Занимательно об электронике

DjVu

      Чему посвящается эта книга? Радио? Локации? Телевидению? Лазерам? Вычислительным электронным машинам?
      Но на любую из названных тем можно было бы написать отдельную книгу. Больше того — такие книги уже написаны. Среди них есть специальные и популярные, большие и малые, для начинающих и студентов, для ученых и для инженеров — на любой уровень знаний и на любой вкус. Кроме локации, телевидения, радиосвязи и вычислительной техники, приборы, созданные электроникой, обслуживают ряд других областей. Скажем, такие, как управление и измерение на расстоянии, изучение молекул, атомов и ядер, радиоастрономия, новейшие методы исследования в биологии и медицине, электронная технология обработки металлов, преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью полупроводников.
      И все это электроника, потому что все области техники нуждаются в электронных приборах, а в них действует подвижный, неутомимый и всегда готовый к услугам вечный труженик — электрон.
      Так можно ли рассказать обо всем в одной книге об электронике? Да притом так, чтобы читатель не только увидел, что все это существует на свете (о чем он, наверно, и без нашей книги давно уже знает), а мог понять принципы устройства и работы различных электронных приборов, уяснить сущность методов и идей.
      Придется признаться, что писать книгу об электронике с охватом всех областей техники, в которые она уже пустила глубокие корни, было отнюдь не легко.
      Приходилось отбирать лишь те области применения, явления и процессы, без которых невозможно было двигаться дальше. Описания поведения электронов надо было переводить с языка уравнений, графиков и формул на общедоступный язык. Однако, несмотря на все противодействия со стороны автора и редактора, некоторые формулы и кривые
      все-таки перекочевали в нашу книгу со страниц монографий и специальных трудов. Разумеется, были предприняты все меры к тому, чтобы сделать их удобоваримыми. Для этого приходилось то пускаться в длинные рассуждения, то подыскивать аналогии и примеры из жизни. Но все это служит плохим оправданием в глазах тех читателей, которые предпочли бы понять электронику без уравнений и без кривых.
      Но не будет ли подобное представление слишком уж приблизительным? Ведь кривые и уравнения — это специфический язык электроники, и вряд ли было бы целесообразно обходить его стороной. Давно установлено, что нельзя изучить быт, нравы, культуру какой-нибудь нации, не зная ее языка.
      Форма книги несколько необычна. Понятия, без которых нельзя уяснить суть электроники, даны в виде рисунков и текста под общей рубрикой «Это лежит в основе». Эти разделы чередуются с небольшими новеллами, в которых рассказано, как рождались понятия, элементы, приборы, что из чего вытекало и что к чему привело. Мы полагаем, что форма эта поможет читателю, впервые входящему в мир электроники, с одной стороны, без труда усвоить основы, а с другой — приобрести цельное представление об электронике, как о самостоятельной области современной науки и техники. Эта область обладает своей внутренней логикой, стержнем, на который нанизано множество приложений, методов и идей.
      Само название «электроника» уже говорит о многом: без электрона не обходится ни один электронный прибор. Вот с него-то мы и начнем.
     
      ГЛАВА I
      электроны и электроника
      В этой главе читатель знакомится с историей открытия электрона и заодно узнает, почему именно этой частице суждено было стать главной «деталью» некоторых электронных приборов, давших развитию электроники первый толчок.
     
      РАССТАВШИСЬ С АТОМОМ, ЭЛЕКТРОН ОБРЕТАЕТ СВОБОДУ
      1.1
      Основой огромного здания электроники, воздвигнутого современной наукой и техникой, является маленькая частица, именуемая электроном.
      Читателю, очевидно, известно, что атомы всех веществ содержат в себе электроны, вращающиеся по определенным орбитам вокруг ядра.
      Присутствие электрона обнаруживают совсем по-другому. У электрона есть своеобразная «визитная карточка» — он несет в себе крошечную порцию электричества — отрицательный заряд, равный 1.6-10-1® кулона.
      1.4
      Помимо электронов, в состав каждого атома входят протоны и нейтроны.
      Эти частицы плотно склеены, сцементированы между собой сильными ядерными полями и образуют монолитное атомное ядро.
      1.5
      Рядом с электроном протон и нейтрон выглядят сущими гигантами: масса каждого из них больше массы одного электрона почти в 1840 раз...
      Нейтрон не несет в себе никакого заряда, электрически он нейтрален. Отсюда и имя — нейтрон. Заряд протона по величине равен заряду одного электрона (1,6-10-19 кулона), но имеет положительный знак.
      1.7
      В целом атом тоже нейтрален, потому что число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре.
