
усиленного сигнала после одного из
каскадов направляется снова на
вход (рис. 135). В зависимости от
разности фаз этого и входного сиг-
налов сигналы либо складываются
(положительная обратная связь),
либо вычитаются (отрицательная
обратная связь). Положительная
усиления, отрицательная — умень-
шает. Однако чаще применяется именно отрицательная обратная связь.
Необходимый коэффициент усиления всегда можно получить, добав-
ляя каскады. В то же время отрицательная обратная связь заметно
уменьшает искажения сигнала; частотная характеристика делается
более плоской, расширяется полоса пропускания, уменьшается коэф-
фициент нелинейных искажений. Иногда применяется 100%-ная обрат-
ная отрицательная связь. При этом К — 1, т. е. усиления не проис-
ходит, но увеличивается входное сопротивление (эмиттерный или
катодный повторитель). Часто этот каскад выполняется в виде вынос-
ного блока, присоединяемого непосредственно к датчику сигнала.
Выходное сопротивление повторителя невелико, и на провода от него
до основного усилителя наводится меньше помех-
Положительная обратная связь применяется в генераторах-
Усилители постоянного тока (УПТ) используются в радиоизмери-
тельных приборах. УПТ сложнее усилителя переменных сигналов и
менее стабильны. Основной их недостаток — дрейф нуля. Чтобы этот
дрейф уменьшить, усилитель необходимо предварительно долго про-
гревать. Поэтому для усиления постоянного напряжения его сначала
преобразовывают в переменное, например с помощью вибропреобразо-
вателя, затем усиливают с помощью усилителя переменного сигнала
и полученный переменный сигнал при необходимости выпрямляют.
На основе интегральных схем (см. § 35) стали развиваться опера-
ционные усилители (ОУ), назначение которых шире, чем просто уси-
лителей сигналов. ОУ, кроме усиления, способен суммировать, вычи-
тать, интегрировать, дифференцировать сигналы и выполнять другие
операции над сигналами. Обычно это усилитель постоянного напря-
жения с очень большим коэффициентом усиления (до 106), большим
входным и малым выходным сопротивлениями, малым уровнем шумов
и малым дрейфом нуля. ОУ имеет один выход и два входа: неинверти-
рующий (обозначается «+»), когда фаза на выходе получается такой
же, что и на входе; и инвертирующий (обозначается «—») — фаза на
выходе меняется на противоположную- Обозначение ОУ на схемах
дано на рисунке 136 (подвод питания не изображен). Операционные уси-
лители многофункциональны. На одном ОУ можно собирать
схемы, позволяющие решать разные задачи в зависимости от того, как
148
и какие включаются вспомогательные элемен-
ты, в частности, резистор или конденсатор ста-
вятся в цепь обратной связи (рис. 136). ОУ
или решающие усилители находят широкое
применение в аналоговых (не цифровых) вы-
числительных машинах. Такие усилители пре-
образуют плавно меняющийся во времени сиг-
нал на входе в другой, но также плавно ме-
няющийся сигнал на выходе, производя
сложение двух сигналов, умножение их друг
на друга и т. д.
Электронные усилители используются в
системах связи, а также в радиоизмеритель-
пой аппаратуре, например в электронных
вольтметрах.
Электронный вольтметр — радиоизмери-
тельный прибор, измеритель напряжений с
использованием широкополосного или селек-
тивного перестраиваемого электронного усили-
теля. Такой вольтметр имеет широкие преде-
лы измерений за счет возможности усиления
слабых сигналов усилителем и ослабления
сильных — делителем (рис. 137, а). Входное
сопротивление может быть очень большим, что
очень важно, так как большое входное сопро-
тивление не искажает параметры маломощных
цепей. Вольтметр может измерять напряже-
ния в широком диапазоне частот.
В селективном вольтметре (анализаторе гар-
моник) между делителем и усилителем ста-
вится перестраиваемый фильтр (рис. 137, б).
Такой прибор может измерять по отдельнос-
ти амплитуды сигналов разных частот.
Использование преобразователей позволя-
ет применять электронный вольтметр для из-
мерения силы тока, сопротивления, темпера-
туры, освещенности, влажности и других ве-
личин.
Рис. 136. Операционный
усилитель. Цепь с Ro —
обратная связь.
Рис. 137. Электронный
вольтметр с делителем и
усилителем (а), селек-
тивный вольтметр (б).
§ 39. ГЕНЕРАТОРЫ
Генератор. — электронный прибор, создающий .электрические ко-
лебания, источник переменного тока*. Основным параметром генера
тора является частота. Существуют генераторы низких частот (НЧ),
дающие частоты от 20 Гц до 200 кГц; высоких (ВЧ) — от 30 кГц до
30 МГц, что соответствует длинам электромагнитных волн от 10 км
до 10 м; и сверхвысоких (СВЧ) — от 30 МГц до 300 ГГц (А = 10 м —
* Кроме электронных генераторов, существуют электротехнические генерато-
ры — источники промышленного тока, генераторы света (см. лазеры), генераторы
звука и т. д.
149
Рис. 138. Блок-схема генератора:
1 — входной сигнал, 2 — усили-
тель, 3 — выходной сигнал, 4 — об-
ратная связь, 5 — задающий генера-
тор, 6 — выходное устройство,
7 — блок питания.
Рис. 139. Схема простейшего генера-
тора.
1 мм). Простейшая форма генери-
руемых колебаний — синусоидаль-
ная. Существуют генераторы моду-
лированных колебаний, пилообраз-
ных, импульсных колебаний, а
также генераторы шума, дающие
все возможные частоты сразу. Иног-
да необходимы генераторы синусои-
дальных колебаний, частота которых
меняется около некоторого значения
(генераторы качающейся частоты,
или свип-генераторы). Важными
параметрами генератора являют-
ся также напряжение выдаваемо-
го сигнала и его мощность. Для
согласования с нагрузкой, на ко-
торую работает генератор, важно
его сопротивление выхода (см.
источники тока).
Генераторы радиопередатчиков
рассчитаны на генерацию одной
частоты. Эта частота поддерживает-
ся строго постоянной с помощью
кварцевого стабилизатора. Наобо-
рот, в измерительных генераторах
частота должна меняться.
По принципу действия генератор
(рис. 138, а) отличается от усили-
теля тем, что часть сигнала с выхо-
да усилителя подается на его вход
(положительная обратная связь). Если эта связь достаточна для с а-
мовозбу жден и я, то входной сигнал не нужен и генератор
дает колебания с частотой, которая определяется его внутренними пара-
метрами. Обычно так строится маломощный задающий генера-
тор. В мощных генераторах ставится усилитель и выходное устрой-
ство (рис. 138, б).
Простейшая схема генератора на п — р — n-транзисторе приве-
дена на рисунке 139. Допустим, в колебательном контуре LrCi воз-
никли слабые колебания. Обмотки катушек Lr и L2 имеют общий сер-
дечник, так что в катушке Л2 тоже индуцируются колебания. В резуль-
тате па базу транзистора поступает то положительный, то отрицатель-
ный потенциал; транзистор пропускает то большую, то меньшую силу
тока, вызывая значительные колебания тока в цепи коллектор —
эмиттер (КЭ) (см. транзистор). Если эти колебания по фазе такие,
что подзаряжают конденсатор Сх в нужные моменты, то колебания в
колебательном контуре усилятся, это усилит колебания в катушке
L2 и, следовательно, колебания тока КЭ и т. д. Период колебаний будет
определяться величиной T — 2n]^LiC1, так что частоту генерации
можно менять, изменяя емкость Сх или индуктивность Li.
150
Кроме ламп и транзисторов, для
генерации применяют туннельные
диоды и другие нелинейные элемен-
ты-
Для изменения частоты в широ-
ких пределах используют генера-
торы «на биениях» (рис. 140, а). От
двух генераторов сравнительно вы-
соких частот /у и /г колебания пос-
тупают в смеситель, который выра-
батывает сигнал разностной часто-
ты F = fi — f2 (частота биений).
Сигнал затем усиливается и посту-
пает на выход. Меняя частоту одно-
го из генераторов, можно в широ-
ких пределах менять низкуючастоту
F. Это используется в генераторах
звуковых частот (звуковых гене-
раторах).
Большое значение в радиопере-
даче имеет генерация амплитудно-
мбдулированных сигналов. В таком
генераторе низкочастотный генера-
тор /2 управляет амплитудой вы-
сокочастотного fr (рис. 140, б).
Применяются также генераторы ча-
стотно-модулированных сигналов.
В ряде приборов используются
генераторы пилообразных колеба-
ний (см., например, осциллограф).
На рисунке 141, а дана простей-
шая схема релаксационного генера-
тора на тиратроне. На конденса-
тор С натекает через резистор R
заряд, поднимая постепенно потен-
циал верхнего электрода по закону
U = Uо (1 — e~t/RC ). При подаче
~Т~|
fl
в
Рис. 140. Структурная схема генера-
тора звуковых частот (а) и генератора
модулированных колебаний (6).
На сетку синхронизирующего ИМ- Рис. 141. Пилообразный генератор
пульса тиратрон сразу пробивается («), дающий пилообразное напряже-
и потенциал падает до нуля (рис. ние (б)-
141,6).
Генераторы СВЧ. Сверхвысокими частотами (СВЧ) йазывают
частоты от 109 до 1012 Гц, что соответствует электромагнитным волнам
дециметрового, сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметро-
вого диапазонов. На столь больших частотах электровакуумные при-
боры типа электронных ламп уже работать не могут, так как за один
период колебаний напряжения электроны не успевают пролететь
расстояние от электрода до электрода,а межэлектродные емкости шунти-
руют приборы (токи смещения становятся больше токов проводимости).
151
a
На этих частотах используются
приборы, в которых с помощью
электродов производится прос-
транственное групп и-
р о в а н и е первоначально одно-
родного электронного потока. Затем
этот поток электронов, состоящий
из сгустков, проходит мимо других
(или тех же самых) электродов, вы-
зывая в них электрические коле-
бания. Если электрон ускоря-
ется полем каких-либо электро-
дов, то это значит, что он полу-
чает энергию от электродов. Ес-
ли же электрон тормозится
встречным .полем, то он отд а-
ет свою энергию электродам, соз-
дающим поле.
Пролетный (двухрезопаторный)
клистрон имеет катод — источник
электронов и два тороидальных ре-
зонатора (плоская цилиндрическая
полая коробочка с расширенными
краями, донышки которой в центре
заменены редкими сетками, рис. 142,
а). Пусть на нижний резонатор
., поданы слабые электрические коле-
бания с помощью коаксиальной ли-
нии. Оказывается, клистрон спосо-
бен их усилить. Рассмотрим идущий
. от катода равномерный поток элек-
тронов. Пусть некоторый слой элек-
<7 тронов встречает между сетками
Рис. 142. Пролетный (а) и стража- нижнего резонатораслабоетормозя-
тельный (б) клистроны. Щее поле- Следующий слои встретит
уже ускоряющее поле. В резуль-
тате слой 1 далее движется медленнее, а слой 2 — быстрее. Так посте-
пенно формируется сгусток- Когда такой сгусток будет проходить
через второй резонатор, он вызовет в нем перераспределение зарядов,
что приведет к периодическим колебаниям. Колебания усилятся, если
следующий сгусток отдаст часть своей энергии верхнему резона-
тору. Для этого необходимо согласование по фазе (сгусток должен
пройти тогда, когда поле будет тормозящим). Это достигается
подбором напряжения U. На выходе возникнут мощные колебания,
т. е. клистрон будет усилителем.
Для преобразования клистрона в генератор СВЧ-колебаний до-
статочно часть сигнала с выхода подать на вход (самовозбуждение).
Однако чаще для генерации используется отражательный клистрон-
(рис. 142, б). К резонатору относительно катода приложен ускоряющий
152
вых.
143. Магнетрон (/ — катод,
потенциал, а к верхнему электро-
ду (отражателю) — большой отри-
цательный. Электроны, не долетев
до него, направляются обратно. /,
Условно изобразим электроны, ле-
тящие вверх, в левой половине лам- е/Л
пы, а вниз — в правой. На самом
деле эти потоки совмещены (прохо-
дят насквозь друг друга). Пусть
на сетках резонатора разность по- Vgl
тенциалов была такая, что поле
для электронов, летящих вверх, '
сначала было тормозящее, затем ус-
корящее. Тогда, как и в пролетном
клистроне, формируется сгусток. рИс.
Если при возвращении к резонатору 2 — анод, 3 — траектория электронов,
сгусток встретит тормозящее поле, 4 ~~ резонатор),
он отдаст энергию резонатору и соз-
даст в нем электрические колебания. Настраивают клистрон в режим
генерации изменением напряжения отражателя и механически—винтом,
регулирующим расстояние между сетками.
Клистрон имеет очень узкую область перестройки по частоте.
Поэтому, чтобы получать разные частоты, надо иметь набор клистро-
нов. Мощность клистрона невелика — 10—100 мВт.
Магнетрон — более мощный генератор СВЧ, применяемый, на-
пример, в радиолокации. В нем используется совместное действие
электрического и магнитного полей. Он представляет собой массивный
цилиндр, внутри которого находится центральная цилиндрическая
камера и ряд камер-резонаторов по окружности, соединенных с цен-
тральной камерой щелями (рис. 143). Сам цилиндр является анодом,
в центре расположен катод. Вдоль оси за чертеж направлено магнит-
ное поле, заворачивающее электроны, летящие от катода к аноду,
вправо. При некотором соотношении анодного напряжения U и ин-
дукции магнитного поля В можно заставить электроны лететь по
окружности почти точно вдоль зазора между катодом и анодом (пунк-
тир на рис. 143). Из двух условий:
evB = щи2 ~ eU
Г
(61)
(сила Лоренца сообщает электрону, центростремительное ускорение;
кинетическую энергию электрон получает, пройдя разность потен-
циалов U) находим скорость электронов и необходимое соотношение
между напряжением U и индукцией В:
„ eBr U е «
и = —; — ~ — г2.
* т В*. т
(Соотношения упрощены, небольшие числовые коэффициенты опу-
щены.)
Далее начинает действовать механизм формирования сгустков,
(62)
153
сходный с тем, который имеет место в пролетном клистроне, причем
роль сеток играют щели между центральной камерой и резонаторами.
Случайная (тормозящая) разность потенциалов на одной из щелей
группирует облако электронов в сгусток. У следующей щели этот
процесс продолжается, и часть энергии сгустка отдается резонатору
при условии, что на нем к моменту подхода сгустка будет тормозящее
поле, и т. д.
Чтобы сгусток электронов у каждой щели встречал тормозящее
поле, надо, чтобы период электромагнитных колебаний в резонаторах
совпадал с временем пролета сгустка от щели до щели (условие син-
хронизма). Пусть N — число резонаторов. Тогда расстояние между
щелями порядка 2arlN и условие синхронизма будет;
Т — —-----(63)
Nv NeB '
(64)
откуда частота генерации'и длина получаемой электромагнитной волны
выразятся соотношениями:
г__NeB. у ст
т ’ NeB
При М ~ 10 и S ~ 0,01 Тл получаем X ~ 1 см (elm = 1,7 • 1011 Кл/кг,
с = 3 • 108 м/с).
Колебания отводятся коаксиальным кабелем от одного из резона-
торов (рис. 143).
Еще более высокие частоты (более, короткие волны) получают с
помощью ламп ЛБВ (лампа бегущей волны) и ЛОВ (лампа обратной
волны), в которых поток электронов идет мимо зубцов металлической
гребенки. Идея та же, что и в клистроне и в магнетроне: встречая тор-
мозящее поле, электроны формируются в сгустки и отдают энергию
электродам. Однако здесь нет резонаторов, а нужные потенциалы на
зубцах создаются электромагнитной волной, распространяющейся
вдоль гребенки в том же (ЛБВ) или обратном (ЛОВ) направлении.
Магнитное поле в этих лампах продольное. Оно используется для
фокусировки пучка.
§ 40. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Катодный осциллограф служит: для наблюдения зависимости бы-
строменяющейся величины от времени, зависимости одной колеблю-
щейся величины от другой (не от времени); для измерения частоты
периодических процессов, малых отрезков времени и для других
целей. Существуют осциллографы, предназначенные для наблюдения
и сравнительно медленных процессов длительностью до 100 с.
Основной частью осциллографа является вакуумная электрон-
нолучевая трубка. На рисунке 144 дана структурная схема осцилло-
графа (электроннолучевая трубка изображена со стороны экрана).
Пусть левая и нижняя пластины заземлены (соединены с корпусом),
а отклоняющие потенциалы подаются на верхнюю и на правую пла-
стины не непосредственно, а через усилители. На входе Y обычно ста-
154
вится делитель, с помощью кото-
рого исследуемое напряжение мо-
жет быть предварительно снижено
в 10, 100 или 1000 раз.
Положительное напряжение, по-
данное на пластину Y, отклоняет
луч вверх, отрицательное — вниз.
Потенциал пластины X управляет
движением луча по горизонтали.
Таким образом, движением луча
управляют напряжения.
Если нужно наблюдать колебания
другой какой-либо величины, ее
следует преобразовать в электри-
ческое напряжение, желательно
пропорциональное этой величине.
Такие преобразователи называют-
ся датчиками.
Для получения графика зави-
симости одной величины от дру-
гой обе эти величины должны быть
Рис. 144. Структурная схема катод-
ного осциллографа.
Ко
преобразованы в напряжения. За- /77 о—I I-------------------
тем одно напряжение подается на _____. у
вход У, а другое — на вход X. , X
(При этом переключатель «род ра- ' ¥ /Г/Х___________
боты» должен быть в положении ДГ
«вход X»; см. рис. 144.) * у? П
Например, нужно получить на
экране осциллографа вольт-ампер- " °
ную характеристику диода, Т. е. за- Рис. 145. Схема цепи для получения
висимость силы тока через диод от вольт-амперной характеристики дио-
напряжения на нем. Для этого со- да с помош.ью осциллографа (R — дат-
бирается схема, приведенная на ри- чик тока'"
сунке 145. Наточки т, п подается переменное напряжение. Напряже-
ние, приходящееся на диод, подано на вход X, а напряжение, пропор-
циональное силе тока, снимается с резистора R, который является дат-
чиком тока. Это напряжение подается на вход Y. На экране получа-
ется готовый график i (U).
Для получения на экране графика зависимости какой-либо вели-
чины от времени на вход Y подается напряжение, пропорци-
ональное этой величине, а на вход X — напряжение, пропорциональ-
ное времени. Такое напряжение вырабатывается генератором разверт-
ки, который имеется в самом осциллографе. Если исследуемая вели-
чина представляет собой периодический сигнал, то ис-
пользуется генератор непрерывной развертки. Он подключается к
входу X изнутри ключом X «род работы» (рис. 144). В результате
луч равномерно смещается вправо. Дойдя до конца, он должен быстро
вернуться в исходное положение и сразу же снова начать движение
вправо. Это обеспечивается тем, что напряжение в конце цикла сразу
155
Рис. 146. Напряжение, вырабатываемое генератором развертки (а) и зависимость
изображения синусоидального сигнала от частоты развертки (б).
падает до нуля, а затем опять возрастает пропорционально времени
(рис. 146, а, см. также генератор пилообразных колебаний). Если гене-
ратор развертки еще не включен, то луч под действием напряжения,
поданного на вход Y, будет совершать колебания вверх и вниз
(рис. 146, б, 1). Если включить развертку, то луч одновременно будет
смещаться с постоянной скоростью вправо, давая изображение зави-
симости напряжения, поданного на вход Y, от времени (рис. 146, б, 2).
Частоту развертки (т. е. скорость движения луча вправо) можно ме-
нять. На рисунке 146, б, 3 показан результат увеличения частоты раз-
вертки, а на 146, б, 4 — уменьшения. Если частота развертки больше
частоты сигнала, то на экране будет сплошная мало наглядная карти-
на (рис. 146, б, 5). Поэтому рекомендуется начинать исследование
сигнала, давая сначала малую частоту развертки. Картина на экране
будет устойчивой лишь в том случае, если частота сигнала кратна
частоте развертки. В противном случае изображение будет «бегать»
по экрану. Остановить изображение можно с помощью специального
устройства, называемого каналом синхронизации. Если оно включено,
то частоту развертки можно подбирать уже не так строго.
Для измерения напряжения с помощью осциллографа следует
учесть, что, прежде чем попасть на пластины, переменное напряжение,
поданное на вход Y, делится в определенное число раз делителем
(если напряжение велико) и усиливается усилителем (если оно мало).
Таким образом, высота изображения на экране определяется и вели-
чиной самого сигнала, и положением регуляторов «делитель» и «уси-
ление».
Узнать величину сигнала в вольтах можно так: подать на вход
через тот же усилитель (т. е. не трогая регулятора «усиление») сигнал
известной величины (калибровочный сигнал). Источник такого сигна-
ла имеется в самом осциллографе. В одних марках осциллографов его
можно подключить на вход Y поворотом переключателя, в других —
можно подвести сигнал с определенной клеммы проводом на вход Y.
Измеряется высота изображения исследуемого сигнала и калиброво-
чного и составляется пропорция. Если исследуемый сигнал много боль-
ше калибровочного, то исследуемый сигнал можно разделить делите-
лем на 10 или 100, а калибровочный — не делить. Ответ должен быть
затем умножен на это число.
С помощью осциллографа можно измерить частоту синусоидаль-
ных колебаний. Для этого напряжение неизвестной частоты fY пода-
ется на входУ, а на вход X подается синусоидальное напряжение из-
вестной частоты fx от специального генератора (например, звукового).
156
У-0 V/0
Рис. 147. Фигуры Лиссажу на экране
осциллографа при различных соотно-
шениях частот и фаз сигналов.
в результате луч будет колебаться
одновременно в двух взаимно пер-
пендикулярных направлениях. На
экране получится какая-либо из
фигур Лиссажу (рис. 147). По фи-
гуре можно определить, во сколь-
ко раз fY отличается от fx. Если fY=
= fx, то получится прямая или эл-
липс, в зависимости от сдвига фаз <р.
Если fY= 2fx, то луч два раза со-
вершит колебания по вертикали,
но за то же время один раз по го-
ризонтали и т. д. Нагляднее всего
фигуры типа эллипса, восьмерки (или лежачей восьмерки), тройной
восьмерки и т. д. Число колец у фигуры дает отношение частот.
Основными параметрами, по которым различаются осциллогра-
фы, являются:
1. Полоса частот. Осциллограф с полосой пропускания
от 50 Гц до 1 МГц на постоянное напряжение (0 Гц) реагировать не
будет. Он не дает изображения и очень быстрых сигналов частотой
более 1 МГц (будет их сглаживать).
2. Чувствительность, которая обычно дается в милли-
метрах на вольт (высота изображения на экране в миллиметрах при
подаче напряжения в один вольт).
3. Входное сопротивление /?вх и входная
емкость Ст. Осциллограф должен иметь большое сопротивле-
ние /?вх, но малую емкость Свх, поскольку в исследуемые цепи осцил-
лограф включается как вольтметр и не должен закорачивать тот уча-
сток, к которому он подключен.
Кроме того, в осциллограф могут быть встроены дополнительные
узлы и блоки, расширяющие возможности измерений. Отметим неко-
торые из них.
Осциллограф со ждущей разверткой. Пусть исследуемое напряже-
ние колеблется не периодически. Например, исследуются хаотически
следующие друг за другом одинаковые импульсы (кратковременные
всплески напряжения) от счетчика Гейгера. Если импульсы подать
по оси Y, а по оси X включить генератор непрерывной развертки, то
изображение каждого следующего импульса будет каждый раз на
новом месте, какую бы частоту развертки мы ни подобрали. Изобра
жение будет «бегать» по экрану. Чтобы изображения отдельных им-
пульсов накладывались друг на друга всегда в одном и том же месте
экрана, необходимо чтобы и развертка работала не периодически. Нуж-
но, чтобы луч начинал движение только тогда, когда на ось Y поступит
сигнал. Тогда начало движения луча вверх и вправо будет всегда одно-
временным. Это достигается применением ждущей развертки. Одна
из ламп генератора ждущей развертки заперта. Откроется она только
тогда, когда на ее сщтку подадут положительный сигнал. Исследуемые
сигналы (импульсы) подаются не только на ось Y, но и подводятся по
157
специальному каналу (который носит название канал синхронизации)
к сетке запертой лампы, открывая ее. Тогда генератор дает один цикл:
луч проходит равномерно вправо, быстро возвращается и там стоит,
ждет следующего сигнала. Так работает внутренняя синхронизация.
Синхронизация может быть и внешней. Синхронизирующий сигнал
подается в этом случае от внешнего источника на специальное гнездо
или клемму.
Осциллограф с метками времени. Если на пути луча поставить
электрод в виде кольца, на который подать отрицательный потенциал,
то, так же как в трехэлектродной лампе, электроны вернутся па
катод. Светящееся пятно на экране погаснет. Если такой отрица-
тельный потенциал подавать несколько раз в секунду, столько же
раз в секунду луч погаснет. Это используется для измерения времени
движения луча (так называемые метки времени).
Двухлучевой осциллограф служит для наблюдения зависимости от
времени сразу двух величин. Он имеет два входа Y, две электронно-
лучевые пушки, две раздельные пары вертикально отклоняющих пла-
стин, которые управляют каждая своим лучом, но лучи попадают на
один экран и смещением их по горизонтали управляет один генера-
тор развертки. Можно наблюдать зависимость от времени одновремен-
но двух величин и на однолучевом осциллографе, если использовать
коммутатор — электронное устройство, подсоединяющее ко входу Y
осциллографа два источника сигналов по очереди. Переключения про-
исходят с большой частотой и на экране видны оба сигнала.
Осциллограф стробоскопический предназначен для наблюдения
очень быстрых периодических колебаний частотой до 109 Гц. За такими
высокими частотами не успевают следовать ни радиотехнические цепи,
ни луч в электроннолучевой трубке. Но можно использовать радиотех-
нический затвор, открывающий на короткое время путь сигналу в
каждый следующий период чуть позже, чем в предыдущий. Специальное
устройство измеряет в'еличину сигналов в эти моменты и направляет
их после усиления в электроннолучевую трубку. На экране трубки
появляются всплески, огибающая которых будет повторять форму от-
дельного сигнала. Иногда этот принцип называют лупой времени.
Осциллограф запоминающий позволяет запомнить график, соз-
данный кратковременным сигналом на экране. Используется одна из
конструкций запоминающих, электроннолучевых трубок.
§ 41. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Измеритель частотных характеристик (ИЧХ) — прибор для ис-
следования частотных характеристик четырехполюсников, например
усилителей, фильтров и т. д. Пусть ах — амплитуда электрических
колебаний на входе исследуемого прибора, а2 — амплитуда на выходе.
Задача ИЧХ — получить график отношения а2/а1 как функции часто-
ты. В этом смысле он аналогичен спектрофотометру в оптике. Блок-
схема прибора дана па рисунке 148, а. Генератор пилы вырабатывает
напряжение, пропорциональное времени. Это напряжение, с одной
стороны, производит отклонение луча катодного осциллографа вправо,
с другой — управляет работой генератора качающейся - частоты.
158
Рис. 148. Блок-схемы радиотехнических спектральных приборов: а — ИЧХ
(ГП — генератор пилообразного напряжения, ГКЧ — генератор качающейся
частоты, х — исследуемый объект, ЭВ — электронный вольтметр, 0 — осцилло-
граф); б — анализатор спектра (ПФ — перестраиваемый фильтр).
Последний вырабатывает колебания постоянной амплитуды (flj =
= const), но плавно меняющейся частоты f, причем / <х> Un • Объект
пропускает (или усиливает) не все частоты одинаково. Выходная ам-
плитуда а2 (f) усиливается электронным вольтметром, и напряжение,
пропорциональное а2, подается на вход Y осциллографа. Получается
график а2 (/) или, что то же самое, — — (/).
^1
Анализатор спектра — электронный прибор, служащий для спект-
рального анализа немонохроматического (негармонического) электри-
ческого сигнала. Его задача — произвести разложение исследуемого
сигнала Ux на гармонические составляющие:
со
Ux = S а« cos [(ло)о)* + фД (65)
п^=0
измерить амплитуду каждой составляющей и построить график за-
висимости ап от частоты / (или со — «со 0). Этот прибор аналогичен спек-
трографу в оптике. Схема прибора дана на рисунке 148, б. Сигнал
Ux (I) подается на фильтр, пропускающий одну определенную часто-
ту, так что на выходе будет только одна гармоническая составляющая,
амплитуда которой измеряется электронным вольтметром. С выхода
вольтметра напряжение, пропорциональное этой амплитуде, подается
на вход Y осциллографа. Частоту пропускания фильтра можно ме-
нять, подавая на него управляющее напряжение. Это делается авто-
матически генератором пилообразных колебаний, который одновре-
менно управляет движением луча осциллографа по оси X. На экране
осциллографа получается спектр сигнала, т. е. график ап (f). Анали-
заторы спектра в радиотехнике называются еще панорамными прибо-
рами, так как на экране видны сигналы сразу всех работающих в дан-
ный момент в заданном диапазоне радиостанций.
§ 42. ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
И ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Информация о некоторых величинах или событиях запоминается,
перерабатывается и выдается обычно в виде электрических сигна-
лов. Возможны два способа представления ин-
формации: в виде напряжения, которое моно-
Рис. 149. Назначение
электронного ключа (а)
и его схема (б).
тонно меняется при плавном изменении вели-
чины (аналоговое представление), и в
виде следующих друг за другом импульсов.
Импульс — кратковременный всплеск тока
(напряжения). На экране он может быть раз-
ной величины и формы (прямоугольный, пило-
образный и т. д.). Однако информация
обычно передается не величиной и формой,
импульсов, а их числом и последовательно-
стью во времени. Это создает большую поме-
хоустойчивость такого (цифрового) спо-
соба представления информации.
Рассмотрим некоторые основные узлы и
устройства, применяемые при обработке ин-
формации.
Электронный ключ — ключ К (рис. 149, а)
служит для размыкания цепи источник то-
ка — нагрузка путем подачи небольшого
сигнала на управляющий электрод. На ри-
сунке 149, б 8 — источник тока, И—потре-
битель (нагрузка). Включим в цепь еще тран-
зистор V- Если на вход (базу) сигнал не по-
давать, то на базе благодаря току в цепи Э —Б
через большое сопротивление R образует-
ся небольшой отрицательный потенциал
и триод открыт. Ток в цепи 8 — Н есть,
сопротивление участка К. — Э невелико.
Если же подать на вход положительный
сигнал, то триод закроется и рабочая цепь
8 — Н прервется.
Различного типа электронные ключи слу-
жат для создания отдельных импульсов тока
(напряжения) или для пропускания серии им-
пульсов.
Коммутатор — автоматический переклю-
чатель на два или несколько положений.
Коммутатор первого типа соединяет источ-
ник тока (сигнала) 8 либо с нагрузкой Hit ли-
бо с нагрузкой Н2 (рис. 150, а). Коммутатор
второго типа соединяет несколько источни-
ков с одной нагрузкой (рис. 150, б). Пе-
Рис. 150. Коммутаторы, реключения могут осуществляться как по
160
команде, подаваемой извне, так и самопроизвольно с определен-
ной частотой (в том числе с очень большой ). Такой коммутатор при-
меняется, например, для получения на экране однолучевого
осциллографа одновременно двух кривых (зависимостей от времени
двух величин).
Коммутатор строится по принципу триггера — схемы, имеющей
два устойчивых положения, причем триггер можно перебросить внеш-
ним сигналом из одного положения в другое. Схема триггера собира-
ется на электронных лампах, транзисторах, логических схемах.
Изменив схему триггера, можно заставить его переключаться из
одного состояния в другое и без внешних импульсов. Получится муль-
тивибратор, который можно использовать как автоматически перебра-
сывающийся, но неуправляемый ключ или как генератор дмпульсов.
Мультивибратор используется в коммутаторах, а также в генерато-
рах развертки осциллографов.
Логические схемы используются в цифровых вычислительных
машинах (ЦВМ) и микрокалькуляторах (миниатюрные электронно-
вычислительные машины, или микрокомпьютеры). Логические схемы
стали также основой многих цифровых измерительных приборов.
На смену автоматике, основанной на использовании различных
реле, пришли микропроцессоры — схемы, решающие сложные задачи
управления работой различных технических устройств.
В отличие от аналоговых счетно-решающих устройств (см. опера-
ционные усилители), вся обработка информации в логических схемах
производится в виде операций над цифрами. Используются только две
цифры: «О» и «1», с помощью которых могут быть записаны по двоичной
системе любые числа, а также любая информация. Применяется так
называемая алгебра логики, двузначная алгебра или булева алгебра,
названная именем английского математика Буля, который предложил
основы математической логики.
Рассмотрим некоторые операции и приведем примеры осуществле-
ния таких операций с помощью простейших электронный устройств.
Пусть наличие электрического сигнала означает «1», а его отсутствие —
«О». Величина сигнала не имеет при этом смысла. Операция сложения
(дизъюнкция, операция «ИЛИ») означает, что если имеется хотя бы
один из нескольких, например двух, сигналов, то в результате полу-
чается отличный от нуля электрический сигнал «1»:
О, 0->0
1, 0~>1
» 0, 11
1, 1->1
Операция умножения (конъюнкция, операция «И») означает, что при
наличии одновременно и первого, и второго и т. д. сигналов в резуль-
тате возникает сигнал:
О, 0->0
1, 0->0
О, 1->0
6 Заказ 771
161
th =0" Д' Ir ir
а б в г д
Рис. 151. Обозначения логических
схем, осуществляющих операции:
а — «ИЛИ»; б — «И»; в — инверсия
«ПЕ»; г—«ИЛИ — НЕ»; д — «И —
НЕ».
О б
Рис. 152. Примеры реализации логи-
ческих схем: а — инвертор, т. е. схе-
ма, осуществляющая операцию «НЕ»;
б — схема для осуществления опера-
ции «И — НЕ».
Операция смены утверждения на
противоположное (инверсия, опера-
ция «НЕ»):
0->1
1->0
Часто используются операции
«ИЛИ — НЕ» (стрелка Пирса) и
«И — НЕ» (штрих Шеффера):
О, 0 —1 0, 0->1
1, 0->0 1, 0->1
О, 1->0 О, 1-+I
1, 1->0 1, 1->0
Устройства, обеспечивающие пе- .
речислепные операции, обозначают-
ся условными значками (рис. 151).
Логическую схему для осуществле-
ния некоторой определенной опе-
рации можно построить многими
способами, используя реле, диоды и
биполярные транзисторы (ДТЛ-
логика), только биполярные тран-
зисторы (ТТЛ-логика), полевые транзисторы (МОП-логика) и т. д.
Разновидности МОП-схем потребляют мало энергии, поэтому не-
смотря на меньшее быстродействие они широко используются, на-
пример, в наручных часах и других автономных устройствах.
Приведем примеры логических схем ТТЛ. На рисунке 152, а
показано, как на транзисторе реализуется инвертор. При «О» на входе
(на базе) транзистор закрыт и в точке А (выход) положительный по-
тенциал, т. е. «1». Если же на вход подать положительный сигнал «1»,
то транзистор откроется и соединит (цепь КЭ) точку А с землей («О»).
На рисунке 152, б дана одна из возможных схем «И — НЕ» с исполь-
зованием многоэмиттерного п — р — п-транзистора. Если на всех
трех входах (трех эмиттерах) есть положительный сигнал, то все i
эмиттеры закрыты (для открывания эмиттерного перехода п — р — п-
транзистора высокий положительный потенциал должен быть подан
на базу, а не на эмиттер). Коллекторный р — n-переход включен в
прямом направлении, он открыт, на базу V2, таким образом, пода-
ется плюс, и транзистор V2 открыт. В результате потенциал точки А
(выход) равен нулю. Таким образом, если на всех входах есть сигнал
(«И»), то на выходе сигнала нет («НЕ»). Если хоть на одном из эмит-
теров-входов будет «О», то транзистор V]. открывается, база У2 соеди-
няется с «О» этого эмиттера, транзистор V2 закрыт, па выходе в точке
А — положительный потенциал («1»).
На логических схемах можно собрать триггер — основной узел
любой ЦВМ. Триггер — схема, которая имеет два устойчивых положе-
ния и может находиться либо в одном из них, либо в другом. Пусть
два элемента «ИЛИ — НЕ» соединены так, как показано на рисунке
162
Рис. 153. Триггер
на логических эле-
ментах «ИЛИ —
НЕ».
значениями на Q
153, т. е. выход первого соединен с одним из
входов второго, и, наоборот, выход второго соеди-
нен с одним из входов первого (асинхронный A?S-
григгер). Если на обоих свободных входах 7? и S—
нули, то триггер будет в одном из двух устойчи-
вых состояний. Например, на связанном входе
верхнего элемента — «1». Тогда на выходе Q —
«О» (выполняется «ИЛИ», затем оно отрицается).
