Следующий раздел: 3. Энергия и ее сохранение Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Физика (Вопросы Предыдущий раздел: 1. Она по всюду является   Алфавитный индекс

Разделы

2. Электрический злодей и волшебное колечко


2.1 Мостик Уинстона

Вопрос: Что такое мостик Уинстона и каков принцип его действия?

Ответ: Мост Уинстона -- устройство измерения сопротивления методом сравнения измеряемой величины с образцовой мерой; выполнен по схеме мостовой цепи, в измерительную диагональ которой включен нуль- индикатор или измерительный прибор (обычно гальванометр). Измерение сопротивления с помощью мостика Уитсона, является компенсационным методом измерения.

Рисунок: Одинарный мост постоянного тока (Мост Уинстона): Г -- гальванометр; Е -- источник питания моста; $ R_{1}(R_{x})$ -- измеряемое сопротивление; $ R_{2}$, $ R_{3}$, $ R_{4}$ -- калибровочные установочные резисторы.
\includegraphics[width=5cm]{Most-Wheatstone/Most-Wheatstone.eps}

Сопротивление резистора меняется до тех пор, пока гальванометр (См. рис. 1) не покажет строгий ноль. В этом случае напряжения в точках B и D выровняется, и ток через измерительный прибор $ I_{5}$ станет равен 0. Следовательно $ I_{1}=I_{2}$, $ I_{3}=I_{4}$, $ I_{1}R_{1}=I_{3}R_{3}$, $ I_{1}R_{2}=I_{3}R_{4}$.

Отсюда следует, что $ R_{x}=\frac{R_{2} R_{3}}{R_{4}}$

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


2.2 Шаровая молния

Вопрос: Что такое шаровая молния?

Ответ: Строго говоря, этого никто не знает. Природные шаровые молнии возникают редко в непредсказуемых местах, исследовать их с помощью приборов не удавалось. Наблюдения очевидцев ненадежны: ``от страха глаза велики'', т.к. где-то в половине случаев шаровая молния исчезает со взрывом. В лабораторных условиях удавалось получать разряды в газе, похожие на шаровую молнию, но утверждать, что это именно она нет оснований.

На русском языке есть несколько книг, в которых описаны наблюдения очевидцев и перечисляются возможные объяснения:

  • И.Имянитов, Д.Тихий ``За гранью законов науки'' М., Атомиздат, 1980,
  • И.П.Стаханов ``О физической природе шаровой молнии'' М., Энергоатомиздат, 1985,
  • Б.М.Смирнов ``Загадка шаровой молнии'' М., Знание, 1987.

Все авторы сходятся в том, что при встрече с шаровой молнией надо вести себя как при встрече с большой злой собакой: все время смотреть на нее и избегать резких движений.

С точки зрения теории -- основная проблема объяснить большое время жизни шаровой молнии. Одна из наиболее продвинутых теорий предложена в книге Б.М.Смирнова ``Проблема шаровой молнии'' М., Наука, 1988.

Основным предположением является то, что шаровая молния -- фрактальный объект, образованный случайно соединившимися частичками углерода. За счет фрактальности у этого объекта низкая плотность и очень большая площадь поверхности, что обеспечивает возможность легко передвигаться в воздухе и долго поддерживать энерговыделение при не интенсивном окислении.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.3 Вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли

Вопрос: Что такое вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли? Каким прибором пользуются для ее определения? Опишите, пожалуйста, его строение. Как можно его изготовить?

Ответ: Так как Земля является большим круглым магнитом, то из нее, как и из всякого нормального магнита, выходят силовые линии, следовательно есть у магнитного поля и вертикальная составляющая.

Чтобы засечь вертикальную составляющую магнитного поля Земли в домашних условиях, достаточно воспользоваться обычным компасом. В качестве объекта наблюдения можно использовать обычную батарею центрального отопления, которая длительное время стояла на месте и успела намагнититься от магнитного поля Земли.

