№11 ноябрь 2022

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Рефераты. Октябрь 2022 №10

Подготовил Леонид Ашкинази

Электрон идёт «на работу»

Добрую половину прошлого века почти вся электроника использовала радиолампы — электронно-вакуумные приборы. В них поток электронов, управляемый напряжениями на электродах, позволял усиливать, преобразовывать и создавать электрические сигналы. Источником потока электронов в радиолампе служит катод — электрод, который для работы должен нагреться до высокой температуры, а это — уменьшение кпд и срока службы. Поэтому для разработки долговечных катодов приходилось идти на разные технологические ухищрения. Например, формировать на поверхности небольшой избыток щелочного металла (чаще цезия) или щёлочноземельного (чаще бария), что увеличивало выход электронов и позволяло катоду работать при меньшем нагреве. Со временем полупроводниковые приборы почти повсеместно вытеснили радиолампы, оставив им область применения высоких мощностей и частот, где они успешно живут и совершенствуются поныне.

Кроме термоэлектронной эмиссии (испускание электронов при нагревании), с её проблемами долговечности катодов, существует, например, автоэлектронная эмиссия, где для извлечения электронов из катода его нужно не греть, а действовать на него электрическим полем с высокой напряжённостью (так называемый холодный катод). Если сделать катод в виде многочисленных тонких игл, то на них создаётся высокая напряжённость поля и электроны с большей охотой покидают поверхность. Острия легко делать из тугоплавких металлов, но они бы-
стро окисляются, поскольку даже в хорошо вакуумированной радиолампе вакуум всё равно не идеальный. В таких условиях лучше себя ведёт углерод, хоть графит, хоть алмаз, однако из него сложно изготовить правильное остриё. Можно ли сделать так, чтобы и радиолампа была сыта электронами, и катод остался целым?

Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) изготовили острия холодного катода из иридия и рения и нанесли на них углерод, который образует на поверхности монослой графена либо графеновые наросты. Далее на эту структуру напылили натрий или барий. Оказалось, что углерод защищает основной металл от окисления, что напылённый металл увеличивает выход электронов, что он может располагаться и под плёнкой углерода, и поверх неё и что он по-разному сорбируется на разных участках острия.

Это позволяет сделать катод более долговечным и произвести настройку острия катода для более точной локализации мест, из которых электроны выходят в вакуум, «на работу».

Бернацкий Д. П., Павлов В. Г. Полевые эмиттеры электронов с углеродным покрытием. ЖТФ, 2022, вып. 8, с. 1243.

Планеты, которым повезло

Большинство планет живёт размеренной жизнью — вращается вокруг своей звезды. Правда, на планете (один пример известен) может зародиться жизнь, но, с точки зрения астрофизики, это пока не слишком важный фактор. Судьба некоторых планет может оказаться иной. Исследователи из Российского федерального ядерного центра (г. Снежинск) и Института астрономии РАН (Москва) построили аналитическую и численную модели поведения сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик и звёзд с планетами в их окрестностях. Они показали, что гравитационное взаимодействие чёрных дыр и звёздных систем в их окрестностях достаточно велико для того, чтобы некоторые астероиды, кометы или планеты были оторваны от своих звёзд и выброшены в межзвёздное пространство.

Два таких объекта люди уже наблюдали. В 2017 году со стороны созвездия Лиры в нашу Солнечную систему прилетел кометоподобный астероид Оумуамуа — с его поверхности что-то испаряется, поэтому траекторию его движения определяет не только гравитационное взаимодействие со звёздами и планетами. Комета Борисова посетила нас в 2018 году со стороны созвездия Кассиопеи, и благодаря наблюдениям за ней мы теперь знаем, что кометы, возникшие у других звёзд, весьма похожи на наши, солнечные. Авторы реферируемой статьи отмечают, что среди 160 000 метеоров, зарегистрированных радарами, пять выглядят достаточно подозрительно, чтобы оказаться кандидатами на роль пришельцев из других звёздных систем. Кроме того, предпринимаются первые попытки выяснения условий для поиска пылинок с субрелятивистскими скоростями, то есть прилетевших издалека.

Используя численное моделирование, авторы статьи изучили взаимодействие с чёрной дырой системы, состоящей из звезды, планеты-гиганта (типа Юпитера) и большого количества малых объектов (задача четырёх тел). Оказалось, что значительная доля малых объектов приобретает скорости, достаточные для покидания ядра галактики или галактики вообще, то есть для совершения межзвёздного и даже межгалактического путешествия.

Покидать свою звезду страшновато, но Оумуамуа и комете Борисова повезло повидать другую.

Дремова Г. Н., Дремов В. В., Тутуков А. В. Сверхскоростные свободные планеты как продукт столкновения их родительских систем со сверхмассивными чёрными дырами. Астрономический журнал, 2022, № 7, с. 576.

По мосту из воды

Если налить в две диэлектрические мисочки дистиллированную воду доверху, подвести к ним напряжение в полтора десятка киловольт и сблизить их, то между мисочками возникнет водяной мостик. Раздвигая мисочки, мостик удаётся растянуть в длину до сантиметра и более, при толщине водяной струйки в несколько миллиметров. Это необычное явление показано на фотографии. Водяной мостик не просто висит и радует глаз экспериментаторов — по нему ещё течёт вода, он становится насосом. Причём было замечено, что направление движения жидкости сначала определяется полярностью электродов, а потом начинает периодически изменяться. Предполагалось, что изменение направления потока связано с изменением уровня воды в мисочках.

020_1.jpg
Визуализация течения жидкости через водяной мостик методом трассирующих частиц («меток») при частоте съёмки 1000 кадров в секунду. Фото из статьи: Woisetschlager J., Gatterer K., Fuchs E. C. Exp. Fluids, 48 (1), 121 (2010), приведено в реферируемой статье.

У исследователей из Башкирского государственного университета (г. Уфа) это представление вызвало сомнение, и они решили разобраться, как и почему вода течёт по мосту в разные стороны. В эксперименте воду наливали в чашки Петри, прикладывали напряжение 15 кВ и создавали мостик длиной 1 см и диаметром 2 мм. Оказалось, что ситуация существенно сложнее, чем думали раньше, и направление перекачки связано не с уровнем жидкости, а с распределением объёмных зарядов в воде — Кулон победил Паскаля. При этом поведение зарядов определялось несколькими факторами. Инжекция зарядов с электродов в воду зависела от диаметра электрода (то есть от напряжённости поля), а подвижность зарядов — от того, какой именно ион является носителем заряда. В итоге авторам статьи удалось объяснить и опубликованные ранее данные, и новые, полученные ими.

Кстати, на поверхности мостика водичка вращается, а по оси — течёт вдоль мостика. Вам насос не нужен — маленький, высоковольтный, самопереключающийся?

Шайхитдинов Р. З., Шарипов Т. И. Динамика массопереноса жидкости в водном мостике. Письма в ЖТФ, 2022, вып. 11, с. 37.

Другие статьи из рубрики «Рефераты»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее