МИР ЭЛЕКТРОНИКИ
МОСКВА
«МОЛОДАЯ
ГВАРДИЯ»
1990

СЕДОВ ЕВГЕНИЙ
АЛЕКСАНДРОВИЧ — КАНДИДАТ
ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ДОКТОР
ФИЛОСОФСКИХ НАУК.
В ТЕЧЕНИЕ ТРИДЦАТИ ШЕСТИ
ЛЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ, НАУЧНОЙ И
ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РУКОВОДИЛ
РАЗРАБОТКОЙ И ВНЕДРЕНИЕМ
МНОГИХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОННЫХ
УПРАВЛЯЮЩИХ И
КОНТРОЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
И СИСТЕМ.
ПАРАЛЛЕЛЬНО С
ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТОЙ В
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ЗАНИМАЛСЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ
РАЗРАБОТКОЙ ПРОБЛЕМ
ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ТЕОРИИ
ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
САМООРГАНИЗАЦИИ И
РАЗВИТИЯ. НА ЭТУ ТЕМУ ИМ
НАПИСАНА МОНОГРАФИЯ
«ЭВОЛЮЦИЯ И ИНФОРМАЦИЯ»
И НАУЧНО-ХУДОЖЕСТВЕННАЯ
КНИГА «ОДНА ФОРМУЛА И ВЕСЬ
МИР».
В СЕРИИ «ЭВРИКА»
ИЗДАВАЛИСЬ НАУЧНО¬
ХУДОЖЕСТВЕННЫЕ КНИГИ
Е. СЕДОВА «ЗАНИМАТЕЛЬНО ОБ
ЭЛЕКТРОНИКЕ» И «РЕПОРТАЖ
С НИЧЕЙНОЙ ЗЕМЛИ
(РАССКАЗЫ ОБ
ИНФОРМАЦИИ)». ЭТИ КНИГИ
МНОГОКРАТНО
ПЕРЕИЗДАВАЛИСЬ В НАШЕЙ
СТРАНЕ И ЗА РУБЕЖОМ В
ПЕРЕВОДЕ НА 10 ЯЗЫКАХ.
УСПЕХ НАУЧНО¬
ХУДОЖЕСТВЕННЫХ КНИГ
Е. СЕДОВА ОБЪЯСНЯЕТСЯ ЕГО
УМЕНИЕМ ОЧЕНЬ ПРОСТО И СО
МНОЖЕСТВОМ ДОХОДЧИВЫХ И
НАГЛЯДНЫХ ПРИМЕРОВ
ПОВЕДАТЬ ЧИТАТЕЛЮ О САМЫХ
НОВЫХ И САМЫХ СЛОЖНЫХ
НАУЧНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ
ДОСТИЖЕНИЯХ ВЕКА.

Е.А.Седов
МИР
ЭЛЕКТРОНИКИ
Книга первая
J453748

ББК 32.85
С 28
с 2302030000—188	242
078(02)—90
ISBN 5-235-00797-2 (т. 1)
(С'. Седов Е. А.
1990 г.
ISBN 5-235-01539-8

ПРОЛОГ
Если ты раскрыл эту книгу, читатель, значит, проблемы
и достижения электроники для тебя не совсем безразличны. Как, впрочем, и для
каждого, живущего в наш электронно-атомный век. И это естественно: наш быт
и наш труд настолько насыщены теперь электроникой, что мир электроники —
это, по существу, и есть тот мир, в котором мы с вами живем.
В большей или меньшей степени с электроникой соприкасается теперь каж¬
дый. В цехах работают управляемые электронными схемами роботы и станки-
автоматы. Электронные системы контроля следят за тем, чтобы изготавливае¬
мые на автоматах изделия удовлетворяли всем требованиям, указанным в их
чертежах. В конструкторских бюро и в исследовательских институтах новые
технические средства рассчитываются и проектируются с помощью электрон¬
ных машин.
Наш повседневный быт уже немыслим без радио и телевидения.
Если мы заболеем, нам на помощь придут необходимые для диагностики
заболеваний электронные измерительные приборы и врач пропишет нам про¬
цедуры, осуществить которые тоже поможет тот или иной электронный прибор.
Электроника проникла и в сферы искусства. Электронные синтезаторы зву¬
ка породили новые музыкальные жанры, компьютеры стали помощниками ком¬
позиторов не только в аранжировке, но и в сочинении новых произведений.
Новые мультфильмы теперь создаются с помощью оснащенных электронными
графическими автоматами и графическими дисплеями электронных машин. С
помощью тех же средств проектируются фасады и интерьеры архитектурных
сооружений, оптимальные формы самолетов и космических кораблей.
Телеграф, телефон, телевизор, лазер, компьютер — эти слова расширяли
наш лексикон по мере того, как обозначаемые ими предметы входили в наш
быт.
А есть слова, характеризующие целые этапы научно-технического прогрес¬
са: индустриализация, электрификация и т. п. К их числу относится и недавно
появившееся сначала в научной литературе, а затем и в широкой прессе
слово «электронизация».
Слово это отражает одновременно и ретроспективу и перспективу научно-
технического прогресса. Оно рождено в результате бурного процесса внедре¬
ния электроники во все сферы современной науки, производства и быта. И
вместе с тем оно заключает в себе призыв ко всемерному развитию, расширению
и углублению обозначаемого этим словом процесса. Точно таким же призывом
служили слова «индустриализация», «электрификация», когда речь шла о путях
развития первого в мире социалистического государства.
Слово «компьютеризация» тоже рождено новой техникой. Создание и внед¬
5

рение персональных компьютеров вовлекло в процесс компьютеризации огром¬
ные массы людей. Однако при всем значении и огромных масштабах происхо¬
дящей на наших глазах компьютерной революции, которую американские спе¬
циалисты склонны считать столь же важным этапом прогресса, как замена
электричеством пара, компьютеризация — это лишь одно из многочисленных
направлений электронизации. Ведь только благодаря достижениям электроники
были созданы интегральные микросхемы для персональных компьютеров и дру¬
гих современных электронных машин.
Создаваемые электроникой средства управления, измерения, проектирова¬
ния, передачи и обработки информации с каждым годом становятся все совер¬
шеннее. Вместе с тем увеличивается и количество таких средств.
Тем, кто родился во второй половине XX века, трудно поверить, что весь ар¬
сенал средств, которыми располагает современная электроника, создан всего
за несколько десятилетий, что еще в начале своего электронного века челове¬
чество обходилось без радио и до середины века существовало без телевидения
и без вычислительных электронных машин.
Для многих людей электроника стала делом их жизни. Число их с каждым
годом растет. Потому что растет количество выпускаемых электронных прибо¬
ров, телевизоров, средств измерительной техники. А количество выпускаемых
микросхем и компьютеров в течение десятилетия возрастает в десятки раз. Прав¬
да, одновременно с этим они примерно во столько же раз сокращают свои
размеры. Но от этого процесс их создания становится с каждым годом
сложней.
Любое изделие электронной техники создается целой армией схемотехников,
конструкторов, технологов и рабочих. Многообразие электронной техники и
применяемых в ней технологий потребовало узкой специализации тех, кто ее
производит. Поэтому даже среди людей, посвятивших себя электронике, трудно
найти таких, кто знает об электронике все. Не говоря уж о тех, кто использует
ее как вспомогательное средство в работе или сталкивается с ней только в быту.
Чтобы пользоваться телевизором, не обязательно знать, как он устроен.
Можно с живым интересом следить за дискуссиями представителей двух
городов, двух стран, двух континентов и не задумываться над вопросом о том,
почему наземным мостам так же, как и вещательным радиостанциям, хватает
земных точек опоры, а телемосту необходима «точка опоры» в космосе — спут¬
никовая связь.
Да, конечно же, можно принимать за должное все достижения электро¬
ники, не утруждая себя вопросами «почему?» или «как?». Можно... Точно так
же, как, съедая яйцо за завтраком, можно не интересоваться биохимическим
составом белка и желтка.
И все-таки у человека, который проходит мимо всех связанных с электрони¬
кой новых вопросов, никогда не сложится более или менее полного представ¬
ления о том времени, в котором ему и нам с вами довелось родиться и жить.
А время движется с ускорением, и вот на пороге уже стоит новая эра —
эра персональных электронных компьютеров, которые в ближайшем будущем
станут такой же неотъемлемой частью нашего быта, как телефон, радио и
часы.
В окружении все возрастающего количества электронных систем и приборов
далекий от них человек постепенно станет отчужденным от этого мира и начнет
чувствовать себя неуютно, как пришелец с другой планеты, не понимающий, что
вокруг происходит, поскольку все вывески, книги, журналы, газеты окажутся
написанными на совершенно чуждом ему языке.
Познавшему же основные принципы электроники легче ориентироваться в
6

нашем насыщенном электроникой мире и понимать, что вокруг происходит и
к чему это в ближайшем будущем приведет.
Академик Д. Лихачев неоднократно высказывал в прессе важную мысль о
том, что научно-технический прогресс сам по себе не может быть целью раз¬
вития цивилизации. Цель заключается в развитии обшей культуры и обогаще¬
нии духовного мира людей, а достигается эта цель с помощью множества
разнообразных средств.
К числу этих средств относится и электроника, но ей принадлежит особая
роль. Вряд ли можно назвать хотя бы еще одну область науки и техники, кото¬
рая оказала бы столь же заметное влияние на культуру и обогащение духовного
мира людей.
Благодаря телевидению и видеомагнитофонам людям стали доступны все
достижения мирового искусства. Год от года увеличиваются возможности элек¬
троники, возрастает ее влияние на быт, нравы, образ жизни и образ мыслей
людей.
В любом процессе есть теневые стороны. Увлечение телевидением порой
отвлекает от внимательного общения с авторами литературных шедевров. Что¬
бы прослыть эрудитом и знатоком классики, теперь вовсе не обязательно чи¬
тать А. Пушкина, Ф. Достоевского и Л. Толстого — куда проще и легче, вальяж¬
но расслабившись в кресле и перебрасываясь репликами по поводу теку¬
щих событий, между делом поглядывать на телеэкран. Используя элек¬
тронику, можно заменить глубину содержания песни звуковыми и световыми
эффектами так, что в конце концов для слушателя перестает быть важ¬
ным, какие именно переживания заставляют солиста так громко кричать и ме¬
таться по сцене, лишь бы голос его перекрывал создаваемый всеми средст¬
вами шум.
Нельзя не признать, что использование средств электроники способствует
распространению так называемой поп-культуры. Но ведь те же самые средства
можно использовать и при создании подлинных культурных ценностей и ше¬
девров искусства. Все зависит лишь от того, в чьих руках находится и каким це¬
лям служит тот или иной электронный прибор.
Как бы там ни было, но для всех стало уже очевидным, что в развитие со¬
временной культуры электроника пустила глубокие корни, а от уровня общей
культуры, в свою очередь, зависит скорость развития и созревания новых
плодов электроники, питающихся от этих корней. Пример Японии показал все¬
му миру, как влияет на темпы развития электроники культура ее производства,
начиная от технологии и кончая культурой производственных отношений и та¬
кими национальными традициями участвующих в производственном процессе
людей, как ответственность, тщательность, добросовестность, скрупулезность во
всех видах труда.
Книга «Мир электроники» послужит путеводителем для тех читателей,
которые пожелают познать этот сложный, многообразный мир.
В предстоящем нам путешествии читателю предлагается роль любознатель¬
ного туриста, которому нет необходимости запасаться заранее багажом пред¬
варительных знаний перед тем, как отправиться в сложный маршрут. Вся
ответственность за успех путешествия ляжет на плечи автора, а от «туриста»
требуется только выносливость и терпение, подкрепляемые живым интересом
ко всему, что встретится на нашем пути.
На протяжении всего путешествия автору, взявшему на себя обязанности
инструктора и гида, предстоит давать незамедлительный четкий ответ на любой
возникающий у «туристов» вопрос. Таких вопросов будет немало, и отвечать
на них будет порой непросто, учитывая огромное многообразие электронных
7

приборов, функций, которые они выполняют, заложенных в них принципов и
протекающих в них процессов.
Отвечать на эти вопросы все равно, что ходить по канату над пропастью:
автору книги придется балансировать между сложностью и простотой. Коп¬
нешь чуть глубже — текст становится непонятным. Начнешь объяснять «на
пальцах» — упустишь какой-нибудь принципиальный момент.
В душе автора все время борются противоречивые чувства.
С одной стороны, хочется убедить читателя в том, что в электронике все
доступно для разумения, что она не использует никаких секретов или чудес.
Вы можете вступить в диалог с современным компьютером, и он не только
поймет, с чем вы к нему обратились, но еше и поправит вас, если вы что-ни¬
будь спросили не так. На первый взгляд это кажется чудом. Но, присмотрев¬
шись внимательней, легко убедиться, что, кроме транзисторов, диодов, конден¬
саторов и резисторов, внутри компьютера ничего нет.
И все же за этой видимой простотой скрывается менее очевидная слож¬
ность. Действительно, самые сложные электронные схемы состоят из стандарт¬
ных довольно простых элементов. Весь вопрос заключается в том, как соеди¬
нены эти элементы друг с другом, как они будут взаимодействовать и какой
цели будут служить.
Различные варианты электронных схем порождают такое разнообразие
сигналов, процессов, функций, устройств и их назначений, что дел тут хватает
для огромной армии ученых, инженеров, технологов, монтажников, регулиров¬
щиков, операторов. Причем численность этой армии от года к году растет.
Современная электроника включает в себя уже более десяти самостоятель¬
ных областей. Их границы определяются средой, в которой движутся электро¬
ны (электроника вакуумная, твердотельная, газоразрядная, жидкостная) ; спо¬
собом компоновки элементов в схемы (дискретные элементы, интегральные
микросхемы); новыми физическими эффектами (квантовая электроника); при¬
родой возбуждаемых волн (радиоэлектроника, оптоэлектроника, акустоэлек¬
троника); диапазоном используемых частот (низкочастотная электроника,
сверхвысокочастотная электроника, оптоэлектроника, использующая световой
диапазон волн).
На базе квантовой электроники развивается сверхпроводящая электроника.
Успехи генной инженерии дали толчок развитию биоэлектроники, создающей
интегральные микросхемы на основе специально выращиваемых белков.
Можно ли рассказать о достижении всех этих областей электроники в одной,
пусть даже довольно объемистой книге? Не будет ли это очередной попыткой
объять необъятное?
Десятки и сотни книг написаны по каждой из областей электроники. Но не
было, пожалуй, еще ни одной, в которой она была бы представлена вся целиком.
В то же время в самом названии книги «Мир электроники» заключено обя¬
зательство автора перед читателем всесторонне осветить обещанный в заглавии
мир. Да притом рассказать о нем языком, который каждому был бы доступен,
без обилия математических символов и непонятных технических терминов, при¬
сутствующих в любой из предназначенных для специалистов книг.
Чтобы «уместить» всю электронику в объем одной книги, пришлось отказать¬
ся от рассмотрения многих деталей и излагать только самую суть используемых
ею принципов и идей.
Прочитав эти строки, специалист недоуменно пожмет плечами: как можно
рассказывать об электронике, опуская детали, если именно из деталей вся
электроника и состоит?
Стоит лишь перепутать всего два конца из бесчисленных соединений на схе¬
8

ме, или чуть-чуть изменить режим одного из сотен тысяч транзисторов, или не
учесть влияния каких-то побочных эффектов — и вся схема перестает выпол¬
нять свои функции, превращается в загадочный «черный ящик», выдающий
на выходе неожиданный бессмысленный результат.
Так можно ли рассказывать об электронике, пренебрегая деталями?
Тут нам придется согласиться с мнением специалиста и заранее покаяться
перед читателем в принятых автором на свою душу грехах.
Читатель книги «Мир электроники», впервые знакомящийся с этим миром, не
сможет с помощью только одной этой книги создать новую схему или изобрести
новый прибор. Книга построена так, чтобы необходимые для понимания част¬
ности не заслоняли общей картины, чтобы у читателя сложилось представле¬
ние об электронике как об обладающей своей внутренней логикой научно-тех¬
нической области, от которой во многом зависит научно-технический прогресс.
Прочитав эту книгу, вы не приобретете исчерпывающих знаний ни об одной
из конкретных областей электроники, зато получите общее представление обо
всех ее основных областях. А общие представления о предмете — залог успеха
в детальном изучении отдельных его частей. Представляя предмет как нечто це¬
лое и единое, можно увязывать все детали между собой.
Тому, кто после прочтения этой книги захочет подробнее изучить какую-то
отдельную область, придется обратиться к помощи специальных статей или
книг. Такому читателю эта книга даст общие ориентиры, по которым легче
наметить свой новый маршрут.
Для читателя, который еще не избрал свой жизненный путь, а, как говорится,
стоит на его пороге, эта книга, быть может, не только пробудит интерес к элек¬
тронике, но и поможет определить ту конкретную область, которая будет ему
особенно по душе.
Можно надеяться, что книга будет полезна специалистам самых различных
областей науки, техники, медицины и сферы обслуживания, использующих
электронное оборудование для исследовательских целей или производственных
и бытовых нужд. И, наконец, специалисту какой-то конкретной области элек¬
троники эта книга может дать хотя бы некоторые полезные сведения об облас¬
тях, не относящихся к его повседневной практике, но так или иначе примы¬
кающих к ней.
Автор приложил все усилия к тому, чтобы круг читателей книги «Мир элек¬
троники» мог быть столь же широким, как и сам описываемый в книге мир.
Персональный компьютер может служить рабочим инструментом врача,
бухгалтера, диспетчера, преподавателя, ученого, инженера. Электронная изме¬
рительная техника используется почти во всех областях.
Современный человек уже не вправе считать себя образованным, если он
прибегает к помощи электронного оборудования, не имея ни малейшего пред-
стайления, как действует тот или иной прибор. В конце электронного века это
означает примерно такую же степень безграмотности, как в начале века — под¬
пись крестом.
Необходимость «уместить» в одну книгу все основные области электроники и
рассказать о них так, чтобы читателю было ясно, как работает каждый при¬
бор, вынудили автора заботиться не только о содержании книги, но и о форме, и
о языке.
Если авторы специальных книг для описания электронных процессов прибе¬
гают к помощи математических формул и многочисленных графиков, то в этой
книге мы старались по мере возможности обходиться без них. Для этого при¬
ходилось прибегать к наглядным примерам и образным аналогиям. При заме¬
не математического языка объяснениями «на пальцах», безусловно, в жертву
9

приносится строгость. Утешимся тем, что по мере необходимости потерю строго¬
сти можно будет восполнить с помощью специальных книг.
Несмотря на все противодействия со стороны автора и редактора книги, на
некоторые ее страницы все же проникли формулы и кривые, перекочевав сюда
со страниц монографий, учебников и журнальных статей.
Перед читателем, который предпочел бы уяснить суть электроники без кри¬
вых и без формул, попытаемся оправдать себя тем, что кривые и уравнения —
это специфический язык электроники, поэтому, совершая путешествие в мир
электроники, вряд ли целесообразно было бы полностью им пренебречь. Давно
установлено, что нельзя глубоко понять быт и нравы чужой страны, не владея
ее языком. Понять специфический язык электроники читателю поможет одно
неписаное научное правило: наиболее важные формулы всегда очень просты.
В качестве примеров можно привести некоторые простые формулы, каждая из
которых была причиной революционных преобразований в науке: формулы
Ньютона ( F= m| * mz; F=ma); формула Эйнштейна (E=mc2); формула
г2
Планка ^ E = hv Е
Это уже потом на базе этих фундаментальных формул создаются теории, от¬
носящиеся к более узким научным и техническим областям.
Если у вас возникнет желание погрузиться в одну из таких теорий, вы тут
же утонете в изобилии формул, символов и значков. Например, в специальной
книге по электронике к символу J, обозначающему электрический ток, будут
добавлены разные индексы, указывающие, где именно этот ток протекает:
Jo', J1 ; J 2i J|2, J 21 i Jai Joi jhi Joe; Js И Др.
Встретив формулу, включающую сразу несколько указанных символов, вам
придется перелистать всю книгу от начала до конца и обратно, чтобы найти ту
страницу, на которой автор впервые употребил символ Лев, прочесть, что этот
символ обозначает, понять, чем он отличается от J6.
В общем, чтение специальной литературы требует специальных навыков и за¬
паса предварительных знаний. Мы же задались целью издать книгу об электро¬
нике, которую смогут читать все. Поэтому, если нам и пришлось обращаться к
помощи формул, то. во-первых, лишь в крайних случаях, во-вторых, лишь к са¬
мым простым, в которых используются символы числом не более четырех, и
в-третьих, при условии незамедлительного разъяснения смысла, заключенного
в каждом значке.
Почти все разъяснения сосредоточены в специальных разделах под рубри¬
кой «Это лежит в основе». Для облегчения восприятия эти разделы построены
по принципу учебных слайд-фильмов: вот иллюстрация, а вот относящийся к
ней пояснительный текст. В каждом таком разделе читатель приобретает
«кванты знаний», необходимые для восприятия последующих новелл.
В этих новеллах рассказано об истории используемых электроникой науч¬
ных открытий, о создании тех или иных электронных приборов, о тенденциях
развития электроники, о том, что из чего вытекало и что к чему привело.
Вот, собственно, все, о чем хотелось сказать читателю перед тем, как от¬
правиться вместе с ним в нелегкое, но увлекательное путешествие. Если чита¬
теля не отпугнули предыдущие рассуждения, автор приглашает его начать
наш совместный путь.

ЭЛЕКТРОНЫ
И
ЭЛЕКТРОНИКА
В этой главе читатель
знакомится с
историей открытия
электрона и узнает,
почему именно этой
частице выпала
честь стать «главной
деталью» всех
электронных
приборов.

:ьжит
3 СИ
СЕМЬЯ ЭЛЕКТРОНИК, или взгляд с высоты
1.1.
Готовясь отправиться в путешествие, турист изучает
карту будущего маршрута. А поскольку у нас с ва¬
ми нет ни маршрута, ни карты, придется начать пу¬
тешествие с воображаемого полета над той мест¬
ностью, по которой нам потом предстоит пройти
пешком.
т;
Г
h
1.2.
В целом современная электроника выглядит не как
однородная область, а как нечто, подобное политиче¬
ской карте Европы, включающей в себя множест¬
во разных стран. Но в отличие от границ между
странами границы областей электроники чрезвычай¬
но условны, потому что они, переплетаясь, взаим¬
но дополняют друг друга, образуя сложный конгло¬
мерат.
12

1.3.
Электроника зародилась в начале нашего века. До
его середины она занималась созданием вакуумных
электронных приборов. С середины века началась эра
полупроводников.
1.4.
В вакуумных электронных приборах электроны
движутся в вакууме, в пустоте. В полупроводниковых
приборах электроны движутся внутри твердых кристал¬
лов. Поэтому полупроводниковую электронику называ¬
ют еще и твердотельной. Одновременно с движени¬
ем отрицательно заряженных электронов в полупро¬
водниковых приборах происходит движение положи¬
тельных зарядов, именуемых дырками. Смысл такого
названия станет ясен читателю, когда на нашем
туристском маршруте встретится область полупро¬
водников.
1.5.
Одним понятием «электроника» уже нельзя охва¬
тить все принципы, используемые для создания сов¬
ременных электронных приборов. От электроники на¬
чали отпочковываться самостоятельные области техни¬
ки, образуя целую «семью электроник»: 1. Сверх¬
проводящая (криогенная) электроника. 2. Квантовая
электроника. 3. Оптоэлектроника. 4. Акустоэлектрони¬
ка. 5. Вакуумная электроника. 6. Полупроводниковая
электроника. 7. Микроэлектроника. 8. Молекулярная
13

электроника. 9. Диэлектрическая электроника. 10. Маг-
нитоэлектроника. 11. Хемотроника (химическая элек¬
троника). 12. Биоэлектроника.
1.6.
До середины века электроника обходилась од¬
ними лишь электромагнитными волнами. Было созда¬
но огромное семейство электронных приборов для
генерации электромагнитных волн все более и более
высоких частот. Затем с помощью этих волн удалось
возбуждать упругие (акустические) колебания в одно¬
родных монокристаллических средах. На этой осно¬
ве стало развиваться новое направление — акустоэлек¬
троника.
14

1.7.
Лазерные лучи возникают при взаимодействии
электронов с фотонами. Фотон — это порция (квант)
энергии светового луча. Поэтому лазерная техника
представляет собой одну из областей квантовой элект¬
роники. Использование лазерных излучений для пере¬
дачи и обработки информации в измерительной
технике, в тончайших технологических операциях и в
других областях поставило перед электроникой ряд но¬
вых задач. Возникла еще одна область, получившая
название оптоэлектроники, то есть электроники,
использующей оптический диапазон волн.
1.8.
Открытие эффекта сверхпроводимости при сверх¬
низких (криогенных) температурах дало толчок разви¬
тию еще одного направления — сверхпроводящей
электроники.

1.9.
Совершая беглый обзор современного состояния
электроники, упомянем химическую электронику, ко¬
торая в качестве носителей зарядов использует не
электроны, а ионы. @ отличие от электронов ионы
перемещаются не в вакууме и не в полупроводниковых
кристаллах, а в жидкой среде.
1.10.
Преобразование сигналов, которое ранее осуще¬
ствлялось только с помощью вакуумных или полупро¬
водниковых приборов, впоследствии научились осуще¬
ствлять с помощью специальных конденсаторов и
магнитных устройств. На этой основе развиваются
диэлектрическая электроника и магнитоэлектроника.

1.11.
Успехи молекулярной биологии и генетики позво¬
лили создавать микросхемы на основе искусственно
выращиваемых белковых структур. Эти вопросы реша¬
ет биоэлектроника.
Воображаемый полет дал нам возможность пред¬
ставить себе современную электронику в целом.
Но, разумеется, лишь в самых общих чертах. Чтобы
брошенный нами взгляд с высоты не породил вер¬
хоглядства, нам придется спуститься на землю и
повторить пройденный электроникой путь, отмечая на
нем основные вехи с момента открытия электрона
до наших дней.
t>
2 Е. Седов
/453748
17

ФИКЦИЯ
или
РЕАЛЬНОСТЬ?
Вряд ли удастся найти сейчас человека, который
усомнился бы в реальности существования электронов.
Неудивительно: мы ежедневно прибегаем к услугам
электронных приборов, слышим по радио, читаем в га¬
зетах или в журналах, как осуществляется управ¬
ление полетом космических кораблей с участием элек¬
тронных приборов.
С их помощью проводятся исследования в области
физики, химии, биологии, медицины, создаются новые
источники полезной энергии, ставятся диагнозы забо¬
леваний, делаются тончайшие хирургические операции,
изготавливаются тончайшие узлы и детали.
Живущим в век электроники трудно представить, что
не далее как в конце прошлого века среди весьма авто¬
ритетных ученых находились и те, кто не желал верить
в реальность существования электронов даже после
того, как были исследованы свойства электронных лу¬
чей.
Но стоит лишь вообразить себя на месте этих ученых,
и причины сомнений станут намного ясней.
Представьте, что вы живете в то время, когда еще
нет ни радио, ни тем более телевидения или вычисли¬
тельных электронных машин. Есть лишь лабораторные
вакуумные катодные трубки, созданные физиками для
исследований свойств недавно открытых катодных лу¬
чей. Обнаружено, что при разогреве помещенной внут¬
ри такой трубки вольфрамовой нити до 2000° С в трубке
возникают лучи, физическая природа которых пока еще
никому не ясна.
Помимо вольфрамовой нити, выполняющей роль
катода, для возникновения катодных лучей необ¬
ходим обладающий положительным потенциалом
анод.
На покрытом светящимся (флуоресцирующим)
слоем экране от луча остается пятно. Если по бокам
горловины трубки расположить две пластины и создать
на них разность потенциалов, пятно на экране сместит¬
ся в сторону той пластины, на которую подан поло¬
жительный потенциал. Этот факт свидетельствует о
том, что катодный луч несет в себе отрицательные за¬
ряды. Луч будет смещаться и под действием магнитно¬
го поля, если на горловину катодной трубки насадить
соленоид.
Вот, собственно, и все атрибуты, которыми распола¬
гал выдающийся английский ученый Джон Джозеф
Томсон, открывший в 1897 году электрон. Все осталь¬
ное относится к области интуиции и гениальных про¬
зрений, которые помогли ему выдвинуть смелое предпо¬
ложение о существовании гораздо меньших, чем атомы,
материальных частиц. Даже сам Дж. Дж. Томсон, не
говоря уж о многих его коллегах, не мог сразу решить,
существует ли открытая им частица реально или это
18

всего лишь фикция, удобный для теоретиков способ
объяснения наблюдаемых фактов, плод изощренного в
объяснениях различных научных загадок теоретическо¬
го ума.
Помимо скудности имеющихся в то время экспери¬
ментальных подтверждений существования электрона,
поверить в его реальность мешали начавшиеся с
Демокрита и просуществовавшие более 2000 лет
представления о неделимых атомах, признанных мель¬
чайшими частицами всех существующих в мире ве¬
ществ.
И вдруг какие-то электроны, много меньших разме¬
ров, чем атомы, да еще, по-видимому, входящие в них
как составная их часть. Значит, атом вовсе не «неде¬
лимый»? И не мельчайший? Не означает ли это, что,
кроме электронов и атомов, существует еще мно¬
жество неизвестных частиц?
Да, нелегко пересматривать устоявшиеся научные
взгляды. Но мысль не стоит на месте, и оказывается
очевидным, что, оставаясь на старых позициях, добытые
опытом новые факты никак нельзя объяснить.
Вот почему, преодолев все возражения и сомнения,
электрон начал упорно завоевывать себе и признание, и
право на жизнь.
О том, как было встречено в научных кругах первое
сообщение об открытии электрона, рассказывает в сво¬
ей книге «Воспоминания и размышления» главный ви¬
новник этих событий Дж. Дж. Томсон.
«Я сделал первое сообщение о существовании этих
корпускул на вечернем заседании Королевского инсти¬
тута в очередную пятницу 30 апреля 1897 года. Много
лет спустя один выдающийся физик рассказал мне, что
он в то время подумал, что я всем им нарочно морочу
голову. Я не был этим удивлен, ибо сам пришел к такому
объяснению своих экспериментов с большой неохотой:
лишь убедившись, что от опытных данных некуда
скрыться, я объявил о моей вере в существование тел,
меньших, чем атомы».
Да, от фактов действительно «некуда скрыться», но
факты можно по-разному интерпретировать, тем более
что о непосредственных наблюдениях электронов в то
время еще не приходилось и думать, а эксперименты по¬
зволяли лишь строить предположения о природе неких
обладающих чрезвычайно малым зарядом частиц. Ве¬
личину этих зарядов позволили определить достижения
химиков и опыты по электролизу, проделанные
Г. Гельмгольцем. Эти опыты показали, что для вы¬
деления одной грамм-молекулы вещества на электроде
электролитической ванны требуется заряд, равный
96 500 кулонов (кулон — единица измерения количест¬
ва электричества).
Итальянский ученый Амедео Авогадро установил.
2'
19

что в одной грамм-молекуле содержится 6,02- 1023
атомов вещества. Поделив величину заряда на количе¬
ство атомов, можно определить величину переносимого
каждым атомом элементарного электрического заря¬
да. Эта величина и составляет заряд этого электрона,
равный 1,6 ■ 10~19 кулона. По аналогии с атомом вещест¬
ва этот элементарный заряд стали называть «атомом
электричества». А в 1891 году ирландский физик Георг
Стоней предложил назвать «атом электричества»
электроном.
Заметьте, что название «электрон» появилось на
шесть лет раньше открытия самого электрона. Для нау¬
ки это вовсе не такая уж редкость. В мире научных идей
новые термины очень часто рождаются раньше, чем об-,
наруживается лежащий в основе новых понятий субст¬
рат. Так, например, случилось впоследствии с понятием
генов. Многие элементарные частицы были предсказаны
и названы раньше, чем их существование подтвердил
тот или иной сложный и тонкий эксперимент.
Появление новых научных понятий обычно бывает
симптоматичным. Оно свидетельствует о наличии «бе¬
лых пятен» в науке. Ликвидация же их бывает чревата
последующим пересмотром установившихся взглядов:
еще нет новых завершенных концепций, а есть лишь
попытки новых трактовок явлений и какое-нибудь не¬
обходимое для этих трактовок новое слово, вроде слов
«электрон», «ген» или «квант».
Но за словом стоит идея, которой предстоит разви¬
ваться и крепнуть, а значит, и новое слово рождено
для того, чтобы завоевать себе право на жизнь.
Сначала оно становится употребительным лишь в
узком кругу специалистов. Потом этот круг расширяет¬
ся, термин становится общепризнанным, а порой даже
модным. Мода же всегда граничит с вульгаризацией.
Любой обыватель, пережевывая сиюминутные новос¬
ти за чашкой чая, готов рассуждать о квантовой при¬
роде пространства и времени, о влиянии наследственных
признаков гена на характер людей, о всесилии электро¬
ники. Он черпает свою эрудицию в области общеприз¬
нанных истин. Ученый же стоит у порога открытия
истин, справедливость которых еще предстоит до¬
казать.
Открытие электрона свидетельствовало, что храм на¬
уки, выстроенный на основе гипотезы о мельчайших и
неделимых частицах (атомах), вовсе не так
уж прочен, что фундамент этого храма придется в
скором времени заменить.
Воспользовавшись выражением В. Маяковского,
можно сказать, что по самой природе своей электрон
наделен «строящей и бунтующей силой»: прежде чем
начать совершать переворот в области техники, ему
суждено было совершить революцию в мире идей.
20

ПокупА
ГНЛЕ5
Б"ИН //
/(////;
i i # и i //j

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
СУБСТАНЦИЯ
И ЗАГАДКА
ЖЕСТКИХ
ЛУЧЕЙ
Чем обусловлен передаваемый по проводу ток? Сей¬
час любой школьник бойко ответит: движением элект¬
ронов. Ну а как ответил бы на этот вопрос ученый, кото¬
рый исследовал электричество, скажем, сто лет назад?
Ведь связанные с движением тока законы были открыты
Ампером, Омом, Джоулем, Ленцем и другими учеными
еще до того, как был открыт электрон. И конечно же,
каждый из них волей-неволей задумывался о том, как
возникает и движется внутри провода электрический
ток.
Само слово «ток» ассоциируется с неким потоком.
Ассоциация не случайна: текущий по проводу ток пред¬
ставлялся в то время ученым неким подобием потока
жидкости по трубе. Труба оказывает сопротивление дви¬
жению жидкости, причем сопротивление это тем больше,
чем уже и длиннее труба. Слово «сопротивление»
электротехника заимствовала у гидравлики вместе со
словом «ток».
До каких-то пор аналогия между передаваемым по
проводу электрическим током и движением жидкости по
трубе «работала» безупречно. Разность потенциалов в
начале и в конце провода подобна разности давлений
воды на концах трубы. Сопротивление провода и трубы
возрастает прямо пропорционально длине и обратно
пропорционально диаметру. Все эти аналогии способст¬
вовали утверждению представления об электрическом
токе как о некой «жидкой субстанции», текущей по элек¬
трическим проводам.
Но всякая аналогия «работает» только до определен¬
ных пределов. Тепловая энергия тоже долго считалась
жидкостью (теплородом). До тех пор, пока открытие
законов термодинамики (закона сохранения и превра¬
щения энергии и закона возрастания энтропии) не побу¬
дило науку связать тепловые процессы с движением
атомов и молекул, чтобы объяснить все свойства тепла
и участвующих в передаче тепловой энергии физических
тел.
Для объяснения электрических свойств и явлений
науке пришлось проникнуть еще глубже в структуру
материи, постигать внутреннее строение атомов, чтобы
понять, откуда берется и как ведет себя и внутри и
вне атома электрон.
Надо заметить, что идея о существовании неких
частиц — носителей элементарных зарядов возникла
еще задолго до того, как был открыт электрон.
Вот что писал в 1749 году (почти за полтора столетия
до открытия электрона!) американский исследователь
Бенджамин Франклин:	«Электрическая субстанция
состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она спо¬
собна проникать в обыкновенную материю, даже в са¬
мые плотные металлы, с большой легкостью и сво¬
бодой...
22

Обыкновенная материя по отношению к электричес¬
кой является как бы своеобразной губкой. Губка не
смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не
были меньше дырок в губке...»
Убедительно? Образно? Но неверно! Во-первых,
потому, что нет «материи электрической» и «материи
обыкновенной», а есть единая материя, неотъемлемой
составной частью которой является электрон. Неверно,
во-вторых, потому, что в отличие от описанного Б. Фран¬
клином «всасывания» частиц в отверстия губки в откры¬
тых в недавнее время явлениях сверхпроводимости и в
так называемом туннельном эффекте электроны «проса¬
чиваются» через преграды, которые были бы для них
непреодолимыми, если бы электроны не обладали пора¬
зительной способностью «всасываться» в эти прегра¬
ды, превратившись для этого из прерывистого потока
«твердых» частиц в «пластичный» поток волн. Однако
об этом речь еще впереди.
А пока вернемся к тем временам, когда научная
мысль еще очень робко, исподволь начала формировать
представления о некой элементарной субстанции, несу¬
щей в себе элементарный заряд. Ни сам Б. Франклин,
ни его коллеги не подозревали, что высказанная
ими мысль таит в себе взрывную силу, которая со вре¬
менем опрокинет веками сложившиеся представления
об атомах как о мельчайших цельных «кирпичиках»,
из которых сложено все, чем заполнен наш мир.
Пока еще атом оставался атомом, а «электрическая суб¬
станция», существуя отдельно от атомов, представля¬
лась составленной из каких-то других «бестелесных
частиц».
Да и высказана эта мысль была не на широком науч¬
ном кворуме Британского королевского института, как
это сделал спустя полтора столетия Дж. Дж. Томсон,
а в частном письме, посланном Б. Франклином из Аме¬
рики секретарю Лондонского королевского общества.
23

Никаких экспериментальных данных в подтвержде¬
ние высказанной им гипотезы о существовании заря¬
женных частиц, из которых состоит электрическая суб¬
станция, Б. Франклин в то относительно далекое время
предложить не мог.
В распоряжении же Дж. Дж. Томсона был создан¬
ный незадолго до этого инструмент—катодная труб¬
ка, прообраз современных вакуумных трубок, предос¬
тавляющих в наше пользование домашний просмотр
транслируемых по телевидению спектаклей, концертов,
фильмов, футбольных или хоккейных матчей, изобра¬
жения местности и объектов на экранах локаторов,
прочитываемые на экранах дисплеев тексты, графики и
чертежи.
Столь широкую популярность электронная трубка
завоевала значительно позже, а во времена Дж. Дж.
24

Томсона ее можно было встретить лишь в стенах нес¬
кольких в мире лабораторий, где с ее помощью иссле¬
довалась природа катодных лучей. Измерение отклоне¬
ний луча под воздействием магнитного поля позволило
вычислить важный параметр: отношение величины
заряда, равного 1,6- 10 19 кулона к массе отклоняемой
магнитным полем частицы.
Ну а коль скоро у электрона обнаружена масса, он
не может быть «бестелесной порцией электричества».
Это и были те самые опытные данные, от которых,
как выразился впоследствии Дж. Дж. Томсон, «некуда
скрыться».
«Что это за частицы?— писал он в 1897 году в
«Философском журнале».— Атомы это, или молекулы,
или материя в состоянии еще более тонкого дробления?»
Логика гениального ученого заставила его признать
последний названный им вариант. Это была революция
в вековых представлениях об атомной структуре мате¬
рии. А всякая революция порождает брожение умов.
Атом считался тем прочным и неделимым «кирпичи¬
ком», на котором зиждились все представления о струк¬
туре материального мира. Но если этот «кирпичик» мо¬
жет дробиться на более мелкие части, то весь «фунда¬
мент» из этих «кирпичиков» может рассыпаться в
мелкую пыль.
Некоторые ученые, поверив в существование элект¬
рона, впали в другую крайность. Они рассуждали так:
атом включает в себя электроны, электроны — еще что-
то более мелкое, а те, в свою очередь, состоят из чего-то
еще. Где же основа материи? Выходит, что материи как
таковой вовсе нет? Голоса об исчезновении материи ста¬
новились настолько громкими, что Владимиру Ильичу
Ленину пришлось в горячие дни предреволюционных
событий параллельно с работами, посвященными стра¬
тегии и тактике классовой борьбы и революционных пе¬
реворотов, писать книгу о кризисе в физике, дабы реа¬
билитировать и оградить от необоснованных нападок со
стороны физиков диалектический материализм.
В книге «Материализм и эмпириокритицизм»
В. И. Ленин писал о том, что открытие электрона вовсе
не означает, что исчезла «материя». «Исчез тот пре¬
дел,— констатировал В. И. Ленин,— до которого мы
знали материю до сих пор. Наше знание идет глубже».
Надо заметить, что многим ученым изменение пред¬
ставлений об атомах и об атомной структуре материи
давалось отнюдь не легко.
Как это ни парадоксально, в числе ученых, катего¬
рически не признававших реальность существования
электрона, был знаменитый Вильгельм Конрад Рентген.
Именно он и был тем «выдающимся физиком», о ко¬
тором вспоминает Дж. Дж. Томсон в связи со своим
первым сообщением об открытии электрона. Это ему по-
26

казалось тогда, что Дж. Дж. Томсон «нарочно морочит
голову», поскольку сам В. Рентген еще в течение 10 лет
после сообщения Дж. Дж. Томсона не только был убеж¬
ден сам, но старался убедить своих сотрудников и кол¬
лег в том, что никаких электронов в природе не сущест¬
вует. И это тем более поразительно, что за два года до
описываемого Дж. Дж. Томсоном заседания В. Рентген
открыл впоследствии названные его именем замечатель¬
ные лучи. Главная их особенность заключалась в том,
что они обладали необычной жесткостью, позволяющей
им проникать в глубь непрозрачных тел.
Как многие другие открытия тех времен, открытие
рентгеновских лучей произошло в значительной мере
случайно. Рядом с катодной трубкой, используемой
В. Рентгеном для проводимых им экспериментов, ока¬
зался флюоресцирующий экран. Супруга В. Рентгена,
помогавшая мужу в работе, случайно прикоснулась к
этому экрану рукой. Каково же было изумление ученого,
когда он обнаружил на этом экране изображение фа¬
ланг пальцев супруги с силуэтом надетого на палец
обручального кольца!
В период с 1895 по 1897 год В. Рентген опубликовал
три статьи под общим названием «О новом виде лучей».
В этих статьях он описал способы получения и необы¬
чайные свойства обнаруженных им лучей. Рентген назы¬
вал их Х-лучами, подчеркивая этим названием таинст¬
венность их природы, роднившую эти лучи с сохраняв¬
шим инкогнито принцем из оперетты Кальмана «Прин¬
цесса цирка», выступавшим под именем «Мистер Икс».
Последующие исследования позволили снять все
покровы таинственности и объяснить физический меха¬
низм возникновения жестких лучей. Разгоняемые полем
анода до высоких скоростей, электроны приобретают
значительную кинетическую энергию. Врезаясь в плот¬
ное тело анода, они резко тормозятся, и часть их кине¬
тической энергии превращается во вторичные жесткие
рентгеновские лучи.
Теперь приходится лишь удивляться тому, что сам
В. Рентген долгое время не желал признавать существо¬
вание электронов, порождающих открытые им Х-лучи.
Он утверждал, что электрон — это не более чем «пустое,
не заполненное конкретным содержанием слово». В те¬
чение 10 лет после сообщения Дж. Дж. Томсона об
открытии электрона В. Рентген запрещал своим учени¬
кам и коллегам по Мюнхенскому физическому институту
произносить слово «электрон». В то время он был убеж¬
ден в том, что существование электронов — это не бо¬
лее чем «недоказанная гипотеза, применяемая без
достаточных оснований и без нужды».
Со временем эта гипотеза превратилась в научную
истину, а электрон стал основой создания многочислен¬
ного семейства электронных устройств.
27

Чем больше новых свойств электрона постигала на¬
ука, тем больше возможностей приобретала электрон¬
ная техника, тем больше новых приборов и схем ей
удавалось создать. Чем больше создавалось электрон¬
ных приборов, тем больше приобретала знаний
наука о том, как в различных условиях ведут себя
электроны. Пользуясь терминологией, введенной впос¬
ледствии кибернетикой, можно утверждать, что между
наукой об электронах и электронной техникой уста¬
новилась не только прямая, но и обратная связь.
Теперь нам предстоит шаг за шагом повторить весь
путь, проделанный учеными от открытия электрона до
создания компьютеров, лазеров и других современных
электронных устройств.
Наше знакомство с современными представлениями
об электроне мы начнем с рассмотрения его основных
свойств.
29

?ro
НЕЖИТ
>СНОПЕ
РАССТАВШИСЬ С АТОМОМ, ЭЛЕКТРОН ОБРЕТАЕТ
СВОБОДУ
1.13.
Главной подвижной «деталью» всех электронных
приборов служит электрон. Неиссякаемым источни¬
ком этих «деталей» являются атомы различных ме¬
таллов.
Читателю, очевидно, известно, что атомы всех
веществ содержат в себе электроны, вращающиеся
по определенным орбитам вокруг ядра.
Электроны настолько подвижны, что в течение
каждой секунды успевают повторять пробег вокруг
ядра атома до 10 000 000 000 000 000 раз (10 16).
1.14
Электрон никто никогда не видел. Радиус его в
400 000 000 000 раз (4-10й) меньше одного милли¬
метра. Самый совершенный из известных нам мик¬
роскопов не позволяет видеть такие частицы.
Масса электрона в 1000 000 000 000 000 000 000 000
000 раз (11-102') меньше, чем масса граммовой гирь¬
ки. Очевидно, что такую частицу на весах взвесить
нельзя.
30

1.15
Присутствие электрона обнаруживают совсем по-
другому. У электрона есть своеобразная «визитная
карточка» — он несет в себе крошечную пор¬
цию электричества — отрицательный заряд, равный
1,6-10-19 кулона.
1.16
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.

