18.03 Электромагнетизм → 18.03.02 Сборник Камзеевой

С развитием электротехники традиционная лампа накаливания перестаёт быть единственным вариантом для освещения жилья. На смену ей пришли сначала люминесцентные, а затем и светодиодные (light emitting diode, или LED) источники света.

Светодиод -- это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Так как в светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, то теоретически это можно сделать почти без потерь. При этом практически отсутствует ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. Светодиод механически прочен и исключительно надёжен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5-10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод -- низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

На рисунке представлены спектр излучения для светодиода в сравнении с солнечным спектром и лампой накаливания.

Светодиодные лампы способны давать световой поток разной теплоты: холодный (с преобладанием синей части спектра) или тёплый (с преобладанием красной или жёлтой части спектра). Цвет излучения ламп характеризуется цветовой температурой. Цветовая температура светодиодных ламп и любых других источников света связана с длиной волны, испускаемой светоизлучающим элементом. Чем больше цветовая температура, тем меньше длина волны излучения. Цветовую температуру измеряют в градусах Кельвина (К).

В зависимости от оттенка осветительные приборы могут использоваться для освещения разных помещений и объектов:

Тёплый белый свет с цветовой температурой 2700-3200 К. Самый оптимальный диапазон, в котором человек чувствует себя комфортно, поэтому такие параметры рекомендованы для освещения в жилых помещениях. Аналогичное излучение дают обычные лампы накаливания.

Дневной белый свет с температурным диапазоном 3500-5000 К. Это нормальный белый свет, который даёт утреннее солнце. Свечение нейтральное, поэтому подходит для использования в разных помещениях: учебных кабинетах, офисах, цехах и пр.

Холодный белый свет с цветовой температурой 5000-7000 К. По характеру свечения напоминает яркий дневной свет. Светильники с такой температурой рекомендуют устанавливать в больницах, лабораториях, на рекламных конструкциях. Ещё диапазон подходит для промышленного и уличного освещения: в парках, на аллеях и парковках.

Любое железное или стальное тело, внесённое в поле магнита, намагничивается, то есть само становится постоянным магнитом. Ещё
в конце XVI в. английский физик Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причём нижний их конец всегда является южным полюсом. Известно, что стальные корпуса кораблей во время постройки приобретают намагниченность за счёт магнитного поля Земли и становятся гигантскими плавающими магнитами.
Самопроизвольное намагничивание железных предметов в магнитном поле Земли было использовано в годы Великой Отечественной войны для устройства магнитных мин, которые устанавливались на некоторой глубине и взрывались при прохождении над ними корабля. Механизм, заставляющий мину всплывать и взрываться, приходил в действие, когда магнитная стрелка, вращающаяся вокруг горизонтальной оси, поворачивалась под влиянием магнитного поля проходящего над миной железного корабля, который всегда оказывается самопроизвольно намагниченным.
Исследовательская группа под руководством И.В. Курчатова придумала, как обезвредить магнитную мину. Применялось два способа: магнитное траление этих мин и нейтрализация магнитного поля корабля.
Первый способ заключался в том, что самолёт, летящий низко над поверхностью моря, проносил над этим участком подвешенный к нему на тросах сильный магнит (или электромагнит). Под влиянием поля магнита или магнитного поля тока механизмы всех мин приходили в действие, и мины взрывались, не причиняя вреда.
Второй способ состоял в том, что на самом корабле укреплялись петли из изолированного провода и по ним пропускались токи с таким расчётом, чтобы магнитное поле этих токов было равно по величине и противоположно по направлению полю намагниченного корабля. Оба поля, складываясь, компенсировали друг друга, и корабль свободно проходил над магнитной миной, не приводя в действие её механизм.

В середине XIX века немецкий стеклодув Генрих Гейслер сумел создать хороший вакуум в выдувной стеклянной
трубке с электродами на обоих концах. Проводя опыты с такими трубками, учёные заметили, что иногда само
стекло светилось бледно-голубым или зелёным светом вокруг анода — положительного полюса трубки. Было
выдвинуто предположение, что свечение создаётся лучами, идущими, от катода – отрицательного полюса —- к
аноду, и поэтому они были названы катодными лучами. В 1870-х годах для изучения этих лучей английский
физик Уильям Крукс разработал трубку, позже названную электронной трубкой. С её помощью учёные проводили
множество экспериментов, желая выяснить, что представляют собой эти лучи.
К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер. Подавляющее
6ольшинство видных учёных немецкой школы придерживалось мнения, что катодные лучи имеют ту же природу,
что и световые лучи. В Англии же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных
молекул или атомов газа. У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Сторонники
молекулярной гипотезы справедливо указывали на тот факт, что катодные лучи отклоняются под воздействием
магнитного поля, в то время как на световые лучи магнитное поле никак не воздействует. Следовательно, они
состоят из заряженных частиц. Однако сторонники корпускулярной гипотезы никак не могли объяснить ряда
явлений, в частности обнаруженного в 1892 году эффекта практически беспрепятственного прохождения катодных
лучей через тонкую алюминиевую фольгу.
Наконец, в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда,
а заодно прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своём опыте Томсон использовал усовершен-
ствованную катодно- лучевую трубку, конструкция которой была дополнена катушками с электрическим током,
создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрически заряженных конденсаторных
пластин, создававших внутри трубки электрическое поле (см. рисунок). Благодаря этому появилась возможность
исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического полей.

Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что катодные лучи ведут себя как поток
заряженных частиц: отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; отклоняются в электрическом поле
в отсутствие магнитного (пунктирные линии 1 или 2 на рисунке); при одновременном действии электрического и
магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности
отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, т. е. действие двух полей
взаимно уравновешивается (пунктирная линия 3 на рисунке).
Неизвестные частицы Томсон назвал корпускулами, но вскоре они стали называться электронами. Сразу же стало
ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов анода — иначе откуда бы они взялись. 30 апреля 1897
года — дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества —
считается днём рождения электрона.

В осветительных приборах используют люминесцентные лампы, которые хотя и стоят дороже, чем лампы накаливания, но при той же яркости света потребляют меньше электроэнергии.

Внутренняя поверхность люминесцентных ламп покрыта люминофором — веществом, которое не только отражает часть падающего на них света, но и само начинает светиться. Такое свечение называют фотолюминесценцией. Свет люминесценции зависит от состава люминофора и имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет.

Принцип работы люминесцентной лампы приведён на рисунке 1.

Люминесцентные лампы относятся к особо опасной категории отходов из-за наличия в них паров ртути, которая относится к отравляющим веществам. Повреждённые или использованные люминесцентные лампы нельзя выбрасывать в бытовые контейнеры для мусора, для утилизации этих ламп существует специальное оборудование.

На рисунке 2 представлены спектры излучения для люминесцентной лампы в сравнении с солнечным спектром и лампой накаливания.

Для осуществления процессов контактной точечной сварки первоначально использовались специальные клещи с угольными электродами, к которым подводился электрический ток. Затем две сложенные одна на другую стальные пластины зажимались клещами, а ток, подведённый к угольным электродам, проходя через металл, давал достаточное количество теплоты для образования сварной точки.

В 1886 году Э. Томсон запатентовал принципиально новый способ электрической сварки, описываемый следующим образом: «Свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы – до 200 000 А при низком напряжении — 1-2 В. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными».

Схема такой сварки изображена на рисунке. Практически всё сопротивление- цепи сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей (материал деталей имеет большое удельное сопротивление, и, дополнительно, касание происходит в отдельных точках поверхности).

В конце XIX века стыковая контактная сварка применялась для соединения телеграфных проводов. В своих дальнейших исследованиях Э. Томсон стал комбинировать нагрев электрическим током с пластическими деформациями, возможными благодаря применению гидравлических систем сжатия. К началу XX века относятся сообщения о применении контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения. На Солнце периодически образуются активные области — в видимом свете наиболее заметными структурными образованиями активной области являются тёмные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Причинами солнечной активности являются явления и процессы, связанные с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей.

Протяжённости активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время существования — от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, активные области можно наблюдать в различных диапазонах электромагнитного излучения — от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радиоволн.

Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности является число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с периодом, примерно равным 11 годам (см. рисунок).

Время от времени в активной области происходят вспышки. Вспышка представляет собой нечто подобное взрыву, в результате которого образуются выброс частиц высокой энергии (электронов, протонов и др.) и мощный направленный поток электромагнитного излучения (в основном, рентгеновского).

Рентгеновское излучение и потоки заряжённых частиц, приходящие от вспышки, оказывают сильное влияние на физические процессы в верхней атмосфере Земли, вызывают дополнительную ионизацию земной ионосферы, что сказывается на условиях распространения радиоволн (благодаря атмосфере рентген и жёсткий ультрафиолет не проходят до поверхности Земли). Появляется серьёзная опасность облучения космонавтов, находящихся на орбите. Поток выброшенных при вспышке частиц примерно через 1-3 дня достигает орбиты Земли, захватывается её магнитным полем и вызывает на Земле магнитную бурю и полярные сияния (захваченные магнитным полем заряженные частицы взаимодействуют с молекулами и атомами газов атмосферы Земли, вызывая красочные северные сияния).

Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Учёный A. JI. Чижевский ещё в 1920-х годах указывал на то, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний у человека. Особенно явно это проявляется в заболеваниях сердечно-сосудистой системы