Значение «О» передается на связанный вход ниж-
него элемента. На выходе Q получается «1», что
согласуется с «1» на связанном входе верхнего эле-
мента. Возможно и состояние с противоположными
и Q. Подадим на R «1». Чтобы ни было на нижнем входе, на Q будет «О»,
а следовательно, на Q — «1». Это называется установить триггер на
«О». Если же на S подать «1», то триггер «устанавливается на «1» (на
Q — «1»). Такой триггер используется для хранения информации.
Существуют также счетные Т-триггеры, у которых один вход.
На выходах такого триггера «О» и «1» меняются местами при каждом
поступлении очередного импульса па вход. Цепочки триггеров обра-
зуют регистры — узлы, в которых может быть записано любое число
в виде двоичного кода, эти числа могут подвергаться определенным
операциям (сложение, умножение и т. д.).
Цифровые измерительные приборы выдают значение измеряемой
величины в цифрах. Этим они отличаются от аналоговых приборов,
где указателем значения величины служат стрелка, световой указа-
тель, точка или линия на экране электроннолучевой трубки и т. д.
В аналоговом приборе при плавном изменении измеряемой величины
указатель перемещается также плавно. В цифровом — одна цифра
сменяет другую скачком, т. е. ответ получается квантованным, хотя
измеряемая величина меняется плавно. Казалось был что цифровой
прибор менее точен. Но это не так. В аналоговом приборе показания
получают, сопоставляя положение указателя с делениями шкалы.
При этом наибольшее число значащих цифр, которое можно получить,
обычно не более трех (если не использовать компенсационные методы).
Цифровой же прибор дает ответ с шестью и более значащими цифрами
после запятой и является значительно более точным. Кроме этого, к
достоинствам цифрового прибора можно отнести: большую скорость
работы, возможность накопления, хранения и обработки информации,
а также возможность связи с вычислительной техникой (ЭВМ).
Недостатком цифрового прибора является сложность устройства.
Первые приборы имеЛи большие габариты и массу, но по мере внед-
рения интегральных схем габариты и масса стремительно уменьшаются.
Электронный цифровой частотомер состоит: из генератора импуль-
сов Г (рис. 154, а), частота следования которых строго стабилизиро-
вана кварцевым эталоном; электронного ключа ЭК, пропускающего
импульсы от генератора только в промежуток времени от до /2;
счетчика импульсов СИ. Исследуемый сигнал подается на электрон-
ный ключ ЭК и открывает и закрывает его в моменты, когда
6*
163
г
исследуемый сигнал С проходит
через 0. По числу пропущенных
импульсов можно найти период
Т/2 = t2 — tlt а взяв обратную
величину, — частоту. Индикатор
высвечивает частоту в герцах
(кГц, МГц).
Следует отметить, что это
самый точный прибор в физике.
Он дает наибольшее число зна-
чащих цифр. Поэтому измеря-
емую величину нередко сначала
преобразуют в частоту, а затем
измеряют частоту частотомером.
Остальные цифровые приборы
требуют аналого-цифрового коди-
рования, т. е. преобразования
измеряемой величины в электри-
ческие импульсы. Основой этих
приборов является электронный
цифровой вольтметр. Рассмотрим
наиболее распространенные спо-
собы преобразования измеряе-
мого напряжения в импульсы
(аналого-цифрового кодирова-
ния) в цифровых вольтметрах.
Частотно-импульс-
ное преобразование
заключается в преобразовании
Рис. 154. Блок-схемы цифровых при-
боров: а — электронный частотомер;
б — цифровой вольтметр с частотно-
импульсным преобразованием; в— циф-
ровой вольтметр с время-импульсным
преобразованием; г — вольтметр с
поразрядным уравновешиванием.
измеряемого напряжения в час-
тоту, а затем в измерении этой
частоты. Одна из схем изобра-
жена на рисунке 154, б. Изме-
ряемое напряжение Ux управля-
ет работой генератора импульсов
Г так, что частота следования
' импульсов прямо пропорциональна (Jx. Электронный ключ ЭК откры-
вается на строго определенный, всегда одинаковый промежуток вре-
мени, который формируется блоком стандартных временных интерва-
лов — реле времени РВ. Остается посчитать число пропущенных им-
пульсов. Это делается так же, как в предыдущей схеме.
Время-импульсное преобразование произ-
водится с помощью схемы сравнения СС (рис. 154, в). В этой схеме
генератор импульсов Г вырабатывает импульсы стандартной частоты
следования. На схему сравнения СС подается исследуемое напряжение
и постепенно нарастающее напряжение от генератора пилообразных
сигналов ГП. Схема сравнения СС открывает электронный ключ ЭК
в момент начала работы этого генератора tx, а закрывает в тот момент
tz, когда эти два напряжения сравняются.
164
Существуют и более сложные, но более быстро работающие и болеё
точные системы, например схема поразрядного уравно-
вешивания. В этой схеме (рис. 154, г) измеряемое напряжение
уравновешивается набором напряжений магазина эталонных напряже-
ний М (например, набор нормальных элементов). Подачей ступень-
ками нарастающего напряжения от магазина М к схеме сравнения СС
управляет тактовый генератор ТГ. От схемы сравнения в цифровой
индикатор ЦИ в каждый момент возникновения новой «ступеньки»
напряжения поступает по импульсу до тех пор, пока разница напря-
жений не сведется к минимуму. Сравнение идет по разрядам. Сначала
сравниваются сотни, затем десятки, затем единицы вольт и т. д. (ко-
манды поступают от тактового генератора ТГ).
Будучи снабжен датчиками-преобразователями других величин
в напряжение, цифровой вольтметр становится практически универ-
сальным прибором, пригодным для измерения силы тока, температуры,
освещенности, уровня звука, ядерного излучения и т. д. Такие при-
боры называют мультиметрами.
§ 43. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЛИНИИ СВЯЗИ
Информационная система — это совокупность приборов и уста-
новок, удаленных друг от друга, но связанных линией передачи ин-
формации для решения каких-либо общих задач. Если по линии пере-
дается не только измерительная информация, но и команды управле-
ния, говорят о командно-измерительном комплексе. Наиболее простой
пример информационной системы — телеграфная и телефонная связь
по проводам, наиболее сложный — связь с космическими аппаратами.
Общая схема информационной системы приведена на рисунке 155.
Прежде чем отправить информацию по линии связи, ее обычно коди-
руют — преобразуют к виду, удобному для передачи. В телеграфии
это перевод на язык точек и тире, в радиосвязи — модуляция высоко-
частотной волны передаваемым сигналом или перевод информации на
язык импульсов и т. д.
Поскольку сигнал при передаче на большие расстояния ослабляет-
ся, то на концах линии ставятся усилители. Если этого недостаточно
и необходимо промежуточное усиление, на пути распространения сиг-
нала ставят ретранслятор — устройство, принимающее, усиливающее
и снова излучающее сигналы.
На приемной установке сигнал после усиления дешифруется,
4 6 3 4 6
7
Рис. 155. Структурная схема информационной системы: 1 — датчик информации,
2 — преобразователь, 3 — усилители, 4 — передающие устройства, 5 — линии
передачи. 6 — приемные устройства, 7 — ретранслятор, 8 — дешифратор, 9 — вы-
ходное устройство, преобразующее сигналы в звук, изображение и т. д.
163
усиливается по мощности и преобразуется в нужное действие (звук,
изображение, работу исполняющих механизмов) или запоминается.
Линии связи. Для передачи слабых сигналов (информации),
а также для передачи значительной электромагнитной энергии в
электрорадиотехнике используются разные способы в зависимости от
частоты переменного тока.
На нулевой частоте (т. е. на постоянном токе) и на низких частотах
(О—1С6 Гц) применяются металлические провода с изоляционным по-
крытием или без покрытия, но подвешенные на изоляторах. Однако
на высоких частотах глубина проникновения электромагнитного
поля в металл из-за скин-эффекта не превышает 6 = ~1 /_?_, где о —
у
электропроводность, р — магнитная проницаемость среды, р0 —
магнитная постоянная. За счет этого поверхностного эффекта ток рас-
пределяется неравномерно по сечению провода, а на СВЧ он есть толь-
ко в топком поверхностном слое металла. Эффективное сечение про-
вода, таким образом, уменьшается, а его сопротивление растет, так
как определяется теперь не 7? = —, a R' == —
стяг2 <т-2лл5
Можно изготовить многожильный провод с большим числом изо-
лированных друг от друга проводников. Такой провод называется лит-
цендрат. Другой, более эффективный путь — вместо проводов исполь-
зовать системы, в которых энергия передается не токами в металле,
а электромагнитным полем, которое тем или иным способом концентри-
руется вблизи направляющих металлических поверхностей или даже
без них — в свободном пространстве.
На рисунке 156 показано видоизменение линий передачи сигналов
и энергии с увеличением частоты. Провода применяются до частот
порядка 30 МГц (длина электромагнитной волны Х = 10 м), коаксиаль-
ные кабели и двухпроводные линии — до 30 ГГц (X = 1 см), волно-
воды — до 300 ГГц (X — 1 мм).
Коаксиальный кабель (рис. 156, е) применяется для длин волн от
нескольких метров до сантиметра. Электромагнитное поле, которое
переносит энергию, заключено в основном в диэлектрике между цен-
тральной жилой и оболочкой. Главным параметром коаксиального
кабеля является волновое сопротивление. Кабель пропускает широкий
спектр частот и не имеет (как волновод) критической длины волны.
а 6 6 г д е
Рис. 156. Линии передачи информации (энергии): а — голый, изолированный и
экранированный провода; б—двухпроводная линия; в — коаксиальный кабель;
г, д —. волноводы; е — передача электромагнитных волн от антенны к антенне.
166
Его сечение может быть много меньше длины
волны. На частотах выше 30 ГГц в коаксиаль-
ном кабеле сильно возрастают потери энергии
(затухание).
Волновод — линия передачи, применяемая
для частот от 1 до 300 ГГц. Он представ-
ляет собой полую круглую или прямоуголь-
ного сечения металлическую трубу, внутри ко-
торой и распространяется электромагнитная
волна.
Волна отражается от стенки волновода и
складывается с такой же волной, отраженной
от противоположной стенки. В результате в
направлении, перпендикулярном волноводу,
устанавливается стоячая волна. Таким обра-
зом, волновод является резонансной систе-
мой. В этом и есть причина хорошего рас-
пространения энергии вдоль волновода. Его
можно рассматривать как непрерывную пос-
ледовательность резонирующих участков.
При отражении электромагнитной волны
от поверхности металла (рис. 157) должны
выполняться определенные граничные усло-
вия. Первое условие заключается в том, что
касательная составляющая напряженности
электрического поля £, получающегося от
сложения падающей и отраженной волн, дол-
жна равняться нулю, так как поверхность
металла считается идеально проводящей и,
следовательно, в соседних точках обладает
одинаковым потенциалом. Второе условие —
нормальная составляющая магнитного поля В
должна равняться нулю. Эти условия приво-
дят к тому, что вблизи металла вектор Е
всегда перпендикулярен к поверхности, а
В — всегда параллелен. Для этого взаимное
расположение векторов Е и В в падающей
Рис. 157. Отражение
электромагнитной волны
от металлической по-
верхности н распростра-
нение волны в волноводе:
а — взаимное располо-
жение векторов Е в па-
дающей и отраженной
волнах и единственно
возможное направление
Е в результирующей вол-
не (0 — вектор направ-
лен от читателя за чер-
теж, 0 — вектор на-
правлен к читателю);
б — то же для вектора
—>
магнитной индукции В;
в — волна типа в*
прямоугольном волново-
де. ;
и отраженной волнах
должно быть таким, как показано на рисунке 157, а, б. На ри-
сунке 157, в для примера показано расположение линий Е и В в
одном из случаев распространения электромагнитной волны в вол-
новоде (мода Н10). Существуют и другие конфигурации полей (другие
—->•
моды). В тех случаях, когда электрическое поле Е имеет только по-
перечную по отношению к оси волновода составляющую, а магнитное
поле В — обе составляющие, поперечную и продольную, мода назы-
вается ТЕтп или Нтп. Индексы тип указывают количество полуволн,
устанавливающихся поперек волновода вдоль осей z и у. Если только
167
*
Рис. 158. Пример диаграммы направленности антенны.
I \ поперечную составляющую имеет поле В, то волна называ-
/ \ ется ТМ- или Е-типа.
I \ Размеры волновода зависят от того, на какую длину элект-
I I ромагнитной волны он рассчитан. Обозначим размер более
I j длинной стенки прямоугольного волновода через а, а более
'—У короткой — Ь. Волна может распространяться по волново-
ду только при а > 0,5k. Однако при а 0,5Х возникает
слишком много различных отражений и распространение энергии
ухудшается. Оптимальное значение —а = 0,7Х. Величину b берут
примерно равной 0,5 а.
Антенны. Для передачи информации через свободное пространст-
во используют антенны. Излучающая (передающая) антенна пред-
ставляет собой устройство из металлических деталей, к которым по-
средством фидера подводятся от генератора электрические колеба-
ния — токи высокой (сверхвысокой) частоты. В пространстве вокруг
антенны возникают электромагнитные волны, распространяющиеся
на большие расстояния. Приемная антенна (часто по конструкции
мало отличается от передающей) соединяется фидером с приемником —
усилителем колебаний.
Обычно антенна излучает (принимает) не изотропно, концентрируя
излучение в определенном направлении, что характеризуется диаграм-
мой направленности (рис. 158). Антенна, которая может изменять на-
правление излучения, называется сканирующей. Простейший способ
сканирования заключается в повороте антенны как целого (вращаю-
щиеся антенны). Существуют, однако, сканирующие антенны и без
использования механически движущихся деталей. В них производят
изменение диаграммы направленности электрическими методами.
Конструкция антенны зависит от рабочей частоты и от требуемой
направленности излучения. Кроме того, строение антенны зависит
от ширины диапазона частот (ширины полосы). Различают узкополос-
ные (резонансные) и широкополосные антенны. Для передающих антенн
важным параметром является максимально допустимая мощность
излучения.
Простейшей антенной является диполь — симметричный вибра-
тор (рис. 159, а) — стержень длиной I — к/2 с разрывом в центре, к
которому подводится переменный ток с помощью фидера. Сила тока
в различных сечениях стержня вибратора разная. Наибольшую вели-
чину она имеет в центре и равна нулю на концах вибратора (рис. 159, б).
Диаграмма направленности такого вибратора дана на рисунке 159, в.
Если на расстоянии d — 0,25 X от основного вибратора располо-
жить другой вибратор, колебания в котором сдвинуты по фазе на 90°,
то в результате наложения волн друг на друга результирующая волна
будет распространяться только в одном направлении (в том, где коле-
бания отстают по фазе). Ко второму вибратору питание можно не
подводить. Достаточно сделать этот вибратор несколько длиннее и
без разрыва в центре (рис. 159, г). Ток с нужным сдвигом по фазе воз-
никает в нем за счет индукции от первого вибратора. Такой вибратор
168
Рис. 159. Антенны: а — диполь-вибратор; б — распределение тока в вибраторе)
в — диаграмма направленности вибратора; г — вибратор с рефлектором; д — ан-
тенна ТВК (типа «волновой канал»); е — вертикальная антенна; ж — Г-образная;
з — рамочная; и — коническая спиральная с коаксиальным фидером; к — ру-
порная; л — зеркальная антенна с рупорным облучателем; м — рупорная с лин-
зой из искусственного диэлектрика; н. — с металлопластинчатой линзой.
называют рефлектором. Наоборот, более короткий пассивный виб-
ратор обеспечивает преимущественное распространение волн в своем
направлении. Он называется директором. На рисунке 159, д изобра-
жена антенна типа «волновой канал» с петлевым вибратором, одним
рефлектором и тремя директорами. Такая антенна обладает большой
направленностью, узкополосна. Применяется для метровых и децимет-
ровых волн, например, в телевидении.
Для больших длин волн используют антенны, размеры которых
меньше и даже много меньше длины волны. На рисунке 159, е, ж
изображены вертикальная и Г-образная антенны. Большую направ-
ленность дают рамочные антенны (рис. 159, з). Для специальных це-
лей применяют антенны сложного вида (рис. 159, и).
В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн (СВЧ-диапа-
зон) конструкции антенн должны быть другими по двум причинам.
Во-первых, фидерное устройство — это обычно волновод. Во-вторых,
в связи с малой длиной волны появляется возможность для усиления
направленности использовать оптические элементы — зеркала, линзы.
Известно, что линза иди зеркало только в том случае могут концент-
рировать поток энергии, если их диаметр d много больше длины вол-
ны X. (В противном случае происходит дифракция, угол дифракцион-
ной расходимости в радианах всегда порядка Vd.)
Простейшая антенна СВЧ — рупор (рис. 159, к). Рупор согласует ,
волновод (фидер) с открытым пространством и в результате обеспе-
чивает излучение энергии из волновода. Направленность излучения
характеризуется дифракционной расходимостью — величиной X/d,
где d — размер рупора. Эта величина может быть существенно умень-
шена (а, следовательно, направленность усилена) применением боль-
ших металлических зеркал (рис. 159, л) или линз (рис. 159, м, н).
169
Линзы для СВЧ отличаются от линз в оптике. Задача собирающей
линзы заключается в изменении формы волнового фронта. Она должна
больше задержать волну в центре расходящегося пучка и меньше—на
его краях, сделав таким образом волну плоской, а пучок — параллель-
ным. В оптике этого достигают, изготавливая линзу из материала с
большим, чем у окружающей среды, показателем преломления. Для
СВЧ также делают диэлектрические линзы. Но чаще используют ис-
кусственные диэлектрики или волноводные линзы. Искусственный
диэлектрик — диэлектрик, в толще которого расположено большое
количество одинаково направленных тонких металлических иголок.
Это и задерживает волну (рис. 159, я). В волноводной (металлопла-
стинчатой) линзе используется то обстоятельство, что фазовая ско-
рость волны в волноводе больше, чем в свободном пространстве, по-
этому длинный путь в волноводе соответствует большему ускорению
волны. На рисунке 159, н изображена металлопластинчатая (для про-
стоты — цилиндрическая) линза, концентрирующая излучение в вер-
тикальной плоскости.
Возможность получать остронаправленные пучки коротких радио-
волн позволяет передавать информацию на большие расстояния при
сравнительно малых затратах энергии. Это реализуется в радиорелей-
ных линиях, работающих обычно па частотах 2—10 ГГц (рис. 155).
§ 44. СИСТЕМЫ РАДИОПЕРЕДАЧИ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Система радиопередачи состоит из радиопередающей станции (или
радиопередатчика) и радиоприемника, которые связаны между собой
линией передачи — радиоволнами обычно с длиной волны от несколь-
ких километров до нескольких метров. Для специальных целей ис-
пользуются и более короткие волны. Это соответствует высокочастот-
ным (ВЧ) и сверхвысокочастотным (СВЧ) колебаниям.
Структурная схема радиопередатчика дана на рисунке 160, а.
Усиленные с помощью усилителя 2 колебания от задающего генерато-
ра 1 направляются в модулятор 4 — нелинейный элемент, в котором они
смешиваются со звуковыми колебаниями от микрофона 3. Получен-
ные модулированные колебания снова усиливаются и направляются
в антенну 6, излучающую в пространство соответствующие электро-
магнитные волны.
Радиоприемник — чувствительный прибор, улавливающий до-
шедшие до его антенны слабые волны. На рисунке 160, б показано,
как эти модулированные колебания усиливаются усилителем высокой
частоты (УВЧ). Далее усиление идет на некоторой постоянной про-
межуточной частоте селективным усилителем (УПЧ). Промежу-
точная частота получается в смесителе 11 — нелинейном элементе
(лампе, полупроводниковом диоде) от наложения принятых колебаний
частотой / и колебаний частотой /г, вырабатываемых специальным гене-
ратором — гетеродином 10. Сила тока через нелинейный эле-
мент определяется не только суммой напряжений сигнала U и гетеро-
дина Ur, но и квадратом, и кубом, и т. д. этой суммы:
i = a(U + Ut) + b(U + Uty-{- ... (66)
170
s
Рис. 160. Структурные схемы радиопередатчика (а) и радиоприемника (б): 1 — за-
дающий генератор, 2 — усилитель, 3 — микрофон, 4 — модулятор, 5 — усилитель
мощности, 6 — излучающая антенна, 7 — приемная антенна, 8 — колебательный
контур, 9 — УВЧ, 10 — гетеродин, 11— смеситель, 12— УПЧ, 13 — детектор,
14 — фильтр нижних частот, 15 — УНЧ, 16 — выходное устройство.
Поскольку U и Ur — синусоидальные функции, то из уравнения (66)
следует, что i будет содержать не только f и /г, но и 2Д 2/г, 0, (/ -ф /г)
и (/ — /г). На последнюю частоту и настраивается УПЧ. Она поддер-
живается постоянной. Для перестройки приемника на другую частоту
нужно изменить частоту /г. Промежуточные колебания также модули-
рованы (рис. 160, б). После усиления они детектируются (выпрямляют-
ся) и фильтром низких частот 14 из них выделяется звуковая частота.
После усиления в УНЧ колебания поступают в выходное устройство
16, например громкоговоритель.
Основными параметрами приемников являются чувствительность,
диапазон принимаемых частот, нелинейные искажения, напряжение
и мощность на выходе. Важным параметром является избиратель-
ность, т. е. способность приемника избирательно усиливать узкую
полосу частот АД что дает возможность отделить сигналы одной радио-
станции от другой. Избирательность зависит от количества, качества
и точности настройки колебательных контуров.
171
Система телевидения значительно сложнее системы радиопередачи
звука, так как для передачи звука нужно передавать несколько тысяч
единиц информации в секунду, в то время как для передачи изображе-
ния — несколько миллионов. Телепередающая установка состоит из
телепередающей трубки (обычно суперортикона или видикона, ко-
торые будут рассмотрены в § 55 «Приемники света»), усилителя и дру-
гих блоков, создающих сигналы изображения (видеосигналы), сигна-
лы синхронизации и звукового сопровождения.
На рисунке 161 приведен пример объекта и видеосигнал, выраба-
тываемый телепередающей трубкой. Электронный луч в телепередаю-
щей трубке, прочерчивая изображение строчка за строчкой (сканиро-
вание), вырабатывает в каждый момент больший или меньший потен-
циал в зависимости от яркости соответствующего места изображения.
В момент перехода на другую строку вырабатывается резкий импульс.
Похожий, но более длительный импульс выдается в конце кадра при
переходе на следующий, т. е. когда снова начинается сканирование
с первой строки. В СССР используется 625 строк, и на каждой строке
следует различать примерно столько же (830) участков большей и мень-
шей яркости. В результате при 12,5 кадрах в секунду частота видео-
сигнала получается около 6,5 МГц. Этим сигналом на телепередающей
станции модулируют электромагнитные колебания частотой 108—
109 Гц (несущая частота). Результирующие колебания усиливаются
и излучаются антенной в пространство в виде волн метрового или де-
циметрового диапазона.
Рассмотрим более подробно телеприемную установку — телеви-
зионный приемник (телевизор). На рисунке 162 дана структурная
схема телевизионного приемника. 1—8 — канал приема и усиления
видеосигналов. Сигналы принимаются антенной 1, селектор каналов 2
отбирает несущую частоту, соответствующую той или иной программе.
После усиления несущая частота смешивается с частотой гетеродина
4 (см. радиоприемник), и далее усиление идет на промежуточной
частоте (около 35 МГц). Затем сигнал детектируется амплитудным
детектором 7 и выделяется видеосигнал. После усиления он
подается на модулятор кинескопа 9 (вход Z, управление яркостью).
Рис. 161. Объект (а) и соответствующий одному кадру видеосигнал (б): 1 — сигнал
изображения, 2 — импульсы, синхронизирующие переходы на следующую строку,
3 — импульс, гасящий луч во время перехода на другую строку, 4 — импульс,
синхронизирующий переход на следующий кадр, 5 — импульс, гасящий луч во
время перехода на следующий кадр.
172
Рис. 162. Структурная схема телевизионного приемника: 1 —'аитеипа, 2 — селек-
тор каналов, 3 — усилитель высокой частоты (УВЧ), 4 — гетеродин, 5 — смеси-
тель, 6 — усилитель промежуточной частоты (УПЧ), 7 — амплитудный детектор,
8 — видеоусилитель, 9 — электроннолучевая трубка (кинескоп), 10 — селектор
синхроимпульсов, 11 — генератор строчной развертки, 12 — генератор кадровой
развертки, 13 — высоковольтный выпрямитель, 14 — усилитель промежуточной
частоты звука, 15 — ограничитель, 16 — частотный детектор, 17 — усилитель низ-
кой частоты (УНЧ), 13 — громкоговоритель.
Импульсы, управляющие переходом на следующую строку или
следующий кадр, выделяются из видеосигнала и направляются в ка-
нал синхронизации 10—12, где сортируются по длительности, а затем
каждый из них управляет своим генератором развертки — генератором
пилообразного напряжения. Эти пилообразные напряжения поступают
на отклоняющие магнитные катушки, обеспечивая быстрое прочерчи-
вание лучом строк слева направо и сравнительно медленное смещение
луча вниз по кадру. Более длительная часть каждого синхроимпульса
(рис. 161, б) используется для гашения луча при обратном ходе. На
схеме этот канал не показан.
Переменный ток частотой около 1,5 кГц, вырабатываемый генера-
тором строчной развертки 11, используется попутно для получения
высокого анодного напряжения, необходимого для работы кинескопа 9-
Часть тока строчного генератора направляется в повышающий транс-
форматор и выпрямитель 13.
Электронный луч электроннолучевой трубки 9 (кинескопа) чер-
тит по экрану строчку за строчкой, образуя растр. Так как яркость
луча меняется под управлением видеосигнала, на экране получается
изображение.
Звуковое сопровождение передается на несущей частоте, очень
173
Рис. 163. Кинескоп цветного телеви-
зора: К, 3, С — цветовые сигналы,
подаваемые на три электронных про-
жектора, Я — яркостный сигнал, по-
даваемый на катоды, 1 — отклоняю-
щая система, 2— маска, 3 — экран
с тройками люминофоров.
близкой к несущей частоте видео-
сигнала- Для усиления использу-
ется канал 1—6 (рис. 162). Далее
звуковой сигнал отделяется от ви-
деосигнала и направляется в ка-
нал звукового сопровождения
14—18 (рис. 162). Этот канал отли-
чается от аналогичной схемы ра-
диоприемника тем, что в телевиде-
нии звуковой сигнал накладывает-
ся на несущую частоту не посред-
ством амплитудной, а посредством
частотной модуляции. Поэтому
после усиления промежуточной
частоты ставится ограничитель,
срезающий колебания но амплиту-
де, а затем частотный детектор, выделяющий звуковую частоту.
Подробно с тем, как работают отдельные узлы телевизора, следует
ознакомиться по курсу радиотехники. Однако для нахождения не-
исправности телевизора достаточно знать структурную схему. На-
пример, если есть растр, но пет ни изображения, ни звука, то неиспра-
вен канал приема и усиления видеосигнала; есть изображение, но нет
звука — неисправен канал звукового сопровождения; на экране толь-
ко узкая яркая горизонтальная черта — неисправен генератор кад-
ровой развертки и т. д.
Система цветного телевидения сложнее черно-белого. Передаю-
щая трубка формирует не только сигнал яркости, но и еще два цвето-
разностных сигнала (яркостный минус красный и яркостный минус
синий). В цветном телевизоре эти сигналы затем преобразуются в че-
тыре сигнала: яркостный, красный, зеленый и синий. Цветной кине-
скоп имеет три прожектора. Н'а общую цепь катодов подается ярко-
стный сигнал, а на модуляторы трех прожекторов — три последние
сигнала (рис. 163). На некотором расстоянии от экрана установлена
маска с отверстиями. Все три луча сходятся в одном из отверстий, а
затем расходятся, попадая на экране каждый в свою крупинку люми-
нофора. Одна из них светится под действием электронного луча крас-
ным цветом, другая — зеленым, третья — синим. Можно подобрать
интенсивность лучей так, что тройка цветных крупинок, сливаясь для
глаза в одно пятнышко, будет казаться белой. При другом соотноше-
нии интенсивностей пятнышко будет цветным. Каждому отверстию со-
ответствует своя тройка крупинок люминофора. Все три луча вместе
отклоняются одной отклоняющей системой и переходят от одного от-
верстия маски к другому, прочерчивая весь экран. Поскольку одно-
временно видеосигнал управляет яркостью этих лучей и разницей их
интенсивностей, получается цветное изображение.
Видеосигнал (радиосигнал, несущий информацию об изображении),
может быть записан на магнитофонную ленту (см. магнитофон).
Но в отличие от звукового сигнала, который содержит до 104 единиц
информации в секунду (звук_— колебания от 20 Гц до 20 кГц), видео-
174
сигнал содержит до 107 единиц информации в секунду. Магнитофон
для записи видеосигналов называется видеомагнитофоном. Для уве-
личения объема информации, записываемой в секунду, в видеомагни-
тофоне магнитная лента движется мимо головки с большой скоростью.
Кроме того, сами записывающие и воспроизводящие головки укреп-
лены на круге, который наклонен по отношению к ленте и быстро вра-
щается, так что головки быстро прочерчивают на идущей ленте наклон-
ные дорожки с записью информации.
ГЛАВА VI
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
К оптическим приборам относятся приборы, в которых использу-
ется электромагнитное излучение видимой, инфракрасной и ультра-
фиолетовой областей. Эти приборы конструируются из линз, призм,
зеркал, экранов и других элементов, которые могут работать и как
самостоятельные приборы. Сюда же относятся различные приемники
и источники света.
§ 45. ЗЕРКАЛА И ПРИЗМЫ
Рассмотрим сначала простейшие приборы геометрической оптики.
Назначение этих приборов — управление ходом лучей, испускаемых
объектами или отраженных от них. Эти приборы работают на основе
законов отражения и преломления.
Плоское зеркало представляет собой металлическую поверхность,
защищенную или незащищенную стеклом или другим диэлектрическим
прозрачным покрытием. Такая защита ведет к потерям света, к потере
гомоцентричности и к двойному отражению —от поверхности металла
и от внешней поверхности диэлектрика (рис. 164, а, б). В приборах
применяются зеркала поверхностного «серебрения». (Чаще поверх-
ность покрывают не серебром, а распыленным алюминием.)
При повороте зеркала на угол а отраженный от зеркала луч пово-
рачивается на угол 2а. Такое зеркало используется в приборах для
регистрации малых поворотов (зеркальный гальванометр).
Сохранение гомоцентричности дает возможность получения изо-
бражения, в случае плоского зеркала — мни*мого. Глазу наблюдателя
Рис. 164. Плоское зеркало: а — поверхностного «серебрения»; б — с защитным
покрытием; в и г — образование изображения.
176
кажется, что свет распространяет-
ся прямолинейно и лучи пришли
из-за зеркала. На рисунке 164, г
показано, как преломляющая си-
стема глаза фокусирует расходящие-
ся лучи в изображение на сетчатке.
Мнимое изображение в плоском зер-
кале имеет ту же величину, что и
предмет (увеличение равно 1), его
точки расположены на перпенди-
кулярах, опущенных из точек
предмета на зеркало и продолжен-
ных на те же расстояния. Но оно
не тождественно предмету, посколь-
ку в нем все «правое» становится
«левым». Чтобы увидеть весь пред-
мет из точки Л! (рис. 164, в), доста-
точно иметь зеркало размером ав.
Этот размер легко находится как
«окно», необходимое для того, что-
в
Рис. 165. Уголковый отражатель:
а — двугранный; б — трехгранный;
в — катафот.
бы увидеть мнимое изображение
целиком.
Два зеркала, перпендикуляр-
ные некоторой плоскости (плос-
кость чертежа на рис. 165, а) и перпендикулярные другдругу, возвраща-
ют любой лежащий в плоскости чертежа луч назад. Если взять три взаим-
но перпендикулярных зеркала, то любой луч в пространстве
будет отражен в прямо противоположном направлении (рис. 165, б).
Это так называемый уголковый отражатель. Он используется, напри-
мер, в отражателях света на транспорте (катафоты, рис. 165, в).
Сферическое зеркало может быть выпуклым и вогнутым (рис. 166).
Изображения могут быть как мнимыми, так и действительными. Если
отраженные от зеркала лучи оказываются сходящимися, то изображе-
ние будет действительным, его можно получить на экране. В любом
случае расстояния от предмета до зеркала (ах) и от зеркала до изобра-
жения (а2) связаны формулой
рис. 166. Сферическое зеркало: а — выпуклое; б — вогнутое; в — переход от сфе-
рического зеркала 1 к параболическому 2.
177.
где F — R/2 — фокусное расстояние, т. е. то расстояние, на котором
находится от зеркала главный фокус — точка, где пересекаются отра-
женные лучи. Как следует из формулы или из построений, для вогну-
того зеркала может быть семь качественно разных случаев: ах = оо,
2F < «! < оо, а1 = 2F, F < ar < 2F, ar — F, 0 < аг < F и а± = 0.
В соответствии с этим меняются а2 и Hlh (увеличение зеркала, равное
афа^. Два последних случая соответствуют мнимому изображению
(увеличенному и в натуральную величину).
Для выпуклого зеркала качественно различаются лишь два слу-
чая: 0 < а, < оо (изображение мнимое, уменьшенное) и а2 = 0.
Освещенность изображения зависит от диаметра зеркала d (рис.
166, б). Для сохранения гомоцентричности необходимо, чтобы d<^R.
В противном случае (рис. 166, в) получается сферическая аберрация.
При значении d, близком к значению R, сферическая аберрация может
быть устранена заменой сферической поверхности зеркала на пара-
болическую, например, как в фарах и прожекторах (рис. 166, в).
Ценным качеством любых зеркал является отсутствие хроматиче-
ской аберрации: зеркало одинаково отражает все длины волн (все
цвета) в довольно широком диапазоне, т. е. зеркало — широко-
полосный или почти всеволновой прибор. Однако при
необходимости можно сделать зеркало и селективным, т. е. избиратель-
но отражающим, например отражающим только зеленые лучи. Зер-
кало либо покрывают цветным прозрачным слоем (см. светофильтр),
что часто используется при изготовлении значков, указателей, либо
наносят на него штрихи (см. отражательная дифракционная решетка).
В последнем случае цвет отраженного света будет зависеть от угла
падения.
Для устранения ненужной примеси коротковолнового света исполь-
зуют матовое (матированное) зеркало. Оно рассеивает короткие вол-
ны, по для длинных (длина волны много больше размера шерохова-
тости) является идеальным зеркалом.
«Полупосеребренное» зеркало, отражающий металлический слой
которого тонок, отражает только 50% света, а 50% — пропускает.
Используется как делительная пластинка, когда из одного луча надо
получить два.
Тот факт, что зеркало изменяет направление хода лучей на 180°
(или почти на 180°), часто ограничивает применение зеркал и заставля-
ет пользоваться линзами.
Плоскопараллельная пластинка используется в качестве окна —
оптического входа и выхода из прибора. В результате двух прелом-
лений на поверхностях пластинки луч света не меняет своего направ-
ления в пространстве, но смещается в сторону параллельно самому
себе тем больше, чем больше толщина пластинки и чем больше угол
падения. Это нарушает гомоцентричность пучков. Поэтому окна ста-
раются делать либо тоньше, либо выпукло-вогнутыми, чтобы в любом
месте угол падения луча был близок к нулю.
Следует учитывать также, что пластинка вносит дополнительную
разность хода луча А = h (п — 1), где h — толщина пластинки (см.
интерференционные приборы).
178
Призма — тело из прозрачного
вещества (стекла, кварца и т. д.),
ограниченное пересекающимися
плоскими поверхностями. Различа-
ют отражательные, раз-
делительные, спект-
ральные и поляризаци-
онные призмы.
Простейшей призмой является
б s
Рис. 167. Трехгранная призма (а, б)
и клин (в).
трехгранная (рис. 167), образован-
ная двугранным углом А (преломляющий угол) и поверхностью осно-
вания. Луч света испытывает на гранях преломление дважды, оба раза
к основанию призмы. Полный угол отклонения <р (рис. 167, а) зависит
от угла падения, от угла А и от показателя преломления п. Если пада-
ющий и преломленный лучи расположены симметрично (рис. 167, б),
то угол <р получается минимальным. Для этого случая существует
простая формула;
. А . А -I- фп11п
п sin — = sin —1
2 2
(68)
Поскольку п зависит от длины волны света (с увеличением длины вол-
ны п убывает — нормальная дисперсия), угол <р для фиолетовых лучей
получается больше, а для красных — меньше: призма разлагает белый
свет в спектр.