1.17
Рядом с электроном протон и нейтрон выглядят
сущими гигантами: масса каждого из них больше мас¬
сы одного электрона почти в 1840 раз.
1.18
Нейтрон не несет в себе никакого заряда, электри¬
чески он нейтрален. Отсюда и имя — нейтрон. Заряд
протона по величине равен заряду одного электро¬
на (1,6-10-19 кулона), но имеет положительный знак.
32

1.19
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 электрон.
1.20
Часто под действием внешних сил электроны при¬
обретают свободу: они расстаются со своими атомами,
срываясь с их наружных орбит. Потеряв электрон,
атом уже не будет нейтральным: он превращается
в положительно заряженный ион.
^ J
1.21
Отрицательные заряды электронов вынуждают их
двигаться к металлической пластине, подключенной к
положительному полюсу источника электрической
энергии.
3 Е. Седов
зз

ПОЧЕМУ
ЭЛЕКТРОН?
Как могла частица материи с массой в
1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 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 кото¬
рых он является главным героем. Притом героем всегда
положительным, несмотря на отрицательный знак его
заряда. А все потому, что электрон стал главной «де¬
талью» электронных приборов, играющих во всех об¬
ластях современной жизни, науки и техники едва ли не
самую 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» вовсе не дефицитна: пока не
иссякнет энергия источника тока, он будет посылать по
«конвейеру» (по проводу) поток этих «деталей». Их бу¬
дет столько, сколько запросят все «цехи» и «участки»
сложного «производства», то есть все элементы и узлы,
входящие в передатчик, приемник, компьютер или
любой другой электронный прибор.
Эта «деталь» прекрасно работает в самых различ¬
ных условиях: в вакууме (электронныетрубки и лампы),
в газах (газоразрядные лампы) и даже в твердой среде
(металлы и полупроводники).
Помимо доступности, легкости и подвижности элек¬
трон обладает еще одним замечательным свойством,
очень удобным для «деталей» электронных устройств.
Дело в том, что эта деталь не знает износа: хотя совре¬
менной наукой доказано, что электрон «составлен» из
кварков, никто пока еще не сумел разрушить, «сломать»
электрон.
В многочисленном и разнообразном семействе эле¬
ментарных частиц есть и такие, которые исчезают, едва
успев появиться. Например, время «жизни» частицы,
носящей красивое имя — пион, составляет настолько
малую долю секунды, что между нолем, обозначающим
«ноль целых», и первой значащей цифрой, обознача¬
ющей время жизни пиона, приходится выписывать в ряд
16 нолей.
А электрон неуничтожим, как сама материя. Он
может перемещаться с места на место, входить в сос¬
тав атома или, оторвавшись от него, путешество¬
вать внутри полупроводников и металлов. Он может
изменять свои состояния, возбуждаться, поглощая пор¬
ции (кванты) энергии и переходя внутри атома на орби¬
ты, удаленные от ядра. Он может вернуть кванты энер¬
гии и опуститься на орбиту с более низким эиергетиче-
34

ским уровнем. Но при этом электрон не исчезает, не
превращается в другие частицы, а стало быть, во всех
своих состояниях, поглощая и вновь отдавая энергию,
перемещаясь внутри электронных приборов или по
внешним цепям, соединяющим эти приборы друг с дру¬
гом, электрон всегда остается «самим собой».
Слов нет — электрон оказался очень удобным. Но
почему все-таки именно ему принадлежит в современ¬
ной технике такая видная роль? Ведь вслед за ним были
открыты протоны, нейтроны, фотоны, мезоны и гиперо
ны — более 200 разновидностей элементарных частиц.
Так почему техника предпочла использовать для своих
нужд именно электроны? Неужели потому лишь, что
электрон обнаружили первым? Или дело тут связано с
какими-то особыми, исключительными способностями,
которых нет у других частиц?
Взять хотя бы такую частицу, как нейтрон. Что она «ТЯЖЕЛОВЕСНЫЙ»
собой представляет? Чем отличается от электрона? ПРОТОН
Во-первых, не имеет заряда. Во-вторых, масса нейтро¬
на превышает массу электрона более чем в 1840 раз.
Поскольку нейтрон не имеет заряда, то к действию
электрического внешнего поля он относится безразлич¬
но, нейтрально. А раз так, значит, с помощью поля ней¬
троном нельзя управлять.
Электрон — дело другое. Заряженный отрицатель¬
но, он всегда стремится к пластине с положительным
потенциалом. Изменяя потенциал, можно управлять
электронами: ускорять или замедлять их движение,
изменять напранление, 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 нескольких 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: чем меньше масса, тем меньше ее инер¬
ция. Чуть повернулись рули управления, и истребитель
резко меняет курс. Но даже при самой высокой манев¬
ренности инерцию все же надо учитывать, иначе любой
истребитель пролетит по инерции мимо, не поразив нуж¬
ную цель.
з*
3S

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО
О «ФОТОНИКЕ»
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 зас¬
тавить проделать самый сложный «вираж». Подано
напряжение — электрон мгновенно набрал огромнуйэ
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 коле¬
баний, при которой ток в цепи в течение каждой секунды
успевает изменять величину и направление 10 мил¬
лиардов раз; управлять быстро летящей ракетой и в
течение часа делать на электронных машинах такие
расчеты, на которые человеку пришлось бы потратить
несколько лет.
Неужели среди всех открытых физикой элементар¬
ных частиц нет таких же легких, подвижных, доступных,
как электрон? Разумеется, есть. Например, фотон.
Если говорить о подвижности, то эта частица во¬
обще не знает покоя — она существует только в движе¬
нии. А в покое исчезает: ученые говорят, что масса
покоя фотона равна нулю. Получить ее в чистом виде
еще легче, чем электрон: физикой установлено, что из
фотонов состоят и невидимые электромагнитные волны,
п видимый свет.
Но одно дело — неуправляемые фотоны обычного
светового потока и совсем другое — управляемые фото¬
ны, собранные в тонкие лучи лазеров или в остронаправ¬
ленные потоки невидимых волн микронной длины. Что¬
бы создать подобные генераторы, науке и технике при¬
шлось решать немало сложных проблем.
На помощь электронным приборам пришли приборы
фотонные. Благодаря им многократно расширился диа¬
пазон частот, используемых локацией и радиосвязью,
они нашли применение в целом ряде новых технических
областей.
Может быть, со временем электроника уступит место
«фотонике»? Нет, фотонная техника электронику не
изживет. Фотоны рождаются электронами: когда элект¬
рон в атоме переходит на более низкий энергетический
уровень (на низшую орбиту), атом излучает фотон.
Область техники, которая создает генераторы,
излучающие фотоны, именуется не «фотоникой», а
«квантовой электроникой»: первопричиной и стимуля¬
тором всех используемых для этих целей процессов слу¬
жит опять-таки электрон. В многочисленных областях
современной науки и техники находится множество
применений как тем приборам, в которых электроны
36

действуют самостоятельно, так и тем, в которых они
служат лишь первым толчком для порождения фотон¬
ных лучей.
Обо всем этом говорить придется отдельно. А пока
отметим одно: электро-н не борется за монополию, и
когда возникает необходимость выйти за рамки его воз¬
можностей, он с радостью дарит людям фотон.
Будут ли рядом с фотоникой и электроникой разви¬
ваться другие области техники, использующие свойст¬
ва еще каких-то частиц? Как знать. Уже существуют
гипотезы о возможности связи на нейтринных волнах
или на волнах гравитационных. Но такие волны нау¬
кой еще не исследованы. Поэтому все создаваемые
электроникой средства основаны на взаимодействии
электронов, фотонов и электромагнитных волн.
Чудом мы называем то, что нельзя объяснить.
Чудеса творят духи, волшебники, боги. Электронику
создал человек. Он приручил электрон, познал его свой¬
ства, заставил решать множество разных задач. Конст¬
руируя электронный прибор, инженер рассуждает об
электроне: он будет вести себя так-то и так-то, сде¬
лает 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, проходя¬
щих в течение каждой секунды по проводу,— электри¬
ческий ток. Ток и луч — это потоки электронов, огром¬
ная масса движущихся частиц. А один электрон являет¬
ся слишком малой частицей, его не позволит увидеть ни
один микроскоп.
Каждый осматривал телевизор снаружи. Любопыт¬
ный же человек обязательно слазит и внутрь. Ну и что?
Ничего особенно интересного. Много всяких деталей,
сложная сеть проводов, и... никакого движения. Мерт¬
вое царство. Живет только экран.
Как же рождаются подвижные изображения в непо¬
движных деталях и проводах? Кто заменяет на теле¬
экране актеров в спектаклях, спортсменов в мат¬
чах? Главную роль здесь играет электрон.
Пока идет действие на экране, во всех элемен¬
тах, находящихся внутри телевизоров, течет неви¬
димая, но напряженная «закулисная жизнь». Инженер
изучил ее очень подробно. Он может ответить вам,
сколько именно электронов пройдет через каждый про¬
вод в течение каждой секунды и как они будут вести себя
в каждом звене. Хотя он тоже не видел ни разу в глаза
электрон.
На первый взгляд все это кажется чуть ли не чудом.
Электрон стал играть всевозможные роли. Он заменяет
актеров в телеспектаклях и выступает «певцом за
А КТО
ЕГО ВИДЕЛ?
37

сценой», заставляя динамик приемника воспроизво¬
дить звук. Он управляет ракетой, станком, само¬
летом, делает сложные вычисления и переводы, обраба¬
тывает металлы, дает возможность изучать микро¬
структуру веществ.
Никто не видел его за работой, он, словно невиди¬
мый сказочный гномик, творит все новые и новые чудеса.
Но знания и сила воображения исследователей позволя¬
ют представить во всех деталях, как подвижные элек¬
троны ведут себя в различных устройствах, которые
создал человек.
Стремясь подчеркнуть эту особенность электроники,
известный американский писатель-фантаст Артур
Кларк нарисовал такой фантастический эпизод.
Представьте себе, что выдающимся мыслителям
прошлого, скажем, Ньютону и Леонардо да Винчи, дали
для изучения электронную лампу и современный
автомобиль. По внешнему виду автомобиля они, безу¬
словно, сделали бы кое-какие выводы о его назначении
и устройстве. Но про диод, триод или транзистор не
смогли бы сказать ничего. Ничего ровным счетом! Пото¬
му что внешний вид электронных приборов или их от¬
дельных деталей не дает ни малейшего представления
о тех электронных процессах, которые в них протекают.
Ни Ньютон, ни Леонардо да Винчи при всем богатстве
их научной фантазии не смогли бы представить себе ни
электрона, ни его роли и поведения внутри этих совер¬
шенно для них непонятных устройств.
Нужны были сотни гениальных догадок и многие ты¬
сячи экспериментов, проделанных учеными последую¬
щих веков, чтобы наука смогла создать четкое пред¬
ставление о незримых процессах, в которых участвует
электрон.
И чем дальше, тем больше новых свойств электрона
открывала наука, тем больше возможностей приобре¬
тала техника для создания все новых и новых элект¬
ронных устройств.
Во многих электронных приборах электрон ведет се¬
бя как сосредоточенная в каждый данный момент в од¬
ной точке частица. Зато в других устройствах элект¬
рон проявляет свойства «размазанной по пространст¬
ву», способной растягиваться, сжиматься, просачи¬
ваться в «узкие щели» волны.
А самое любопытное заключается в том, что все эти
метаморфозы и по сей день остаются вне поля нашего
зрения. Их не только не удается увидеть, но порой даже
трудно вообразить. Словно искусный иллюзионист, эле¬
ктрон совершает манипуляции, недоступные любопыт¬
ному взгляду, а зрителям (то есть ученым и инженерам)
остается лишь наблюдать и оценивать результаты этих
манипуляций, строить гипотезы относительно их внут¬
ренних механизмов и разрабатывать принципы исполь-
38

зования разнообразных порождаемых электроном эф¬
фектов для создания практически полезных устройств.
Все огромное здание электроники строилось умозри¬
тельно, усилиями многих изобретательных и пытливых
умов. Начиная с момента открытия электрона, когда
Дж. Дж. Томсон не увидел, не ощутил, не воспринял на
слух, а догадался, что главным участником происходя¬
щих внутри катодной трубки событий должен быть
именно электрон.
Открытие электрона опровергло гипотезу о неде¬
лимом атоме. В воображении ученых возникли модели^,
внутреннего строения атомов, в которых электроны, по-^°>
добно космическим спутникам, вращаются вокруг атом¬
ного ядра. Но и эти модели со временем оказались весь¬
ма упрощенными. Раньше казалось, что оболочки ато¬
мов образуются электронами, вращающимися по эл¬
липтическим орбитам. Число электронов на разных
орбитах может быть от одного до восьми и более.
Но с позиции квантовой физики все выглядит гораздо
сложнее. Оказалось, что орбиты атомов не умещают¬
ся в плоскости, а представляют собой сложные про¬
странственные фигуры, а по поверхностям этих фигур
«размазаны» электроны, так что нельзя утверждать
определенно, а можно лишь предполагать и оцени¬
вать с помощью вероятностей, в какой именно точке
орбиты окажется в данный момент времени тот или
иной электрон.
По мере развития электроники включались в дейст¬
вие все новые и новые способности электрона, расши¬
рялось его «амплуа». До середины нашего века элек¬
троникой создавались приборы, в которых электрон
проявлял себя только как сосредоточенная в простран¬
стве частица. Так ведет себя электрон в вакуумных и
полупроводниковых диодах, в триодах, в транзисторах,
в магнетронах, в клистронах, в лампах с бегущей вол¬
ной.
С развитием квантовой электроники этих свойств
электрона оказалось уже недостаточно. В лазерах
используются квантовые взаимодействия электронов с
фотонами. В туннельных диодах электрон «прорывает
тоннель» в изолирующем слое, превращаясь для этого
из частицы в ванну. В сверхпроводящих электронных
приборах электроны объединяются в пары, прихватив
при этом «в свою компанию» еще одну квантовую части¬
цу — фотон.
Обо все этом будет подробно рассказано в следую¬
щих главах. А пока, следуя хронологической последова¬
тельности событий, познакомимся с такими процессами
и приборами, в которых действует хотя и невидимый,
но сосредоточенный (локализованный) в пространстве
неутомимый, подвижный, отрицательно заряженный
электрон.
39

это
Л ЕЖИ Г
В ОСНОВЕ
ТОК МОЖЕТ ТЕЧЬ НЕ ТОЛЬКО В МЕТАЛЛЕ, НО И В
ГАЗЕ, И В ЖИДКОСТИ, И В ПУСТОТЕ
1.22
Атомы металла образуют кристаллическую решет¬
ку, а в пространстве между узлами решетки хаотично
движутся свободные электроны, бродят бесцельно ту¬
да и сюда.
1.23
Стоит лишь подключить металлическую пластину
к двум полюсам источника напряжения, и у электронов
сразу появится цель. Они устремятся к положительно¬
му полюсу батареи — в металле возникнет электри¬
ческий ток.
40

1.24
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 с их орбит электроны. По¬
ложительные ионы (атомы, потерявшие свои электро¬
ны) движутся к противоположному концу трубки. Ха¬
рактерное свечение газа в трубке свидетельствует о
том, что внутри ее движутся навстречу друг другу
ионы и электроны — течет электрический ток.
1.25
Чтобы создать электрический ток в жидкости (нап¬
ример, в расплаве поваренной соли), надо погрузить
в эту жидкость два металлических стержня и подклю¬
чить их к источнику напряжения. Стержни при этом
становятся электродами: тот, что подключен к плю¬
су источника, будет служить анодом, а соединенный с
минусом превратится в катод.

1.26
В электронных лампах электроны движутся в ваку¬
уме, то бишь 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» (свободные элек¬
троны, хаотично движущиеся внутри катода) начинает
«кипеть» и испаряться. Это явление называют элект¬
ронной эмиссией. В результате эмиссии вокруг катода
образуется облако «электронного газа».
1.27
Если теперь подключить катод к минусу источника
напряжения, а на анод подать плюс, анод начнет притя¬
гивать к себе электроны из облака, «отсасывать» их
от катода, внутри диода будет течь ток. Свобода для
электрона оказалась очень недолгой: едва лишь он вы¬
рвался из катода, как тут же его притянул анод.
Д2

1.28
Диод часто используют в схемах в качестве венти¬
ля (вентиль — в переводе «клапан»).
На рисунках 1.27 «клапан» был открыт. Чтобы зак¬
рыть его, надо поменять полюса источника: на анод по¬
дать минус, а на катод — плюс.
Теперь электронам труднее вырваться за преде¬
лы катода, так как он стал их притягивать. Но да¬
же и тем, что вырвались, лететь-то особенно неку¬
да: раньше их притягивал анод, а теперь он толка¬
ет их назад к катоду.
При таком включении через диод ток не течет.
«Клапан» 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 (с.м. 1.25).
Из раствора поваренной соли на одном стержне
выделится осадок щелочи, молекулы которой включают
в себя ионы натрия, соединившиеся с молекулами
кислорода и водорода воды. В пространстве вокруг
второго стержня возникнут шустро бегущие снизу вверх
пузырьки. Наблюдателю будет казаться, что здесь нача¬
лось кипение жидкости. На самом деле возникновение
пузырьков обусловлено тем. что из раствора поваренной
соли выделяется газообразный хлор. Щелочь выделится
на катоде, то есть на том стержне, который подключен
к отрицательному полюсу батареи. Пузырьки газооб¬
разного хлора окружат второй стержень — анод.
Пока разговор идет о вещах видимых и ощутимых.
Стержни можно потрогать руками. Раствор соли можно
попробовать на вкус. На катоде можно увидеть осадок
щелочи 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 путеше¬
ствие в иной, невидимый мир. Какой вид транспорта
нас может 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 заклю¬
чается роль электронов в этом процессе, мы сможем
понять весь его внутренний механизм.
Что же здесь происходит? Тому, кто знаком со строе¬
нием атома, понять процесс электролиза не представ¬
ляет большого труда.
В составе атома натрия содержится одиннадцать
электронов. Два из них находятся в глубине атома,
на внутренней оболочке, ближайшей к его ядру. На то,
что хотя бы один из них расстанется с атомом и «обре¬
тет свободу», рассчитывать не приходится: электроны,
«приближенные к центру», не намерены изменять свой
статус и включаться в какой-то иной процесс.
Восемь других электронов атома натрия образуют
среднюю оболочку. Их положение в атоме тоже доста¬
точно прочно, поскольку эта восьмерка представляет
собой полный комплект.
А вот одиннадцатый электрон, находящийся на на¬
ружной орбите, связан со своим атомом наименее
прочно. Во-первых, потому, что он наиболее удален от
центра. А во-вторых, потому, что ему не хватает
44

«дружного коллектива» — еще семи подобных ему элек¬
тронов, которые вместе с ним образовали бы на наруж¬
ной орбите атома устойчивый к внешним воздействиям
полный комплект. Обреченный на одиночество электрон
не слишком дорожит своим положением в атоме натрия.
Он готов расстаться с десятью своими «коллегами»,
почувствовав притяжение каких-либо внешних сил. Си¬
ла отталкивания катода и сила притяжения анода
заставляют его сорваться с наружной орбиты атома,
чтобы начать «свободную жизнь».
Отдав электрон, атом натрия перестает быть нейт¬
ральным: 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 путе¬
шественник не любит долго оставаться в покое. Если
поблизости есть пластина, соединенная с минусом,
он сразу отправится в путь.
Атомы хлора, напротив, охотно приобретают элект¬
роны. Их наружная оболочка содержит только семь
электронов.
А есть всеобщий закон природы: если у атома на
наружной орбите недостает одного или двух электро¬
нов, он стремится добрать их извне до «ватного ком¬
плекта», то есть до восьми.
Потому атом хлора, подчиняясь этому закону, и от¬
нимает 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. Достиг¬
нув цели своего турне (то есть анода), ион сдает приоб¬
ретенную им путевку - восьмой электрон.
Электрон побежит по внешнему проводу, а посколь¬
ку к аноду вновь и вновь прибывают «туристы с путев¬
ками», по проводу непрерывно бегут электроны — те¬
чет электрический ток. А внутри ванны ток имеет другую
природу: здесь «путешественники» непрерывно движут¬
ся навстречу друг другу — отрицательные ионы хлора
стремятся к аноду, положительные ионы натрия спешат
попасть на катод.
Но по пути им предстоит еще вступить в связь с
атомами кислорода и водорода и, образовав вместе с
ними щелочь, покрыть щелочным слоем катод.
Хорошо рассуждать об электронах на оболочках
атома тому, кто с ними знаком. А каково было Г. Гельм¬
гольцу? Ведь он изучал электролиз в то время, когда
атом еще считался действительно атомом — мельчай¬
шим и неделимым «кирпичиком» вещества. Представ¬
ление о неделимости атома родилось одновременно с
ПОРЦИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
45

космос
В БАЛЛОНЕ
самим понятием «атом»: слово «атом» переводится с
греческого как «неделимый».
Поведение атомов в процессе электролиза было ис¬
следовано досконально, но об участии электронов
в этом процессе пока еще не догадывался никто.
По увеличению веса катода вычисляли, сколько
атомов натрия вошло в состав щелочного осадка. Изме¬
рив ток, текущий по внешнему проводу, определяли
перенесенный этими атомами заряд. Установили, что
одним и тем же количеством атомов натрия всегда пере¬
носится один и тот же заряд. Но если в ванне
вместо поваренной соли растворен, к примеру, хлорис¬
тый кальций, то тем же количеством атомов кальция
переносится вдвое больший заряд.
Вот, собственно, и все данные, которыми располагал
в то время Г. Гельмгольц. Но их оказалось достаточно
для гениальной догадки: в природе есть наимень¬
шая порция электричества, своеобразный «электри¬
ческий атом». Каждый ион натрия 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.
Как стало известно впоследствии, на наружной
орбите атома кальция находится не один электрон, как
у натрия, а два. Поэтому натрий относится к категории
одновалентных, а кальций — двухвалентных веществ.
Отдав два электрона своей наружной орбиты двум
атомам хлора, атом кальция становится несущим двой¬
ную порцию ионов. Потому-то и получается, что тем же
количеством атомов кальция переносится вдвое боль¬
ший заряд.
Все это стало известным значительно позже, после
того как Э. Резерфорд создал модель планетарного
атома, в котором ядро заменяет Солнце, а электроны
вращаются на орбитах наподобие наших планет
(см. 1.13).
Но именно порция электричества, обнаруженная
Г. Гельмгольцем, привела науку к этим открытиям,
позволила сделать первый и, пожалуй, самый решитель¬
ный шаг.
Идея Г. Гельмгольца породила много вопросов. Что
за порция электричества? Чем она переносится? Что со¬
бой представляет? Из чего состоит?
Эксперименты, проделанные вскоре после открытия
Г. Гельмгольца, подтверждали, что во всех явлениях,
связанных с электричеством, в самом деле участвуют
мельчайшие отрицательные электрические заряды: их
46

стали называть электронами. Но что же все-таки пред¬
ставляют собой электроны? Бестелесную порцию элект¬
ричества или кусочек какого-то вещества?
Оказалось, ни то ни другое. Хотя электрон и обла¬
дает массой, но он не является веществом. Это час¬
тица материи, которая входит в состав всех существую¬
щих 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 электро¬
ны, нечто вроде особой жидкости, разлитой по пустому
пространству между атомами металла (см. 1.22).
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 бата¬
реи, и сразу у всех электронов, бесцельно бродивших
внутри пластинки, появляется цель (см. 1.23). Теперь
отключим пластинку от батареи и станем ее нагревать.
Начнется эмиссия электронов. Вокруг нагретой плас¬
тинки образуется облако электронного газа (см. 1.26).
Если электронов никто не видел, то и электронного
облака тоже. И тем не менее современная физика
обращается с ними почти так же уверенно, как в извест¬
ной пословице повар с картошкой: для каждого «элект¬
ронного блюда» есть готовый рецепт.
Хотите быстрей «вскипятить» «электронную жид¬
кость»? Возьмите никель или вольфрам. Они дают наи¬
большее «испарение» электронов, и притом весьма туго¬
плавки - их можно разогревать до очень высоких
температур. А еще лучше покрыть пластинку из никеля
или вольфрама оксидной пленкой — окислом щелочно¬
земельных металлов. «Испарение» будет еще эффектив¬
нее: возрастет интенсивность эмиссии, скажет специа¬
лист.
Вы, очевидно, заметили, что транзисторный прием¬
ник дает звук сразу же после его включения, а лампо¬
вый — лишь минуту спустя. В течение этой минуты раз¬
мещенные внутри баллонов миниатюрные электроплит¬
ки (нити накала) разогревают катоды вакуумных
ламп. В процессе разогрева катодов вокруг них
образуются невидимые облака электронов.
Внутри облака все электроны движутся хаотично,
47

как мошкара, объединившаяся в рой. «Ветер», который
заставит весь этот «рой» двигаться в заданном направ¬
лении, могут создать металлические пластины, если на
одной из них создать положительный, а на другой —
отрицательный 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 като¬
да, лететь на анод. Чтобы избавиться от влияния
воздуха. Т. Эдисон поступил очень просто: он создал
«космос в миниатюре» поместил обе пластинки внут¬
ри стеклянного баллона, из которого выкачал воздух. И
увидел впервые, как в этих условиях между пластинка¬
ми, не соединенными проводом, течет электрический ток.
Если захотите проделать подобный опыт, вам не по¬
надобится самим создавать «космос в баллоне», вы
можете взять (купить в любом магазине радиоде¬
талей) готовую двухэлектродную лампу — диод (см.
1.26).
Диод был изобретен англичанином Д. Флемингом
в 1904 году. Но в наши дни принцип его остался практи¬
чески неизменным. Усовершенствованы лишь некоторые
детали, в частности, введена уже упомянутая нами
нить накала, которую предложил русский ученый
А. Чернышев.
В диоде Флеминга напряжение накала прикладыва¬
лось прямо к катоду, и по нему протекал разогреваю¬
щий его ток. Впоследствии катод приобрел форму
трубки, внутри которой располагалась предназначае¬
мая для его разогрева специальная нить.
Подключив к диоду электрическую батарею и при¬
бор для измерения тока (миллиамперметр), можно
измерить ток, текущий через диод. Отклонение стрел¬
ки прибора — это единственный видимый результат
всех описанных нами явлений. Все остальные процес¬
сы незримы. И тем не менее внутри баллона про¬
исходит именно то, о чем мы говорили: электроны, выр¬
вавшись из катода, образуют вокруг него электрон¬
ное облако, анод будет притягивать его, внутри баллона
потечет электрический ток.

В ТРУБКЕ ТОЖЕ ЕСТЬ ЭЛЕКТРОДЫ
ЭЮ
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
1.29
Среди многих деталей, помещенных внутри элект¬
ронной трубки, вы тоже можете обнаружить нить
накала, катод и анод.
Анод электронной трубки не похож на анод дио¬
да: он выполняется в виде цилиндра.
Электроны летят от катода к аноду и, проско¬
чив сквозь него, ударяются об экран. Экран покрыт
специальным составом, который начинает светиться в
том месте, куда упал электрон.
1.30
Чтобы направить все электроны, вылетающие из
катода, в одну точку экрана, необходимо собрать
их в тонкий луч. Электроны противятся этому, оттал¬
кивая друг друга, так как все они имеют одноимен¬
ный заряд (отрицательный). В результате луч «разбу¬
хает», и если бы он упал на экран в таком виде,
то на экране образовалось бы размазанное большое
пятно.
4 Е. Седов
49

1.31
Побороть «своенравие» электронов помог фокуси¬
рующий электрод. Выполненный тоже в виде полого
цилиндрика, он подключается к отрицательному полю¬
су источника напряжения, и потому его стенки
отталкивают разбегающиеся электроны и собирают их
в тонкий пучок, направленный вдоль продольной оси
цилиндра.
1.32
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.
50

1.33
А что будет, если к одной паре пластин приложено
напряжение? Все электроны отклонятся в сторону по¬
ложительной пластины, и пятно сместится от центра
экрана вверх.
1.34
Изменив на пластинах знаки приложенного напря¬
жения, можно сместить пятно вниз.
4'
51

1.35
Вторая пара пластин позволяет смещать луч и пятно
влево и вправо.
.
1.36
Чтобы впредь никогда не путаться в этих пласти¬
нах, надо раз и навсегда усвоить одно перекрестное
правило: пластины в правой части рисунка, хотя и стоят
вертикально, отклоняют лучи влево и вправо, и потому
их называют горизонтально отклоняющими пласти¬
нами.
А те пластины, которые лежат в горизонтальной
плоскости, называют вертикально отклоняющими пла¬
стинами, так как они отклоняют луч или вверх, или
вниз.
Две пары пластин являются своеобразным при¬
цельным устройством, которое позволяет обстрелять
любую точку экрана, направив в нее луч.
52

Диод — это уже электроника. Он был создан для
вполне конкретных технических нужд. Но сначала
никаких технических нужд еще не было. Не было и
электроники — было лишь естественное желание фи¬
зиков изучить электрон. Поэтому еще за 40 лет до изоб¬
ретения двухэлектродной лампы (диода) появилась
электронная трубка, созданная физиками как сугубо
экспериментальный прибор.
В то время никто не мог предполагать, какое разно¬
стороннее амплуа уготовано в будущем трубке. Впос¬
ледствии она нашла применение и в телевидении, и в
локации, и в проводимых с помощью осциллографов ис¬
следованиях и измерениях, и в разнообразных систе¬
мах технологического контроля, и в дисплейных устрой¬
ствах ввода и вывода информации, ставших неотъем¬
лемой частью электронных машин.
Расширение амплуа породило огромное разнообра¬
зие трубок, отличающихся по размерам, конфигурации,
конструкции находящихся внутри трубок устройств.
Но при всем этом разнообразии техника и по сей день ис¬
пользует разработанные еще в первых опытах с трубкой
принципы управления электронным лучом.
Устройства, создающие управляемый луч внутри
трубки, кто-то метко назвал электронными пушками.
В самом деле: здесь электроны подобны ядрам, а
положительный потенциал анода заменяет давление
газов, выталкивающих ядро из ствола. Стволом служит
фокусирующий электрод, обеспечивающий кучность
стрельбы (см. 1.31). Управляющие пластины подобны
орудийным прицельным устройствам (см. 1.32—1.36).
Кто мог знать, что устройства эти со временем оправ¬
дают воинственное название «пушка» и. превратившись
в экраны локаторов для орудийной наводки, будут помо¬
гать настоящим пушкам поражать без промаха враже¬
скую цель!
Но к тому времени, когда «электронная пушка» наш¬
ла применение в индикаторах радиолокационных стан¬
ций, у нее уже было немало всякого рода мирных
заслуг. Среди них самая важная — открытие электрона.
С помощью вот такой «электронной пушки» формиро¬
вался катодный луч, который помог Дж. Дж. Том¬
сону познать свойства невидимых электронов, превра¬
тить их из бестелесной порции электричества в частицы
«во плоти в крови».
Впоследствии с помощью точно таких же «пушек»
инженеры сумели получить четкие изображения кадров
на телевизионном экране. А за много лет до создания
телевидения был разработан лабораторный прибор —
осциллограф, позволивший наблюдать многие электри¬
ческие процессы, которые раньше исследователи могли
только воображать.
Возьмем, к примеру, электрический импульс. Что он
ВООРУЖЕННЫЕ
«ПУШКОЙ»
53

собой представляет? Толчок, который создается множе¬
ством электронов, пробегающих одновременно по про¬
водам 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 импуль¬
сных схемах. Поезда метро можно сравнить с генерато¬
ром импульсов, эскалатор — с участком провода, а
пассажир в данном случае ведет себя так же, как элек¬
трон.
И график, изображающий изменение тока во време¬
ни, очень похож на график, на котором отражено коли¬
чество пассажиров, доставленных эскалатором наверх.
Однако в отличие от событий в метро, длящихся
многие минуты, электрический импульс обычно появля¬
ется и исчезает за миллионные доли секунды. Разве
можно за такое короткое время что-нибудь рассмот¬
реть? 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, просле¬
дить, как за коротенькое мгновенье нарастает, держит¬
ся и исчезает электрический ток.
Эту возможность дают инженерам электронные
трубки.
СЛЕДЫ
НЕВИДИМОК
Миллионная доля секунды... Время настолько нич¬
тожное, что его даже трудно вообразить.
Мировой рекордсмен по бегу, пробегающий стомет¬
ровку за 9,8 секунды, за одну миллионную долю
секунды преодолевает... одну сотую миллиметра.
Всего на один миллиметр переместится за это корот¬
кое время несущейся с тройной скоростью звука реак¬
тивный самолет. Ракета, доставляющая на орбиту ис¬
кусственный спутник, достигнув первой космической
скорости, будет подниматься в течение одной миллион¬
ной доли секунды всего на 8 миллиметров.
А в электронной схеме за одну миллионную долю
секунды (одну микросекунду) может произойти столько
событий, что рассказ о них потребует много часов. Что¬
бы уловить момент, когда начнется и кончится очеред¬
ное событие, специалистам по электронике приходится
дробить «долгую» микросекунду еще на множество го¬
54

раздо более коротких частей. Для них вполне «ощу¬
тимой» оказалась даже одна тысячная доля микро¬
секунды (наносекунда).
Электроны «живут» в своем временном масштабе.
Они настолько подвижны и расторопны, что не только
за миллионную, но и за миллиардную долю секунды
(наносекунды) успевают сделать множество разных
дел.
...Импульс длится 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 верти¬
кально отклоняющие пластины и отклонил луч вверх.
Но, отклонившись, луч продолжал бежать слева нап¬
раво, и, когда импульс кончился, он вернулся (опу¬
стился) к середине экрана и закончил пробег. В
результате остался след луча на экране. Это и есть гра¬
фик импульса: глядя на изображение, можно увидеть,
как в течение миллионной доли секунды нарастал
(участок а в), держался (в с) и падал (с—d)
электрический ток.
Экран электронной трубки стал поистине чудо-эк¬
раном: на нем можно увидеть сверхскоростное дви¬
жение невидимых пассажиров на невидимых эскала¬
торах, то есть движение тока внутри проводов и
других элементов схем.
Изображение на экране сохраняется недолго: экран
покрывают специальным составом, который после про¬
бега 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 отклонять¬
ся и обновлять свой след. Пока длится импульс, луч
бежит по экрану слева направо. Добежав до правого
края экрана, он очень быстро возвращается к левому
краю, чтобы вновь повторить пробег.
А что значит «очень быстро»? Слева направо луч
бежит всего одну миллионную долю секунды. В этом
случае скорость прямого хода (то есть пробега слева
направо) составит в привычных нам единицах пример¬
но 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 быст¬
рей.
А от чего зависит скорость пробега? Что застав¬
ляет луч, добежав до края экрана, возвращаться
4
55

назад? Чтобы ответить на эти вопросы, придется
рассказать о принципах управления электронным
лучом.
ПОЧТИ по
ЗАДАЧНИКУ
| 1 1
Ц	Т/ —
время
Луч управляется электронами. Электронов в этом
процессе участвует много: одни создают электрический
импульс, другие, вылетев из электронной пушки, несут¬
ся от катода к экрану трубки, а третьи в то же самое
время управляют лучом. Вот почему за одну миллион¬
ную долю секунды в электронной схеме происходит
столько событий, что подробный рассказ о них мог бы
занять часы. Мы не будем здесь обсуждать все детали.
Но самого принципа управления электронным лучом
стоит коснуться подробнее, ведь сейчас мы знакомимся
с первым электронным прибором, в котором действием
множества электронов создается единый сложный про¬
цесс. А поскольку процесс электронный неощутим и
невидим, мы попробуем для начала обратиться к услов¬
ной модели. В ней все «весомо, грубо, зримо», и тем не
менее она довольно-таки точно воспроизводит процесс
управления электронным лучом.
Представьте себе резервуар определенной емкос¬
ти — допустим С литров, который через узкий шланг
наполняют водою. За время Т, уровень воды в резер¬
вуаре поднимется от А до В.
Поплавок П, поднимаясь по мере наполнения
резервуара, поворачивает стрелку, которая в нашей ус¬
ловной модели играет роль луча. За время Т, конец
стрелки сместится вверх по экрану от точки 1 до точки 2.
В этот момент открывается люк, расположенный в
нижней части резервуара, и уровень понижается от В до
А. Поскольку люк шире, чем шланг, слив происходит
намного быстрее, чем наполнение (время Т2. меньше,
чем Ti). При этом стрелка-луч вернется из точки 2 в точ¬
ку I. Не правда ли, наша система напоминает те мно¬
гочисленные бассейны из школьных задачников, в кото¬
рых через трубу А вливается х литров воды в минуту, а
по трубе В у литров утекает прочь? Но есть и различие.
Там вода обычно течет по обеим трубам одновремен¬
но. А в нашей системе трубы действуют поочередно.
Благодаря этому за время Т| стрелка медленно подни¬
мается, а затем быстро падает вниз за время Т2.
Описанный нами процесс изображен в виде графика,
из которого видно, как за время Т,уровень медленно
повышается от А до В, а за время Т2 быстро падает от
В к А.
Теперь, наверное, легче понять, как протекает про¬
цесс в электронной схеме. «Резервуаром» является кон¬
денсатор С, «насосом» — источник тока Е, а «шлан¬
гом» — большое сопротивление R,.
По мере того как заряжается конденсатор, растет
56

•2
К,
t
Е +
С
к
b-KuH>rfa«>tCV fmCMe£y
R.^мл^ое *0*u>cTvfi&ewae
уровень в «резервуаре» — в данном случае это уровень
напряжения между обкладками конденсатора, который
обозначают обычно через Uc.
Ключ К является своеобразным «люком»: он откры¬
вает путь току через малое сопротивление R2 и тем са¬
мым дает возможность осуществиться «сливу». По¬
скольку сопротивление «слива» R2 много меньше сопро¬
тивления «шланга» Ri, напряжение на конденсаторе
очень быстро падает от Uc до нуля.
График процесса мы с вами уже изучили.
Вместо уровня воды в резервуаре по вертикальной
оси будем теперь откладывать напряжение на конденса¬
торе Uc-
Нетрудно заметить, что график по форме подобен зу¬
бу. Если процесс повторяется неоднократно, возникает
несколько зубьев, а вместе они образуют пилу. Такое
пилообразное напряжение и управляет лучом. Если кон¬
денсатор подключен к вертикальным пластинам, луч
смещается в горизонтальной плоскости. За время Т,
(длинный скос) луч смещается слева направо, за вре¬
мя Т2 (короткий скос) совершает быстрый обратный
ход.
Надо заметить, что скорость луча зависит от скоро¬
сти «наполнения резервуара», то есть от скорости на¬
растания напряжения Uc. Пока конденсатор заряжен
мало, скорость эта почти постоянна и луч с постоян¬
ной скоростью пересекает экран. Чтобы выдержать ско¬
рость луча, емкость «резервуара» всегда выбирают с
запасом, стараясь не заполнять его «до краев».
Чтобы понять до конца этот принцип, нам остается
решить только один вопрос.
В нашей условной модели люк для слива в нуж¬
ный момент открывали мы сами. А кто в приведен¬
ной схеме замыкает в нужный момент ключ К?
Эта задача решается с помощью трехэлектродной
лампы — триода. Вот о ней-то у нас и пойдет теперь
речь.

СЕТКА СДЕЛАЛА РЕВОЛЮЦИЮ
1.37
Введение между катодом и анодом рассмотренной
нами лампы-диода третьего электрода (управляющей
сетки) позволило управлять током, протекающим в
лампе.
С появлением трехэлектродных ламп — их стали на¬
зывать триодами — неизмеримо расширилась область
использования электронных ламп.
1.38
Управление током в триоде осуществляется с по¬
мощью напряжения, приложенного между като¬
дом и сеткой. При большом отрицательном по¬
тенциале сетки (по отношению к катоду) она ста¬
нет служить непреодолимым барьером для электро¬
нов. Они будут «толпиться» в пространстве меж¬
ду катодом и сеткой; лампа окажется запертой,
так как от катода к аноду ток не потечет, несмот¬
ря на то, что так же, как и в диоде, к аноду прило¬
жен плюс.
ЭТО
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
59

1.39
Чтобы ликвидировать «столпотворение», достаточ¬
но изменить на сетке минус на плюс, и она начнет
оказывать помощь аноду, так как ее положительный
потенциал сложится с положительным потенциалом
анода. Через лампу потечет сильный ток. Однако
при этом сетка может превратиться из помощника
анода в его конкурента: часть электронов будет при¬
тягиваться к ней, не долетев до анода. В лампе по¬
явится вредный сеточный ток.
Чтобы избежать сеточных токов, на сетки рабо¬
тающих в электронных схемах триодов подается
«маленький минус» — небольшой отрицательный по¬
тенциал.
1.40
Все, что было рассказано о процессах, происходя¬
щих в трехэлектродной лампе, можно изобразить
кривой линией. Она показывает, как меняется анодный
ток в лампе в зависимости от напряжения между ее
электродами, и называется характеристикой лампы.
1.41
Характеристика лампы есть график.
Графики служат для наглядного изображения зави¬
симости двух каких-нибудь величин. Ну, например,
чем больше времени пешеход находится в дороге,
тем больший путь он проходит. График путника, если
он шел с постоянной скоростью, изобразится наклон¬
ной прямой.
А если к концу пути пешеход утомился, график бу¬
дет выглядеть кривой.
В этом случае говорят, что путь нелинейно зависит
от времени.
60

1.42
Нелинейной кривой изображается всякий процесс
ускорения, например, ускорение освоения каким-
либо предприятием, использующим электронику
автоматических (программно-управляемых) стан¬
ков.
В предыдущих примерах каждый график показывал,
как какая-то величина (путь, количество станков)
зависит от времени. С таким же успехом можно
выразить с помощью графика связь любых вели¬
чин.
Можно показать, как зависит дальность полета са¬
молета от запаса топлива; его скорость от силы дви¬
гателя; сопротивление воздуха от скорости полета
и т. д. и т. п.
1.43
Теперь вернемся к характеристике лампы. Зависи¬
мость анодного тока L от напряжения между катодом
и сеткой Uc называют анодно-сеточной характерис¬
тикой лампы. Зависимость того же тока анода 1« от
напряжения на аноде (точнее, от напряжения между
катодом и анодом) называют анодной характеристи¬
кой лампы.