      Электрон, который вращается на одной из орбит атома, — это связанный fw *7.
      электрон. 1{ Sr~ v
      Часто под действием внешних сил электроны приобретают свободу: они расстаются со своими атомами, срываясь с их наружных орбит. Потеряв электрон, атом уже не будет нейтральным: он превращается в положительно заряженный ион.
      1.9
      Отрицательный заряд электронов вынуждает их двигаться к металлической пластине, подключенной к положительному полюсу источника электричества (напряжения).
      Почему электрон?
      Как смогла частица материи с массой, в 1000 000000000 000000000000000 раз меньшей, чем масса граммовой гирьки, приобрести в нашей жизни такой существенный вес?
      Всего 100 лет назад об электроне не знал никто. Зато сейчас едва ли можно найти человека, который хотя бы краем уха не слышал о нем. Все говорят об электроне с большим уважением. Пишут книги, в которых он является
      главным героем. Притом героем всегда положительным, несмотря на отрицательный знак его заряда.
      А все потому, что электрон стал главной «деталью» электронных приборов, играющих во всех областях жизни, науки и техники чрезвычайно важную роль.
      «Деталь» оказалась очень удобной.
      Во-первых, она легка и подвижна: еще задолго до начала «космической эры» физики, исследуя движущиеся в трубке электроны, разгоняли их до космических скоростей.
      Во-вторых, «деталь» эта не знает износа: никто пока не сумел разрушить, «сломать» электрон.
      В-третьих, «деталь» вовсе не дефицитная: пока не иссякнет энергия источника тока, он будет посылать по «конвейеру» (по проводу) поток этих «деталей». Их будет столько, сколько запросят все «цехи» и «участки» сложного «производства», то есть все схемы и узлы, входящие в передатчик, приемник или любой другой электронный прибор.
      Эта «деталь» прекрасно работает в самых различных условиях: в вакууме (электронные трубки и лампы), в газах (газоразрядные лампы) и даже в твердой среде (полупроводники).
      Слов нет — электрон оказался очень удобным. Но почему все-таки именно ему принадлежит в современной технике такая видная роль? Ведь вслед за ним были открыты протоны, нейтроны, фотоны, мезоны и гипероны — многочисленное семейство так называемых элементарных частиц.
      Так почему же есть электроника, но до сих пор нет протоники? Почему нет нейтроники или мезоники? Неужели потому лишь, что электрон обнаружили первым? Или дело тут связано с какими-то особыми, исключительными способностями, которых нет у других частиц?
      Почему нет протоники?
      Взять хотя бы такую частицу, как нейтрон. Что она собой представляет? Во-первых, эта частица не имеет заряда. Во-вторых, масса ее превышает массу электрона более чем в 1840 раз. Поскольку нейтрон не имеет заряда, то к действию, скажем, электрического внешнего поля он относится безразлично, нейтрально. А раз так, значит, с помощью поля нейтроном нельзя управлять. Электрон — дело другое. Заряженный отрицательно, он всегда стремится к пластине с положительным потенциалом (см. 1.9). Изменяя потенциал, можно управлять электронами: ускорять и замедлять их движение, изменять направление, увеличивать и уменьшать их поток.
      Но вот другие частицы — протоны, к действию поля также не безразличны, потому что несут в себе порцию положительного заряда. Почему же в таком случае вместо электронных приборов не используют приборы протонные?
      Протон обладает массой в 1840 раз большей, чем электрон. Положите обычное пушечное ядро, а рядом — ядро, которое тяжелее его в 1840 раз. Если вес первого принять равным 30 килограммам, то второе окажется тяжелее десяти космических кораблей!
      Тяжеловесные и неповоротливые протоны никогда не смогут конкурировать с подвижными электронами — тяжелый бомбардировщик никогда не сможет быть таким же маневренным, как легонький «ястребок». Все пилоты знают, что чем меньше масса машины, тем меньше ее инерция. Чуть повернулись рули управления, и истребитель.резко меняет курс. Но даже при самой высокой маневренности инерцию все же надо учитывать, иначе любой истребитель пролетит по инерции мимо, не поразив нужную цель.
      Возвращаясь к нашей теме, скажем, что электрон обладает* ничтожной массой и ничтожной инерцией по сравнению с протоном и нейтроном. Значит, внешними силами можно мгновенно придать ему ускорение и заставить проделать самый сложный «вираж». Подано напряжение — электрон мгновенно набрал огромную скорость. Изменился знак напряжения — электрон «с ходу» летит назад.
      Это свойство, пожалуй, одно из важнейших. Без него невозможно было бы 25 раз в секунду «рисовать» изображение на телеэкранах; создавать частоту колебаний, при которой ток в цепи в течение каждой секунды успевает изменять величину и направление до 10 миллиардов раз; управлять быстро летящей ракетой и в течение часа делать на электронных машинах такие расчеты, на которые человеку пришлось бы потратить несколько лет.
     
      Кое-что о фотонике
      Помимо электрона, протона и нейтрона, современная физика знает уже около 200 разновидностей элементарных частиц. Неужели нет среди них таких же легких, подвижных, доступных, как электрон? Разумеется, есть. Например, фотон.
      Если говорить о подвижности, то эта частица вообще
      не знает покоя — она существует только в движении. А в покое она исчезает: ученые говорят, что масса покоя фотона равна нулю. Получить ее в чистом виде еще легче, чем электрон. Физикой установлено, что из фотонов состоит любой видимый свет. И не случайно в последние годы именно эта частица стала успешно конкурировать с электроном в целом ряде технических областей.
      Если до последнего времени такие отрасли техники, как радиосвязь или локация, были монополией электроники, то теперь возникла новая отрасль, которая может с таким же правом именоваться фотоникой. Речь идет о квантовых генераторах (так называемых лазерах), которые усиленно разрабатываются в последние годы. Конечно, и здесь не обходится без решения сложных проблем. Фотоны не имеют заряда и поэтому не управляются электрическим полем, и их гораздо труднее, чем электроны, заставить совершать колебания с заданной частотой. Но эти трудности преодолеваются, и скоро наряду с электронной радиосвязью начнет внедряться фотонная.
      Может быть, после этого отпадет нужда в электронике? Нет, фотонная техника электронику не изживет. Во-первых, помимо радиосвязи, у электроники есть другие задачи. А во-вторых, без электроники никакие фотонные приборы невозможно создать. Фотоны рождаются электронами: когда электрон в атоме изменяет свое состояние, — допустим, перескакивает с дальней от ядра орбиты на ближнюю, — атом излучает фотон.
      Но обо всем этом говорить придется отдельно. А пока отметим одно: электрон не борется за монополию, и когда возникает необходимость выйти за рамки его возможностей, он с радостью дарит людям фотон.
      Будут ли рядом с фотоникой и электроникой развиваться другие области техники, использующие свойства еще каких-то частиц? Как знать. Уже существуют гипотезы о возможности связи на нейтринных волнах или на волнах гравитационных. Но такие волны наукой еще не исследованы. Поэтому все современные средства радиосвязи основаны на взаимодействии электронов и электромагнитных волн.
      А кто его видел?
      Чудом мы называем то, что нельзя объяснить. Чудеса творят духи, волшебники, боги. Электронику создал человек. Он приручил электрон, познал его свойства, заставил решать
      множество разных задач. Конструируя электронный прибор, инженер рассуждает об электроне: он будет вести себя так-то и так-то, сделает то-то и то-то, полетит туда или сюда.
      Ну, а кто видел, как это все происходит? Да никто. В лучшем случае, можно увидеть след луча на экране или измерить сумму зарядов всех электронов, проходящих в течение каждой секунды по проводу, — электрический ток. Ток и луч — это потоки электронов, огромная масса движущихся частиц. А один электрон является слишком малой частицей, его не позволит увидеть ни один микроскоп.
      Каждый осматривал телевизор снаружи. Любопытный же человек обязательно слазит и внутрь. Ну и что? Ничего особенно интересного. Много всяких деталей, сложная сеть проводов. Тускло светятся лампы, и... никакого движения. Мертвое царство. Живет только экран.
      Как же рождаются подвижные изображения в неподвижных деталях и проводах? Кто заменяет в спектаклях живых актеров, как разыгрывается на телеэкране напряженный спортивный матч? Главную роль здесь играет электрон.
      Пока идет действие на экране, во всех элементах, находящихся внутри телевизора, течет невидимая, но напряженная «закулисная жизнь». Инженер изучил ее очень подробно. Он может ответить вам, сколько именно электронов пройдет через каждый провод в течение каждой секунды и как они будут вести себя в каждом звене. Хотя он тоже ни разу не видел электрона в глаза.
      На первый взгляд все это кажется чуть ли не чудом. Электрон стал играть всевозможные роли. Он заменяет акте-
      ров в телеспектаклях и выступает «певцом за сценой», заставляя динамик приемника воспроизводить звук. Он управляет ракетой, станком, самолетом, делает сложные вычисления и переводы, обрабатывает металлы, дает возможность изучать микроструктуру веществ.
      Никто не видел его за работой, он, словно невидимый сказочный гномик, творит все новые и новые чудеса. Но знания и сила воображения исследователей позволяют представить во всех деталях, как подвижные электроны ведут себя в различных устройствах, которые создал человек.