Для отклонения лучей на малые углы ср используют призму с ма-
лым углом 4 — оптический клин. В этом случае формула (68) упро-
щается: <рт[п = А (п — 1).
Если свет, идущий внутри призмы, падает на границу раздела
с воздухом под углом больше предельного апр, то он полностью отра-
жается внутрь призмы. Для стекла aIip = arcsin — « 42°, так что
п
а = 45° уже больше апр- Это дает возможность использовать равно-
бедренную 90° призму для отражения (рис. 168). Она может изменять
ход лучей на 90° (рис. 168, а), на 180° (рис. 168, б) и переворачивать
изображение, не меняя направления хода лучей (рис. 168, в). Такая
оборотная призма (призма Дове) используется в проекторах. На ри-
сунке 168, г изображен смещающий ромб, на рисунке 168, д — пен-
тапризма, решающая ту же задачу, что и призма на рисунке 168, а,
но не меняющая взаимного расположения лучей. Следует обратить
внимание на то, что лучи внутри пентапризмы падают на грани под
углами, меньшими предельного, и для получения полного отра-
Рис. 168. Отражающие призмы: а и б — поворотные, 90-гралусиые; в — оборотная
(призма Дове); г — смещающий ромб; д— пентапризма; е — делительная призма.
179
Рис. 169. Спектральные
призмы: а — прямого зре-
ния (призма Амичи);
б, в — постоянного откло-
нения (призма Аббе).
жения эти грани необходимо серебрить.
Для разделения луча на два исполь-
зуют делительный куб (рис. 168, е), со-
стоящий из двух сложенных призм, так что
часть света отражается от границы разде-
ла. В спектральных приборах используют-
ся спектральные (дисперсион-
ные, диспергирующие) призмы. В каче-
стве таковой применяют обычную трех-
гранную призму (рис. 167). Однако бы-
вает необходимо, чтобы свет, разлагаясь
в спектр, шел приблизительно в том же на-
правлении или чтобы лучи поворачивались
на 90°. В первом случае используют приз-
му прямого зрения (призму Амичи), состоя-
щую из трех призм: в центре — призма
из стекла с большим показателем прелом-
ления, а по краям — две одинаковые с
меньшим значением п (рис. 169, а). Приз-
ма конструируется так, чтобы свет в сере-
дине спектра, соответствующий желтому
цвету, не отклонялся бы совсем, а крас-
ный и фиолетовый цвета разводились бы
по обе стороны от него. Для монохрома-
торов особенно удобна призма Аббе, изоб-
раженная на рисунке 169, б или, что то
же самое, на рисунке 169, в. Эта призма
составлена из трех призм, в сечении одной
из них равнобедренный прямоугольный
треугольник, двух других — прямоуголь-
ные треугольники с углом в 30°. Если
монохроматический (например, красный)
луч (рис. 169, б) направить на призму
< так, чтобы после преломления он падал на заднюю грань в точке А
под углом 45°, то он выйдет из призмы под углом 90° к первоначаль-
ному направлению. Вращая призму вокруг точки А (рис. 169, в),
можно по очереди для каждого цвета удовлетворить условие паде-
ния на заднюю грань под углом 45°. В результате по очереди
каждый цвет будет преломляться на угол 90°. Поэтому эта призма
называется еще призмой постоянного отклонения.
Призмы, клинья, плоскопараллельные пластинки, а также линзы,
в отличие от зеркал, не являются всеволновыми приборами. Прелом-
ление зависит от длины волны, следует также учесть и зависимость
поглощения от длины волны. Так, стекло пропускает только видимый
свет, а ультрафиолетовый и инфракрасный поглощает. Более широ-
кую полосу пропускания имеет кварц, особенно кристаллический.
Для X > 5 мкм (инфракрасный свет) используют призмы и окна из
солей фторида лития (L1F), хлоридов натрия (NaCI) и калия (КС1),
для далекой ультрафиолетовой области — только зеркала.
180
§ 46. ЛИНЗЫ И СВЕТОВОДЫ
Линза — основной элемент оптических
приборов, служащий для получения изобра-
жений. Чаще всего используется сферическая
линза. Это тело, ограниченное двумя сфери-
ческими поверхностями радиусами Rt и R2
(рис. 170, а). Если одна из поверхностей —
плоскость, то ее считают тоже сферической
(R -+ оо). Радиусам и другим отрезкам при-
писывают знаки: положительный, если отре-
зок расположен справа от линзы, и отрица-
тельный, если слева. Если толщина линзы
много меньше радиусов кривизны поверх-
ностей, то линза называется тонкой.
Линза обладает свойством собирать лучи,
вышедшие из одной точки и падающие на ее
поверхность (пучок лучей 3 на рис. 170, б), в
одну точку (гомоцентричность). Таким спо-
собом получаются изображения всех
точек предмета. Если направить на линзу
параллельный пучок слева, то линза собира-
ет его в точку F2 (задний фокус), если спра-
ва, то в точку (передний фокус). Знание
этих точек позволяет легко строить изобра-
жение с помощью лучей 1 и 2 (рис. 170, б).
Расстояния «х и а2 для тонкой линзы свя-
заны формулой:
= + = 1 = (69)
—at а2 \Rt —R.J F
Рис. 170. Тонкая линза:
а — радиусы поверхно-
стей; б, в — ход лучей
в собирающей и рассеи-
вающей линзах (/, 2—
гипотетические лучи,
удобные для построения
изображения, 3 — пучок
лучей, образующих изоб-
ражение).
где N — относительный показатель прелом-
ления, F — расстояние от линзы до фокуса (фокусное расстояние),
a D — оптическая сила линзы, измеряемая в диоптриях (м-1). Уве-
личение изображения (уменьшение) определяется соотношением
H/h = a2/at.
(70)
Линзы со значением D > 0 называются собирающими, а с D< 0—
рассеивающими. Из формулы (69) следует, что линзы, обозначенные
на рисунке 171 буквами а, б и в, являются собирающими, а линзы,
обозначенные г, д и et — рассеивающими. (Следует соблюдать пра-
а 5 6 г 0 е
Рис. 171. Толстые линзы: а, б и в — собирающие; г, д и е — рассеивающие.
181
вило знаков для и Т?2-) Линзы с поверхностями, выпуклой с одной
стороны и вогнутой с другой, называются менисками (/?х и R2 имеют
одинаковые знаки). На рисунке 171, в изображен положительный
мениск, на рисунке 171, е— отрицательный.
Рассеивающая линза имеет мнимые фокусы. Это значит, что для
нее задний фокус F2 расположен слева, а передний — справа
(рис. 170, в). Она образует только мнимое изображение (наблюдателю
кажется, что лучи выходят из точки М', а не из точки М; см. рисунок).
Для понимания действия оптических приборов необходимо знать
семь случаев образования изображения в собирающей линзе:
аг = — оо, |«11 > 2F, | Gtl = 2F, 2F > \ar\ > F, | = F, F > ] |>
> 0, «х = 0. Для каждого случая надо знать, чему равно или в ка-
ких пределах находится а2, будет ли изображение увеличенным или
уменьшенным, действительным или мнимым, а также примеры при-
менения этих случаев (лупа, фотоаппарат, проектор и т. д.). Для
рассеивающей линзы различают только два случая: аг = 0 и аг =4= 0.
Поскольку изображение образуется лучами пучка 3 (рис. 170, б),
большое значение имеет диаметр линзы. От него зависит сечение
пучка, а следовательно, яркость изображения. Обычно на линзе ука-
зывается не диаметр d, а светосила или относительное отверстие F/d
(см. светосила объектива).
Кроме сферических линз, в оптических приборах используют и
линзы, образованные другими поверхностями (асферические линзы),
а также линзы, не представляющие собой тела вращения вокруг оси.
Такова, например, цилиндрическая линза (рис. 172, а). Эта линза
собирает лучи в одной плоскости и не собирает в другой. В резуль-
тате параллельный пучок или пучок, выходящий из точки, собира-
ется не в точку, а в черточку. Разное преломление в разных сечениях
называется астигматизмом. Астигматичной будет и линза,
которая имеет поверхности разной кривизны в разных плоскостях
(рис. 172, б). Такая линза в вертикальной плоскости имеет одно
фокусное расстояние, а в горизонтальной — другое. В результате
точка или параллельный пучок -преобразуются не в точку, а в гори-
зонтальную или вертикальную черточки, находящиеся на разных
расстояниях от линзы.
Один из недостатков линз — аберра-
ция, т. е. искажение изображений. Сфери-
ческая аберрация означает, что лучи, иду-
щие под малыми углами .к оси (параксиаль-
ные) и под большими углами, имеют разное
фокусное расстояние. Аберрация устраняет-
ся либо путем ограничения непараксиаль-
ных лучей диафрагмой (при этом теряется
много света), либо изготовлением несфериче-
ских поверхностей линзы. Хроматическая
аберрация происходит от неодинакового пре-
ломления лучей разных длин волн. Аберра-
ция устраняется склеиванием нескольких
линз из разного стекла. Кроме того, линзы
а
б
Рис. 172. Цилиндричес-
кая (а) и астигматичная
(6) линзы.
182
Рис. 173. Линза Френеля.
дают искажения, обусловленные
другими аберрациями: астигма-
тизмом для косых пучков, комой, а
также могут давать разное увели-
чение в центре изображения и по
его краям. Такое искажение изоб-
ражения называется дисторсией.
Для уменьшения массы линз
большого диаметра применяются
линэы Френеля (рис. 173). В этой
линзе сферическая поверхность за-
менена концентрическими борозд-
ками, но поверхность каждой бо-
роздки радиуса г имеет такой же
наклон к оси, какой был бы у сфе-
рической линзы на расстоянии г от
оси. В результате лучи преломляют-
ся на такие же углы, как и в сфе-
рической линзе. Линза Френеля
изготавливается в виде тонкой пла-
стинки, получаемой прессованием
прозрачной пластмассы. Она при-
меняется в качестве лупы и конден-
соров проекторов, например в ко-
доскопах.
Световоды — новые элементы
оптической техники, получившие
в последние годы широкое распро-
странение. Световод — это нить из
сверхпрозрачного кварцевого стек-
ла толщиной от 3 до 100 мкм. Нить
в радиальном направлении неодно-
родна по составу. Наружный слой
имеет меньший показатель прелом-
ления, чем сердцевина (рис. 174).
В неоднородной среде свет распространяется криволинейно, луч ис-
кривляется в сторону большего показателя преломления. Его кривиз-
1 . grad п
на равна — — sin а £—-, где а — угол между лучом и направ-
лением градиента п. В результате свет распространяется так, как по-
казано па рисунке 174, а, и выходит из световода только на противо-
положном конце. В световоде устанавливается стоячая электромаг-
нитная волна в радиальном направлении и бегущая — в продольном.
В этом отношении световод — это волновод для светового диапазона.
Как и в волноводе, в световоде устанавливается та или иная мода
колебаний.
Световод можно довольно круто изгибать, распространение света
при этом не нарушается.
Световоды используются в технике связи для передачи по ним
луча;
пока-
свето-
Рис.
б — распределение
зателя преломления по толщине
вода; в н г — перенос изображения
с помощью волоконной техники.
3
174. Световоды: а — ход
величины
183
сигналов. Здесь световоды начинают вытеснять металлические про-
вода. Недостаток световода — дисперсия, зависимость скорости
распространения от номера моды (дисперсия мод) и от длины вол-
ны (дисперсия вещества), что искажает сигналы.
Другая область применения — перенос изображений (воло-
конная техника). Для этого большое число световодов складывает-
ся в строго определенном порядке в жгут (рис. 174, в). Жгут
вводится, например, в труднодоступную для наблюдения полость.
Изображение переносится волокнами на другой торец жгута. Ос-
вещение осуществляется через тот же наружный торец жгута. На ри-
сунке 174, а показано исправление кривизны поля изображения с
помощью волоконной техники.
Световоды переменного сечения используются, например, для
преобразования света от точечных светодиодов в черточки, из кото-
рых составляются цифры при выводе цифровой информации из
ЭВМ. Пленочные световоды используются в интегральной оптике.
§ 47. МОДУЛЯТОРЫ И ДЕФЛЕКТОРЫ
Рис. 175. Модулятор (а)‘,
пояснение действия элек-
трооптического модуля-
тора (б); дефлектор (в)
светового луча (П^ и
П2 — поляроиды, Г — ге-
нератор, ПЭ — пьезо-
элемент).
Модулятор — устройство для управления
интенсивностью светового луча. Существу-
ют электрооптические, магнитооптические и
акустооптические модуляторы. Чаще при-
меняются электрооптические. В них исполь-
зуется интерференция поляризованных лу-
чей, причем разность хода лучей управляет-
ся электрическим полем. На рисунке 175
показан кристалл между двумя скрещенны-
ми поляроидами и направления напряжен-
ности электрического поля в луче, если
смотреть навстречу лучу. После поляроида
—>
Пх волна содержит только вектор Е. В од-
ноосном кристалле луч распадается на два:
обыкновенный (Ей) и необыкновенный (£е) с
колебаниями соответственно перпендикуляр-
но и параллельно оптической оси. Через по-
ляроид П2 пройдут только проекции этих
векторов и Е2, которые, казалось бы, га-
сят друг друга. Но обыкновенный и необык-
новенный лучи идут с разными скоростями и
имеют по выходе из кристалла разность фаз.
В результате вектор Elt колеблясь, каки Е2,
около нуля в ту и другую сторону, может в
своем колебании нагнать по фазе вектор Е2.
Так может оказаться, что вектора Ег и /^сло-
жатся, в результате будет не темнота, а
свет. Разность фаз определяется разницей
184
скоростей, а это, в свою очередь, разностью показателей преломле-
ния обыкновенного и необыкновенного лучей. Эта разность зави-
сит от внешнего электрического поля, приложенного к кристаллу
(электрооптический эффект), что дает возможность менять интенсив-
ность проходящего света внешним полем.
Действие магнитооптического модулятора основано на вращении
плоскости поляризации внешним магнитным полем.
Дефлектор — устройство для отклонения луча, предназначенное,
например, для того, чтобы заставить луч «бегать» по экрану строч-
ка за строчкой (сканирование). Простейшим дефлектором может
служить колеблющееся или вращающееся плоское зеркало. Однако
устройства с механически движущимися деталями не могут рабо-
тать быстро и малонадежны. На рисунке 175, в изображен акусто-
оптический дефлектор. В прозрачном кристалле создаются
с помощью пьезоэлемента ПЭ, питаемого от генератора Г, ультра-
звуковые плоские волны с длиной волны Л. Луч света отражается
от образующихся плоскостей, причем наиболее эффективно, если
выполняется (как при дифракции рентгеновских лучей) условие
Вульфа — Брэгга 2Л sin @ = X. В результате при работе генератора
Г луч отклоняется на угол а = 20. Меняя частоту генератора, можно
менять Л, а следовательно, и а.
§ 48. СВЕТОФИЛЬТРЫ И ПОЛЯРИЗАТОРЫ
Светофильтр абсорбционный служит для
поглощения определенной части светового
потока. Нейтральные светофильтры (НС) (се-
рые светофильтры) предназначены для ос-
лабления светового потока в определенное
число раз. Цветные светофильтры служат
для избирательного- ослабления лучей раз-
ных длин волн (селективное пропускание).
Они могут использоваться, например, для
получения света, близкого к монохромати-
ческому.
Действие абсорбционных светофильтров
основано на явлении поглощения света сре-
дой (рис. 176). Если на границу раздела ва-
куума и среды падает свет интенсивностью
7в, то по прохождении слоя толщиной х ин-
тенсивность уменьшится до значения 7.
Кратностью фильтра называется отношение
/0/ Л ее обозначают, например, 2х или 4х.
Пропусканием называют обратную величину
Т = Шо (выражается в процентах), а
оптической плотностью — величину D — 1g
(70//). В случае цветных фильтров все эти
величины зависят от длины волны света. В
паспорте нейтрального светофильтра указы-
Рис. 176. К поглощению
света светофильтром (а).
Пример полосы пропу-
скания цветного, и ней-
трального светофильтров
... (б).
185
Рис. 177. Поляризаторы:
а—дихроичный кристалл;
б—поляроид (поляроидная
пленка); в—стопа; г, д—
призма Николя; д—вид с
торца; е—призма Рошона,
талл обычно окрашен,
вают кратность, а в паспорте цветного при-
водят график зависимости Т (X) или D (X)
(рис. 176). Полосу пропускания цветного све-
тофильтра характеризуют полушириной —
величиной Лк, измеренной на половине
высоты линии пропускания (см. рис. 176, б).
Абсорбционные светофильтры имеют обыч-
но широкие полосы пропускания ДХ = 0,1 —
0,3 мкм. Свет, значительно более близкий
к монохроматическому, может быть получен
с помощью интерференционного светофильтра.
Поляризаторы — детали оптических при-
боров, поляризующие свет. Электромагнит-
ная волна поперечна. Она может содержать
колебания электрического вектора Е в лю-
бом направлении, но в плоскости, перпенди-
кулярной лучу. Эти колебания можно раз-
ложить по двум взаимно перпендикулярным
направлениям. На рисунке 177 это показано
условно вертикальными черточками и точ-
ками, означающими колебания, перпендику-
лярные чертежу. Задача поляризатора —.
пропустить только одну из этих двух1’ сос-
тавляющих. Простейшим, но не оптимальным
поляризатором является дихроичный
кристалл, например кристалл турмали-
на, поглощающий одну составляющую и про-
пускающий другую (рис. 177, а). Однако крис-
поэтому интенсивность проходящего луча убыва-
ет и луч не строго поляризуется. На дихроизме основано действие
поляроида — поляроидной пленки, в слое которой располагается боль-
шое количество мелких одинаково ориентированных дихроичных кри-
сталликов (рис. 177, б).
Стопа — поляризатор, в котором используется поляризация света
при отражении. Лучи, отраженные от прозрачного диэлектрика
под некоторым углом 0Б (угол Брюстера, tg ©Б = и), полностью поля-
ризованы (рис. 177, в). Используется, однако, не отраженный луч, а
преломленный, который полярйзован не полностью. Поэтому опера-
цию разделения лучей по поляризации повторяют, ставя не одну
пластинку, а несколько.
Более совершенными поляризаторами являются поляризационные
призмы. Призма Николя вырезается из одноосного двоякопреломляю-
щего кристалла исландского шпата (рис. 177, г). Черточки означают
направление оптической оси. Призма наискось разрезается и снова
склеивается прозрачным клеем. На передней грани происходит деле-
ние луча на обыкновенный (колебания Е перпендикулярны оси) и
необыкновенный. Обыкновенный претерпевает полное внутреннее
отражение на границе с клеем и отводится в сторону, а необыкновен-
186
лый луч используется. На рисунке 177, д показано, как по форме
торцевой грани определить направление пропускаемых колебаний.
Более удобна призма Рошона (рис. 177, е), склеенная из двух
треугольных призм со взаимно перпендикулярным расположением
оптических осей. В первой призме лучи с вертикальными и гори-
зонтальными колебаниями совмещены, так как вдоль оптической
оси скорости обыкновенного и необыкновенного лучей одинаковы.
При входе во вторую призму скорость обыкновенного луча
(колебания Е перпендикулярны оси) остается той же и он не отк-
лоняется, а скорость необыкновенного луча увеличивается, поэто-
му для него угол преломления больше, чем угол падения, и этот
луч уходит в сторону.
§ 49. ЭКРАНЫ И РАССЕИВАТЕЛИ
Рассеиватель — элемент в виде матового или молочного стекла,
служит для наблюдения изображения в проходящих лучах. Он ха-
рактеризуется размером рассеивающих свет неоднородностей стекла.
От этого размера зависит диаграмма рассеивания (рис. 178, а).
Экран — непрозрачный рассеиватель, служащий для наблюдения
изображений в отраженном свете (рис. 178, б). Экран также характе-
ризуется диаграммой рассеивания. Он изготавливается путем нане-
сения белой краски на плоскую поверхность. При добавлении в
краску частиц алюминия или при применении в качестве экрана ма-
тового зеркала диаграмма рассеивания сужается, концентрируя рас-
сеиваемый свет в более узкий пучок. Это используется при изготовле-
нии экранов для слабо затемненных помещений (дневное кино). При
больших освещенностях помещений изображения можно наблюдать
только на просвет через матовый рассеиватель.
Растр — сложный экран или сложный рассеиватель, состоящий
из одинаковых и одинаково ориентированных неоднородностей опре-
деленной формы (призм, линз и т. д.). В качестве примера приведем
растры, на которых под разными углами вид-
ны разные изображения. Простейший растр
этого типа — «гармошка» из бумаги, на ле-
вые склоны ступенек которой нанесены де-
тали одного изображения, а на правые —
другого (рис. 179, а). Более сложный растр
применяется в растровой фотографии. Он
изготавливается путем нанесения на фоточу-
вствительный слой прозрачного слоя, наруж-
ную поверхность которого формируют в ви-
де ряда цилиндрических линз (рис. 179, б).
При фотографировании одно изображение
направляется на слой с растром под одним
Рис. 178. Рассеиватель
(а) и экран (6). Пункти-
ром обозначена диаграм-
ма рассеяния.
углом, а другое — под другим.
После проявления глаз М п глаз N уви-
дят разные изображения. Это, в частности,
используется для получения объемных (стере-
187
Рис. 179. Растры: а — простой призматический растр; б — растровая фотография
(/ — фотослой, 2 — растровый слой, т — деталь изображения для глаза М, п —де-
таль изображения для глаза Д').
оскопических) изображений или для изменения изображения при
изменении наклона растра.
§ 50. ИСТОЧНИКИ СВЕТА. НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ
Источник света—это устройство для преобразования электри-
ческой (или любой другой) энергии в электромагнитное излучение
частотой 10й—1015 Гц.
Задачей источника света может быть воздействие на глаз или дру-
гой чувствительный приемник, с тем чтобы передать какую-либо ин-
формацию (световая сигнализация, индикаторы, экраны, телевизор и
осциллограф, дисплей). В оптоэлектронике, интегральной оптике,
оптических вычислительных машинах с помощью света обрабатывается
информация. В измерительных приборах используется ценное ка-
чество света — прямолинейность распространения.
Источник света может сам быть объектом изучения (в астрономии,
в эмиссионном спектральном анализе), а может применяться для ис-
следования объектов по их способности отражать, поглощать, рас-
сеивать, поляризовать оптическое излучение (наблюдение несамо-
светящихся предметов глазом, фиксирование фотоаппаратом и т. д.).
Мощные источники применяются для изучения вещества путем воз-
действия на него яркого света (фотолюминесценция, вынужденное
комбинационное рассеяние, фотоэффект). Наиболее мощные из них
служат для передачи большой энергии другому объекту (линии энер-
гопередачи, обработка материалов, разрушение, получение управляе-
мой термоядерной реакции и т. д.).
Электромагнитные волны частотой 1014— 1015 Гц излучают элект-
роны в атомах при переходе из одного состояния в другое (с некото-
рого высокого квантового уровня на более низкий). Источники раз-
личаются друг от друга способом возбуждения электронов на верхние
уровни. По используемой энергии источники света делятся на есте-
ственные и искусственные, равновесные (тепловые) и неравновесные
(люминесцентные), электрические, химические, ядерные и т. д.
При каждом электронном переходе происходит монохроматическое
излучение определенной частоты, так что спектр должен был бы быть
всегда линейчатым. Но линии не являются бесконечно узкими. Чем
188
ближе друг к другу расположены излучаю-
щие атомы и чем выше температура, тем ши-
ре линии. Так, газоразрядные источники вы-
сокого давления дают спектр, состоящий из
широких линий, а нагретое твердое тело —
сплошной спектр. Исключение составля-
ют лазеры, дающие, как правило, одну очень
узкую линию.
В тепловых источниках света использует-
ся свечение нагретых твердых тел (волосок
электрической лампы) или твердых частиц
(пламя). Для абсолютно черного тела тем-
пература полностью определяет спектр, об-
щую энергетическую светимость R3 и длину
волны, на которую приходится максимум из-
лучения lfflax:
R3 = оГ; Xmax = ЫТ (71)
(законы теплового излучения). Нечерпое (се-
рое, цветное) тело, согласно закону Кирхго-
фа, излучает меньше, чем черное (рис. 180).
Рис. 180. Спектры излу-
чения: а — черного тела
при некоторой темпера-
туре Tf, б — то же, но
при Т2 = 2Т}; в — серо-
го тела; г — линейчатый
спектр.
Если по первой изформул (71) для такого источника найти темпе-
ратуру Т (постоянная Стефана — Больцмана о = 5,67 . 10~8Вт/(м2-К4),
то получится заниженное значение, так называемая радиацион-
ная температура 7Р < Т. Если же температуру Т определить по
второй из формул (71), зная b = 2,9 • 10-3 м • К, то получится цве-
товая температура Ttl, которая может быть как больше, так и меньше
температуры Т.
Люминесцентные неравновесные источники света весьма разно-
образны и решительно вытесняют тепловые. По способу возбуждения
свечения они делятся на электролюминесцентные (индикаторные
панели), фотолюминесцентные (флюоресцирующие и фосфоресцирую-
щие краски), катодолюминесцентные (экраны осциллографов, телеви-
зоров), химические (хемилюминесцентные), ядерные (радиоактивные
светящиеся краски) и т. д.
Из всех физических приборов источники света наиболее разно-
образны по параметрам. Перечислим самые важные из них.
1. Размер и форма (точечный, пространный).
2. Излучаемая энергия. Следует отличать излучаемую
энергию от той энергии, которую глаз человека способен восприни-
мать как свет. Если общая, излучаемая в единицу времени энергия
Фэ , то световой поток Ф — Фэ V, где V — функция видности. Излу-
чаемая энергия зависит от длины волны, поэтому следует писать:
Ф. = Ф, .V..
Л Э» Л Л
(72)
Если Фэд измерять в ваттах (Вт), а Ф>. — в люменах (лм), то функ-
ция видности Их для X = 555 нм равна 650 лм/Вт и в обе стороны от
этой длины волны быстро убывает. Для X < 0,4 мкм (ультрафиолето-
189
Рис. 181. К направлен-
ности излучения источ-
ника света.
вый свет) и X > 0,8 мкм (инфракрасный)
функция видности Ух. = 0. Но это не значит,
что такое излучение в оптике не использует-
ся. Сейчас все чаще для описания источни-
ков света применяют энергетические (Фэ, Вт),
а не фотометрические (Ф, лм) величины и еди-
ницы.
Энергетическим КПД г]э называется от-
ношение потока энергии в нужном ин-
тервале длин волн АХ ко всей потребляемой
мощности Р. Световой отдачей т| называется
отношение светового потока Ф ко всей
мощности:
Ф, Ф
(73)
Так, для инфракрасного лазера значение т] = 0, но величина цэ
должна быть достаточно большой. Светоотдача ламп накаливания не
превышает 10 лм/Вт (галогенных — до 25), люминесцентных ламп
дневного света — до 75, газоразрядных ламп высокого давления —
до 100 лм/Вт.
Источник света характеризуется также направленностью, свети-
мостью и яркостью.
Направленность (расходимость пучка). Лампа накали-
вания испускает свет во все стороны почти одинаково, а прожектор —
в узком телесном угле. Направленность характеризуется силой ис-
точника света в данном направлении: / = ДФ/AQ, /э = ДФЭ/ДИ,
где Q — телесный угол, а АФ — световой ноток внутри этого угла
(рис. 181). Сила источника света, таким образом, увеличивается при
уменьшении расходимости пучка. Она может быть увеличена с по-
мощью зеркал, линз. Для параллельного пучка AQ = 0 и /->-оо.
Для симметричного источника света, дающего одинаковый свет в пре-
делах полного телесного угла (4л), имеет место соотношение Ф = 4л/,
но в этом случае нет необходимости во введении понятия «сила ис-
точника света».
Силу источника света / измеряют в канделах (кд): 1 кд = 1 лм/ср.
Для пространных источников важно, какая энергия излучается
с единицы площади поверхности. Светимость поверхности
(поверхностная плотность потока): R = ДФ/As (лм/м2), R3 =
= ДФЭ/Д5 (Вт/м2). Для точечного источника светимость R -> оо и
смысла не имеет.
Яркость поверхности — сила света с единичной пло-
щади поверхности пространного источника, перпендикулярной дан-
„ д/ АФ „ D
ному направлению: В — — = --------. Яркость В измеряется в
As AilAs
канделах на кв. метр (кд/.м2). Яркость Солнца 109 кд/м2, ртутной лам-
пы высокого давления — 109 кд/м2, поверхности вольфрамовой нити
накала — 108 кд/м2, люминесцентной лампы—104 кд/м2, ясного
неба — 103 кд/м2. .
190
3. Важной характеристикой источника является спектраль-
ный состав даваемого им света. Пусть г\ — спектральная плот-
ность энергетической светимости, т. е. мощность, излучаемая с едини-
цы площади источника в единичном интервале длин волн:
оо
= <74)
ХАЛ v
о
График t\ ~ г (X,) называется спектром излучения (рис. 180).
Источники могут давать как сплошной, так и линейчатый спектры.
Важным спектральным параметром источника является цветовая тем-
пература (см. выше).
4. Состояние поляризации. ,
5. Когерентность излучения (пространственная и
временная) (см. лазеры).
6. Режим работы (непрерывный, пульсирующий, импульс-
ный и т. д.).
7. Технико-эксплуатационные характеристики:
сложность схемы питания, срок службы, габариты, масса, стоимость
и т. д.
§ 51. ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Лампа накаливания—наиболее простой и поэтому наиболее распро-
страненный источник света. По остальным параметрам она существен-
но уступает другим источникам. Вольфрамовая нить лампы накалена
до 2500—2700 °C. Согласно законам теплового излучения, она излу-
чает энергию в основном в инфракрасной области, т. е. дает малую
светоотдачу (т| равно 10—15%). Повышение температуры (даже не-
значительное) существенно повысило бы значение(см. 71) и р. Хотя
вольфрам плавится при температуре 3387 °C, но уже при 2700° он
испаряется, осаждаясь на внутренней стенке баллона. Для подавле-
ния этого процесса баллон заполняют газом.
Последнее время получили распространение галогенные, в част-
ности иодные, лампы, в которых баллон заполнен парами иода. Иод
способен соединяться с вольфрамом при низкой температуре, обра-
зуя иодид вольфрама (WI2). Это вещество при соприкосновении с
раскаленной нитью разлагается на вольфрам и иод:
WI24w + 2I.
Это обеспечивает возврат вольфрама на нить и повышает температуру
нити.
Световая отдача обычных газополных ламп — 10 лм/Вт, ламп с
иодным циклом — до 30 лм/Вт при сроке службы 2000 ч. Яркость
ламп накаливания равна (1 — 30) • 106 кд/м2 и зависит от температу-
ры нити. Мощные лампы имеют большую площадь излучающей по-
верхности и поэтому дают больше света, но яркость у них та же, что
и у миниатюрных. Толщина и длина нити зависят от того, каким долж-
но быть сопротивление лампы, а оно, в свою очередь, определяется
191
Рис. 182. Вольт-ампер-
ные характеристики раз-
ных источников света:
напряжением питания лампы и мощностью,
на которую она рассчитывается. Длинную
нить в виде спирали или двойной спирали
располагают так, чтобы заполнить квадрат,
прямоугольник и т. д. (проекционные лампы).
Вольт-амперная характеристика лампы
нелинейна из-за зависимости сопротивления
нити от температуры (рис. 182, а). Мощ-
ность поэтому зависит от интенсивности ох-
лаждения. Лампы накаливания делают в
большом диапазоне мощностей — от долей
а — лампы накалива-
ния; б — газоразрядной
лампы; в — то же, но с
балластным сопротивле-
нием.
ватт до’ нескольких киловатт.
Спектральный состав света ламп накалива-
ния сильно отличается от солнечного (цвето-
вая температура — 2000—3000°С вместо 6000°).
Это ведет к искажению цветов освещаемых
предметов, неправильной цветопередаче при цветном фотографирова-
нии. Цветовую температуру можно повысить, закрыв лампу голубова-.
тым светофильтром (фильтр дневного света). Общее излучение при
этом ослабится (срежется красная и инфракрасная часть спектра), но
максимум излучения сместится в область более коротких длин волн.
Лампа накаливания дает некогерентный, неполяризованный свет, она
инерционна и может работать только в постоянном режиме или
при сравнительно малой частоте модуляции. На переменном- токе
50 Гц в моменты, когда сила тока близка к нулю, нить не успевает
охлаждаться и наблюдается лишь слабая пульсация излучения.
Несмотря на недостатки, лампа накаливания пока незаменима
в переносных приборах, на транспорте и во многих других случаях.
§ 52. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
В газоразрядных источниках света возбуждение электронов в ато-
мах происходит за счет соударения ускоренных электрическим полем
свободных электронов с атомами. Подбирая состав и давление газа,
питающее напряжение, можно получить гораздо более высокую свето-
отдачу, чем в лампах накаливания, нужный спектр излучения, боль-
ший срок службы. Газоразрядные источники малоинерционны, мо-
гут использоваться как импульсные, высокочастотные, стробоскопи-
ческие.
Газовый разряд зажигается лишь при достижении некоторого на-
пряжения, называемого потенциалом зажигания U3 (рис. 182). Ос-
новной особенностью схемы питания газоразрядных источников яв-
ляется необходимость включения последовательно с ними балласт-
ного реостата. Без него газоразрядный промежуток имеет «падаю-
щую» вольт-амперную характеристику (рис. 182, б), т. е. сила тока
нарастает катастрофически без увеличения напряжения. Для ограни-
чения переменного тока часто используют дроссель. Вольт-амперная
характеристика становится такой, как показано на рисунке 182, е.
Для получения монохроматического излучения и для рекламного
192
освещения применяют газосветные
трубки низкого давления. Цвет
свечения зависит от состава газа:
неон — красный, аргон с парами
ртути — голубой и т. д, У этих
трубок потенциал зажигания велик,
и для питания необходимо высокое
напряжение (10 и более кВ), полу-
чаемое от высоковольтных, но
обычно маломощных трансформа-
торов. Для получения монохрома-
тического света используют ртут-
ные лампы с фильтрами.
Рис. 183. Схема включения бытовой
лампы дневного света: Л — лампа,
С — стартер, Д — дроссель.
Газосветные трубки практически безынерционны, при питании
переменным током дают прерывистое освещение. При наблюдении в
таком свете периодических движений с периодом, близким к периоду
освещения, получается стробоскопический эффект (кажущееся за-
медление движения).
Газоразрядные фотолюминесцентные лампы (распространенное на-
звание — лампы дневного света) широко применяются для освещения.
В этих источниках для получения нужного спектрального состава
излучения используется люминофор — флюоресцирующая краска,
наносимая на внутреннюю поверхность баллона (рис. 183). Баллон
наполняется газом, дающим при разряде много ультрафиолетового
света, который люминофор преобразует в видимый. Существуют лам-
пы дневного света (цветовая температура 6500 К), тепло-белого цвета
(Тц — 2700 К) и лампы других оттенков.
Для снижения потенциала зажигания U3 и обеспечения возмож-
ности включения в сеть напряжением U = 220 В электроды лампы
делают разогреваемыми и включают лампу по схеме, изображенной
на рисунке 183. Вспомогательный прибор — стартер С, заполненный
неоном, имеет потенциал зажигания ниже напряжения сети, так что
вначале ток возникает в стартере. Один из электродов стартера сделан
из биметаллической пластинки. При разогревании она разгибается и
замыкает контакты. Ток в стартере (и нити накала электродов ос-
новной лампы) резко возрастает, электроды основной лампы разогре-
ваются, а сам стартер остывает (так как уменьшилось его сопротивле-
ние). Когда от охлаждения контакты стартера вновь размыкаются,
горячие электроды основной лампы уже эмигрируют электроны,
ток, минуя стартер, возникает в лампе Л. Зажиганию разряда со-
действует значительная ЭДС самоиндукции, возникающая в дрос-
селе Д при размыкании цепи стартером.
Лампа заполняется обычно аргоном (300—400 Па), и в нее вводится
капля ртути. При разряде она испаряется, пары способствуют уменьше-
нию сопротивления лампы и, следовательно, увеличению ее мощности.
Люминесцентные лампы в эксплуатации в несколько раз эконо-
мичнее ламп накаливания, но обладают и рядом недостатков: слож-
ность схемы включения, пульсация светового потока, невозможность
запуска на сильном морозе и т. д.