Анодно-сеточная характеристика снимается так.
Пусть при отрицательном потенциале на сетке
Uc=—12 вольт анодный ток 1«=2 миллиамперам (то
есть 2 тысячных доли ампера).
Отложим — 12 вольт на горизонтальной оси графи¬
ка, а 2 миллиампера — на вертикальной оси.
Пересечение двух прямых, параллельных осям гра¬
фика, дает точку а.
1.44
При разных значениях напряжения Uc и неизмен¬
ном напряжении U» получаем различные значения
тока U.
Отложим много точек для разных значений
Uc от —12 до +12 вольт, соединим эти точки
и получим анодно-сеточную характеристику лам¬
пы.
Как видите, в этом случае график опять нели¬
неен: у точки а ток нарастает медленно, между точ¬
ками b и d — быстро (и, кроме того, линейно), а в
точке е перестает расти.
1.45
Самая подробная характеристика не может дать
полного представления о человеке.
Характеристика лампы дает исчерпывающие сведе¬
62

ния о ее поведении. На ней видны все процессы, о
которых рассказано в разделах 1.38—1.39.
Рассмотрим некоторые наиболее характерные точ¬
ки на графике зависимости анодного и сеточного тока
от потенциала на сетке.
Точка 1. Отрицательный потенциал сетки настоль¬
ко велик, что сетка не пропускает сквозь себя элект¬
роны, поэтому анодный ток равен нулю.
Точка 2. Отрицательный потенциал на сетке умень¬
шен настолько, что сетка уже не может служить
непроходимым барьером для электронов. Электроны
достигают анода, течет анодный ток (зеленый цвет).
Начал расти и сеточный ток, хотя потенциал сетки
все еще отрицателен. Это происходит за счет боль¬
шой скорости и соответствующей ей высокой кинети¬
ческой энергии вылетающих с катода электронов. Этой
энергии достаточно, чтобы преодолеть отталкивающее
действие сетки и создать сеточный ток (синий цвет).
Точка 3. Теперь начнем повышать положительный
потенциал сетки до тех пор, пока она не станет конку¬
рентом анода. При дальнейшем увеличении положи¬
тельного потенциала на сетке увеличение анодного
тока замедляется, а сеточный ток интенсивно растет.
1.46
Характеристика позволяет определить, что при из¬
менении ис, например, от —6 до +6 вольт, то есть на
12 вольт, анодный ток изменяется от 5 до 15 миллиам¬
пер (см. 1.44).
63

Сигнал, воздействующий на сетку, обычно бывает
намного слабее. Предположим, что напряжение меж¬
ду катодом и сеткой изменяется от —0,6 до +0,6 воль¬
та, то есть на 1,2 вольта. Анодный ток при этом изме¬
няется на 1 миллиампер. (Кстати заметим, что на ли¬
нейном участке характеристики существует прямая
пропорциональность между напряжением и то¬
ком.)
Если к аноду триода подключено сопротивление,
равное 24 килоомам (24 тысячи ом), то колебания тока
создадут в нем колебания напряжения с размахом:
1X10~f амп. -24X10-3 ом= 24 вольта.
Значит, поданные на сетку колебания 1,2 вольта
превратились в 24 вольта в анодной нагрузке — лам¬
па усилила колебания в 20 раз. Усиление объясня¬
ется тем, что сетка в триоде расположена рядом с
катодом, и малейшие изменения потенциала на сетке
приводят к заметному изменению анодного тока, а
следовательно, к изменению напряжения в анодной
нагрузке. Включив последовательно несколько уси¬
лительных ламп (их называют также усилительными
каскадами), можно усилить слабый сигнал в сотни ты¬
сяч и в миллионы раз.
Не нарушается ли закон сохранения энергии, когда
триод превращает слабый сигнал на сетке в мощный
сигнал в анодной цепи?
Разумеется, нет. Электроды триода подключены к
источнику постоянного тока. Триод заимствует у источ¬
ника часть энергии, чтобы с ее помощью усилить
поданный на его сетку сигнал.
Способность усиления — это очень ценное свойство
триода, которое электроника использует буквально
на каждом шагу.
64

5 октября 1956 года французский ученый Ли де
Форест был удостоен высокой награды - - ордена По¬
четного легиона. На торжественной церемонии вруче¬
ния ордена присутствовал один из основоположников
квантовой физики Луи де Бройль. Выступая с привет¬
ственной речью, Луи де Бройль отметил, что имя Ли де
Фореста стало одним из великих имен современной
науки и техники благодаря открытию, сделанному
полвека назад.
«Специалисты всех областей науки должны выра¬
зить Ли де Форесту свое почтение, свою признатель¬
ность и свое восхищение»,— сказал в заключение
Луи де Бройль.
Что же это за великое открытие, вызывающее
восхищение и признательность даже полвека спустя?
На первый взгляд оно вовсе не кажется таким гран¬
диозным. За три года до открытия Ли де Фореста анг¬
лийский ученый Д. Флеминг разработал уже знакомую
нам двухэлектродную лампу (см. 1.26 и 1.27). А Ли де
Форест предложил всего-навсего ввести между анодом
и катодом лампы-диода еще один электрод.
Казалось бы, что тут великого? Было в лампе два
электрода, а потом стало три.
Но какие неожиданные возможности приобрела тех¬
ника с появлением трехэлектродных ламп!
Ли де Форест назвал свою лампу «аудионом». Со
временем эго название было забыто, и теперь лампу
с тремя электродами называют триодом.
Впоследствии появились лампы с четырьмя, пятью и
даже шестью сетками. Вошло в традицию именовать
типы вакуумных ламп по числу содержащихся в них
электродов: диод от слова диа (два); триод—три,
тетрод — тетра (четыре), пентод — пента (пять) и т. д.
С помощью дополнительных электродов вносились нуж¬
ные изменения в характеристики ламп. Появилось
огромное количество различаемых по их конкретным
наименованиям (шифрам) диодов, триодов, тетродов,
пентодов.
Но, говоря словами того же Луи де Бройля, «как бы
ни были важны изменения, внесенные с течением
времени в первоначальный образец триода, все совре¬
менные типы ламп этого рода всегда основаны на
следующем существенном принципе, введенном Ли де
Форестом: регулировке изменения тока, который течет
в вакуумной лампе между катодом и анодом, с помощью
других вспомогательных электродов».
Все гениальное кажется очень простым. Лучшим то¬
му подтверждением может служить первая сетка, сде¬
лавшая революцию в технике.
И едва ли удастся найти сейчас электронный
прибор, который обходится без триодов. Правда,
вместо триода, с которым мы только что познакоми-
с ПОМОЩЬЮ
СЕТКИ
5 Е. Седов
65

О ПИЛЕ, ЛУЧЕ
И КЛЮЧЕ
лись, все чаще и чаще используют полупроводниковый
триод (транзистор).
Но, несмотря на различия в принципе их действия,
все триоды (и вакуумные и полупроводниковые)
решают одни и те же задачи: либо усиливают
и преобразовывают сигналы, либо используются для
включения и выключения тока, то есть служат простым
«ключом». Точнее, ключом в этом случае является
сетка, а весь триод подобен замку.
Не случайно первые трехэлектродные лампы получи¬
ли название пустотных реле. (В электротехнике словом
«реле» называют устройства, осуществляющие перек¬
лючение участков цепи. До появления трехэлектродных
ламп такую задачу можно было решить лишь с
помощью электромагнита. Притягивая сердечник, маг¬
нит включает один контакт и разрывает другой. Триод
дал возможность прерывать и включать ток без магни¬
та и без контактов, причем время переключений сок¬
ратилось в тысячи раз.)
Первый триод, созданный в нашей стране под ру¬
ководством М. А. Бонч-Бруевича, был призван решать
именно эту задачу. Так его и окрестили: ПР-1, то есть
пустотное реле типа 1.
Эта способность триода приобрела особую актуаль¬
ность, когда начали применяться счетные и логические
схемы электронных машин. В процессе обработки
информации компьютером участвуют одновременно
сотни тысяч таких «реле». Правда, вакуумные триоды
использовались только в ЭВМ первого поколения, и
вскоре их место заняли их собратья — транзисторы
из полупроводников.
Принципам действия счетных и логических схем мы
посвятим отдельную книгу. А пока вернемся к схеме,
рассмотренной'-нами в новелле «Почти по задачнику»,
в которой триод тоже работает как реле.
Рассмотрим схему формирования пилообразного
сигнала, управляющего бегущим по экрану лучом.
Конденсатор подключен к аноду триода. Пока триод
заперт, происходит заряд конденсатора; ток течет от
источника Е на землю через конденсатор С и большое
сопротивление Ri.
Напряжение на конденсаторе медленно нарастает,
создавая длинный пологий скос зуба пилы. Затем на
сетку приходит импульс и, создав положительный
потенциал на сетке, отпирает триод. Открытый триод -
все равно что широкий люк в резервуаре: через него
очень быстро стекает на землю весь накопленный
«резервуаром» заряд. Время разряда Т2 соответствует
короткому скосу зуба. В это время луч на экране
совершает обратный ход.
66

Вот, собственно, и рассмотрен весь принцип прибора,
позволяющего увидеть то, что невидимо.
Осталось коснуться одного важного обстоятельства.
Чтобы изображение импульса на экране было четким
и неподвижным, необходимо, чтобы луч при каждом но¬
вом пробеге шел одним и тем же маршрутом. Лучше
всего эту задачу решать по принципу «самообслу¬
живания»: сделать так, чтобы импульс, который должен
стать видимым, в нужный момент сам для себя запускал
пилу. Пила запускается с помощью дополнительного
триода-ключа. Импульс проходит сначала на сетку и,
отперев триод, заставляет луч бежать по экрану. На
экран тот же импульс придет несколько позже (для
этого есть специальные схемы задержки импульса).
Благодаря этой задержке импульс окажется в середине
экрана и будет виден весь целиком.
Со следующим импульсом повторится то же самое, и
он тоже окажется в середине экрана. С приходом
каждого импульса луч повторяет пробег по одному и
тому же маршруту, обновляя свой собственный след.
Принцип, с которым мы познакомились, пригоден не
только для наблюдения имульсов или других элект¬
ронных процессов. Он еще позволяет решать задачу
огромной важности: измерять время с точностью до
миллионных и миллиардных долей секунды. Вполне оче¬
видно, насколько важным является это для нужд самой
электроники: ведь электроны так расторопны, что почти
все поручения выполняют за миллионные доли секунды.
Для измерения времени, в течение которого длится
импульс, достаточно знать его ширину на экране и
скорость луча. Если весь экран луч пробегает за одну
миллионную долю секунды, то есть за одну микро¬
секунду, то длительность импульса на рисунке соста¬
вит 0,8 микросекунды. Для удобства отсчета можно зас¬
тавить луч слегка отклоняться с помощью импульсов-
меток и отсчитывать по этим меткам, скажем, десятые
доли микросекунд. Можно замерять время между двумя
различными импульсами. Именно так поступают в лока¬
ции: по расстоянию между импульсами определяют, как
далеко находится цель.
Допустим, импульс-1 попал на экран одновременно с
тем импульсом, который был излучен антенной локато¬
ра. За время Т этот импульс успел долететь до
цели и, отразившись, вернуться назад. Здесь он усилил¬
ся приемником и вновь отклонил электронный луч. На
экране возник новый импульс (импульс-2).
Импульс летит со скоростью света, то есть 300 000
километров в секунду. Расстояние 150 метров туда, до
цели, и 150 метров обратно он пройдет за одну мил¬
лионную долю секунды, то есть как раз за то время, в те-
ВРЕМЯ ПОД
МИКРОСКОПОМ
5!
67

чение которого луч пересек экран. Значит, между
временем Т на экране (при известной скорости пробега
луча) и расстоянием до отражающей цели существует
вполне определенная связь. Чтобы определить расстоя¬
ние с точностью до 10 метров, надо измерить время
с точностью до десятых долей микросекунды. Такую за¬
дачу можно решить только с помощью электронных
приборов, позволяющих растянуть на экране миллион¬
ные доли секунды, подобно тому как микроскопы
«растягивают» микроскопические объекты, увеличивая
их в несколько тысяч раз.
Представьте себе, что кто-то решил измерять милли¬
онные доли секунды, не прибегая к помощи электрони¬
ки. Можно ли сделать это с помощью секундомера?
Стрелка его совершает один оборот в секунду. Ест и
в одном миллиметре циферблата секундомера содер¬
жится миллионная доля секунды, то длина окруж¬
ности циферблата дожна составлять миллион милли¬
метров, или один километр, а диаметр - около 300 мет¬
ров: циферблат оказался выше здания МГУ!
А может быть, надо заставить стрелку совершать
один оборот в микросекунду? Тогда за секунду она
должна совершить миллион оборотов. Если вращать
такое устройство мотором, совершающим 100 оборотов
в секунду, то придется ставить редуктор. Попробуем
стрелку «микросекундомера» укрепить на колесике диа¬
метром в один сантиметр. Тогда на входе редуктора
придется поставить стометровое колесо. Сколько же на¬
до затратить энергии, чтобы вращать со скоростью
100 оборотов в секунду стометровое колесо?!
Результат получается парадоксальный: ничтожно
маленькая микросекунда требует фантастически гро¬
мадных часов. А удивляться здесь, собственно, нечему.
Механика слишком тяжеловесна для измерения милли¬
онных долей секунды. Тут нужны иной «механизм»
и иные «детали» — подвижные, легкие, в общем, такие,
как электрон.
ЭРА
ПОЛУПРОВОД¬
НИКОВ
1 июля 1948 года в газете «Нью-Йорк тайме»
появилась короткая информация, которая, как стало яс¬
но впоследствии, знаменовала начало новой техничес¬
кой эры. А в момент опубликования значение изложен¬
ных фактов для будущего всего человечества мог оце¬
нить лишь опытный специалист. Вот что было написано
в газетной заметке, опубликованной более 40 лет назад:
«Вчера фирма «Белл телефон лабораториз» впер¬
вые продемонстрировала изобретенный ею прибор под
названием «транзистор», который в отдельных случаях
можно использовать в области радиотехники вместо
электронных ламп... Он начинает работу мгновенно,
без задержки на разогрев, так как в отличие от радио-
68

лампы в нем нет накала. Рабочие элементы прибора
состоят всего из двух тонких проволочек, подходящих
к кусочку твердого полупроводникового материала,
величиной с булавочную головку, приплавленному к
металлическому основанию. Вещество, помещенное на
металлическом основании, усиливает ток, подводимый к
нему по одной проволочке, а другая проволочка
отводит усиленный ток».
Человеку, не соприкасавшемуся с техникой соз¬
дания и использования электронных приборов, содержа¬
щиеся в таком сообщении факты могли показаться
такими же мелкими, как и те тонкие проволочки и
тот материал величиной с булавочную головку, о ко¬
торых шла речь в цитируемой статье.
Специалисты восприняли эти факты совсем по-ино¬
му. Они сразу оценили все те преимущества, которыми
обладали созданные американскими физиками
Дж. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли первые об¬
разцы полупроводниковых приборов. Для этого доста¬
точно было сопоставить булавочную головку с размера¬
ми вакуумного триода.
Помимо малых размеров, полупроводники обладают
и целым рядом других преимуществ. Они потребля¬
ют гораздо меньше энергии и служат дольше, чем ваку¬
умные лампы, приблизительно в десять раз.
Полупроводниковый диод или триод не нуждается
в нити накала, без которой не обходится ни одна из
электронных ламп. Эта маленькая деталь влечет за
собой большие последствия: экономится расход энергии,
он сокращается чуть ли не вдвое из-за того, что в тран¬
зисторе не нужно раскалять нить.
При включении и выключении ламп нить то нагре¬
вается, то остывает. Подобные встряски выводят ее из
строя значительно раньше других деталей, которые
содержатся в лампе. «Где тонко, там и рвется»,—
говорится в пословице. В электронной лампе раньше
всего рвется ее тонкая нить. А каждый отказ электрон¬
ной лампы вещь весьма неприятная — весь прибор
выходит из строя, и не так-то просто бывает узнать,
какая из ламп в данном случае подвела. Уже одного
этого преимущества (отсутствия нити накала) доста¬
точно, чтобы во всех случаях, когда это возможно,
специалист предпочел вакуумным электронным прибо¬
рам приборы из полупроводников.
Одна лампа требует для разогрева нити накала
ничтожных долей ватта. Ну а если работают одновре¬
менно тысячи ламп?
А ведь как раз в эго самое время начали создавать¬
ся первые электронно-вычислительные машины, разме¬
ры и надежность которых определялись именно раз¬
мерами, энергетической емкостью и надежностью
используемых в них вакуумных ламп.
69

Оглядываясь назад, можно сказать, что полупро¬
водниковый прибор подоспел как раз в то самое время,
когда в нем особенно остро стала ощущаться нужда.
И именно по этой причине первое сообщение о действу¬
ющем полупроводниковом приборе породило лавину'
сообщений о результатах исследований свойств полу¬
проводниковых приборов, создаваемых параллельно во
многих лабораториях мира.
Сообщения эти носили не только оптимистичный
характер. Вскоре были выявлены и многие факторы,
ограничивающие возможности использования полу¬
проводниковых приборов вместо вакуумных ламп. Пер¬
вые образцы таких диодов и триодов (транзисторов)
были пригодны для усиления и преобразований мало¬
мощных сигналов. Их характеристики были очень
чувствительны к изменениям температуры и значи¬
тельно уступали по температурной стабильности пара¬
метрам вакуумных ламп. Но очевидные преимущества,
обусловленные их миниатюрными размерами, малым
потреблением энергии, мгновенной готовностью к дейст¬
вию вследствие отсутствия нити накала, отсутствием
хрупких стеклянных баллонов — все эти чрезвычайно
важные для развития электроники свойства стимулиро¬
вали активные поиски способов увеличения их темпера¬
турной стабильности, увеличения мощности, расшире¬
ния диапазона частот. Со временем поиски увенчались
успехом и породили огромное разнообразие транзис¬
торов и полупроводниковых диодов, предназначаемых
для различных технических нужд.
А вслед за отдельными транзисторами и диодами,
выполнявшими функции, аналогичные функциям ваку¬
умных электронных приборов, начали создавать пленоч¬
ные интегральные схемы, в которых транзисторы
и диоды превратились в микроскопические много¬
слойные структуры, напыляемые на поверхность крис¬
таллов, словно тончайшая паутина, сотканная имеющим
размеры микроба фантастическим пауком. К настоя¬
щему времени интегральная техника стала столь совер¬
шенной, что сотни тысяч транзисторов и диодов удается
расположить на поверхности, не превышающей разме¬
ров ногтя на пальцах человеческих рук.
При этом вся полупроводниковая техника, начиная
от первых транзисторов и включая совершеннейшие
интегральные схемы, использует открытые физикой
твердого тела уникальные свойства полупроводнико¬
вых материалов, в которых, помимо характерного для
металлов электронного тока, возникает еще и дырочный
ток.

ЭЛЕКТРОНЫ ВСТРЕЧАЮТСЯ С ДЫРКАМИ
1.47
Чем дырочный ток отличается от электронного
тока? Придется начать «танцевать от печки», вспомнив
еще раз о том, что восемь электронов на наружной
орбите атома составляют полный комплект. Если до
полного комплекта атому недостает одного-двух элект¬
ронов, он их охотно присвоит. А если на его наруж¬
ной орбите электронов «раз-два и обчелся», он «пред¬
почтет» их отпустить на свободу и превратиться в
положительный ион.
Так ведут себя атомы различных металлов. Иное
дело — полупроводники.
Например, на наружной орбите атома кристал¬
ла германия обитают четыре электрона, то есть как
раз половина комплекта. Как поступить в данном
случае атому: добрать до комплекта недостающие
четыре электрона или расстаться с имеющимися че¬
тырьмя?
1.48
В действительности атом германия не делает ни
того, ни другого. Все атомы кристаллического гер¬
мания образуют сложную пространственно-симмет¬
ричную структуру, в которой наружная орбита каждо¬
го атома как бы «переплелась» с орбитами четырех
атомов, расположенных рядом.
Электрон соседнего атома, оказавшись на общей
орбите, выполняет теперь роль «совместителя»,
принадлежащего как бы одновременно двум ато¬
мам. Четыре соседних атома дают четырех совмес¬
тителей. Четыре «своих» электрона совместно с че¬
тырьмя «совместителями» образуют полный комп¬
лект.
В свою очередь, атом-сосед таким же образом
взаимодействует с четырьмя своими соседями. Бла¬
годаря «совместительству» электронов каждый атом
ЭТО
ЛЕЖИТ
В ОС1
71

кристаллической решетки германия обладает полным
комплектом, а все их наружные электроны связаны
нерасторжимыми узами, как члены дружной семьи.
Но вот внутрь кристалла германия проник чужерод¬
ный атом примеси, имеющий на наружной оболочке
не четыре электрона, а пять. Чужеродный атом
расположился в узле решетки кристалла. При этом че¬
тыре его электрона становятся «совместителями» для
четырех соседних атомов германия, а пятый наружный
электрон атома-примеси оказался здесь не у дел. При¬
месь, атомы которой имеют вот такие «лишние»
электроны, называют донорной примесью. Для герма¬
ния или кремния донорной примесью могут служить
мышьяк и сурьма.
1.49
«Вливание крови», полученной от многочислен¬
ных атомов-доноров, дают кристаллам германия или
кремния свободные электроны. При подаче внеш¬
него напряжения «кровь» начнет циркулировать
по кристаллу — в нем будет течь электрический
ток.
1.50
В качестве примеси можно использовать индий,
у которого на внешней оболочке атомов имеются не
пять, а три электрона.
Всем трем электронам атома индия найдется мес¬
то в структуре кристалла, но одного электрона будет
недоставать.
Это «пустое место» специалисты назвали дыркой.
Примесь, создающую дырки в структуре кристалла,
называют акцепторной.
Ф
Ф
Ф
*
*
Ф
Ф
72

1.51
Там, где возникла дырка, заряд ядра атома не будет
уравновешен, и он окажется с лишней порцией поло¬
жительного заряда. К положительно заряженному
атому со всех сторон потянутся электроны. Бли¬
жайший из них займет вакантное место. В данном
атоме дырка исчезает. Зато возникает дырка в том
атоме, из которого только что перебежал элек¬
трон.
С новой дыркой произойдет то же самое, что и с
предыдущей: место ушедшего электрона вскоре зай¬
мет другой. Теперь дырка переместится в следую¬
щий, третий атом, а из соседнего, четвертого атома
вновь придет электрон. Электроны поочередно станут
занимать вакантное место, а само это место будет
двигаться им навстречу.
1.52
То же самое происходит в том случае, когда один
из правофланговых солдат покинет шеренгу, а осталь¬
ные по команде «сомкнись!» станут восстанавливать
сомкнутый строй. Солдаты поочередно делают шаг
вправо, а пустое место движется к левому флан¬
гу. Таким же образом перемещаются дырки в по¬
лупроводником кристалле при наличии разности
потенциалов на его концах. При отключении источ¬
ника напряжения, приложенного к кристаллу, пере¬
мещение дырок становится хаотичным. Его мож¬
но сравнить с расстроенными шеренгами во время
отступления под натиском превосходящего по си¬
лам врага.
1.53
Сама дырка не содержит заряда. Но в том месте,
где она образуется, заряд атома неуравновешен, так
как здесь отсутствует один электрон. Зуачит, там,
73

где есть дырка, присутствует порция положи¬
тельного заряда. Если дырки перемещаются, то
вместе с ними, как тени, перемещаются и поло¬
жительные заряды. Так возникает своеобразный ды¬
рочный ток.
Поле, возникающее в кристалле под действием при¬
ложенного к нему напряжения, регулирует это движе¬
ние: электроны устремляются к положительному элек¬
троду, заполняя дырки, встречающиеся по пути. Дыр¬
ки будут перемещаться навстречу, к отрицательному
электроду.
Говорят, что кристалл, снабженный с помощью
донорных примесей избыточными электронами, обла¬
дает п-проводимостью; п в данном случае означает,
что проводимость обусловлена отрицательными заря¬
дами: отрицательные—негативные, а по-английски —
negative.
При наличии дырок возникает р-проводимость;
р — положительная, позитивная (по-английски — posi¬
tive).
1.54
I
n
74

Транзисторы завоевали всеобщее признание спус¬
тя несколько лет после того, как был создан первый
полупроводниковый прибор. Их преимущества ста¬
ли для всех очевидны: благодаря транзисторам ра¬
диовещательные приемники перестали быть «домоседа¬
ми». Ламповые приемники лишены возможности пере¬
мещаться с места на место не только из-за своей тяже¬
ловесности и размеров, но и из-за значительного потреб¬
ления энергии, поступающей к ним из общей электросе¬
ти. Они привязаны шнуром к настенной розетке, словно
охраняющие дом сторожевые псы.
Эту цепь удалось разорвать, заменив электросеть ак¬
кумуляторной батарейкой из нескольких гальваничес¬
ких элементов, используемой для питания радиоприем¬
ника на основе полупроводников. Если подобный источ¬
ник питания попытаться применить для лампового при¬
емника, придется включать последовательно около 100
элементов по 1,5 вольта каждый, чтобы поднять напря¬
жение хотя бы до требуемых 127 вольт. При этом за¬
паса энергии всех 100 элементов едва хватило бы все¬
го лишь на один час работы приемника ввиду большого
расхода мощности, необходимой для питания радио¬
ламп.
То ли дело транзисторные приемники! Им достаточ¬
но батарейки всего из 6 элементов, обеспечивающей
12 вольт напряжения с запасом энергии на много не¬
дель, Снабженный такой батарейкой миниатюрный по¬
лупроводниковый приемник начал свободно переме¬
щаться по улицам, площадям и паркам, превратился в
постоянного пассажира пригородного транспорта, его
голос стал заглушать голоса певчих птиц лесов и полей.
Владельца такого приемника можно легко отличить не
только по издаваемым им похожим на чревовещание
звукам, но и по переброшенному с щеголеватой небреж¬
ностью через плечо тонкому ремешку, прикрепленному к
кожаному футлярчику, болтающемуся чуть выше бедра.
В обиходе такие приемники стали именоваться тран¬
зисторами, хотя, по сути дела, транзистор — это не сам
приемник, а те приборы, которые используются в нем
вместо радиоламп.
Популярность таких приемников с каждым годом
становилась все шире. Но мало кто из их владельцев за¬
думывался над тем, почему создание подобных приемни¬
ков стало возможным только благодаря полупроводни¬
кам. Почему именно «полу»?
С тех пор как техника занялась электричеством, она
применяла материалы двух категорий: изоляторы и про¬
водники. Проводники очень нужны для передачи тока:
с этой целью из металлов, обладающих малым сопротив¬
лением току (медь, алюминий, серебро), изготовляют
электрические провода. А чтобы провода не замыкались
и ток шел в одном направлении, каждый провод окру¬
НИ РЫБА
НИ МЯСО
75

жен материалом, не пропускающим ток. Вот почему изо¬
ляторы тоже находят себе применение с тех пор, как лю¬
ди используют электрический ток.
Провода делают из металлов. Помимо них, провод¬
никами являются газы и растворы солей (1.24, 1.25).
Изоляторы — это фарфор, керамика, стекло, ре¬
зина.
Были известны и такие материалы, которые по своим
свойствам не подходили ни к той, ни к другой категории.
Их назвали полупроводниками, хотя с таким же успехом
могли назвать и полуизоляторами. Эти вещества прово¬
дят ток несколько лучше, чем изоляторы, и в то же время
значительно хуже проводников; короче, это и плохие
изоляторы, и плохие проводники. Такими свойствами
обладают чистые элементы: кремний, селен, германий,
теллур. А есть и химические соединения, обладающие
теми же свойствами, например окислы некоторых ме¬
таллов, соединения с серой (сульфиды) или с селеном
(селениды). Некоторые сплавы металлов тоже ведут се¬
бя как полупроводники.
Так же, как в изоляторах, в полупроводниках все
электроны прочно связаны с атомами (см. 1.48). При
нагревании полупроводниковых кристаллов некоторым
электронам все же удается выйти из-под влияния ато¬
мов. Поскольку таких электронов немного, ток, возника¬
ющий в нагретом полупроводниковом кристалле, будет
весьма невелик.
Все рассказанное было давно известно. Свойства
германия предсказал еще Д. Менделеев, который, кста¬
ти, его и открыл, назвав его экасилицием. А силицием
тогда называли кремний. Этим названием Менделеев
хотел подчеркнуть их родство.
Немецкий ученый К. Винклер подробно исследовал
свойства германия и в честь своей родины дал ему имя,
которое и сохранилось до наших дней.
Разумеется, химикам необходимо было исследовать
и германий и кремний. Но ни электротехника, ни элект¬
роника долгое время не проявляли к ним интереса. И это
естественно: какой им прок от материала, который не
может служить ни надежным изолятором тока, ни хоро¬
шим проводником? Так, нечто среднее, «полу-полу»,
или, как говорится, ни рыба ни мясо, ни богу свечка, ни
черту кочерга.
СЕКРЕТ
МАГИЧЕСКОЙ
ТОЧКИ
Кремнием и германием электроника заинтересова¬
лась значительно позже. А вначале нашли себе приме¬
нение некоторые окислы, в частности два кристалла —
цинкит и халькопирит. Было обнаружено, что эти крис¬
таллы обладают чудесным качеством: они могут слу¬
жить вентилем, выпрямлять электрический ток (см.
1. 28). А раз так, значит, их можно использовать для
76

детектирования: отделять от несущих сигналов ток зву¬
ковой частоты.
Так и сделали. Как ни странно, но в самых первых
радиолюбительских приемниках, созданных еще в 20-е
годы, для детектирования использовались вовсе не дио¬
ды, о которых мы говорили все время, а как раз настоя¬
щие полупроводники. Но сколько же было с ними моро¬
ки!
Надо было тонкой иголкой, с острием в десятые доли
микрона, на ощупь искать на кристалле чудесную точку.
Чуть сдвинешь иголку в сторону — и пропадет звук. И
приходилось тратить немало времени, чтобы вновь на¬
щупать нужную точку кристалла. Где должна быть та¬
кая точка и в чем секрет ее магической силы, никто в то
время сказать не мог. И не дай бог при поисках этой ма¬
гической точки «сковырнуть» ее острием иголки — вто¬
рой такой у кристалла могло и вовсе не быть. Иголку
стали сажать на пружину, чтобы она как можно «неж¬
нее» касалась кристалла своим острием.
Освоить всю эту премудрость удавалось немногим.
На вес золота ценились в то время военными штабами
армейские «слухачи», овладевшие тонким искусством
поисков заколдованной точки. Все вздохнули с большим
облегчением, когда электроника взамен этих кристаллов
предложила лампу-диод.
А затем появились триоды, позволившие усиливать
прошедшие дальние расстояния, сильно ослабленные
сигналы. Лампы стали применяться повсюду, а о крис¬
таллах никто больше не вспоминал.
Так и осталось неясным, почему только отдельные
точки кристалла могли выделять звуковые сигналы и
почему вообще эти кристаллы детектировали сигнал.
Диалектика утверждает, что развитие идет по спира¬
ли, двигаясь витками снизу вверх. Наступает момент,
когда идеи прежних времен начинают звучать по-ново¬
му в силу того, что к этому времени наука успевала про¬
делать очередной «виток». Именно так и случилось с
кристаллами.
Был еще один эпизод, когда кристаллы приобрели
популярность. В 1924 году сотрудник Нижегородской
лаборатории Бонч-Бруевича Олег Владимирович Лосев
впервые в истории электроники получил усиление без
применения ламп. Основой прибора, который О. Лосев
назвал кристадином, был полупроводниковый кристалл.
Это событие наделало много шума. Американский жур¬
нал «Радио ньюс» сообщил о нем в статье под названием
«Сенсационное изобретение». Другие журналы называ¬
ли кристадин «изобретением, делающим эпоху», и пред¬
рекали, что кристаллы со временем займут место ваку¬
умных ламп.
«ОСТРОВ
СВОБОДЫ»
77

Но в те годы этого не случилось. Лампа удовлетво¬
ряла любые запросы, период расцвета вакуумной техни¬
ки еще только начинался, и с каждым годом техника об¬
наруживала все новые и новые достоинства и неожидан¬
ные возможности вакуумных ламп.
Что касается полупроводниковых кристаллов, то на¬
ука в то время только приступила к изучению их струк¬
туры и свойств, а технологи еще не могли получать для
нужд электроники чистые, лишенные примесей крис¬
таллы. В общем, развитие техники полупроводнико¬
вых кристаллов, начавшееся с первых приемников, к
этому времени еще не завершило свой первый «ви¬
ток».
Понадобились еще многие годы, чтобы физика твер¬
дого тела смогла подробно исследовать невидимые про¬
цессы, протекающие на уровне микроструктуры крис¬
таллов, и на этой основе объяснить обнаруженные в экс¬
периментах загадочные и уникальные свойства полупро¬
водников.
Выяснилось, что основные различия свойств изоли¬
рующих, проводящих и полупроводниковых материалов
обусловлены различными соотношениями и состояния¬
ми трех энергетических зон: валентной зоны, зоны про¬
водимости и разделяющей их запрещенной зоны.
В валентной зоне всех трех перечисленных видов ма¬
териалов все электроны связаны с атомами кристалли¬
ческой решетки.
Ширина запрещенной зоны определяет различия
присущих материалам свойств. Проводники характери¬
зуются относительно небольшой шириной запрещенной
зоны.
Под действием создаваемого разностью потенциалов
электрического поля электроны валентной зоны могут
срываться с наружных орбит атомов и, преодолев запре¬
щенную зону, достигать зоны проводимости. Возникаю¬
щее под действием разности потенциалов направленное
движение оказавшихся в зоне проводимости электронов
и есть электрический ток.
При нагреве проводников усиливаются хаотические
колебания атомов, расположенных в узлах кристалли¬
ческой решетки металлов. При этом атомы, как разыг¬
равшиеся порывистые кони, «стряхивают с себя» элект¬
роны, находящиеся на их наружных орбитах. Электроны
устремляются в свободную зону, поэтому с увеличением
температуры проводимость металлов растет.
В проводниках почти каждый из атомов посылает
в зону проводимости один или два своих электрона. В
полупроводниках зона проводимости насыщена элект¬
ронами намного бедней. Что же касается изоляторов, то
в них запретная зона представляет собой непреодоли¬
мый для электронов рубеж.
Если прибегнуть к образному сравнению, можно ска¬
78

зать, что зона проводимости — это своего рода «остров
свободы», к которому устремляются многие электроны,
но возможности достичь этого «острова» у них отнюдь
не равны.
Электроны проводника отправляются на «остров
свободы» в комфортабельном лайнере. В полупроводни¬
ке к этому «острову» можно доплыть на плотах или в
шлюпках. А электронам, которым судьбой предначерта¬
но коротать свой долгий век в изоляторе, дозволено
лишь любоваться недосягаемым для них «островом»
издалека.
Таковы сравнительные свойства различных матери¬
алов в их, так сказать, естественном виде. Познав эти
свойства, наука и техника начали «модернизировать»
естественные свойства полупроводников.
Если в структуру полупроводниковых кристаллов
включить атомы-доноры, «остров свободы» станет много
доступнее для их электронов. Атомы-доноры сыграют
роль переброшенного через запретную зону моста.
Благодаря донорным примесям полупроводниковый
кристалл приобретает новые свойства, как бы сме¬
щающие его из промежуточного положения между про¬
водниками и изоляторами в сторону проводников. А кро¬
ме того, с помощью акцепторных примесей можно наде¬
лить полупроводниковый кристалл уникальными свойст¬
вами, не присущими ни проводникам, ни изоляторам,—
способностью проводить не только электронный, но и не¬
ведомый доселе дырочный ток.
Научившись искусственно наделять кристаллы
свойствами электронной и дырочной проводимости, тех¬
ника смогла приступить к созданию многочисленного
семейства полупроводниковых электронных приборов.

НУЖНЫ р — п-ПЕРЕХОДЫ
'ТО
:жит
г* о\
1.55
Чтобы создать полупроводниковый диод, надо
спарить два кристалла. Один из них должен обла¬
дать n-проводимостью, второй р-проводимостью
(см. 1.54).
Такое устройство сможет служить вентилем не
хуже лампового диода (см. 1.26—1.28). Если под¬
ключить плюс источника напряжения к кристал¬
лу с р-проводимостью, а минус — к его напарнику,
то через границу раздела кристаллов будет течь
ток.
1.56
Если поменять плюс и минус местами, вентиль
запрется, диод разомкнет цепь. Почему?
80

1.57
На границе раздела кристаллов, обладающих п-
и р-проводимостью, возникает особая зона — так на¬
зываемый р — п-переход. Толщина р — п-перехода
составляет всего десятые доли микрона, и тем не ме¬
нее в полупроводниковой технике именно этому тонко¬
му слою выпала самая важная роль.
Р
п
1.58
Каждый из атомов-доноров, отдав один из пяти
своих электронов, перестает быть нейтральным и ста¬
новится положительным ионом (см. 1.48).
Акцепторы — наоборот. Они склонны добавить к
своим трем электронам четвертый и превратиться в
отрицательный ион (см. 1.50).
Вот эти ионы и толпятся в зоне р — п-перехода.
Отрицательные на своей стороне «оттесняют»
свободные электроны, а положительные мешают
движению дырок. Таким образом, зона р — п-пе¬
рехода представляет собой для электронов и дырок
своеобразный барьер.

1.59
При прямом включении кристаллического диода
плюс источника подключен со стороны р-проводи-
мости, минус — со стороны n-проводимости. Плюс ис¬
точника «толкает» положительные заряды к зоне
р — n-перехода и помогает им преодолеть этот
барьер. Точно так же минус источника помогает
двигаться электронам.
Два потока зарядов идут навстречу друг другу —
через диод течет образованный встречными пото¬
ками электронов и дырок суммарный электрический
ток (см. 1.55).
При обратном включении полюса источника напря¬
жения «тянут» электроны и дырки в разные стороны,
барьер становится непреодолимым, ток через диод не
течет (см. 1.56 и 1.58).
Для наглядности мы рассматривали действие плю¬
са и минуса так, словно они действуют на заряды
независимо друг от друга.
В действительности они создают единое элек¬
трическое поле в кристалле, действуя сооб¬
ща.
Мы несколько упростили картину, считая, что
свободные электроны существуют только в зоне с
n-проводимостью, а дырки — только в зоне с прово¬
димостью р. На самом деле некоторое количество
свободных электронов присутствует в зоне с р-прово-
димостью, а в зоне с n-проводимостью возникает
и перемещается некоторое количество дырок. Из-за
присутствия этих носителей заряда (их называют ми-
41
1.60
I
и
82

норитарными носителями) при небольших значениях
обратного напряжения в полупроводниковом диоде
течет небольшой ток. Это находит отражение в
вольт-амперной характеристике диода: кривая зависи¬
мости тока от напряжения не проходит через нулевую
точку, а имеет отрицательный «хвост».
1.61
Образующийся на границе раздела кристаллов с
р- и п-проводимостью р — n-переход можно сравнить
с нейтральной полосой на границе двух государств.
Роль пограничников выполняют находящиеся в области
р — n-перехода ионы.
Вдали от р — п-перехода образующиеся из ато-
тов-доноров положительные ионы не несут «дозор¬
ную службу», мирно сосуществуя со свободными элек¬
тронами, которые мигрируют внутри предоставленной
им территории (зоны с п-проводимостью), время от
времени обмениваясь местами с электронами кристал¬
лической решетки, которые, покинув атомы, начинают
вести бродячий образ жизни, заменив в общем потоке
осевшие в атомах электроны.
п
if
Совсем иная «жизнь» у пограничной зоны. Бли¬
зость «противника» (положительно заряженных дырок)
заставляет положительные ионы бдительно охранять
нейтральную полосу от посягательств со стороны ды¬
рок. С противоположной стороны ту же полосу отри¬
цательные ионы оберегают от посягательств элек¬
тронов. В результате в «нейтральной полосе»
(то есть в области р — п-перехода) до создания раз¬
ности потенциалов отсутствуют носители электриче¬
ских зарядов обоих знаков (как выражаются специ¬
алисты, зона р — п-перехода «обеднена»).
Чтобы наполнить «нейтральную полосу» носителя¬
ми зарядов, приходится преодолевать упорное
сопротивление «пограничников». Для этого надо соз¬
дать разность потенциалов, соответствующую нап¬
6'
83

равлению движения носителей заряда (прямое вклю¬
чение): «минус» в зоне п и «плюс» в зоне р. При
обратном включении напряжения электрическое поле
перестает быть «злейшим врагом» «пограничников» и
превращается в их союзника: оно отталкивает элект¬
роны и дырки в глубину их собственной терри¬
тории, вследствие чего ширина «нейтральной полосы»
(а точнее, толщина р — п-перехода) растет.
Хотя толщина р — п-перехода составляет всего
лишь доли микрона, именно эта область, как мы убе¬
димся при рассмотрении работы транзистора, играет
принципиальную роль.
1.62
Зная свойства р — п-перехода, можно уяснить
принципы, на которых основан полупроводниковый
триод (он же транзистор).
Транзистор имеет два р — п-перехода. Участки с
п- и р-проводимостью могут чередоваться по-разному,
поэтому различают два типа триодов: р — п—р и
п — р — п.
1.63
Применяются три разных способа включения тран¬
зистора: схемы с общим эмиттером, с общим коллек¬
тором и с общей базой.
Чаще всего применяется схема с общим эмиттером.
Именно такое включение позволяет провести ана-
84

логию между вакуумным и полупроводниковым трио¬
дом, поэтому мы рассмотрим принцип действия схемы
с общим эмиттером.
Роль эмиттера (Э) аналогична той роли, которую
в вакуумных лампах играет катод.
Эмиттер служит источником всех зарядов, движе¬
нием которых рождается ток. Коллектор (К) аналоги¬
чен аноду. Роль сетки играет база (Б).
При усилении сигнал подается на участок Э — Б
(между эмиттером и базой). Подключив нагрузку
(сопротивление) к участку Б — К (база — коллектор),
можно снять с этой нагрузки усиленный триодом
сигнал.
За счет чего происходит здесь усиление?
1.64
Текущие в транзисторе процессы можно сравнить
со спортивными состязаниями по бегу с препятстви¬
ями.
Рассмотрим процессы, происходящие в транзисто¬
ре, имеющем структуру типа п — р — п. Под действи¬
ем разности потенциалов, создаваемой в области
первого на их пути п — р-перехода, электроны «бе¬
рут старт» в области с n-проводимостью и устрем¬
ляются к границе между областями пир. Как мы уже
знаем, на этой границе существует нейтральная поло¬
са, представляющая собой потенциальный барьер. Пре¬
одолеть этот барьер электронам несложно: к первому
п — р-переходу напряжение приложено таким обра¬
зом, что этот переход является для электронов «отк¬
рытой границей», поскольку сзади их «подталкивает
минус», а впереди «притягивает плюс».
Продолжая свой «бег с препятствиями», электроны
устремляются ко второму на их пути барьеру, созда¬
ваемому вторым переходом р — п. В отличие от
первого п — р-перехода этот является «закрытой гра¬
ницей»: созданная здесь разность потенциалов (кото¬
рая, кстати сказать, выбирается намного больше, чем у
первого п — р-перехода) «отталкивает от границы»
85

дырки из области р и электроны из финишной об¬
ласти п.
Однако это касается только «коренных жителей»
двух названных областей и не распространяется на
электроны, преодолевшие в ходе «спортивного сос¬
тязания» первый барьер.
Дело в том, что электрическое поле, создаваемое
в области второго р — п-перехода, препятствует дви¬
жению электронов к «границе», то есть по направле¬
нию от «финиша» к «старту». А электроны-«спорт-
смены» бегут встречным курсом, поэтому то же самое
поле, которое запрещает «коренным жителям» пере¬
ходить «границу», оказывает обратное действие на те
электроны, которые «участвуют в соревновании в ка¬
честве представителей зарубежной страны». Этим
электронам электрическое поле помогает пройти соз¬
даваемый атомами-«пограничниками» «кордон» и про¬
должать путь к «финишу» по третьей на их пути
зоне с проводимостью п.
1.65
Заметим, что не все «бегуны» достигают финиша:
небольшая их часть (всего 0,5—2 процента) «сходит с
дистанции», воссоединяясь с дырками, встреченны¬
ми в зоне с проводимостью р. Продолжая сравнение
судьбы этих электронов и некоторых спортсменов,
можно сказать, что, вступив в брак и погрязнув
в семейных заботах, они оставили спорт. Специа¬
листы по электронике обходятся без этих сомнитель¬
ных аналогий, пользуясь термином «рекомбинация»,
обозначающим, что электрон вошел в состав атома,
обладавшего дыркой.
Часть электронов, потерянных по пути «от старта
до финиша», столь незначительна, что текущий от
эмиттера до коллектора ток можно считать практи¬
чески неизменным. Что же касается сопротивления,
которое приходится преодолеть этому току, то в обла¬
сти первого п — р-перехода оно очень мало — Ri, а в
области второго р — п-перехода — весьма велико —
■'ll
L'ulx** Б
к
Э Б
К
■b-J,
-V, 4-*
-
" Vм JU-1
п р
n
P n
P
86

R2. Обусловлено это тем, что разность потенциалов
между эмиттером и базой «открывает границу», а
разность потенциалов между коллектором и базой
помогает «границу закрыть». Обладающий малым
напряжением переменный (например, синусоидаль¬
ный) сигнал подводится к участку между эмиттером
и базой (участок Э — Б) и создает в транзисторе
ток. При неизменном (или, точнее, почти неизменном)
токе напряжение сигнала, снимаемого с участка
между коллектором и базой (с участка Б — К), будет
во столько раз больше напряжения входного сигнала,
во сколько раз сопротивление участка Б — К (R2) боль¬
ше сопротивления участка Э — Б (Ri). А поскольку
мощность сигнала определяется произведением силы
тока на напряжение, нетрудно сообразить, что мощ-
R2
ность усилилась почти в ^=- раз.
Если читатель самостоятельно продумает все усло¬
вия «соревнования дырок», которое можно осущест¬
вить в транзисторе типа р — п — р (по аналогии
с рассмотренным нами в разделе 1 -64), он сможет сам
убедиться в том, что в транзисторе со структурой
р — п — р можно осуществить те же самые принци¬
пы усиления сигналов, что и в транзисторе со структу¬
рой п — р — п, изменив знаки разности потенциалов,
создаваемой на участках Э — Б и Б — К.
1.66
Сравним выполненный по схеме с общей базой
транзисторный усилитель с усилителем, выполненным
на ламповом триоде.
Само начертание схем подсказывает аналогию меж¬
ду функциями элементов транзистора и триода:
эмиттер — катод;
база — сетка;
коллектор — анод.
Воспользовавшись приведенной схемой, внесем од¬
но уточнение в рассуждения о принципах работы тран¬
зистора, приведенных в 1.64, 1.65.
Мы говорили, что усилить сигнал можно в том слу-
К
э
а*а«игт^а
Б-Saja
/С- коллектор

ЧТО ИСКАЛИ
«СЛУХАЧИ»?
чае, если разность потенциалов в промежутке Э — Б
отпирает п — р-переход, а разностью потенциалов в
промежутке Б — К осуществляется запирание р — п-
перехода. В реальных схемах источник питания кол¬
лектора подключается не к промежутку Б — К, а к
промежутку Э — К. Однако, поскольку переход
Э — Б не заперт, сопротивление его очень мало, поэ¬
тому потенциал базы почти не отличается от потенциа¬
ла эмиттера. Следовательно, все утверждения, выска¬
занные в 1.64 и 1.65, распространятся на схему, рас¬
смотренную в данном разделе.
Осталось только отметить, что знаки плюс и минус
напряжения Ек указаны для транзистора типа п — р — п.
Возвращаясь к 1.65, нетрудно сообразить, что для
транзистора р — п— р придется поменять местами по¬
люса источника.
В то время, когда «слухачи» овладевали искусст¬
вом поиска магической точки, считалось, что выпрям¬
ление тока происходит на границе кристалла с ме¬
таллом, то есть в том месте, где острие иглы упиралось
в кристалл. Но оказалось, что выпрямление и детектиро¬
вание происходит совсем иначе. Поверхность кристалла
за счет действия кислорода и влаги воздуха покрывает¬
ся пленкой окисла. В некоторых кристаллах по счастли¬
вой случайности эта пленка тоже имеет полупроводни¬
ковые свойства. При этом для выпрямления ее проводи¬
мость должна отличаться от проводимости самого крис¬
талла: если в кристаллах преобладают свободные элект¬
роны (п-проводимость), то пленка окисла должна обла¬
дать р-проводимостью. В этом случае кристалл с плен¬
кой окисла образует полупроводниковый вентиль, изо¬
браженный на рисунках 1.55, 1.56.
Пленка окисла возникла в силу случайных воздейст¬
вий, никто не знал о ее значении, никто не следил за
тем, насколько ровным и прочным слоем покрыт крис¬
талл. Естественно, что при таких условиях можно было
лишь чисто случайно нащупать такую точку, где пленка
тонка и прочна и образует вместе с самим кристаллом
р — n-переход. Стоило лишь поцарапать иглой эту тон¬
кую пленку, и переход исчезал - - кристалл переставал
выпрямлять. Отсюда и появление пружинки, и долгие
поиски заколдованной точки нежным прикосновением
тонкого острия.
Все это стало понятным значительно позже, когда
примитивные детекторные приемники уже давно уступи¬
ли место ламповым супергетеродинам, а «слухачи» ста¬
ли радистами первого класса и обеспечивали надежную
связь с любым уголком Земли. Но к этому времени воз¬
никла необходимость решения новой задачи: создание
88