      Но каков же сам электрон? Как он устроен? Сплршной он или полый? Однородный или составлен из каких-то частей?
      Об этом пока ничего не известно. На сегодняшний день электрон является своеобразным порогом, через который наука переступить пока не смогла. А переступит ли?
      Переступит! Так же, как от молекулы она смогла перейти к атому, а от атома к изучению более мелких частиц. В руках науки материя все равно что матрешка в руках любознательного мальчугана: хочется раскрыть ее дальше и дальше, чтобы узнать, что там внутри.
      Молекула. Атом. Ядро. Протон. Нейтрон. Электрон... Беспределен процесс познания, а материя бесконечна, причем не только вширь, но и вглубь. В природе, по всей видимости, не существует единого электрона, а есть сгусток волн или система каких-то еще более мелких частиц. И вдруг в один прекрасный момент электрон как таковой из науки исчезнет... Вот будет номер!
      Что же станет тогда с электроникой? Да ничего! На ней это не отразится. Вот уж действительно чудо: нет электронов, а электроника есть! А ничего здесь нет особенно странного. Приборы, созданные электроникой, будут по-прежнему служить человеку, и в конце-то кондов не столь важно, что там является главной деталью — сгусток волн, однородная сплошная частица или система связанных воедино частиц. Главное, чтобы наши представления не расходились с данными опыта, а каждый новый успех электроники — это опытное подтверждение справедливости лежащих в ее основе идей. Так пусть же будет пока частица — ведь все равно этой частицы никто не видел.
      Все огромное здание электроники строилось умозрительно, усилиями многих изобретательных и пытливых умов. Начиная с момента открытия электрона, когда физик Гельмгольц не ощутил, не воспринял на слух, не увидел, а догадался, что в электролизе должен участвовать электрон.
      Атомы металла образуют кристаллическую решетку, а в пространстве между узлами решетки хаотично движутся свободные электроны, бродят бесцельно туда и сюда.
      Стоит лишь подключить металлическую пластину к двум полюсам источника напряжения, и у электронов сразу появится цель. Они устремятся к положительному полюсу батареи — в металле возникнет электрический ток.
      1.12
      Электрический ток может возникнуть и в газе. Под действием напряжения внутри трубки происходит ионизация газа: свободные электроны устремляются к пластине с положительным потенциалом и по дороге, ударяясь об атомы, срывают электроны с их орбит. Положительные ио-
      ны (атомы, потерявшие свои электроны) движутся к противоположному концу трубки. Характерное свечение газа в трубке свидетельствует о том, что внутри нее движутся навстречу друг другу ионы и электроны — течет электрический ток.
      из
      Чтобы создать электрический ток в жидкости (например, в растворе поваренной соли), надо погрузить в эту жидкость два металлических стержня и
      подключить их к источнику напряжения. Стержни при этом становятся электродами: тот, что подключен
      к «плюсу» источника, будет служить анодом, а соединенный с «минусом» превратится в катод.
      В электронных лампах электроны движутся в вакууме, или, проще говоря, в пустоте. Примером такого устройства может служить диод.
      У диода внутри баллона помещены две основные детали, которые также называются анодом и катодом.
      Рядом с катодом расположена нить накала — миниатюрная электроплитка, которая нагревает катод. При этом «электронная
      жидкость», состоящая из электронов, хаотично движущихся в самом теле катода, между его атомами, начинает «кипеть». Это явление называют электронной эмиссией. В результате эмиссии вокруг катода образуется облако «электронного газа».
      1.15
      Если теперь подключить катод к «минусу» источника напряжения, а на анод подать «плюс», анод начнет
      притягивать к себе электроны из облака, «отсасывать» их от катода, внутри диода будет течь ток.
      Свобода для электрона оказалась очень недолгой: едва лишь он вырвался из катода, как тут же его притянул анод.
      1.16
      Диод часто используют в схемах в качестве вентиля, а «вентиль» по-русски — «кран».
      На рисунках 1.15 «кран» был открыт. Чтобы закрыть его, надо поменять полюса источника: на анод подать «минус», а на катод — «плюс».
      Теперь электронам труднее вырваться за пределы катода, так как он стал их притягивать. Но даже и тем, что вырвались, лететь-то особенно некуда: раньше их притягивал анод, а теперь
      он толкает их назад к катоду.
      При таком включении через диод ток не течет. «Кран» перекрывает электрическую цепь, в которую включена эта лампа.
