Kvant. Опыты с высокочастотным генератором
Цыпин М. Опыты с высокочастотным генератором //Квант. — 1990. — № 2. — С. 59-61.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
В предыдущей статье этого раздела журнала было рассказано об устройстве лампового генератора, позволяющего получать напряжение 3-4 тысячи вольт при частоте около 5 мегагерц. Там же описывался простой опыт со свечением неоновой лампочки, поднесенной к повышающей катушке генератора на расстояние приблизительно 10 сантиметров. Это свечение говорит о том, что напряженность электрического поля в разреженном неоне, заполняющем лампочку, вблизи генератора превышает критическое значение, при котором наступает электрический пробой газа.
Аналогичным образом можно вызвать электрический разряд не только в неоне. Воспользуйтесь, например, спектральными трубками из школьного набора. В него входят трубки, наполненные водородом, гелием, неоном, криптоном и т. п. Держа такую трубку за один конец, поднесите другой к повышающей катушке генератора (можно даже ввести его внутрь катушки). Свечение возникает сначала в ближайшей к генератору части трубки, а затем распространяется на всю трубку. Разряд в широкой части трубки часто имеет замысловатую форму и содержит яркие и тусклые области, которые к тому же могут перемещаться. Эти явления слишком сложны, чтобы объяснить их здесь, ими занимается физика плазмы.
Имея столь удобную возможность зажигания газоразрядных трубок, было бы очень кстати поинтересоваться спектрами их излучения. Для этого можно воспользоваться спектроскопом, а можно обойтись и без него — достаточно иметь треугольную стеклянную призму.
Отойдите от светящейся трубки на расстояние 2-3 метра и посмотрите на нее сквозь призму. Призму держите непосредственно около глаза, а смотрите в сторону от нее (учитывая преломление световых лучей призмой). Найдя правильное положение, вы увидите спектр, состоящий из отдельных ярких спектральных линий. Зрелище это чрезвычайно красивое: никакие рисунки или даже цветные фотографии не идут в сравнение с наблюдаемой картиной.
Газовый разряд можно вызвать не только в спектральных трубках, а и в любых других приборах, содержащих газ при низком давлении. Это и люминесцентные лампы, и стартеры к ним, и тиратроны, и даже обычные криптоновые лампы накаливания. Поэкспериментируйте и через некоторое время вы научитесь по виду спектра узнавать состав газа в приборе.
Электрический разряд в газе часто является источником не только видимого, но и невидимого ультрафиолетового излучения. В этом отношении особенно интересен разряд у острия, которым заканчивается повышающая катушка генератора. При таком разряде наряду с излучением в синей области видимого спектра возникает такое же, если не более сильное, излучение и в ближней ультрафиолетовой области. Как же его обнаружить? Оказывается, сделать это можно, воспользовавшись любопытным свойством некоторых сортов бумаги.
Безусловно, вы замечали, что бумага иногда бывает желтой, иногда более или менее белой, а иногда совсем белой. Этой белизны часто добиваются с помощью оптического отбеливателя — органического вещества, светящегося голубым светом под действием ультрафиолетового излучения. Поскольку в естественном солнечном свете всегда есть некоторое количество ультрафиолета, эта голубизна и делает бумагу белее. Если поднести такую бумагу к горящему газовому разряду, она будет испускать довольно яркое голубое свечение, сигнализирующее о наличии ультрафиолетового излучения. Эффект становится особенно наглядным при сравнении различных сортов бумаги: некоторые светятся лучше, другие хуже, а третьи не светятся вовсе. Вырежьте какую-нибудь фигурку из светящейся бумаги, наклейте ее на кусок несветящейся, и вы получите очень удобный индикатор ультрафиолетового излучения.
Еще одна область явлений, которые можно исследовать с помощью нашего генератора, связана с переменным током. Поскольку высокое напряжение для этого не нужно, повышающую катушку лучше убрать из генератора. Мы привыкли к тому, что в трансформаторе всегда есть железный сердечник, а его обмотки содержат сотни витков. На частоте же 5 мегагерц трансформатор может иметь первичную обмотку из шести витков, вторичную — из одного и вообще не иметь сердечника. При этом трансформатор, как ни странно, работает!
Возьмите кусок изолированного провода длиной около 40 сантиметров и сделайте из него петлю, т. е. катушку из одного витка, диаметром примерно 4 сантиметра. Выводы длиной порядка 15 сантиметров скрутите между собой, подключите этот виток к лампочке от карманного фонарика и постепенно подносите виток к контурной катушке генератора. Когда виток окажется достаточно близко, лампочка загорится (и даже может перегореть). Закрепив каким-нибудь образом ваш виток, служащий вторичной обмоткой импровизированного трансформатора, вы получите удобный источник небольшого высокочастотного напряжения. С его помощью можно проделать, например, такой опыт.
Подключите виток к лампочке не непосредственно, а через дополнительный кусок тонкого провода длиной несколько десятков сантиметров. Если бы источником тока была батарейка, этот провод практически никак не повлиял бы на результат — его сопротивление слишком мало. Однако вовсе не так обстоит дело при высокой частоте, когда начинает сказываться индуктивность провода, — теперь он оказывает заметное сопротивление, которое к тому же сильно зависит от его формы.
Чем больше вы будете экспериментировать с высокочастотным генератором, тем больше у вас возникнет вопросов. Например, таких:
- Как измерить высокое высокочастотное напряжение? Можно ли для этого применить электроскоп?
- Что представляет собой спектр разряда на острие?
- Проходит ли ультрафиолетовое излучение сквозь стекло?
- Совпадает ли спектр водородной газоразрядной трубки с теоретическим» спектром атомарного водорода?
- Как зависит индуктивность провода от его формы? При какой форме индуктивность минимальна, а при какой максимальна?
- Можно ли наблюдать резонанс, включив последовательно с лампочкой катушку и конденсатор?
Постарайтесь найти ответы на эти вопросы. А если вы сами придумаете что-нибудь такое, что будет интересно не только вам, но и другим, напишите об этом в редакцию «Кванта».