7 Заказ 771
193
4
а 5
Рис. 184. Газоразрядные
лампы высокого (а) и
сверхвысокого давления
(б): А, В — основные
электроды, С — элект-
род поджига.
Дуга — газоразрядный источник света,
Однако излучение исходит не только от воз-
бужденной плазмы, но и от раскаленных элект-
родов. Дуговой разряд — особый вид газово-
го разряда, происходящий при давлениях,
близких к атмосферному и более высоких.
Отличительной особенностью его является
сравнительно небольшое напряжение питания
(30—60 В). Высокая концентрация носителей
в газе обеспечивается не ударной ионизаци-
ей, а эмиссией электронов из катода, тем-
пература которого должна быть высокой.
При запуске дуги электроды сводят до ка-
сания. В месте касания из-за плохого кон-
такта электроды разогреваются. Затем элект-
роды разводят, и между ними зажигается
разряд. Балластное сопротивление должно
быть таким, чтобы при касании электродов
сила тока была не более допустимой для ис-
пользуемого источника тока, но не менее 4 А.
Например, при напряжении питания 220 В и
допустимой силе тока 5 А необходим реостат
50 Ом, 5 А. После разведения электродов
сопротивление реостата может быть уменьше-
но. По мере обгорания углей их надо сбли-
жать вручную или часовым механизмом.
При испарении материала электродов об-
разуются вредные газы, поэтому необходима вентиляция.
Электрическая дуга используется и в закрытых баллонах — газо-
светных лампах высокого и сверхвысокого давления. Это наиболее
мощные и наиболее яркие из распространенных современных источ-
ников, за исключением лазеров. В небольшой баллон вводится за-
метное количество металла (обычно ртути), который, испаряясь при
разогреве, создает повышенное давление (до 1,5 МПа). Естественно,
баллоны таких ламп должны быть рассчитаны на это давление. Иног-
да колбы делаются двойными и на внешнюю стенку изнутри' наносит-
ся люминофор. Лампы взрывоопасны и поэтому в нерабочем состоянии
должны быть всегда в футляре. Цепь включения содержит балласт-
ное сопротивление (дроссель в цепях переменного тока) и систему
поджига. Внешний вид ламп высокого ш сверхвысокого давления
изображен на рисунке 184. Такие лампы разгораются медленно — до
8 мин. Повторно можно включить лампу только после полного охлаж-
дения. Кроме ртутных, лампы высокого и сверхвысокого давления де-
лают натриевыми и ксеноновыми. Ртутные лампы используются в
лабораториях как источники монохроматического, в частности,
ультрафиолетового света (X, = 365, 405, 436, 546 и 577 нм). Натриевая
лампа высокого давления дает яркий, почти исключительно один
желтый свет (X = 589 нм) и поэтому обладает большой светоотдачей
(100 лм/Вт). Применяется для освещения дорог. Ксеноновые лампы
194
1Л
Рис. 185. Схема включе-
ния импульсной лампы
(П — электрод поджига).
являются лучшими источниками света для
проекции на большие экраны. Цвет ксе-
ноновой лампы' сверхвысокого давления бли-
зок к белому, а яркость достигает яркости
поверхности солнца (109 кд/м2). Сила света
может быть доведена до 10’ кд.
Если создать в лампе очень большую
силу тока в течение короткого промежутка
времени, то можно достичь очень больших
мощностей. Это дает возможность создать
импульсные лампы. Импульсная лампа (лам-
па-вспышка), заполняемая криптоном или
ксеноном, дает свет, близкий к естественному белому, и потому мо-
жет использоваться в фотографии, в том числе цветной. Схема
включения такой лампы дана на рисунке 185. Конденсатор боль-
шой емкости (сотни микрофарад) заряжается через выпрямитель.
Для того чтобы заряд протек через лампу, необходимо на корот-
кое время подать на внешний электрод (вне баллона) высокое
напряжение (поджиг). Это вызывает ионизацию газа, необходимую
для развития разряда. Импульсные" лампы, в частности, исполь-
зуются в импульсных лазерах для накачки.
§ 53. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Твердые электролюминесцентные слои являются источниками све-
та малой яркости, но большой площади и используются для создания
светящихся панелей, указателей. Слои сульфида цинка ZnS, селенида
цинка ZnSe, активированные разными примесями (от этого зависит
цвет свечения), наносятся на металлическую подложку. Сверху на-
носится слой прозрачного полупроводника, который служит вторым
электродом.
Светодиод — полупроводниковый диод ср — «-переходом (не пу-
тать с фотодиодом). Свечение возникает при токе в пропускном на-
правлении (на рис. 186, а — в — слева направо). Электроны из «-об-
ласти инжектируются в p-область, где рекомбинируют с дырками.
При этом излучается квант света hv, равный по величине ширине за-
прещенной зоны Eg. Фосфористый галлий GaP дает зеленое, желто-
зеленое или красное свечение, мышьяковистый галлий GaAs — ин-
фракрасное.
Яркость светодиода невелика (—102 кд/м2), но она больше яркости
электролюминесцентных слоев. Светодиоды дают не монохроматиче-
ский свет, но полоса излучения сравнительно узкая — 30—100 нм.
Свечение легко модулируется изменением напряжения питания (по-
стоянная времени —10~8 с). Оии очень экономичны, малы по разме-
рам и поэтому используются как индикаторы в переносных устройст-
7*
195
Рис. 186. Механизм излучения света
светодиодом (а, б, в) и светодиодом
на гетеропереходе (г, д, е); б, д —
без внешнего поля; в, е — при подаче
внешнего поля в пропускном направ-
лении.
вах (микрокалькуляторы, наруч-
ные электронные часы). Светодиод—
составная часть оптрона — одного
из элементов оптроники. Он не-
заменим в интегральной оптике.
Одним из недостатков светодио-
да является поглощение излучае-
мого им света в нем самом. Как
раз в области hv ~ Eg полупро-
водник становится непрозрачным.
От этого недостатка свободны
наиболее перспективные сейчас
светодиоды — светодиоды на гете-
ропереходах. В них осуществля-
ется р — «-переход между двумя
полупроводниками, но эти матери-
алы различаются не только типом
носителей, но и шириной запрещен-
ной зоны /^.(рис. 186, г—е). Фотоны,
родившиеся в узкозонной части (ба-
за), свободно выходят через широ-
козонную часть (эмиттер), посколь-
ку hv меньше Eg эмиттера.
§ 54. ЛАЗЕРЫ
Лазер является принципиально новым источником света, дающим
излучение в очень узком спектральном интервале (высокая степень
монохроматичности, огромная спектральная плотность). Кроме того,
луч лазера обладает очень малой расходимостью (до 10~9 стерадиан),
а следовательно, лазер имеет огромную силу света и яркость (см.
§ 50) даже при небольшой мощности. Важным свойством лазерного
излучения является огромная по сравнению с другими источниками
временная и пространственная когерентность, что необходимо для
получения интерференции, в частности для голографии.
В основе принципа действия лазера лежат три физических явле-
ния: инверсия населенности, вынужденное излучение и положитель-
ная обратная связь. На рисунке 187, а изображено несколько раз-
решенных уровней энергии Еп в веществе. Уровни обозначены от-
резками, длина которых пропорциональна Nn — числу электронов,
имеющих данную энергию (заселяющих данный уровень). В равно-
весии (в отсутствии вырождения) заселение происходит в соответствии
N — Е‘~~Е'
с формулой Больцмана: = е kT , из которой следует, что
чем выше уровень, тем меньше на нем частиц. Эта разница при повы-
шении температуры уменьшается (рис. 187, б). Ситуация, когда
А\ > N-i (рис. 187, в), называется инверсией. Это неравновесное со-
стояние. Если бы к нему была применима формула Больцмана, то
из нее получилось бы, что Т < 0 К. Поэтому говорят, что такое со-
стояние соответствует «отрицательной абсолютной температуре».
196
Рис. 187. Населенность разрешенных уровней энергии в рабочем веществе лазера;
а — при низкой температуре; б — при более высокой; в — инверсия населенности;
г — получение инверсии в трехуровневом лазере.
Создать такую ситуацию можно ис-
кусственно, подводя энергию к
рабочему веществу. Это называется
накачкой. В газовом лазере накач-
ка производится за счет передачи
плазме энергии ускоренных элект-
рическим полем электронов, в хи-
мическом — за счет химических
процессов, в твердотельном — за
счет поглощения света и т. д. В
последнем случае выгодно иметь
третий, более высокий уровень Ея,
время жизни электронов на ко-
тором невелико (уровень «широ-
кий», рис. 187, г).
Вынужденным излучением, в
отличие от самопроизвольного
(спонтанного) излучения,называет-
ся излучение hv — Ег — Е1г ко-
торое возникает при переходе
электронов с верхнего уровня на
нижний под действием падающей
электромагнитной волны такой же
частоты v (рис. 188). Слово «лазер»
составлено из начальных букв анг-
лийской фразы «Light Amplifica-
tion by Stimulated Emission of Ra-
diation», что означает: «усиление
света в результате вынужденного
излучения». При прохождении све-
та через среду, в которой создана
инверсия населенности, свет не ос-
лабляется, а усиливается(рис. 188,
в). Очень важно, что при вынуж-
а В В
Рис. 188. Спонтанное испускание света
(а), вынужденное поглощение (б)
и вынужденное испускание (в).
S
Рис. 189. Работа лазера: а — роль об-
ратной связи; б — оптическая на-
качка; в — накачка пропусканием то-
ка через рабочее вещество (/ — рабо-
чее вещество, 2 — зеркало, 3 — полу-
прозрачное зеркало, 4 — лампа опти-
ческой накачки, 5 — электроды для
получения газового разряда).
197
денном излучении возникающие новые фотоны согласованы с падакй
щими по фазе (когерентны).
Для генерации лазерного излучения необходима положительная^
обратная связь, т. е. чтобы случайно или по какой-либо внешней при-»
чине родившиеся в рабочем веществе фотоны были направлены снова$
в это вещество для создания вынужденного излучения, которое, в|
свою очередь, направляется снова в вещество, и т. д. Это обеспечив
вается зеркалами (рис. 189, а). Зеркала образуют интерферометр}
Фабри—Перо или оптический резонатор в том случае, если 2hn =
где Л — расстояние между зеркалами, п — показатель преломления, )
k — целое число. Эго соответствует установлению целого числа стоя-;
чих волн на промежутке h (резонатор). При большом значении h
условия резонанса выполняются только для строго определенной
длины волны X (см. § 64 «Интерференционные приборы»). Поэтому/
вышедшее из резонатора излучение (для этого одно из зеркал делает-'
ся полупрозрачным) будет в высокой степени монохррматичным. В свя-
зи с этим лазер дает очень большую спектральную плотность излуче-
ния гк.
Свет лазера .обычно поляризован. Лазеры могут быть газовыми ;
(используется плазма газового разряда), твердотельными и жидкост-
ными. Из газовых лазеров наиболее распространены гелий-неоновые,
аргоновые и мощные лазеры на СО2. Из твердотельных — рубиновый
и неодимовый. В таблице 6 приведены разновидности лазеров в по- •
рядке убывания длины волны излучения.
На рисунке 189, б дана схема лазера с.оптической накачкой от
лампы накачки, чаще всего импульсной. На рисунке 189, в — схема
газового лазера с возбуждением газа за счет разряда.
Лазер подбирают по необходимой длине волны, по режиму работы
(непрерывный или импульсный), по мощности (для непрерывного
режима) или по энергии в импульсе, по частоте следования импуль-
сов, а также по габаритам и массе, по сроку службы и т. д. Мощность
лазеров непрерывного действия обычно невелика, несколько милли-
ватт (мВт) или десятков милливатт. Мощность импульсного лазера
достигает 100—1000 мегаватт (МВт), поскольку накопленная энергия
(10а — 108 Дж и более) излучается за очень короткое время.
Лазеры применяются в соответствии с особенностями своего излу-
чения. Малая расходимость (почти параллельный узкий пучок)
используется для обозначения прямой линии в геометрических изме-
рениях на местности (геодезия), в строительстве, в горном деле. Кро-
ме того, малая расходимость означает малые потери энергии при пере-
даче ее на большие расстояния. Это качество используется не только
для передачи больших, но и малых энергий для сигнализации, пере-
дачи информации на большие расстояния (лазерная связь). Малая
расходимость пучка лазера дает возможность сфокусировать энергию
в пятно малых размеров с помощью линзы. Минимальный диаметр
получающегося пятна равен d = QF, где © — расходимость пучка
в радианах, a F — фокусное расстояние линзы. Если лазер импульс-
ный, т. е. выдает энергию 117 в течение короткого промежутка времени
А/, то получается большая интенсивность излучения (энергия в еди-
198
Таблица 6
Наиболее распространенные лазеры
Область спектра Длина волны излучения, нм Рабочее вещество лазера
Инфракрасная Красная Зеленая » Голубая » Синяя Ультрафиолетовая » 10 600 1060 694,3 632,8 532 514,5 488 476,5 443 354 347 337 266 Газ СОа Кристалл алюмоиттриевого граната с при- месью Nd (АИГ : Nd), стекло с примесью неодима Кристалл рубина (А12О3 : Сг) Газ He-Ne (гелий-неоновый лазер) АИГ : Nd с преобразователем, 2-я гармо- ника . Газ Аг (аргоновый лазер) » » Газ He-Cd (гелий-кадмиевый лазер) АИГ : Nd с преобразователем, 3-я гармоника Рубиновый лазер с преобразователем, 2-я гармоника Газ N2 (азотный лазер) АИГ : Nd с преобразователем, 4-я гармо- ника
ницу времени на единицу площади): 7 = W7(AZd2) = и^/(А7 62F2).
Даже при небольшой энергии на одну вспышку под действием такой
интенсивности вещество испаряется (оптический пробой). Это исполь-
зуется в лазерной сварке, микрохирургии и т. д.
Высокая монохроматичность необходима в физических исследова-
ниях (комбинационное рассеяние), а большая пространственная и
временная когерентность — в интерферометрии (см. интерферомет-
ры) и в голографии (см. голографическая установка).
Весьма ценны лазеры с перестраиваемой частотой. Для плавного
изменения частоты необходимо, чтобы один из уровней, между кото-
рыми происходит переход, был широким, состоящим из большого
числа подуровней. В качестве рабочего вещества используется жид-
кость — раствор люминесцирующего красителя. Нужный в данный
момент переход (1 генерации) выбирается резонансным условием ин-
терферометра Фабри — Перо 2hn—kX, в котором плавно меняется
либо й (движением зеркала), либо п (изменением давления, темпера-
туры). Для того чтобы не возникали резонансы на других А, зеркала
делают селективными (избирательными, отражающими в прямо про-
тивоположном направлении только свет определенной длины волны,
см. § 65 — отражательная профильная дифракционная решетка).
Для перестройки на другую длину волны это зеркало надо не только
отодвигать для изменения Л, но и поворачивать на некоторый угол
для изменения селективно отражаемой длины волны А.
Полупроводниковые инжекционные лазеры, как и светодиоды,
представляют собой полупроводниковые диоды с р—«-переходом,
но добавляется, как и во всех лазерах, обратная связь — зеркала,
образующие резонатор. Роль таких зеркал выполняют обычно поли-
199
рованные грани самого кристалла. Это ведет к сужению излучаемой
линии и когерентности испускаемого света. Инверсия населенности,
как и в светодиоде, создается за счет инжекции неосновных носите-
лей при включении диода в пропускном направлении (рис. 186).
Преимущества полупроводниковых лазеров: малые размеры, низ-
ковольтное, предельно простое питание, жесткость конструкции, вы-
сокий КПД (до 50—80%), а также безынерционность, допускающая
модуляцию до 1010 Гц. Недостатки: сравнительно малая монохрома-
тичность и когерентность, повышенная расходимость пучка. Мощ-
ность непрерывного излучения легко доводится (при охлаждении) до
десятков ватт. Сейчас существуют лазеры на длины волн от 0,3 до
30 мкм. Наиболее распространенные материалы — арсенид галлия
GaAs (1 = 0,85 — 0,91 мкм) и другие соединения типа AIHBV . Наи-
более перспективны гетеролазеры (см. светодиод на гетеропереходе).
Источники светового изображения позволяют управлять яркостью
различных участков поверхности, создавая тем самым возможность
передачи информации не только модуляцией яркости света по време-
ни, но и распределением этой яркости на некоторой поверхности ху.
Это светящиеся экраны, табло, транспаранты, экраны телевизоров,
дисплеи и т. д.
§ 55. ПРИЕМНИКИ СВЕТА. ПАРАМЕТРЫ
Приемники света могут служить различным целям. Чаще всего —
это прием информации, фиксирование световых сигналов. Но широко
распространены приемники, использующие свет как источник энер-
гии (преобразователи световой энергии в электрическую, например
солнечные батареи).
Приемники делятся на селективные, т. е. избирательные (их чув-
ствительность зависит от длины волны или величины кванта hv), и
неселективьые, или всеволновые (чувствительные только к общей
падающей энергии независимо от длины волны). Последние называ-
ются еще тепловыми, так как падающая лучистая энергия прежде
всего преобразуется в теплоту, а затем уже измеряется температура
принимающего излучение тела (по его сопротивлению, по даваемой
им термоэлектродвижущей силе и т. д.). Такие приемники должны
иметь зачерненную поверхность, поглощающую практически все
излучение независимо от его спектрального состава.
Селективные приемники более чувствительны, чем всеволновые.
Некоторые их конструкции способны обеспечить теоретический пре-
дел чувствительности — фиксировать каждый падающий квант
(схемы счета фотонов). Тепловые приемники используются в тех слу-
чаях, когда важна их неселективность, например для градуировки
селективных приемников или на малых частотах, где селективные
приемники уже не работают (инфракрасный диапазон).
Действие селективных приемников основано на использовании
фотоэлектронных явлений — квантовые процессы переброса электро-
на из одного состояния в другое под действием энергии кванта hv.
hv = Ea — Ei. (75)
200
В приемниках, использующих внешний фотоэффект, измеряется чис-
ло выбитых светом электронов (фототок). При внутреннем фотоэф-
фекте электроны переходят под действием света в зону проводимости,
и в результате меняется сопротивление полупроводника или появ-
ляется фотоэлектродвижущая сила. В ряде приемников переход
электронов с некоторого уровня Е} на уровень Et приводит к изме-
нению химических свойств веществ под действием света (фотопленка,
сетчатка глаза).
Фотоприемники могут быть активными и пассивными.
Активные под действием света сами становятся источником тока, пас-
сивные требуют подвода энергии извне.
Для приема слабых сигналов требуется внешнее или внутреннее
усиление. Внешнее усиление — это сочетание приемника с обычным
электро- или радиотехническим усилителем сигналов. Внутреннее
усиление может быть как электрическим (вторичная электронная
эмиссия в фотоэлектронном умножителе, газовое усиление в счетчи-
ке Гейгера), так и химическим (проявление фотоматериалов). Усиле-
ние может быть линейным, когда полученный в результате усиления
ток, почернение и так далее пропорциональны первоначальному сиг-
налу, и нелинейным.
Часто применяется логарифмическое усиление —
получение результирующего сигнала, пропорционального не исход-
ному сигналу, а его логарифму:
(76)
Такую логарифмическую чувствительность имеют глаз, фотопленка,
некоторые ФЭУ (см. также логарифмические радиотехнические уси-
лители). При этом изменение исходного сигнала в п раз ведет к из-
менению результирующего сигнала на п единиц. Например, пусть
значение величины i изменилось в тысячу раз (Г = 103i). Указатель
прибора с логарифмической чувствительностью передвинется при
этом только на 3 деления (или на ЗЛ делений). Это позволяет одним
прибором без переключения шкал измерять широкий диапазон вели-
чин. Например, глаз видит и на ярком солнце и в сумерках, когда
величина освещенности различается на много порядков.
Приемник может быть измерителем уровня и дози-
метром. Большинство приемников реагирует на энергию, падаю-
щую на них в единицу времени (на освещенность Е, на мощность),
но существуют дозиметры, показывающие общую попавшую на них
энергию независимо от распределения во времени (экспозицию Q).
При неизменном во времени освещении это означает, что его показа-
ния пропорциональны произведению освещенности Е на время дей-
ствия т: Q = Ет. Так работает, например, фотопленка. Любой из-
меритель уровня может быть преобразован в дозиметр, если на выходе
поставить интегрирующее (накопительное) устройство. Наоборот,
дозиметром можно измерить уровень радиации, если освещать его
в течение определенного промежутка времени.
Кроме измерения световой энергии и регистрации его изменений
во времени, нужны приемники, регистрирующие распределение
901
падающей энергии В пространстве, например на принимающей по-
верхности. Это приемники изображения, или светочувствительные
транспаранты. Таковыми являются фотопленка, сетчатка глаза и т. д.
(см. § 58).
Параметры, по которым следует выбирать приемники света, —
I А \
это прежде всего чувствительность по току ----- или по накряже-
\.Вт/мма/
нию (—-—\ для преобразования энергии важен КПД.
(Вт/мм2/
Эти параметры еще называют интегральной чувствитель-
ностью, так как они рассчитываются на единицу всей падающей ра-
диации без учета ее распределения по длинам волн. Интегральной
чувствительностью характеризуют всеволновые приемники. Для
селективных приемников важной характеристикой является спект-
ральная чувствительность.
Наименьший сигнал, который может быть зарегистрирован при-
емником, называется порогом чувствительности (см. Введение).
Для согласования приемника со входом усилителя большое зна-
чение имеет выходное сопротивление приемника (см. гл. V, § 38).
При регистрации переменных световых потоков важным парамет-
ром приемника является время срабатывания (инерционность или
постоянная времени т).
§ 56. ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ
Болометр — прибор, в котором используется зависимость сопро-
тивления от температуры. Для металлов при обычных температурах
эта зависимость невелика: Д7?/7? = $Т ф ш 4 • 10-3 К"1)- Для полу-
проводников она сильнее: R — R(lew^kT.
Болометр — пассивный приемник, т. е. для измерения А/?, обу-
словленного освещением, нужен внешний источник тока. Обычно
используется мост (см. мост Уитстона)- Чтобы исключить влияние
температуры окружающей среды, из полупроводника изготавливают
два плеча (рис. 190), освещают же только одно, другое закрывают
заслонкой. Питают мост либо постоянным, либо переменным напря-
жением U- Выход моста подключается ко входу усилителя перемен-
ного тока (рис. 190). Постоянное напряжение используется только
в том случае, если падающий свет сам модулируется (прерывается)
с некоторой частотой. Так что и в этом случае применяется усилитель
переменного тока (обычно с синхронным детектором).
Если полупроводник зачернен, то приемник неселективен. По
чувствительности (103 В/Вт) он уступает другим приемникам. Порог
чувствительности — до 10-8 Вт, постоянная времени—около 1 мс.
Более чувствительны сверхпроводящие болометры. Если металл
или полупроводник термостатировать при температуре перехода
в сверхпроводящее состояние так, что при малейшем нагревании он
переходит в несверхпроводящее состояние, отношение Д7?/7? может
быть очень большим.
Термопара и термостолбик. Термопара используется для измере-
202
Рис. 190. Схема включения болометра
Рис. 191. Термостолбик.
ния температуры (см. § 17). Однако напряжение, вырабатываемое
ею, невелико (~40 мкВ/K), так что в приемниках света термопары сое-
диняют последовательно в батарею. Такой прибор носит название тер-
мостолбик (рис. 191). Свет направляют только на нечетные спаи, чет-
ные прикрывают заслонкой. Изменение температуры внешней среды
почти не дает ЭДС, так как при этом обе группы спаев нагреваются
одинаково. Элементы помещаются в вакуум для устранения тепловых
утечек. При этом, к сожалению, возрастает инерционность (т— 10~2 с).
Чувствительность столбика невелика — порядка 1 В/Вт. Как и бо-
лометр, термостолбик неселективен (если спаи зачернены) и исполь-
зуется для градуировки селективных приемников. Выходное сопро-
тивление термостолбика мало, и для согласования со входом усилите-
ля (при работе с переменным сигналом) используют трансформатор.
§ 57. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (вакуумный фотоэлемент,
ВФЭ) — наиболее распространенный приемник света, действие ко-
торого основано на использовании фотоэлектронной эмиссии — вы-
рывании электрона с поверхности твердого тела в вакуум под дейст-
вием кванта света энергией hv:
hv = A + m&ft., (77)
где А — работа выхода, ти2/2 — кинетическая энергия вылетевшего
электрона. Наименьшая энергия кванта, еще способного эмиттиро-
вать электрон (наименьшая частота падающего света, наибольшая
длина волны), называется красной границей фотоэффекта: /ivMBH = A.
Она является важным параметром для селективного приемника.
Обычная конструкция ВФЭ и схема включения даны на рисун-
ке 192. Слой металла с малой работой выхо-
да, нанесенный на часть внутренней поверх-
ности вакуумной колбы, является катодом К.
Роль анода играет кольцо А внутри колбы.
Цезиевый катод применяется для све-
та с длиной волны до X = 0,64 мкм, сурь-
мяно-цезиевый — до 0,7 мкм, кислородно-це-
зиевый — до 1,5 мкм. Чувствительность ВФЭ
в рабочей области длин волн порядка 10"1 —
— 10~3 А/Вт (10 4 А/лм в видимой области).
203
Рис. 193. Фотоэлектронные умножители: а — с динодами; б — каналовый.
Перспективны катоды с отрицательным электронным сродством (10-3
А/лм) — полупроводниковые катоды, в которых энергия электрона,
возбужденного светом в зону проводимости, всегда выше, чем энер-
гия электрона в вакууме, что облегчает эмиссию. ВФЭ обладает ма-
лой инерционностью. Постоянная времени определяется лишь вре-
менем пролета электрона через колбу (10~9 с). Поэтому ВФЭ приме-
няют для регистрации быстропеременных сигналов.
В газонаполненных фотоэлементах (ГФЭ) используется газовое
усиление — электрон, разгоняясь в сильном поле, производит удар-
ную ионизацию газа (см. счетчик Гейгера}. Это увеличивает силу то-
ка, но и увеличивает инерционность.
В фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) для усиления сигнала ис-
пользуется явление вторичной электронной эмиссии — вырывание
сразу нескольких электронов с поверхности твердого тела при паде-
нии на нее одного ускоренного первичного электрона. Схема ФЭУ
дана на рисунке 193, а. К — фотокатод. Под действием света (hv)
он испускает электроны. Д1, Д2, Д3... — диноды (обычно от 1 до 6).
На динодах происходит вторичная эмиссия. Для подачи на каждый
следующий динод повышенного потенциала по сравнению с преды-
дущим используется делитель из резисторов г2, г3, ..., на который
подается высокое напряжение (до нескольких киловольт). Усилен-
ный сигнал снимается с последнего резистора г, включенного парал-
лельно промежутку последний динод — анод А. В отсутствие потока
электронов анод А имеет потенциал последнего динода. Поток элек-
тронов, выбитых из этого динода, понижает потенциал анода А, и на
резисторе г возникает разность потенциалов. Поскольку увеличение
204
числа электронов на каждом диноде (коэффи-
циент вторичной эмиссии) достигает 10, то
чувствительность ФЭУ к свету очень вели-
ка — до 10s А/лм. ФЭУ способен считать
каждый квант света hv по одному (счет фо-
тонов).
Порог чувствительности ФЭУ ограничен
шумами — возникновением ложных импуль-
сов, не связанных с попавшим на катод К
светом (темновой ток).
В последнее время появились каналовые
умножители, в которых диноды и делитель
совмещены. Для этого используется полая
трубка (канал) из высокоомного полупровод-
ника (рис. 193, б).
Действие фоторезистора (ФР, устаревший
термин фотосопротивление, ФС) основано на
внутреннем фотоэффекте, т. е. уменьшении
сопротивления полупроводника при освеще-
нии. Уменьшение сопротивления происходит
за счет увеличения концентрации носителей
Рис. 194. Энергетическая
диаграмма фоторезистора
(а) и схема включения
(б).
в зоне проводимости, куда электроны перебрасываются светом из
низко расположенных состояний. На рисунке 194, а показан размер
кванта, необходимого для внешнего фотоэффекта, /ivx и для внутрен-
него — hv2 и hv3 (в зависимости от того, используется ли переход
зона — зона или примесный уровень — зона проводимости). Естест-
венно, для перевода электрона в зону проводимости нужна меньшая
энергия, чем для вырывания его в вакуум. Поэтому красная граница
для фоторезистора соответствует меньшей частоте, чем для фотоэле-
мента с внешним фотоэффектом. Фоторезистор может быть чувст-
вительным к красному и даже инфракрасному свету (до X = 1—8 мкм).
ФР — пассивный приемник. В схеме необходим источник тока.
Напряжение питания следует определить по паспорту прибора. От-
ношение сопротивления освещенного ФР к темновому сопротивлению
может достигать 1000. Чувствительность достигает 1 А/лм, что на
четыре порядка выше чувствительности вакуумного фотоэлемента.
Это позволяет иногда использовать ФР в схеме без усиления. На ри-
сунке 194, б дана схема фотореле.
В качестве фоточувствительного полупроводника используются
соединения: CdS, CdSe, PbS, РЬТе (для инфракрасной области), Bi2S2,
InSb и др. К недостаткам ФР относятся сравнительно большая инер-
ционность (т = 10-1— 10-2 с), отсутствие пропорциональности меж-
ду фототоком и освещенностью, нестабильность, зависимость свойств
от температуры.
Вентильный фотоэлемент, или фотодиод* — активный приемник,
* Фотодиод отличается от вентильного фотоэлемента тем, что он изготавли-
вается на основе монокристалла, в то время как вентильный фотоэлемент — на ос-
нове аморфного полупроводника.
205
а
Рис. 195. Вентильный
фотоэлемент (а), его
энергетическая схема (б)
и обозначение иа схе-
мах- (в).
не требующий питания. Он вырабатывает
ЭДС, пропорциональную освещенности. В нем
используется явление фотовольтаического
эффекта на р — «-переходе (см. диод полу-
проводниковый), явление, обратное тому, ко-
торое используется в светодиоде. В р-обла-
сти (рис. 195, а) носители есть только в ва-
лентной зоне — дырки, а в «-области — толь-
ко электроны в зоне проводимости. Это —
основные носители. На переходе зоны
изогнуты так, что электроны не переходят в
p-область, а дырки — в «-область (рис. 195, б).
При освещении происходят вертикальные пе-
реходы электронов вверх и возникают не-
основные носители, например электроны в
p-области. Такой неосновной носитель сме-
щается в «-область (неосновная дырка — в
p-область). Это ведет к появлению ЭДС, а
если включить элемент в замкнутую цепь, —
к появлению тока. ЭДС нарастает до тех
пор, пока она пе выровняет значения потен-
циальной энергии электронов слева и справа
от перехода, т. е. до величины, соответст-
вующей ширине запрещенной зоны. Поэтому ЭДС в вольтах не пре-
вышает ширины запрещенной зоны в электрон-вольтах.
Широко распространены селеновые фотоэлементы, кремниевые и
другие фотодиоды. Большим достоинством селеновых фотоэлементов
является то обстоятельство, что их спектральная чувствительность
близка к спектральной чувствительности глаза человека и сенсиби-
лизированных фотоматериалов. Поэтому их используют в люксметрах
и в фотоэлектрических экспонометрах. Селеновые фотоэлементы
обладают высокой чувствительностью, но инерционны (т — 10"2 с).
С температурой значение ЭДС слегка падает (до 10% на 1°). Элементы
не меняют своих свойств в течение многих лет.
Германиевые и кремниевые фотодиоды менее инерционны
(т — 10-Б с) и обладают меньшим внутренним сопротивлением. Крем-
ниевые фотодиоды используются как преобразователи солнечной
энергии в электрическую, например, в космических аппаратах.
Для увеличения чувствительности фотодиода как приемника воз-
можна подача в запирающем направлении дополнительной разности
потенциалов (1 — 15 В) от внешнего источника тока — фотодиодный
режим (в отличие от вентильного режима — без внешнего источни-
ка). Большое преимущество фотодиода — очень малые размеры и
масса (до 0,1 г). Красная граница определяется шириной запрещен-
ной зоны полупроводника.
Кремниевые фотодиоды работают до X = 1 мкм, германиевые —
до 1,8 мкм, охлаждаемые диоды из мышьяковистого галлия GaAs —
до 5 мкм. Для облегчения проникновения света через толщу полу-
проводника к р — «-переходу используют гетеропереход (вход света
206
через полупроводник с более широкой запрещенной зоной — широ-
козонное окно; см. § 53, светодиод).
р — i — «-фотодиод имеет между р- и «-слоями слой малой кон-
центрации носителей. При освещении именно в нем рождаются пары,
растягиваемые приложенным в запорном направлении напряжением.
Существуют также лавинные фотодиоды с увеличением количест-
ва носителей в результате лавинного пробоя.
Иногда используется не фотодиод, а фототриод, отличающийся
тем, что добавляется второй р — «-переход с целью усиления фото-
тока (совмещение фотодиода с первой ступенью усиления).
§ 58. ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Перечисленные ранее приемники света регистрируют освещенность
Е в некоторой точке в стационарном режиме или как функцию време-
ни Е (t). Однако часто нужно иметь приемник, воспринимающий изо-
бражение, т. е. освещенность как функцию координат на плос-
кости Ех,у, или даже движущееся (переменное) изображение — Е (х,
у, t). Количество принимаемой при этом информации возрастает во мно-
го раз. Такими приемниками являются фотоматериалы и телепере-
дающие трубки.
Фотоматериалы (фотопленки, фотопластинки, фотобумага) — это
исторически первые приемники изображения.
Фотослой образуется в результате нанесения на подложку (стек-
ло, полимерную пленку, бумагу) фотоэмульсии, содержащей кри-
сталлы или зерна бромида серебра AgBr (рис. 196). Ag+Br~ — не-
устойчивое соединение. .Под действием света электрон иона В г" воз-
буждается и Ag+Br_ распадается на нейтральные атомы Ag и Вг (про-
цесс много сложнее, здесь дается упрощенная схема). Выделяющееся
коллоидное серебро имеет черный цвет (рис. 196, а). Засвеченная
(экспонированная) пластинка опускается в проявитель, который раз-
лагает до конца те кристаллы, в которых этот процесс был начат све-
том, и не способен разложить те зерна, на которые свет не падал
(рис. 196, б). Это химическое усиление, в результате
которого почернение увеличивается во много раз. Затем фиксаж (за-
крепитель) растворяет неразложив-
шиеся зерна, и фотоматериал ста-
новится, нечувствительным к свету
(рис. 196, в). Так получается не-
гатив, т. е. обратное распределе-
ние черного и белого по сравнению
с исходным изображением. Пози-
П
Рнс. 196. Стадии получения фотогра-
фического негатива: а — центры скры-
того фотографического изображения
после освещения; б — результат про-
явления; в — результат фиксирова-
ния.
тив, т. е. правильное распределение
черного и белого, получается пу-
тем пересъемки на другую пленку
(изготовление диапозитива) или при
печати на бумагу. Существуют
обратимые материалы, которые
207
tgfHI
Рис. 197. Зависимость почернения
фотоматериала от экспозиции: 1 —
высокочувствительный и «мягкий»
материал, 2 — малочувствительный
контрастный материал.
ЦЬ 0,5 мкм
Рис. 198. Спектральная чувствитель-
ность: 1 — неочуветвленного фотома-
териала, 2 — сенсибилизированного
фотоматериала, 3 — глаза.
А
при некоторой более сложной обработке дают сразу позитив, а не
негатив.
Степень почернения определяется экспозицией — произведением
интенсивности освещения (освещенности) на время: Q = £т (лк с;
в энергетических единицах — — • с = Дж/см2).
сма
Для количественной оценки почернения фотопленки, работаю-
щей на просвет, вводится понятие «плотность почернения». Напра-
вим на готовый негатив (или позитив) свет интенсивностью /0. Пусть
через некоторое место проходит только /. Плотностью негатива (по-
зитива) в данном месте называется величина
£> = lg/o/A (78)
Плотность почернения не пропорциональна экспозиции, а зависит
от нее сложным образом (рис. 197). Область I — область недодержек.
Здесь экспозиции слишком малы, чтобы вызвать почернение. Область
II — нормальные экспозиции, III — передержки.
Чем меньше нужна экспозиция, для того чтобы началось почер-
нение, тем чувствительнее материал. На рисунке 197 сплошная кри-
вая соответствует более чувствительной пленке, пунктирная—..менее
чувствительной. Существуют шкалы чувствительностей, известные
любому начинающему фотографу.
Чем круче идет прямая на рисунке 197, тем контрастнее материал,
т. е. больше разница между темным и светлым. Сплошная кривая
соответствует «мягкому» фотоматериалу, пунктирная — контрастно-
му. Контрастные материалы нужны для съемки чертежей, изготов-
ления позитивов (например, диапозитивов). Они обычно малочув-
ствительны, как и показано на рисунке. Для фотографирования порт-
ретов и пейзажей они непригодны, так как не способны передавать
полутона.
Важная характеристика фотоматериала — его спектральная чув-
ствительность, поскольку фотоматериал — селективный приемник.
Необработанные специально материалы чувствительны к ультрафио-
летовому, фиолетовому и синему свету, т. е. к свету с длиной волны
X от 0,2 до 0,55 мкм, но не чувствуют желтого и красного (кривая 1
на рис. 198). Путем введения специальных красителей можно сделать
208
пленку более чувствительной (сен-
сибилизировать) и к свету длинно-
волновой части спектра (кривая 2).
Фотография — весьма распрост-
раненный метод в науке, технике,
быту, и только не так давно по-
явились конкурирующие с ней
приемники изображения. Одной
из особенностей фотоматериала яв-
ляется то, что он работает в ре-
жиме дозиметра, а не измерителя
Рис. 199. Передающие телевизионные
трубки: а — иконоскоп; б — ортикон;
в — видикон (П — электронная пуш-
ка, Д— крупиики диэлектрика,
С — сигнальная пластина, К — кол-
лектор, Т •— тормозящие электроды,
Ф — фотополупроводник).
ругне сигналы и сразу или почти
уровня, т. е. суммирует посту-
пающие сигналы. Главный недо-
статок фотоматериала заключается
в том, что это приемник однократ-
ного использования (нельзя «сте-
реть» информацию и записать но-
вую). Однако из всех приемников
изображения это пока единствен-
ный, обладающий одновременно и
большой чувствительностью и боль-
шой разрешающей способностью
(обычные материалы — до 10 ли-
ний/мм, специальные — до 103 ли-
ний/мм, т. е. 102—10® единиц ин-
формации на 1 мм2).
Главное преимущество нефото-
графических приемников изображе-
ния — это их способность прини-
мать оптическую информацию, пре-
образовывать ее в электрические и
сразу принимать новые изображения. Большинство таких приемни-
ков используют внешний или внутренний фотоэффект. Прежде всего
сюда относятся передающие телевизионные трубки (ПТТ) разных
типов. Их назначение — преобразовывать пространственно распре-,
деленную световую энергию во временную последовательность элект-
рических сигналов, т. е. видеосигнал, который после передачи по
проводу или в виде радиоволн затем снова может быть преобразован
в изображение (см. система телевидения). Впрочем, в научных целях
это обратное преобразование не всегда обязательно. ПТТ в последние
годы заметно потеснили фотографию и киносъемку в ряде областей
науки и техники. Так, даже в астрономии изображение, даваемое
телескопами, часто фиксируется ПТТ и Записывается на виде&магни-
то фон.
Иконоскоп—приемная трубка, работающая на основе внешнего
фотоэффекта (рис. 199, а). На тонкую слюдяную пластинку с одной
стороны наносится слой металла С. Этот слой называется сигнальной
пластиной. С другой стороны на слюду нанесены мелкие зерна ве-
щества с малой работой выхода. Свет, попадая на зерно, выбивает
8 Заказ 771
209
из него электроны и заряжает его положительно. Остальные зерна
остаются нейтральными. Так на приемной пластине запоминается
световое изображение. П — электронная пушка, формирующая элек-
тронный луч. Быстрые электроны луча, попадая на зерна, вызывают
вторичную электронную эмиссию — вырывание сразу нескольких
более медленных электронов из вещества в вакуум, которые затем
попадают на- коллектор К. Выход вторичных электронов зависит от
того, было ли зерно ранее освещено, т. е. заряжено ли оно. Откло-
няющая система (система управления лучом УЛ) заставляет электрон-
ный луч прочерчивать строчку за строчкой весь экран (сканирова-
ние). При этом на коллекторе К образуются переменные видеосигна-
лы. Видеосигнал может быть снят и с сопротивления R. Иконоскопы
дают высокое разрешение, но обладают малой чувствительностью и
сейчас применяются редко.
Супериконоскоп отличается от иконоскопа добавлением секции
электронного переноса и усиления изображения. В этой секции свет
выбивает из фотокатода электроны, эти электроны ускоряются, фо-
кусируются средствами электронной оптики, и зарядовый рельеф
на пластине диэлектрика Д образуется уже не за счет фотоэффекта,
а за счет вторичной электронной эмиссии. Затем чтение этого рельефа
происходит так же, как в иконоскопе.
Ортикон — передающая телевизионная трубка (ПТТ), в которой
сканирование экрана производится, в отличие от иконоскопа, мед-
ленными электронами и с противоположной стороны (рис. 199, б).
Так же как и в иконоскопе, световое изображение вызывает фото-
эффект на крупинках диэлектрика и часть их заряжается поло-
жительно. Замедленные электроны достигают экрана только в том
случае, если зерно, к которому они приближаются, заряжено поло-
жительно. При приближении к остальным зернам тормозящий потен-
циал заворачивает электрон обратно, и он попадает на коллектор Д',
с которого п снимается видеосигнал. В качестве коллектора для уси-
ления сигнала используется электронный умножитель (умножение
числа электронов на динодах за счет вторичной электронной эмиссии,
как в ФЭУ).
Суперортикон отличается от ортикона добавлением секции элект-
ронного переноса (см. супериконоскоп), что повышает чувствитель-
ность. Это наиболее распространенная сейчас передающая телеви-
зионная трубка.
Видикон — ПТТ, в которой используется внутренний фотоэф-
фект — возрастание электропроводности полупроводника при ос-
вещении. Видиконы па основе кремния называют кремниконами, на
основе оксида свинца — плюмбиконами и т. д. Фотопроводящий
слой Ф (рис. 199, в) передает на правую сторону положительный
потенциал только в освещенных местах. Считывание производится
медленными электронами, как в ортикопе. Видикон широко приме-
няется в телевидении, особенно в переносных репортажных телепере-
датчиках, поскольку имеет меньшие габариты, чем суперортикон,
хотя и несколько меньшую чувствительность. Но и он способен ра-
ботать при освещенности его экрана 0,1 лк. Видиконы чувствительны
£10
Рис. 200. Электронно-оптический
преобразователь изображения (ЭОП):
а — с фокусировкой электронов ко-
роткой магнитной линзой; б — микро-
канальный ЭОП.
и в инфракрасной, и ультрафио-
летовой, и даже рентгеновской об-
ластях спектра.
Электронно-оптический преоб-
разователь изображения (ЭОП) слу-
жит для усиления изображения
при слабой освещенности (приборы
ночного видения) или для преоб-
разования невидимого (инфракрас-
ного, ультрафиолетового, рентге-
новского) изображения в видимое.
Свет, падая на полупрозрачный
фотокатод Ф (рис. 200, а), вызы-
вает внешний фотоэффект — выры-
вание электронов. Эти электроны
ускоряют и фокусируют средствами
электронной оптики Л (электроста-
тическими или магнитными лин-
зами, см. § 70) на катодолюминес-
цирующий экран Э, светящийся под ударами электронов. Все проис-
ходит в вакууме. Увеличение яркости может быть значительным.
Возможно последовательное соединение, таких преобразователей
(многокамерное усиление). Особенно велико усиление (до 107 раз) при
использовании микроканальных фотоэлектронных умножителей
(см. ФЭУ). На рисунке 200, б показаны секции микроканальных ФЭУ
(/, 3), которые могут соединяться друг с другом стекловолоконными
пластинами 2. С помощью ЭОП можно рассматривать объекты на
расстоянии 1 км при ночном освещении (10-3— 10"4, лк). Разрешение
обычно невелико, но в отдельных конструкциях может достигать
100 линий/мм. Инерционность т зависит от состава люминофора и
может быть от 10~в до 10 с.
В развитии приемников изображения существует тенденция из-
бавиться от громоздкой, непрочной и неэкономичной электронно-
лучевой вакуумной трубки, т. е. от сканирования электронным лу-
чом. Разрабатываются твердотельные, самосканирующие матрицы,
в которых сканирование фотопроводящей мишени и преобразование
зарядового рельефа в видеосигнал производится схемотехническими
средствами. Это монолитные преобразователи изображения. Скани-
рование фотопроводящей мишени, т. е. поочередный опрос ячеек, и
образование видеосигнала производятся в них не электронным лу-
чом, а электрическим импульсом, движущимся в полупроводниковой
подложке сложного строения (сканистр, прибор с зарядовой связью).
8*
ГЛАВА VII
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
§ 59. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Разнообразные оптические приборы (фотоаппарат, микроскоп,
телескоп, кинопроекционный аппарат и разные проекционные аппа-
раты) представляют собой оптические системы. Например, микро-
скоп состоит из объектива, окуляра (и коллективной линзы). Кроме
того, для исправления аберраций окуляры и особенно объективы вы-
полняются в виде сложных систем из нескольких линз.
Несмотря на сложность таких систем, к ним применима формула
тонкой линзы
~+-f = = Hlh^ajai, (79)
—«1 а2 f
Рис. 201. Оптическая система (а) и ее
главные плоскости (б).
Рис. 202. Согласованная оптическая
система. Линзы 1 и 2 образуют изо-
бражение, линза 3 — коллективная.
если фокусные расстояния и рас-
стояния до предмета и до изоб-
ражения «2 измерять от некоторых
плоскостей и Н2, называемых
главными плоскостями (рис. 201).
На рисунке 171 показано положе-
ние этих плоскостей для случая тол-
стых линз. В более сложных слу-
чаях плоскости и Н2 могут быть
расположены далеко от линз,
составляющих систему, и даже в
бесконечности. На рисунке 201, б
показано, как строится изображе-
ние, если известно положение этих
плоскостей.
Конструируя прибор, старают-
ся сделать систему согласо-
ванной. Это значит, что диа-
метры линз и диафрагм должны
быть такими, чтобы не происходи-
ло потерь света: весь свет, вошед-
ший в первые линзы, должен прой-
ти и через всю систему. На рисунке
202 линза 1 — первая линза, обра-
зующая изображение, т. е. преобра-
зующая, например, точку М в точ-
ку т. Ее оправа называется зрач-
ком (Зх). Следующее изображение
образует линза 2 (зрачок 32) и т. д.
212
Диафрагма 3 должна вмещать изображение всего предмета, она на-
зывается люком или полевой диафрагмой. Диафрагма 3 — второй
люк Л2. Первым люком Л^ является поле самого объекта. — изо-
бражение Лг.
Чтобы лучи, расходящиеся из точки т, попали в следующую
линзу 2, казалось бы, эта линза должна быть очень большой. В про-
тивном случае лучи от точки М в нее не пройдут, и можно будет
видеть только узкое поле объекта до точки N. Но в сечение 3 ставится
дополнительная линза, которая называется коллективной линзой.
Поскольку она оказывается совмещенной с изображением (ах = 0),
то с изображением ничего не происходит, оно остается на месте и
той же величины (см. случаи образования изображения в тонкой лин-
зе). Но коллективная линза повернет расходящийся из точки т
пучок в линзу 2, которая имеет меньший диаметр. Чтобы весь пучок,
прошедший через 31г прошел и через 32, надо, чтобы луч ат пошел
по пути mb, т. е. точка b была бы изображением точки а, а зрачок 32
был бы изображением зрачка Зг.
Таким образом, для предотвращения потерь света необходимо,
чтобы в люках стояли коллективные линзы и чтобы каждый следую-
щий зрачок был изображением предыдущего зрачка, а каждый сле-
дующий люк — изображением предыдущего люка.
Первая линза или набор линз в приборах, служащих для полу-
чения изображения, называется объективом. В зависимости от на-
значения различают фотообъективы (объективы для фото- и киноап-
паратов), микрообъективы (для микроскопов), объективы телескопов
и т. д.
Рассмотрим примеры оптических приборов, главцой частью кото-
рых являются оптические системы из линз.
§ 60. ПРИБОРЫ ДЛЯ ЗАПИСИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
И ПРОЕЦИРОВАНИЯ ИХ НА ЭКРАН
Фотоаппарат — прибор для фиксирования изображений на свето-
чувствительную пленку. Он состоит из светонепроницаемой камеры,
в которой находится пленка 3 (рис. 203); объектива 1, образующего
изображение 2; диафрагмы 6, регулирующей световой поток, входя-
щий в аппарат; затвора 7, открывающего путь свету к пленке 3 на
короткое время, и ряда других вспомогательных деталей. Наиболее
распространены малоформатные камеры с размером кадра 24 X 36 мм,
однако существуют и аппараты с много меныпшм и много большим раз-
мером кадра.
Наиболее важная часть фотоаппарата — объектив. Главный па-
раметр объектива — его фокусное расстояние F, От этой величины
зависит угловое поле объектива, т. е. угол, ограничивающий ту часть
пространства, которую объектив преобразует в изображение. Из
рисунка 204 видно, что чем больше фокусное расстояние F, тем мень-
ше угловое поле <р и тем крупнее будут изображены детали на кадре.
Поэтому для съемки портретов используют длиннофокусные объек-
тивы с <р < 40° (телеобъективы), а для архитектурных и ландшафт-
ных съемок — короткофокусные с ф > 70° (широкоугольники).
213
F
Рис. 203. Фотоаппарат: 1 — объект, Рис. 204. Связь между фокусным рас
2 — изображение, 3 — светочувстви- стоянием объектива и угловым полем
тельная фотопленка, 4 — объектив, при постоянном размере кадра:
5 — механизм наводки на резкость, вверху — широкоугольный объектив;
6 — диафрагма, 7 — затвор, 8 — ме- внизу — телеобъектив.
ханизм перемотки пленки.
Для устранения всевозможных аберраций (см. линзы) объективы
составляют из большого числа линз (рис. 205). Особенно сложны
объективы с переменным фокусным расстоянием — панкратические,
или трансфокаторы. Такие объективы позволяют поворотом спе-
циальной ручки плавно менять F объектива, а следовательно, раз-
мер изображения. При этом часть линз внутри объектива пере-
двигается.
Другой параметр объектива — его светосила. Количество
света, которое использует объектив, зависит от его диаметра D. Онс
пропорционально отношению D2/F2. Это отношение и называется
светосилой. При D2lF2 = 1 объектив обладает большой светосилой.
Меньше света пропускают объективы с D2lF2 = 1/2, 1/4, 1/8 и т. д.
При больших освещенностях светосилу искусственно уменьшают
сужающейся диафрагмой. На объективе и около делений диафрагмы
указывают не величину D2/F2 и не относительное отверстие D/F, а
обратное относительное отверстие FID (число F/D называют просто
диафрагмой). Деления на шкале диафрагмы наносятся так, чтобы
при переходе на соседнее деление количество света, пропускаемое
объективом, менялось в 2 раза. В результате последовательность зна-
чений диафрагмы получается такой, как указано в таблице 7. Часто
величину F/D неправильно называют светосилой, говорят, например,
что «светосила объектива равна 2,8». При диафрагме «11» через объек-
тив проходит в 24 раз меньше света, чем при диафрагме «2,8».
Рис. 205, Примеры конструкций фотообъективов: а — широкоугольный; б — нор-
мальный; в — телеобъектив.
214
Таблица 7
Смысл значений диафрагмы
Светосила 1 2 2 4 2 8 _1_ 16 1 32 1 64 1 128 1 256
Относительное отверстие 1 1 1,4 1 2 1 2,8 _1_ 4 1 5,6 1 8 Я _1_ 16
Диафрагма 1 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11 16
д
Рис. 206. Приспособления для навод-
ки фотоаппарата на резкость: а — ма-
товое стекло; б — микрорастр;
в — наводка на резкость по матовому
стеклу; гид — по растру.
Разрешающая сила объектива характеризуется макси-
мальным количеством деталей, которые он может изобразить на 1 мм
фотопленки. В связи с невозможностью полностью устранить все
аберрации в светосильном объективе большого диаметра разрешаю-
щая сила объектива обычно не превышает 30—80 линий на милли-
метр, что намного ниже теоретического предела, обусловленного
—~ 2000 мм-1). Разрешение повышается при диа-
1,22 V /
фрагмировании вследствие уменьшения роли аберраций, а не пони-
жается, как следовало бы из теоретической формулы. Ограничивать
разрешение может также недостаточная мелкозернистость фотоплен-
ки, но сейчас изготавливаются пленки с разрешением до нескольких
тысяч линий на миллиметр.
Для наводки на резкость специальный механизм меняет расстоя-
ние от объектива до пленки. О резкости изображения судят по изо-
бражению на матовом стекле (см. рассеиватели и ри.с. 206).
Более точную наводку на рез-
кость обеспечивает призматический
микрорастр. Это прозрачный экран-
рост^, состоящий из одинаковых
призм (рис. 206, б). Если изображе-
ние сфокусировано точно на растр,
то он (как коллективная линза) не
меняет изображения, а только ме-
няет направление пучков (рассеи-
вает их), что помогает увидеть
изображение. Если же изображе-
ние сфокусировано на растр неточ-
но, то, как следует из рисунка,
глаз вместо одной точки видит две,
так что все изображение покры-
вается муаровым узором.
Со сравнительно небольшой раз-
решающей силой объектива свя-
зано понятие глубина рез-
кости. При неточной установке
2.15
расстояния от объектива до пленки вместо изображения точки пол?
чается кружок рассеяния диаметром dv Но вследствие аберраци
объектив даже при точной установке расстояния тоже дает вмест
изображения точки кружок диаметром d2. Если dt < d2, то точна
установка расстояния не имеет смысла. Поэтому на шкале расстой
ний фотоаппарата, кроме самих расстояний, указывают также допу
стимую неточность установки расстояний. Это и есть глубина резка
сти. В короткофокусных объективах глубина резкости велика—О'
нескольких метров до бесконечности. В этом случае наводка на рез
кость вообще не нужна и объектив закрепляется неподвижно. Дл?
телеобъективов, наоборот, нужна очень точная установка расстояний
В современные фотоаппараты встраиваются фотоэкспонометры —
приборы для определения выдержки (экспозиции, времени, на котоЗ
рое надо открывать' затвор, чтобы получить негатив нормальном
плотности). Фотоэкспонометр — это фотоэлемент, соединенный J
гальванометром. Аппараты, в которых, меняя диафрагму и установ!
ку выдержки, надо совместить стрелку гальванометра с некотором
меткой (этим и подбираются нужная выдержка и диафрагма), назы4
ваются полуавтоматами, а аппараты, в которых диафрагма сама устали
навливается в нужное положение при наведении аппарата на объект,—]
автоматами. я
О фотоматериалах, применяемых в фотографии, см. § 55 «При-1
емники света». j
Киноаппарат применяется для съемки движущихся (меняющихся),|
объектов. Он отличается от фотоаппарата тем, что в нем производится^
съемка определенного числа кадров в секунду на пленку, перемещав-!
мую рывками. При проецировании затем этих кадров по очереди|
с такой же частотой на экран с помощью кинопроектора получается!
впечатление движущегося изображения предметов. Обычно исполь-|
зуется частота следования кадров 24 (или 16) раз в секунду. За 1/48|
секунды пленка продергивается на 1 кадр специальным грейферным!
механизмом и 1/48 секунды экспонируется. На время продергиванияя
пленка закрывается от света обтюратором. Таким образом, выдержка]
в киноаппарате фиксирована, и для получения негатива нормальной ?
плотности остается только менять диафрагму. Иногда на объектив 1
надевают светофильтры, ослабляющие свет. Киноаппарат снабжа-
ется револьвером и4 объективов с разными фокусными расстояниями
или объективом-трансфокатором. ;
Обычно при записи движущегося изображения одновременно ‘
записывается и звук (см. акустические приборы).
Проектор служит для получения увеличенного изображения на
экране частично прозрачных объектов (диапроекция) и непрозрачных
(эпипроекция). Схема диапроектора дана на рисунке 207, а. Свет
от лампы накаливания 5, йодной лампы или дуги (см. источники света)
направляется конденсором 4 на экран. Для более полного исполь-
зования света необходимо иметь линзы конденсора большого диамет-
ра. При этом качество линз может быть невысоким, и они не исправ-
ляются на аберрации. Для возвращения и использования лучей,
уходящих влево от лампы, ставится сферическое зеркало 6 так, чтобы
216
Рис. 207. Проекторы: а — диапроектор (1 — объект, 2 — объектив, 3 — изображе-
ние на экране, 4 — конденсор, 5 — лампа, 6 — зеркало); б — диапроекция горизон-
тального объекта; в — кодоскоп с линзой Френеля в качестве конденсора; г — эпи-
проектор; д — кинопроекционный аппарат.
его центр совпадал с нитью лампы. На пути пучка ставится объект 1,
например диапозитив, который частично рассеивает свет (пунктир).
В место пересечения лучей от конденсора 4 ставится объектив 2 из
высококачественных линз. Он образует изображение 3 объекта на
экране, собирая расходящиеся из-точек объекта 1 рассеянные лучи в
соответствующие точки на экране. Диаметр объектива должен быть
достаточным для того, чтобы вместить изображение источника света,
которое получается в месте расположения объектива. В соответствии
с формулой линзы должны выполняться соотношения:
= __L _f_ JL = Ё=31, (80)
—bi b2 FK —Oi a2 Fo6 h щ
где FK и Fo6 — фокусные расстояния конденсора 4 и объектива 2.
Обычно расстояние а2 — велико, и поэтому — a, a; Fo6.
Для уменьшения потерь света система должна быть согласован*
ной (см. оптические системы). В нашем случае зрачки — это: нить
лампы, объектив; люки: зеркало, конденсор, экран. Для согласова-
ния необходимо, чтобы на экране было изображение предыдущего
217
люка — оправы конденсора. Одновременно на экране должно быть
изображение объекта. Следовательно, объект следует совместить с
поверхностью конденсора. Так или почти так и делается, когда проектор
рассчитывается для объектов данного размера. Однако если проектор
универсален, т. е. с его помощью показывают объекты самых разных
размеров h (не больше, чем d — диаметр конденсора), то от согласо-
вания отступают. Обычно аг — длина зала, Н — размер экрана и h
заданы. Следовательно, согласно соотношениям (80), оказывается
заданным и аг. При малом значенииh расстояние ах тоже получится
малым. Сдвинуть объектив нельзя, он должен быть в том месте, где
конденсор дает изображение нити лампы. В результате приходится
приближать объект к объективу. Поскольку F^ а.ъ величина Еоб
тоже зависит от h: для малых объектов надо брать коротко-
фокусный объектив, для больших — длиннофокус-
ный. В противном случае изображение занимает лишь малую часть
экрана или, наоборот, выходит за пределы экрана. Поскольку Го6^
& а2 h/H, универсальный проектор (пригодный для разных h,
разных Н и а2) должен иметь набор объективов с разными Fo6
или дополнительные линзы к объективу. Для проекции микроскопи-
ческих объектов следует поставить в то место, где получается изобра-
жение нити лампы, короткофокусный объектив от микроскопа, а объ-
ект приблизить к объективу на расстояние щ я? Fo6.
Чтобы получить на экране неперевернутое изображение, надо
перевернуть сам объект. Если это невозможно, используют оборачи-
вающую призму Дове. При необходимости проецировать на экран
объект, который может находиться только в горизонтальном положе-
нии, изменяют направление лучей зеркалами поверхностного «сереб-
рения» (рис. 207, б).
Кодоскоп (графопроектор) — прибор для проецирования чертежей
и надписей, которые наносят на прозрачную пленку (рис. 207, е).
Поскольку размер пленки обычно велик, конденсор тоже приходится
делать большим, а чтобы уменьшить массу линзы и поглощение в ней,
используется линза Френеля.
Эпископ — прибор для проецирования на экран непрозрачных
объектов. Здесь используется отраженный и рассеянный объектом
свет (рис. 207, г). Поскольку эта система не согласована и в ней нет
конденсора, потери света очень велики. Приходится использовать
светосильные объективы большого диаметра. Тем не менее освещен-
ность экрана получается много меньше, чем в случае диапроектора,
и эпископы сейчас применяются редко. Эпископ, совмещенный с диа-
проектром, называется эпидиаскопом.
Кинопроектор отличается от диапроектора добавлением ленто-
протяжного механизма. Специальный (грейферный) механизм рыв-
ками продергивает ленту 24 (или 16) раз в секунду, сменяя кадры в
кадровом окне. В результате на экране получается впечатление дви-
жущегося (меняющегося) изображения. На время продергивания свет
перекрывается обтюратором (рис. 207, д').
218
§ 61. ПРИБОРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕКТОВ
Лупа — простейший прибор для рассматривания малых объектов,
g качестве простой лупы служит короткофокусная собирающая лин-
за. Предмет помещается между линзой и фокусом, но ближе к фокусу
(рис. 208, а). Наблюдателю кажется, что лучи расходятся не из точки
т, а из точки М, т. е. он видит увеличенное мнимое изображение
объекта. При пользовании лупой человек инстинктивно подбирает
расстояние аг так, чтобы изображение было на расстоянии наилучше-
го зрения (L) от лупы. Увеличение лупы, как нетрудно увидеть из
подобия треугольников на рисунке 208, а, равно L/a1 w UF- Для нор-
мального глаза L fv 25 см, для близорукого — меньше, а для даль-
нозоркого — больше. Поэтому для дальнозорких людей лупа более
эффективна. Обычно увеличение лупы бывает от 2х до 10х, посколь-
ку линзы с F < 2 см страдают сильными аберрациями.
Иногда нужно, чтобы расстояние от лупы до объекта было боль-
шим, например таким же, как и расстояние от лупы до изображе-
ния. В этом случае используют телескопическую лупу — комбина-
цию собирающей и рассеивающей линз на расстоянии d друг от дру-
га (рис. 208, б). Телескопическая лупа отличается от зрительной тру-
бы Галилея только иным расположением фокусов объектива и оку-
ляра. Телескопическая лупа получается из трубы Галилея добавле-
нием дополнительной собирающей линзы перед объективом.
Микроскоп — более сложная оптическая система, чем лупа. Он
дает увеличение от 20х до 1500х. Простейший микроскоп показан на
рисунке 209, а его упрощенная оптическая схема, состоящая из двух
линз — короткофокусного объектива и лупы-о’куляра, дана на рисун-
ке 210, а. Объект помещается чуть левее фокуса объектива. В резуль-
тате изображение, называемое промежуточным, получается на боль-
шом расстоянии (порядка длины трубы микроскопа Т). Изображение
действительное и сильно увеличенное. Увеличение объектива, таким
образом, равно TlFOf,- Оно всегда обозначено на объективе, например
20х или 90х. Чем больше увеличе-
ние объектива, тем меньше Foe и,
следовательно, рабочее расстояние
от объектива до объекта. Оно мо-
жет составлять доли миллиметра.
Чтобы не раздавить объект объек-
тивом при наведении на резкость,
следует опускать тубус микроскопа,
только глядя сбоку в щель между
объектом и объективом. Затем, гля-
дя в окуляр, можно только подни-
мать тубус.
Промежуточное изображение рас-
сматривается через окуляр, как
через лупу (рис. 210). Для этого
надо, чтобы расстояние от промежу-
s
Рис. 208. Лупа (а) и телескопическая
лупа (б).
219
Рис. 209. Микроскоп: 1 — источник
света, 2— зеркало, 3 — конденсор,
4 — объект наблюдения, 5 — револь-
вер с объективами, 6 — окуляр,
7 — поворотный столик, 8 — микро-
метрический винт точной наводки на
резкость, 9 — макрометрический
винт грубой наводки.
Рис. 210. Ход лучей в микроскопе;
а — без коллективной линзы:
б — с коллективной линзой.
точного изображения до окуляру
было меньше фокусного. Увеличений
лупы-окуляра, как и всякой лупы!
равно L/foK и также указывается
на оправе окуляра (например, 10х)1
Общее увеличение микроскопа под
лучается в результате перемноже-
ния этих увеличений!
Т = -Г7- <81)!
Например, комбинация объектив^
90х и окуляра 20х дает максималь-:
ное из применяемых в оптичес-;
ких микроскопах увеличений —i
1800х. Микроскоп снабжается на--
бором объективов и окуляров так,,
чтобы можно было получать самые,
различные увеличения.
Из рисунка 210, а видно, что.
свет, выходящий из точки Р, в оку-
ляр и далее в глаз не попадает, а
уходит в направлении Р'М. В глаз
попадают только лучи, исходящие
из точек, очень близко примыкаю-
щих к точке О. Это означает, что мы
будем видеть в микроскоп только.
очень узкое поле. Для расширения
поля зрения надо преломить ка-
ким-либо образом лучи, идущие от
точки Р', и направить их в оку-1
ляр. Этой цели служит коллектив-
ная линза К (рис. 210, б). Часто обе
линзы К и Г (рис- 210, б) крепят в
одной трубке, и вместе их называют
окуляром. Линзу Г тогда называют
глазной линзой. Обычно коллек-
тивную линзу ставят не точно на
место изображения, даваемого оку-
ляром, а сдвигают влево так, чтобы на место изображения можно
было поставить крест нитей или шкалу (окулярная шкала, см. изме-
рительный микроскоп). Такой окуляр называется окуляром Гаусса.
Объектив микроскопа — тоже не одна линза, а сложная система
линз, рассчитываемая так, чтобы до минимума снизить влияние абер-
раций. В связи с большой кривизной линз объектива и необходимо-
стью устранения аберраций диаметр объектива получается сравни-
тельно небольшим (около 1 мм). В результате на отверстии объектива
происходит дифракция, и вместо изображения точки на промежуточ-
ном изображении получается размытая дифракционная картина, а
дифракционные картины от двух близких точек сливаются. Это огра-
220
ннчивает разрешающую способность мик-
роскопа R S3 1/Sx, где Sx — минимальное
расстояние между двумя точками на объекте,
которые еще видны отдельно. Из курса физи-
_ 0,6 X
ки известно, что ох = ——, где и — апертур-
nsinu
ный угол, а п sin и называется числовой апер-
турой. Числовая апертура указывается на
объективе (рис. 211, я). Для повышения
разрешающей силы при больших увеличе-
ниях в пространство между объектом и
объективом помещают каплю жидкости — им-
мерсии. Если объектив предназначен для рабо-
ты с маслом в качестве иммерсии, то на него
наносится черное кольцо, если с водой — бе-
лое. В результате, например, получается
п sin и х 1,3; Sx « 0,25 мкм — 2,5 • 10~4 мм и
разрешающая сила R ~ 4000 (деталей на
1 мм объекта). Однако аберрации ухудшают
разрешение, и этот теоретический предел не
достигается. Для различения деталей, более
мелких, чем 0,5 мкм, необходимо использо-
вать электронный микроскоп-
Большое значение в микроскопе имеет
осветитель (конденсор), который должен
ярко освещать микроскопический объект
(рис. 211). При малых увеличениях на объект
Рис. 211. Осветители ми-
кроскопов: а — освеще-
ние прозрачных объек-
тов; б — непрозрачных;
в — опак-иллюминатор;
г — темнопольный кон-
денсор.
направляют свет, например, от настольной лампы. При больших —
необходим специальный осветитель — конденсор. Он должен давать
пучок, сходящийся на объекте под тем же углом, под которым виден
из точки объекта объектив (апертуры объектива и. конденсора долж-
ны хотя бы приблизительно совпадать).
Для наблюдения непрозрачных объектов обеспечивается освеще-
ние сверху. При небольших увеличениях можно направлять свет
сверху сбоку (рис. 211, б). Однако при больших увеличениях рас-
стояние от объекта до объектива так мало, что освещение сбоку стано-
вится неэффективным. В этом случае применяется опак-иллюмина-
тор (рис. 211, в). Освещение производится через объектив от освети-
теля, расположенного сбоку от тубуса, с помощью полупрозрачного
зеркала или делительного куба.
Для наблюдения прозрачных объектов в прозрачной среде исполь-
зуется их различие в показателе преломления. В месте объекта свет
рассеивается. На этом основан микроскоп с конденсором темного
поля. Часть конденсора закрывается диафрагмой так, что прямой
свет от него в объектив микроскопа не попадает (рис. 211, г). Однако
свет, рассеянный объектом, попадает в объектив. В резуль-
тате на темном поле неоднородности объекта видны яркими. Еще
более совершенными микроскопами, предназначенными для этой цели,
являются фазовоконтрастный и интерференционный микроскопы.
221
Ультрафиолетовый микроскоп позволяет наблюдать объекты в
ультрафиолетовом свете. В качестве осветителя используется ртут-
ная лампа. Линзы и призмы должны быть кварцевыми, так как
стекло не пропускает ультрафиолетовый свет. Наблюдение глазом
невозможно, и изображение фотографируется на фотопленку или фо-
топластинку.
Микроскоп люминесцентный также имеет ультрафиолетовый ос-
ветитель, но ультрафиолетовый свет доходит только до объекта.
Он возбуждает в объекте свет люминесценции, который, согласно
правилу Стокса, имеет большую длину волны. Обычно это види-
мый свет. После объекта ставится фильтр, пропускающий этот свет,
но не пропускающий ультрафиолетовый.
Инфракрасный микроскоп используется в тех случаях, когда
объект прозрачен только в инфракрасном свете. В качестве источни-
ка света используется лампа накаливания (или галогенная лампа), а
для преобразования невидимого изображения в видимое исполь-
зуется ЭОП — электронно-оптический преобразователь.
Микроскоп поляризационный отличается от обычного тем, что
перед объектом и после него (обычно после объектива) ставятся поля-
ризационные призмы. В результате для анизотропных объектов мож-
но наблюдать интерференцию поляризованных лучей — цветные
изображения бесцветных деталей объектов (кристаллов, жидких
кристаллов и т. д.). Для изучения кристаллов в тубус поляризацион-
ного микроскопа можно также ввести дополнительную линзу, создаю-
щую сильно сходящийся пучок лучей. Объект при этом не виден, но
получается характерное изображение (коноскопическая проекция),
помогающее расшифровать структуру анизотропного объекта.
Микроскоп телевизионный. Длительное наблюдение в микроскоп
утомляет глаза, поэтому в последнее время стала использоваться
передающая телевизионная трубка, преобразующая изображение, в
том числе движущееся, в электрические сигналы (видеосигналы),
которые могут быть затем поданы на вход телевизора или записаны
на видеомагнитофон- Этот метод пригоден и тогда, когда изображение
невидимо, т. е. получено в ультрафиолетовых или даже в рентгенов-
ских лучах (рентгеновский микроскоп). Нужна только соответствую-
щая телепередающая трубка.
§ 62. ПРИБОРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Зрительная труба — оптическая система, служащая для рассмат-
ривания и фотографирования удаленных предметов. Наиболее рас-
пространена зрительная труба Кеплера, состоящая в простейшем
случае из двух линз: длиннофокусной (объектив) и лупы-окуляра
(рис. 212). При наведении трубы на бесконечность фокус объектива
совмещают е фокусом окуляра. Образуется телескопическая систе-
ма — система, которая преобразует параллельный пучок, идущий
от очень далекого предмета, в параллельный же, но меньшего диамет-
ра. Система не собирает лучи и не рассеивает, следовательно, фокус-
ное расстояние системы в целом равно бесконечности, а оптическая
222
сила равна нулю. Такая система
называется поэтому афокальной.
Объектив трубы преобразует в
своей фокальной плоскости парал-
лельный пучок от удаленного пре-
дмета (например, от звезды S,
рис. 212, а) в точку. Изображением
другого предмета (S') будет так-
же точка, но в другом месте фо-
кальной плоскости. Изображение,
образуемое объективом в фокаль-
ной плоскости, называется проме-
жуточным. Если предмет находит-
ся сравнительно близко, промежу-
точное изображение смещается даль-
ше от объектива, хотя и незна-
чительно. При рассматривании
промежуточного изображения через
окуляр, как через лупу, необходи-
мо незначительно отодвинуть оку-
ляр от объектива с помощью спе-
циального механизма наведения на
резкость. В окуляр видно мни-
мое, перевернутое (по отношению к
объекту) изображение. Оно кажет-
ся ближе и крупнее объекта. Что
касается расстояния до изображе-
ния, то это чисто психологический
эффект: изображение кажется бли-
же, потому что оно крупнее. Не-
значительное изменение аккомода-
ции глаза и соответствующее пере-
Рис. 212. Зрительная труба Кеплера:
а — ход лучей в трубе, настроен-
ной па бесконечность; б — на
не бесконечно удаленный предмет;
в — угловое расстояние между звез-
дами без трубы; г — при использова-
нии трубы.
мещение окуляра существенно меняют расстояние до мнимого изо-
бражения. Гораздо важнее причина кажущегося увеличения раз-
меров.