      Путешествие в ванне
      Электролиз известен каждому школьнику. Если в ванну с раствором поваренной соли погрузить два металлических стержня и подключить их к разным полюсам электробатареи, через раствор и по внешнему проводу потечет электрический ток (см. 1.13),
      Из раствора поваренной соли на одном стержне выделится осадок чистого натрия, а у другого — газообразный хлор. Натрий выделится на катоде, то есть на том стержне, который подключен к отрицательному полюсу батареи. Пузырьки газообразного хлора окружат второй стержень — анод.
      Пока разговор идет о вещах видимых и ощутимых. Стержни можно потрогать руками. Раствор соли поддается анализу. На катоде можно увидеть следы чистого натрия и наблюдать, как бурлит у анода газообразный хлор. Но чем все это вызвано? Почему под воздействием тока жидкость вдруг превращается в газ и твердое вещество? Хлор устремился к аноду, а натрий осел на катоде. А почему не наоборот?
      Вот тут уж нам придется покинуть мир осязаемый и совершить вслед за, учеными фантастическое путешествие
      в иной, невидимый мир. Какой вид транспорта нас сможет туда доставить? Разумеется, необычный. Говоря языком поэтов, мы полетим туда на крыльях фантазии: ведь электроны нельзя увидеть, их можно только вообразить. Зато представив себе, в чем заключается роль электронов в этом процессе, мы сможем понять весь его внутренний механизм.
      Что же здесь происходит? Тому, кто знаком со строением атома, понять процесс электролиза очень легко. Дело в том, что атомы натрия очень охотно отдают находящийся на их наружной орбите один-единственный электрон.
      Отдав электрон, атом перестает быть нейтральным: число электронов стало меньше, чем число протонов в ядре. Теперь он положительно заряжен, и потому это не просто атом, а атом-путешественник. Путешественника по-гречески называют «ионом». А путешественник не любит долго оставаться в покое. Если поблизости есть пластина, соединенная с «минусом», он сразу отправится в путь.
      Атомы хлора, напротив, охотно приобретут электроны. Их наружная оболочка содержит только семь электронов. Восемь электронов на наружной орбите атомов составляют «полный комплект».
      Есть всеобщий закон природы: если у атома на наружной орбите недостает одного или нескольких электронов, он стремится добрать их извне до «полного комплекта».
      Потому атом хлора, подчиняясь этому закону, и отнимает у атома натрия недостающий восьмой электрон.
      Взяв вместо туристской путевки восьмой электрон, атом хлора приобретает порцию отрицательного заряда и тоже становится ионом — он путешествует в том направлении, где есть положительный электрод. Достигнув цели своего турне (то есть анода), ион сдает приобретенную им путевку — восьмой электрон.
      Электрон побежит по внешнему проводу, а поскольку к аноду вновь и вновь прибывают «туристы с путевками», по проводу непрерывно бегут электроны — течет электрический ток. А внутри ванны ток имеет другую природу: здесь «путешественники» непрерывно движутся навстречу друг другу — отрицательные ионы хлора стремятся к аноду, положительные ионы натрия спешат попасть на катод.
      Достигнув катода, ионы натрия отнимают у него недостающие им электроны и, став нейтральными атомами чистого натрия, покрывают катод.
     
      Порция электричества
      Хорошо рассуждать об электронах на оболочках атома тому, кто с ними знаком. А каково было Гельмгольцу? Ведь он изучал электролиз в то время, когда атом еще считался действительно атомом — мельчайшим и неделимым кирпичиком вещества *.
      Об электронах никто не имел представления. По весу выделившегося натрия могли узнать, сколько атомов натрия пришло на катод. Измерив ток, текущий по внешнему проводу, определили перенесенный этими атомами заряд. Установили, что одним и тем же количеством атомов натрия всегда переносится один и тот же заряд. Но если в ванне вместо поваренной соли растворен, к примеру, хлористый кальций, то тем же количеством атомов кальция переносится вдвое больший заряд.
      Вот, собственно, и все данные, которыми располагал в то время Гельмгольц. Но их оказалось достаточно для гениальной догадки: в природе есть наименьшая порция электричества, своеобразный электрический атом. Каждый ион натрия
      * В переводе с греческого слово «атом» означает «неделимый».
      несет одну порцию электричества, каждый ион кальция — две. Не полторы и не 1,75, а именно две — два «электрических атома».
      Гельмгольц, конечно, и сам не подозревал, что ему удалось впервые проникнуть мысленным взором внутрь того самого атома, который до этого был неделимым. Ведь порция электричества — это и есть электрон. На наружной орбите атома кальция вращается не один, как у натрия, а два электрона. Отдав эти два электрона двум атомам хлора, он становится несущим двойную порцию ионом. Потому-то и получается, что тем же количеством атомов кальция переносится вдвое больший заряд.
      Все это стало известно значительно позже, после того как Резерфорд создал модель планетарного атома, в котором ядро заменяет Солнце, а электроны вращаются на орбитах наподобие наших планет (см. I. 1).
      Но именно порция электричества, обнаруженная Гельмгольцем, привела науку к этим открытиям, позволила сделать первый и, пожалуй, самый решительный шаг.
     
      Космос в баллоне
      Идея Гельмгольца породила много вопросов. Что за порция электричества? Чем она переносится? Что собой представляет? Из чего состоит?
      Эксперименты, проделанные вскоре после открытия Гельмгольца, подтверждали, что во всех явлениях, связанных с электричеством, в самом деле участвуют мельчайшие отрицательные электрические заряды: их стали называть электронами. Но что же все-таки представляют собой электроны? Бестелесную порцию электричества или кусочек какого-то вещества?
      Оказалось, ни то ни другое. Хотя электрон и обладает массой, но он не является веществом. Это частица материи, которая входит в состав всех существующих в природе веществ.
      В истории физики электрон занял почетное место: он был первой частицей, положившей начало изучению большого семейства элементарных частиц.
      С момента открытия электрона физики начали проявлять к нему самый живой интерес. Установили, что внутри всех металлов живут свободные электроны, нечто вроде особой жидкости, разлитой по пустому пространству между атомами металла (см. 1.10).
      Как же смогли заглянуть внутрь металла и увидеть там электроны, которых видеть нельзя?
      Конечно, с помощью опытов. Опыт — фундамент всей электроники, источник ее достижений, высший судья при оценке ее идей. А потому давайте войдем в мир электроники так, как входили в него ученые: не с пустыми руками, а с электрической батареей и кусочком металла — металлической пластинкой — в руках.
      Мы подключаем пластинку к «плюсу» и «минусу» батареи, и сразу у всех электронов, бесцельно бродивших внутри пластинки, появляется цель (см. I. 11). Теперь отключим пластинку от батареи и станем ее нагревать. Начнется эмиссия электронов. Вокруг нагретой пластинки образуется облако электронного газа (см. I. 14).
      Если электронов никто не видел, то и электронного облака — тоже. И тем не менее современная физика обращается с электронами почти так же уверенно, как в известной пословице повар с картошкой: для каждого «электронного блюда» есть готовый рецепт.
      Хотите быстрей «вскипятить» «электронную жидкость»? Возьмите никель или вольфрам. Они дают наибольшее «испарение» электронов, и притом весьма тугоплавки — их можно разогревать до очень высоких температур. А еще лучше покрыть пластинку из никеля или вольфрама оксидной пленкой — окислом щелочноземельных металлов. «Испарение» будет еще эффективнее. Возрастет интенсивность эмиссии, скажет специалист.
      Каждый знает, что радиоприемник, прежде чем принимать трансляцию, должен прогреваться 2—3 минуты. Однако не всем известно, что именно в это время рождаются и увеличиваются невидимые облака электронов, окружающие катоды всех ламп.
      Движение в облаке хаотично, единственной целью, которая заставит все электроны двигаться в одном направлении, может служить металлическая пластинка, имеющая положительный потенциал. Ну что ж, за этим дело не станет. У нас есть батарея. У батареи есть «минус» и «плюс».
      Подключим «минус» к пластинке, окруженной облаком электронного газа, а рядом расположим пластинку, на которую подадим «плюс». Возникнет ли ток в подобном устройстве?
      Да, но при одном условии: если опыт проделан... в космосе. А на Земле этому препятствует воздух — он мешает электронам, вырвавшимся за пределы катода, лететь на анод. Чтобы избавиться от влияния воздуха, Эдисон поступил очень просто: он создал «космос в миниатюре» — поместил обе пластинки внутри стеклянного баллона, из которого выкачал воздух. И увидел впервые, как в этих условиях между пластинками, не соединенными проводом, течет электрический ток.
      Если вы захотите проделать подобный опыт, вам не понадобится самим соз давать «космос в баллоне», вы можете взять (купить в любом магазине радиодеталей) готовую двухэлектродную лампу — диод (ом. 1.14).
      Диод был изобретен англичанином Флемингом в 1904 году. Но до наших дней принцип его остался почти неизменным. В основном менялась конструкция. В диоде Флеминга и в ряде последующих конструкций диодов ток накала подводился прямо к катоду. Существенным усовершенствованием было введение нити накала, которую впервые предложил русский ученый А. А. Чернышев.