Так как у магнитного поля Земли есть вертикальная составляющая, то у батареи возникает как бы два полюса магнита -- сверху и снизу: поднесите обычный компас к верхнему краю батареи, а затем и к нижнему -- в зависимости от того к какому краю вы поднесли компас стрелка компаса отклонится по разному.

Если вы хотите измерить величину вертикальной составляющей, то вам не обойтись без соответствующих приборов приборов -- можно поискать информацию о датчиках Холла (точнее о эффекте Холла, на основе которого сделаны датчики), можно самому соорудить магнитометр с помощью стрелки компаса, весящей на нитке.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su

2.4 Лазерные микрофоны

Вопрос: Как работают лазерные микрофоны?

Ответ: Луч лазера направляется на окно комнаты где идет интересующий вас разговор. Стекло играет роль мембраны -- надо только поймать и обработать отраженный сигнал от лазера.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


2.5 Как сделать лазер

Вопрос: Как сделать самому из подручных материалов (если очень захотеть и иметь возможность достать все необходимые компоненты) лазер любого типа (не указка, а способный выжечь след, хотя бы на бумаге или оплавить)?

Ответ: При определенной сноровке и опыте, имея готовые интерференционные зеркала, можно сделать газовый гелий-неоновый лазер. Однако мощность его слишком низка для того, чтобы им можно было что-то жечь. Мощный лазер построить без специального оборудования невозможно.

Можно воспользоваться схемой самодельного лазера на хлориде меди, предложенной в статье Д.Уолкера в журнале ``В мире науки'' N6, 1990, стр.84-87.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.6 ЛЭП и птицы

Вопрос: Почему опасно хвататься за ЛЭП, в то время как птицы там сидят?

Ответ: Опасно не напряжение само по себе -- опасно падение напряжения на проводнике, в роли которого выступает схватившийся за провод объект изучения. Если объект одновременно касается провода под напряжением и земли или двух проводов с разным напряжением, то ему станет плохо.

То, что птицы сидят на проводах -- это проблемы не только птиц -- это головная боль эксплуатационников линий электропередач -- довольно много птиц гибнет, и своей смертью (она как правило наступает в результате того что птица коснулась двух рядом идущих проводов) провоцируют короткие замыкания. В частности, стандартные изоляторы на столбах электропередачи спроектированы с учетом опасности со стороны птиц (делаются специальные насесты).

Сухой остаток: Птицы сидят на линиях электропередач, потому что не знают, что там сидеть нельзя -- те кто на своем горьком опыте узнают это -- никому рассказать не успевают :(. Дети не лезьте на ЛЭП, не пытайтесь объяснить это птицам.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


2.7 Сопротивление кожи и электробезопасность

Вопрос: Решал я задачки по физике, а в вопросе такие данные -- 1mA достаточно для человека, чтобы почувствовать ток, 5mA - будет больно, выше 15mA -- человек теряет контроль над мышцами, 70mA ... С сухой кожей сопротивление тела от одной руки до другой $ 10^5$ Ом с мокрой $ 5\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^3$ Ом. Правильны ли эти числа? Если нет, то интересно бы узнать правильные.

Ответ: В монографии В.Е.Манойлова ``Основы электробезопасности'' (Энергоатомиздат, 1991) приводятся следующие значения электрического сопротивления тела человека от ладони к ладони (площадь поверхности контакта около $ 10$   см$ ^2$):

при напряжении сети до 65 В 4400 Ом
при напряжении до 220 В 1600 Ом
при напряжении свыше 220 В 1200 Ом

Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует следующие значения сопротивлений (рука-ноги) при частоте 50 Гц:

U, В R, Ом
25 2500
50 2000
250 1000
$ >$ 250 650

Согласно учебнику ``Основы техники безопасности в электроустановках'' П.А.Долина (Энергоатомиздат, 1984) увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой снижает сопротивление тела на 30-50 %. Там же приводятся следующие данные о действии тока на человека:

Ощущения Переменный ток Постоянный ток
  50 Гц  
Порог чувствительности 1,1 мА 6 мА
Неотпускающий ток (возникают непреодолимые судорожные сокращения мышц) 15 мА 50-80 мА
Фибриляционный ток (может вызвать остановку сердца) 50 мА - 5 А 300 мА - 5 А

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.8 Пульт дистанционного управления телевизором

Вопрос: Почему приемник инфракрасных излучений на телевизоре плохо принимает эти сигналы с ПДУ при ярком свете?