кристаллического детектора для сантиметрового диапа¬
зона волн.
К этому времени физики твердого тела уже хорошо
изучили природу кристаллов и электрические явления,
происходящие в полупроводниках.
А техника научилась получать чистые кристаллы
кремния и германия, а затем добавлять в них нужные
примеси, создающие n-проводимость или р-проводи-
мость.
Чтобы представить себе, чего стоила эта победа, дос¬
таточно привести следующие цифры: в кристаллах,
употребляемых для создания полупроводниковых при¬
боров, допускается лишь один атом ненужных примесей
на миллиард атомов германия или один атом примесей
на 1000 миллиардов атомов кремния! Из таких вот
сверхчистых кристаллов, обладающих п- и р-проводи-
мостью, и создаются приборы, выполняющие функции
электронных ламп,— полупроводниковый диод (см.
1.55) и полупроводниковый триод (см. 1.62, 1.63).
Первый полупроводниковый триод, о котором сооб¬
щалось в газете «Нью-Йорк тайме» 1 июля 1948 года,
по своей конструкции несколько напоминал те детекто¬
ры, которыми еще в 20-е годы пользовались «радиослу¬
хачи». В обоих случаях применялись точечные контак¬
ты. В приборе, созданном физиками Дж. Бардином и
У. Браттэйном, два тонких стержня, обладающих р-про-
водимостью, впаивались в кристалл, обладающий про¬
водимостью п.
В 1951 году физиком У. Шокли был создан первый
образец плоскостного триода, в котором контакт между
зонами с п- и р-проводимостью осуществлялся по всей
торцевой поверхности используемых кристаллов (см.
1.57).
Надо отметить, что исторический предок был не толь¬
ко у точечных полупроводниковых приборов. Пытаясь
избавиться от необходимости мучительных поисков ма¬
гической точки, «радиослухачи» решили перейти от то¬
чечных к плоскостным контактам, создав для этого плос¬
костной диод, в котором использовались два кристал¬
ла — цинкит и халькопирит. Но в силу плохой поверх¬
ности окислов, обеспечивавших р- и п-проводимость,
выпрямление осуществлялось не по всей плоскости, а
только в отдельных точках, поэтому плоскостной детек¬
тор обладал в то время такой же малой надежностью,
как и его точечный «брат».
Лишь изучив все свойства полупроводниковых крис¬
таллов и овладев технологией изготовления сверхчис¬
тых полупроводниковых материалов, удалось создать
надежно работающие плоскостные диоды и триоды на
основе полупроводников.
Главное преимущество плоскостных контактов по
сравнению с точечными заключается в том, что они спо¬
89

собны пропустить через себя более сильный ток. Но в
технике ничто не достигается даром. «Что-то теряешь,
что-то находишь»,— применительно к электронике мож¬
но на каждом шагу вспоминать эту заимствованную из
популярной песенки и перередактированную строку.
По сравнению с точечными контактами плоскостные
контакты имеют значительно большую паразитную ем¬
кость. Она вредит тем больше, чем выше частота сигна¬
лов, на которых работает полупроводниковый диод или
триод.
По этой причине пришлось со временем «разделить
сферы влияния» точечных и плоскостных полупроводни¬
ковых приборов: плоскостные диоды и триоды нашли
применение для обработки и усиления низкочастотных
сигналов, а точечные, получившие также название крис¬
таллических детекторов, стали использоваться для де¬
тектирования (процесса, который в следующей главе
будет нами рассмотрен детально) слабых сигналов вы¬
соких и сверхвысоких частот.
Мир высоко оценил значение предложенных
Дж. Бардином, У. Браттэйном и У. Шокли первых полу¬
проводниковых приборов. Присуждение им Нобелевс¬
ких премий ознаменовало этот важнейший не только для
электроники, но и для всего научно-технического прог¬
ресса этап.
ШИРОКОЕ АМПЛУА
Развитие полупроводниковой техники показало, что
создаваемые ею приборы способны не только заменить
вакуумные лампы в большинстве схем, используемых
в устройствах связи и в средствах вычислительной тех¬
ники, но и выполнять целый ряд функций, недоступных
для ламп. Например, на основе полупроводников были
созданы светочувствительные диоды (их называют фо¬
тодиодами), преобразующие световую энергию в элект¬
рический ток. Фотодиоды находят широкое применение
в различных народнохозяйственных сферах. В сочета¬
нии с электронными счетчиками они могут вести учет
количества любых пересекающих световой луч объек¬
тов, начиная от производимых на заводах и фабриках
изделий и кончая количеством посетителей выставок
или пассажиров метро.
Снабженный фотодиодом «электронный глаз» может
освобождать ленту конвейера от брака: если в детали
нет нужных отверстий, «глаз» подает сигнал автомату, и
тот снимает с ленты деталь.
Не знающее усталости «недремлющее электронное
око» гарантирует безопасность труда на различных про¬
изводственных установках: стоит лишь по рассеянности
протянуть руку в опасную зону, луч прерывается, и сиг¬
нал с фотодиода мгновенно останавливает станок.
Полупроводники дали возможность превращать в
90

4

электричество различные формы лучистой энергии —
радиоактивныеГтепловые, световые и, в частности, сол¬
нечные лучи.
Солнечные батареи очень удобны для спутников: в
космосе никогда не бывает пасмурно — облака остают¬
ся внизу. Создаются промышленные электростанции,
вырабатывающие электрическую энергию в результате
прямого воздействия солнечных лучей.
Если расположить полупроводниковый диод рядом с
радиоактивным материалом, получается атомная бата¬
рея, которая способна давать электрическую энергию в
течение многих лет.
Благодаря полупроводникам техника обрела воз¬
можность получать электроэнергию непосредственно из
тепла. До появления полупроводниковых преобразова¬
телей были известны металлические термопары. При
нагревании металлических стержней электроны, срыва¬
ясь с атомных оболочек, обретают свободу (см. 1. 20).
С увеличением температуры электроны движутся все
энергичнее, им становится тесно, и они устремляются
к холодным концам. В термопаре стержни сделаны из
различных металлов, поэтому заряды концов будут оди¬
наковы по знаку (минус), но различны по величине (на
одном конце минус большой, а на другом минус малень¬
кий). Между концами возникнет разность потенциалов
Ei— Ез. Если теперь соединить эти стержни проводом,
образуется замкнутая цепь, по которой будет течь элект¬
рический ток.
Если вместо металлов взять полупроводниковые
стержни с р- и п-проводимостью, то на одном конце
скопляются электроны, а на другом — дырки. Разность
потенциалов будет значительно больше, чем в случае
металлической термопары, так как на одном конце ее об¬
разуется минус, а на другом — плюс. Благодаря этому
коэффициент полезного действия (КПД) полупроводни¬
ковой термопары выше, чем металлической, примерно
раз в пятьдесят.
С помощью термопар, преобразующих тепловую
энергию в электричество, можно осуществлять обратное
преобразование: превращать электрическую энергию в
тепло.
Известно много обратимых явлений, которые исполь¬
зуются при создании тех или иных технических средств.
Например, в одних случаях электрический ток возбуж¬
дает магнитное поле, а в других в результате воздейст¬
вия магнитного поля индуцируется электродвижущая
сила (ЭДС) и течет электрический ток. В электродвига¬
телях взаимодействие тока и магнитного поля порожда¬
ет механическую энергию. А мотор-генератор — это не
что иное, как «обращенный электродвигатель», превра¬
щающий механическую энергию в электрический ток.
Обратимость присуща и термопарам.
92

Разность температур на концах полупроводниковых
или металлических стержней приводит к возникновению
разности электрических потенциалов. Если же посту¬
пить наоборот и создать на концах термопары разность
потенциалов, то в местах спаев полупроводниковых или
металлических стержней возникнет разность темпера¬
тур.
Подобные опыты производились еще академиком
Э. Ленцем: на глазах изумленной публики (он читал
тогда лекции в Петербурге) с помощью металлической
термопары Ленц превращал в ледяной комочек каплю
воды.
Однако с помощью металлических термопар можно
создать перепад температур всего лишь в несколько гра¬
дусов. Зато полупроводниковая термопара может дать
перепады градусов шестьдесят. А это уже ощутимая ве¬
личина.
Способность плоскостных р — n-переходов пропус¬
кать через себя очень сильные токи позволила исполь¬
зовать полупроводниковые плоскостные триоды в вып¬
рямительных и других силовых установках, в которых
токи этих диодов измеряются тысячами ампер.

СХЕМЫ ИЗ ПЛЕНОК
ГО
НЕЖИТ
■СНОБЕ
1.67
Чтобы изготовить полупроводниковый триод (тран¬
зистор), необходимо в одном миниатюрном приборе
разместить три тонких слоя с р- и п-проводимостью,
предусмотрев в необходимых местах пленочные ме¬
таллизированные контакты для соединения с внеш¬
ними элементами схемы и диэлектрические пленки,
изолирующие каждый контакт.
Технология нанесения полупроводниковых метал¬
лизированных и диэлектрических пленок, освоенная
при изготовлении отдельных полупроводниковых при¬
боров, послужила основой создания пленочных инте¬
гральных схем.
94

1.68
Во многих случаях пассивные элементы схемы (кон¬
денсаторы, сопротивления) изготавливаются в виде
наносимых на общее основание (подложку) пленок,
а активные элементы (диоды, транзисторы) берутся
в готовом виде.
Затем диоды и триоды устанавливаются на ту же
подложку, их контакты соединяются с выводами пле¬
ночных элементов, и в результате образуется некая
помесь (гибрид) интегральной пленочной схемы с ди¬
одами и триодами, помещенными в отдельные кор¬
пуса.
Подобные комбинации получили название гибрид¬
ных интегральных схем (сокращенно — ГИС).
После изготовления пленочных элементов и уста¬
новки диодов и триодов вся схема помещается в об¬
щий герметический корпус, предохраняющий ее от
разрушительных внешних воздействий.
1.69
Изготовление пассивных элементов осуществляется
путем нанесения пленок через специальные маски.
В левой части рисунка показаны маски, через кото¬
рые поочередно наносятся сначала пленка сопротив¬
ления R, затем металлизированные пленки для под¬
ключения этого сопротивления к внешним контактам
схемы и соединения одного вывода сопротивления с
нижней обкладкой конденсатора С (см. рис. опера¬
ции «а» и «б»). После этого через маску «в» наносится
металлизированная пленка, служащая нижней об-
и
нанесение пленочного сопротивлении R
с
■5
нАнесенне сос&инительных РМбодиихоб
нлиесеиие mwreii пластины кещеислтотА
иАИесеыге диэлектрического cnw
нлнесенме ветхие* пластины хонасмсагора
НАнесенис защитного слоя-

кладкой конденсатора С; через маску «г» наносится
диэлектрический слой конденсатора; верхняя обкладка
конденсатора наносится через маску «д». Затем схема
покрывается защитным слоем. После этого к внеш¬
ним контактам ГИС может быть подключен, скажем,
готовый полупроводниковый диод, который совместно
с пассивными пленочными элементами образует ячей¬
ку, включающую в себя диод Д, сопротивление R
и конденсатор С.
1.70
Разработаны различные способы осаждения пленок
через соответствующие прорези в масках, подобных
изображенным на этом рисунке.
Так, например, металлизированные пленки можно
наносить на подложку либо химическим способом,
путем осаждения металла из растворов его солей,
либо с помощью электрохимии (гальваники), когда
подложка схемы погружается в ванну с раствором
солей металлов, через который пропускается электри¬
ческий ток. Чтобы получить изолирующую диэлек¬
трическую пленку, на поверхность металла воздей¬
ствуют ионами кислорода, образующимися у анода
электролитической ванны и окисляющими предва¬
рительно нанесенный на подложку металлический
слой.
1.71
Другие способы нанесения пленок требуют исполь¬
зования вакуумных камер.
При бомбардировке помещенного внутри вакуум¬
ной камеры катода ионизированными атомами раз¬
реженного газа происходит распыление поверхност¬
ного слоя катода и образуется облако атомов, вы¬
летающих с поверхности катода. Эти атомы конден¬
сируются на подложке, образуя на ней очень тон¬
кий (доли микрона), но прочный металлизированный
слой.
При ионно-плазменном напылении распыляется не
96

гщшггичный колпак
катод, а специально предназначенный для этой цели
экран. Бомбардировка экрана осуществляется ионами
плазмы. Для получения плазмы в камере создается
газовый разряд.
1.72
Описанным выше способом изготавливаются тонко¬
пленочные гибридные интегральные схемы. Наряду
с этими схемами в электронной аппаратуре часто ис¬
пользуются толстопленочные ГИС.
За счет толщины наносимых пленок толстопленоч¬
ные интегральные схемы уступают своим тонкопле¬
ночным сородичам по степени интеграции, то есть по
числу элементов, размещаемых в единице объема
кристалла. А преимущество их заключается в про¬
стоте технологии изготовления пленок.
ПОДЛОЖКА
7 Е. Седов
97

Для нанесения на подложку соединений и элемен¬
тов из толстых пленок применяются сеточные шабло¬
ны. Сначала на сетку наносят рисунок, а затем с по¬
мощью специального инструмента (ракеля), который
перемещается по поверхности сеточной маски, сквозь
ячейки сетки поочередно наносятся на подложку слои
проводящих и изолирующих паст.
1.73
Степень интеграции микросхем может быть много¬
кратно увеличена по сравнению с ГИС, если исполь¬
зовать бескорпусные активные элементы — своеоб¬
разные «бутерброды», в которых роль «бутера» вы¬
полняет пленка с п-проводимостью, а пленка с р-про-
водимостью служи!1 «бродом», или наоборот. Из
двух слоев создаются диоды. Трехслойные «бутер¬
броды» с чередованием «брода» и «бутера» типа
п—р — п или р — п — п представляют собой тран¬
зистор.
Такие структуры создаются путем внедрения (диф¬
фузии) соответствующих примесей в определенные
области кремниевой подложки.
Так, например, изображенная на рисунке тран¬
зисторная ячейка может быть выполнена в виде
показанной рядом монолитной интегральной схе¬
мы (ИС). Слева от трехслойной п — р — п струк¬
туры триода размещена трехслойная структура
конденсатора, состоящего из нижней проводящей
алюминиевой пленки, изолирующей пленки окис¬
ла алюминия и верхней токопроводящей пленки
из меди.
Справа от транзистора расположен резистор (со¬
противление), состоящий из ниобиевой пленки с двумя
медными контактами на концах. Номера всех кон¬
тактов на интегральной схеме соответствуют номерам
тех же контактов, показанных на схеме транзистор-
98

ной ячейки, чтобы читателю легче было сопостав¬
лять условное изображение ячейки с конструкцией
соответствующей ИС.
Размещенные на подложке элементы отделены от
самой подложки пленкой окисла кремния. Эта пленка
изолирует друг от друга контакты 1, 2, 3 и 5.
Чтобы представить себе реальные размеры элемен¬
тов сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), вооб¬
разите, что на одном квадратном сантиметре разме¬
стились сотни тысяч таких ячеек. Соответственно раз¬
меры каждой ячейки сжимаются по сравнению с на¬
шим рисунком в миллионы раз.
1.74
Широкое применение в микроэлектронике нашли
транзисторы, получившие название полевых. Полевыми
эти транзисторы называются потому, что управление
протекающим через них током осуществляется с по¬
мощью электрического поля.
Для создания и изменения этого поля в конструк¬
ции полевого транзистора предусмотрен специальный
электрод — затвор. Два других электрода примыкают
к тем областям, в которых путем предварительной
диффузии доноров создана п-проводимость.
Одну из таких областей вместе с примыкаю¬
щим к ней электродом называют истоком, вто¬
рую — стоком.
ИСТОК ЗАТВОР	СТОК
Затвор полевого транзистора отделен от подлож¬
ки диэлектрическим слоем. При отсутствии напряже¬
ния на электродах на границе раздела подложки и
диэлектрика накапливается состоящий из свободных
дырок подложки объемный заряд.
Если создать положительный потенциал на затво¬
ре, поле затвора начнет оттеснять дырки. В резуль¬
тате у границы раздела диэлектрика и подложки
освобождается путь для находящихся в истоке сво¬
бодных электронов, которые начнут перемещаться по
7*
99

направлению к стоку, если создать на истоке от¬
рицательный, а на стоке положительный потен¬
циал.
Освобождаемое от дырок пространство, по которо¬
му перемещаются электроны, называют индуцирован¬
ным каналом. Этот канал индуцируется полем затво¬
ра, имеющего положительный потенциал.
1.76
Для перемещения дырок от истока до стока мож¬
но использовать дополнительный слой с п-проводи-
мостью — встроенный канал.
Р7
затвор
исток
Г)
встроенный КАНАЛ
сток
п
р
1.77
Из-за падения напряжения в канале транзистора
разность потенциалов между затвором и примыкаю¬
щей к затвору поверхностью канала уменьшается
в направлении перемещения зарядов. По этой при¬
чине канал, широкий в начале, становится узким в
конце.
100

3
7.К'
и
v
С
разность
потенциалов
п
Р
1.78
Управление током канала осуществляется путем
изменения потенциала затвора Уд.
При малых значениях V3 узкая часть канала может
совсем сомкнуться и запереть транзистор.
1.79
При широком канале зависимость протекающего
через канал тока от разности потенциалов между
истоком и стоком имеет линейный характер. Это зна¬
чит, что в этом случае транзистор, подчиняясь закону
Ома, ведет себя как обычный резистор: текущий
через него ток растет прямо пропорционально раз-
101

ности потенциалов, возникающих на входе и выходе
канала.
Возможность использования полевого транзистора
и в качестве линейного сопротивления (резистора)
и в качестве триода позволяет создавать различные
схемы на основе однородных пленочных структур.
1.80
Все полевые транзисторы имеют трехслойную
структуру: пленка металла (М), пленка диэлектрика
(Д), полупроводниковая пленка (П). Поэтому исполь¬
зующие полевые транзисторы интегральные микросхе¬
мы получили наименование МДП-микросхем.
Р
ч
1.81
В качестве диэлектрика обычно используется
пленка окисла, получаемая путем обработки поверх¬
ностного слоя подложки в кислородной среде. Поэто¬
му вместо сокращения МДП часто используют сокра¬
щение МОП, обозначающее, что данная микросхема
102

имеет трехслойную структуру типа металл (М), оки¬
сел (О), полупроводник (П).
Принципиальное отличие полевого транзистора за¬
ключается в том, что его ток образован зарядами
одного знака (в рассмотренном нами случае — элек¬
тронами), в то время как в транзисторах с п — р — п
или с р — п — р проводимостью электроны и дырки
перемещаются навстречу друг другу. Чтобы под¬
черкнуть это различие, после создания полевого
транзистора схемы с п — р — п или р — п — р три¬
одами стали называть биполярными схемами, а исполь¬
зующие полевые транзисторы МДП и МОП микро¬
схемы стали относить к категории униполярных схем.
1.82
На основе МОП-технологии были освоены более
сложные (комплиментарные) МОП-структуры, кото¬
рым присвоили сокращенное наименование КМОП-
структур. КМОП-технология позволяет изготавливать
спаренные полевые транзисторы, в одном из которых
используется канал с п-проводимостью, а в другом —
канал с проводимостью р.
С этой целью в подложке с п-проводимостью соз¬
дается зона с р-проводимостью, которую называют
«карманом». В этом «кармане» функционирует поле¬
вой транзистор с каналом р.
А рядом с этим карманом располагается спа¬
ренный с ним транзистор с п-каналом. Такие кон¬
струкции оказались удобными для целого ряда исполь¬
зуемых вычислительной техникой логических схем.
теток*
103

РУКОТВОРНЫЙ
МИКРОМИР
Оглядываясь на несколько десятилетий назад, пора¬
жаешься стремительности темпов освоения техники и
технологии интегральных микросхем. Созданные в нача¬
ле 60-х годов первые образцы микросхем содержали ты¬
сячи активных элементов (диодов, транзисторов) в од¬
ном кубическом сантиметре. С каждым последующим
десятилетием количество элементов увеличивалось при¬
близительно в 10 раз.
В начале 80-х годов стали выпускать микросхемы,
содержащие до 100 тысяч элементов в одном кубическом
сантиметре. Во второй половине 80-х годов это число пе¬
ревалило за миллион.
Эта тенденция нашла отражение в терминологии:
вслед за интегральными схемами (сокращенно— ИС)
появились большие интегральные схемы (БИС) исверх-
большие интегральные схемы (СБИС).
Не следует думать, что «большие» и «сверхбольшие»
интегральные схемы в самом деле больше простых ин¬
тегральных схем. Речь идет не о размерах схем - все
они изготавливаются на имеющих стандартные размеры
подпожках,— а о насыщенности этих схем. Можно ска¬
зать, что сверхбольшие интегральные схемы приобрета¬
ют сверхбольшие функциональные возможности (нап¬
ример, выполненный на одном кристалле персональный
компьютер!) именно потому, что сотней тысяч разнооб¬
разных по своим функциям элементов удается «начи¬
нить» один полупроводниковый кристалл.
Подковавший блоху Левша позавидовал бы совре¬
менным технологам не столько в отношении освоенного
ими искусства, сколько в отношении оснащенности раз¬
нообразнейшим оборудованием и измерительными при¬
борами, без которых немыслимо изготовление микро¬
схем. И сколь бы ни был талантлив современный Левша,
он никогда бы не смог овладеть в одиночку десятками
операций тончайшей лучевой, химической и термической
обработки, применяемой в процессе изготовления мик¬
росхем.
Во всех «электронных державах» миллионные армии
специалистов по электронным приборам, конструкторов
и технологов трудятся над созданием микросхем. Разра¬
ботан огромный ассортимент технологических способов
обработки полупроводниковых кристаллов. Подробный
рассказ о каждом из этих способов превращается в от¬
дельную книгу. Поэтому мы попытаемся, опуская дета¬
ли, дать представление об основных стадиях обработки,
позволяющих превратить исходный однородный крис¬
тапл в насыщенную разнообразными элементами схему.
Начнем с того, что сам этот кристалл представляет
собой тончайшее и деликатнейшее изделие, отличающе¬
еся безукоризненной чистотой. Чистота соблюдается и
внутри и снаружи: поверхность кристалла должна быть
идеально гладкой, а количество посторонних примесей в
104

самом кристалле, скажем, в германиевой подложке не
должно превышать миллионных долей процента. А с
кремнием «и того чище»: стомиллионные доли процента
примесей уже делают его непригодным для изготовле¬
ния микросхем.
Процессы создания изделий микроэлектроники тре¬
буют строгого соблюдения определенной технологичес¬
кой дисциплины, исключающей засорение сверхчистых
материалов на всех этапах изготовления микросхем.
Три пылинки на кубический метр — вот та норма за¬
сорения окружающего воздуха, которая удовлетворяет
требованиям производства микросхем.
Ретивая домохозяйка, ведущая ежедневную борьбу
за чистоту своего жилища, наверно, пришла бы в уны¬
ние, узнав о том, какой бывает идеальная чистота. Но
напрасно она пыталась бы конкурировать с чистотой
производственного участка, на котором изготавливают¬
ся микроэлектронные схемы, улавливая пылинки с по¬
мощью домашнего пылесоса: таким путем идеала ей ни¬
когда не достичь. Для этого нужна полная изоляция по¬
мещения, подача предварительно очищенного воздуха
через кондиционеры, промывка и дезинфекция спец¬
одежды обслуживающего персонала, душевые камеры
перед входом и множество других мер. Поэтому произ¬
водство микросхем осуществляется не в обычных цехах,
а в специальных помещениях - - так называемых «чис¬
тых комнатах», снабжаемых чистым воздухом не через
окна и двери, а с помощью сложной системы кондицио¬
нирования и предварительной очистки.
При этом всюду, где только можно, человек заменя¬
ется автоматом, поскольку даже естественные выделе¬
ния в виде дыхания и пота могут быть источником заг¬
рязнений изготавливаемых сверхминиатюрных схем.
И все же, несмотря на все перечисленные меры, более
90 процентов изготавливаемых микросхем не выдержи¬
вают окончательного (выходного) контроля и отправля¬
ются в брак. С этим приходится мириться как с неизбеж¬
ной платой за все преимущества, обусловленные сверх¬
миниатюрностью микросхем. Ведь на каждом квадрат¬
ном миллиметре подложки размещаются десятки тысяч
электронных ячеек, и каждая из них должна обладать
строго определенными свойствами, без которых она не
сможет выполнять возложенных на нее функций. Ма¬
лейшая микроскопическая неоднородность в материале
подложки или в напыляемой пленке изменит свойства
какой-то ячейки, а она, в свою очередь, нарушит взаимо¬
действие десятков тысяч остальных. В результате весь
кропотливый труд и все истраченные дорогостоящие
материалы становятся издержками производства, на ко¬
торые приходится идти ради нескольких процентов удов¬
летворяющих всем требованиям и нормально функцио¬
нирующих микросхем. И притом с переходом от ИС к
105

БИС и от БИС к СБИС эти проблемы становятся все
острее, поскольку с увеличением степени интеграции все
больше и больше функциональных ячеек приходится
«втискивать» в каждый кубический сантиметр.
Предназначенная для будущей микросхемы кристал¬
лическая подложка подвергается обработке, в результа¬
те которой она покроется густой сетью микроскопичес¬
ких ячеек. А между ячейками должна появиться паутина
соединительных проводников. Каждой ячейке предстоит
выполнить свои функции, поэтому она должна состоять
из предназначенных к выполнению этих функций слоев.
Для этого необходимо внедрить все эти слои в материал
подложки, точно в предназначаемые конструкцией мик¬
росхемы места.
Местам внедрения соответствуют «окна» в маске, ко¬
торую можно изготовить отдельно или непосредственно
на подложке, используя для этой цели специальный све¬
точувствительный слой — фоторезист.
Обработка фоторезиста тоже имеет свои этапы. Сна¬
чала изготавливается увеличенный в несколько раз чер¬
теж микросхемы, точнее, не всей микросхемы, а лишь тех
участков, куда нужно внедрить пропускаемый сквозь из¬
готавливаемую маску очередной материап. Затем этот
чертеж фотографируется с уменьшением до размеров

подложки. После проявления снимка получается фото¬
шаблон. Наложив фотошаблон на покрытую фоторезис¬
том подложку, засвечивают фоторезист сквозь окна фо¬
тошаблона.
Засвеченный ультрафиолетовыми лучами, а затем
проявленный, он полимеризуется и приобретает устойчи¬
вость к воздействию травящих химических растворов.
После травления фоторезист останется лишь в тех мес¬
тах, где произошла его полимеризация за счет воздейст¬
вия света. В остальных местах образуются «окна».
Если читатель еще раз проследит всю последова¬
тельность описанных действий, он убедится, что «окна»
должны оказаться именно в тех местах, где чертежом
предусмотрено последующее напыление пленок или вне¬
дрение внутрь подложки необходимых веществ (при¬
месей) .
Маски, описанные в разделах 1.69—1. 70, называют¬
ся съемными масками. Маски из фоторезиста нельзя от¬
делить от подложки. Они подобны тем маскам, которые
согласно известной всем поговорке, прирастают к лицу.
Описанная процедура изготоапения масок из фото¬
резиста— далеко не единственный способ. Например,
можно, не применяя фотошаблона, освещать покрытую
фоторезистом подложку не равномерно, а с просветами
и затемнениями, соответствующими конфигурации
«окон». Другими словами, на фоторезист проектируется
изображение будущей маски. Такой способ получил наз¬
вание проекционной фотолитографии в отличие от кон¬
тактной литографии, при которой применяется фото¬
шаблон.
Вместо проекции всего изображения маски можно
разворачивать то же самое изображение построчно, по¬
добно тому, как формируется изображение в телевизи¬
онном кадре бегущим по строкам и одновременно моду¬
лированным по яркости электронным лучом. Такой спо¬
соб носит название электронно-лучевой фотолитогра¬
фии.
Применяется еще и рентгеновская фотолитография,
при которой изображение маски формируется тоже
построчно, но не электронным, а управляемым рентге¬
новским лучом.

это
ЛЕЖИ Г
В ОСНОВЕ
ПОВСЕДНЕВНЫЙ МАСКАРАД
1.83
Всем хорошо известно традиционное использова¬
ние масок на народных уличных гуляниях или аристо¬
кратических балах.
К помощи масок довольно часто прибегают пре¬
ступники, если они хотят, чтобы во время совершения
преступления их не узнали в лицо.
Микроэлектроника использует маски по-своему.
Они нужны ей не по праздникам и не от случая к слу¬
чаю, а ежедневно и ежечасно для выпуска массовых
серий очень нужных всем микросхем.
В разделе «Схемы из пленок» были рассмотрены
способы применения съемных масок. В них заранее
предусмотрены «окна», через которые на подложку
наносятся пленки из нужных материалов в предназна¬
чаемые для этих пленок места.
Теперь рассмотрим подробнее процессы изготов¬
ления микросхем с использованием так называемых
контактных масок. В отличие от съемных, в кото¬
рых заранее заготовлены все необходимые для на¬
несения пленок «окна», в контактных масках «ок¬
на» формируются в процессе изготовления мик¬
росхем.
Проиллюстрируем способ использования контакт¬
ных масок процессом изготовления пленочного рези¬
стора — самого простого элемента пленочных схем.
Пленочный резистор состоит из обладающего боль¬
шим сопротивлением (резистивного) слоя с дву¬
мя металлическими пленочными контактами по
краям.
1.84
1.85
мегвляпееим
коипкг
еещсттыЯ
cm
подложка
108

Даже такой простой по конструкции элемент из¬
готавливается в несколько этапов. При этом прихо¬
дится дважды наносить на подложку контактные
маски.
1.86
На первых этапах на подложку наносят три слоя:
резистивный слой, затем проводящую пленку металла
и, наконец, светочувствительный слой (фоторезист).
Отметим, что нанесение всех трех слоев осуществляет¬
ся путем напыления, производимого внутри специаль¬
ных вакуумных камер.
1.87
На следующем этапе на контактную маску из
фоторезиста накладывается фотошаблон — тоже сво¬
его рода маска. На нем с помощью фотографии изго¬
товлен рисунок тех элементов, которые в данном
случае нужно закрепить на подложке. Прозрачные
«окна» фотошаблона накладываются на те места под¬
ложки, где должны быть закреплены металлические
контакты резистора, изображенного на рис. 1.85. После
этого фоторезист облучается ультрафиолетовым све¬
том.
ультрафиолетовые луч»
фоторезист
резистивным слой
П0ДА0ЖК9
1.88
Облученный, а затем проявленный фоторезист по-
лимеризуется и сохраняется в тех местах, где имеет
прозрачные «окна» фотошаблон.
Из тех мест, куда ультрафиолетовый свет не про¬
109

ник через фотошаблон, фоторезист удаляется хими¬
ческой обработкой. Теперь он будет служить контакт¬
ной маской, защищающей от химического воздей¬
ствия те области пленки металла, которые должны
быть сохранены.
фоторезист
1.89
Затем поверхность схемы подвергается химиче¬
скому травлению, в результате которого с поверх¬
ности будет удалена пленка металла, кроме тех мест,
которые защитил фоторезист.
1.90
Контактная маска из фоторезиста, исполнив свою
миссию, удаляется. Однако процесс на этом еще не
закончен. Далее предстоит удалить ту часть рези¬
стивной пленки, которая осталась за пределами огра¬
ниченной металлическими контактами поверхности
микросхемы, чтобы освободить место для размеще¬
ния других элементов, соседствующих с изготавливае¬
мым резистором.
110

1.91
С этой целью вся поверхность схемы еще раз по¬
крывается фоторезистом и еще раз облучается ультра¬
фиолетовым светом через фотошаблон, прозрачный
в том месте, где резистивная пленка должна быть
сохранена.
——~удь трвфисмтовш свет
. .. фетошзВлен
^фоторезист
[—резистивная пяеннз
1.92
После проявления и удаления не закрепленного об¬
лучением фоторезиста образовавшаяся контактная
маска защищает ту часть резистивного слоя, кото¬
рая расположена между металлическими контакта¬
ми.
111

закрепленный спетом
фоторезист
металлические контакту
I
оставшаяся после
травления часть
резист пеней
пленки
готовый
резистор
Путем химического травления удаляется ненуж¬
ная часть резистивной пленки, а затем удаляется сыгра¬
вший свою роль фоторезист.
Используемый в рассмотренном нами процессе
фоторезист называется негативным. Применяются так¬
же и позитивные фоторезисты, которые не закреп¬
ляются, а разрушаются ультрафиолетовым светом и
после проявления удаляются из тех мест, которые
были освещены. Для негативного фоторезиста нужны
негативные фотошаблоны. На этих шаблонах как бы
изображен негативный портрет будущей микросхемы:
там, где на микросхеме должен появиться будущий
пленочный элемент, на фотошаблоне будет пустое
место («окно»).
При использовании позитивного фоторезиста
«окна» на фотошаблоне соответствуют пустым про¬
межуткам на будущей микросхеме.
Ради наглядности мы намеренно упростили про¬
цесс изготовления пленочных микросхем, ограничив¬
шись рассмотрением изготовления одного элемента
(резистора).
Реальные фотошаблоны изготавливаются не для
одного элемента, а для всего множества идентич¬
ных элементов микросхемы, расположенных в одном
1.93
1.94
112

из ее слоев. Набор фотошаблонов позволяет осуще¬
ствлять поочередную обработку всех участков поверх¬
ности микросхемы до тех пор, пока вся поверхность
не покроется множеством многослойных микроскопи¬
ческих ячеек, призванных выполнять в изготавливае¬
мой схеме предназначаемую им роль.
1.95
Для повышения производительности с помощью
одного фотошаблона ведется одновременная обра¬
ботка нескольких тысяч расположенных на общей под¬
ложке одинаковых микросхем. После окончания об¬
работки микросхемы отделяются друг от друга путем
разделения подложки на несколько тысяч одинаковых
частей. Эта операция (ее называют скрайбированием)
осуществляется с помощью лазерного луча.
ЭЛЕКТРОНИКА
Итак, есть подложка, есть маска. Можно теперь при- И ЭЛ ИОНИКА
ступать к процессу изготовления элементов — самому
сложному и ответственному этапу создания микросхем.
Сейчас разработан не один десяток способов, позво¬
ляющих наносить пленки на поверхность подложки или
вводить внутрь подложки различные примеси для созда¬
ния в нужных местах электронной или дырочной прово¬
димости, диэлектрических, магнитных, оптических или
каких-то иных свойств.
А ведь всего 40 лег назад даже простой контакт ме¬
таллических выводов с полупроводниковым кристаллом
представлял техническую проблему, решение которой
можно теперь считать первым шагом к созданию инте¬
гральных схем.
В первых полупроводниковых приборах применялись
точечные контакты: заостренный конец тонкого метал¬
лического провода соприкасался с поверхностью полу¬
проводника.
Следующий шаг на пути к современной технологии
микросхем — сплавные транзисторы и диоды. Для соз¬
дания р- или п-проводимости в электроды вводилась
акцепторная или донорная примесь. Затем электроды
погружались в подложку и разогревались до темпера¬
туры, достаточной для сплавления электродов с матери¬
алом подложки.
Способ сплавления имеет два недостатка. Во-пер¬
вых, он не контролируем, поэтому параметры изготов¬
ленных таким способом диодов или транзисторов
имеют большой разброс. Во-вторых, сплавные контакты
слишком громоздки — их толщина составляет примерно
10 микрон. Конечно, понятия «большой» или «слишком
большой» весьма относительны, ведь десять микрон —
это в несколько раз тоньше, чем волос. Но если сплав-
8 Е. Седов
113

ной контакт мысленно разместить на сверхбольшой ин¬
тегральной схеме, то рядом с ее микроскопическими кон¬
тактами и элементами он будет выглядеть как слон сре¬
ди муравьев.
Интегральная техника началась с того времени, ког¬
да были освоены процессы легирования — то есть диф¬
фузии необходимых примесей внутрь подложки, осуще¬
ствляемой или в результате химических взаимодейст¬
вий, или путем воздействия на размещаемые внутри
вакуумных камер подложки потоками молекул, ато¬
мов, ионов, сфокусированными в тонкие направленные
лучи.
Созданная таким способом зона р- или п-проводи-
мости займет площадь, меньшую чем при сплавном кон¬
такте, приблизительно в 50 раз.
В последние годы широкое распространение по¬
лучила планарная технология. Прежде чем подвер¬
гать подложку легированию, на ней производится
эпитаксия — постепенное наращивание слоя, по струк¬
туре повторяющего кристаллическую структуру под¬
ложки, но имеющего отличные от нее физические
свойства.
Так, например, методом эпитаксии на обладающую
114

р-проводимостью подложку можно нанести слой с про¬
водимостью п. Затем, используя соответствующие мас¬
ки, ввести в нужные области эпитаксиального слоя до¬
норные и акцепторные примеси, создающие проводи¬
мость р или п*. Знаком п+ обозначается электрон¬
ная проводимость зоны, обогащенной свободными элек¬
тронами. Так, например, для увеличения тока транзис¬
тора можно ввести донорную примесь в зону эмиттера,
создав в эмиттере проводимость п*. В соседнюю зону
можно ввести акцепторную примесь, создав в ней тем
самым р-проводимость с целью использования ее в каче¬
стве базы транзистора Б. Затем, заменив маску и помес¬
тив микросхему в другую вакуумную камеру, можно
осуществить диффузию распыляемого в вакуумной ка¬
мере металла в определенные места эмиттера Э, базы Б
и коллектора К- Таким способом создаются контакты
для соединения транзисторов с другими элементами
интегральных схем.
Обратите внимание на то обстоятельство, что и все
зоны и контакты с этими зонами располагаются в единой
плоскости эпитаксиального слоя. Отсюда и возник тер¬
мин «планарная технология», подразумевающий
формирование всех элементов в одной плоскости (в
плане).
Освоение технологии напыления пленок, легирова¬
ния подложек путем эпитаксии и диффузии потребовало
разработки целой серии вакуумных камер, внутри кото¬
рых могут располагаться электронные пушки, магнетро¬
ны, источники рентгеновских или ионных лучей.
Для осуществления этих процессов необходимо сна¬
чала испарить соответствующие материалы, чтобы за¬
тем осадить их через маски на микросхемы, соблюдая с
микроскопической точностью координаты и размеры
каждого из элементов.
Полупроводниковая техника в значительной мере из¬
бавила электронику от необходимости создания вакуу¬
ма внутри электронных приборов. Зато появилась потре¬
бность в создании вакуума не внутри, а снаружи изгота¬
вливаемых на подложке сверхминиатюрных электрон¬
ных приборов. А поскольку напыление пленок внутри
вакуумных камер осуществляется с помощью электрон¬
ных и ионных лучей, возникли задачи «самообслужива¬
ния»: электроника начала заниматься оснащением ва¬
куумных камер.
В различных по конструкции и назначению вакуум¬
ных камерах используются разные физические процес¬
сы. При термическом вакуумном напылении напыляе¬
мые вещества испаряются под действием высокой темпе¬
ратуры, а затем осаждаются через маску в соответст¬
вующие места микросхем.
Другой способ — катодное напыление. Катод и анод
расположены внутри вакуумной камеры. Камера напол-
8*
115

йена разреженным газом. Под действием покидающих
катод электронов возникает тлеющий газовый разряд.
Образующиеся при этом ионы разреженного газа бом¬
бардируют тот же катод и частично разрушают его.
Атомы, вылетающие с поверхности катода при его
разрушении, распространяются в окружающем прост¬
ранстве и конденсируются на поверхности обрабатывае¬
мой площади в тех местах, где у маски имеются «ок¬
на».
Катодное распыление позволяет наносить на под¬
ложки тонкие пленки из проводящих металлов: меди,
алюминия, серебра. Такие пленки напыляются для сое¬
динений элементов друг с другом, а также с внешни¬
ми входными и выходными контактами микросхем.
Сложнее обстоит дело с используемыми при созда¬
нии пленочных сопротивлений тугоплавкими металла¬
ми — никелем и вольфрамом. Для их распыления недос¬
таточно тлеющего разряда, поэтому приходится приме¬
нять ионно-плазменный метод, при котором металл рас¬
пыляется не с катода, а со специальной мишени, бом¬
бардируемой ионами плазмы.
Помимо вольфрамовых и никелевых пленок, ионно¬
плазменный метод позволяет изготавливать кремниевые
и германиевые полупроводниковые пленки и, что особен¬
но ценно, комбинированные (сплавные) пленки из рас¬
пыляемых одновременно нескольких разных мишеней,
помещенных внутри одной вакуумной камеры, но состо¬
ящих из разных веществ.
Диэлектрические и магнитные (ферритовые) пленки
изготавливаются с помощью высокочастотных полей.
Камеры магнетронов, предназначаемые для разгона
электронов магнитным полем, стали использоваться од¬
новременно и в качестве распылительных вакуумных ка¬
мер. Совместными усилиями магнетронной и вакуумной
техники был создан этот своеобразный «гибрид».
После обработки в вакуумных камерах микросхемы
помещаются в специальные печи для термической обра¬
ботки. Тепловая энергия как бы «расшатывает» крис¬
таллическую решетку, внося дополнительный хаос в
упорядоченные колебания атомов и ионов, находящихся
в узлах решетки кристалла. Тем самым представля¬
ется возможность внедренным в процессе диффузии ато-
мам-донорам или атомам-акцепторам «отвоевать себе
место» в каком-нибудь из узлов.
Качество получаемых в процессах легирования пле¬
нок во многом зависит от применяемых материалов, от
совместимости материалов пленок друг с другом и с ма¬
териалом подложки.
Материал подложки должен сочетать в себе целый
ряд электрических, механических и физических свойств.
Он должен обладать высоким удельным сопротивлени¬
ем, чтобы между расположенными поблизости элемента-
116

ми схемы не возникали паразитные токи. Вместе с тем
он должен быть механически прочным. Крайне необхо¬
дима его однородность: наличие трещин, вкраплений и
уплотнений, пусть даже микроскопического размера,
приведет к нарушению качества напыляемых пленок. А
ведь достаточно допустить брак в одном элементе схе¬
мы из миллиона, и бесполезен станет весь миллион.
Физические свойства материала подложки должны
обеспечить прочность сцепления (адгезии) с материа¬
лом пленок. Мало этого: температурный коэффициент
расширения материала подложки должен быть близок к
температурным коэффициентам расширения напыляе¬
мых пленок, иначе пленки начнут отслаиваться и коро¬
биться при охлаждении, растягиваться и рваться при
разогреве. Чтобы представить, насколько чувствитель¬
ны пленки к подобным воздействиям, достаточно вспом¬
нить, что толщина этих пленок составляет микроны или
даже доли микрон.
Металлизированные пленки, осаждаемые на микро¬
схему для соединений элементов друг с другом или вы¬
полняющие роль обкладок в пленочных конденсаторах,
должны иметь высокую проводимость, хорошую адге¬
зию по отношению к материалу подложки и к применя¬
емым для пайки выводов сплавом олова и свинца.
Кроме того, эти пленки не должны подвергаться кор¬
розии (окисляться).
В большинстве случаев не удается найти материал,
сочетающий все те электрические, механические, темпе¬
ратурные и прочие свойства, которые необходимы для
изготовления надежных пленочных микросхем. Вследст¬
вие этого приходится вместо одного слоя пленки созда¬
вать многослойные пленочные структуры, обладающие
необходимым сочетанием свойств. «Бутерброды» типа
р-п-р или п-р-п (для триодов), р-п или n-р (для диодов),
«металл — диэлектрик — металл» (для конденсаторов)
превращаются в начиненный разнообразными «продук¬
тами» многослойный «пирог».
Вот некоторые примеры подобной «кулинарии».
Медь, олово, серебро, алюминий имеют высокую прово¬
димость. Но все они легко окисляются в воздухе и не
обладают хорошей адгезией по отношению к материа¬
лам подложки. Приходится «страховать» пленки из этих
металлов, нанося под ними и над ними дополнительные
слои.
Прежде чем напылять токопроводящие пленки из
алюминия, серебра или меди, им готовят «подстилку»
хрома, ванадия, тантала или титана. Эти металлы обла¬
дают хорошей адгезией и окисляются только при темпе¬
ратурах, превышающих нормы эксплуатации микро¬
схем. Для защиты сверху токопроводящие пленки по¬
крываются антикоррозийным слоем свинца. Токопрово¬
дящая пленка превращается из однослойной в трех-
117

слойную. А в высокочастотных схемах применяется
даже не три, а целых четыре слоя: для улучшения паяе-
мости поверх свинцовой пленки наносится еше микрон¬
ный золотой слой.
В отличие от больших и сверхбольших интеграль¬
ны^ схем (БИС и СБИС), изготавливаемых на полупро¬
водниковых подложках, для гибридных интегральных
схем (ГИС) подложкой служат непроводящие материа¬
лы: покрытые пленкой окисла (анодированные) алюми¬
ниевые пластины, специальные керамики (поликор или
ситалл). В последние годы широкое применение нашли
очень удобные для конструирования компактных элект¬
ронных устройств гибкие подложки, изготавливаемые из
таких полимерных материалов, как полиэтилен, фторо¬
пласт, эпоксидное стекло, полиэфир, полиамид. Гибрид¬
ные интегральные схемы на гибких подложках в ряде
случаев могут успешно конкурировать с полупровод¬
никовыми интегральными схемами, несмотря на то, что
они уступают последним по количеству размещаемых на
них элементов (степени интеграции) в десятки и согни
раз. В конкурентной борьбе главный козырь гибридных
схем — простота технологии. Как уже отмечалось, для
таких схем все полупроводниковые элементы (диоды,
транзисторы) берутся в готовом виде. На изолирую¬
щую подложку наносятся только металлизированные
пленки для соединений элементов друг с другом и вклю¬
чения в схему сопротивлений (резисторов) и трехслой¬
ные структуры «металл—диэлектрик — металл» для со¬
здания емкостей.
118

Для осаждения всех этих пленок не обязательно при¬
менение вакуумных камер, они могут быть изготовлены
«мокрым» способом, с помощью химических ванн. Вот
почему параллельно с развитием полупроводниковой
интегральной техники продолжает развиваться и гиб¬
ридная технология, удобная для быстрого освоения
выпускаемых сравнительно небольшими партиями раз¬
нообразных по своим функциям и назначению микро¬
схем.
Применение гибких подложек дает дополнительные
удобства при компоновке состоящих из многих микро¬
схем электронных приборов и еще в большой степени
упрощает процесс изготовления гибридных пленочных
схем. Так, например, внедрение гибких полиамидных
подложек позволило исключить довольно сложную опе¬
рацию сверления многочисленных отверстий, предназ¬
начаемых для крепления гибких выводов элементов, ус¬
танавливаемых на подложку ГИС. Технологи восполь¬
зовались тем, что полиамидная пленка хорошо раст¬
воряется щелочью. Вместо того чтобы сверлить пооче¬
редно тысячи микроскопических отверстий в подложке,
достаточно предусмотреть эти отверстия на изготов¬
ленной фотографическим способом защитной маске, а
затем, защитив этой маской поверхность полиамидной
подложки, окунуть и подложку и маску в едкий калий
или в едкий натрий. После такой обработки тысячи от¬
верстий одновременно появятся в нужных местах. Сле¬
дует также упомянуть, что полиамидная подложка име¬
ет еще и то преимущество, что она сохраняет гибкость
даже в жидком азоте (при температуре ниже — 200° С),
не расплавляется при разогреве до +400° С вплоть до
+250° С не выделяет оказывающих разрушающее дей¬
ствие на наносимые на нее пленки и укрепленные на ней
элементы газообразных веществ.
Ни с чем не сравнимая по своей тонкости технология
изготовления микросхем не смогла бы добиться достиг¬
нутых в настоящее время успехов, если бы она не вклю¬
чала в себя в такой же степени тонких приемов контро¬
ля.
Гоговую схему проверить не гак уж сложно: при по¬
даче всех предусмотренных схемой питающих напряже¬
ний и определенных видов входных сигналов на выходе
схемы должен появиться вполне определенный сигнал.
Оценка сигналов ведется по разным параметрам: по
уровням, по длительности, по спектрам содержащихся
в них частот. Для измерений этих параметров разрабо¬
тана целая серия автоматизированных контрольных
приборов. По разработанной специальной программе
можно в определенной последовательности изменять
сигналы на входе, и автоматические приборы на выходе
зафиксируют все реакции схемы, показывающие, наско¬
лько ее поведение соответствует гем функциям, ради
119

которых она была создана. В общем, оценка качества
работоспособной схемы при современном уровне авто¬
матики, измерительной и вычислительной техники не
составляет большого труда.
Хуже, если в схеме что-нибудь неисправно. Опреде¬
лить, какой именно из сотен тысяч пленочных элемен¬
тов в этом виновен, отнюдь не легко. Для этого надо в
определенной последовательности подключаться к нуж¬
ным контактам с помощью щупов, настолько тонких,
чтобы каждый такой щуп не замкнул случайно соседний
микроскопический по своим размерам контакт.
Если, к примеру, откажет диод или транзистор гиб¬
ридной схемы, можно установить на их место другой
транзистор или диод. А что делать с большой интеграль¬
ной схемой? В ней уже ничего невозможно заменить и
исправить. Из-за одного неисправного элемента сотни
тысяч исправных отправляются в брак.
Вот почему такое значение придается контролю, осу¬
ществляемом} поэтапно на разных стадиях изготовле¬
ния микросхем. В распоряжение изготовителей микрос¬
хем предоставлен могучий арсенал новейших техни¬
ческих средств контроля, в которых сама электроника
играет первостепенную роль.
Рентгенотелевизионные установки позволяют заме¬
тить малейший изъян в глубине подложки. Качество
осажденных на поверхность подложки пленок контро¬
лируется с помощью лазерных и электронных лучей.
Электронный луч, скользя по поверхности микросхемы,
дает увеличенное изображение всех ее элементов, позво¬
ляющее обнаружить визуально любой возникший в про¬
цессе изготовления пленочных элементов дефект.
Лазерные лучи отражаются от расположенных на
поверхности микросхем элементов, чтобы оставить след
на специальной пленке в виде гак называемых голо¬
грамм. В главе «Электроны и кванты» о возможностях
голографии придется поговорить особо. А пока пусть чи¬
татель примет на веру, что мельчайшие изменения кон¬
фигурации микросхем, возникающие из-за каких-либо
дефектов или нарушений процессов, могут быть обна¬
ружены по изменениям голограмм. Качество изготов¬
ленной и помещенной в герметический корпус микро¬
схемы может быть проконтролировано на специальных
телевизионных или радиометрических установках с по¬
мощью рентгеновских или инфракрасных лучей. Рент¬
геновский луч проникает внутрь корпуса микросхемы
снаружи. Инфракрасное излучение возникает внутри
самой микросхемы от разогрева ее элементов. Регистри¬
руемая радиометрической установкой степень разогрева
всех элементов позволяет контролировать тепловой ре¬
жим микросхем.
Прежде чем запустить в производство партию мик¬
росхем, необходимо проконтролировать подготовленный
120

технологический процесс. Для этого используются так
называемые тест-структуры, то есть фрагменты буду¬
щей микросхемы, в которых все элементы увеличены в
несколько раз.
В процессе изготовления такой тест-структуры мож¬
но производить измерения всех параметров пленок, вли¬
яющих на качество будущих микросхем. Тест-структу¬
ру можно испытывать вплоть до разрушения пленок.
Это дает возможность определить, насколько прочным
получилось сцепление (адгезия) пленки с подложкой
или пленок друг с другом при напылении многослойных
конденсаторов, диодов, транзисторов, проводников. С
помощью тест-структуры можно определить значение
критической температуры, при которой разрушаются
пленки или нарушается нормальный режим работы эле¬
ментов схем. Не беда, что при этом разрушатся макет¬
ные элементы самой тест-структуры. Зато в процессе по¬
следующего изготовления реальных микросхем можно
будет использовать только не разрушающий эту схему
контроль.
И тут снова приходится идти на всевозможные
ухищрения. Как. например, в процессе осаждения пле¬
нок контролировать их толщину? Самым удобным пара¬
метром в данном случае является удельное сопротивле¬
ние пленки: оно уменьшается по мере того, как растет
толщина. Но измерять сопротивление пленок прямо на
схеме весьма затруднительно, во-первых, из-за слож¬
ности подключения к имеющим микроскопические раз¬
меры контактам, а главное, потому, что к каждому из
контактов подключено, как правило, несколько элемен¬
тов, сопротивление интересующей технологов пленки за-
шунтировано параллельно включенными сопротивле¬
ниями многих других пленок, а измерители сопротив¬
лений регистрируют какую-то (и не всегда понятно, ка¬
кую именно) результирующую величину.
Чтобы избежать всех этих трудностей, привлекается
на помощь «свидетель».
Не подумайте, что речь идет об используемых в юри¬
дической практике очевидцах каких-то событий или
привлекаемых при обысках преступников понятых.
Роль «свидетеля» в данном случае поручается простой
тестовой структуре, на которую будет осаждаться та
пленка, толщину которой хотят измерять. Такой вот
«свидетель» загружается внутрь вакуумной камеры од¬
новременно с партией изготавливаемых микросхем. Из¬
меряя сопротивление у «свидетеля», можно определить
тот момент осаждения пленок на микросхемы, при кото¬
ром получена нужная толщина. В этот момент процесс
напыления прекращается, и извлеченные из вакуумной
камеры микросхемы направляются на дальнейшую об¬
работку, где на них напыляются следующие пленочные
слои. Вместе с микросхемами из камеры извлекается и
121

«свидетель», который выполнил свою миссию и потому
не должен участвовать в дальнейшем процессе изготов¬
ления микросхем.
Немало изобретательности потребовалось для обес¬
печения возможности регулирования параметров мик¬
росхем. До создания микросхем все параметры элек¬
тронных узлов и блоков регулировались с помощью пе¬
ременных сопротивлений и емкостей. Таким способом
мы регулируем яркость или контрастность на телеэкра¬
нах, тональность и громкость звука, длину восприни¬
маемых радиоприемником волн. Выведенные для удоб¬
ства владельцев телевизоров, радиоприемников, магни¬
тофонов на доступную им панель регулировочные руко¬
ятки соединены внутри с переменными конденсаторами
или резисторами, от настройки которых зависит тот или
иной воспринимаемый нашим зрением или слухом оп¬
тический и звуковой сигнал.
Помимо тех настроечных элементов, которые регу¬
лируются с наружных панелей, есть еще много регули¬
ровочных элементов, расположенных внутри электрон¬
ных устройств. Их используют единожды при начальной
регулировке, поэтому для экономии места вместо ручек
регулировки в их конструкции предусмотрена так назы¬
ваемая «регулировка под шлиц». На торцах их вращаю¬
щихся осей сделана прорезь (шлиц), в которую можно
вставить отвертку. Плавно вращая отвертку, регули¬
ровщик медленно изменяет величину регулируемого
сопротивления или переменной емкости до тех пор, пока
не получит необходимое значение регулируемого напря¬
жения, или предусмотренной техническими условиями
длительности импульса, или требуемого для нормаль¬
ной работы устройства значения частоты. Такой способ
регулировки широко применяется в ламповых и полу¬
проводниковых электронных устройствах. Для микрос¬
хем он неприемлем, поскольку одно регулировочное со¬
противление сравнимо по величине с размерами микрос¬
хем. Поэтому вместо пластинчатых конденсаторов и
проволочных переменных сопротивлений в микросхемах
используются конденсаторы и резисторы из пленок, а
для их регулировки вместо отвертки применяется тонкий
лазерный луч.
Предназначаемое для регулировки пленочное сопро¬
тивление состоит из нескольких перемычек. Чтобы
увеличить сопротивление участка цепи между контак¬
тами А и В, достаточно разорвать одну или несколь¬
ко пленочных перемычек. В том месте, куда направ¬
ляется лазерный луч, начинается испарение металлизи¬
рованной пленки, приводящее к разрыву соответству¬
ющей цепи. При этом начальная величина сопротивле¬
ния должна быть заведомо меньше требуемой величины.
Аналогичным способом осуществляется регулировка
величины емкости. Под действием лазерного луча испа-
122

ряется часть пленки, выполняющей функцию верхней
обкладки пленочного конденсатора. Величина ем¬
кости конденсатора будет определяться площадью
верхней обкладки, оставшейся после испарения час¬
ти металлизированной пленки с помощью лазерного
луча.
Луч лазера оказался незаменимым инструментом на
всех стадиях изготовления микросхем. С его помощью
изготавливаются фотошаблоны, испаряются материалы
катодов или экранов вакуумных камер при напылении
пленочных элементов, осуществляется подгонка величи¬
ны емкостей и сопротивлений, производится голографи¬
ческий контроль изготовленных микросхем.
Наряду с лазерными световыми лучами в технологии
изготовления микросхем используются рентгеновские,
электронные, электромагнитые, ионные лучи. В совокуп¬
ности все эти способы представляют собой новое нап¬
равление техники, объединяемое звучным названием
элионика и ставшее главным тончайшим инструмента¬
рием микроэлектроники — самого тонкого из всех до¬
селе созданных человечеством производств.
А главным инструментом самой элионики, конечно
же, служат всевозможные электронные схемы. С их по¬
мощью формируются имеющие различную физическую
природу лучи. Они управляют такими лучами, фокуси¬
руют эти лучи до нужных диаметров, перемещают их по
заданным траекториям, изменяют интенсивность этих
лучей. Для решения всех этих проблем создаются пред¬
назначенные для тех или иных технологических опера¬
ций устройства. Управление всем ходом процессов осу¬
ществляется с помощью реализуемых компьютерами
специальных программ.
Так замыкается круг, лежащий в фундаменте разви¬
тия электроники: создаваемые электроникой техничес¬
кие средства становятся необходимой базой для созда¬
ния и совершенствования столь необходимых самой
электронике интегральных схем.
Рассматривая принципы, конструкции, технологию
создания микросхем, мы почти не упоминали, но все
время подразумевали, что все это создали люди. Не
отдельные люди, не десятки, не сотни людей, а сот¬
ни и тысячи творческих коллективов, включавших в
себя специалистов по электронике, схемотехников, кон¬
структоров, технологов, операторов и рабочих, обслу¬
живающих сложные вакуумные и химические уста¬
новки для изготовления микросхем. Но вся эта ог¬
ромная армия не смогла бы существовать без прочно¬
го тыла — рабочих, техников, инженеров, создающих
необходимое для производства микросхем оборудова¬
ние, системы автоматического управления и контроля,
МИКРОСХЕМЫ
ИЗ... БЕЛКОВ
123

пакеты программ для управления оборудованием и про¬
ектирования микросхем.
Касаясь некоторых проблем и решений, позволив¬
ших сделать тот или иной новый шаг в области совер¬
шенствования и увеличения степени интеграции микро¬
схем, мы не осветили и сотой доли этих проблем.
Тем не менее хотелось бы, чтобы, соприкоснувшись
с некоторыми сложностями создания микросхем, чита¬
тель представил себе, сколько изобретательности, уси¬
лий, неудач, достижений требовал каждый шаг на пути
их создания. При этом надо иметь в виду, что каждое
новое достижение в области микроэлектроники основа¬
но не на отдельных удачных идеях и инженерных реше¬
ниях, а на комплексных проблемных исследованиях,
сочетающих новые принципы действия таких электрон¬
ных приборов, как полевые транзисторы или диоды
Шотке, с новой конструкцией, материалами, техноло¬
гией, оборудованием, приборами для контроля. И вся
эта «кухня» становится тем сложнее и тоньше, чем боль¬
ше элементов размещается на каждом квадратном сан¬
тиметре подложки.
Тем не менее, несмотря на все трудности, удалось
увеличить число этих элементов до сотен тысяч и мил¬
лионов. Является ли это пределом? Довольно сложный
вопрос.
Уже намечаются принципиально новые направления
для создания будущих микросхем. Идеи эти начинают
созревать весьма и весьма своевременно, поскольку
создатели микросхем, повысив уровень интеграции до
миллионов элементов на одном квадратном сантиметре
подложки, начали явственно ощущать «потолок». Это
естественно, поскольку во всякой области техники есть
пределы, выше которых «прыгнуть» уже невозможно,
потому что законы природы обойти никому не дано.
Современная микроэлектроника вышла уже на та¬
кой уровень, что попытки дальнейшего увеличения чис¬
ла элементов на микросхеме наталкиваются на ряд
практически неразрешимых проблем.
Проблема первая — теплоотвод. Коэффициент по¬
лезного действия активных элементов всегда ниже, чем
единица. Это значит, что какая-то часть энергии источ¬
ников питания, потребляемого диодами и транзистора¬
ми, превращается ими в тепло. Оно частично рассеива¬
ется в окружающее пространство, а частично расходу¬
ется на разогрев подложки и элементов микросхем.
Разогреваются и резисторы под действием текущего
через них тока. Разогреваются конденсаторы из-за
потерь в диэлектрике. Конечно, каждый микроскопиче¬
ский элемент способен выделить ничтожную каплю теп¬
ла. Но миллион элементов, сосредоточенных в объеме
в один кубический сантиметр, выделяют миллион ка¬
пель, и их оказывается достаточно, чтобы разогреть
124

микросхему настолько, что под действием температуры
элементы схемы изменяют свои параметры, нарушают
нормальный режим работы всей схемы.
До тех пор, пока количество элементов на микросхе¬
ме не превышало десятков тысяч, разогрев схемы не
превышал допускаемых пределов. При ста тысячах эле¬
ментов пришлось применять специальные меры для
отвода тепла. Если же число элементов переваливает
за миллион, никакие меры уже не способны спасти схе¬
му от разогрева.
Вторая проблема, возникшая «у потолка», связана
с точностью изготовления масок. Чем больше элементов
на одной микросхеме, тем, естественно, миниатюрнее,
«микроскопичнее» должен становиться каждый ее эле¬
мент. И в конце концов в процессе микроминиатюриза¬
ции наступает такой этап, когда сама природа начинает
противиться дальнейшему уменьшению размеров эле¬
ментов для микросхем. Непреодолимым препятствием
становятся эффекты дифракции света на границах
«окон» при изготовлении фотошаблонов и масок. Ди¬
фракция «размывает» эти границы. Пока размеры
«окна» и соответствующего ему элемента существенно
превышают зону дифракции, этим эффектом можно
пренебрегать. Когда же количество напыляемых на
микросхему элементов возрастает до сотен тысяч и мил¬
лионов, каждый из элементов становится меньше, чем
ширина размытых дифракцией лучей. Этим и опреде¬
ляются пределы возможностей фотолитографии и уро¬
вень «потолка», ограничивающего дальнейшее увеличе¬
ние степени интеграции микросхем.
Не менее сложным становится вопрос соединения
элементов схемы друг с другом. Чтобы обеспечить нор¬
мальное функционирование микросхемы, надо проло¬
жить соответствующие трассы для передачи сигналов.
Для этого необходимо, не допустив ни единой ошибки,
определенным образом соединить миллион элементов
схемы несколькими миллионами проводников. Таблицы
соединений для одной микросхемы составили бы не¬
сколько толстых томов. В течение рабочего дня конст¬
руктор способен соединить порядка 10—15 элементов.
Для проектирования одной сверхбольшой интегральной
схемы (СБИС) коллективу из 70 работников понадоби¬
лось бы около 5 лет. Если при этом будет допущена хотя
бы одна ошибка в соединениях, нарушится функциони¬
рование всей схемы. Найти среди миллионов соединений
ошибку труднее, чем заново развести миллионы провод¬
ников.
Все эти поистине фантастические трудности оказа¬
лись бы непреодолимыми, если бы на помощь электро¬
нике не пришла сама электроника, предложившая про¬
ектировать микросхемы с помощью электронных машин.
Справедливости ради надо отметить, что заслуга в со-
125

здании систем автоматизированного проектирования
(САПР) для БИС и СБИС принадлежит не только спе¬
циалистам по электронике. Не менее важная роль выпа¬
ла здесь на долю создателей специальных программ.
Оснащенный такими программами электронный ком¬
пьютер способен за несколько дней спроектировать мик¬
росхему, на которую целый коллектив разработчиков
потратил бы несколько лет кропотливого умственного
и ручного труда.
В его электронной памяти хранятся данные о мил¬
лионах микроскопических элементов, которые он дол¬
жен соединить друг с другом так, как это предписано
разработчиками схем.
Кроме того, по ходу работы компьютер сам себя про¬
веряет по специальным программам. Если конструктор
может забыть об одном из нескольких миллионов соеди¬
нений или не заметить, что два проведенных им провода
пересеклись, замкнув цепь в неположенном месте, то
для компьютера это исключено.
Закончив разводку соединений и проверив их пра¬
вильность, компьютер включит графический автомат
(графопостроитель), который выдаст увеличенный в
масштабе чертеж. Сфотографировав этот чертеж, что¬
бы превратить макет в рабочий шаблон, надо его умень¬
шить, поскольку все элементы (точнее, соответствую¬
щие им «окна» на фотошаблоне) должны иметь нату¬
ральный размер.
Имея фотошаблон, можно приступать к изготовле¬
нию микросхемы. Но прежде чем начать изготавливать
ее в потребных количествах (которые могут достигать
миллионов штук в год при современных масштабах
внедрения микросхем), придется пройти этап ее дора¬
ботки на небольшой опытной партии таких микросхем.
Потому что, сколь бы ни был «умен» компьютер, как бы
ни старались те люди, которые оснащали его програм¬
мами, они не способны предвидеть всех тонкостей, кото¬
рые могут возникнуть в сложном процессе изготовления
микросхем.
Одна микроскопическая частица металла, попавшая
не на свое место в процессе напыления микроскопиче¬
ской паутины соединений, способна свести на нет весь
кропотливый труд создателей микросхемы, замкнув
накоротко два соседствующих проводника. Если в обла¬
ке металлизированных частиц распыляемого металла
случайно окажется частица не обладающего проводи¬
мостью материала, она может осесть на подложку,
образовав разрыв в каком-то месте соединений. И раз¬
рыв, и короткое замыкание нарушат работу всей микро¬
схемы. Тогда придется решать непростую задачу: выяс¬
нять причину, вызвавшую отказ: виноват ли в этом слу¬
чайный дефект, или ошибка кроется в самой микросхе¬
ме? Имея в руках единственный образец микросхемы,
126

невозможно ответить на этот вопрос. Потому-то в про¬
цесс создания микросхем включен этап исследований
опытных партий.
Если отказ обнаружен всего лишь в одном образце
микросхемы, значит, причина кроется в случайных
дефектах. Если же одно и то же нарушение режима
функционирования повторяется во всех опытных образ¬
цах, значит, причина допущена на этапе проектирова¬
ния микросхем.
По характеру нарушений определяется, какое имен¬
но отказало звено. В этом звене нужно проверить пра¬
вильность соединений. Если ошибка в соединениях не
обнаружена, надо искать причину в режимах работы
входящих в звено элементов: замерить токи и напряже¬
ния, сравнить их с требованиями технических условий
на элементы, проверить расчеты взаимодействий эле¬
ментов друг с другом. После обнаружения причины
отказа внести коррекцию в схему, затем в чертеж соеди¬
нений, в фотошаблоны, в маски и, наконец, приступить
к повторным исследованиям вновь изготовленной пар¬
тии опытных образцов. И снова быть готовым к тому,
что одна случайно вмешавшаяся в процесс напыления
микроскопическая частица может нарушить все те
функции микросхемы, ради которых в нее было вложено
столько тонкого, скрупулезного и кропотливого труда.
Помимо обрывов и коротких замыканий, в процессе
изготовления пленочных элементов часто возникают
дефекты, обусловленные микроскопическими отклоне¬
ниями от требуемой конфигурации напыляемых пленок.
В местах таких отклонений пленка начинает взаимодей¬
ствовать с напыленным до нее слоем или с материалом
подложки. В этом месте может образоваться паразит¬
ная емкость и даже паразитный диод или транзистор.
Эти паразитные элементы способны нарушить функции
микросхемы вплоть до порождения паразитных сигна¬
лов, которые вдруг начнет генерировать случайно обра¬
зовавшийся паразитный триод. Помимо этих случайно¬
стей, при проектировании микросхем необходимо учиты¬
вать еще и распределенные по всей площади микросхе¬
мы паразитные емкости, образующиеся при контактах
металлизированных и изолирующих пленок.
Преодолевая все описанные и еще многие неупомя¬
нутые трудности, разработчики электронных приборов,
схемотехники, конструкторы и технологи сумели со¬
вместными усилиями создать многочисленное семейство
выполняющих самые разнообразные функции пленоч¬
ных микросхем.
Сложным и слаженным взаимодействием сотен
тысяч микроскопических элементов обусловлены проте¬
кающие в микросхемах процессы, позволяющие генери¬
ровать, преобразовывать, усиливать разнообразные
сигналы, перерабатывать и хранить информацию, вы-
127

полнять огромное множество возложенных на микро¬
схемы задач.
Соперничая с природой, достигающей совершенства
своих творений путем длящегося многие миллионы лет
естественного отбора, человеческий разум за три деся¬
тилетия целенаправленной деятельности сумел создать
великое разнообразие микросхем, а в каждой созданной
микросхеме -особый микроскопический мир. Только
благодаря интегральной технике за те же три десятиле¬
тия удалось в сотни раз сократить объем электронной
машины, создать умещающийся в небольшом чемодане
персональный компьютер, выполняющий те операции,
для которых совсем недавно требовался занимающий
несколько залов вычислительный центр.
Специалисты по микроэлектронике имели бы все
основания надолго почить на лаврах, считая, что в обла¬
сти микросхем они достигли полного совершенства, если
бы не существовали на свете куда более совершенные
микрокомпьютеры: нейронные сети, из которых состоят
все нервные ткани живых организмов и их головной
мозг.
Как бы ни совершенствовались знания, опыт и искус¬
ство технологов, как бы ни изощрялся творческий разум
создателей электронных приборов и конструкторов мик¬
росхем, созданные природой нейронные сети все еще
остаются желанным, но недостижимым пока идеалом.
Полемизируя с представителем религиозного куль¬
та, который считал для себя предпочтительным верить,
что своим происхождением он обязан не обезьяне, а
Богу, Анатолий Васильевич «Луначарский заметил:
«Веря в происхождение от обезьяны, мы видим, как
высоко мы поднялись. А веря в происхождение от Гос¬
пода Бога, мы замечаем, как низко мы пали».
Остроумную шутку А. В. Луначарского можно не¬
сколько перефразировать с целью оценки степени совер¬
шенства созданных электроникой микросхем. *
Сравнивая персональный компьютер с громоздкой
электронной машиной первого поколения, мы видим,
как высоко мы поднялись. Сравнивая тот же компьютер
с мозгом, мы понимаем, что до уровня совершенства,
которого путем длительной эволюции достигла природа,
нам пока еще весьма далеко.
Нейронные сети чрезвычайно компактны: 10п нейро¬
нов мозга уместились в объеме 1,5 литра. Если учесть,
что электронная модель одного нейрона содержит 50—
60 транзисторов, то сеть из 1011 искусственных элект¬
ронных нейронов, выполненная на обладающих самой
высокой степенью интеграции микросхемах, получилась
бы величиной с жилой дом. И притом, несмотря на
огромные достижения вычислительной техники и мно¬
жество разработанных способов обработки сигналов,
этот гигантский искусственный мозг был бы весьма при-
128

митивен по сравнению не только с человеческим мозгом,
но и с мозгом животных.
Мозг курицы сравнительно примитивен. Ее интел¬
лект не способен усвоить даже такие простые арифмети¬
ческие действия, как 2X2=4 или 2+3=5. Зато курица
находит зерно среди травы, мелких камешков и разного
сора. Подобную операцию пока не способно выполнить
созданное для распознавания зрительных образов
электронное устройство — так называемый перцептрон.
(В переводе на русский язык «перцептрон» означает
«распознаватель».) Перцептрон отличит пирамиду от
куба, каким бы ребром ни была повернута распознавае¬
мая фигура. Он узнает любую букву алфавита, невзи¬
рая на различия почерка или шрифта. Это, конечно, уже
немало. Но в то же время это весьма и весьма примитив¬
но по сравнению со способностью человека узнавать в
лицо своего знакомого, которого он не видел, скажем,
в течение 15 лет и вдруг случайно встретил в толпе.
Спросите этого человека, по каким признакам он
определил, что перед ним не чужой человек, а его знако¬
мый Петров. В большинстве случаев он затруднится
ответить. За 15 лет изменяются все поддающиеся точ¬
ному описанию черты человеческого лица. За это время
Петров, в прошлом курчавый брюнет, мог стать седым
или лысым. На лице появились морщины, изменилось
даже выражение глаз. Но что-то до удивления знакомое
сохранилось в его улыбке и в мимике, но это «что-то»
кажется настолько неуловимым, что остановивший Пет¬
рова на улице уже готов извиниться, объяснить, что он
обознался, но, всмотревшись еще внимательней, вдруг
решил: «Нет, точно,— Петров!»
Какую же обработку сигналов должен совершить
человеческий мозг, чтобы за какие-то доли секунды
успеть обработать всю поступившую от органов зрения
информацию, извлечь из памяти давно затерявшийся
в ней внешний облик Петрова, сравнить то, что хранит
память, с тем, что предстало перед глазами, и среди мно¬
жества несовпадающих признаков обнаружить именно
те, по которым можно определить, что это не кто иной,
как Петров. По каким программам ведется подобная
обработка? Ведь почти все формальные признаки, кото¬
рыми можно характеризовать черты лица случайно
встреченного Петрова, не совпадут с теми же признака¬
ми пятнадцатилетней давности. Действуя по правилам
формальной логики, превращенным в соответствующие
программы, компьютер обязан был ответить: «Нет, не
Петров».
Рассмотренный нами пример иллюстрирует слож¬
ность проблемы, именуемой проблемой распознавания
образов и относящейся к категории комплексных науч¬
ных проблем. Комплексных потому, что ни одной отдель¬
но взятой науке не под силу решить всех связанных с
9 Е. Седов
129

этой проблемой вопросов. Она должна решаться совме¬
стными усилиями целого ряда наук. Ею занимается
психология, точнее одна ее конкретная область, назван¬
ная гештальтпсихологией, потому что слово «образ»
переводится на немецкий язык как «гештальт». Ею
занимаются программисты, специалисты по вычисли¬
тельной технике и электронике, создающие и совершен¬
ствующие перцептроны. Принципы действия перцептро-
нов с какой-то степенью приближения моделируют про¬
цессы обработки сигналов в мозге и помогают психоло¬
гам и физиологам строить предположения относительно
того, как работает мозг.
Представителям всех наук, занимающимся пробле¬
мой распознавания образов, предстоит в тесном содру¬
жестве разгадать еще немало загадок, связанных с моз¬
гом, прежде чем они смогут создать электронные схемы,
запоминающие, обобщающие и распознающие самые
различные образы с той же степенью достоверности, как
это делает мозг.
А пока можно с уверенностью говорить лишь о том,
что дальнейшее совершенствование этих схем потребует
увеличения числа электронных ячеек, а следовательно,
и степени их интеграции. Можно предполагать, что при¬
рода не допускала излишеств, когда она создавала
самую совершенную в мире систему обработки сигна¬
лов, состоящую из 10й нейронов, уместившихся в полу¬
торалитровом объеме.
Сможет ли микроэлектроника будущего приблизить
ся к совершенству природы?
С учетом рассмотренных нами ограничений, обус¬
ловленных сложностями теплоотвода и пределами точ¬
ности изготовленных элементов, надо было бы ответить
на этот вопрос отрицательно. Но именно в тот момент,
когда освоенные микроэлектроникой принципы уже поч¬
ти достигли пределов своих возможностей, начали про¬
рисовываться совсем иные пути.
Если построенный из живых клеток мозг обрабаты¬
вает сигналы лучше, чем микросхемы, может быть, мож¬
но использовать живые клетки для создания микросхем?
Исследования клетки показали, что содержащиеся
в них тончайшие слои белков и липидов в сочетании при¬
обретают свойства мембраны. А мембрана — это, по
сути, тот же диодный вентиль, действующий как водо¬
проводный клапан (см. Е28). Клапан преграждает
обратный путь водяным потокам, диод — электрическо¬
му току, мембраны клеток — участвующим в процессах
обмена химическим веществам.
Ну а раз из двойных слоев белков и липидов природа
сумела создать аналог диодов, можно по тем же рецеп¬
там создать трехслойные белковые пленки и наделить
их свойством триодов. А дальше остаются вопросы тех¬
нической реализации: комбинируя участки белковых
130

триодов с диодами, емкостями, пленочными резистора¬
ми, можно получить аналоги тех микросхем, которые
современная электроника выполняет на основе полупро¬
водниковых кристаллов и неорганических пленок.
Пусть не сочтет читатель, что увлеченный новыми
идеями автор переступил границу научных основ и
практических дел электроники и повел читателя книги
«Мир электроники» на территорию, принадлежащую
авторам не научно-художественных, а фантастических
книг. Нет, белковые микросхемы ----- это уже отнюдь не
фантастика и даже не область чистой теории, а та новая
область практики, в которой электроника уже делает
первые, пусть еще очень робкие, зато многообещающие
шаги. Вот первые результаты: японская фирма «Санто-
ри ЛДТ» создала первые образцы так называемых био¬
чипов — микросхем, выполняющих функции электрон¬
ной памяти на основе искусственно выращенных белко¬
вых структур. По оценкам японских специалистов, в
ближайшем будущем емкость памяти на биочипах пре¬
высит емкость памяти микросхем, выполненных на
полупроводниковых кристаллах, в 109 (в миллиард!)
раз. Уже становится очевидным, что переход от кри¬
сталлических микросхем к белковым позволит преодо¬
леть указанные нами барьеры на пути дальнейшего
повышения степени интеграции микросхем. Современ¬
ный этап развития электроники можно сравнить с пе¬
риодом зарождения реактивной авиации, позволившей
преодолеть недоступный для винтовых самолетов звуко¬
вой барьер.
Для реализации всех потенциальных возможностей
биочипов предстоит научиться управлять ростом белко¬
вых тканей, чтобы наделять их свойствами, аналогич¬
ными свойствам всех элементов пленочных микросхем.
Эти задачи относятся к области генной инженерии, раз¬
рабатывающей способы управления процессами роста
белковых клеток и тканей путем воздействия на их гене¬
тический код. При этом вопрос стоит не только о созда¬
нии выращиваемых для удовлетворения потребностей
электроники тканей, но и о стабильности протекающих
в них процессов, о надежности, о стоимости, об энерге¬
тической экономичности биоэлектронных микросхем.
Прогнозируя недалекое будущее, предположим, что
все названные проблемы уже решены. Будет ли этого
достаточно, чтобы с помощью микросхем выполнять все
функции мозга?
К сожалению, нет. Мало иметь набор создаваемых
на основе белковых структур элементов, надо понять,
каким образом соединять их друг с другом; какая логи¬
ка и какие программы должны быть заложены в эти схе¬
мы; каким образом обрабатывать поступающие через
заменяющие органы чувств электронные датчики сигна¬
лы внешнего мира; как научить искусственный мозг
9*
131

узнавать через 15 лет изменившегося внешне Петрова;
как наделить искусственный мозг интуицией, помогаю¬
щей человеку принимать правильные решения в тех слу¬
чаях, когда недостаток исходных данных не позволяет
получить с помощью логики точный и однозначный
ответ. К этим проблемам нам еще предстоит вернуться
во второй книге «Мир электроники» при рассмотрении
созданных электроникой логических ячеек, ставших
основой создания ЭВМ.
А пока, поскольку речь зашла об использовании бел¬
ковых структур в интегральной технике, обсудим лишь
одну их важную роль в дальнейшем совершенствовании
ЭВМ.
Увеличение степени интеграции уже само по себе
позволит еще больше расширить возможности элект¬
ронной машины. Увеличится объем памяти. Увеличится
быстродействие, поскольку наличие на одной схеме мил
лионов ячеек позволяет вести обработку вводимых в
компьютер сигналов, не выстраивая их в длинную оче¬
редь, а распределяя по соответствующим звеньям и
обрабатывая в параллель.
Достижения интегральной техники, основанной на
использовании полупроводниковой и пленочной техно¬
логии, позволили перейти к созданию персональных
компьютеров. В маленьком чемоданчике умещается
теперь электронно-вычислительная машина, способная
делать больше, чем использующий ЭВМ прежней конст¬
рукции вычислительный центр.
А что будет, когда начнется массовый выпуск микро¬
схем. основанных на биочипах? Чемоданный компью¬
тер, по-видимому, превратится в карманный. Но, поми¬
мо таких чисто количественных показателей, как объем,
вес, быстродействие, должен произойти и качественный
скачок в развитии ЭВМ. Основой такого скачка должно
стать все более и более детальное изучение принципов
обработки сигналов, используемых мозгом. Вот тут-то
биотехнологии и генной инженерии предстоит сыграть
уже не только чисто техническую, но и сугубо принци¬
пиальную роль.
Ведь каждый новый тип биочипа представляет собой
некую упрощенную модель живых клеток. Чем больше
количество генетических кодов будет распознавать и
использовать в практике создания микросхем генная
инженерия, тем ближе окажутся синтезируемые ею
искусственные белковые ткани к естественным нейрон¬
ным сетям. Развитие микросхем и создаваемых на их
основе вычислительных сетей будет идти двумя направ¬
ленными навстречу друг другу путями. Используемые
в качестве моделей белковые микросхемы будут способ¬
ствовать углублению понимания принципов обработки
сигналов в нервных тканях н в мозге. А понимание этих
принципов будет способствовать дальнейшему совер-
132

шенствованию самих микросхем и создаваемых на их
основе вычислительных электронных систем.
Расширятся горизонты рукотворного микромира.
Наряду с неорганическими пленочными микросхемами
будет все шире использоваться разрастающееся семей¬
ство биотехнологических микросхем. На их основе нач¬
нут развиваться искусственные нейроподобные сети. В
них будут закладываться все более сложные комплексы
разнообразных программ. Подчиняясь этим програм¬
мам, сигналы начнут циркулировать между нейроподоб-
ными клетками по межклеточным связям. Внутри искус¬
ственно созданных белковых тканей возникнет своеоб¬
разная искусственно созданная жизнь.
Освоенное генной инженерией управление генетиче¬
скими кодами, регулирующими процессы формирования
белковых клеток и тканей, позволит со временем реали¬
зовать в микросхемах еще одно важное свойство, кото¬
рым наделены нервные ткани и мозг. Речь идет о способ¬
ности восстановления поврежденных участков тканей,
о росте новых клеток, способных принять на себя функ¬
ции поврежденных, о перераспределении функций, даю¬
щем возможность мозгу компенсировать возникающие
повреждения, не теряя способности воспринимать и
обрабатывать разнообразную информацию, которую
непрерывно и щедро поставляет ему окружающий мир.
Реализация подобных возможностей в биочипах
позволит кардинально решить проблемы надежности
микросхем.
В недалеком будущем, по-видимому, наступит такое
время, когда трудно будет отличать искусственную
жизнь от естественной, определять, является ли пост¬
роенная на основе искусственных белковых тканей
система чисто техническим устройством или инженерам-
генетикам в содружестве с инженерами по электронике
удалось построить по собственному проекту хотя и
искусственный, но в то же время живущий самостоя¬
тельной сложной жизнью биоэлектронный мозг.
Первая глава подошла к концу, но еще далеко не исчер¬
паны затронутые в ней темы.
По сути, в этой главе нам удалось наметить лишь в
самых общих чертах основной путь развития электрони¬
ки и расставить на этом пути указательные столбы.
Мы пока не касались вопроса о том, как в процессе
освоения необходимого для локации диапазона сверх¬
высоких частот электронике пришлось создавать целое
семейство новых электронных приборов: магнетроны,
клистроны, лавино-пролетные диоды, лампы с бегущей
волной.
Мы еще не упоминали приборы, основанные на взаи¬
модействиях электронов и квантов: лазеры, туннельные
ФУНДАМЕНТ
ОГРОМНОГО
ЗДАНИЯ
133

диоды, приборы, использующие туннельные эффекты в
сверхпроводниках.
Мы не рассматривали принципы действия электрон¬
ных устройств, используемые вычислительной техникой:
цифровые и логические схемы, системы искусственной
памяти, дисплейную технику и другие.
Того, что было рассказано, разумеется, слишком
мало, чтобы судить обо всей электронике, но уже доста¬
точно. чтобы найти к ней определенный подход.
Есть две стороны электроники, и обе они одинаково
необходимы тому, кто решил в ней что-то познать. С
одной стороны — основные понятия и законы, детали
конструкции электронных приборов и элементы схем.
С другой — совокупность многих процессов, одновре¬
менно текущих во времени, их сложная взаимосвязь.
Нельзя понять эти процессы, не зная законов или дета¬
лей конструкций. И в то же время, даже зная все эле¬
менты, иногда бывает непросто увязать их между собой.
С одним из таких процессов читатель уже столкнул¬
ся. Это процесс, в котором невидимый электрический
импульс прорисовывается на экране трубки электрон¬
ным лучом. Здесь изменяется одновременно ток в лам¬
пе, ток в конденсаторе, напряжение на пластинах и путь
электронов, образующих луч.
Подобных процессов в электронике много. И чтобы
понять, как они протекают в схемах, нужно учитывать
множество одновременно текущих событий и явлений
и увязывать их между собой.
Создавая проект нового здания, архитектор мыслен¬
но видит его в пространстве. Специалисты по электрони¬
ке при создании любого прибора должны четко мыслить
не только в пространстве, но и во времени, представлять
себе, как течет поток электронов, как рожденные этим
потоком непрерывно пульсирующие электромагнитные
волны мгновенно заполняют пространство, как в любой
момент времени в различных частях пространства внут¬
ри сложных электронных приборов электроны и волны
взаимодействуют между собой.
До сих пор речь шла только об электронах. Теперь
мы должны познакомиться с волнами, потому что осно¬
вой основ электроники является взаимодействие элект¬
ронов и волн.

Здесь читатель
сможет сам
убедиться в том, что
в работе
электронных
приборов поле
играет не менее
важную роль, чем
сам электрон.
Познакомившись с
волнами, о которых
ученые заговорили
раньше, чем их
удалось обнаружить,
читатель приобретет
полезные сведения
о «содружестве»
волн с электронами,
породившем
всемирную радио- и
телевизионную
связь.

Рассматривая принципы действия вакуумных и
полупроводниковых приборов, мы то и дело вспоми¬
наем об электрическом поле, которое воздействует
на электрон. Оно возникает в пространстве между
двумя электродами при наличии разности потенциа¬
лов. В частности, мы говорим о том, что разность
потенциалов между катодом и анодом диода обуслов¬
лена тем, что к катоду диода подведен некий ус¬
ловный минус, а к аноду — в такой же мере услов¬
ный плюс.
Столь же условно можно принять потенциал анода
равным нулю. Ничего от этого не изменится. Разность
потенциалов останется той же, только придется считать,
что на катоде минус возрос на соответствующую вели¬
чину. Чаще бывает удобнее принимать за нуль потен¬
циал катода, считая при этом, что на анод подан соот¬
ветствующий плюс.
Направление возникающего под воздействием поля
тока определяется тоже условно. Принято считать, что
отрицательно заряженный электрон движется по замк¬
нутой внешней цепи, как бы отталкиваясь от минусовой
клеммы источника тока и стремясь к клемме, на которую
подан плюс. Но до открытия электрона считалось, что
во внешней цепи ток гвижется от плюса к минусу. Это
условное направление теперь принято называть тех¬
ническим направлением тока. А можно считать, что
электронный ток течет от «большего минуса к мень¬
шему».
В любой реальной цепи можно рассматривать и тех¬
ническое и фактическое направление тока, важно толь¬
ко не путать одно с другим.
В меньшей мере условны обозначения потенциалов
магнитного поля: если магнитной стрелке предоставить
возможность свободно вращаться вокруг оси, ее поло¬
винки с обозначениями S и N сами собой ориентируются
относительно северного и южного полюсов магнитного
поля Земли.
Все это мы проходили в школе. На уроках и ученики
и учитель поочередно произносили привычную фразу:
«При наличии разности потенциалов между анодом и
катодом возникает электрическое поле».
И тогда нам казалось, что этой фразой мы объяс¬
няем все. На самом же деле это всего лишь привыч¬
ная формулировка, не дающая никаких представле¬
ний ни о природе самого поля, ни о том, каким обра¬
зом электрическое поле может воздействовать на элек¬
трон.
Например, мы говорим: «под действием сил притя¬
жения анода электроны...» А что это за силы? Поле
обладает определенной энергией, но, пока в нем не по¬
явились обладающие электрическим зарядом частицы.
СКАЗКА
О СПЯЩЕМ
БОГАТЫРЕ
137

эти силы не проявляют себя никак. Силы магнитного
поля тоже возникнут только в том случае, если между
полюсами магнита появились частицы железа или дру¬
гих магнитных материалов. По этой причине силы взаи¬
модействия поля с реагирующими на присутствие поля
физическими телами физики относят к категории вир¬
туальных, то есть как бы не имеющихся в наличии, а
лишь предполагаемых сил. Виртуальные силы полей
проявляются лишь при наличии способных вступать во
взаимодействия с полем объекта и пропадают, как толь¬
ко исчезнет этот объект.
Накопленный электроникой опыт показывает, что
в электрических и магнитных полях таятся огромные
силы, которые можно использовать для различных тех¬
нических нужд. Но чтобы привести эти силы в действие,
надо найти способ управления взаимодействием этих
сил с электронами, подобно тому, как героям старинных
сказок приходилось искать волшебное слово, позволяю¬
щее привести в действие силу заколдованного недобрым
волшебником спящего богатыря.
НИТИ
ТЯНУТСЯ
В ПРОШЛОЕ
История постижения свойств электрических и маг¬
нитных полей ничуть не менее поучительна, чем история
открытия, изучения и использования свойств электрона.
Можно сказать даже больше: электрон никогда не был
бы обнаружен, и уж тем более ни один электронный
прибор не был бы создан, если бы в распоряжении уче¬
ных и техников не находился накопленный к тому вре¬
мени багаж знаний о свойствах электрических и магнит¬
ных полей. Ведь, используя поведение электрона в раз¬
личных условиях и используя его в качестве «рабочей
детали» тех или иных электронных приборов, ученые и
инженеры имеют дело не с электроном как таковым, а
с возникающими вокруг движущихся электронов по¬
лями, которые создает сохраняемый электроном
заряд.
Прежде чем создавать электронику, людям нужно
было собрать «по кирпичику» множество сведений о
зарядах, об их движении, взаимодействии с полем, о
свойствах полей электрических и магнитных, о законах
индукции, о постоянных и переменных токах, об элект¬
родвижущей силе, о том, как воздействует ток на маг¬
нитную стрелку и как будет вести себя провод с током,
если к нему поднести магнит.
А потом могучий разум Дж. Максвелла, впитав в
себя все эти сведения, по крупице добытые в сотнях
лабораторий, уловил неразрывную связь электричест¬
ва и магнетизма, отразил ее в стройной системе сво¬
их уравнений и предрек открытие электромагнитных
волн.
138

После смерти Дж. Максвелла эти волны были полу¬
чены Г Герцем.
А. Попов использовал их для беспроволочной свя¬
зи.
Дальнейшее развитие радиосвязи привело к созда¬
нию диодов, триодов и других электронных приборов и
ламп.
Такова предыстория электроники. А с чего началась
сама электроника? Быть может, с открытия электрона?
Нет, открытие электрона еще не послужило началом
развития электроники: ведь электронами в то время
никто не умел управлять.
Управлять ими помогла электронная трубка. Но и
она не создала электроники: пока не появились на свет
электронные лампы, трубка вела тихую жизнь затвор¬
ницы в стенах храма чистой науки, и, кроме узкого кру¬
га физиков, с ней никто не был знаком. Может быть,
рождение электроники надо связать с изобретением
трехэлектродных ламп? Но для чего Ли де Форест ввел
свою сетку?
Оказывается, чтобы управлять электронами с помо¬
щью поля. Значит, прежде чем создавать триоды, надо
было исследовать свойства полей. А зачем понадоби¬
лись триоды?
Чтобы усовершенствовать радиосвязь. Передат¬
чик Попова был мало похож на современный: он
мог передавать только азбуку Морзе в виде корот¬
ких всплесков радиоволн. О передаче разговора,
музыки, изображения не могло быть и речи. Все эти
возможности появились после того, как появился
триод.
Итак, триод позволил усовершенствовать прин¬
цип, открытый А. Поповым. А. Попов использо¬
вал волны, полученные Г. Герцем. Г. Герц подтвер¬
дил гениальную мысль Дж. Максвелла. Дж. Макс¬
велл обобщил факты, добытые М. Фарадеем. А М. Фа¬
радей...
Опять потянулась ниточка в прошлое. Где же ее
начало?
Оно теряется в древних веках.
С электричеством люди знакомы давно. Оно испокон
веков являлось им в грозном обличии грома и мол¬
нии. Не зная природы грозы, наши предки считали
ее проявлением гнева богов. Даже самым смелым
из мыслителей древности не приходила в голову дерз¬
кая мысль обуздать эту силу и обратить ее на поль¬
зу людей.
Второе электрическое явление, с которым столкну-
ЯНТАРНАЯ
ПАЛОЧКА
139

лись люди, имело характер столь безобидный, что труд¬
но было усмотреть в нем что-либо общее с проявлением
грозных стихий.
Янтарная палочка, натертая шерстью, притягивала
к себе легкие предметы: пушинки, кусочки бумаги. По
свидетельству древнегреческого философа Фалеса
Милетского, жившего в VI веке до нашей эры, явление
это было открыто ткачихами, обрабатывавшими шерсть.
Ими было замечено, что прялки с янтарной осью имеют
преимущества перед другими прялками: с янтарной оси
меньше сползает нить. Так что можно считать, что ось
из янтаря была, по сути, первым в мире изобрете¬
нием, основанным на использовании электрических
явлений.
Первым, но, к сожалению, и последним на це¬
лых 24 века. Потому что вплоть до конца XVIII ве¬
ка никто не задумывался о том, какие силы притя¬
гивают нити к янтарной палочке, и уж тем более о
том, какую практическую пользу можно извлечь из
этих сил.
Зато в XIX веке электричество стало основой про¬
гресса, неотъемлемой частью технических достиже¬
ний и научных теорий, объясняющих, как устроен наш
мир. Никого не удивлял больше тот факт, что одними и
теми же силами рождаются, казалось бы, совсем не¬
сходные друг с другом явления: взаимодействие частей
внутри атома и движение мощных электромоторов, удар
молнии и притяжение шерстяных нитей палочкой из
янтаря.
Электричество стали обнаруживать всюду. Но не
потому, что оно вошло в моду, а потому, что большин¬
ство происходящих в нашем мире явлений и в самом
деле управляются магнитными и электрическими си¬
лами.
Кроме них, науке известны лишь сила инерции, силы
всемирного тяготения (гравитационные силы) и силы,
действующие внутри атомного ядра.
Ядерные силы имеют малый радиус действия — их
влияние не распространяется за пределы ядра. Гра¬
витационные силы на атом действуют слабо — он
слишком легок для того, чтобы ощущать тяготение
Земли. И лишь электромагнитные силы успешно
участвуют во взаимодействиях атомов и молекул. От
этих сил зависит строение молекул и атомов, их вза¬
имное влияние, ход всех химических превращений,
структура кристаллов, свойства различных физических
тел.
Век электричества —это не только мощные моторы
и генераторы или тончайшие измерительные приборы,
но еще и новое мировоззрение, новый взгляд на природу
140

многих явлений, обусловленных взаимодействием элект¬
ромагнитных полей.
А началось все с янтарной палочки. Даже само на¬
звание — электричество — произошло от нее: «янтарь»
по-гречески — «электрон».
Чувствуете, насколько узким казалось вначале поня¬
тие «электричество»? Нечто вроде «силы, таящейся в
янтаре». Зато потом эти рамки так расширились, что в
них уместился весь мир. Ведь он состоит из атомов и
молекул, а они как единое целое существуют благодаря
взаимодействию электромагнитных сил.
Таков вкратце путь пауки об электричестве: внача¬
ле— янтарная палочка, в конце — огромный, неисчер¬
паемый мир. Хорошо сказал по этому поводу француз¬
ский поэт Поль Валери: «Что может быть более непо¬
нятного для ума, чем история небольшого кусочка янта¬
ря, стань покорно проявляющего силу, которая скрыта
во всей природе, которая, быть может, и есть вся приро¬
да и которая в течение всех веков, кроме последнего,
проявлялась лишь в нем?»
Что же все-таки происходит с янтарной палочкой, ПЕРВЫЙ
когда ее натирают шерстью? Только в конце XVIII сто- ЗАКОН
летия наука дала более или менее четкий ответ: палочка
заряжается электричеством. А что такое электричество?
Откуда оно взялось?
В Х\ТП веке ответов на эти вопросы наука дать не
могла. Она ограничивалась констатацией фактов.
В 1734 году ученый из Франции Ш. Дюфе установил,
что существуют заряды двух видов. Один возникал все
в той же янтарной палочке при натирании ее шерстью.
А поскольку янтарь есть не что иное, как окаменевшая
смола деревьев, Ш. Дюфе назвал этот вид зарядов смо¬
ляным электричеством. Другой вид зарядов, появив¬
шихся на натертой кожей стеклянной палочке, он на¬
звал стеклянным электричеством.
Впоследствии, чтобы различать эти заряды, их стали
условно обозначать дошедшими до наших дней знаками
минус и плюс.
Было установлено, что тела, имеющие заряды с оди¬
наковым знаком, взаимно отталкиваются, а шряжен-
ные разноименно— стремятся друг к другу.
В 1775 году Ш. Кулон вслед за Г. Кавендишем по¬
ставил количественный эксперимент. Он задался целью
определить, от чего зависят силы взаимного притяже¬
ния двух точечных зарядов (он называл эти силы элект¬
рическими флюидами) и какова величина этих сил. А
что такое точечный заряд? Уж не имел ли Ш. Кулон в
виду электрон?
Нет. Он не имел нн малейшего представления об
электроне. Точечным он называл любое заряженное
141

тело, размеры которого были во много раз меньше, чем
расстояние до других заряженных тел. Надо было опре¬
делить, как зависит от расстояния сила взаимного при¬
тяжения заряженных точечных тел. При этом необхо¬
димо было учесть и величину полученного каждым
телом заряда: ведь сила тем больше, чем больше каж¬
дый заряд. Измерять силу в то время умели достаточно
точно. В частности, Ш. Кулон измерял силу взаимодей¬
ствия двух зарядов с помощью крутильных весов. Изме¬
рить расстояние между зарядами было и вовсе нетруд¬
но. Но как быть с зарядами? До Ш. Кулона никто не
пытался их измерять. Не было никаких единиц для изме¬
рения, никаких приборов, позволяющих сравнить их
между собой.
Ш. Кулон поступил весьма остроумно. Он взял два
заряженных шарика и определил, с какой силой они
притягиваются друг к другу. Потом взял третий, неза¬
ряженный, и заставил его соприкоснуться с заряжен¬
ным. Заряженный в миг прикосновения передал ему
ровно половину заряда, так как оба шарика были сде¬
ланы из одинакового материала и имели один и тот же
размер. После этого сила уменьшилась вдвое.
Затем он стал увеличивать расстояние между заря¬
женными шариками в 2, 3, 4 и 5 раз. Сила начала умень¬
шаться соответственно в 4, 9, 16 и 25 раз.
Так был найден закон взаимодействия двух точеч¬
ных зарядов: сила взаимодействия пропорциональна
величинам обоих зарядов и обратно пропорциональна
расстоянию, возведенному в квадрат (F=^' *	).
г1
В честь этого эксперимента закон был назван зако¬
ном Кулона. И единицы, которыми впоследствии стали
измеряться заряды, тоже называют кулонами. По срав¬
нению с зарядом одного электрона кулон выглядит
сущим гигантом: тело должно получить 6 290 000 000
000 000 000 электронов, чтобы приобрести заряд в один
кулон. Число огромное. Если в течение каждой секунды
передавать телу один миллиард электронов, то заряд
в один кулон накопится лишь через 200 лет.
Чтобы накопить и сохранить заряд в один кулон в
лабораторных условиях, пришлось бы принять специ¬
альные меры против утечки его через воздух и возник¬
новения разрушительных искусственных молний.

ВОКРУГ ЗАРЯДОВ НЕТ ПУСТОТЫ
ЭТО
ЛЕЖ1
г .if
2.1
Электрические заряды окружены электрическими
силовыми полями. Взаимное притяжение зарядов,
имеющих разные знаки, или отталкивание одноимен¬
ных зарядов обусловлено взаимодействием этих полей.
2.2
Силы, действующие в пространстве вокруг заряда,
условно изображаются стрелками. Установлено (тоже
условно), что стрелки выходят из тела, заряженного
положительно, и входят в тело, имеющее отрицатель¬
ный заряд.
143

2.3
Сравнивая электрическое поле разноименных
зарядов и поле вокруг полюсов магнита, нетруд¬
но заметить сходство электрических и магнитных
полей. Но есть между ними и существенные раз¬
личия.
В частности, электрическое поле образуется поло¬
жительными или отрицательными зарядами, которые
могут существовать независимо друг от друга. «Маг¬
нитных зарядов» в природе не существует. На сколько
бы частей ни пытались мы разделить магнит, в каж¬
дой отдельной части мы обнаружим и северный и
южный полюса.
Необходимо подчеркнуть еще и то обстоятель¬
ство, что пока речь идет о статических электрических
и магнитных полях. В ближайшем будущем нам
предстоит рассмотреть динамические электромаг¬
нитные волны, в которых электрические и магнит¬
ные поля становятся неотделимыми друг от друга,
как неотделимы северный и южный магнитные по¬
люса.
2.4
Так расположены силовые линии электрического
поля в случае столкновения двух зарядов, имеющих
одинаковый знак. Силовые линии как бы противят¬
ся сближению этих зарядов наподобие упругих пру¬
жин.
144

2.5
Заряд подобен солнцу, а силовые линии — лучам.
Чем дальше от солнца, тем меньше лучей достается
каждой площадке, тем слабее взаимодействуют заря¬
женное электричеством тело и точечный заряд.
Чтобы преодолеть противодействие поля при сбли¬
жении одноименных зарядов, надо затратить энергию
и совершить работу.
2.6
Попытайтесь представить себе бесконечность. Труд¬
но, не правда ли?
А теперь вообразите, что Некто, взяв с собой
10 Е. Седов
145

«единичный заряд» (заряд величиной в одну единицу),
прошел с ним путь из Бесконечно Удаленной Точки А,
находящейся в поле исходного заряда.
Та работа, которую пришлось совершить нашему
Некто, чтобы переместить единичный заряд из Беско¬
нечно Удаленной Точки в точку А, и определяет потен¬
циал точки А (обозначается через V*).
2.7
Путешествие из Бесконечно Удаленной Точки в точ¬
ку В потребует другой затраты энергии, поэтому потен¬
циал Vb отличается от потенциала Va.
Чтобы весьма абстрактное понятие Бесконечно Уда¬
ленной Точки стало более ощутимым и зримым, мы
пишем эти три слова с прописных букв. Это, конечно,
слабое утешение, поскольку даже при самой богатой
фантазии трудно представить себе Бесконечно Уда¬
ленную Точку.
Зато после того, как нами успешно пройден путь
от той эфемерной Точки до вполне конкретных точек
А и В, все становится гораздо нагляднее: благодаря
различию значений потенциалов Va и Vb поле способ¬
но перемещать заряды из точки А в точку В, совер¬
шая при этом работу. Работа, совершаемая полем при
перемещении единичного заряда из точки А в точ¬
ку В, равна разности потенциалов Va — Ve. Разность
потенциалов Vab = Va — Vb называют также нап¬
ряжением электрического поля между точками
А и В.
146

Так постепенно рождалась наука. Сначала был
известен лишь факт притяжения разноименных заря¬
дов. Ш. Кулон сумел установить строгий количест¬
венный закон. Появилась первая формула, которой под¬
чиняется узаконенное поведение двух заряженных тел.
По этой формуле можно определить силу, с которой при¬
тягиваются заряды, имеющие разные знаки. Но почему
они стремятся друг к другу? Каким образом одно тело
действует на другое, хотя между ними, кроме пустого
пространства, нет ничего?
Выходит, что тело, обладающее зарядом, каким-то
образом чувствует на расстоянии присутствие другого
заряда? Его «влечет неведомая сила» к зарядам, име¬
ющим противоположные знаки!
Примерно так объясняла эти явления теория даль¬
нодействия, существовавшая в те времена. Но что
это за объяснение? Можно подумать, что речь идет
о переживании двух влюбленных, а не о взаимодействии
физических тел!
И тем не менее ничего более вразумительного наука
в то время предложить не могла. Электричество было ей
еще слишком мало знакомо. То ли дело механика!
Тут все наглядно: тела воздействуют друг на друга
посредством удара, давления, тяги. Сила проявит себя
не раньше, чем соприкоснутся тела. А впрочем... Раз¬
ве всякое механическое тело не чувствует на расстоя¬
нии притягательной силы Земли? На все тела Земля
действует на расстоянии без штоков, без тяг, без
рычагов. Почему?
На предмет, обладающий массой, действует си¬
ла тяжести. Заряд, находящийся поблизости от дру¬
гого заряда, тоже подвержен действию сил. А нельзя ли
представить себе эти силы наглядно?
Оказывается, можно. Именно это и сделал впервые
М. Фарадей. Заряженное электричеством тепо он окру¬
жил стрелками, показывающими направление дейст¬
вия сил (см. 2.1).
Каждый заряд имеет определенную «сферу влия¬
ния». От него в пространство тянутся силы, словно от
солнца лучи (см. 2.6).
Так вот в чем секрет воздействия через простран¬
ство! Пространство вокруг зарядов перестает быть
пустым! Вокруг него образуется поле — поле действия
сил. Никакого дальнодействия нет — силы действуют
здесь в непосредственной близости. В каждой точке про¬
странства имеется поле, которое действует на вне¬
сенный в него заряд.
Это была гениальная догадка. Даже сам М. Фара¬
дей не мог предугадать, какие последствия повлечет
за собой эта глубокая и далеко идущая мысль.
Но какова же природа сил, воздействующих на
вносимые в поле объекты? Как уже было отмечено, эти
о полях.
СИЛАХ
И ЧЕШИРСКОМ
КОТЕ
ю*
147

силы иосяг название виртуальных, потому что они воз¬
никают и существуют только тогда, когда есть подхо¬
дящий для них объект.
«Подходящим» для разных нолей окажутся разные
по своей природе объекты. Объектами, испытывающими
воздействие электрического поля, оказываются физи¬
ческие тела, несущие в себе электрические заряды.
Тела, обладающие магнитными свойствами, подверже¬
ны действию магнитного поля. Поле же гравитации мо¬
жет воздействовать на те н другие, а кроме того, и на
прочие 1ела, обладающие массой. Правда, его воз¬
действие будет тем ощутимее, чем больше масса тела.
Поэтому на электрон, в силу ничтожности его массы,
гравитационное поле воздействует настолько слабо,
что в большинстве практических случаев этим воз¬
действием можно пренебрегать.
Подчеркивая взаимосвязь массы физических тел с
воздействием гравитационного поля, физики использу¬
ют понятие «тяготеющей массы». Применительно к эле¬
ктрону можно сказать, что его тяготеющая масса
чрезвычайно мала.
Силы, возникающие под воздействием всякого поля,
не обладают какой-либо особой природой, а относятся
к категории подробно изученных механических сил. Под
действием этих сил вносимые в иоле объекты будут пере¬
мещаться в пространстве, тормозиться или. наоборот,
приобретать ускорение, в некоторых случаях дефор¬
мироваться (изменять свою форму). Деформации будут
особенно очевидны, если воздействию поля подвергают¬
ся заряженные электричеством жидкости или газы: под
действием ноля в них образуются завихрения разнооб¬
разных и довольно причудливых форм.
Более сложным случаем, о котором нам еще предсто¬
ит говорить подробно, оказывается взаимодействие
магнитною ноля с подвижными электрическими заряда¬
ми. Изучение этих взаимодействий привело к ряду науч¬
ных открыиш, которыми увековечили свои имена X. Эр¬
стед, М. Фарадей и Дж. Максвелл.
На основе этих открытий родились обобщенные пре¬
дставления, которые послужили ступенью к познанию
свойств электромагнитных волн.
Гак, например, еще до открытия электромагнит¬
ных воли стало ясно, что текущий но проводу ток порож¬
дает перпендикулярное проводу магнитное поле. А если
юк течет по виткам помещенной в магнитное поле ка-
1ушки, то силы взаимодействия стремятся повернуть эту
катушку таким образом, чтобы магнитное поле было пе¬
рпендикулярно ее виткам.
Вир гуальные силы поля, способные появляться вмес¬
те с объектом их приложения и исчезать, «растворяясь»
в поле, в ожидании, когда объект появится снова, напо¬
минают улыбку Чеширского кота, описанного Льюисом
143

Керролом в его сказочной повести «Алиса в стране
чудес».
Кот замечателен тем, что он способен появлять¬
ся, существовать и исчезать по частям. Он может
показать свою голову отдельно от тела, рот — от¬
дельно от головы и даже улыбку — отдельно от...
рта.
При встрече с Чеширским котом перед Алисой возни¬
кала сначала одна улыбка, а уже потом появлялся
рот, глаза, уши и, наконец,— парящая в воздухе
голова.
Когда Королевой был отдан приказ отрубить коту
голову, палач пришел в полное замешательство, так
как не смог ббнаружить тела, от которого ему было
приказано эту голову отделить.
Теперь представим себе конечную стадию исчез¬
новения, когда нет даже улыбки, а осталась лишь воз¬
можность проявления, целиком или частями, потенци¬
альной силы кота.
Вот это состояние и может служить моделью поля,
которое существует потенциально, но появится лишь в
том случае, если в пределах сферы его влияния появится
подходящий объект.
Существуя «в самом себе» и никак внешне не
проявляясь, поле может претерпевать изменения во вре¬
мени и в пространстве. Поэтому физики определяют по¬
ле как функцию времени и трех пространственных коор¬
динат. Объект, попадающий в какую-то точку охва¬
тываемого полем пространства, можно сравнить
с мышью, оказавшейся в поле зрения временно исче¬
завшего для посторонних, но все же существовавшего
«потенциально» Чеширского кота. Мгновенно проявится
его сила, начнется движение в сторону мыши. Анало¬
гично по отношению к внесенному в поле объекту мгно¬
венно появится вектор поля, определяющий и направле¬
ние действующей на объект силы, и ее численную ве¬
личину.
При М. Фарадее наука об электричестве развива¬
лась бурными темпами. Любое открытие находило себе
применение и служило пищей для новых поисков и
идей.
Ш.Кулон исследовал свойства зарядов раньше на
несколько десятилетий. Никто не знал в то время, что де¬
лать с зарядами: ведь не было даже источников тока, и
никто не представлял себе, что эти заряды можно транс¬
портировать по проводам. Но тогда хорошо знали меха¬
нику. Потому и решили, что лучше всего для начала при¬
звать на помощь ее. Вместо того чтобы тереть руками
149

янтарную палочку, решили сделать специальное колесо.
Саму палочку заменили большим стеклянным стаканом,
который внутри и снаружи обложили слоем свинца. Так
в лабораториях голландского города Лейдена возникли
первые конденсаторы, известные под названием
лейденских банок. Предполагалось, что эта машина на¬
чнет вырабатывать невидимую «электрическую жид
кость», а лейденская банка будет наполняться ею до
краев.
Механика не подкачала. Если трущийся о волосы
гребень способен создать искры электрического разря¬
да, едва заметные в темноте, то с помощью колеса
удавалось получать в лейденской банке большие заря¬
ды. Эти опыты стали настолько модными, что их прово¬
дили не только в лабораториях, но и в гостиных аристо¬
кратов и во дворцах королей.
Людовик XV выстраивал в цепь солдат и забавлял¬
ся, наблюдая гримасы, когда ток разряда лейденской
банки проходил по этой живой цепи. На глазах изумлен¬
ной публики извлекали из банок искры, подобные мол¬
ниям. Аристократия изумлялась: «Экое чудо — молния
в банке! На что только способна наука!» Но дальше это
го дело не шло.
То ли дело при М.Фарадее! К электрическим и маг¬
нитным явлениям устремлена передовая научная мысль.
Л. Ампер и Г. Деви, А. Вольта и Г. Ом, X. Эрстедт и
Д. Араго с разных сторон подходят к одним и тем же
проблемам. Идеи витают в воздухе, как электричество
перед грозой. Это уже не наука ради науки, не любозна¬
тельность одиночек —практика начинает диктовать це¬
ли науке, требует от нее разрешения все новых и новых
проблем. А если, решая эти задачи, наука наталкивает¬
ся на неизвестное?
Что ж, тем лучше! Значит, будет новая почва для но¬
вых практических дел.
Так электролиз, созданный для выделения чистых
металлов и газов, помог обнаружить наличие элемен¬
тарных зарядов, носителем которых оказался впослед¬
ствии электрон. Те же химические процессы легли в ос¬
нову первых источников тока, появившихся в результате
открытий Л. Гальвани и А. Вольта. Они так и вошли в
обиход под названием гальванических источников тока
или вольтовых батарей.
С появлением этих источников интерес к электриче¬
ству чрезвычайно возрос. Научились передавать заряды
по проводу и притом сразу заметили, что ток, текущий
по проводу, выделяет тепло. А гепло можно заставить
делать работу — эта мысль была хорошо усвоена, она
породила целую революцию в технике, которой славен
минувший век.
150

М.Фарадей не имел ни малейшего представления об
электронике. Ш.Кулон — и подавно. И вместе с тем они
сыграли в ее развитии чуть ли не самую главную роль.
Ш. Кулон изучал заряд. М. Фарадей ввел в науку
понятие поля. А чем занимается электроника?
Многим. И спутниками, и телевидением, и вычисли¬
тельными машинами, и мало ли еще чем! Но если прис¬
мотреться внимательно, то все это многообразие можно
свести к различным случаям взаимодействия зарядов
полей.
Правда, помимо полей Фарадея, электронике прихо¬
дится исследовать и другие поля. М. Фарадей предста¬
вил картину паля, образованного неподвижным заря¬
дом: оно подобно застывшим песчаным дюнам при пол¬
ном отсутствии ветра.
В электронных приборах заряды чрезвычайно под¬
вижны. Электроны, испускаемые катодом, непрерыв¬
ным потоком бегут на анод. С анода дальше по проводу
к другим элементам, к другим приборам, к другим про¬
водам. И поле бежит следом за электронами неотступно,
как тень. Это уже не застывшее поле. Оно меняется с из¬
менением тока. Пространство вокруг проводов с пере¬
менным током уже не похоже на застывшие дюны, оно
подобно бурному морю с непрерывным движением волн.
Это электромагнитные валны.
Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. В
этих понятиях слились воедино два различных, но нераз¬
рывно связанных природой явления — электричество и
магнетизм.
Явление магнетизма известно людям почти так же
давно, как и свойства янтарной палочки. Слово «маг¬
нит» происходит от названия турецкого города Магне¬
зия, впоследствии переименованного в город Манисс.
Именно здесь были сделаны и зафиксированы в записях
первые наблюдения магнитных явлений. Обнаружить их
помогла находящаяся подле Магнезии богатая магнит¬
ными рудами гора Сипил.
Еще в V веке до нашей эры было замечено чудесное
свойство принесенных с Сипила камней: если перевязать
их тонким жгутом и закрепить конец жгута, камни эти
займут в пространстве определенное положение, кото¬
рое сохраняется, если всю процедуру повторить несколь¬
ко раз. Конечно же, жителям Магнезии не приходило в
голову, что ориентация камней может зависеть от
магнитного поля Земли. Зато замечено было другое: во
время грозы мапнии бьют чаше всего по горе Си¬
пил.
Лишь 24 века спустя наука смогла объяснить при¬
роду связи электрических и магнитных явлений, хотя
сходство их замечено было довольно давно.
Янтарная палочка притягивает кусочки шелка. Маг¬
нит притягивает железную стружку. Заряд окружен эде-
сходство
иди
РОДСТВО?
151

кгрическим пилем. Магнитное пате окружает магнит.
Поле — не фантазия М. Фарадея. Если вы захотите
увидеть магнитное пате, насыпьте на листочек бумаги
железных опилок и поднесите снизу магнит. Сразу
возникнут те самые силовые линии, которые изображал
на рисунках сам М. Фарадей (см. 2.3).
Были замечены и различия: заряд положительный
и заряд отрицательный могут существовать независимо
друг от друга. А полюса магнита отделить друг от
друга нельзя. Можно разломать его на две части, и
все равно в каждом кусочке будет северный палюс
н южный. Магнит похож на сказочного дракона — отру¬
би ему голову, вырастает вторая.
Так и жили в науке два явления, в чем-то очень
похожие, а в чем-то отличные друг от друга: электри¬
чество н магнетизм. Они исследовались порознь до
тех пор, пока между ними не была обнаружена связь.
Произошел счастливый случай. В 1819 году датский
ученый X. Эрсгедт демонстрировал студентам опыты
по электричеству. Рядом с проводами лежал не име¬
ющий никакого отношения к опыту компас.
А почему стрелка компаса отклоняется, когда вы
включаете ток?— спросили лектора. И этим вопросом
поверили в глубокие размышления не только X. Эрс-
гедта, по и весь современный ему научный мир.
Гут было над чем задуматься. Электрический ток, те¬
кущий пи проводу, породил магнитное нате. Было два
разных явления, а тут вдруг обнаружилось, что между
ними есть неразрывная связь.
Впрочем, в то время эта проблема волновала лишь
одиночек.
«Кто в 1820 году обратил внимание на сообщение
Эрстедта, чго стрелка компаса резко отклонилась к
проволоке, по которой пропущен ток?—спрашивает
Владимир Тендряков в своем романе «Покушение на
миражи».—Значение великих открытий оценивается
ретроспективно. А в то время, когда Эрстедт ставит опы-
1ы в лаборатории, происходят другие события, которые
кажутся куда более важными... Людей тогда волновала
судьба Нанатеона, доживавшего последние дни на
острове Святой Елены, убийство герцога Беррийско-
1 о. А стрелка компаса... экая, прости господи, че¬
пуха!
Но от нее вздрогнула История, началась новая про¬
мышленная эра, электричество вошло в жизнь и изме¬
нило ее. изменился мир, изменились мы сами».
Занятому множеством сиюминутных забот чеювече-
ству повезло в том, что в числе немногих людей, прида¬
вавших большое значение обнаруженному взаимодейст¬
вию электричества и магнетизма, оказался ученый, на-
теленный на редкость цепким, пытливым и беспокойным
умом. Это был М. Фарадей.
152

Постепенно весть об опытах, произведенных Х.Эре
тедтом облетела научный мир. Провод с током в то вре¬
мя притягивал не только магнитную стрелку — мысль
ученых во всех странах вновь и вновь устремлялась к
этому проводу. И не случайно: ученые понимали, что
мир стоит на пороге новых открытий, хотя до конца да
же сущность первого и, казалось бы. очень несложного
опыта еще никто не мог объяснить.
Что же все-таки заставляет стрелку отклоняться от
провода? Сам Х.Эрстедт полагал, что она вращается
электричеством, которое якобы перемещается не только
внутри, но и вокруг проводов. П. Ампер выдвигает
другую гипотезу. Он считает, что ток течет внутри на
магниченной стрелки и взаимодействуют тут два тока:
тсж, текущий по проводу, и ток самой стрелки.
Кто из них прав? Может быть, ошибаются оба? 11уж
ны были новые эксперименты, чтобы подтвердить или
опровергнуть гипотезы, объяснить все до конца.
В Париже, в Лондоне, в Петербурге, во Фло
ренции, в Мюнхене, в Гейдельберге, в Женеве без конца
повторяется опыт Эрстедта: рядом со стрелкой распола
гается провод, а затем включается ток. И всякий
раз стрелка ведет себя неизменно — лишь только ток
появляется в проводе, она мгновенно встает попе
рек.
Великий П.Ампер запирается в лаборатории, чтооы
исследовать, как воздействуют друг на друга заряды,
если они не пребывают в покое, а перемещаются но
проводам. Кстати, это совсем не в его духе. До сих пор
он все открывал на бумаге, а исследовательской лабо¬
ратории всегда предпочитал кабинет. Но тут уж без
опыта не обойдешься, любую мысль надо тщательно
проверять.
В семи докладах, с блеском прочитанных П.Ампером
на заседаниях Французской академии, нашли отраже¬
ние все результаты его трудов. Семь докладов - словно
семь столбов на границе двух областей. По одну сторону
рубежа — все, что касается неподвижных зарядов, по
другую — заряды в движении и те явления, которые ро¬
ждает электрический ток.
Первая область подучила название электростатики
(статика — неподвижность). Свойствами неподвижных
зарядов интересовался еще Ш.Кулон. Вторая об
.пасть — электродинамика, наука о действии движущих
ся зарядов, фундамент которой заложил своими груда¬
ми П. Ампер. Попутно пн сделал и ряд блестящих отк¬
рытий, в числе которых знаменитый соленоид \чпера,
на базе которого американский ученый Дж. Генри
вскоре создал электромагниты, поднимавшие тяжести
весом до двух тонн.
ВСЛЕД
за эрсгедтом
JыЫ.
153

КУДА
ПОВЕРНЕТСЯ
СТРЕЛКА?
В Париже блистательный П. Ампер закладывает
фундамент новой науки. А в это время М. Фарадей,
молодой скромный служащий Королевского института в
Лондоне, недавно расставшийся с профессией пе¬
реплетчика ради должности ассистента сэра Хамфри
Деви, вслед за X. Эрстедтом тоже помещает провод
рядом с магнитной стрелкой и пускает по проводу
ток.
Удивительным качеством наградила М.Фарадея
природа: он стремится все пощупать своими руками, ни¬
каким выводам не хочет верить до тех пор. пока все не
проделает сам.
Да, стрелка действительно поворачивается под дей¬
ствием тока. Но что заставляет ее повернуться? Ток, те¬
кущий в пространстве вокруг проводов? Или ток, окру¬
жающий стрелку?
Нет, это еще надо проверить. Если ток течет,
скажем, с запада на восток, то размещенная под этим
проводом стрелка развернется таким образом, что ее
северный полюс, как бы оправдывая свое название,
укажет на север. Но если ту же самую стрелку раз¬
местить выше этого провода, она развернется на 180°
и ее северный полюс будет направлен на юг. По¬
чему?
Если теперь, не изменяя взаимного расположения
стрелки и провода, изменить направление тока, стрелка
снова совершит разворот на 180° и ее северный полюс
опять повернется к северу.
Какие же силы заставляют поворачиваться стрелку,
ориентируя ее относительно направления тока? У М.Фа¬
радея рождается предположение: а может быть, ток
создает магнитное поле?
Попытаемся реконструировать общий ход рассужде¬
ний, в результате которых пришел к своим выводам
М. Фарадей.
Допустим, что вокруг провода возникают силовые
магнитные линии в виде окружающих провод колец.
Как должна ориентироваться относительно этих колец
магнитная стрелка?
Две вращающиеся намагниченные стрелки (при ус¬
ловии, что магнитное поле Земли действует на них сла¬
бее, чем они друг на друга) повернутся друг к другу раз¬
ноименными полюсами. При этом магнитные поля двух
этих стрелок как бы «сливаются воедино», замыка¬
ясь друг с другом, образуя обладающее минималь¬
ной потенциальной энергией общее магнитное по¬
ле.
Может быть, то же самое правило распространяется
и на взаимодействие магнитной стрелки с проводом, по
которому течет ток?
Теперь каждый школьник может определить, куда
направлены силовые линии магнитного поля, возникаю¬
154

щего вокруг провода стоком. Простое и очень наглядное
правило поможет ответить на этот вопрос: если бурав¬
чик ввинчивается по направлению тока, то головка бу¬
равчика будет вращаться в том направлении, куда на¬
правлены силовые линии магнитного поля. (При этом
необходимо учесть, что это правило подразумевает не
реальное, а техническое направление тока, которое, как
мы уже говорили, противоположно направлению движе¬
ния электронов, поскольку все эти правила уста¬
навливались задолго до того, как был открыт элект¬
рон.)
Посмотрим теперь, как подчиняющееся этому пра¬
вилу магнитное поле текущего по проводу тока будет
взаимодействовать с полем магнитной стрелки.
Стрелка ориентируется относительно провода таким
образом, чтобы направление силовых линий магнит¬
ного поля стрелки совпадало с направлением магнитно¬
го поля провода с током. Это правило действует во
всех вариантах взаимного расположения стрелки и
провода
При желании читатель может легко повторить опы¬
ты М. Фарадея. Для этого достаточно подключить к ба¬
тарейке нагруженный сопротивлением провод и поднес¬
ти к нему магнитную стрелку. Лучше всего, повторив все
предыдущие рассуждения, заранее предсказывать, куда
повернется стрелка, если переключить концы провода
или поменять взаимное расположение провода и стрел¬
ки.
Убедиться в совпадении предсказаний с результа¬
тами экспериментов не составит для читателя слишком
большого труда. М. Фарадею было много труднее. Ведь
не было еще никаких правил, поэтому обо всем прихо¬
дилось догадываться, начиная от самого факта возник¬
новения магнитного поля тока и кончая всеми случаями
взаимной ориентации магнитных полей тока и стрелки.
И каждую такую догадку приходилось многократно и
тщательно проверять.
И все же не открытие правил, которым подчиняется
стрелка, принесли М Фарадею вечную славу, а та гени¬
альная догадка, ради которой, собственно, и проводил¬
ся этот непростой для того времени эксперимент. В чем
же суть гениальной догадки?
В том, что электрический ток способен рождать
магнитное поле. В том, что между двумя явлениями при¬
роды — электричеством и магнетизмом — существует
не только сходство, но и неразрывная связь.
А вопрос о том, как расположены силовые линии
рожденного током магнитного поля и как это поле взаи¬
модействует с полем намагниченной стрелки,— это уже
подробности. Они очень важны для использования вза¬
имодействий токов с магнитами в тех или иных элект¬
ронных или электротехнических устройствах; сыграли
155

важную роль для подтверждения возникшей у М. Фа¬
радея идеи о том, что электричеством порождается маг¬
нетизм. И вместе с тем эти подробности были логически
вытекающим следствием из той главной идеи, разработ¬
ке которой посвятил свою жизнь ученый.
Убедившись на опыте, что ток порождает магнитное
поле, он задался следующим вопросом: не означает ли
это, что магнитное поле способно при каких-то условиях
порождать электрический ток?
Эта вторая догадка, не уступавшая по степени
своей гениальности первой, привела к открытию законов
электромагнитной индукции. Чтобы превратить интуи¬
тивную догадку в подтвержденные экспериментом физи¬
ческие законы, М. Фарадею понадобилось окало десяти
лет.

БЕЗ ДВИЖЕНИЯ НЕТ ИНДУКЦИИ
2.8
При перемещении замкнутого провода в поле маг¬
нита в проводе наводится (специалисты говорят — ин¬
дуцируется) ток, который называют током индукции.
2.9
Провод может быть неподвижным. Для получения
в нем тока индукции надо двигать магнит. Итак, не¬
важно, что будет в движении — магнит или провод,—
лишь бы происходило пересечение силовых линий
поля тем проводом, в котором наводится ток.
157

2.10
Без движения ток не возникает. Но движение мно¬
гообразно. Сама цепь может быть неподвижной, а ток
индукции в ней появится, если будет изменяться ве¬
личина тока, текущего по первой обмотке; тогда вокруг
нее возникает изменяющееся (пульсирующее) магнит¬
ное поле, охватывающее витки первичной и вторичной
обмоток. Изменяющееся во времени магнитное поле
индуцирует во вторичной обмотке переменный ток,
который обычно изменяется по такому же закону,
по какому изменяется во времени ток первичной об¬
мотки.
2.11
Точно так же работает трансформатор: перемен¬
ный ток в первичной обмотке порождает изменяю¬
щееся магнитное поле, а от него во вторичной об¬
мотке наводится переменный вторичный ток. Обмотки
трансформатора обычно наматываются на сердечник,
изготовленный из магнитных материалов, например,
из железа. Сердечник усиливает возникающие в транс¬
форматоре магнитные поля.
Под действием переменного магнитного поля в
сердечнике индуцируются разогревающие сердеч-
158

ник паразитные вихревые токи (токи Фуко). Для умень¬
шения их влияния сердечники изготавливаются не из
монолитных магнитных материалов, а в виде набора
изолированных друг от друга относительно тонких
пластин.
2.12
Ток индукции возникает даже в том случае, если
вторичной обмотки нет. В момент включения одно¬
временно с переменным магнитным полем, порожден¬
ным растущим током, возникает в той же самой обмот¬
ке противодействующая этому току электродвижущая
сила (ЭДС самоиндукции).
ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению
тока, который ее породил. Так гласит правило, уста¬
новленное Э. Ленцем.
вшемсте вошйствие
Л	J,
mnrrn
v
2.13
Благодаря току самоиндукции катушка приобретает
своеобразное свойство инерции: она как бы противит¬
ся изменениям тока, который по ней течет. Если ток
159

уменьшается, ток самоиндукции начинает его поддер¬
живать. Если ток возрастает, ток самоиндукции потечет
навстречу и начнет его уменьшать.
Известно,- что чем больше инерция тела, тем труд¬
нее его остановить или разогнать. Также и здесь: чем
больше индуктивность катушки, тем больше «электро¬
магнитная инерция», тем сильнее действует ЭДС
самоиндукции и медленнее нарастает или спадает
в катушке ток.
Индуктивность имеет свою единицу измерения,
которая в честь американского физика Дж. Генри
названа генри (Г).
ИНТУИЦИЯ
ФАРАДЕЯ
Знаменитый опыт X. Эрстедта подтвердил связь
электричества и магнетизма. Было два различных
явления: с одной стороны — электричество, с другой —
магнетизм. А тут вдруг появился мостик. Но если
можно пройти по мостику от левого берега к пра¬
вому, нельзя ли совершить и обратный путь? Ток
рождает магнитное поле. Может быть, магнитное поле
способно создать электрический ток?
М.Фарадей ищет путь получения этого тока. Он
подключает к проводу гальванометр и помешает рядом
магнит. Ток в проводе не возникает. Значит, он оши¬
бается? Нет, тут что-то не так! Безусловно, эти явления
обратимы — интуиция заставляет его снова и снова
проверять эту догадку.
Десять лет М. Фарадей носит в кармане кусок
медного провода и кусок намагниченного железа. В
самый неподходящий момент, забыв, где и с кем нахо¬
дится, он, словно маньяк, извлекает свои «игрушки» и
начинает различными способами располагать провода
и магнит. Время от времени он вновь пытается обнару¬
жить с помощью гальванометра появление тока. Но то¬
ка по-прежнему нет.
И все десять лет шестое чувство ученого (а быть
может, даже седьмое или какое-то другое, еще более
высшего порядка) непрестанно подсказывает, что он на
верном пути.
Невероятное упорство — десять лет верить в то, что
ничем нельзя подтвердить!
Успех пришел неожиданно. Как-то раз, готовясь к
очередному эксперименту, он подключил источник пита¬
ния к намотанной на барабан обмотке. В это время в
соседней комнате находился его помощник, который за¬
метил, что стрелка гальванометра, подключенного к
аналогичной обмотке, неожиданно вздрогнула. Неожи¬
данно, потому что обмотка в соседней комнате была
изолирована и от источника питания, и от обмотки, с ко¬
торой работал в этот момент сам М. Фарадей.
Повторение опыта подтвердило: всякий раз в момент
160

подключения первой обмотки к источнику стрелка галь¬
ванометра, соединенного с изолированной обмоткой, со¬
вершает мгновенный бросок. Вот этого едва уловимого
для наблюдения факта оказалось достаточно, чтобы
М.Фарадей нашел ответ на вопрос, мучивший его десять
лет.
Ток индукции не может возникнуть, пока неизменно
магнитное поле. Чтобы ток появился, поле нужно ме¬
нять. Когда он включил батарею, мгновенно возникло
магнитное поле, и в момент, когда оно возрастало, по¬
мощник случайно заметил, что стрелка совершила бро¬
сок. Случайно? Хорошенькая случайность! Ведь на по¬
иски этой «случайности» ушло десять лет!
Зато дальше все пошло как гю маслу. Не составляло
большого труда догадаться, что ток индукции возникает
еще и в том случае, если ток первичной обмотки оста¬
нется постоянным, зато магнит будет двигаться относи¬
тельно провода (см. 2.9). Или пусть магнит останется
неподвижным, зато будет двигаться провод, пересекая
те силовые линии, которые окружают магнит (см. 2.8).
Во всех этих случаях на провод действует изменяю¬
щееся магнитное поле, и под действием этого поля в нем
возникает ток.
«Ток возникает лишь при движении магнита относи¬
тельно провода, а не в силу свойств, присущих ему в
покое»,— записал М. Фарадей в свой научный дневник.
В этом суть законов электромагнитной индукции —
возбуждение магнитными силами электрических сил.
На территории института Британского королевского
научного общества установлен ему памятник.
Помимо самого ученого, на памятнике есть та ка¬
тушка, которая помогла ему установить законы ин¬
дукции.
В самой сути этих законов заключалась заманчивая
для изобретательской мысли возможность: создавать
устройства, в которых механическое движение помещен¬
ных в магнитное поле обмоток (или движение магнита
относительно неподвижных обмоток) порождало бы
электрический ток. Появилась целая серия магнитно-
электрических генераторов тока: машина Ричи, ма¬
шина Пикси, машина Кларк. Разнообразие конст¬
рукций и внешнего вида этих машин обусловлены
различием способов относительного перемещения ка¬
тушек и магнита.
Начало серии индукционных генераторов тока поло¬
жил сам М. Фарадей. В сообщениях об опытах электро¬
магнитной индукции он описал сконструированный им
медный вращающийся диск, закрепленный на оси, рас¬
положенный рядом с полюсами магнита. При враще¬
нии диска в поле магнита в нем индуцировалось элект¬
рическое поле, создающее разность потенциалов
между неподвижными щетками А и В. Под действием
11 Е. Седов
161

разности потенциалов в подключенном к щеткам прово¬
де возникал электрический ток.
Диск Фарадея послужил прототипом целой серии
магнитно-электрических генераторов тока. Их создате¬
ли изощрялись в совершенствовании приспособлений,
с помощью которых вращались обмотки с током или
перемещался относительно этих обмоток магнит. По-
разному вращались обмотки, но мысль не выходила за
пределы очерченного законом индукции круга: обмотки
движутся, а магнит неподвижен или наоборот. Не имеет
значения, что тут движется, а что неподвижно, лишь бы
осуществлялось относительное взаимное перемещение
электрических и магнитных полей.
В относительности движения проявлялось то «рав¬
ноправие» электричества и магнетизма, которое стало
вполне очевидным лишь после создания теории электро¬
магнитного поля и электромагнитных волн. А пока эти
теории не были созданы, явления индукции оставались
хотя и подтвержденным экспериментами и используе¬
мым на практике, но все же еще далеко не познанным и
не обоснованным теоретически феноменом. Едва ли
в то время кто-нибудь понимал это лучше, чем сам
М. Фарадей. Каким образом одна катушка влияет
на другую, если между ними нет проводов? Очевидно,
здесь действует поле. А что это поле собой представ¬
ляет?
X. Эрстедт доказал, что ток рождает магнитное поле.
М. Фарадей доказал, что магнитное поле рождает
ток.
Эта взаимная обратимость явлений все еще остава¬
лась непознанной, надо было вновь вникать в природу
этих явлений, искать между ними какую-то более глубо¬
кую связь.
ДВУЕДИНЫЕ
ВОДНЫ
Так всегда бывает в науке: сначала накапливаются
факты, потом возникает потребность их обобщать.
К тому моменту, когда Дж.Максвелл задался целью
обобщить все, что известно об электричестве и магнетиз¬
ме, фактов было хоть отбавляй. Наука и практика на¬
шли множество применений рожденному током магнит¬
ному полю и знали десятки способов превращения энер¬
гии магнитного поля в электрический ток.
На этих двух принципах были построены все измери¬
тельные приборы.
Всюду использовались те же явления. Ток рождался
магнитным полем, магнитное поле рождалось током.
Тут все обратимо, как в динамо-машине: если пустить
ток по обмоткам, машина служит электромотором, если
вращать машину другим мотором, она начнет выраба¬
тывать ток. Обратимость эта имеет ту же природу: либо
магнитное поле тока заставляет вращаться ротор маши¬
162

ны, либо, вращая ротор в поле магнита, мы получаем в
обмотках ток.
Меняя магнитное поле вблизи провода, можно соз¬
дать в проводе ток, а в пространстве, окружающем про¬
вод с током, возникают поля. Ток течет по проводу, а
в пространстве взаимодействуют электрические и
магнитные силы.
ну а если провода нет? Если создать электрическое
поле в пространстве и заставить его меняться? Что будет
тогда?
Дж. Максвелл впервые поставил этот вопрос, и он
же дал на него ответ. И не просто ответ, а стройную за¬
конченную систему математических уравнений — тео¬
рию электромагнитных полей. Недоставало лишь одно¬
го звена в цепи всех известных явлений, связывающих
электричество с магнетизмом, и он ввел в теорию это
звено.
Если в пространстве существует переменное электри¬
ческое поле, значит, оно порождает поле магнитное. Так,
будто есть в этом пространстве воображаемый провод,
будто течет по этому проводу воображаемый ток. Этот
ток Дж. Максвелл назвал током смещения в отличие от
обычного тока проводимости — потока заряженных
частиц.
Ток смещения —«недостающее звено цепи»— не
связан ни с каким потоком зарядов. Он возникает там,
где имеется изменяющееся электрическое поле, и плот¬
ность его пропорциональна скорости изменения напря¬
женности этого поля.
Наука не знала такого явления, где бы взаимодейст¬
вие электрического и магнитного поля осуществлялось
при отсутствии провода с током. Но все известные к тому
времени факты говорили в пользу этой догадки. Тысячи
опытов, сотни приборов, основанных на неразрывной
связи электрических и магнитных полей, подтверждали
это предположение. Правда, в опытах и в приборах не¬
изменно присутствовали провод и ток. Ну что ж, значит,
возможности пока ограничены: мы еще просто не научи¬
лись непосредственно обнаруживать электромагнитное
поле, не изучили всех его свойств.
Так решил Дж. Максвелл, и история подтвердила его
правоту.
Эта мысль нашла отражение в системе его уравне¬
ний, и теория стала удивительно стройной. Все открытые
наукой явления стали частными случаями уравнений
Максвелла. Словно зеркало, отражали они взаимную
связь и обратимость явлений: одно из них говорило о
том, как зависит электрическое поле от изменения маг¬
нитных потоков; второе показывало, каким образом вли¬
яет на магнитное поле изменение действующих в прос¬
транстве электрических сил.
Возникнув в том месте, где есть провод с током, элек-
163