Размер изображения на сетчатке глаза зависит от угла зрения <р0
(рис. 212, в). Труба увеличивает угол зрения (рис. 212, г). Увеличи-
вается и размер изображения на сетчатке. Таким образом, при
наблюдении далеких предметов важно угловое увеличение
<р/ф0. Из рисунка 212 видно, что это увеличение равно отношению
фокусных расстояний объектива и окуляра
Ф в Г = Fo&
Фо / Гок
(82)
или отношению диаметров пучков до и после трубы (но не диаметров
объектива и окуляра, так как диаметр окуляра обычно несколько
больше, чем диаметр выходящего пучка). Увеличение труб для на-
блюдения земных объектов редко выходит за пределы 2х—12х. Наи-
более распространены увеличения 6х и 8х. Большее увеличение не
223
дает большей информации об объекте, так как неоднородности ат-
мосферы сильно искажают изображение, размывая его. В астроно-
мических же телескопах применяются очень большие увеличения
(более 1000х).
Труба характеризуется определенным полем зрения (измеряется
в угловых единицах). Труба из двух линз обладает очень малым по-
лем зрения. Так, лучи из точки В пройдут мимо окуляра (рис. 212, г).
Глаз может видеть только узкую окрестность точки 4. Чтобы рас-
ширить поле зрения и направить лучи от точки В в окуляр и в глаз,
в то место, где получается промежуточное изображение, ставится
коллективная линза (см. оптические системы, микроскоп).
Поскольку после зрительной трубы весь поток световой энергии,
вошедший в объектив широким пучком (диаметром D), выходит из
трубы узким пучком (диаметром d, примерно равным диаметру зрач-
ка), то в глаз попадает в Did2 больше света, чем без трубы. Это по-
зволяет видеть предметы в сумерках, а в телескоп видны очень слабые
звезды.
Разрешающая способность нормального глаза около одной угло-
вой минуты, т. е. глаз видит две точки отдельно, если угол между
направлениями на них больше Г. При меньших углах расстояние
между изображениями обеих точек на сетчатке бх будет столь мало,
что они оба попадут на одну светочувствительную клетку и будут
восприняты как одно целое. Говорят, что разрешение глаза равно
-7 ~ Lj—« 3300 рад-1. Труба, увеличивая бх, увеличивает и
разрешение. Например, если диаметр объектива 500 мм, а диаметр
зрачка глаза 5 мм, т. е. увеличение равно 100х, разрешение равно уже
3 • 108 рад-1. При фотографировании его можно еще повысить, но
существует теоретический предел, налагаемый явлением дифракции.
Световые лучи длиной волны А дифрагируют на входном отверстии
трубы (диаметр объектива D) и отклоняются от нужного направления
на угол б<р — 1JD. Так что детали между направлениями, на которые
угол меньше бф, сливаются. Для трубы с D = 500 мм бф «
«0,5 мкм/500 мм« 10-в рад, и теоретическое разрешение порядка 10е рад-1
(миллион деталей на 1 радиан, бф « 10-? угловых секунд). Неустра-
ненные аберрации снижают разрешение.
Объективы зрительных труб, а особенно телескопов, тщательно
исправляют на всевозможные аберрации. Обычно объектив состав-
ляется из двух-трех линз. Окуляры (комбинация коллективной линзы
К и глазной Г, рис. 212, г) могут быть разного типа. В трубах чаще
используется окуляр Кельнера, в котором коллективная линза не-
сколько сдвинута от промежуточного изображения к глазной линзе,
а в то место, где получается изображение, помещается крест нитей.
Недостаток трубы Кеплера при наблюдении земных объектов за-
ключается в том, что она дает перевернутое изображение. Для пово-
рота изображения используются оборачивающие системы. На рисун-
ке 213 показано, как добавление еще одной пары: объектив —
коллективная линза — поворачивает изображение, не меняя его. Удли-
нение трубы при этом иногда даже желательно. В перископах, на-
224
Рис. 213. Оборачивающая система для трубы Кеплера,
пример, применяют несколько таких оборачивающих пар, чтобы
свет шел по узкой длинной трубе (рис. 214). Можно один из объекти-
вов разделить на две линзы с вдвое меньшей оптической силой (лин-
зы Об'2 и Об2 на рис. 214). Тогда между этими линзами лучи пойдут
параллельно. Это означает, что расстояние между линзами можно
менять, почти не меняя хода лучей. Так появляется возможность
изготовить трубу переменной длины, что также необходимо в пери-
скопах.
Если удлинять трубу нельзя, то для оборачивания изображения
используют призмы (см. бинокль) или трубу Кеплера заменяют тру-
бой Галилея.
Труба Кеплера большого увеличения с объективом большого
диаметра, очень тщательно изготовленным и исправленным на абер-
рации, применяется в астрономии как телескоп-рефрактор.
Зрительная труба Галилея состоит из со-
бирающей линзы — объектива и рассеиваю-
щей — окуляра, причем в трубе, наведенной
на бесконечность, задний фокус объектива
совмещен, как и в трубе Кеплера, с перед-
ним фокусом окуляра. Но поскольку у
окуляра фокусы мнимые (см. § 46), то его
передний фокус расположен справа от него
(рис. 215, а). Это афокальная система, также
преобразующая параллельный пучок в па-
раллельный меньшего диаметра. Чтобы на-
вести трубу на более близкий предмет, оку-
ляр, как и в трубе Кеплера, надо отодвинуть
от объектива (рис. 215, б). Глаз видит мнимое
неперевернутое изображение, которое кажет-
ся ближе и потому кажется крупнее
(рис. 215, в). Как и в случае трубы Кеплера,
важно не линейное увеличение, а угловое. Из
рисунка 215, в видно, что угловое увеличение
<р/<р0 равно отношению фокусных расстояний,
которое, как следует из рисунка 215, а,
также равно отношению диаметров пучков.
Труба Галилея дает неперевернутое
изображение, и она много короче трубы
Кеплера. Недостаток трубы — отсутствие про-
межуточного изображения, куда можно было
г
Рис. 214. Перископ.
225
Рис. 215. Зрительная труба Галилея: а — ход лучей при наведении на бесконеч-
ность; б — на не бесконечно удаленный предмет; в — построение изображения.
бы поместить перекрестие нитей или шкалу, а также меныпее поле
зрения (нет коллективной линзы) и невозможность получения боль-
ших увеличений из-за ограничения наклонных пучков (виньетирова-
ние).
Бинокль — прибор из двух параллельных зрительных труб для
наблюдения удаленных объектов двумя глазами. Изображение по-
лучается стереоскопическим (объемным). Театральный бинокль —
две скрепленные трубы Галилея. Он имеет небольшую длину, дает
неперевернутое изображение, но небольшое увеличение. Полевой
бинокль — две трубы Кеплера. Для перевертывания изображения
используется по две призмы в каждой трубе, поворачивающие лучи
на 180°. Одна призма при этом меняет местами верхние и нижние
лучи, другая — левые и правые, полностью таким образом поворачи-
вая изображение. Кроме того, призмы увеличивают стереоскопичес-
кий эффект (рис. 216).
Телескоп-рефлектор отличается от телескопа-рефрактора при-
менением в качестве объектива вогнутого зеркала вместо линзы. Вес
зеркала меньше, оно меньше деформируется и меньше деформирует
своей тяжестью телескоп, поэтому такая система применяется в боль-
ших астрономических инструментах. Рефлектор не страдает хрома-
тической аберрацией. В нем сравнительно легко (формой зеркала
или зеркал) устраняется и сферическая аберрация (рис. 217).
226
Рис, 216, Полевой призменный би-
нокль: Об — объектив, К — Г -— оку-
ляр Кельнера (К — коллективная
линза, Г — глазная, Ш — шкала или
крест нитей).
Рис. 217. Телескоп-рефлектор:
1 — фотопластинка, 2 — фотопла-
стинка или окуляр.
§ 63. РЕФРАКТОМЕТРЫ
Рефрактометр — прибор для измерения показателей преломления
веществ. Пусть имеется граница раздела двух сред с показателями
преломления nj и пг (рис. 218) и пусть п2 > пх. Если направить свет
из менее плотной среды в более плотную, то луч преломляется, откло-
няясь в сторону перпендикуляра к границе двух сред, наоборот, если
свет идет из более плотной среды в менее плот-
ную, то луч отклоняется от перпендикуляра
к границе:
Если в последнем случае постепенно увели-
чивать угол падения, то угол преломления
может стать равным 90° (рис. 218, б). Такой
угол i2 называется предельным: i2 = А. Он
удовлетворяет условию
^2. — s‘n 90° — * , (84)
пх sin A sin А
или
sin А = —. (85)
«2Г
Если, наоборот, направить свет в некоторую
точку границы раздела двух сред из менее
плотной среды под всеми возможными углами
от 0 до 90°, то в более плотной образуется
конус с углом между осью и образующей
А = arcsin (1/лг21) (рис. 218, б). Вне этого
конуса лучей не будет. Этот конус можно
Рис. 218. Преломление
всевозможных лучей на
границе раздела двух
сред (Я — предельный
угол).
227
Лг
Рис. 219. Основная часть
рефрактометра Пульфриха.
Рис. 220. Рефрактометр
Аббе.
назвать конусом полного преломления. Из-
меряя угол между осью полного конуса и его
образующей (угол Я), и находят показатель
преломления п2р
В рефрактометре Пульфриха на эталон-
ную призму /72 с известным показателем
преломления п2 помещается исследуемый об-
разец /71( показатель преломления Mj которо-
го следует измерить (рис. 219). При исследо-
вании жидких веществ на эталонную приз-
му ставится часть стеклянной трубки с
отшлифованным нижним краем, в которую
наливается исследуемая жидкость. Должно
быть п2 > Hi- Тогда, если направить сколь-
зящий луч слева на границу раздела, он пре-
ломится внутрь призмы П2 под углом А.
Угол А измеряется не непосредственно, а пу-
тем измерения угла ф (см. рис. 219) и после-
дующего пересчета.
Более совершенным является рефракто-
метр Аббе, основной его частью служит
узел из двух стеклянных призм. Между
призмами тонким слоем наливается жидкость,
показатель преломления которой
измерить (рис. 220). Нижняя призма Pt
предназначена только для освещения. Ее
верхняя грань делается матовой, и свет от
нее поступает в жидкость под всевозможны-
ми углами. Верхняя призма Р2 называется
измерительной. Ее нижняя грань отполирова-
на. В каждой точке этой полированной грани возникает конус пол-
ного преломления. Часть лучей этих конусов выходит через верхнюю
правую грань и после преломления попадает в зрительную трубу
(Об — объектив, Ок — окуляр), настроенную на бесконечность. При
этом левая (рис. 220) часть фокальной плоскости окажется освещен-
ной лучами, которые лежали в пределах конусов полного преломле-
ния. Правая же часть фокальной плоскости будет темной, так как
туда могли бы попасть только лучи, которые лежали бы вне конусов
полного преломления, а таких лучей нет. Положение границы между
светом и тенью определяется значением предельного угла А, а он,
в свою очередь, зависит от отношения показателей преломления ис-
следуемой жидкости и стекла. Таким образом, положение границы
однозначно связано с п, и в фокальной плоскости можно поместить
шкалу с делениями, которая градуируется в значениях показателя
преломления п. Шкала и граница рассматриваются через окуляр Ок.
5
Рис. 221. Интерферометр
Майкельсона (а). Появ-
ление полос в резуль-
тате наклона одного из
зеркал (6).
§ 64. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Простейшие интерференционные приборы
(бипризма, билинза, зеркала Френеля, зер-
кала Ллойда) используются для демонстра-
ции волновой природы света. Кроме того,
как элементы они входят в более сложные
установки и приборы, применяемые в техни-
ке и научных исследованиях (голографиче-
ские установки, интерферометры).
Интерферометры — приборы для измере-
ния оптической разности хода Д = —
— УъП-2- При известных значениях X и ~ п2
интерферометр позволяет сравнивать длины
уг •*— у2. Если же уг и у2 известны, то с по-
мощью интерферометра можно находить
значения «j, п2 или X, причем с очень боль-
шой (метрологической) точностью. Интерфе-
рометр Майкельсона применяется чаще для
сравнения длин отрезков (интерференцион-
ный компаратор, т. е. сравнитель), микро-
интерферометр Линника — для наблюдения
малых неровностей на поверхности, интер-
ферометр Жамена — для сравнения показа-
телей преломления, интерферометр Фабри —
Перо — для сравнения близких длин волн
(спектральный прибор высокой разрешающей
силы). Конкретные конструкции различают-
ся по типу делительного устройства.
Интерферометр Майкельсона. Схема этого интерферометра и ход
лучей показаны на рисунке 221. А и В — две плоскопараллельные
пластины из одного и того же стекла. Пластина Л со стороны, обращен-
ной к пластине В, покрыта полупрозрачным слоем серебра, Zr и Z2 —
зеркала. Пучок света от источника S падает на полупрозрачную пла-
стину А, поставленную под углом 45° к направлению луча света, и
разделяется на два пучка: 1-й — в направлении зеркала Zr и 2-й —
в направлении зеркала Z2. Эти лучи, отражаясь от зеркал Zr и Z2,
вторично попадают на пластину А. Луч 1 отражается от пластины А
в направлении.?. Луч 2 проходит сквозь пластину А в том же направ-
лении 3. Таким образом, в направлении 3 распространяются два
когерентных луча, а разность хода этих двух лучей зависит от геомет-
рической длины плеч интерферометра. Если разность хода 1-го и 2-го
лучей окажется равной X, 2Х, ЗХ и т. д., то в направлении 3 будет на-
блюдаться свет (условие максимума). Если же в направлении 3 на-
блюдается темнота, то это означает, что разность хода равна V2,
3(л/2) и т. д. (условие минимума). Перемещая зеркала Zx и Z2, можно
менять интерференционную картину, наблюдаемую в направлении 5.
Пластина В служит для устранения большой разности хода. Дей-
ствительно, луч 2 трижды проходит через пластину А, а луч 1 без
229
Рис. 222. Микроинтерферометр Лин-
ника (Об — объектив микроскопа,
Ок — окуляр).
пластины В — лишь один раз,
т. е. при равных длинах плеч ин-
терферометра уже имеется боль-
шая оптическая разность хода
лучей 1 и 2. Но при большой раз-
ности хода лучей интерференция не
наблюдается. Это связано с огра-
ниченной длиной испущенного цу-
га волн при одном акте испуска-
ния атома.
Если зеркала Zr и Z2 распо-
ложены под- некоторым углом
друг к другу, то разность хода лу-
чей а и b (рис. 221, б) будет раз-
личной. Возникнут полосы, как в
клине. Расстояние между полосами
зависит от угла наклона ср. Удобно
заменить отражение лучей от зерка-
ла отражением от зеркала Zj, ко-
торое является мнимым изображе-
нием зеркала ZtB посеребренном слое пластины А, а интерференцию в
интерферометре — интерференцией в клине Z2ZJ. Тогда для расстояния
между полосами справедлива формула Z = A/(2n cos р tg ср) с тем
упрощением, что cos р = 1 (и обычно п х 1). Для наблюдения та-
ких полос источник должен давать параллельный пучок. Этой цели
служит линза L (рис. 221, а).
Изменением расположения и фокусных расстояний линз, стоящих
на входе и выходе интерферометра, можно получить полосы равного
наклона.
Микроинтерферометр Линиика. Советский физик В. П. Линник
применил описанный интерферометр Майкельсона для контроля
качества обработки поверхностей. Схема этого микроинтерферометра
незначительно отличается от уже описанной. На пути луча 2 поме-
щается объектив микроскопа Об (рис. 222). Зеркало Z2 заменяется
исследуемой поверхностью. Интерференционная картина рассматри-
вается через окуляр микроскопа Ок. Для удобства наблюдения на-
правление интерферирующих лучей изменяется зеркалом Z3. Таким
образом, в микроинтерферометре совмещаются интерферометр и мик-
роскоп. Это дает возможность видеть одновременно увеличение изо-
бражения поверхности и интерференционные полосы.
Если на исследуемой поверхности имеются царапины или неров-
ности, то в этом месте полосы, искривляясь, смещаются. На рисун-
ке 223 даны примеры рельефа и соответствующие им картины полос,
которые видны в микроинтерферометр. Поскольку луч проходит
углубление дважды, то при глубине, равной Х/2, луч отстает на X,
что влечет за собой смещение на одну полосу. Так, на рисунке 223, в
глубина царапины равна Х/2. Точность определяется возможностью
заметить смещение полосы на 0,1 от расстояния между полосами и
230
Рис. 223. Интерференционные полосы, наблюдаемые в интерференционный микро-
скоп.
той точностью, с которой известна величина X. При применении свето-
фильтров (особенно интерференционных) или лазерного света точ-
ность повышается. Кроме того, при монохроматизации увеличивает-
ся общее число полос, а это увеличивает возможности измерений, на-
пример становится возможным измерять большие глубины неровно-
стей.
Интерферометр Жамена. Этот интерферометр применяется для
определения показателя преломления газов или жидкостей. Он со-
стоит из двух строго одинаковой толщины плоскопараллельных пла-
стин А и В (рис. 224). Эти пластины изготавливаются очень тщатель-
но из одного и того же стекла. Они ставятся параллельно (или
почти параллельно) друг другу и под углом 45° к прямой, их соеди-
няющей. Луч от источника S, падая на грань пластины А, частично
отражается (луч /), частично преломляется и после отражения и
преломления выходит параллельно лучу 1 (луч 2). После аналогич-
ных отражений и преломлений на гранях пластины В лучи идут вме-
сте, и поскольку они получены от одного и того же источника и про-
шли одинаковый (или почти одинаковый) оптический путь, они коге-
рентны и, следовательно, интерферируют.
При строюй параллельности пластин и лучей разность хода
равна нулю, и на выходе будет
усиление света. Если же лучи и
пластины чуть наклонены друг к
другу (этого избежать почти невоз-
можно, да и не нужно), то на вы-
ходе получатся полосы интерферен-
ции.
Лучи / и 2 (рис. 224) при боль-
шом значении h идут на довольно
большом расстоянии друг от дру-
га (несколько сантиметров). Это
позволяет поставить на пути каж-
231
дого луча по кювете. Если запол-
нять одну из кювет газом, то воз-
никает разность хода
Ду = I (п2 — nJ. (86)
В том месте экрана, где была свет-
лая полоса,постепенно появляется
темная. Наоборот, рядом возника-
ет светлая полоса, т. е. светлая
полоса, да и все остальные полосы
Рис. 225. Многолучевая интерферен-
ция в интерферометре Фабри — Перо.
Рис. 226. Сопоставление двухлучевой
и многолучевой интерференции.
смещаются. Если при заполнении
кюветы лучи 1 и 2 на выходе т раз
усиливают друг друга (т. е. через
данную точку экрана прошло т
светлых полос), то
n2 = nt±^. (87)
Это дает возможность находить
значение какого-либо газа по
отношению к значению напри-
мер воздуха (tii — известно). Пе-
реносный интерферометр Жамена
используется в йтахтах для опре-
деления концентрации метана СН4
и оксида углерода (II) СО.
Можно определять и значение
rii Для воздуха, выкачивая воздух
из одной кюветы (для вакуума
п == 1).
Интерферометр Фабри — Пе-
ро — прибор, в котором использу-
ется принцип многолучевой интер-
ференции. Он представляет собой
параллельные (или почти парал-
лельные) стеклянные пластины,
очень тщательно изготовленные
(рис. 225). Поверхности, обращенные друг к другу, покрываются
полупрозрачным металлическим слоем. Направив свет на интерферо-
метр перпендикулярно пластинам, мы получаем интерференцию в за-
зоре между пластинами, где лучи претерпевают многократные отра-
жения и при каждом отражении лишь часть энергии выходит нару-
жу. По выходе из пластины интерферирует не два когерентных лу-
ча, a N лучей. Сопоставим этот случай со случаем двухлучевой
интерференции. Если толщина зазора h и угол падения лучей на
поверхности пластин Р таковы, что
2hn cos В — kk + —,
2
(88)
232
то в отраженном свете при нор-
мальном падении будет максимум,
так как выходящие лучи окажутся
в фазе. Соответствующие вектор-
ные диаграммы даны на рисунке
226, а — д (два луча) и 226, а' — д'
(N лучей). Пусть теперь h (или 0,
или X) изменяется на небольшую
величину (рис. 225, правая часть).
Тогда при каждом прохождении
промежутка h туда и обратно будет появляться небольшая разность
фаз Дф (рис. 226, б). При интерференции двух лучей это не сильно
изменит величину равнодействующей (пунктир на рис. 226, б), если
же интерферируют N лучей и каждый следующий сдвинут по фазе на
Дф, то даже при малом Дф результирующая может стать равной нулю
(рис. 226, б'). При увеличении Дф результирующая для двух лучей
плавно уменьшается до нуля (при Дф = л, рис. 226, б — г) и снова
плавно возрастает до первоначальной величины при Дф — 2л
(рис. 226, 5). В случае же N лучей результирующая то исчезает
(рис. 226, б'), то появляется, но небольшой величины (рис. 226, в'),
и только при Дф = 2л (разность хода стала равной целому значению
X) спиральная векторная диаграмма вновь полностью раскручивает-
ся и дает большую результирующую (рис. 226, д').
Таким образом, при плавном изменении h (или X, или р) интенсив-
ность отраженного (или пропущенного) света меняется для двухлу-
чевой интерференции так, как показано на рисунке 226, е, а для мно-
голучевой — как на рисунке 226, е', т. е. максимумы (очень яркие и
узкие) получаются только при очень строгом выполнении условия
(88). Малейшее отступление от него ведет к минимумам.
Это может быть использовано для различения двух очень близких
длин волн Хх и Х2, которые в других спектральных приборах (приз-
менный спектрограф, дифракционная решетка) сливаются (не разре-
шаются). Если для Хх получается яркая и узкая полоса при данном
значении h и 0, то для Х3 усиление получится при другом значении h
(или р). Максимумы получаются узкими и поэтому не сливаются.
На рисунке 227 изображена полная схема интерферометра Фаб-
ри — Перо. S — протяженный источник света, А и В — строго па-
раллельные полупосеребренные пластины. Пучки лучей 1 и 2 падают
на пластины под разными углами и поэтому приобретают разную раз-
ность хода. В результате на экране получается серия узких полос
(колец). Если направить свет двух близких по величине длин волн X
(Xi и Х2), то полосы на экране будут двойными.
Дисперсионная область интерферометра Фабри — Перо невелика:
6Х = X2/2/i (получается дифференцированием основного уравнения
интерферометра 2hn cos |3 = 2/i == XX и добавлением условия. 8k = 1).
Это значит, что прибор годится для анализа нешироких спектров.
Если исходный спектр шире 6Х, то каким-либо другим прибором
(спектрографом, интерференционным светофильтром) из спектра надо
выделить небольшую часть (это называется ? скрещиванием приборов).
233
Рис. 228. Результат последователь-
ного пропускания света через два
интерферометра: а — одинаковые ин-
терферометры; б — с разными ft
(1 — пропускание первого, 2 — вто-
рого, 3 — двух интерферометров,
поставленных последовательно).
соответствующей условию 2/гп сс
Последовательное прохождение
света через оптические устройства
ведет к перемножению пропуска-
ний каждого устройства (напри-
мер, если одно пропускает 20%, а
другое 30%, то вместе они пропу-
скают 0,2 • 0,3 — 0,06, т. е. 6%).
Поэтому использование последова-
тельно двух интерферометров Фаб-
ри — Перо ведет к результатам,
изображенным на рисунке 228.
Два одинаковых интерферо-
метра используются для повыше-
ния контраста интерференционной
картины (многопроходный интер-
ферометр), интерферометры с раз-
ными h применяются для расши-
рения спектрального интервала
(мультиплекс).
Интерференционный свето-
фильтр — многослойная пленка
для выделения из излучения со
сплошным спектром приблизитель-
но монохроматического света. Каж-
дый слой представляет ‘собой ин-
терферометр Фабри — Перо. Он вы-
деляет излучение с длиной волны X,
р — kh. Для исключения возмож-
ности пропускания волн длиной Л 6Z, удовлетворяющих условию
2hn cos р = (& • 1) (Хф-6Х) (расширение свободного спектрального
интервала), значение h берется малым (6Х — №/2h, см. выше). Для
усиления монохроматичности берется несколько таких слоев после-
довательно. При наклоне интерференционного светофильтра по от-
ношению к проходящему лучу меняется р и в результате меняется
пропускаемая длина волны X.
Фурье-спектрометр. Если в интерферометре Фабри — Перо раз-
ность хода Д = 2hn cos р менять, закрепив зеркала, например, на
пьезоэлементах, длиной h которых можно управлять с помощью
электрического поля, или менять давление газа между пластинами и
тем самым менять величину п, то полосы интерференции будут сме-
щаться, а приемник света будет принимать переменный поток света.
Синусоидальное изменение разности хода А с частотой v ведет к
соответствующей модуляции тока приемника. Это позволяет исполь-
зовать усилители переменного тока.
Равномерное изменение величины Д со скоростью v (Д = vt) ведет
к сканированию спектра, т. е. к плавному смещению ио X.
Такое же равномерное изменение значения h = vt, но значитель-
ное (зеркала смещаются на большие расстояния), ведет к тому, что
модуляция возникает за счет многократного попадания на приемники
234
максимумов и минимумов. Частота модуляции при этом Q = 2и/Х.
Если спектр состоит из нескольких Х;, то для каждой получится
своя частота модуляции Q;. Полученные сигналы анализируются за-
тем на ЭВМ. Такой прибор и называется фурье-спектрометром
(ЭВМ должна произвести фурье-преобразование полученных сигна-
лов, чтобы получить спектр).
§ 65. ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ
Дифракционная решетка— спектральный прибор, используемый
в спектральном анализе. Простейшая решетка представляет со-
бой ряд параллельных между собой, одинаковых щелей шириной
а, разделенных одинаковыми непрозрачными участками шириной
Ь, так что пространственный период равен d = а + b (рис. 229, а).
Дифракция на дифракционной решетке наблюдается обычно в
параллельных лучах (дифракция Фраунгофера). Вначале получают
с помощью щели Щ (рис. 229, б) и линзы Л2, расположенной на фо-
кусном расстоянии от Щ, параллельный пучок. Линза Л1 — кон-
денсор для освещения щели Щ. На пути параллельного пучка ста-
вится решетка ДР, на которой происходит дифракция. Линза Лз сор-
тирует лучи по углу выхода из решетки а (собирая все параллель-
ные между собой лучи — пучок с одинаковым наклоном а — в одну
точку). (Если берется длинная щель Щ, идущая за чертеж, то пу-
чок собирается на экране пе в точку, а в линию, параллельную ще-
ли.) Угол а называется углом дифракции. Каждому значению а
соответствует определенная точка (линия) на экране. Встречаясь на
экране, лучи интерферируют. Задача заключается в том, чтобы выяс-
нить, при каких значениях а линия па экране будет светлой, а при
каких — темной, т. е. выяснить распределение энергии по экрану
(график на рис. 229, б справа).
«Лучи, дифрагировавшие на угол
а, имеют, вообще говоря, разные
фазы, так как прошли разные пути.
Сдвиги по фазе между ними за-
висят от значения а. При анализе
результатов дифракции ограничим-
ся лишь рассмотрением хода лучей
непосредственно вблизи препятст-
вия (рис. 230). Но будем помнить,
что все лучи, идущие от разных
участков щели под одним углом,
линза соберет на экране в одной
точке.
Если бы щелей было только две,
то, складывая лучи 1 и Г, 2 и 2',
п и п' (рис. 230, а), мы получили
бы максимумы усиления при таких
углах дифракции а, при которых
разность хода d sin а равна целому
Рис. 229. Дифракционная решетка (а)
и схема наблюдения дифракции, в па-
раллельных лучах (б).
235
числу волн пк (четному числу полуволн), а минимумы — при d sin а =
== (2п + 1)V2. В случае W щелей (рис. 230, б) максимумы останутся
там же, поскольку если между лучами 1 и 2 разность хода равна /А,
то между лучами 1 и k разность хода будет knh, т. е. тоже целое число
А,. Это главные максимумы, положение которых определяется основ-
ным уравнением дифракционной решетки:
dsina = HA. (89)
При незначительном изменении угла а разность хода (и разность
фаз) между лучами от двух соседних щелей изменится мало. Но для
сравнительно далеко отстоящих друг от друга щелей, даже при малом
изменении угла а, получится уже большая разность фаз (см. рассуж-
дения о многолучевой интерферометрии при объяснении действия
интерферометра Фабри — Перо).
Рис. 230. Дифракция на двух щелях
(а) и на /V щелях (б). Графики рас-
пределения интенсивности на экране
(в) и вид полос (г).
Рис. 231. Спектры дифракционной ре-
шетки в иемонохроматическом свете
(а, б, в) к разрешению двух близких
длин волн (г).
В результате при незначительном
отклонении от условия (89) усиле-
ния уже не получится. Максимум
резко переходит в минимум. Можно
показать (здесь — без доказатель-
ства), что при Мщеляхке-
жду двумя главными и
очень яркими макси-
мумами появляется
(N — 1) минимум, причем
ближайший к главному максимуму
минимум расположится от этого
максимума на угловом расстоянии,
равном —, а сами главные макси-
мумы станут очень узкими и очень
яркими (рис. 230, в). Следователь-
но, при большом числе N (диф-
ракционная решетка) по-
ложение максимумов (т. е. угол а)
может быть найдено с большой то-
чностью. Из условия главных мак-
симумов (89) при известном d мож-
но найти неизвестную длину волны
света. Именно поэтому дифракцион-
ная решетка может служить спект-
ральным прибором — прибором для
определения состава света по длине
волны А. На экране полосы выглядят
так, как показано на рисунке 230, г.
До сих пор речь шла о моно-
хроматическом свете с определен-
ной длиной волны А. Если значение
А увеличится, то увеличится и угол
a, та к что есл и р ису но к 231, а изоб-
ражает линии для синего цвета, то
236
красному будет соответствовать рисунок 231, б, а если в направленном
на решетку свете есть и все промежуточные цвета, то каждая полоса
расширится в спектр (рис. 231, в). Этих спектров будет несколько по
каждую сторону от центральной белой полосы. Номер полосы, т. е.
число п в уравнении (89), называется порядком спектра. При ис-
пользовании белого света спектр 3-го порядка перекрывается частич-
но со спектром 2-го, а спектры следующих порядков в результате
наложения вообще не видны. При использовании строго монохрома-
тического света, например после интерференционного светофильтра
или лазера, видны линии очень высоких порядков. •
Укажем параметры, характеризующие свойства дифракционных
решеток. Дисперсия решетки показывает, насколько велики углы,
на которые решетка разводит разные длины волн, и определяется как
D == daJd'K (угловая дисперсия). Дифференцированием основного
уравнения решетки (89) получаем D = n/d или D = nNlL, где L —
размер решетки, a N — общее число штрихов. Решетки делаются от
50 до 1200 штрихов на миллиметр (N/L).
Линейной дисперсией называется величина, измеряемая отноше-
нием dx'dT-., где dx — смещение линии по экрану при изменении дли-
ны волны X на величину Л. Линейная дисперсия связана с угловой
соотношением dxId'K = DF, где, F — фокусное расстояние применяе-
мой линзы.
Качество решетки как спектрального прибора, т. е. прибора,
способного различать разные длины волн, зависит еще от ширины
соответствующих главных максимумов (рис. 231, г). Английский
физик Рэлей показал, что различить две близкие длины волны
и Z2 еще удается, если максимум для находится в том месте экрана,
где для Z2 получается ближайший к максимуму минимум (точка А
на рис. 231, г). Способность решетки различать две близкие линии
называется разрешающей способностью. За меру разрешающей спо-
собности берется условно величина
---*---= А,
ДА.
где АХ — минимальное различие в длинах волн X, которое может ре-
шетка обнаружить, п-ый максимум для будет при а х nhjd, для
?.2 — при riK2!d- Ближайший минимум к последнему максимуму (для
Х2), как следует из сказанного ранее, будет при nkjd — K2!(Nd). Сле-
довательно, используя условие Рэлея, имеем:
— = (91)
d d Nd
Таким образом, разрешающая способность зависит не от числа штри-
хов на 1 мм, а от полного числа штрихов в решетке. В хороших ре-
шетках L достигает 30 см, а W достигает 105.
Свободный спектральный интервал (иногда применяется термин
дисперсионная область) — это допустимая ширина спектра 6Х, при
которой соседние порядки еще не перекрываются. Из рисунка 231, в
следует равенство п (% + 6Х) = (п + 1) К, т. е. 6Z = Х/м.
237
в
Рис. 232. Различные дифракционные решетки: а — амплитудная; б — фазовая;
в — фазовая профильная; г — отражательная профильная; д — вогнутая; е — уп-
равляемая.
Светосила (как и R) определяется размером решетки.
Изображенная на рисунках 229, а и 232, а решетка называется
амплитудной, так как модулирует фронт волны по амплитуде. При
этом значительная часть света теряется. Этого не происходит в
прозрачной фазовой решетке, в которой все участки прозрачны, но раз-
личаются по толщине (рис. 232, б). Такую решетку можно рассматри-
вать как совокупность двух решеток, действующих независимо.
Основное уравнение главных максимумов для нее остается справед-
ливым.
Прозрачная профильная решетка — фазовая решетка, каждый
участок которой представляет собой призму (рис. 232, в). Распределе-
ние энергии по углам здесь подчиняется не только дифракционному
условию главных максимумов (89), которое остается неизменным,
нов некоторой степени и условию преломления в призме. В обычной
непрофильной решетке основная энергия попадает в нулевой макси-
мум, что невыгодно. В профильной решетке возникает возможность
направить большую часть энергии в один из спектров какого-либо
порядка, например второго.
Профильная отражательная решетка (эшелетт, эшелетта, эшел)
нарезается на поверхности металла. При отражении от стенок, как
и в предыдущем случае, возникает возможность направить энергию
преимущественно в спектр нужного порядка. Угол б между плос-
костью решетки и плоскостью ступени называется углом блеска
(рис. 232, г). Из рисунка видно, что при нормальном падении луча
наиболее яркий спектр получается под углом, близким к 26 по отно-
шению к падающему лучу. Наклоняя решетку влево, можно добиться
того, что спектр порядка п будет усилен в направлении прямо проти-
воположном. Это используется в лазерной технике.
Вогнутая отражательная решетка (рис. 232, б) позволяет обойтись
без фокусирующих линз L{ и L2. Это особенно важно в далеком ульт-
238
рафиолете, когда материал линз поглощает излучение (см. спектро-
граф).
Управляемая дифракционная решетка — решетка с переменным
периодом. Получается в прозрачной пластине, в которой возбужда-
ются продольные звуковые (ультразвуковые) волны. Свет дифраги-
рует па сжатиях и разрежениях этих волн. Меняя частоту звука,
можно менять длину звуковой волны, а следовательно, период диф-
ракционной решетки. Применяется в дефлекторах (рис. 232, е).
§ 66. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Голографические установки служат для записи волны, отраженной
от предмета (или прошедшей через предмет), не только по амплитуде,
но и по фазе с целью последующего восстановления волны. Гологра-
фия — двухступенчатый процесс. На первой стадии получается голо-
грамма (зафиксированная картина интерференции волны от предмета
и когерентной с ней так называемой опорной волны). Вторая стадия —
воспроизведение изображения предмета путем освещения голограм-
мы одной только опорной волной. Голография дает возможность по-
лучить объемные, цветные изо-
бражения, создающие впечатление
более реальное, чем фотография,
рисунок и другие способы записи
изображения объемного предмета
на плоскости.
Голографирование заключается
в следующем. Если свет, вышед-
ший из точки S (предметная вол-
на, предметный пучок лучей П,
рис. 233, а), достигнет фотоплас-
тинки М, то он вызовет потемнение
пластины, равномерно убывающее
от верхней части пластины к ниж-
ней. Для получения фотографиче-
ского изображения нужно было бы
на пути волны поставить линзу. В
голографии вместо линзы исполь-
зуется второй пучок лучей, коге-
рентный с первым. Он называется
опорным и на рисунке обозначен
буквой О. Тогда на фотопластинке
получаются полосы интерференции.
Если в точке А максимум, то
следующий максимум будет в точке
В, если разность хода (СВ) лу-
чей света, приходящих в точки А
и В, равна к. Так что расстояние
между полосами будет
d = АВ = СВ/ sin ф == X/ sin ф. (92)
Рис. 233. Запись (а) и воспроизведе-
ние (б) голограммы по Лейту и Упат-
ниексу; в трехмерной среде (в).
