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

Таким образом, тот же фундаментальный процесс, приведший к открытию электрона, использовался в каждом из телевизоров, выпускавшихся в мире каких-нибудь пару десятков лет тому назад. В них применялся прибор, «вырабатывающий» электроны, а именно кинескоп – полая камера, из которой откачан воздух (то есть созданы условия, близкие к вакууму), стало быть, внутри нее нет никаких препятствий. В результате электроны, которыми выстреливает так называемая электронная пушка в кинескопе, движутся в вакууме, пока не ударятся об экран. Такой их поток в кинескопе представляет собой электрический ток в чистом виде: заряженные частицы, движущиеся по прямой линии.

⁂

Моя тетя открывает коробку со всевозможным «электронным хламом», оставшимся ей «в наследство» после смерти моего дедушки. В коробке можно найти стеклянные радиолампы, немного напоминающие своим видом цилиндрические осветительные лампочки; правда, вместо обычной нити накаливания внутри них скрывается довольно сложная металлическая конструкция. Радиолампы используются для управления потоком электронов в электрических цепях. Когда дедушка занимался ремонтом телевизоров, он прежде всего старался выяснить, не сгорела ли какая-либо радиолампа, которыми были буквально нашпигованы внутренности каждого телевизора, чтобы заменить ее. Мои мама, тетя и дедушка питали к радиолампам искренние чувства любви и благоговения, поскольку от их исправности зависело очень многое в жизни. Разнообразие радиоламп просто поражает!

А еще в углу коробки можно обнаружить большой кольцеобразный магнит (сейчас он уже раскололся на две части). Глядя на него, я размышляю о великой связи между электричеством и магнетизмом. Если вы хотите управлять электричеством, вам нужны магниты. Если хотите управлять магнитами, вам требуется электричество. Электричество и магнетизм – две стороны одного и того же явления. И электрическое, и магнитное поле могут подталкивать движущийся электрон. Но результаты такого подталкивания разнятся. Электрическое поле будет подталкивать движущийся электрон в направлении действия поля. Магнитное – в сторону, перпендикулярно направлению поля.

Создать направленный пучок электронов – лишь полдела. Главная проблема, которую следовало решать конструкторам старых телевизоров, – управлять этим пучком электронов так, чтобы он попадал в нужные точки экрана. В основе такого управления лежит принцип неразрывной связи между электричеством и магнетизмом. Когда электрон движется через магнитное поле, он отклоняется в сторону. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее отклоняется электрон. Следовательно, изменяя определенным образом величину магнитного поля в ЭЛТ старого телевизора, можно отклонять пучок электронов на тот или иной угол, целенаправленно изменяя точку попадания пучка электронов на экран. Большой кольцеобразный постоянный магнит, покоившийся в углу заветной дедушкиной коробки, был смонтирован вблизи электронной пушки и обеспечивал основную фокусировку. Но управляющие электромагниты, находящиеся несколько ближе к экрану, контролировались непосредственно сигналом, поступающим с телевизионной антенны. Эти электромагниты управляли пучком электронов таким образом, чтобы он сканировал экран по горизонтали, строка за строкой. Сам по себе пучок электронов при прохождении каждой очередной строки то включался, то выключался, и в том месте, где он попадал на экран, появлялась яркая точка. Строчный выходной трансформатор, о котором я упоминала выше, относился к числу устройств, предназначенных для управления сканированием экрана. Чтобы обеспечить непрерывное изображение на экране телевизора, нужно было сканировать 405 строк 50 раз в секунду, при этом пучок электронов следовало включать и выключать в строго определенные моменты времени – соответственно изображению, формируемому на экране.

Управление пучком электронов – невероятно сложный процесс. Для формирования изображений на телеэкране требуется множество электронных компонентов, причем все они должны действовать строго синхронно, исполняя свои функции исключительно в определенные моменты времени. Именно поэтому в телевизорах старых типов множество ручек настройки, позволяющих корректировать и «подстраивать» картинку на экране. Кстати, многие владельцы телевизоров этим злоупотребляли, то и дело (зачастую без реальной необходимости) вращая ручки настройки. Впрочем, для моего дедушки настройка телевизоров была не забавой, а профессиональной обязанностью. Можно сказать, он был знатным специалистом по части ремонта и настройки телевизоров. Со стороны его манипуляции выглядели как некое священнодействие. Настоящих мастеров своего дела уважали во все времена – да и как не уважать мастера, если он делает то, что у тебя не получается! Сейчас мир изменился. Специалисты-электронщики могут «оживить» неработающее устройство, но вы не понимаете, что именно они делают и почему оно работает.

Кажется невероятным, что молчаливые и невидимые электроны, замкнутые в вакууме, могут быть ключом ко всему богатству телетрансляций, полных звуков и красочных кадров. В течение пятидесяти лет работа телевизора основывалась на одном и том же простом принципе: поместите электрон в электрическое поле – и сможете ускорять или замедлять его движение. Поместите движущийся электрон в магнитное поле – и сможете отклонять его в ту или иную сторону. Поддерживайте этот процесс в течение долгого времени – и он будет циклически повторяться.

Масштабный физический эксперимент в ЦЕРН[80] (Женева), уже успевший прославиться открытием бозона Хиггса в 2012 году[81], основан на тех же принципах, что и электронно-лучевая трубка, хотя в Большом адронном коллайдере проводятся эксперименты не только с электронами, но и с другими элементарными частицами. Электрическое поле позволяет придать ускорение любой заряженной частице, а магнитное поле – искривить путь, по которому она движется. В недрах Большого адронного коллайдера – эксперимента, который наконец подтвердил существование бозона Хиггса, – ускорение придается протонам. В коллайдере достигнуты скорости, весьма близкие к скорости света. Они настолько высоки, что даже при использовании чрезвычайно мощных магнитов, управляющих движением частиц, протяженность кольца ускорителя пришлось сделать равной 27 километрам.

Таким образом, базовую концепцию, используемую и для обнаружения самого электрона, и для создания Большого адронного коллайдера в ЦЕРН – управляемый поток заряженных частиц в вакууме, – еще до сравнительно недавнего времени можно было обнаружить и у себя дома. В наши дни громоздкие телевизоры на базе электронно-лучевых трубок почти полностью вытеснены плоскими «плазменными» экранами. В 2008 году общемировые объемы продаж телевизоров с плоским экраном впервые превысили объемы продаж телевизоров на базе электронно-лучевых трубок, и тенденция сохраняется. Появление плоских экранов обусловило разработку смартфонов и ноутбуков, поскольку такие экраны могут иметь малые размеры. Эти новые дисплеи также управляются электронами, но гораздо более сложным способом. Вся площадь экрана делится на множество крошечных квадратиков, пикселов, а электронное управление каждым таким пикселом определяет, светится ли он. Если разрешение экрана составляет 1280 × 800 пикселов, значит, вы смотрите на сетку, состоящую из более чем миллиона отдельных цветовых точек. Каждая из таких точек управляется (включение/выключение) раздельно путем подачи на них крошечных напряжений. Состояние каждого пиксела обновляется не менее шестидесяти раз в секунду. Координация раздельного управления таким количеством пикселов – чрезвычайно сложная задача, но даже она кажется тривиальной по сравнению со сложностью функций, выполняемых вашим ноутбуком.