      Подключив диод к батарее, вы можете наблюдать появление тока по включенному в цепь диода амперметру — прибору, измеряющему электрический ток. Отклонение стрелки прибора — это единственный видимый результат всех описанных нами явлений. Все остальные процессы незримы. И тем не менее внутри баллона происходит именно то, о чем мы. говорили: электроны, вырвавшись из катода, образуют вокруг него электронное облако, анод будет притягивать электроны,, внутри баллона потечет электрический ток.
      1.17
      Среди многих деталей, помещенных внутри электронной трубки, йы тоже можете обнаружить нить накала, катод и анод.
      Анод электронной трубки не похож на анод диода:
      он выполняется в виде цилиндра. Электроны летят от катода к аноду и, проскочив сквозь него, ударяются об экран. Экран покрыт специальным составом, который начинает светиться в том месте, куда упал электрон.
      1.18
      Чтобы направить в электроны, вылетающие из катода, в одну точку экрана, необходимо собрать их в тонкий луч. Электроны противятся этому и отталкивают друг друга, так как все они имеют одноименный заряд (отрицательный). В результате луч «разбухает», и если бы он упал на экран в таком виде, то на экране образовалось бы размазанное большое пятно.
      Побороть «своенравие» электронов помог фокусирующий электрод. Выполненный тоже в виде полого цилиндрика, он подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, и потому его стенки отталкивают разбегающиеся электроны и собирают их в тонкий пучок, направленный вдоль продольной оси цилиндра.
      1.20
      По пути от катода к экрану электрон пролетает мимо пластин. Если на них нет напряжения, электрон их не заметит и полетит к центру экрана. Вместе с ним туда летят все другие его собратья и создают в центре экрана светящееся пятно.
      А что будет, если к одной паре пластин приложено напряжение? Все электроны отклонятся в сторону положительной пластины, и пятно сместится от центра экрана вверх.
      1.22
      Изменив на пластинах знаки приложенного напряжения, можно сместить пятно вниз.
      1.23
      Вторая пара пластин по зволяет смещать луч и пятно влево и вправо.
      1.24
      Чтобы впредь никогда не путаться в этих пластинах, надо раз и навсегда усвоить одно перекрестное правило: пластины в левой части плаката, хотя и стоят "вертикально, отклоняют луч влево и вправо, и потому их называют горизонтально-от-клоняющими пластинами.
      Те же пластины, которые лежат в горизонтальной плоскости, называют вертикально - отклоняющими пластинами, так как они отклоняют луч или вверх, или вниз.
      Две пары пластин являются своеобразным прицельным устройством, которое позволяет обстрелять любую точку экрана, направив в нее луч.
     
      Вооруженные «пушкой»
      Диод — это уже электроника. Он был создан для вполне конкретных технических нужд. А на первых порах никаких технических нужд еще не было. Не было и электроники — было лишь естественное желание физиков изучить электрон. Поэтому еще за 40 лет до изобретения двухэлектродной лампы (диода) появилась электронная трубка, созданная физиками как сугубо экспериментальный прибор.
      В то время никто не мог предполагать, какое разностороннее применение уготовано в будущем трубке. В локации и телевидении, при получении сигналов из космоса, во многих
      лабораторных исследованиях, в устройствах, запоминающих данные, обработанные электронной машиной, без этой трубки не обойтись. Но физики Плюккер, Кирхнер, Гитторф, Крукс, Перрен и Виллар, проводившие первые опыты с трубкой, имели цель куда более скромную: они хотели понять, как ведет себя электрон.
      Устройства, создающие управляемый луч внутри трубки, кто-то метко назвал «электронными пушками».
      В самом деле: электроны подобны ядрам, а положительный потенциал анода заменяет давление газов, выталкивающих ядро из ствола. Стволом служит фокусирующий электрод, обеспечивающий кучность стрельбы (см. 1.19). Управляющие пластины подобны орудийным прицельным устройствам (см. 1.20—1.24).
      Кто мог знать, что устройство это со временем оправдает воинственное название «пушка» и будет помогать настоящим орудиям поражать без промаха вражескую цель?
      Но к тому времени, когда «электронная пушка» нашла применение в индикаторах радиолокационных станций, у нее уже было немало всякого рода мирных заслуг.
      Еще 100 лет назад физики занимались исследованием природы лучей (в то время они носили название «катодных лучей»), создаваемых «электронными пушками».
      Сначала установили, что эти лучи всегда отклоняются к той пластине, к которой подключен положительный полюс источника. Отсюда был сделан вывод, что луч представляет собой непрерывный поток частиц, обладающих отрицательным зарядом.
      Затем удалось измерить скорость и вычислить массу этих частиц. Так «электронная пушка» помогла познать свойства невидимых электронов, превратив их из бестелесной порции электричества в частицы «во плоти и крови».