тромагнитное поле будет распространяться в простран¬
стве, занимая все больший и больший объем. Можно
отделить поле от провода, но нельзя отделить электри¬
ческие поля от магнитных они связаны неразрывно в
единой электромагнитной волне.
В природе нет дальнодействия. Значит, электромаг¬
нитное поле не может мгновенно воздействовать на тело,
если тело удалено. Волна приближается постепенно. Из
формул Максвелла следовало, что скорость ее движе¬
ния точно равна скорости света.
Ничего себе «постепенно»! Скорость света в пустоте
составляет приблизительно 300 000 километров в секун¬
ду. Двигаясь с такой скоростью, волна всего за одну се¬
кунду почти восемь раз обежит земной шар!
НЕОЖИДАННЫЙ
ВЫВОД
Огромна заслуга Дж. Максвелла, создавшего стро¬
гую законченную теорию электромагнитных волновых
колебаний. Но нельзя умолчать и о том, что М. Фара¬
дей был предтечей открытия этих волн. Мало того, что
он открыл закон индукции, подтвердив опытом связь
электричества и магнетизма, интуиция подсказала ему,
что связь эта осуществляется с помощью волн.
В отличие от многих возникавших у него идей
эту не удавалось проверить и подтвердить опытом. А не
проверенную собственными руками догадку он не считал
себя вправе высказывать вслух. Судить о том, насколько
она справедлива, он предоставил потомкам, изложив со¬
ображения о волновой природе индукции в письме, кото¬
рое просил в своем завещании не вскрывать раньше, чем
через 100 лет.
В явлениях, которые описывались в этом письме, еще
не было вскрыто установленное Дж.Максвеллом един¬
ство электрической и магнитной природы волновых ко¬
лебаний. Речь шла о «чисто магнитных» волнах, кото¬
рые, по словам М. Фарадея, похожи «на колебания
взволнованной водной поверхности или же на звуковые
колебания частиц воздуха». И словно бы предрекая пос¬
ледующий вывод Дж. Максвелла, он отмечал высокую
скорость (малое время) распространения этих волн. Он
писал: «...Влияющая причина (которую я позволю себе
назвать магнетизмом) распространяется от магнитных
тел постепенно и для своего распространения требует
определенного времени, которое, очевидно, будет найде¬
но очень незначительным».
В 1938 году это письмо было прочитано членами
Британского королевского научного общества и дало
возможность еще раз убедиться, какой потрясающей ин¬
туицией обладал М.Фарадей. Ведь к тому времени эти
идеи нашли подтверждение не только в теории, но и в
экспериментах Г. Герца и в многочисленных средствах
связи, основанных на использовании движущихся с ог¬
164

ромной, но все же конечной скоростью (точно по М.Фа¬
радею!) электромагнитных воли.
Дж. Максвелл доказал, что скорость эта равна ско¬
рости света. Что это, случайное совпадение?
Нет, он не поверил в случайность, а стремился в
разных явлениях найти взаимную связь. Раз электрома¬
гнитные волны движутся со скоростью света, значит,
свет — это тоже электромагнитные волны.
Так в результате исследований связей электричества
и магнетизма вдруг обнаружилось совсем неожиданное
родство. Десятки ученых изучали связь электрических
сил с магнитными. Но кто мог думать, что теми же сила¬
ми рождается видимый свет!
Смелый гений Дж. Максвелла вскрыл это единство.
Волны света имеют ту же природу, что и волны, возни¬
кающие вокруг провода, в котором есть переменный ток.
Они отличаются друг от друга только длиной. Очень ко¬
роткие волны являются видимым светом. Более длинных
в то время обнаружить еще не могли.
Лишь спустя 12 лет после смерти Дж. Максвелла
Г.Герц сумел излучить и принять эти волны, подтвердив
справедливость идей своего гениального предшествен¬
ника.
А несколько десятилетий спустя тысячи радиостан¬
ций уже насыщали околоземное пространство этими
волнами, и они несли на себе сообщения со всех концов
света и на всех языках.
Прежде чем идеи Дж. Максвелла объединили свет
и электромагнитные волны, наука о свете тоже успела
пройти долгий и нелегкий путь.
Свет привлекал внимание людей с древности. Не тре¬
бовалось специальных приборов, чтобы его обнаружить.
Мир наполнен лучами солнца, и только благодаря свету
человек мог познавать этот солнечный мир. Вот почему
первый «научный диспут» о свете состоялся еще три с
половиной тысячи лет назад. Инициатором «диспута»
был фараон Аменофис IV, живший в XIV веке до нашей
эры.
Вопреки существовавшим в то время теориям, утвер¬
ждавшим, что свет излучают глаза бога Амона, Аме¬
нофис IV пришел к выводу, что свет исходит от солнца.
Солнце тоже считалось богом, которого звали Атоном.
Аменофис IV в директивном порядке утвердил новые
взгляды: он приказал вместо Амона поклоняться Атону
и в честь этого нововведения изменил свое имя на Эх-
натон. Аменофис — значит любезный Амону, Эхна-
тон — угодный Атону. Новое имя полностью соот¬
ветствовало духу новых идей.
Древние греки рассудили иначе. Установив тот факт,
что только благодаря свету человек может видеть
ИСТОРИЯ СВЕТА
165

предметы, они пришли к выводу, что свет излучается
самими вещами. «Частицы света» достигают глаз чело¬
века, и благодаря этим частицам можно видеть предмет.
Однако в трудах античных философов можно встре¬
тить и другие воззрения. Платон, например, в своих зна¬
менитых «Диалогах» высказывается так: «Из органов
боги прежде всего создали светоносные глаза».
Это уже шаг вперед по сравнению с Аменофисом —
Эхнатоном. Согласно Платону «светоносным зрением»
обладают не только боги - им наделен сам человек.
А впрочем, трудно сказать, ближе ли это к истине:
у Аменофиса свет существует вне человека, у Платона
источником света является сам человек. Его глаза как
бы «прощупывают» предметы излученным ими лучом.
Ясность в этом вопросе наступила значительно поз¬
же. Примерно в 1000 году нашей эры знаменитый араб¬
ский ученый Абу Али Хайсам (в истории он известен под
именем Альгазена) впервые провозгласил, что видим мы
отраженный предметами свет. Но что этот свет собой
представляет?
Ньютон оставил нам свою теорию света, в которой
возродились идеи античных философов. Он тоже считал,
что свет состоит из частиц. Правда, его частицы (он наз¬
вал их корпускулами) излучались уже не глазами и не
вещами, он хорошо представлял себе, что видимые пред¬
меты лишь отражают свет.
Затем Максвелл создает электромагнитную теорию
света, и она завладевает умами ученых настолько, что о
корпускулах света перестают вспоминать. Зато вспоми¬
нают Гюйгенса и Френеля, современников и противни¬
ков Ньютона, утверждавших, что, встречаясь с препят¬
ствиями, свет ведет себя так, будто он состоит не из час¬
тиц, а из волн.
И вот спустя несколько десятилетий наука сталкива¬
ется с явлением, которое вновь заставляет пересмотреть
взгляды на свет.
Под действием света металл излучал электроны так,
будто на него обрушился град каких-то частиц. Волны
Максвелла таких явлений объяснить не могут. Изучая
этот эффект (он был назван фотоэффектом), А. Эйнш¬
тейн вновь вернулся к идее корпускул И. Ньютона и до¬
бавил к ряду открытых ранее элементарных частиц ма¬
терии частицу света — фотон.
Вот типичный пример диалектики: переоценка на но¬
вом этапе развития прежних взглядов и прежних идей.
От корпускул света Ньютона — к волнам Гюйгенса и
Френеля, от них — к идеям Максвелла об электромаг¬
нитных волнах, а затем к фотонам Эйнштейна, устра¬
нившим «белые пятна» в волновой теории света. Таковы
основные этапы эволюции взглядов науки на свет.
И вот, наконец, современная теория света — еще
один яркий пример диалектического единства протцво-
166

положных качеств явлений: в одних явлениях свет про¬
являет свои волновые свойства, в других — ведет себя
как поток легких частиц.
Незачем понадобилось в книге об электронике изла¬
гать историю света?
Можно было бы не касаться этой истории, если бы
впоследствии не были созданы лазеры и оптические ли¬
нии связи, которые вместо радиоволн используют све¬
товые лучи.
В объявлениях дикторов радио и телевидения очень
часто звучит ставшее привычным для радиослушателей
и телезрителей слово «эфир».
Это слово имеет довольно занятную и весьма поучи¬
тельную историю: сначала оно было заимствовано физи¬
кой из обихода, а затем изгнано из физики и снова при¬
нято в обиход. Но вернулось оно с несколько иным
смыслом, чем употреблялось в обиходе вначале.
Когда Лермонтов воспевал Демона как «вольного
сына эфира», словом «эфир» он называл то пространст¬
во, по которому наделенный могучими крыльями Демон
способен не только «летать над грешною землей», но да¬
же заглядывать по своему желанию «в надзвездные
края».
Физики вспомнили об эфире, задавшись вопросом,
каким образом распространяются в пространстве элект¬
ромагнитные волны. Естественно, что прежде всего ста¬
ли искать аналогию с более изученными к тому времени
волнами звука, распространяющимися в твердой, жид¬
кой или газообразной среде. В этой среде распростра¬
няются возникшие в какой-либо области колебания ато¬
мов. Не будь среды (воздушной), мы бы не слышали
друг друга. Таким образом, звуки — это не что иное, как
колебания воспринимающей и передающей эти звуки
среды.
Ну а что же колеблется, когда по пространству рас¬
пространяются электромагнитные волны? Предполо¬
жим, что пустое пространство — это своеобразная фи¬
зическая среда, с одной стороны, вроде бы и пустая, а
стало быть, эфемерная (потому-то и показалось удоб¬
ным называть это пространство эфиром), а с другой сто¬
роны, вроде бы наделенная рядом вполне конкретных
физических свойств. Только вот больно уж необычными
должны были быть эти свойства! Чтобы электромагнит¬
ные волны могли перемещаться по эфиру так же свобод¬
но, как Демон, эфир должен вроде бы обладать опреде¬
ленной плотностью и совершать колебания с возбуждае¬
мой волнами частотой.
Но если он обладает плотностью, то у него есть и
масса. Тогда почему же он не расплющил наш земной
шар?
РЕАЛЬНЫЕ
ВОЛНЫ
И ЭФЕМЕРНЫЙ
ЭФИР
167

Где есть плотность, там есть и вязкость. Обладаю¬
щий определенной плотностью воздух оказывает сопро¬
тивление и движущемуся телу и звуку. Но почему в та¬
ком случае не оказывает дополнительного сопротивле¬
ния пресловутый эфир?
Кроме того, вопреки иронической поговорке «не вся¬
кая пустота прозрачна», эфир, обладая массой и плот¬
ностью, в то же время должен быть абсолютно прозрач¬
ным, поскольку он-то как раз и является не какой-то там
«всякой», а самой что пи на есть подлинной пустотой.
В общем, комбинация всех плохо сочетаемых
свойств, которые должны быть предписаны гипотетиче¬
скому эфиру, оказалась настолько противоречащей име¬
ющемуся физическому опыту и здравому смыслу, что в
конце концов возникло сомнение: существует ли на са¬
мом деле пресловутый эфир?
Специальные опыты показали, что никакого эфира в
природе пет, а пространство, в котором распространя¬
ются электромагнитные волны, заполнено не эфиром, а
пустотой. Нелепое сочетание «заполнено пустотой» упо¬
треблено здесь намеренно с тем, чтобы подчеркнуть, что
пустому пространству не обязательно приписывать эфе¬
мерные свойства эфира, поскольку для распространения
радиоволн пустоту вовсе не требуется чем-нибудь за¬
полнять.
Ну а как же все-таки распространяются по пустому
пространству электромагнитные колебания? Что же ко¬
леблется в этом пространстве, если в нем нечему коле¬
баться, поскольку нет ничего, кроме ничем не заполнен¬
ной пустоты?
Колеблются сами волны, перекачивая электричес¬
кую энергию в магнитную и обратно. Подобно коту из
Чешира, эти волны могут возникнуть и в воздухе, и в пу¬
стоте. А возникнув, они будут распространяться в прост¬
ранстве подобно родственной Чеширскому коту героине
новеллы Киплинга «Кошка, гуляющая сама по себе».
Пустота -- это и есть та физическая среда, по кото¬
рой могут свободно перемещаться электромагнитные
волны. Правда, свобода их относительна: за всякое пу¬
тешествие приходится чем-то платить. Здесь расплата
производится энергией. Подобным образом путник мо¬
жет идти по тайге или пустыне, сам добывая себе про¬
питание, лишь бы хватило па это сил.
Тратят энергию на путешествие и электромагнитные
волны, отчего энергия их уменьшается в пустоте про¬
порционально пройденному ими пути.
В других физических средах она убывает гораздо
быстрее. Например, вода, будучи диэлектриком, очень
быстро гасит все радиоволны, а из световых волн
пропускает лишь те, которые обладают цветом речной
или морской воды.
В заполненной воздухом атмосфере радиоволны чув¬
168

ствуют себя почти так же свободно, как в вакууме, при
условии, что в нем нет никаких частиц, размеры которых
приближаются к их собственной длине. Например, для
волн миллиметровой длины непреодолимым препятстви¬
ем будут рассеянные в воздухе капли тумана. Натыка
ясь на эти препятствия, они будут отражаться от
капель в разные стороны, беспорядочно складываться
друг с другом и затухать. Длина волн, на которых ве¬
дутся радио- и телевизионные передачи, намного боль¬
ше размеров рассеянных в воздухе капель, поэтому им
не страшны ни туман, ни облака.
Отправляя эти волны в пространство, работники свя¬
зи по инерции называют пространство эфиром. Для них
не столь важно, что физики доказали эфемерность эфи¬
ра. Ведь не скажешь об очередной передаче: «В прост¬
ранстве музыка». Гораздо удобнее употреблять в таких
случаях благозвучное слово «эфир».

это
НЕЖИТ
3 ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОНЫ РАБОТАЮТ КОЛЛЕКТИВНО
2.14
В этой главе мы пока почти не вспоминали об элект¬
роне, так как рассказ об электрических и магнитных по¬
лях временно отодвинул нашего главного героя на вто¬
рой план.
Теперь настало время снова вывести его на авансце¬
ну, чтобы посмотреть, как он ведет себя под воздейст¬
вием различного рода полей.
Заряд и масса его настолько малы, что работа, со¬
вершенная им, ничтожна. Но он никогда не работает в
одиночестве. Стоит к куску провода подключить источ¬
ник, и все свободные его собратья мгновенно приходят
в движение, каким бы длинным ни был наш провод¬
ник.
2.15
Каждый отдельно взятый электрон движется внутри
провода по очень сложной траектории. Он сталкивает¬
ся со многими атомами кристаллической решетки ме¬
талла и при каждом таком столкновении изменяет
маршрут. В течение каждой секунды электрон сталки¬
вается с атомами в среднем 10 2 раз.
2.16
Действие электрического поля на движущиеся
внутри проводника свободные электроны можно срав¬
нить с дуновением ветра на рой летающей мошкары.
Каждая мошка продолжает совершать сложные ви¬
ражи внутри роя, а в то же самое время весь рой пере¬
мещается в направлении ветра.
2.17
Движение «электронного роя» можно характеризо¬
вать следующими примерными числами: при напряже¬
нии V=100 вольт «дрейф» в сторону положительного
потенциала совершается со скоростью менее 0,1 сан¬
тиметра в секунду, хотя внутри «роя» электроны дви¬
жутся быстрее приблизительно в 10 (в миллиард!) раз.
Значит, «рой» внутри провода столь медлителен, что
отрезок провода длиной всего в 6 метров он будет пре¬
одолевать в течение целой минуты.
Как же объяснить в таком случае, что при замыка¬
нии выключателя, расположенного на расстоянии не¬
скольких метров от электрической лампочки, мгновен¬
но вспыхивает свет?
170

2.18
Дело в том, что под действием поля приходят
в движение все находящиеся в проводе свобод¬
ные электроны, образуя как бы общий, единый
«рой».
Даже в том случае, если длина проводника состав¬
ляет 300 000 километров и он может опоясать экватор
семь с половиной раз, понадобится только одна секун¬
да, чтобы импульс тока, возникший в начале этого про¬
вода, успел дойти до его конца. Это, конечно, не зна¬
чит, что электроны успели пройти за секунду весь путь
длиной в 300 000 километров. Просто они приходят в
движение практически одновременно, словно выстро¬
енные в колонку солдаты, шагнувшие после команды
«марш!».
2.19
Электрическая цепь состоит из трех основных эле¬
ментов: источника напряжения Е, нагрузки R и соедини¬
тельных проводов. Внешняя цепь (провода и нагрузка)
имеют определенное сопротивление. Благодаря той
энергии, которой обладает источник, он может «про¬
талкивать» электроны через это сопротивление. Спо¬
собность источника «проталкивать» по внешней цепи
электричество называется его электродвижущей си¬
лой, сокращенно ЭДС.
L-Uk-Va-V, -J
2.20
Ток, текущий по внешней цепи, создает в ней паде¬
ние напряжения Uc-
Падение напряжения всей цепи равно электродви¬
жущей силе источника, то есть E=UC.
Во многих случаях приходится учитывать внутрен¬
нее сопротивление источника. Из-за падения напряже-
171

ния на внутреннем сопротивлении напряжение на за¬
жимах источника будет меньше, чем его ЭДС. Эта
разница будет тем более, чем сильнее протекающий в
цепи ток.
2.21.
Провода обладают обычно малым сопротивлением.
В основном напряжение падает на нагрузке R. Прохо¬
дящие здесь электроны создают на концах сопротив¬
ления разность потенциалов V|—V2. Эта разность по¬
тенциалов и равна падению напряжения, то есть
Vr= V|—V2.
Сила тока в нагрузке 3 и падение напряжения Ur
связаны известным законом Ома:
3
Vr
R
172

Сила тока зависит от того, какое количество
электронов в секунду пройдет через сопротивле¬
ние R.
При токе, равном 10 миллиамперам (то есть 10 ты¬
сячным долям ампера), через поперечное сечение
провода пробежит за секунду «толпа» электронов чи¬
сленностью около 63 триллионов штук (63-1015). При¬
мерно такое количество электронов проходит в тече¬
ние каждой секунды через триоды или диоды. А в
нити осветительной лампы, где ток достигает долей
ампера, «толпа» электронов больше еще раз в пять¬
десят.
2.22
Хотелось бы еще раз напомнить читателю, что теку¬
щий по проводу ток совсем не похож на движение жид¬
кости в трубе. Электроны по проводу не бегут друг за
другом, а совершают сложное движение, подобное
дрейфу (см. 2.15). Только в момент включения элект¬
роны как бы подчиняются общей команде (см. 2.18). А
затем они превращаются в движущийся вдоль прово¬
да «рой» (см. 2.16).
Сила тока, определяемая количеством электронов,
проходящих через поперечное сечение провода в тече¬
ние каждой секунды, представляет собой статистиче¬
ски усредненную величину.
2.23
Пройдя через сопротивление, электрон теряет
энергию, которая преобразуется в тепло. От одного
электрона тепла выделится настолько мало, что заме¬
тить его нельзя. А их «коллектив» может нагреть соп¬
ротивление до очень высокой температуры. Подклю¬
ченная к общей электросети розетка может снабжать
электроэнергией и телевизор, и холодильник, и магни¬
тофон, и электроплитку, и всякий другой прибор. Лю¬
бой из этих приборов выделяет тепло, поскольку каж¬
дый из них обладает определенным внутренним соп¬
ротивлением R.
Мы уже знаем, что совершаемая электроном ра¬
бота зависит от разности потенциалов (см. 2.7). Кро¬
ме того, согласно закону Ома «коллектив» электронов,
проходящих через сопротивление R, будет тем больше,
чем больше Ur (см. 2.11). Итак, с ростом Ur увели¬
чивается затрата энергии каждого электрона и растет
число электронов. Поэтому мощность Р, выделенная в
нагрузке (сопротивлении), растет как квадрат Ur:
173

2.24
Если управляющие пластины трубки подключить к
двум концам сопротивления R, по которому течет ток,
то потенциал пластины, подключенной к точке А, станет
равным U*, а той, что подключена к точке В,— Ub
(при условии, что сопротивление соединительных
проводов настолько ничтожно, что им можно пре¬
небречь).
В этом случае говорят, что напряжение Ur=Ua—Ub
«снято» с сопротивления R и «подано» на пластины.
Если подать напряжение на вход электронной лампы
(между катодом и сеткой) и снять с сопротивления,
подключенного к ее аноду, то напряжение будет уси¬
лено в несколько раз.
Бегущие по проводу электроны, помимо тепла,
рождают другой вид энергии — энергию поля.
Провод с током всегда окружен силовыми линия¬
ми магнитного поля. Направление линий совпадает с
вращением головки буравчика, если сам буравчик ввин¬
чивается туда, куда движется ток. (Еще раз отметим,
что во всех правилах, по которым определяется взаи¬
модействие тока и магнитного поля, фигурирует тех¬
нический ток. Он течет от плюса к минусу навстречу
движению электронов).
В проводе, свитом в виде спирали, магнитные линии
тоже работают «коллективно» — их усилия складыва¬
ются в общий поток, направленный вдоль оси. Получил-
2.25
2.26
174

ся так называемый соленоид. Если пустить сильный ток
по виткам соленоида и вставить внутрь его сердечник
с хорошими магнитными свойствами, он превратится
в мощный электромагнит.
Современная техника создала множество средств
для передачи информации на радиоволнах и на свето¬
вых лучах. В этих устройствах учтена неодинаковость
физических свойств электромагнитных колебаний раз¬
личных частот.
Электромагнитная световая волна в тысячи раз ко¬
роче самых коротких (миллиметровых) радиоволн. Со¬
ответственно частота световых колебаний в тысячи раз
превышает частоты радиоколебаний. Поэтому-то в од¬
них и тех же условиях проявляются различия
в поведении видимых волн света и невидимых радио¬
волн.
Например, луч лазера прервется, наткнувшись на та¬
кие препятствия, как здание, дерево, плотное облако.
Зато более длинные радиоволны этих препятствий «не
замечают», для них эти объекты «прозрачны». Прервать
их путь может только изготовленный из металла экран.
По этой причине передачи на радиоволнах осуществля¬
ются через пространство, а для трансляции звуков, те¬
левизионных изображений или цифровых сообщений
на лучах лазера приходится использовать специальные
волоконно-оптические каналы, о которых речь еще впе¬
реди.
Различия видимых и невидимых волн обусловлены
различием их длины. А сходство их обусловлено единст¬
вом их электромагнитной природы. Это сходство про¬
является и в общности законов отражения, преломле¬
ния и взаимодействия радиоволн и световых волн.
МАГОМЕТ ИДЕТ
К ГОРЕ
175

А было время, когда создавались и исследовались
устройства для преобразования света, невидимые же
электромагнитные волны существовали лишь на бумаге:
они были открыты Дж. Максвеллом, как говорят, на
кончике пера, а не в лаборатории, не с помощью физи¬
ческих устройств и приборов.
При нципиальная возможность электромагнитной
связи на расстоянии подтверждалась явлениями индук¬
ции. которые исследовал М. Фарадей. От связи на ра¬
диоволнах индуктивная связь в трансформаторе отли¬
чается лишь тем, что создаваемое первичной обмоткой
переменное поле «привязано» к этой обмотке и сущест¬
вует в ограниченной области пространства, в непосред¬
ственной близости от обмотки.
Стоит лишь раздвинуть обмотки на расстояние в не¬
сколько сантиметров, и индуктивная связь практически
исчезает, потому что энергия индуцируемого первичной
обмоткой магнитного поля уменьшается пропорцио¬
нально расстоянию, возведенному в куб.
Для усиления связи между первичной и вторичной
обмотками их располагают достаточно близко и нама¬
тывают на общий магнитный сердечник.
Текущий по первичной обмотке переменный ток за¬
ставляет пульсировать создаваемое им поле. Пульси¬
рующее поле воздействует на вторичную обмотку, воз¬
буждая в ней по законам индукции ток, изменяющийся
с той частотой, с какой пульсирует ток первичной об¬
мотки.
Благодаря близости взаимного расположения обе
обмотки оказываются в сфере влияния одного и того же
пульсирующего поля, через которое осуществляется
связь.
Уравнения Максвелла говорили о том, что электро¬
магнитные колебания могут не только возникать в не¬
посредственной близости от источника, но и распрост¬
раняться в пространстве в виде электромагнитных волн.
Энергия этих волн тоже теряется на расстоянии, но в
этом случае уменьшается пропорционально не кубу рас¬
стояния, как в трансформаторах, и даже не квадрату
расстояния, как в случае взаимодействия двух зарядов
(вспомните о законе Кулона, рассмотренном в новелле
«Первый закон»), а лишь первой степени расстояния,
пройденного волной. Это значит, что путевые потери
энергии волн будут значительно меньше, чем в случае
индуктивной связи, значит, воздействие таких волн
должно распространяться значительно дальше, чем ин¬
дуктивная связь.
Все эти теоретические предпосылки требовали
экспериментальной проверки. Только опыт мог идею
о невидимых электромагнитных волнах перевес¬
ти из теоретической гипотезы в научно доказанный
факт.
176

Эту важную миссию взял на себя бывший ученик и
ассистент Г. Гельмгольца Г. Герц. Он поставил перед
собой задачу: создать такие условия, при которых воз¬
никшие в источнике колебания могли бы «отрываться»
от породившего их источника и распространяться в про¬
странстве в виде электромагнитных волн. С этой целью в
1888 году им был сконструирован специальный вибра¬
тор, названный впоследствии его именем и используе¬
мый до настоящего времени в конструкциях некоторых
передающих антенн. В нем электромагнитные волны
возбуждались с помощью искрового разряда.
Еще в опытах с лейденской банкой было замечено,
что искра, возникающая между обкладками банки, ве¬
дет себя своеобразно: за какой-нибудь миг она несколь¬
ко раз изменяет свое направление, и соответственно
знаки зарядов обеих обкладок тоже изменяются столько
же раз. Искрой рождаются колебания — вот из чего
исходил в своих опытах Г. Герц.
Для получения искры он заряжал металлические ша¬
ры излучателя от источника тока до тех пор, пока между
шарами не проскакивала искра. На расстоянии несколь¬
ких метров от источника искрового разряда был поме¬
щен приемный вибратор, а для усиления связи между
передающим и приемным вибратором их поместили в
фокусы специальных зеркал. Приемный вибратор имел
петлю, в которой электромагнитными волнами должны
были наводиться токи индукции.
Эксперимент оправдал ожидания Г. Герца: в момент
появления искры в излучателе в приемном вибраторе
тоже рождалась хотя и слабая, но все же заметная иск¬
ра, подтверждавшая существование невидимых волн.
На таком расстоянии излучаемое вибратором поле
уже не могло оказывать непосредственное воздействие
на петлю в приемном вибраторе: переменное поле, воз¬
буждаемое вибратором, рождало электромагнитные
волны, и они, «оторвавшись» от своего источника, дела¬
ли первый самостоятельный шаг от излучателя до при¬
емника, возбуждая в петле приемника индукционные
токи, порождающие искру.
А нельзя ли открытые Г. Герцем волны использовать
для беспроволочной связи? Такая мысль зародилась од¬
новременно у многих ученых. Уж очень было заманчиво
избавить уже широко применяемые в то время теле¬
графные и телефонные линии от тянущихся между горо¬
дами и странами проводов.
История научных открытий знает немало всяческих
парадоксов. Вот один из них: противником идеи беспро¬
волочной связи на электромагиитых волнах был не кто
иной, как сам первооткрыватель этих волн Г. Герц. В
его позиции была логика. Он рассуждал приблизитель¬
но так.
Приемный вибратор улавливает электромагнитные
12 Е. Седов
177

волны на расстоянии нескольких метров. Чтобы создать
эту связь, пришлось устанавливать на излучающем и
приемном вибраторах зеркальные отражатели диамет¬
ром около метра. Какие же зеркала понадобятся в том
случае, если попытаться улавливать волны, удалив¬
шись от их источника на многие километры? А ведь
именно этого требует любая связь!
Представив себе все эти трудности, Г. Герц напра¬
вил письмо в Дрезденскую палату мер и весов, вы¬
полнявшую функции нашего Комитета по делам изо¬
бретений и открытий. В этом письме он предложил от¬
клонять все заявки, касающиеся создания беспрово¬
лочной связи, поскольку для реализации этих заявок
пришлось бы строить зеркальные отражатели «величи¬
ной с горы и острова».
История опровергла аргументацию Г. Герца, хотя
принцип созданных им вибраторов до сих пор исполь¬
зуется разработчиками антенн.
Несколько десятилетий спустя были созданы мощ¬
ные генераторы радиоволн, энергия которых в тысячи
и миллионы раз превышает энергию искры, возникав¬
шей в излучателе Герца. А чувствительность современ¬
ных приемников, внутри которых установлено множест¬
во электронных приборов, позволяет улавливать радио¬
волны в миллиарды раз слабее тех, что улавливал
в лаборатории Г. Герц.
Современная «беспроволочная связь» на любых
расстояниях осуществляется благодаря высокой мощ¬
ности передающих станций и высокой чувствительно¬
сти приемников, а не за счет увеличения размеров ан¬
тенн, как представлял себе Г. Герц.
При необходимости техника использует и большие
антенны. Например, для приема слабых космических
излучений созданы радиотелескопы, антенны которых
достигают стометрового размаха.
Наземная радиосвязь обходится антеннами более
скромных размеров. Но принцип Герца остается незыб¬
лемым: излучение тем эффективнее, чем больше длин
волн укладывается в размахе антенны.
Длина волн промышленной частоты 50 герц состав¬
ляет 6 тысяч километров, поэтому переменный ток про¬
мышленной частоты может осуществлять индукцион¬
ную связь в трансформаторах, но никогда не исполь¬
зуется без предварительных преобразований для излу¬
чения электромагнитных волн.
Спустя полвека после опытов Г. Герца вопрос о раз¬
мерах антенн приобрел новую остроту, когда дело кос¬
нулось локации. Оказывается, по лучу можно опреде¬
лить точное положение отражающего объекта. Золотой
петушок из известной сказки А. С. Пушкина повора¬
чивал голову в ту сторону, откуда шло чужеземное вой¬
ско. Радиолокационная станция указывает направление
178

на цель противника поворотом своих антенн. Направле¬
ние будет определено точно, если антенна станции из¬
лучает волны узким лучом. А создать такой луч можно
только в том случае, если размеры антенны будут зна¬
чительно больше, чем длина излучаемых волн.
Первые радиолокационные станции (это было в на¬
чале 40-х годов) собирали в луч метровые волны с по¬
мощью огромных антенн.
Луч нащупывал в небе самолет противника и указы¬
вал, куда направить снаряд. Долго мириться с таким по¬
ложением летчики не могли. Необходимо было как мож¬
но скорее снабдить локаторами и авиацию. Только как
это сделать? Ведь антенну размерами с пятиэтажный
дом не взгромоздишь на самолет! «Ну что же,— рассу¬
дили создатели самолетных локаторов.— Если гора не
желает идти к Магомету, придется уговорить Магомета,
чтобы он шел к горе».
Итак, сфокусировать радиоволны в направленный
луч можно в том случае, если размеры антенны локатора
будут в несколько раз превышать длину излучаемых
волн. В то же время только компактные антенны не
нарушат аэродинамические свойства самолета. Значит,
чтобы размеры антенн в несколько раз превышали дли¬
ну волны, сохраняя при этом сравнительно небольшие
размеры, придется сокращать длину волн.
Когда волны укоротили до сантиметров, появилась
возможность создания компактных и эффективных са¬
молетных антенн.
Легко сказать: «укоротили до сантиметров». Ведь
частота достигает при этом десятков миллиардов коле¬
баний в секунду! Чтобы генерировать такие частоты,
электронике пришлось разрабатывать целую серию ос¬
нованных на новых принципах электронных приборов.
В следующей главе будет рассказано о происходя¬
щих внутри этих приборов процессах, породивших их
экзотические названия: лампа с бегущей волной, маг¬
нетрон, клистрон, лавинопролетный диод.
А пока, возвращаясь к теме этой новеллы, еще раз
подчеркнем то обстоятельство, что, используя вместо
сверхгромоздких антенн сверхкороткие волны, техника
шла путем, прямо противоположным тому, который
представлял себе Г. Герц.
Но почему же он сам не смог предвидеть такую воз¬
можность?
Легко судить о прежних ошибках тому, кто родился
в век электроники и может оценивать прошлое «зад¬
ним умом». Но мог ли сам Г. Герц представить, что всего
за полвека после поставленного им первого опыта с ра¬
диоволнами будет создан мощнейший арсенал электрон¬
ных приборов для широчайшего диапазона частот!
Забудьте на время о достижениях современной тех¬
ники, перенеситесь мысленно в лабораторию Г. Герца и
12'
179

представьте себе, что вы вместе с ним ставите первый
опыт, подтверждающий существование невидимых ра¬
диоволн. И тогда эти волны покажутся вам неким почти
эфемерным флюидом, обнаружить который так нелег¬
ко... Едва заметная искра в приемном вибраторе
свидетельствует о существовании такого флюида и о его
способности преодолеть расстояние от излучателя до ме¬
ста приема. Чтобы возникла такая искра, Г. Герцу при¬
шлось улавливать эти волны специальной «ловушкой»,
будто речь идет не о физическом эксперименте, а об охо¬
те на экзотических насекомых, для поимки которых при¬
шлось сконструировать специальный сачок.
Разве можно было в то время предвидеть, что всего
за несколько десятилетий едва уловимые во времена
Г. Герца волны наука и техника превратят в общедо¬
ступное орудие, заставят служить человечеству, сумеют
использовать их в военных и мирных целях?
Так не будем же упрекать ученого в недальновидно¬
сти и воздадим должное его великому эксперименту, от¬
крывшему человечеству столько новых возможностей,
подаривших ему столько новых забот. И благодарное
человечество увековечило имя его автора — Г. Герца,—
назвав этим именем единицу измерения частоты. Если
полный цикл волновых колебаний (гребень — впади¬
на — снова гребень) осуществляется один раз в секун¬
ду, частота их составляет один герц.
Частоты звуковых волн достигают тысяч колебаний в
секунду. Для их измерения используют более крупные
единицы, составляющие тысячу колебаний в секунду и
называемую килогерцем.
В опытах Г. Герца искровый разряд порождал вол¬
ны с частотой, составляющей десятки миллионов коле¬
баний в секунду. Для измерения таких высоких ча¬
стот введена еще более крупная единица, состав¬
ляющая миллион колебаний в секунду, или один мега¬
герц.
Волны метрового диапазона понадобились, в частно¬
сти, телевидению (для чего — читатель скоро узнает).
Их частоты измеряются десятками и сотнями мегагерц.
Локации понадобились еще более короткие (сантимет¬
ровые) волны с частотами в несколько тысяч и даже
десятков тысяч мегагерц. В обиход стали входить гига¬
герцы — единицы частоты, составляющие тысячу мега¬
герц.
Герцы, килогерцы, мегагерцы, гигагерцы... Имя Гер¬
ца звучит теперь на всех частотных диапазонах, напо¬
миная о его великой заслуге на пути создания всемирной
радиосвязи, возможностей которых он не мог предви¬
деть заранее.
Если мы захотим узнать последние новости, мы
включаем привычным движением телевизор или прием¬
ник, не задумываясь о том, что электроника подарила
180

нам неиссякаемое чудо: незримые, неощутимые волны
ежесекундно «до краев» наполняют реальными изобра¬
жениями и звуками эфемерный эфир.
Есть радии. Есть электроника. Две области техники,
тесно связанные между собой. Где граница, отделяю¬
щая их друг от друга?
Электроника занимается разработкой электронных
приборов—ламп, электронных трубок, полупроводни¬
ков, микросхем. Роль радио не требует разъяснений. И
тем не менее...
Может ли быть радио без электроники?
Трудно представить себе современный передатчик
или приемник без полупроводников или ламп. Можно
осуществить связь и на лазерах. В этом случае передача
ведется не на радиоизлучениях, а на световых лучах.
Радио это или не радио?
Придется заново вникнуть в смысл слова «радио»,
чтобы ответить на этот вопрос. Слово «радио» проис¬
ходит от латинского слова «радиус», что по-русски
«луч». Радио может работать на различных лучах. Тем
более что и свет, и те излучения, которыми пользовалось
радио до изобретения лазеров, имеют одну и ту же при¬
роду.
Дж. Максвелл установил эту истину около ста лет
назад. Почему же только в последние годы возникли си¬
стемы связи на световых лучах?
Дело в том, что на первых порах развития техники
связи ей было легче управляться с более длинными
волнами. После открытий Дж. Максвелла наука упорно
искала пути получения этих невидимых волн. Зачем? Не
только затем, чтобы подтвердить или опровергнуть идеи
Максвелла, но и чтобы, изучив эти волны, суметь их
приспособить для практических дел. Для каких именно?
А кто мог знать, какие возможности таят в себе волны,
которых никто еще не наблюдал? Трудно было делать
прогнозы, совершенно не зная их свойств. Но принцип,
который со временем стал основой всякой беспроволоч¬
ной связи — излучение и прием,— был открыт.
«Надо изобрести прибор, который заменил бы недо¬
стающие человек) электромагнитные чувства» — так
сформулировал задачу наш выдающийся соотечествен¬
ник Александр Степанович Попов.
И вскоре он доказал, что такие приборы действи¬
тельно могут быть созданы.
25 апреля (7 мая по новому календарю) 1895 года
А. Попов представил свой исторический рапорт о ре¬
зультатах первых экспериментов по беспроволочной
связи. Два года спустя, во время доклада в Санкт-Пе¬
тербургском университете, он продемонстрировал дей¬
ствующую систему беспроволочной связи, передавая на
ГДЕ НАЧИНАЕТСЯ
РАДИО?
181

радиоволнах сигналы азбуки Морзе на расстояние
250 метров, отделяющее химическую лабораторию, от¬
куда велась передача, от физического кабинета, в кото¬
ром осуществлялся прием. Из последовательности пе¬
реданных через эфир и расшифрованных в месте приема
знаков азбуки Морзе складывалось имя ученого, кото¬
рый первым сумел получить в лабораторных условиях
радиоволны,— Генрих Герц.
Острее всего нужда в беспроволочной связи ощуща¬
лась на флоте. Связь на земле, плохо ли, хорошо ли,
можно было осуществлять с помощью провода. На фло¬
те дело обстояло много сложнее: ведь не потянешь
же провод с берега на ушедший в открытое море ко¬
рабль!
В 1899 году А. Попов реализовал связь между дву¬
мя кораблями, находящимися на расстоянии сорока
километров, а в 1900 году передавал по радио указания
из Кронштадта на остров Гогланд, где велись работы
по спасению броненосца «Генерал-адмирал Апраксин»,
севшего там на мель.
С помощью той же радиостанции он передал капита¬
ну ледокола «Ермак» сообщение адмиралтейства о том,
что шторм унес в море льдину, на которой остались
27 рыбаков. Вышедший навстречу корабль вовремя по¬
дошел им на помощь. Спасти людей помогла беспрово¬
лочная связь.
Так радио стало получать признание, а об электрони¬
ке еще не ведал никто. Опять радио без электроники:
ведь А. Попов в своих первых радиостанциях обходил¬
ся без электронных ламп!
Под действием волн, воспринятых приемной антен¬
ной, в приемном устройстве А. Попова возбуждалось пе¬
ременное электрическое высокочастотное поле, которое
воздействовало на специальное устройство — так назы¬
ваемый когерер. Когерер наполнялся металлическими
частицами. Под действием высокочастотного поля плот¬
ность частиц увеличивалась, сопротивление когерера
уменьшалось, он начинал пропускать электрический
ток От этого тока срабатывало реле, когерер получал
«легкую встряску», частицы вновь рассыпались внутри
когерера и ждали, когда появится следующий «всплеск»
радиоволн.
В этом простом устройстве был один недостаток —
слишком короткий сигнал. Искра проскакивала мгно¬
венно, и волны, которые она порождала, гасли, едва ус¬
пев появиться на свет.
Что можно передать такими сигналами? Только теле¬
графную азбуку: точка — точка — тире. Передавать же
человеческий голос сложнее. Надо было создать неза¬
тухающие радиоволны, научиться транспортировать
182

звук «верхом» на радиоволнах и, поймав эти волны при¬
емной антенной, превратить их в переменные токи и уси¬
лить эти токи настолько, чтобы они могли раскачать
диффузор динамика, воспроизводящего звук.
Для излучения непрерывных сигналов и их усиления
Ли де Форест создал свой знаменитый триод, о кото¬
ром с таким почтением и восхищением говорил полвека
спустя французский физик Луи де Бройль.
Вот тогда и родилась электроника.
Впрочем, термина «электроника» нам не удастся
найти в словарях или каталогах, составленных в те вре¬
мена. Он родился позже. И все же лампа и электронная
трубка — это два первых ростка электроники, из кото¬
рых суждено было вырасти дереву, давшему множество
неожиданных и чудесных плодов.