239
Рис. 234. Установки для голографи-
рования: а — по методу Лейта и
Упатниекса; б — по методу встречных
пучков.
a
Чем больше угол падения лучей ср, 1
тем меньше расстояние d. Полу-’Я
чается дифракционная решетка с 1
переменным шагом. Проявим и
отфиксируем фотопластинку. Осве- j
тим ее теперь только опорным пуч-
ком О (рис. 233, б). Часть света <
пройдет прямо (нулевой максимум), ;
а часть дифрагирует под углом а :
вверх и вниз (первый и минус пер-
вый порядок). Из теории решетки
d sin а — X. (93)
Сопоставляя (92) и (93), видим,
что а = <р и а' = <р', т. е. после
дифракции лучи 1 и 2 пойдут так,
как будто они выходят из точки S'
(мнимое изображение точки S). Лу-
чи 3 и 4 сойдутся в точке S" и да-
дут действительное изображение,
которое можно видеть на экране,
если его поставить в это место, или.
глазом, помещенным за точкой S".
Наблюдателю покажется, что свет
вышел из точки S". Аналогич-
ное рассуждение можно повторить для любых точек предмета. Интер-
ференционные картины от этих точек наложатся друг на друга, но
суть явления не изменится: если уже в отсутствии предмета осветить
голограмму опорным пучком, наблюдатель увидит два изображения —‘
действительное перед голограммой и мнимое за ней.
Схема одной из голографических установок (для записи на пло-
ской фотопленке, схема Лейта и Упатниекса) дана на рисунке 234, а.
Л — лазер, Д — диафрагма, 3 — затвор от фотоаппарата, К — свето-
непроницаемый кожух, О — расширитель лазерного луча (объектив
микроскопа), П — предмет, Z — зеркало, М — фотопластинка для
записи голограмм. Вся установка располагается на очень массивном
столе С, который для исключения вибраций ставится на амортизирую-
щие .опоры.
Цветные изображения легко получить при записи голограмм в
толстых фотослоях (в трехмерной среде). При этом пучки направля-
ются на фотопластинку с разных сторон (рис. 234, б); Л — лазер,
Р — расширитель пучка, Г — голограмма, П — предмет. При вос-
произведении таких голограмм, в отличие от предыдущей схемы, не
требуется лазер. Достаточно вместо пучка О осветить голограмму
более или менее параллельным пучком, например от проектора. Со-
гласованное по фазе отражение от слоев создаст у наблюдателя впе-
чатление предмета за голограммой (рис. 233, в).
240
§ 67. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
•w.x
Рис. 235. Общая схема
спектрального прибора.
Разложение сложного света в спектр —
это гармонический анализ светового сигнала,
частотно-временное фурье-преобразование
функции q> (t) в функцию Ф (о), которая и на-
зывается спектром (рис. 235). Спектр излуче-
ния дает информацию о собственных частотах
источника света и, таким образом, дает сведе-
ния о химическом составе источника (качест-
венный и количественный спектральный ана-
лиз), о его состоянии (например, темпера-
туре, скорости движения) и другую информацию.
Принцип действия может быть различным: разложение света в
спектр призмой (см. спектроскоп, спектрограф и т. д.), дифракцион-
ной решеткой, интерферометром, выделение участков спектра цвет-
ными и интерференционными светофильтрами и т. д.
Рассмотрим параметры, по которым подбирается нужный спект-
ральный прибор.
1. Рабочий диапазон. Спектральный прибор может быть
рассчитан на видимую область (0,4—0,8 мкм), инфракрасную (ПК,
0,5—50 мкм), далекую инфракрасную (ДИК, 50 4- 100 мкм, область
смыкается с субмиллиметровым радиодиапазоном), ультрафиолето-
вую (УФ, 0,4 мкм = 400 нм — 200 нм), область вакуумного ультра-
фиолета (ВУФ, 200 50 нм) и область далекого вакуумного ультра-
фиолета (ДВУФ, X < 50 нм, смыкается с рентгеновской областью).
Рабочий диапазон (см. таблицу 7) определяется материалом ис-
пользуемых линз, призм, числом штрихов на 1 мм дифракционной
решетки, источниками (в спектрофотометрах) и приемниками излу-
чения.
2. Как правило, спектральный прибор разводит разные частоты
на разные углы а и соответственно в разные места х фокальной пло-
скости (рис. 235), где фокусируется спектр. Угловой диспер-
сией называется величина D ='~ , линейной — величина
dk
dx
—, которая, как видно из рисунка, равна DF. Часто используется
ак
обратная величина и говорят, например, «прибор имеет дисперсию
2 нм/мм».
3. В спектральном приборе даже строго монохроматический свет
не изображается бесконечно тонкой линией. Распределение интен-
сивности вдоль спектра для монохроматического света называется
аппаратной функцией или формой линии. В
связи с этим две близко расположенные линии могут сливаться и
быть неразличимыми. Способность прибора различать (разрешать)
две близкие частоты (длины волн Z* и Х2, — л2 = ДМ называется
разрешающей способностью — 1/Д1. Она зависит
от ширины щели, качества деталей прибора (линз, призмы и т. д.) и
принципиально ограничивается апертурой прибора (поперечными раз-
9 Заказ 771
241
Таблица 8
Спектральные приборы для разных областей спектра
Диапазон Фокусирующие элементы Диспергирующие • элементы Источники для спект- ров поглощения и отражения Приемники
ВУФ Металлические зеркала Дифракционные решетки Газоразрядные лампы Фотопленка, ФЭУ
УФ Зеркала, кварц Решетка, кварц » »
Видимый Зеркала, стекло, кварц Решетка, кварц, стекло Лампа накаливания, дуга, газоразрядные лампы »
ик Зеркала Решетка Силитовый стержень («глобар») Болометр
дик Матовые зер- кала Решетка Газоразрядные лам- пы Болометр, ОАП
мерами линз, призмы, решетки) вследствие дифракции па краях приз-
мы и т. д.
4. Свободный спектральный интервал (дис-
персионная область) — это полная ширина спектра 6^,, которую мож-
но исследовать данным прибором. В ряде приборов 6Х ограничивается
перекрытием спектров разных порядков (см. дифракционная решетка,
интерферометр Фабри — Перо). Обычно, чем больше разрешение R,
тем меньше 6А,.
5. Важным параметром является светосила, которая пока-
зывает, насколько полно используется свет исследуемого источника
и насколько ярким получается спектр. Это особенно существенно,
когда чувствительность приемника недостаточна для регистрации
излучений малой интенсивности. Светосила спектрального прибо-
ра — сложное понятие, прежде всего она зависит от размеров исполь-
зуемой призмы или решетки. Поскольку диаметр линз (зеркал) должен
соответствовать этим размерам, она определяется светосилой объек-
тива d2IF\ rjna d — его диаметр, F— фокусное расстояние. В пас-
порте прибора чаще указывается его относительное отверстие d/F.
Например, светосила прибора с относительным отверстием 1 : 2,5 в
16 раз больше светосилы прибора с отверстием 1 : 10.
Спектроскоп призменный — прибор для визуального наблюдения
спектров испускания. Принципиальная схема спектроскопа пред-
Рис. 236. Ход лучей в спектроскопе и спектрографе.
242
ставлена на рисунке 236. Спектроскоп состоит из трех основных ча-
стей: коллиматора К, служащего для получения параллельного пуч-
ка лучей, диспергирующей призмы П, разлагающей сложный свет на
монохроматические линии (в качестве диспергирующего устройства
может быть использована также и дифракционная решетка), и зри-
тельной трубы ЗТ для наблюдения спектра. Свет от источника S
проходит через конденсор Лг и освещает щель Щ коллиматора, кото-
рая расположена в фокальной плоскости объектива Л2 коллиматора.
Из объектива лучи света выходят параллельным пучком и направля-
ются на диспергирующую призму П. Если источник испускает слож-
ный свет, то вследствие дисперсии различные длины волн по-разному
преломляются в призме (преломление тем больше, чем короче длина
волны). Произойдет разложение света на монохроматические состав-
ляющие, и из призмы выйдут параллельные пучки лучей, соответст-
вующие волнам определенной длины \2, как показано на рисунке
236 (Xj > Х2). Эти параллельные пучки лучей соберутся в фокальной
плоскости объектива Л3 зрительной трубы в виде спектральных ли-
ний*. Из оптической схемы нетрудно понять, что эти спектральные
линии являются цветными изображениями щели Щ. Спектр может
наблюдаться через окуляр Л4.
Если дисперсия-велика и спектр широк, труба ЗТ должна повора-
чиваться относительно трубы К-
Для учебных целей и в портативных спектроскопах удобнее, если
труба ЗТ является продолжением трубы К- Этого можно достичь,
применяя призму прямого видения (призму Амичи), состоящую из
трех призм, причем средняя имеет больший показатель преломления.
Углы рассчитываются так, чтобы средняя часть спектра находилась
на оси трубы.
Если при получении спектров экран находится на значительном
расстоянии, то можно обойтись одной линзой Л, не считая конденсо-
ра (рис. 237). Пучок, идущий через призму, можно сделать почти
параллельным, как и требуется в спектроскопе, но все же чуть схо-
дящимся, так что на большом расстоянии он фокусируется**. Обычно
используется призма прямого видения. Сначала фокусируется на эк-
* Так как в линзе JIS лучи с длиной волны ?.2 преломляются сильнее (хромати-
ческая аберрация), фокальная плоскость несколько перекошена и соответствует
положению СК-
* * Однако если упомянутое условие (большое расстояние до экрана) не выпол-
нено, получение таким образом спектра является грубой ошибкой.
9* 24Ь
ран изображение щели, затем на пути лучей
ставится призма. Для получения эмиссионно-
го спектра исследуемый источник света (на-
пример, ртутная лампа) помещается в точкуS.
Для получения спектра поглощения в точку
S помещается источник сплошного спектра
(лампа накаливания, дуга), а поглощающий
элемент (цветное стекло, раствор) ставится в
любом месте пучка между источником S и экра-
ном (см. спектрофотометр).
Спектрограф отличается от спектроскопа
тем, что спектр наблюдается не визуально,
а фотографируется фотопластинкой, кото-
рая помещается в фокальную плоскость объек-
тива КС (рис. 236). Спектрографы— приборы
с большой дисперсией, разрешением и свето-
силой. Отсюда большие габариты и вес. Для
увеличения дисперсии, достижения более ком-
пактного расположения деталей обычно при-
меняются более сложные схемы, чем в спект-
роскопах. Применяется призма Аббе, ком-
бинации нескольких призм, а также авто-
коллимационные схемы, когда свет проходит
одну и ту же призму дважды, отразившись
от зеркала (рис. 238, а, П2 — призма Литтрова).
Вместо призм в спектрографах часто ис-
пользуются дифракционные решетки, особен-
но в ультрафиолетовой и инфракрасной об-,
ластях. Фокусирующие линзы заменяются зер-
калами. На рисунке 238, в дан ход лучей в
спектрографе с дифракционной решеткой и
зеркалами, на рисунке 238, г — с вогнутой
дифракционной решеткой, которая одновре-
Рис. 238. Различные схемы спектрографов: а — с приз-
мой Литтрова; б — с призмой постоянного отклонения
Аббе; в —с дифракционной решеткой и фокусирующими
зеркалами; а — с вогнутой дифракционной решеткой.
менно играет роль диспергирующего и фокусирующего элемента.
Монохроматор — прибор для получения монохроматического
света. Отличается от спектроскопа тем, что на месте сфокусиро-
ванного спектра ставится вторая щель, через которую из при-
бора выходит только свет определенной длины волны. Наиболее
распространены монохроматоры с призмой Аббе (рис. 238, б),
входящий и выходящий лучи при этом расположены под прямым уг-
лом, а сканирование спектра (вывод поочередно той или иной длины
волны на выходную щель) осуществляется поворотом призмы пу-
тем вращения барабана. Значения длин волн наносятся на барабан.
244
Спектрометр решает те же задачи, что и спектрограф, но в нем
используется фотоэлектрическая и теплоэлектрическая (термоэлект-
рическая) регистрация. Он состоит из монохроматора, за выходной
щелью которого помещается фотоэлемент (фотоэлектронный умно-
житель, болометр).
На приемное отверстие фотоэлемента или ФЭУ выводятся после-
довательно разные участки спектра (сканирование), ток от приемника
усиливается и подается на самописец, который выписывает график
зависимости этого тока от длины волны.
Стилоскоп — это спектроскоп, приспособленный для быстрого
качественного спектрального анализа путем визуального наблюде-
ния и приблизительного сравнения спектральных линий по интен-
сивности. Обычно это прибор с хорошей дисперсией и разрешением,
но не обязательно широким спектральным интервалом.
Стилометр — то же, что и стилоскоп, но с фотоэлектрической ре-
гистрацией, что повышает точность количественного спектрального
анализа.
Квантометр — прибор, отличающийся от монохроматора тем,
что в нем на выходе ставится не одна, а несколько щелей в строго
определенных местах спектра, соответствующих линиям какого-либо
элемента. За каждой щелью, как и в стилометре, стоит свой прием-
ник. Прибор предназначен для быстрого количественного спектраль-
ного анализа на определенный элемент или несколько элементов.
Токи от приемников поступают в небольшое вычислительное устрой-
ство, выдающее сразу в процентах содержание примеси данного эле-
мента, например, в стали.
К спектральным приборам относятся также интерферометр Фаб-
ри — Перо, фурье-спектрометр и некоторые другие устройства.
(О спектрофотометрах см. в § 68.)
Вспомогательные приборы спектрального анализа. Для получения
спектра испускания (эмиссионного спектра) необходимо перевести
вещество в газообразное состояние и возбудить атомы (молекулы)
газа. Эту задачу решают с помощью электрической дуги, в которую
вносится исследуемое вещество; искры, которую создают между каким-
либо электродом и исследуемым телом (при этом часть вещества ис-
паряется и попадает в плазму разряда, где возбуждается); или пла-
мени. Используются и другие способы возбуждения. Для возбужде-
ния дуги (искры) выпускаются специальные генераторы дуги (иск-
ры). В стилоскопах и стилометрах такие генераторы встроены в
прибор.
При фотографической регистрации спектра для анализа сфотогра-
фированных спектров (спектрограмм) используются спектропроекто-
ры — для рассматривания и сравнения спектрограмм в увеличенном
виде, микрофотометры — для точного исследования распределения
почернения фотопластинки вдоль спектра, компараторы — для точ-
ного сравнения положений линий в спектре исследуемого вещества и
в эталонных спектрах.
§ 68. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ПИРОМЕТРЫ
Фотометр служит для сравнения освещенностей Е двух поверх-
ностей. Поскольку освещенность измеряется световым потоком Ф,
падающим на единицу площади S (Е = Ф/S), а поток связан с силой
источника света / (в простейшем случае Ф = /Q, где Q — телесный
угол, в котором распространяется свет) и поскольку величина I,
в свою очередь, может быть выражена через светимость R или яркость
В источника (в простейшем случае R — Ф/S, В — I/S, где S — пло-
щадь нормальной к лучу излучающей поверхности), то с помощью
фотометра можно сравнивать и эти величины. Если на пути светового
потока поместить слой вещества, частично поглощающего свет, то
поток ослабляется: Ф = Фо е~‘1х, где х — толщина слоя. Сравнивая
фотометром Ф и Фо, можно найти коэффициент поглощения ц. Анало-
гично определяется коэффициент отражения (рассеяния).
На рисунке 239, а изображен простейший фотометр для сравнения
двух источников света. П — призма, поверхность которой покрыта
белой матовой краской. Равенства освещенностей боковых граней
призмы можно добиться, отодвигая более яркий источник Е (Е ~
1/гг) или вводя серое стекло (нейтральный светофильтр НС) из-
вестной кратности. Получив одинаковую освещенность граней приз-
мы, производят вычисления по упомянутым формулам и находят нуж-
ные величины.
Вместо набора фильтров НС разной кратности для достижения
фотометрического равновесия используют оптическую систему
(рис. 239, б), в которую вводится диафрагма. Если она помещается
в зрачок оптической системы (вблизи объектива зрительной трубы Об,
Рис. 239. Фотометр: а — простейшая конструкция; б — с регулировкой освещен-
ности диафрагмой; в — переменная диафрагма в виде надвигающейся на отверстие
«гребенки»; г, д — сведение пучков призмами.
246
I
Рис. 240. Микрофотометр: а — ход
лучей; б — исследуемая фотопла-
стинка; в — график плотности, полу-
ченный на микрофотометре.
составленной из Об и окуляра
Ок), то такая диафрагма не ме-
няет поля зрения, но снижает
освещенность изображения. Кон-
струкция переменной диафрагмы
может быть такой, как в фотоап-
парате (ирисовая), или в виде
«гребенки» (рис. 239, в), постепен-
но надвигаемой па отверстие. Для
сведения двух пучков в одно по»
ле зрения могут использоваться
зеркала, а также призмы (рис. 239,
г, 5.)
При определении коэффициен-
та поглощения серого стекла или
другого вещества диафрагму Д2
раскрывают полностью (рис. 239,
б), диафрагмой Дг уравновешива-
ют освещенности полей зрения.
Затем помещают исследуемое ве-
щество В в левый канал и снова
выравнивают освещенности, прик-
рывая диафрагму Д2, которая прог-
радуирована в единицах оптичес-
кой плотности D = 1g (/0//).
Коэффициент поглощения находит-
ся из формулы D = [id lg е =
— 0,43 [id, гдей — толщина образца.
Микрофотометр — прибор для
исследования распределения по-
чернения на фотопластинке, т. е. для сравнения оптических плотно-
стей на разных микроучастках этой пластинки. Микрофотометр обыч-
но используется для анализа снятых на фотопластинку спектров.
На рисунке 240, а изображена схема микрофотометра. / — источ-
ник света, Л4О — микрообъектив, Ф — исследуемая фотопластинка,
ФЭ — фотоэлемент, Пр — измерительный прибор. Рисунки 240, б
и 240, в поясняют задачу, которую решают с помощью микрофотомет-
ра: б — вид спектра, сфотографированного на пластинку, в — кри-
вая, которую дает микрофотометр.
Колориметр — измеритель цвета. Пусть нужно определить опти-
ческую плотность не серого, а цветного прозрачного тела. Тогда
плотность будет разной для разных длин волн. Прибор, определяю-
щий зависимость оптической плотности от длины волны, называется
спектрофотометром. Колориметр — это простейший спектрофото-
метр. Из белого света, даваемого источником S (рис. 241, а), с по-
мощью цветного светофильтра ЦС выделяется свет определенной
длины волны, который с помощью зеркал Zj и Z2 направляется на
призму П по двум каналам. В левое плечо устанавливается образец,
а в правое такой нейтральный фильтр НС илн диафрагма, чтобы ос-
247
Рис. 241. Колориметр (а) и спектро-
фотометр (б).
вещенности граней призмы стали
одинаковыми. По параметру диа-
фрагмы (или НС) находится плот-
ность D образца на данной длине
волны X. Затем, меняя длину вол-
ны А (т. е. меняя светофильтр ЦС),
находят плотность D для другой А
и т. д. Так строится график D (X),
а если известно d, то и р (А). С по-
мощью колориметра можно опреде-
лять и спектры отражения х (А),
где х — коэффициент отражения.
Для этого зеркало Z2 заменяют бе-
лой матовой поверхностью (эталон),
а образец помещают на место зер-
кала Zt.
Спектрофотометр. Цветные фи-
льтры в колориметре не очень точ-
но выделяют определенную длину
волны. Поэтому колориметр непри-
годен для детального исследования
поглощения и отражения. В спект-
рофотометре набор цветных свето-
фильтров заменяется монохрома-
тором М (рис. 241, б). Спектро-
фотометр снабжается автоматикой,
которая постепенно меняет длину
волны света, выходящего из моно-
хроматора, а значения оптической
плотности или пропускания Т— J/Jo
(в процентах) автоматически запи-
сываются на бумаге в виде графика
D (А) или Т (А). Для этого используются два фотоэлемента ФЭ
(рис. 241, б). Разность сигналов от этих фотоэлементов поступает на
усилитель V, а затем на электродвигатель отработки ЭД, который
изменяет диаметр отверстия диафрагмы Д до тех пор, пока потоки не
уравняются (обратная связь). Диафрагма соединена с пером само-
писца Пр, которое смещается вправо и влево по бумаге Б в зависи-
мости от изменения диаметра диафрагмы Д, т. е. от оптической плот-
ности образца. Барабан монохроматора, меняющий длину волны А,
приводится в движение двигателем длин волн ЭД\ . С барабаном свя-
зано передвижение бумаги, так что с изменением значения А бумага
смещается. Поэтому на бумаге вычерчивается график D (А). Чаще
используется усиление на переменном токе. Свет обоих каналов на-
правляется на один и тот же фотоприемник, но по очереди. В резуль-
тате амплитуда вырабатываемого приемником переменного тока за-
висит от разности потоков света, а фаза — от того, который именно
из потоков больше. Этот сигнал анализируется радиотехническим
устройством, которое и управляет диафрагмой Д и пером самописца Пр.
248
Пирометры служат для бескон-
тактного измерения температуры
раскаленных тел (в том числе весь-
ма удаленных) по их излучению.
Принцип действия пирометра за-
ключается в следующем. Излучение
улавливается объективом Лг зри-
тельной трубы и концентрируется
в изображение вблизи фокальной
плоскости (рис. 242, а). Изображе-
ние наблюдается через окуляр Л2.
Яркость В2 этого изображения,
если не учитывать потерь на стек-
лах, равна яркости светящегося
объекта В±, что следует из рисун-
ка и следующих соотношений:
i/ф = BjQjdsj, af
dO = B2Q2ds2, dS1 a2
Освещенность изображения E2 за-
висит от яркости объекта и от свето-
силы объектива (см.):
Е^В^ (95)
где d — диаметр объектива, F —
его фокусное расстояние. Яркость
связана с излучательной способ-
Рис. 242. Пирометры: а — к выводу
яркости изображения; б — радиа-
ционный пирометр; е — яркостный
пирометр; г—к принципу работы
цветового пирометра.
ностью тела, которая, согласно за-
кону Стефана — Больцмана, пропорциональна четвертой степени
температуры. Это дает возможность, измеряя В2 или Е2, судить о тем-
пературе раскаленного источника.
Кроме того, от температуры зависит распределение энергии в
спектре излучения (рис. 242, г). Чем выше температура, тем больше
смещается максимум кривой распределения энергии в сторону мень-
ших длин волн (закон смещения Вина). Это также можно использо-
вать для измерения температуры..
Конструкции пирометров различаются способами измерения энер-
гии излучения, образующего изображение.
Пирометр радиационный измеряет освещенность изобра-
жения каким-либо, приемником излучения — термопарой, боломет-
249
ром, фотоэлектронным умножителем. В этом случае, глядя я
окуляр, наблюдатель следит за тем, чтобы изображение полностью
покрывало приемник (рис. 242, б). При этом гальванометр Г показы-
вает температуру объекта, если он заранее был проградуирован по
излучению абсолютно черного тела. Если тело не черное, то оно из-
лучает меньше энергии, а прибор показывает мепыпую, чем в дейст-
вительности, температуру (радиационную температуру Тр < Т).
Пирометр яркостный (с «исчезающей нитью») сравнивает я р-
кость изображения с яркостью нити специальной лампы, совме-
щенной с изображением (рис. 242, в). Лампа питается от источника S
через реостат. При изменении сопротивления реостата меняется
накал нити. В момент, когда яркость нити равна яркости изображе-
ния, нить на фоне объекта становится неразличимой. По силе тока,
которую в этот момент показывает амперметр, судят о температуре
нити, а следовательно, и объекта. Амперметр градуируется по излу-
чению абсолютно черного тела в градусах Цельсия. Измеренная этим
пирометром температура называется яркостной Тя. Как и в предыду-
щем приборе, она оказывается ниже истинной (Тя < Т). Яркостная
температура отличается и от радиационной, так как обычно исследу-
ется не весь поток энергии, а только его часть, выделенная светофильт-
ром ЦС (обычно красным). Если яркость наблюдаемого объекта ве-
лика, то вводят еще ослабляющий серый фильтр НС. Градуировка
при этом получается другой, и рядом с первой шкалой наносится
вторая.
Цветовой пирометр исследует распределение энергии
в спектре источника. Если в радиационном пирометре вводить
поочередно через равные промежутки времени то красный, то синий
светофильтр, то в болометре возникнет переменный ток. Амплитуда
колебаний этого тока зависит от разной излучательной способности
объекта в синей и красной областях спектра (рис. 242, г), которая, в
свою очередь, зависит от температуры. Этот прибор дает верные по-
казания также только для абсолютно черного тела. Для других тел
получается цветовая температура, которая может сильно отличаться
от термодинамической.
§ 69. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Полярископ — прибор для исследования механических напряже-
ний в твердых прозрачных телах (стекле, плексигласе). Через скре-
щенные поляризаторы свет не проходит. Не проходит он и в том слу-
Рис. 243. Схема полярископа.
250
чае, если между поляризаторами
поместить изотропное вещество.
Если же й этом веществе под дей-
ствием механических напряжений в
отдельных участках возникнет ани-
зотропия, т. е. появится выделен-
ное направление, называемое опти-
ческой осью (рнс. 243), то проис-
ходит интерференция поляризован-
пых лучей (см. модулятор света)
и в этом месте свет проходит, да-
вая возможность наблюдать глазом
распределение механических нап-
ряжений в прозрачном веществе.
Поляриметр и сахариметр. Не-
которые вещества (их называют
оптически активными) обладают
способностью вращать плоскость
поляризации. Поставим между дву-
мя скрещенными поляроидами кю-
вету с раствором сахара. Поле
зрения просветлится. Чтобы вновь
получить темноту, надо повернуть
поляроид А (рис. 244, а) на такой
угол гр, на какой в растворе саха-
ра произошел поворот плоскости
поляризации. Существуют право-
вращающие и левовращающие ве-
щества. Направление вращения ус-
ловно считается правым, если для
наблюдателя, смотрящего навстре-
чу лучу, плоскость поляризации рис 244. Поляриметр (сахариметр):
поворачивается по часовой стрел- а — простейшая схема; б — полуте-
ке. Одно и то же вещество может невой поляризатор; в — поляриметр с
иметь лево- и правовращающие мо- полутеневым поляризатором,
дификации, например кварц. Для того чтобы в пластинке кварца
происходил только поворот плоскости поляризации, но не двойное
лучепреломление, надо, чтобы свет шел вдоль оптической оси. Угол
поворота пропорционален толщине кристалла:
ф = a.L,
(96)
где а (постоянная вращения) характеризует свойства кристалла.
Для измерения вращательной способности (углов поворота) при-
меняются поляризационные приборы — поляриметры. Простейший
тип поляриметра состоит только из поляризатора и анализатора,
которые вращаются вокруг общей оси. Поляризатор и анализатор
устанавливаются на темноту. Если поместить между ними оптически
активное вещество, то поле зрения просветляется. Поворотом анали-
затора поле зрения вновь затемняется. Угол поворота анализатора
и дает вращательную способность вещества. Но в таких упрощенных
поляриметрах трудно установить наибольшую затемненность поля
зрения, а следовательно, измерение углов производится неточно.
Для более точного измерения угла вращения предназначены полу-
теневые поляриметры. В этих поляриметрах- используется способ-
ность человеческого глаза с большой точностью определять равенство
освещенностей двух соседних полей зрения. С этой целью в поляри-
метрах применяются полутеневые устройства, назначение которых в
делении поля зрения прибора на две или три соприкасающиеся части,
251
освещенности которых уравниваются поворотом анализатора. На-
клеим на поляризатор П, пропускающий колебания Ех (рис. 244, б),
узкую пластинку кварца К. под небольшим углом к Пластинка К
вырезается из кристалла кварца так, чтобы ее оптическая ось была
перпендикулярна плоскости чертежа. Тогда она повернет плоскость
колебаний (допустим, влево) на некоторый угол. После анализатора
(без исследуемого вещества) все три части поля зрения будут затем-
нены одинаково только в том случае, если анализатор поставлен в
положение MN так, что он пропускает лишь малые и одинаковые
проекции векторов Е± и Е2. Если внести между таким усложненным
поляризатором и обычным анализатором вещество, вращающее пло-
скость поляризации, то все колебания (и Elt и £2) повернутся на оди-
наковый угол гр в одну сторону и части поля зрения станут освещен-
ными неодинаково. Чтобы снова получить одинаковые освещенности,
надо повернуть анализатор в ту же сторону на тот же угол гр. Это и
позволяет измерить гр. Полностью схема поляриметра изображена
на рисунке 244, в. S — источник света, Лх — линза, дающая при-
мерно параллельный пучок, П — сложный поляризатор, X — ис-
следуемое вещество, А — анализатор, Л2 и Л3 — зрительная труба,
которая передвиганием окуляра Л3 настраивается так, чтобы видеть
сложный поляризатор П. Анализатор А скреплен с лимбом для
отсчета углов гр.
Чаще всего такие поляриметры применяют для определения кон-
центрации сахара в воде. В этом случае угол гр пропорционален кон-
центрации с и длине I (рис. 244):
гр = acl. (97)
Величину а называют удельным вращением плоскости поляризации.
Прибор может быть проградуирован в единицах концентрации саха-
ра. Тогда он называется сахариметром.
§ 70. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
В приборах электронной оптики вместо световых лучей исполь-
зуются потоки электронов. К этим приборам относятся электронный
прожектор (электронная пушка) любого электронно-лучевого прибора
(см. электронно-лучевые трубки осциллографа, телевизора, телепере-
дающие трубки и т. д.), электронно-оптические преобразователи,
электронный микроскоп и другие приборы.
Электроны движутся прямолинейно только в вакууме, поэтому
приборы электронной оптики — вакуумные приборы. В качестве
источника электронов используется накаленный катод (см. электрон-
ные лампы). Для фокусировки используются электростатические и
магнитные линзы.
Электростатическая линза — это два полых цилиндра, внутри.
которых движутся электроны. Между цилиндрами приложена уско-
ряющая разность потенциалов. На рисунках 245, а, б показана такая
252
Рис. 245. Линзы электронной оптики: а — электростатистическая; б°—объяснение
ее действия; в — короткая магнитная; г — объяснение ее действия.
линза и для упрощения объяснения ее действия — идеализирован-
ная форма силовой линии электрического поля. В точке / электрон от-
клоняется к оси прибора, в точке 2 — от оси. Но на участке 1—2
электрон ускоряется, поэтому импульс силы F&t (А/ — время проле-
та), которая действует на электрон в точке 2, будет -меньше, чем в
точке 1. В результате электрон отклоняется к оси
больше, чем от оси, и фокусируется в точке М.
Из магнитных линз рассмотрим короткую маг-
нитную линзу. Это.короткая катушка, создающая
неоднородное магнитное поле В (рис. 245, в). На
рисунке 245, г для упрощения объяснения линия
индукции магнитного поля слегка искажена. В
точке 1 на электрон действует сила Лоренца
F — e[v X В], направленная к читателю. В резуль-
тате электрон в дополнение к своей скорости v
приобретает составляющую и', перпендикулярную
чертежу. В точке 2 эта составляющая будет ликви-
дирована, так как здесь сила Лоренца направлена
в обратную сторону. Между точками 1, 2 сила Ло-
ренца, действующая на и, равна нулю, так как
v || В, но сила, действующая на и', будет откло-
нять электрон по направлению к оси.В результате
электроны фокусируются в точке М.
Рассмотрим в качестве примера прибора элект-
ронной оптики электронный микроскоп (рис. 246).
Он состоит из электронного прожектора, состоя-
щего из катода, и электростатических линз.
Рис. 246. Электронный микроскоп: / — катод, 2 — фоку-
сирующий электрод, 3 — ускоряющие аиоды, 4 — конден-
сорная линза, 5 — объект. 6— линза-объектив, 7 —проекцион-
ная линза, 8 — экран.
253
Прожектор формирует электронный луч, падающий на объект. Далее
несколько коротких магнитных линз дают увеличенное изображение
на катодолюминесцирующем экране, где оно становится видимым.
Длина волны ускоренного напряжением U электрона равна
, h h 1,225 • IO"9 . х 1,225 . . ,по.
1 = — = г_______(м) = —(нм). (98)
то f2emU У17 (В) У U (В)
В электронных микроскопах используются ускоряющие напряжения
от 50 кВ до 1 МВ = 106 В. Поскольку длина волны электрона полу-
чается меньше длины волны света, то дифракция сказывается слабее.
В результате в электронный микроскоп можно наблюдать более мел-
кие детали, чем в оптический. Наиболее совершенные микроскопы
дают даже изображения атомов вещества. Однако линзы электрон-
ного микроскопа не удается изготовить свободными от аберраций.
Поэтому приходится использовать очень узкие пучки лучей (малую
апертуру). Это сильно снижает разрешение. Оно определяется не
только величиной U, а в значительной степени конструкцией и ка-
чеством изготовления линз.
Если люминесцирующий экран или фотопластинку поместить не
в сопряженную, авфокальную плоскость последней линзы, то
получится дифракционное изображение. В электронном микроскопе
экран или пластинку не смещают, а передвигают или меняют линзы,
или изменяют силу тока одной из магнитных линз. Этим микроскоп
переводится в режим микродифракции. Дифракционная картина
(аналогичная лауэграмме в рентгеноструктурном анализе) называет-
ся здесь электронограммой. По электронограмме можно
судить о симметрии расположения атомов в образце, о межатомных
расстояниях и дефектах кристаллической решетки. Существуют и
специальные приборы, предназначенные к работе в таком режиме.
Они называются электронографами.
Высокие напряжения, необходимость создания хорошего вакуу-
ма, а также устранения вибраций (амплитуда вибраций должна быть
много меньше размеров наблюдаемых деталей) делают электронный
микроскоп сравнительно громоздким прибором.
Кроме такого микроскопа, работающего на просвет (электроны
проходят сквозь объект), существуют отражательные, эмиссионные,
растровые и другие электронные микроскопы разного назначения.
ГЛАВА VIII
ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
И ДОЗИМЕТРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Аппаратура, применяемая в ядерпой физике, очень сложна и
разнообразна. В ядерной физике используются почти все приборы,
о которых шла речь в предыдущих главах (насосы, электромагниты,
электронные приборы и т. д.). В то же время специфически ядерные
приборы — это уникальные сложные установки, громоздкие и
дорогостоящие. Исключение составляют детекторы излучений— весь-
ма распространенные лабораторные приборы, которые мы и
рассмотрим.
§ 71. ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Способы обнаружения элементарных частиц (а-частиц, р-частиц,
т. е. быстрых электронов, протонов, мезонов, нейтронов, нейтрино
и т. д.) зависят от того, имеют ли они заряд.
Заряженная частица при своем движении ионизирует атомы сре-
ды, через которую она пролетает. Поскольку энергия частицы обыч-
но много больше энергии ионизации атома, частица создает на своем
пути большое количество пар ионов. Это и дает возможность обнару-
жить частицу. Количество созданных пар ионов на единицу длины
пробега частицы, как показывает теория, приблизительно пропорцио-
нально плотности . среды, квадрату заряда частицы, обратно пропор-
ционально квадрату скорости частицы и не зависит от массы частицы.
Так, а-частица создает гораздо больше ионов на единицу своего пути,
чем р-частица, поскольку заряд у нее вдвое больше, а скорость при
той же энергии много меньше.
Ионизационные приемники (детекторы) быстрых заряженных ча-
стиц различаются способами обнаружения этой ионизации.
Ионизационная камера (рис. 247) — это камера, содержащая
объем газа, в котором пролетающая частица создает определенное
количество пар ионов. Подключенный источник тока, создавая элект-
рическое поле, приводит эти ионы в движение. Попадая на электрод,
N ионов, если они однозарядные, изменяют потенциал электрода на
At/ = eNIC, где С — электроемкость электродов камеры. Это изме-
нение потенциала (импульс напряжения) подается на вход усилителя.
На выходе усилителя ставится измерительный прибор. По величине
NU можно судить об ионизирующей способности частицы (А), а сле-
довательно, различать частицы и определять их энергию.
Кроме такого импульсного режима, камера может работать и в
токовом режиме, когда частицы, следуя одна за другой, создают не-
который средний ток через камеру.
255
Рис. 247. Ионизационная камера.
Рис. 248. Счетчик Гейгера — Мюлле-
ра (а), силовые линии электрического
поля в счетчике (б); схема включения
(в); электронно-ионные процессы в
счетчике (г); зависимость величины
импульса от поданного напряжения
счетная характеристика (е);
мертвое время и время восстановле-
ния (ж).
Ионизационные камеры срав-:
нительно малочувствительны, ис-
пользуются для регистрации силь-
но ионизирующих частиц или как
дозиметры.