      Впоследствии с помощью точно таких же «пушек» инженеры сумели получать четкие изображения кадров на телевизионном экране. А за много лет до создания телевидения был разработан лабораторный прибор осциллограф, позволивший наблюдать многие электрические процессы, которые раньше исследователи могли только воображать.
      Возьмем, к примеру, электрический импульс. Что он собой представляет? Толчок, который создается множеством электронов, пробегающих одновременно по проводам и элементам схем.
      Последите при случае за эскалатором на одной из станций метро. Он загружен неравномерно. Когда на перрон прибывает поезд, все пассажиры устремляются к эскалатору. Тот, кому особенно некогда, мчится сюда бегом. Затем идет основная масса — на лестнице стало особенно тесно. А дальше на эскалаторе пусто. Импульс кончился. С приходом следующего поезда цикл повторяется вновь
      Картина эта сходна с тем, что происходит в импульсных схемах. Поезда метро можно сравнить с генератором импульсов, эскалатор — с участком провода, а пассажир в данном случае ведет себя так же, как электрон.
      И график, изображающий изменение тока во времени, очень похож на график, на котором отражено количество пассажиров, доставленных эскалатором наверх.
      Однако в отличие от событий в метро, длящихся многие минуты, электрический импульс обычно появляется и исчезает за миллионные доли секунды. Разве можно за такое короткое время что-нибудь рассмотреть? Кто успеет заметить импульс, который рождается и умирает в течение миллионных долей секунды?
      Оказывается, торопиться здесь вовсе не нужно. Мгновенные импульсы могут оставить след на экране, и след этот будет сохраняться достаточно долго, чтобы инженер или ученый могли оценить его форму, проследить, как за коротенькое мгновенье нарастает, держится и исчезает электрический ток.
      Эту возможность дают инженерам электронные трубки.
      Миллионная доля секунды... Время настолько ничтожное, что его даже трудно вообразить.
      Мировой рекордсмен по бегу, пробегающий стометровку за 9,8 секунды, за одну миллионную долю секунды преодолевает... одну сотую миллиметра.
      Всего три десятых миллиметра пролетит за это короткое время реактивный самолет. А ведь он летит со скоростью звука! Ракета, несущая спутник на орбиту с космической скоростью, всего на 8 миллиметров удалится от нашей Земли.
      А в электронной схеме за миллионную долю секунды происходит столько событий, что рассказ о них может длиться часами.
     
      След невидимок
      Электроны «живут» в ином временном масштабе. Они настолько подвижны и расторопны, что за одну миллионную долю секунды успевают сделать множество разных дел.
      ...Импульс длился одну миллионную долю секунды. В это время луч электронной трубки, двигаясь слева направо успел пересечь экран. В тот момент, когда луч начинал свой бег, импульс попал на вертикально-отклоняющие пластины и отклонил луч вверх. Но отклонившись, луч продолжал бежать слева направо, и, когда импульс кончился, он вернулся (опустился) к середине экрана и закончил пробег. В результате остался след луча на экране. Это и есть график импульса: глядя на изображение, можно увидеть, как в течение миллионной доли секунды нарастал (участок а—6), держался (Ъ—с) и падал (с—d) электрический ток.
      Экран электронной трубки стал поистине чудо-экраном: на нем можно увидеть движение невидимых пассажиров на невидимых эскалаторах, то есть движение тока внутри проводов и других элементов схем.
      Изображение на экране сохраняется недолго: экран покрывают специальным составом, который после пробега луча может светиться секунды или доли секунды. Но электронике очень редко приходится иметь дело с одиночными импульсами. Обычно они следуют друг за другом, и каждый из них заставляет луч отклоняться и обновлять свой след. Пока длится импульс, луч бежит по экрану слева направо. Затем он очень быстро, мгновенно возвращается к левому краю экрана, чтобы вновь повторить пробег.
      А что значит «очень быстро»? Слева направо луч бежал всего одну миллионную долю секунды. В этом случае скорость прямого хода (то есть пробега слева направо) составит в привычных нам единицах примерно 100 километров в секунду, или 360 000 километров в час. Если бы луч скользил не по экрану, а по земле, его след в течение часа десять раз обежал бы вокруг Земли!
      Разве это не быстро? Быстро. Но в электронике даже такая скорость еще далека от рекордной. Слева направо луч бежит быстро, а справа налево (то есть во время обратного хода) еще примерно раз в сто быстрей.
      А от чего зависит скорость пробега? Что заставляет луч, добежав до края экрана, возвращаться назад? Чтобы ответить на эти вопросы, придется рассказать о принципах управления электронным лучом.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