Ответ: Любой источник освещения излучает в инфракрасной области спектра. К тому же приемник излучения, поглощая падающее на него излучение, нагревается. Все это приводит к тому, что ухудшается отношение сигнал-шум на приемнике. Т.е. строго говоря, дополнительный источник освещения должен ухудшать прием сигналов с ПДУ. Другое дело -- насколько. Сделаем оценки.

Излучаемая мощность ПДУ в диапазоне длин волн 0,8-1,2 мкм составляет несколько милливатт. Излучение идет в конусе с углом раствора около 100 и падает с расстояния несколько метров на приемник излучения диаметром около 3 мм. Это означает, что приемник реагирует на приходящую мощность излучения около $ 10^{-7}$ Вт.

Все окружающие нас тела имеют температуру около 300 К. При этом они светят инфракрасным излучением, с максимумом на длине волны 9-10 мкм и мощностью около 0,1 Вт/см$ {}^2$. В диапазоне длин волн чувствительности приемника излучения падающая мощность составит менее $ 10^{-12}$ Вт, что не мешает работе ПДУ. Поэтому незначительный нагрев приемника излучения не ухудшит его работы.

Обычная лампа накаливания, имеющая к.п.д. около 5% и температуру спирали более 2000 К, излучает с максимумом на длине волны около 1 мкм и мощностью около 5 Вт. Считая, что излучение равномерно идет во все стороны и падает с расстояния несколько метров, падающая на приемник излучения мощность составит около $ 5\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^{-7}$ Вт.

Плотность потока солнечного излучения составляет в наших широтах около 500 Вт/м$ {}^2$. На нужный нам инфракрасный диапазон приходится около 15% энергии. Значит, на приемник излучения падает $ 10^{-3}$Вт.

На первый взгляд кажется, что лампа и Солнце должны существенно ухудшить прием телевизором сигналов ПДУ. Однако это не так. Дистанционный пульт работает на модуляции сигнала инфракрасной частоты (прямоугольные импульсы различной длины для различных каналов), и датчик реагирует не столько на величину сигнала, сколько на длину модуляции. Приемник излучения -- фотодиод -- имеет характеристику, связывающую вырабатывающееся на нем напряжение с освещенностью. Характеристика имеет линейный участок роста, а затем выходит на насыщение. Цепь фотодиода имеет конденсатор, отсекающий постоянную составляющую тока. Пока освещенность соответствует линейной части характеристики, проблем нет, даже когда фон сопоставим или сильно превышает сигнал ПДУ.

Проблемы начинаются при выходе на насыщение в характеристике. Возможно, при работе телевизора на улице в яркий солнечный день при попытке воспользоваться дистанционным пультом ничего не получится.

В квартире излучение с улицы резко падает с удалением от окна. Если на подоконнике освещенность 100%, то на расстоянии от него 5 м - освещенность 10%.

По нашему опыту нет существенной разницы в работе ПДУ днем при солнечном свете, вечером при включенной люстре или ночью.


Литература: А.Г.Блох, Ю.А.Журавлев, Л.Н.Рыжков ``Теплообмен излучением. Справочник'', М., Энергоатомиздат, 1991, стр.44, Д.С.Гурлев ``Справочник по фотографии (светотехника и материалы)'', Киев, Техника, 1986, глава 1, Н.И.Воронова, Ю.В.Овчинникова, Н.В.Цыбуля ``Комнатное цветоводство'', Новосибирск, 1992, стр.6.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru



E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000