Газовый счетчик отличается от
ионизационной камеры резкой асим-
метрией электродов. Анод выпол-
няется в виде очень тонкой нити,
а катод — в виде коаксиального
цилиндра (рис. 248, а). Электриче-
ское поле при такой конфигурации
равно
г- и
Е == -------- и очень велико
Г In (rjr+)
вблизи анода (рис. 248, б). Если
в ионизационной камере поле слу-
жит лишь для приведения ионов
в движение и импульс не зависит
от величины поля, то в счетчике
электроны, попадая в область силь-
ного поля, получают настолько боль-
шую энергию, что сами произво-
дят ионизацию, порождая новые
ионы, которые, в свою очередь,
ускоряются и т. д. Образуется ла-
вина электронов и ионов. Этот про-
цесс называется газовым уси-
лением. Газовое усиление зави-
сит от величины приложенного к
счетчику напряжения (7. При неболь-
ших U величина получающегося
импульса пропорциональна вели-
чине первоначальной ионизации
N. В этом случае по величине им-
пульса, как и в ионизационной
камере, можно различать частицы
и определять их энергию. Такой при-
бор называется пропорциональным
счетчиком.
Если повысить U, то развивает-
ся мощная лавина, размер которой
(общее число ионов) уже не будет
зависеть от величины первоначаль-
ной ионизации N. Такой счетчик
называется счетчиком Гейгера —
Мюллера (сокращенно счетчиком
Гейгера). Импульс в нем получает-
ся столь большим (вольты и даже
?56
десятки вольт), что использование усилителя становится необяза-
тельным.
При этом, однако, возникает проблема гашения развивающегося
газового разряда, который становится самостоятельным. Облако
положительных ионов, которое, по сравнению с электронами, дви-
жется медленно, образует положительный «чехол» вокруг анода.
В результате вблизи нити-анода уже не получается области сильного
поля и развитие лавины прекращается, разряд должен был бы по-
гаснуть. Но в процессе ионизации рождались не только пары ионов,
но и кванты света (ультрафиолетового). Эти кванты, попадая на ка-
тод, выбивают из него новые электроны (фотоэффект). Кроме того,
положительные ионы, дойдя до катода, тоже выбивают из него элект-
роны. Эти электроны попадут в прианодную область, когда «ч'ехол»
из положительных ионов уже рассосется, и станут источником новых
лавин (рис. 248, г). Разряд не прекращается.
Применяется несколько способов гашения разряда. Первый —
включение последовательно со счетчиком большого сопротивления R
(рис. 248, в), но все же меньшего, чем сопротивление неионизирован-
ного ситчика. В результате ионизации сопротивление счетчика ста-
новится сравнимым с R и напряжение на счетчике падает ниже не-
обходимого — для поддержания разряда. Второй способ — подача
на счетчик сразу после зажигания разряда гасящего импульса от
специальной радиотехнической схемы. Третий — наиболее распро-
страненный — введение в состав газа в счетчике (обычно аргон) до-
бавок газов, состоящих из многоатомных, обычно органических моле-
кул, например спирта. Эти молекулы поглощают ультрафиолетовые
кванты, не испуская при этом электронов. Кроме того, положитель-
ные ионы, сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и, следователь-
но, теряют способность рождать вторичные электроны. Счетчики с
такими добавками называются самогасящимися.
Газовые счетчики регистрируют практически каждую попадаю-
щую в них ионизирующую частицу, просты и надежны в работе.
На рисунке 248, д дана зависимость величины вырабатываемого
счетчиком импульса от поданного на него напряжения. В области
малых напряжений (область I) он работает как ионизационная каме-
ра, в области II — как пропорциональный счетчик (можно разли-
чать а- и (5-частицы и т. д.), в области IV — как счетчик Гейгера.
Область V — пробой (и разрушение) счетчика. Рабочее напряжение
в режиме счетчика Гейгера Граб соответствует середине участка IV и
равно от 1200 до 300 В в зависимости от конструкции, размеров и
заполнения счетчика. На рисунке 248, е дана счетная характеристика
счетчика — число вырабатываемых (достаточно больших) импульсов
в зависимости от поданного напряжения при постоянном количестве
влетающих в счетчик в единицу времени частиц No. При малых II
импульсов нет или они малы и не регистрируются без достаточного
усиления (области I, II, соответствующие областям Ги II на рис.
248, 5). Затем число их быстро возрастает почти до No и на этом уров-
не остается постоянным, образуя «плато» па графике (область IV).
При дальнейшем увеличении U появляются ложные импульсы и не-
257
прерывный разряд (пробой). Рабочее напряжение t/pa6 выбирается
посередине «плато». Этот участок невелик, и отклонения от £7раб до-
пускаются не более чем на 50—100 В. В то же время средняя сила
тока в счетчике даже при большой скорости счета невелика, и для
питания счетчика используют гальванические элементы с маломощны-
ми преобразователями напряжения, например транзисторными.
Важный параметр счетчика — предельная скорость счета. Ско-
рость счета ограничивается «мертвым временем» тм — временем после
начала разряда, когда счетчик не способен зарегистрировать следую-
щую частицу. После этого промежутка времени счетчик начнет реа-
гировать на частицы, т. е. вырабатывать импульсы. Но еще некото-
рое время эти импульсы будут уменьшенные. Это время называется
временем восстановления та (рис. 248, ж). Длительность промежутков
времени тм и тв порядка микросекунд.
Кристаллический счетчик — твердотельный аналог ионизацион-
ной камеры. Ионизирующая частица, пролетая сквозь кристалл
алмаза или сульфида кадмия CdS, создает электроны и дырки, кото-
рые приводятся в движение электрическим полем. Получающиеся
слабые токи измеряются с помощью электрометрического усилителя.
Полупроводниковый счетчик на р — «-переходе по принципу
действия ничем не отличается от вентильного фотоэлемента. На по-
верхности полупроводникового кристалла создается р — «-переход,
и этот переход подключается к источнику тока в запирающем на-
правлении. Ионизирующие частицы, возбуждая электроны из ва-
лентной зоны в свободную, создают в районе перехода (в обедненном
слое) неосновные носители: электроны и дырки. Эти носители и со-
здают ток, который затем усиливается усилителем и регистрируется.
Следует отметить, что твердотельные детекторы излучений обла-
дают малыми размерами, так как в твердом веществе ионизирующие
частицы намного сильнее поглощаются и, следовательно, производят
большую ионизацию на единицу длины пути. Место попадания ча-
стицы лучше локализуется.
Сцинтилляционный счетчик основан на использовании вспышек
люминесценции некоторых веществ при прохождении через них бы-
стрых частиц. Используются кристаллы иодида натрия Nal, органи-
Рис. 249. Сцинтилля-
ционный счетчик:
1 — кристалл, 2 — отра-
жающий экран, 3 —ФЭУ,
4 — фотокатод, 5 — ди-
ноды.
ческие кристаллы (антрацен, нафталин) и
другие вещества (иногда даже баки с лю-
минесцирующей жидкостью). Фотоны лю-
минесцентной вспышки регистрируются за-
тем фотоэлектронным умножителем (рис.
249). Кристалл 1 и фотоумножитель закры-
ты отражающим свет люминесценции и не
пропускающим внешний свет тонким метал-
лическим экраном 2.
Количество фотонов вспышки пропор-
ционально энергии влетающей в счетчик
частицы, а количество электронов с послед-
него динода 5 ФЭУ пропорционально чис-
лу фотонов, вырывающих электроны с
258
Рис. 250. Черепковский счетчик: а — волновой конус; б — конус, по образующим
которого идет излучение; в — конструкция счетчика (/ — свет от быстрой частицы,
2 — свет от медленной, 3 — ФЭУ).
фотокатода 4. Поэтому импульс тока на выходе счетчика пропорцио-
нален энергии частицы.
Сцинтилляционный счетчик эффективен, способен считать у-кван-
ты, обладает большим временным разрешением (малым мертвым вре-
менем).
В черепковском счетчике используется эффект Черенкова— Фран-
ка — Тамма: при движении заряженной частицы в среде со ско-
ростью, большей скорости света в этой среде v = с/п (но, конечно, мень-
шей скорости света в вакууме с), частица возбуждает световую вол-
ну, подобную волне, образуемой сверхзвуковым самолетом в воздухе
или катером на поверхности воды (рис. 250, а). Волна имеет вид ко-
нуса. Она получается как огибающая всех сферических волн, кото-
рые испускает частица по пути следования (из точки А' волна будет
испущена позже и поэтому сфера меньше, из точки В свет только на-
чал распространяться). Луч в изотропной среде перпендикулярен
фронту волны, т. е. будет наклонен к траектории частицы под углом О.
Угол 0 можно найти следующим образом. За некоторое время ч а -
с т и ц а пройдет расстояние АВ. За то же время из точки 4 свет
распространится на расстояние АС. Отношение АС/АВ равно отно-
С /
тению скорости света в среде к скорости частицы: — iv, так что
cos 0 ₽= clnv. Следовательно, лучи идут по1 образующим
конуса (но не внутри конуса) раствором 0 (рис. 250, б). При
уменьшении v до с/п угол 0 стремится к нулю, и при с/п излуче-
ние исчезает. Наоборот, чем больше скорость частицы, тем уже ко-
нус волны (рис. 250, а), тем больше 0 (0тах = arccos л-1). Это дает
возможность построить счетчик—селектор скоростей. Основная
часть черепковского счетчика— цилиндрическое тело с расширением
на конце (рис. 250, в). Оно изготавливается, например, из плексигла-
са. За ним ставится линза, фокусирующая все лучи 1, выходящие из
счетчика под углом 0, на малое отверстие диафрагмы. За диафрагмой
ставится фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Лучи 2 от медленной
частицы не будут сфокусированы на отверстие. Для регистрации ча-
стиц с меньшей скоростью надо отодвинуть отверстие и ФЭУ. Череп-
ковские счетчики, таким образом, ценны для различения релятивист-
ских частиц по скоростям (энергиям).
259
y-Кванты, нейтроны и другие нейтральные частицы сами не произ-
водят ионизации. Их обнаруживают по вторичным процессам, в ре-
зультате которых появляются быстрые заряженные частицы. В счет-
чиках у-квантов используется фотоэффект, эффект Комптона и эф-
фект рождения пар. Во всех процессах рождаются быстрые электроны
(позитроны), которые могут регистрироваться всеми перечисленными
выше счетчиками. Правда, эффективность счетчика Гейгера— Мюл-
лера по отношению к у-квантам невелика, лучше использовать сцин-
тилляционный или полупроводниковый счетчики.
Счетчики нейтронов основаны на использовании вторичных про-
цессов. Например, если в веществе счетчика содержатся бор, литий
или гелий, то к рождению быстрых заряженных частиц, которые
легко регистрировать, ведут ядерные реакции:
8В10 4-n->sLi7 + a,
8Li6 + п -> jH8 4- a,
2Не3 + n-> iH3 + р.
Так называемый борный счетчик — это газовый счетчик (см. счетчик
Гейгера — Мюллера) в пропорциональном режиме, заполненный
газом фторида брома (III) BFS. Для того чтобы сигнал от нейтрона
отличить от импульсов, вызванных электронами или у-квантами,
пользуются тем, что получающиеся a-частицы, протоны и т. д. вызы-
вают гораздо большую ионизацию. Поэтому на входе усилителя ста-
вят дискриминатор — устройство, не пропускающее слабые им-
пульсы.
Эффективность таких счетчиков уменьшается с увеличением энер-
гии нейтронов, поскольку вероятность приведенных реакций умень-
шается с увеличением скорости нейтронов. Для регистрации быстрых
нейтронов либо их замедляют (например, окружая счетчик парафи-
новой оболочкой), либо используют протоны отдачи (быстрый нейтрон,
сталкиваясь с ядром водорода, отдает ему свой импульс).-
§ 72. ДОЗИМЕТРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Дозиметры — приборы для измерения общей дозы облучения
(измеряется в рентгенах) или поглощенной дозы (в радах). Простей-
ший, но малочувствительный дозиметр — кусочек фотопленки, за-
вернутый в черную бумагу. Если пленка подверглась облучению, она
при проявлении почернеет. Другой простой дозиметр — полая про-
водящая трубочка, в которой на хорошем диэлектрике укреплен
второй электрод— проволочка. Дозиметр перед работой заряжается
доопределенного потенциала. При облучении заряд с центрального
электрода стекает через ионизируемый воздух. По уменьшению
заряда (оставшийся потенциал измеряется электрометрическим уси-
лителем) судят о полученной дозе. В более совершенных дозиметрах
используются перечисленные выше счетчики. После усиления импуль-
сов усилителем либо ставят пересчетную схему, уменьшающую число
импульсов в известное число раз, а затем цифровой индикатор
(рис. 251, а), либо ставят интегрирующую цепочку (рис. 251,6),
260
Рис. 251. Дозиметры: с цифровой индикацией (а) и аналоговым выходом (б)
(ПС — пересчетная схема, ЦИ — цифровой индикатор).
так что стоящий после нее электроизмерительный прибор регистри-
рует не отдельные импульсы, а среднюю силу tok?i, пропорциональ-
ную интенсивности облучения (мощности дозы).
$ 73. ПРИБОРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ТРАЕКТОРИЙ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
Искровая камера — газовый объем, перегороженный большим
числом проницаемых для частиц металлических пластин. Пластины
соединяются между собой так, как показано на рисунке 252, так что
между каждой парой пластин — сильное электрическое поле.
Высокое напряжение на пластины подается в виде короткого им-
пульса. При пролете частицы газ в соответствующих местах про-
бивается, и путь частицы (трек) отмечен искорками.
Камера Вильсона — цилиндрическая камера, закрытая сверху
стеклом (рис. 253). В нижней части камеры имеется либо подвижный
поршень, либо подвижное резиновое дно, которое может прижимать-
ся к верхней или нижней прочной решетке в зависимости от того,
какое давление газа создается под этим дном. Рабочий объем камеры
заполняется паром, близким к насыщению (точка 1 на изотерме 7\,
рис. 253, б). При резком опускании дна происходит адиабатическое
расширение пара. Он охлаждается, и его состояние меняется по адиа-
бате (переход из точки 1 в точку 2 на изотерме Т2, вернее, на неустой-
чивый участок этой изотермы 3—2, соответствующий пересыщению).
При наличии центров конденсации пар обращается в капельки тума-
на (переход 2-+- 4). Роль таких центров играют ионы, возникающие
вдоль траектории быстрой частицы. В результате след частицы ока-
зывается отмеченным цепочкой капелек тумана. След держится не-
долго, и в этот момент его ярко освещают и фотографируют. Затем
резиновое дно возвращают в исходное верх-
нее положение. Перед каждым расширени-
ем необходимо удалить из рабочего объема
все ионы, чтобы не возник сплошной ту-
ман. Для этого между верхней решеткой
и полупроводящим прозрачным слоем на
нижней поверхности стекла прикладыва-
ют высокое напряжение.
Для определения знака заряда частицы
261
Рис, 252, Искровая ка-
мера.
Рис. 253. Камера Вильсона (а); р — V — диаграмма процессов, происходящих в
в камере Вильсона (/ 2 -> 4) и в пузырьковой камере (5 -> 6 -+• 7) (б); опреде-
ление направления движения частицы и ее заряда (в).
и для определения направления движения на ее пути ставят пере-
городку, а камеру помещают в магнитное поле (рис. 253, в). Из
соотношения тиЧг = evB следует, что чем меньше скорость частицы,
тем больше кривизна траектории 1/г. Из рисунка 253, в видно, что
частица летела снизу вверх и заряд у нее положительный.
Недостатком камеры Вильсона является малая плотность вещест-
ва в рабочем объеме. Длина треков частиц в среде малой плотности
велика. Она обычно больше размеров камеры, так что в камере видна
только часть трека.
От этого недостатка свободна пузырьковая камера. Она запол-
няется жидкостью (водород, фреон), которая находится в состоянии,
близком к вскипанию (точка 5 на рисунке 253, б). При резком умень-
шении давления (переход 5-^-6) происходит переход на неустойчи-
вый участок изотермы Т2 (состояние «растянутой» жидкости). При
наличии центров парообразования (роль их играют ионы, созданные
частицей) жидкость образует пузырьки пара (переход в состояние 7)
по пути следования частицы.
Еще более плотной средой, в которой треки становятся еще коро-
че, является фотографическая эмульсия толстослойных фотопласти-
нок. В отличие от обычных фотоматериалов, имеющих слой около
20 мкм, здесь используются слои
fl S
Рис. 254. Следы (треки) быстрых за-
ряженных частиц в толстослойпой-
фотопленке при малом (а) и большом
(б) увеличении.
до оОО мкм толщиной. Второе от-
личие — очень мелкое зерно —
кристаллики бромида серебра AgBr,
взвешенные в желатине (см. фо-
тографические материалы). Третье
отличие — большая плотность этих
зерен (высокая чувствительность).
Пластинки складываются в стопки.
После облучения и проявления в
слое эмульсии пластинки остаются
следы пролетевших частиц, кото-
рые с помощью микроскопа боль-
262
шого увеличения наблюдаются в виде цепочек почерневших зерен
(рис. 254).
Идентификация (различение) следов производится по густоте
зерен. Чем больше заряд частицы, тем больше образует частица ионов
на единицу длины своего пути, так как тем сильнее ее взаимодействие,
согласно закону Кулона, с электронами в атомах, мимо которых опа
летит. Это ведет к большему числу центров скрытого фотографиче-
ского изображения, а после проявления — к большему числу зерен
на единицу длины пути.
Однако плотность зерен зависит и от скорости частицы. Чем боль-
ше скорость частицы, тем меньше время взаимодействия с электро-
нами в атомах, тем меньший они получают импульс, тем меньше ве-
роятность ионизации. К концу пробега скорость частицы уменьшает-
ся и густота следа становится больше. В связи с этим плотность зерен
следует сравнивать там, где скорости частиц одинаковы, а именно:
на концах следов или на равных расстояниях от конца.
Энергия частицы определяется по длине пробега, импульс р —
по формуле связи между энергией и импульсом (Ект1 = р2!2т —
для нерелятивистских частиц, ЕПолп = CYРг + — для реляти-
вистских). Направление импульса определяется измерением углов
под микроскопом.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автотрансформатор 76
Аккумулятор 67
— железоникелевый (щелочной) 68
— свинцовый (кислотный) 67
Акселерометр 31
Альтиметр 50
Амперметр 102, 104, 105, 112
Анализатор спектра 159
Анемометр 31
Антенна 168
Ареометр 43
Арретир 40
Барометр-анероид 50
— ртутный 51
Батарея элементов 66
Безмен 40
— пружинный 42
Бинокль 226
Болометр 202
Буссоль 20
Бюретка 22
Варикап 91, 127
Вариконд 91
Варистор 89
Ваттметр 106
Веберметр 123
Вентиль 126
Вентилятор 46
— центробежный 46
Весы 39
— гидростатические 43
— десятичные 40
— пружинные 41
— рычажные 40
— торсионные 42
Виброграф 33
Виброметр 33
Вибропреобразователь 79, 87
Видеомагнитофон 175
Видикон 210
Вискозиметр 62
Влагомер 60
Волновод 167
Вольтметр 104, 105, 112
— ’ селективный 149
— электронный 149
--- цифровой 164
Выпрямитель 77, 126
Газоанализатор 54
Газоразрядная фотолюминесцентная
лампа 193
Газосветная лампа 193, 194
Газотрон 142
Гальванометр 102, 103
— баллистический 103
— вибрационный 103
— демонстрационный 102
— настольный 102
Гексод 138
Генератор 64, 149
- МГД 72
— переменного тока 69
— пилообразных колебаний 151
— постоянного тока 69
— СВЧ 151
— термоэлектронный 71
— электромагнитомеханический
(машинный, электротехнический) 68
— электромеханический (электро-
статический) 70
Гептод 138
Гигрометр 61
— волосяной 61
— Ламбрехта 61
Гидрофон 37
Гирокомпас 21
Голо графическая установка 239
Гониметр 20
Громкоговоритель 35
Дальномер 18
Датчик 7
— Холла 124
Двигатель (см. электродвигатель)
Делитель напряжения 74
Демпфер 13
Дефлектор 185
Диапроектор 216
Динамометр 38
Динистор 131
Диод
— вакуумный 135
— полупроводниковый 125
— туннельный 127
Дифракционная решетка 235
264
— амплитудная 238
— отражательная профильная 238
— вогнутая 238
— прозрачная профильная 238
---фазовая 238
— управляемая 239
Дифференциальный прибор 7
Дифференцирующий прибор 10
Дозиметр 260
Дроссель 91
Дуга 194
Жгут (проводов) 83
Зеркало
— матовое 178
— плоское 176
— полупосеребренное 178
— сферическое 177
Зрительная труба 223
— Галилея 225
— Кеплера 223
Измеритель частотных характеристик
158
Изолир 40
Иконоскоп 209
Индикатор температуры физико-хими-
ческий 68
Интегральная схема 133
Интегрирующая цепочка 9
Интерферометр 229
— Жамена 231
— Майкельсопа 229
— Фабри — Перо 232
Информационная система 5,165
Ионизационная камера 255
Искровая камера 261
Источник
— звука 33
— света 188
---газоразрядный 192
— светового изображения 200
— тока 63
атомный 71
радиоизотопный 71
термоэлектрический 71
фотоэлектрический 71
химический 65
Кабель 83
— коаксиальный 166
Калориметр 60
Камера Вильсона 261
Камертон 34
Каналовый умножитель 205
Катетометр 17
Катушка 121
— индуктивности 91
переменной 92
— Румкорфа 79
Квантометр 245
Кенотрон 135
Кинескоп 140
Киноаппарат 216
Кинопроектор 218
Кипрегель 21
Клин оптический 179
Клистрон
— отражательный 152
— пролетный 152
Ключ 84
— электронный 160
Кодоскоп 218
Коллиматор 20
Колориметр 247
Коммутатор 160
Компаратор 17
Компас магнитный 21
Компрессор 46
Конденсатор 89
— оксидный 91
— переменной емкости 90
— электролитический 90
Конденсор 216
Криогенная техника 55
Лаг 31
Лазер 196
— полупроводниковый, инжек-
ционный 199
— с перестраиваемой частотой
199
Лампа
— бегущей волны, ЛБВ 154
— газосветная 194
— галогенная 191
— дневного света 193
— импульсная 195
— иодная 191
— ионизационная 53
— манометрическая 52
— накаливания 191
— неоновая 141
— обратной волны, ЛОВ 154
— ртутная 193
— электронная 135
Линза 181 “
— коллективная 213
— магнитная 253-
— СВЧ 170
— Френеля 183
— цилиндрическая 182
— электростатическая 252
Линейка измерительная 14
Линия связи 166
— радиорелейная 170
— связи 166
Логическая схема 161
Логометр 99, 104, 107
Локатор 18
Лупа 218
— телескопическая 219
265
Моксметр 206
Магазин 6
— сопротивлений 89
Магнетометр 123
Магнетрон 153
Магний постоянный 122
Магнитофон 38
Манометр 50
— деформационный 50
— ионизационный 53
— компрессионный Мак-Леода 52
— магнитный электроразрядный 53
— мембранный 50
— поршневой 50
— ртутный укороченный 51
— сильфонный 50
— термопарный 53
— трубчатый 50
— U-образный 51
Массомер 43
Масс-спектрометр 54
Масштаб поперечный 17
Машина
— Линде 56
— электрофорная 70
Маятник
— баллистический 31
— Обербека 44
Мегафон 35
Мензурка 22
Мера б
Метроном 26
Механотрон 28
Микроамперметр 102
Микровесы 42
Микроинтерферометр Линника 230
Микрокалькулятор 561
Микроманометр 51
Микрометр 15
Микроскоп 219
— измерительный 16
— интерференционный 221
— инфракрасный 222
— люминеецентный 222
— поляризационный 222
— рентгеновский 223
— с конденсором темного поля 221
— телевизионный 222
— ультрафиолетовый 222
— фазовоконтрастный 221
— электронный 253
Микропроцессор 161
Микрофон 36
Микрофотометр 247
Модулятор 184
Монохроматор 244
Мост (мостик Уитстона) 116
— автоматический 117
— переменного тока 117
— самопишущий 117
Мотор (см. электродвигатель)
Мультивибратор 161
Мультиметр 165
Нагреватель электрический 54
Нагрузка 64, 92
Насос 46
— адсорбционный 49
— вакуумный 46
— водоструйный 48
— геттерно-ионный 49
— двухроторный 46
— диффузионный 48
— магнитный электроразрядный
- МГД 47
— перистальтиковый 47
— поршневой 46
— ротационный масляный 48
— титановый (геттерный) 49
— электромагнитный 47
Нивелир 17
Нониус 14
— круговой 19
Нуль-прибор 7
Объектив 213
Объемомер 22
Окуляр
— Гаусса 220
— Кельнера 224
Омметр 111
Оптиметр 15
Осциллограф 154
— двухлучевой 158
— запоминающий 158
— катодный 154
— с метками времени 158
— со ждущей разверткой 157
— стробоскопический 158
— шлейфовый 100
Оптическая система 212
Органная труба 34
Ортикон 210
Отвес 21
Отклоняющая система 139
Отражатель уголковый 177
Пентод 137
Передача потенциометрическая 28
Передающая телевизионная трубка,
ПТТ 209
Переключатель 84
Перископ 224
Печатные платы 83
Пикнометр 43
Пирометр 249
— радиационный 249
— цветовой 250
— яркостный 250
Планиметр 22
Пластинка делительная 178
266
— плоскопараллельная 178
Плотномер 43
Позистор 89
Поляризатор 186
Поляриметр 251
Полярископ 250
Потенциометр 74
— автоматический самопишущий
120
— двухкоординатпын 120
— измерительный 118
Потребитель электроэнергии 92
Преобразователь 7, 73
— машинный 70
Предохранитель 83
Прибор 4
— Дифференциальный 7
— дифференцирующий 10
— прямопоказывающий 6
— электроизмерительный 97
----аналоговый 10, 97
---- индукционный 109
----комбинированный 112
----компенсационный 116
---- магнитоэлектрический 98
----многопредельный 112
— — тепловой 109
------ цифровой 10, 163
электродинамический 105
электромагнитный 104
электромеханический 97
электростатический 107
Приемник
— звука 36
— изображения 202
нефотографический 209
— всеволновой 200
----селективный 200
Призма 179
— Аббе (постоянного отклоне-
ния) 180
— Амичи (прямого зрения) 180
— Николя 186
— поляризационная 186
— Рошона 187
Пробник аккумуляторный 68
Провод 82
Проектор 216
— измерительный 16
Прожектор 178
Психрометр 61
Пузырьковая камера 262
Пускатель
— магнитный 87
— реверсивный 85
Пьезодатчик 28
Радиолокатор 18
Радиопередачи система 170
Радиоприемник 170
Разъем 84
Рассеиватель 187
Растр 187
Расходомер 22
Резистор 87
— переменный 88
Реле
— времени 26
, — напряжения 80
— поляризованное 86
— тока 80
— электромагнитное 85
Реостат 73, 89
Реохорд 74
Ретранслятор 165
Рефрактометр 227
— Аббе 228
— Пульфриха 228
Ротаметр 23
Рупор 35
Сахариметр 251, 252
Световод 183
Светодиод 195
Светофильтр
— абсорбционный 185
— интерференционный 234
— нейтральный 185
— цветной 185
Сейсмограф 33
Секстан 21
Сельсин 28
Сирена 34
Система информационная 5-
Соленоид 121
Сосуд Дьюара 56
Спектрограф 244
Спектрометр 245
Спектропроектор 245
Спектроскоп призменный 242
Спектрофотометр 248
Спидометр 29
— лазерный и радарный 31
Стабилизатор
— напряжения 80
— тока 80
— транзисторный 81
— ферромагнитный 81
— феррорезонанспый 82
Стабилитрон 127, 141
Стабиловольт 141
Стилометр 245
Стилоскоп 245
Стопа 186
Струна 33
Супериконоскоп 210
Суперортикон 210
Счетчик
— газовый 256
— Гейгера — Мюллера 256
— кристаллический 258
— нейтронов 260.
— полупроводниковый 258
— пройденного пути 30
— пропорциональный 256
— сцинтилляционный 258
— черенковский 259
— энергии переменного тока 109
Таймер 26
Тахогенератор 30
Тахометр 29
— бесконтактный 30
— индукционный 30
— оптический 31
— радиоактивный 31
— стробоскопический 31
— центробежный 30
Телевидения система 172
— цветного 174
Телевизор 172
Телескоп-рефлектор 226
— рефрактор 225
Телефон 35
Тензодатчик 27
Теодолит 21
Термопара 59, 202
Термистор 59
Термометр 56
— газовый манометрический 58
— дилатометрический 56
— жидкостный 57
— контактный 58
— максимальный 58
— сопротивления 59
— укороченный 57
Терморезистор 89
Термостолбик 202
Тетрод 137
— лучевой 137
Тестер 112
Тиратрон 142
Тиристор 131
Транзистор 128
— МДП, МОП 133
— полевой 132
Трансфокатор 214
Трансформатор 74
— напряжения 113
— тока 113
— трехфазный 76
Трансформаторные клещи 113
Триггер 162
Тринистор 132
Триод
— вакуумный 136
— полупроводниковый 128
Трифилярный подвес 44
Умформер 70, 80
Уровень 21
Усилитель 143
— операционный 148
— постоянного тока, УПТ 148
— электрометрический 147
Установка 5
— вакуумная 49
Фазовращатель 80
Фазометр 107
Феррозонд 124
Флюксметр 123
Фотоаппарат 213
Фотодиод 205
Фотоматериалы 207
Фотометр 246
Фотопластинки толстослойные 262
Фоторезистор 89, 205
Фотореле 205
Фототриод 207
Фотоэкспонометр 216
Фотоэлектронный умножитель, ФЭУ 204
Фотоэлемент
— вакуумный 203
— вентильный 205
— газонаполненный 204
Фурье-спектрометр 234
Холодильник компрессионный 55
Цифровой индикатор 141
Цифровой прибор 163
Частотомер 26
— механический 26
— электромеханический 26
— электронный цифровой 163
Часы 23
— атомные (квантовые) 25
— кварцевые 25
— механические 24
— солнечные 23
Шаговый искатель 87
Шкала прибора 8
Штангенциркуль 14
Штепсель 83
Шунт 112
Экран 187
Электродвигатель 93
— асинхронный 95
— компаундный 94
— линейный 96
268
— переменного тока 95
— постоянного тока 93
— сериесный 94
— синхронный 95
— реактивный 96
— шунтовой 94
Электролюминесцентный слой 195
Электромагнит 121
— сверхпроводящий 122
Электрометр 108
Электронная пушка 139
Электроннолучевая трубка 138
— запоминающая 140
Электроиио-оптический
тель 211
Электронограф 254
Электроскоп 107
Электрофон 38
Элемент
— гальванический 65
— сухой 66
— топливный 72
Эпидиаскоп' 218
Эпископ 218
Эталон 6
Эхолот 18
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................ ........ 3
Введение . ........................................ ............. 4
Глава I. Приборы для измерения механических величин .......... 14
§ 1. Приборы для измерения линейных размеров . . . ....... —
§ 2. Угломерные приборы ................. ............... 19
§ 3. Приборы для измерения площади поверхности и объема тел ... 22
§ 4. Часы и частотомеры .................................... 23
§ 5. Приборы для измерения малых перемещений ............... 27
§ 6. Измерение скоростей и угловых скоростей ............... 29
§ 7. Измерение ускорений, акселерометры .................... 31
§ 8. Интегрирование показаний спидометра и акселерометра .... 32
§ 9. Акустические приборы , 4 . ........... ................ 33
§ 10. Приемники звука, микрофоны ............................ 36
§ 11. Приборы звукозаписи и звуковоспроизведения ............ 38
§ 12. Приборы для измерения сил. Весы .............. —
§ 13. Приборы для измерения массы, плотности, момента инерции ... 42
Глава II. . Приборы молекулярной физики . ................. . 46
§ 14. Насосы ............................................... —
§ 15. Манометры ........................................... 50
§ 16. Нагреватели и холодильники ............................ 54
§ 17. Термометры .......................................... 56
§ 18. Приборы, измеряющие влажность и вязкость . , ......... 60
Глава III. Элементы электрических цепей .............. 63
§ 19. Источники тока ................................... . —
§ 20. Преобразователи тока (напряжения) ..................... 73
§ 21. Провода и их соединение ............................. 82
§ 22. Резисторы, конденсаторы и дроссели ............. 87
§ 23. Потребители электроэнергии . .......................... 92
§ 24. Электромеханические электроизмерительные приборы ..... 97
§ 25. Приборы магнитоэлектрической системы .................. 98
§ 26. Приборы электромагнитной системы ..................... 104
§ 27. Приборы электродинамической системы .................. 105
§ 28. Приборы электростатической системы ................... Ю7
§ 29. Приборы тепловой системы ,........................... 109
§ 30. Индукционные приборы ............................... —
§ 31. ..Омметры , , .................................... 111
§ 32. Изменение пределов шкалы электроизмерительного прибора, ва-
рианты оформления шкал и указателей, обозначения иа шкалах. 112
§33. Электроизмерительные компенсационные приборы ......... 116
§ 34. Приборы, создающие магнитное поле и измеряющие его индукцию. 120
Глава IV. Элементная база электроники .............. 125
§ 35. Полупроводниковые приборы .............. ............ —
§ 36. Электровакуумные приборы ........................... 135
§ 37. Ионные приборы............................I.......... 141
270
Г л а в a V. Электронные приборы и системы.......... 143
§ 38. Усилители ................................................. 144
§ 39. Генераторы . .................. . >....................... 149
§ 40. Электронные осциллографы .................................. 154
§ 41. Спектральные электронные приборы ......................... 158
§ 42. Логические схемы цифровых вычислительных машин и цифровые
измерительные приборы ......................................... 160
§ 43. Информационные системы и линии связи . . ........ . 165
§ 44. Системы радиопередачи и телевидения ............ 170
Глава VI. Элемеитнаи база оптических приборов ....................... 176
§ 45. Зеркала и призмы ............................................ —
§ 46. Линзы и световоды ........................................ 181
§ 47. Модуляторы и дефлекторы ................................... 184
§ 48. Светофильтры и поляризаторы ............................. 185
§ 49. Экраны и рассеиватели ..................................... 187
§ 50. Источники света. Назначение и параметры .................. 188
§ 51. Лампы накаливания ........................................ 191
§ 52. Газоразрядные источники света ............................ 192
§ 53. Полупроводниковые источники света ........................ 195
§ 54. Лазеры .................................................... 196
§ 55. Приемники света. Параметры ............................. 200
§ 56. Тепловые приемники .................................... 202
§ 57. Фотоэлектрические приемники ............................... 203
§ 58. Приемники изображения .................................... 207
Г л а в а VII. Оптические приборы ................................... 212
§ 59. Оптические системы ............................. . . .' —
§ 60. Приборы для записи изображений и проецирования их на экран. 213
§ 61. Приборы для наблюдения малых объектов .................... 219
§ 62. Приборы для наблюдения удаленных объектов ................. 222
§ 63. Рефрактометры . ......................................... 227
§ 64. Интерференционные приборы ................................ 229
§ 65. Дифракционные решетки ................................... 235
§ 66. Голографические установки ................................. 239
§ 67. Спектральные приборы ..................................... 241
§ 68. Фотометрические приборы и пирометры ....................... 246
§ 69. Поляризационные приборы ................. 250
§ 70. Приборы электронной оптики .............................. 252
Г л а в а VIII. Детекторы элементарных частиц и дозиметры ионизирующих
излучений ................................... ....... 255
§ 71. Детекторы элементарных частиц ............................,.< —
§ 72. Дозиметры ионизирующих излучений ............ 260
§ 73. Приборы для наблюдения траекторий ядериых частиц .......... 261
Предметный указатель .............................................. 264
ЭРИК ВИКТОРОВИЧ БУРСИАН
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Заведующая редакцией Н. В. Хрусталь
Редактор Т. П. Каткова
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технические редакторы С. Н. Терехова, Л. М. Абрамова
Корректор Н. В. Бурдина
ИБ № 7816
Сдано в набор 04.01.84. Подписано к печати 23.07.84. Формат 60 X 90’/,,. Бум. типограф. № 2.
Гарнит. литературная. Печать высокая. Усл. печ. д. 17. Усл. кр. отт. 17. Уч.-изд. л. 19,73.
Тираж 39000 виз. Заказ 771. Цена 95 Коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного комитета
РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129846, Москва, 3-й проезд
Марьиной рощи, 41.
Саратовский ордена Трудового Красного Знамени полиграфический комбинат росглавполиграф-
прома Государственного комитета РСФСР по Делам издательств, полиграфии н книжной торговли.
Саратов, ул. Чернышевского( 59.