это
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
ЗДЕСЬ РОЖДАЮТСЯ КОЛЕБАНИЯ
2.27
Катушка и конденсатор, соединенные параллель¬
но, образуют колебательный контур — устройство, иг¬
рающее в электронике и в радиотехнике главную
роль.
В контуре рождаются колебания, подобные колеба¬
ниям маятника или струны. Но маятник и струна колеб¬
лются сами, а детали контура неподвижны. Здесь коле¬
бания рождаются электронами — колеблется электри¬
ческий ток.
1
т
2.28
Внешнее сходство иногда бывает обманчивым. В
этом устройстве пружина, похожая на катушку, на са¬
мом деле играет роль конденсатора. А груз, подве¬
шенный на пружине, хоть и не похож на катушку внеш¬
не, зато имеет с ней более глубокое сходство: он обла-
184

дает инерцией. Катушка — тоже. Тот, кто забыл, чем
она обусловлена, может взглянуть еще раз на рисунки
2.12 и 2.13.
2.29
Зарядим конденсатор от батареи, а затем замкнем
ключ К. С момента замыкания ключа К в контуре нач¬
нется процесс колебаний.
В первое мгновение, пока вся энергия сосредото¬
чена в конденсаторе, колебательный контур можно
сравнить с растянутой до предела пружиной. Замыка¬
ние ключа К означает, что пружина отпущена и с этого
момента колебательная система предоставлена самой
себе.
2.30
Пружина начнет сжиматься, груз вернется к своему
среднему положению, но движение не прекратится:
благодаря инерции груз будет двигаться вверх и, сжав
пружину, опять передаст всю энергию ей.
То же самое происходит и в контуре. Конденсатор
отдал всю энергию, а ток в контуре не прекратился. Он
185

течет «по инерции». Его направление пока сохраняется
прежним (груз все еще движется вверх). На верхней
пластине конденсатора электронов «толпится» все
больше и больше. Сначала они уменьшили положитель¬
ный потенциал до нуля, но ток продолжает течь «по
инерции» и нуль превращается в минус. А на противо¬
положной пластине образуется плюс.
Пружина раньше была растянута, а теперь оказалась
сжатой. Заряды пластин конденсатора перераспреде¬
лились, пластины изменили свой знак.
Когда пружина сжата предельно, наступает момент
изменения направления движения груза: раньше он
двигался вверх, теперь начнет двигаться вниз.
После того как конденсатор приобрел заряд проти¬
воположного знака, ток изменил свое направление.
(Стрелками на рисунке обозначено техническое нап¬
равление тока.)
2.31
Вновь груз достигает среднего положения, а затем
по инерции растягивает пружину. Снова на конденса¬
торе поменялись местами минус и плюс.
Система вернулась в исходное состояние (см. 2.29).
Закончился цикл (или период) собственных колеба¬
ний контура.
Почему «собственных»? Читатель, очевидно, уже за¬
метил, что посторонний источник понадобился только в
самом начале процесса (см. 2.29). А потом его отклю¬
чили, и контур стал обходиться собственными силами,
создавать собственные колебания, имеющие собствен¬
ную частоту. Цикл будет повторяться неоднократно,
нонее&шт
186

система несколько раз подряд пройдет положения,
изображенные на рисунке 2.30, но с каждым разом
«размах» колебаний будет все меньше и меньше, и в
конце концов они прекратятся совсем.
Сколько же времени занимает каждый цикл колеба¬
ний контура?
Очевидно, что время это зависит от свойств «пру¬
жины» и «груза». И действительно, время каждого цик¬
ла определяется емкостью конденсатора и индуктив¬
ностью катушки. Чем больше емкость, тем больше вре¬
мени длятся заряд и разряд конденсатора. Чем больше
индуктивность катушки, тем медленнее нарастает и
спадает текущий внутри контура ток (см. 2.13).
Количество полных циклов (периодов) собственных
колебаний контура в течение одной секунды определя¬
ет его собственную частоту.
С увеличением емкости и индуктивности период
становится более длинным, число циклов в секунду
уменьшается — падает собственная частота.
Эта зависимость выражается формулой Томсона:
В формуле f — частота (число колебаний в секунду.
Так она обозначается в технике; в физике частоту при¬
нято обозначать буквой v; L — индуктивность (в ген¬
ри), С — емкость (в фарадах).
Всем знакомо явление резонанса. Например, бла¬
годаря резонансу струна отзывается на звуки другой
струны. При этом она зазвучит особенно сильно, если
частота внешнего звука совпадает с ее собственной
2.32
2.33
2.34
187

частотой. Так же ведет себя колебательный контур.
Колебания тока в контуре будут особенно сильными,
если частота подведенных к контуру колебаний (сигна¬
ла) совпадает с его собственной (резонансной) часто¬
той.
При несовпадении частоты сигнала — отклонении
ее в любую сторону от резонанса — колебания в кон¬
туре начнут уменьшаться. Это свойство хорошо отра¬
жает график, похожий по внешнему виду на колокол.
Такая кривая именуется резонансной характеристикой
контура.
2.35
На сигналы, частоты которых далеки от резонанса,
контур не отзовется. Принято считать, что он свободно
пропустит сигналы с частотами, лежащими между f3 и
$4 (на этих частотах уровень колебаний контура со¬
ставляет 0,7 от уровня колебаний его при резонан¬
се).
Интервал между значениями частот fj и U называют
полосой пропускания контура.
188

2.36
Резонансные свойства LC-контура, как и любого
другого колебательного устройства, ухудшаются из-за
потерь. В механических системах эти потери обуслов¬
лены трением. В LC-контуре потери обусловлены ка¬
чеством диэлектрика внутри конденсатора и сопротив¬
лением обмотки катушки. В нем так же, как и в механи¬
ческих системах, теряющаяся энергия расходуется на
разогрев.
Для оценки резонансных свойств контура специа¬
листы ввели специальный параметр — добротность.
Чем выше добротность, тем медленнее затухают
собственные колебания контура (см. 2.31), тем уже его
полоса пропускания (см. 2.35).
2.37
-Благодаря явлению резонанса контур усиливает
сигналы, частоты которых лежат в пределах его поло¬
сы пропускания (см. 2.35). Одновременно он подавляет
помехи с частотами ниже или выше крайних частот по¬
лосы. Чем уже полоса пропускания, тем меньше помех
пропускает контур. Поэтому для повышения избира¬
тельности приема применяются высокодобротные кон¬
туры.
Был момент в истории радио, когда оно обходилось
без электроники. Но что это было за радио?
...Шла первая мировая война. За два километ¬
ра от Ходынки непрерывно слышался грохот разря¬
дов — это московская радиостанция излучала в прост¬
ранство сигналы мощностью около 100 киловатт.
100 киловатт — мощность немалая. Обычная электро¬
плитка потребляет лишь около 0,5 киловатта. Но, не-
189
ГЕНЕРАТОР
ПОЮЩЕЙ ДУГИ

смотря на большую мощность, ничего, кроме азбуки
Морзе, превращаемой в искры разряда, эта станция
передавать не могла. Такие же станции работали и в
других городах Европы.
На кораблях военного флота тоже использовалась
телеграфная радиосвязь. Сигналы, передаваемые по
радио, легко перехватывались противником. Немцы
следили по ним за маневрами англичан и французов.
Союзники пеленговали корабли немецкого флота и
пытались разгадывать секретные коды штабных
команд.
И вот случилось необычайное: все немецкие станции
вдруг замолчали. Это вызвало панику в военных штабах
России, Англии, Франции: несомненно, готовился ка¬
кой-то подвох, немцы держат в секрете какое-то нов¬
шество.
Секрет разгадал выдающийся русский ученый Миха¬
ил Васильевич Шулейкин. Оказывается, германцы пе¬
решли на непрерывное излучение волн. А приемники
союзников были рассчитаны на прием искровых теле¬
графных сигналов: в передатчике искра — в приемнике
слышен щелчок. А тут волна шла непрерывно и несла
на себе следы азбуки Морзе, которые старые типы при¬
емников выделить не могли.
М. Шулейкин нашел способ, позволивший с помо¬
щью старых приемников «засекать» излучение новых
немецких станций. Он рекомендовал прерывать сигнал
прямо на входе приемника, то есть сделать его похожим
на привычные всплески волн. И тогда с приходом сиг¬
нала вновь стали слышны щелчки.
Впоследствии оказалось, что первые непрерывные
волны были получены немцами с помощью «генератора
поющей дуги». Генератор этот был создан ирландцем
Дудделем, который предложил использовать колеба¬
тельный контур (см. 2.27) и «подталкивать» его непре¬
рывным потоком искр.
Для получения искр Дуддель использовал вольтовы
дуги. Контур настраивался на звуковые частоты, гене¬
ратор во время работы издавал звук музыкального
тона, и потому его окрестили «генератором поющей
дуги».
КАК
РОЖДАЮТСЯ
КОЛЕБАНИЯ И КАК
ОНИ УМИРАЮТ
Контур — устройство несложное. Катушка из прово¬
да и конденсатор включены параллельно (см. 2.27).
Обе детали были давно известны науке. Конденсатор
сродни лейденским банкам. Катушка — тот же соле¬
ноид Ампера (см. 2.26). Но когда американский ученый
У. Томсон заставил эти детали работать совместно, он
получил такие процессы, которые не утратили ценности
и по сегодняшний день.
В контуре рождаются колебания — явление, имею¬
190

щее множество аналогий в совершенно различных тех¬
нических областях.
Можно вспомнить о маятнике, струне, камертоне,
качелях. Все эти устройства после толчка будут совер¬
шать колебания с определенной собственной частотой
(см. 2.33).
Качели, струна, маятник колеблются сами. Детали
контура неподвижны. Движущиеся же его «детали»
невидимы: в контуре колеблются электроны и создают
переменный, колеблющийся ток (см. 2.27).
Катушка и конденсатор попеременно передают друг
другу энергию, как теннисисты мяч.
Однако давно установлено, что «вечный двигатель»
построить нельзя. Когда система приведена в движение,
то из-за трения часть ее энергии неизбежно превратит¬
ся в тепло. Если потеря энергии не восполняется внеш¬
ним источником, то движение прекратится потому, что
вся энергия в конце концов рассеется в виде тепла. Теп¬
ло улетучивается в пространство, и в любом «вечном
двигателе» раньше или позже наступает «вечный по¬
кой».
По той же самой причине прекращаются колебания
маятника или качелей. Трение между деталями и соп¬
ротивление воздуха заставляют останавливаться и ка¬
чели, и маятник, и подвешенный на пружине груз. В ко¬
лебательном контуре движутся электроны. Неужели си¬
лы трения действуют и на них?
Да, своеобразное трение существует и здесь. Ка¬
тушка обладает сопротивлением. Преодолевая его,
электроны теряют энергию, и она, так же как и в
маятнике или в качелях, целиком переходит в тепло.
Колебания ослабевают и в конце концов прекра¬
щаются.
Сущностью радио, его сердцевиной являются коле¬
бания тока, которые, возникнув однажды, продолжа¬
лись бы долгое время. Их легко превратить в непрерыв¬
ные волны. А на таких волнах передать можно все, что
угодно: речь, музыку, изображение, а если нужно, то и
прерывистый телеграфный сигнал.
Но как получить непрерывные колебания?
Для этого надо непрерывно «подталкивать» контур.
Причем «подталкивать» легче в том случае, если часто¬
та толчков совпадает с собственной частотой этого кон¬
тура,— получится резонанс.
Но кто будет «подталкивать»?
Опять нужен контур. Чтобы толчки шли непрерывно,
колебания в нем не должны затухать. Значит, для этого
опять-таки надо его «подталкивать» в такт с его собст¬
венной частотой. А кто будет «подталкивать» его? Тоже
контур?
Но в этой цепочке никогда не найдешь начала. А
нельзя ли замкнуть цепочку кольцом?
191

ПОЧЕМУ
ТЕКУТ РЕКИ?
Каждый знает, что реки текут от истоков и впадают в
море. Но если из века в век река отдает свою воду морю
и при этом не иссякает, то откуда берется в ней такая
масса воды?
Прибывает она с неба в виде дождей и снега. На небо
попадает из озер, морей и океанов. А то, что теряют за
счет испарения озера, моря и океаны, вновь пополняется
реками. Конечно, читатель уже догадался, для чего мы,
прервав разговор о колебаниях в контуре, вспомнили
вдруг о круговороте воды. Ведь в движении рек есть
именно то, чего не хватало нам для поддержания
незатухающих колебаний,— замкнутый круг. Из океа¬
на — в облако, из облака — в реку, из реки — опять
в океан.
Вот так же работает и генератор. Колебательный
контур подключен к аноду триода. А для того чтобы ко¬
лебания не затухали, часть колеблющейся энергии анод¬
ного контура подается на сетку триода. Попав на
сетку, колебания начнут управлять током, протекаю¬
щим через триод. Колеблющийся ток будет раскачивать
контур, включенный в анодную цепь. Сколько раз повто¬
рятся колебания в контуре, столько раз изменится уп¬
равляющее напряжение сетки. С каждым тактом будут
возникать всплески анодного тока, которые станут «рас¬
качивать» контур в такт с его собственной частотой.
Вместо бесконечной цепочки получится замкнутый круг.
Колебания, однажды родившиеся в контуре, попав
на сетку, будут усилены и начнут раскачивать контур
еще сильней. А из контура — снова на сетку, а оттуда —
опять в анод.
В усилителе сигнал, подведенный к сетке триода,
связан с анодным током (см. 1.37.—1.46). А в генерато¬
ре наряду с этой связью предусмотрена еще и обратная
связь; часть энергии из анода попадает на сетку, и лам¬
па будет усиливать собственные сигналы.
Такой режим специалисты по электронике называют
самовозбуждением.
В рассмотренном нами круговороте воды в природе
тоже можно найти своеобразную «обратную связь». По¬
полнение морей и океанов водой, доставленной река¬
ми,— связь прямая. Пополнение же рек дождями от ис¬
парения водоемов — это обратная связь. А откуда бе¬
рется энергия в круговороте воды и при создании элек¬
трических колебаний?
В первом случае ее поставляет солнце. А во вто¬
ром — источник постоянного тока, питающего анод.
Итак, источник — это своеобразное солнце, контур в
аноде — море, река — электроны, текущие от катода к
аноду, а передача части энергии с анода на сетку — это
дожди. В этом круговороте часть энергии постоянного
тока источника превращается в энергию незатухающих
колебаний.
192

Аналогичную схему с обратной связью можно соз¬
дать, заменив вакуумную электронную лампу на полу¬
проводниковый транзистор.
Лишь какую-то часть постоянного тока можно пре¬
вратить в колебания: генератор всегда потребляет
больше энергии, чем несут в себе те колебания, которые
он породил. Если хотя бы половина энергии, отбирае¬
мой от источника постоянного тока, превращается в
энергию колебаний, считается, что генератор работает
хорошо. Кстати, с нашей земной точки зрения, солнце
расходует силу куда менее рационально: почти вся она
рассеивается в космосе, а до нас доходит лишь ничтож¬
ная ее часть.
В наших же генераторах около половины энергии
источника превращается в колебания. Вторая половина
тратигся вхолостую. Но с потерями можно мириться —
было бы во имя чего. А здесь цель ясна: возникший в
генераторе переменный, колеблющийся ток можно на¬
править в антенну, а он создаст вокруг нее электромаг¬
нитное поле в виде бегущих во всех направлениях ра¬
диоволн.
13 Е. Седов
193

з/о
ЕЖИТ
<. НО BE
ВОЛНЫ БЫВАЮТ РАЗНЫЕ
2.38
Одним и тем же математическим уравнениям под¬
чиняются колебания тока, возникающие в LC-контуре;
волны, бегущие по поверхности озера; вибрации, пере¬
даваемые корпусу корабля от винта; колебания маят¬
ника и звук.
С точки зрения физики эти явления — разной при¬
роды.
2.39
Но у них есть и общая черта. Она состоит в том, что
все они представляют собой периодические синусои¬
дальные колебания и характеризуются тремя величи¬
нами: амплитудой, фазой и частотой.
Амплитудой называют наибольшее отклонение от
среднего положения (часто среднее положение явля¬
ется нулевым).
Частота — это количество циклов в секунду.
Что же касается фазы, то...
2.40
Два колебания, имеющие одинаковые частоты и
амплитуды, могут отличаться по фазе. Для сравнения
таких колебаний вводят понятие разности фаз.
Допустим, синусоида соответствует изменению во
времени напряженности электрической (или магнит¬
ной) составляющей электромагнитной волны в какой-
то точке пространства, обозначаемой буквой А. Пере¬
местившись в другую точку — В, волна сохранит часто¬
194

ту и амплитуду своих колебаний (если считать расстоя¬
ние АВ настолько малым, что ослаблением амплитуды
можно пренебречь). Но при этом изменится ее фаза,
на величину que, зависящую от фазовой скорости, ха¬
рактеризующей скорость распространения волн меж¬
ду точками А и В.
Если фазы двух колебаний неодинаковы, значит,
гребни двух волн возникают в разное время, а двое
качелей проходят крайние и средние положения в
разный момент.
Несмотря на то, что частота колебаний у них одина¬
кова, они будут двигаться то вдогонку, то навстречу
друг другу, потому что между их колебаниями есть
разность фаз.
Так же ведут себя переменные токи, возникающие
от двух источников переменного напряжения с опре¬
деленной разностью фаз.
Разность фаз может возникнуть и между порож¬
даемыми общим источником переменными токами,
если они текут по разным участкам цепи с различны¬
ми элементами (резисторами, конденсаторами, катуш¬
ками) и получают в указанных элементах различные
сдвиги фаз.
(М3
2.41
Если антенна связана с контуром, в котором про¬
исходят электрические колебания, движение электро¬
13*
195

нов в антенне подобно морскому прибою: в такт с ко¬
лебаниями контура в антенне чередуются «прилив» и
«отлив».
С каждым «приливом» возрастает интенсивность
окружающего антенну электромагнитного поля — об¬
разуется гребень волны.
Спустя время Т, равное одному периоду колебаний
контура, «прилив» повторится: возникнет еще один
гребень. А предыдущий убежит в это время от антен¬
ны со скоростью света С и за время Т успевает уйти от
нее на расстояние сТ.
Итак, один гребень еще только возник в антенне, а
предыдущий уже находится на расстоянии сТ. Длина
волны К и есть расстояние между средними греб¬
нями: ^, = сТ.
2.42
,К -Схт
196

2.43
Чем реже повторяются приливы в антенне, тем
дальше успеет уйти первый гребень прежде, чем об¬
разуется второй. Другими словами: чем меньше час¬
тота колебаний в контуре, тем длиннее излучаемая
волна.
Эту зависимость нам придется вспоминать очень
часто. Чтобы лучше ее усвоить, обратимся к примеру:
частота океанской качки будет тем меньше, чем длин¬
нее волна.
2.44
Точную зависимость между длиной волны к и час¬
тотой колебаний f нам помогут установить бегуны.
Если известно, что бегун делает п шагов в течение
каждой секунды, а длина каждого шага равна I, под¬
считать его скорость совершенно нетрудно: надо ум¬
ножить длину каждого шага на число сделанных за
секунду шагов.
Итак: V—I -п.
«Шагом» электромагнитных волн является их дли¬
на к.
Число «шагов» — это число периодов (циклов) в се¬
кунду f.
Скорость движения волн тоже известна — она рав¬
на скорости света с.
Так же, как для бегуна, скорость определяется пе¬
ремножением длины каждого «шага» на число «шагов»
за секунду:
s =к . f
По этой формуле можно определить частоту коле¬
баний, если известна длина волны:
f = -С-
к
Чтобы лучше усвоить эту зависимость, стоит еще
197

раз взглянуть на бегунов. Они бегут о одинаковой
скоростью, несмотря на то, что шаги у маленького ко¬
роче, а у большого — длинней. Зато маленький ус¬
певает в течение каждой секунды сделать больше
шагов.
Так же и с волнами: чем короче волны, тем больше
их частота (число «шагов» в секунду). А скорость рас¬
пространения волн в пустоте всегда одинакова:
300 000 километров в секунду независимо от длины
волн.
2.45
В таком вот виде впервые представил себе элек¬
тромагнитные волны Дж. Максвелл. Две синусоиды
изображают здесь одновременные колебания нераз¬
рывно связанных в пространстве и во времени элек¬
трических и магнитных сил.
Эти силы действуют перпендикулярно друг дру¬
гу, поэтому в условном изображении электромаг¬
нитных колебаний синусоиды расположены в двух
плоскостях.
Преодолевая дальние расстояния, волна становит¬
ся все слабее, но сколько бы в ней ни осталось энер¬
гии, между двумя ее равноправными составляющими
она делится пополам.
198

Волны, используемые телевидением, ориентиро¬
ваны в пространстве как на рисунке 2,45. Магнит¬
ные силы действуют в вертикальной плоскости. Под
действием волн в антенне приемника возникнут то¬
ки индукции в том случае, если магнитные силы пе¬
ресекают ее поперек. (Кто забыл, что такое индук¬
ция, пусть еще раз посмотрит 2.8—2.10.) Поэтому виб¬
раторы антенн телевизоров всегда размещены парал¬
лельно крышам домов.
В волнах, используемых радиосвязью, электриче¬
ские и магнитные силы как бы поменялись местами
(специалист в этом случае скажет: изменилась на
90 градусов плоскость поляризации волн). Потому-то
199

радиоантенна на автомашине всегда ставится верти¬
кально, чтобы улучшить прием.
Заметим, что все электромагнитные волны явля¬
ются поперечными, поскольку колебания электриче¬
ской и магнитной энергии осуществляются перпендику¬
лярно направлению распространения волн.
В отличие от электромагнитных волн акустические
и морские волны могут быть не только поперечными,
но и продольными, если направление колебаний сре¬
ды, в которой распространяются волны, совпадает с
направлением распространения волн.
МАТЕМАТИКЕ
ВСЕ
РАВНО
I I
Для математики электромагнитные волны не яв¬
ляются чем-то из ряда вон выходящим. Для нее это
явление — только частный случай из множества, од¬
на из форм колебаний, происходящих в природе на
каждом шагу. Она исследует колебания, отвлекаясь от
их конкретной природы. Для нее все равно, что колеб¬
лется: струна, вода, маятник, воздух или электрические
и магнитные силы, связанные воедино в электромагнит¬
ных волнах.
Все эти явления она описывает с помощью одинако¬
вых формул и одних и тех же кривых.
И нам нет нужды сразу рассматривать неощутимые
радиоволны. Лучше начать с хорошо знакомых нам волн
на поверхности воды.
Представьте себе такую картину. Вы сидите у озера
с удочкой и наблюдаете за поплавком. На озере тихо,
и поплавок неподвижен. Но вот, блеснув чешуей на
солнце, рядом плюхнулась в воду большая рыба. Круги
бегут по поверхности озера, и когда первый гребень дос¬
тигнет поплавка, он запрыгает вверх и вниз.
Момент волнующий. Кажется, что поплавок вот-вот
нырнет под воду. Но нет, волны становятся все слабее,
и, наконец, поплавок снова замер на неподвижной гла¬
ди. А вас охватила досада: нет, не клюет!
Почти все, что было рассказано, отражено на та¬
ком вот графике. Здесь учтены и поплавок и рыба. Не
учтены, пожалуй, только переживания рыбака.
Точка А — это момент падения рыбы. Спустя неко¬
торое время гребень первой волны достиг поплавка
(точка Б). Гребни и впадины следуют друг за другом,
заставляя «танцевать» поплавок (точки Б, В, Г, Д). Но
постепенно они становятся все слабее и в конце концов
исчезают совсем (точка Ж).
Так выглядит изображенный на графике процесс за¬
тухающих колебаний. График показывает, что про¬
цесс затухания протекает во времени таким образом,
что период каждого колебания сохраняется неизмен¬
ным. Это значит, что колебания совершаются с неизмен¬
ной во времени частотой.
200

В то же время амплитуда в каждом последующем
периоде становится меньше, чем в предыдущем. Умень¬
шение амплитуды как раз и означает, что на данном
графике изображен затухающий процесс.
Если рука музыканта прикоснется к струне арфы
или гитары, каждая точка струны начнет колебаться
почти как поплавок. Мы сказали «почти», потому что,
помимо сходства, есть и различия в поведении поплав¬
ка и струны.
Сходство найдет свое отражение в математике: вид
уравнения колебаний останется тем же и для струны и
для поплавка. Но численные значения всех входящих
в это уравнение параметров будут зависеть от того, ка¬
кой процесс мы хотим описать.
Амплитуда колебаний струны много меньше, чем ам¬
плитуда волн на поверхности озера, в которое плюхну¬
лась рыба, ушедшая от огорченного рыбака. Зато ча¬
стота колебаний струны в сотни раз превышает ту ча¬
стоту, с которой качается поплавок на волнах. Если бы
частота струны была так же низка, как частота качания
поплавка, мы бы не слышали звуков арфы или гитары
даже при самых больших амплитудах колебания струн.
Потому что такие низкочастотные колебания относятся
к области инфразвуков, то есть тех звуков, которые
наш слух не способен воспринимать.
Мы слышим звуки, частоты которых составляют
более 20 колебаний в секунду (то есть более 20 герц).
Таким образом, частота 20 герц составляет нижний пре¬
дел воспринимаемых человеческим ухом частот. Счита¬
ется, что диапазон частот слышимых звуков лежит в
пределах от 20 герц до 20 килогерц, хотя приближаю¬
щиеся к частоте 20 килогерц звуки становятся тоньше
комариного писка, и их может слышать лишь тот, ко¬
му природой подарен так называемый абсолютный
слух.
Звук с частотой выше 20 килогерц относится к обла¬
сти ультразвука. Современная электроника использует
не только ультразвук, но и гиперзвук — колебания, воз¬
буждаемые в специальных однородных монокристалли-
ческих средах с частотами, достигающими нескольких
миллиардов колебаний в секунду (то есть нескольких
гигагерц).
Различием значений частоты колебаний не исчерпы¬
вается несходство поведения струн и поплавка. На гра¬
фике, описывающем колебания поплавка, за каждые
два периода амплитуда падает примерно в два раза. А
амплитуда колебаний струны станет меньше в два раза
лишь после нескольких сот или даже нескольких тысяч
периодов. Если бы при частоте, скажем, 5 килогерц ам¬
плитуда струны уменьшалась в два раза за два периода,
звук угасал бы, едва успев появиться, и наше ухо не
успевало бы воспринять звучание струн.
201

Затухание колебаний происходит тем медленнее, чем
выше качество того или иного колебательного устройст¬
ва (в частности, LC-контура). Как уже было сказано,
показателем этого качества служит добротность (см.
2.36).
Кривая, аналогичная графику поплавка, может опи¬
сывать затухающие колебания в LC-контуре (см. 2.30
и 2.31).
Если хотите, ту же кривую вам нарисуют качели.
После толчка амплитуда качелей будет с каждым
взмахом становиться все меньше, и они дадут кривую,
очень похожую на кривые контура и поплавка.
А можно сделать так, чтобы колебания не затухали и
амплитуда оставалась постоянной? Конечно. Для этого
надо иметь внешний источник энергии, дающий толчки в
такт с собственной частотой качающегося (колеблю¬
щегося) тела.
Для качелей вопрос решается просто: к участникам
описанных выше событий добавлен еще один персонаж.
Если он будет все время толкать качели с одинаковой
силой, то их движение будет изображаться незатухаю¬
щей кривой (синусоидой).
В электронике роль этого персонажа берет на себя
триод или транзистор. Процесс колебаний, возникаю¬
щих в генераторе,— это тоже синусоидальный процесс:
в каждом периоде колебаний изменяет направление
ток.
Так удается явления самой различной природы свес¬
ти к одним и тем же кривым.
НА ПОМОЩЬ
СЛАБОМУ
ГОЛОСУ
Антенна, подключенная к контуру генератора, по¬
добна упавшей в озеро рыбе: от нее во все стороны
бегут круги невидимых радиоволн (см. 2.41).
А поплавком, который будет качаться на волнах,
служит другая антенна — антенна приемника: набегаю¬
щие радиоволны наведут в ней по законам индукции
переменное напряжение. Волны, идущие от передаю¬
щей антенны к приемной, могут нести на себе звуки му¬
зыки, речь, телевизионные кадры, азбуку Морзе или
другой импульсный код. Так радиоволны связали не¬
зримыми, но прочными нитями всех, кто живет сейчас на
Земле.
До тех пор пока не были созданы радиоволны,
человеческий голос был чрезвычайно слаб. Крик можно
услышать, находясь на расстоянии одного километра,
да и то при условии, что он не утонет в посторонних шу¬
мах. Неудивительно: ведь и громкий рокот моторов с по¬
мощью звукоулавливателей удается услышать не даль¬
ше чем километров за десять.
Зато «верхом на радиоволнах» даже произнесенное
шепотом слово облетает весь земной шар. Почему?
202

Да потому, что радиоволны слабеют на пути от пе¬
редатчика к приемнику не так интенсивно, как звуко¬
вая волна. А кроме того, с помощью электроники эти
волны можно усилить.
Звуковая волна — это упругие колебания воздуха.
Струна определенной длины издает звук основного тона
(например, 100 колебаний в секунду) и набор обертонов
более высоких частот. Чем выше частота обертона, тем
меньше его амплитуда. Для простоты рассуждений
пренебрежем обертонами и рассмотрим, каким образом
доходит до нас основной (чистый) тон.
Если во время концерта зазвучала струна на сцене,
мимо слушателей, сидящих в зрительном зале, через
равные интервалы времени пробегают уплотненные слои
воздуха — гребни волн. Струна совершила 100 колеба¬
ний в секунду, мимо слушателя пробежали за секунду
100 гребней — частота звуковых колебаний составляет
100 герц. В этом процессе пока еще не участвуют
ни электромагнитные волны, ни переменные токи: если
концерт исполняется без микрофонов и усилителей, зри¬
тели в зале воспринимают непосредственно «чистый»
звук.
(Частота звука измеряется тоже в герцах. Хотя само
название «герц» появилось в науке после открытия
Г. Герцем невидимых и неслышимых электромагнитных
волн, теперь принято измерять в герцах частоту любого
периодического процесса, будь то механические колеба¬
ния маятника, волны звука и света, радиоволны
или волны какой-то иной природы, например, маг¬
нитные (спиновые) волны, обнаруженные современной
наукой при исследовании свойств ферромагнитных
сред.)
Сейчас речь идет о звуковых волнах, воспринимае¬
мых нашим слухом. Заметим, что наше ухо — это чрез¬
вычайно чувствительный к восприятию звуков «при¬
бор». Самый слабый из воспринимаемых нами звуков
обладает энергией в сотни миллиардов раз меньшей,
чем тот сильный звук, который способен «резать» наш
слух, создавая болевые ощущения в области уха. Энер¬
гия голосов 100 тысяч одновременно говорящих людей
едва достигает энергии, потребляемой лампочкой кар¬
манного фонаря. Если заговорят одновременно все люди
на земном шаре, их голоса породят столько энер¬
гии, сколько потребляет двигатель легкового автомо¬
биля.
Эту особенность звуковых колебаний электроника
может расценивать как подарок природы: если бы звуки
не обладали такой ничтожной энергоемкостью, при¬
шлось бы расходовать много энергии на раскачку дина¬
мика радиоприемных устройств.
Чтобы транзисторный приемник звучал достаточно
громко, необходимо было бы либо увеличивать элементы
203

питания настолько, что приемник утратил бы портатив¬
ность, либо, обходясь портативными батарейками, за¬
менять их чуть ли не каждый час. На самом же деле
энергии маленьких батареек хватает на то, чтобы питать
всю схему и воспроизводить принятый на радиоволнах
усиленный и воспроизведенный динамиком звук.
А с другой стороны, именно малая энергия звуко¬
вых колебаний стимулировала развитие техники связи и
созданных для этой техники разнообразных электрон¬
ных устройств. Не обладая большой энергией, звуки,
изданные голосом или музыкальными инструментами,
вязнут в упругом воздухе и замирают. С помощью зву¬
ковых резонаторов звук можно усилить всего лишь в
несколько раз. А радиосигналы в современных приемни¬
ках могут быть усилены в 1014—101' раз.
И еще один недостаток звуковой связи по сравнению
с радиосвязью: звук, рожденный в Москве, достиг бы
Дели или Нью-Йорка лишь спустя много часов.
Чтобы сэкономить время и силы в дальней дороге,
прибегают к помощи радиоволн. Они служат для звука
весьма удобным транспортом. Скорость железнодорож¬
ного экспресса, да и воздушного лайнера, не идет ни в
какое сравнение со скоростью радиоволны, которая в
течение каждой секунды успевает обежать земной шар
по экватору почти восемь раз!
ЭЛЕКТРОНЫ
И ЗВУК
Чтобы передать звуки по радио, необходимо прежде
всего превратить звуковые волны в переменный электри¬
ческий ток. Это делают микрофоны.
Микрофон — устройство несложное, но если когда-
нибудь будет создан музей электроники, один из залов
его по праву займет микрофон.
На его примере посетитель увидит, как можно ис¬
пользовать для одной практической цели различные
физические явления, изученные и исследованные в раз¬
ных странах и в разные времена.
Вот микрофон, в котором использован открытый
Омом и носящий его имя закон. Мембрана вибрирует
под действием звуковых колебаний. Когда давление на
нее станет сильнее, а это случается в момент прихода
гребня волны, она сильнее сожмет расположенный ря¬
дом с нею слой угольного порошка. Частицы плотнее
соприкоснутся друг с другом и будут легко пропускать
через себя электрический ток. В этот момент ток возра¬
стет. Сколько раз придут на мембрану гребни и впади¬
ны, столько раз будет увеличиваться и уменьшаться
электрический ток в цепи. При неизменной высоте зву¬
ка ток будет меняться по синусоиде со звуковой часто¬
той.
Не зря математика ко всем колебаниям подошла с
одинаковой меркой: можно и в самом деле перейти от
204

одного колебательного устройства к другому, сохранив
свойства самих колебаний — их амплитуду и частоту.
В других типах микрофонов используются законы
индукции, которые открыл М. Фарадей. Мембрана за¬
ставляет качаться находящуюся в поле магнита катуш¬
ку. При пересечении силовых линий магнита в обмотках
катушки индуцируется ток. Частота его равна частоте
колебаний мембраны. Амплитуда тем больше, чем силь¬
нее качает мембрану звуковая волна.
А есть микрофоны, у которых под воздействием звука
изменяется емкость. И вместе с емкостью опять-таки
меняется ток.
Как видите, способов много, а результат один: звук
порождает колебания тока соответствующей частоты.
Вместе с тем различие используемых принципов поз¬
воляет создавать микрофоны с различными свойствами,
отличающиеся друг от друга чувствительностью, частот¬
ной характеристикой, полосой воспроизводимых зву¬
ковых частот.

КОНДЕНСАТОР СПАСАЕТ ОТ КАТАСТРОФ
то
2.47
Что произойдет на улицах города, если убрать все
знаки уличного движения? Представить себе нетрудно:
каждый уличный перекресток станет местом нескон¬
чаемых катастроф.
Оказывается, в любой электронной схеме, осуще¬
ствляющей усиление переменных сигналов, тоже есть
опасные перекрестки. Вместо знаков уличного движе¬
ния на таких перекрестках стоят конденсаторы.
Управляя движением электронов, они помогают
избежать катастроф.
Конденсатор — устройство несложное. В простей¬
шем случае он состоит из двух параллельных пластин,
разделенных воздушной прослойкой. Всем известно,
что холодное стекло конденсирует на поверхности
капельки влаги. Электрический конденсатор, подклю¬
ченный к источнику напряжения, конденсирует на сво¬
их пластинах заряд. Потому его и используют в каче¬
стве «резервуара» при управлении электронным лу¬
чом, о котором было рассказано в новелле «Почти по
задачнику» (глава 1).
При подключении источника постоянного напряже¬
2.48
206

ния на одной из пластин конденсатора образуется скоп¬
ление электронов — возникает отрицательный потен¬
циал.
Со второй пластины электроды уходят по внешнему
проводу. Потенциал этой пластины будет положитель¬
ным.
Конденсатор будет заряжен полностью, когда раз¬
ность потенциалов между его пластинами станет
равной напряжению той батареи, к которой он под¬
ключен.
Время заряда конденсатора определяется его ем¬
костью и величиной сопротивления цепи, по которой
течет заряжающий его ток. Если во внешнюю цепь ни¬
чего не включено, то ее сопротивление определяется
только малым сопротивлением соединительных про¬
водов. В этом случае зарядка конденсатора происходит
в течение тысячных долей микросекунды или милли¬
ардных долей секунды. (Для измерения таких малых
отрезков времени введена специальная единица: 1 на-
носекунда= 10"9 с.)
2.49
Величина накопленного конденсатором заряда за¬
висит от емкости конденсатора. Емкость будет тем
больше, чем больше площадь пластин.
Емкость увеличится также и тогда, когда мы ста¬
нем сближать пластины друг с другом. Однако в этом
случае возникает опасность пробоя: при большом на¬
пряжении между расположенными близко пластинами
проскакивает электрическая искра.
Г >,
*■ W
и
V	■
Tl. • л'Л
'Г
I
1 >
н
207

2.50
Не меняя геометрических размеров конденсатора
и расстояния между его пластинами, можно во много
раз увеличить емкость, применив в качестве изолятора,
разделяющего пластины, специальные материалы (ди¬
электрики): слюду, керамику, полистирол и др.
2.51
В цепи, состоящей из конденсатора и источника
постоянного напряжения, ток течет лишь до тех пор,
пока длится зарядка. Как только напряжение на кон¬
денсаторе становится равным напряжению источника,
ток в цепи прекращается.
2.52
Знаки зарядов на пластинах заряженного конден¬
сатора совпадают со знаками подключенных к этим
пластинам полюсов источника тока. Если поме¬
нять местами полюса источника, начнется переза¬
рядка конденсатора. Ток будет течь в обратную сто¬
рону до тех пор, пока напряжение на конденсаторе
не сравняется с напряжением источника, причем на
этот раз каждая из пластин конденсатора приобретет
противоположный по знаку заряд. Еще раз обращаем
внимание читателя на то обстоятельство, что на приве¬
денных схемах обозначено техническое направление
тока, противоположное направлению движения элек¬
тронов во внешней (по отношению к источнику) цепи.
208

2.53
Если конденсатор подключен к источнику перемен¬
ного напряжения, изменяющегося, например, 1000 раз
в секунду, значит, 1000 раз в секунду будут меняться
знаки зарядов на пластинах и 1000 раз в секунду будет
изменять свое направление ток во внешней цепи. А по¬
скольку он при этом не прекращается, считают, что
конденсатор «пропускает» переменные токи, хотя че¬
рез зазор между обкладками конденсатора не «пере¬
прыгивает» ни один электрон. Электроны движутся
лишь по цепи, соединяющей источник переменного
напряжения с пластинами конденсатора, причем пере¬
мещаются то «туда», то «обратно». В нашем при¬
мере направление движения электронов будет изме¬
няться 1000 раз в секунду. В общем случае направление
изменяется с частотой переменного напряжения ис¬
точника f.
2.54
При постоянном токе совсем иная картина. Конден¬
сатор зарядится однажды, и после этого ток прекра¬
тится, так как преодолеть пространство между пласти¬
нами че способен ни один электрон. Другими словами,
постоянный ток конденсатор через себя не пропуска¬
ет, в месте его включения для постоянного тока возни¬
кает разрыв цепи.
2.55
Для теоретического обоснования различий свойств
конденсатора по отношению к постоянному и пере¬
менному току приходится обращаться к теории элек¬
тромагнитного поля, которую разработал Дж. Мак¬
свелл.
В новелле «Двуединые волны» было рассказано
о том, что для объяснения природы электромаг¬
нитных волн Дж. Максвеллу пришлось ввести в урав¬
нения особый вид тока, названный током смеще¬
ния.
Току смещения не нужен провод — он возникает в
пространстве, подверженном воздействию перемен¬
ных полей.
В пространстве между пластинами конденсатора
под воздействием переменного напряжения тоже воз¬
никает порождающее ток смещения переменное
электрическое поле.
Как видите, даже в таком несложном устрой¬
стве, как конденсатор, возникают процессы, для
объяснения которых необходим глубокий научный
подход.
14 Е. Седов
209

2.56
При подключении конденсатора к источнику посто¬
янного напряжения между его пластинами не возни¬
кает переменного поля, порождающего ток смеще¬
ния. В данном случае в месте включения конденсатора
разрывается электрическая цепь.
В случае же переменного тока вся цепь оказывает¬
ся замкнутой: в пространстве между пластинами кон¬
денсатора ток проводимости превращается в ток сме¬
щения, который, воздействуя на пластины, вновь пре¬
вращается в ток проводимости (см. 2.15—2.22). Бла¬
годаря таким превращениям удается создавать для
переменных токов замкнутые электрические цепи,
имеющие много участков, через которые не может
«перешагнуть» ни один электрон.
Поскольку площадь пластин конденсатора во много
раз превышает площадь поперечного сечения провода,
ток смещения имеет значительно меньшую плотность,
чем ток проводимости.
Небольшая часть энергии тока расходуется на разо¬
грев конденсатора за счет потерь в диэлектрике, обыч¬
но помещаемом с целью увеличения емкости в про¬
странстве между пластинами.
Кроме того, в конденсаторе происходит сдвиг пере¬
менного тока по фазе. Если, к примеру, считать, что
«отстающая» синусоида на рис. 2.40 соответствует пе¬
ременному напряжению на конденсаторе, то «опере¬
жающая» синусоида может изображать сдвинутый по
фазе переменный ток.
210

2.57
Различия свойств конденсатора по отношению к по¬
стоянному и переменному току электроника исполь¬
зует при построении ламповых и полупроводниковых
схем.
Например, в усилительных схемах «на перекрест¬
ке» путей постоянного и переменного токов устанав¬
ливаются разделительные конденсаторы СР. Открывая
переменному току путь от коллектора предыдущего
усилительного каскада к базе последующего каскада,
разделительный конденсатор не пропустит по той же
цепи постоянный ток.
2.58
Замыкание (пробой) разделительного конденсато¬
ра может привести к катастрофе: потенциал базы ста¬
нет равным потенциалу коллектора, возникнет боль¬
шой ток базы, который может сжечь транзистор.
2.59
Другой вид катастрофы может произойти в том слу¬
чае, если по цепи, питающей коллекторы транзисто¬
ров, усиленный переменный сигнал попадает с выхода
усилителя на его вход. В этом случае между выходны¬
ми и входными усилительными каскадами образуется
паразитная обратная связь. При таком режиме схема
не будет усиливать приходящих сигналов, а начнет ге¬
нерировать собственную частоту.
Избежать катастрофы опять помогает конденса¬
тор Ср.
Для переменных токов он представляет очень ма¬
лое сопротивление, и если цепь, питающую коллек-
14*
211

торы, соединить через конденсатор Ср с «землей»,
то переменная составляющая тока легко пройдет
через конденсатор на «землю» и не попадет в об¬
щий источник питания через сопротивление развяз¬
ки Rp.
СЛИШКОМ
ДЛИННЫЕ
ВОЛНЫ
Как работает радиостанция? Кажется, нам теперь
все известно, и мы легко ответим на этот вопрос. Но...
Микрофон превращает звук в изменение тока. Пере¬
менный ток, подведенный к передающей антенне, из¬
лучится в пространство в виде радиоволн. Радиоволны
наведут токи в приемной антенне. Их можно усилить с
помощью электронных ламп. Энергия усиленного тока
заставит вибрировать диффузор громкоговорителя. Че¬
го еще не хватает?
А не хватает, пожалуй, главного. Звена, без которого
нельзя все остальные звенья связать в единую цепь.
«...Говорит Москва. Прослушайте скрипичный кон¬
церт в исполнении...»
Вслед за голосом диктора (частота звуковых коле¬
баний его составляет 80-5000 колебаний в секунду)
212

раздались звуки скрипки с частотой до 16000 колеба¬
ний в секунду, то есть до 16 килогерц.
А приемник все время настроен па одну частоту.
На какую же? На 80, на 5000 или на 16 000 герц? Поче¬
му с изменением частоты звуковых колебаний не надо
менять настройку приемника?
Мы только что видели, как звук превращается в
колебания тока, причем частота колебаний его равна
звуковой частоте. Разве не этот ток порождает волны
вокруг антенны? Разве не эти волны должен ловить при¬
емник, чтобы вновь превращать их в звук?
Если бы можно было излучать в пространство зву¬
ковые частоты, вопрос и в самом деле был бы решен.
Можно было бы усиливать ток, возникающий в цепи
микрофона, и направлять его в антенну для создания
радиоволн.
Но вот беда: антенна может излучить волны в про¬
странство только в том случае, если размер ее соизме¬
рим с длиной излучаемых волн.
Предположим, что звук преобразован в колебания
тока, ток направлен в антенну, антенна излучает волну.
Зная скорость, с которой движутся электромагнитные
волны, и частоту колебаний тока в антенне, легко под¬
считать длину излучаемых волн (см. 2.44).
Звук создает колебания тока с частотой от 10 до
20 000 герц. Для 20 000 герц длина электромагнитной
волны окажется близкой к 15 километрам. Следователь¬
но, чтобы передавать такие волны, пришлось бы снаб¬
дить передающую станцию антенной длиной в несколько
километров.
А мы еще не принимали во внимание самые низкие
частоты звука, которым соответствуют радиоволны дли¬
ной, измеряемой десятками тысяч километров!
Но если бы даже и удалось создать такие циклопи¬
ческие антенны, вопрос все равно не был бы решен.
Представьте себе, что все радиостанции излучают одно¬
временно звуковые частоты в диапазоне от 10 до
20 000 герц. И ваш приемник настроен на эти же часто¬
ты. Вместо одной радиопередачи вы услышите одновре¬
менно все мелодии и все голоса!
К счастью, придуман другой способ радиосвязи
Он позволяет настроить приемник на одну из множест¬
ва станций и избавляет технику связи от гигантских
антенн.
Передачи ведутся на несущей волне.
Для передачи звука на расстояние с помощью ра¬
диовещательных станций электроника формирует ра¬
диоволны длиной от 15 до 2000 метров, которым соот¬
ветствуют частоты от 20 000 000 до 15 000 герц (то есть
от 20 мегагерц до 150 килогерц).
ЭКСПРЕСС-
НЕВИДИМКА
213

Эти частоты слишком малы по сравнению, скажем,
с частотой световых колебаний, которые измеряются
миллиардами мегагерц! В то же время они столь велики
по сравнению с частотой звуковых колебаний, что, рас¬
качав мембрану динамика до таких частот, нельзя по¬
лучить слышимый звук. Зато именно эти неощутимые
волны, которых нельзя ни видеть, ни слышать, служат
отличным «экспрессом», проносящим через все расстоя¬
ния музыку или речь.
Прежде чем «отправиться в путешествие», звук, пре¬
вращенный с помощью микрофона в электрический
ток, колеблющийся с низкими (звуковыми) частотами,
«садится верхом» на только что упомянутые нами сиг¬
налы высоких частот, поэтому их и называют несущи¬
ми. И в самом деле, они несут преобразованный звук
сначала в антенну, а затем, превратившись в электро¬
магнитные волны, проносят его через пространство и
доставляют к приемникам, настроенным на ту же волну.
Строго говоря, звук (а точнее — ток звуковых час¬
тот) при этом передается «кусочками» на гребнях несу¬
щей волны. Но гребни сменяют друг друга так часто, что
заметить разрывы в «узоре» не способен даже очень
чувствительный к малым отрезкам времени электрон¬
ный прибор. Точно так же, любуясь вышитым или выт¬
канным на ковре сложным узором, вы не заметите, что
он состоит из узелков или крестиков.
Но для этого необходимо, чтобы канва не была стиш¬
ком грубой. По той же причине частота несущих сигна¬
лов должна быть во много раз выше любой из содер¬
жащихся в звуке частот. Потому для звука, обладающе¬
го частотой не выше 20 000 колебаний в секунду, вы¬
бираются несущие сигналы с частотой не менее 150 000
герц.
Но как удается совместить одни сигналы с другими,
усадить звуковые частоты верхом на несущий сигнап?
Процесс «наложения» сигнала низкой (звуковой)
частоты на высокочастотный несущий сигнал называет¬
ся модуляцией. Модуляцию удается осуществить бла¬
годаря «кривизне» характеристик электронных прибо¬
ров. Вопросу о том, чем эта «кривизна» обусловлена и
каким образом с ее помощью осуществляется модуля¬
ция, и посвящен следующий раздел.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА КРИВИЗНА*
ЭТО
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
2.60
У затухающих колебаний амплитуда со временем
уменьшается (см. 2.31). Непрерывные колебания име¬
ют постоянную амплитуду.
А можно создать электрические колебания, ампли¬
туда которых будет, в свою очередь, меняться по си¬
нусоиде. Если частота колебаний составляет 10 кило¬
герц, а их амплитуда меняется с частотой 1 кило¬
герц, то говорят, что сигнал частоты 10 килогерц
промодулирован по амплитуде с частотой 1 килогерц.
Полученный с микрофона электрический сигнал
звуковой частоты можно с помощью модуляции «уса¬
дить верхом» на несущий сигнал, который вырабаты¬
вается генератором. Для этого оба сигнала (несущий
и модулирующий) подаются на один из электродов
(например, на базу) транзистора. В этом случае тран¬
зистор выполняет функции модулятора.
2.62
Чтобы понять процесс модуляции, придется вспом¬
нить о нелинейной зависимости тока от напряжения,
приложенного между катодом и сеткой триода. Эта
зависимость отражена на рис. 1.44 и 1.45. Нелинейно¬
стью обладают также и характеристики полупроводни¬
ковых транзисторов.
Теперь представим себе, что на базу изображен¬
ного на нашем рисунке транзистора подано одновре¬
менно два переменных сигнала: несущий сигнал, изме¬
няющийся с высокой частотой f0, и модулирующий,
с низкой частотой модуляции F«.
215

В определенный период времени, соответствующий
положительному полупериоду модуляции, сумма всех
напряжений, приложенных к промежутку между эмит¬
тером и базой, оказалась такой, что взаимодействие
сигналов с частотами f0 и F« происходит на участке
характеристики АА. Чтобы попасть на этот участок,
нужно подобрать соответствующую величину постоян¬
ного напряжения U», зависящего от текущей через
транзистор постоянной составляющей тока и от величи¬
ны сопротивления, включенного в эмиттерную цепь.
Когда наступит период времени, соответствующий
отрицательному полупериоду модулирующего напря¬
жения, действующие на базе транзистора сигналы пе¬
реместятся с крутого участка характеристики АА на
216

более пологий участок ВВ (см. характеристику рис.
2.63). Соответственно уменьшится усиление.
Модулирующий сигнал «скользит» по характеристи¬
ке с частотой Fm. Значит, с такой же частотой меняется
усиление. В результате несущий сигнал изменяется по
амплитуде с частотой F„.
2.64
Если взаимодействие двух сигналов с частотами fn
и F„ осуществляется в пределах линейного участка ха¬
рактеристики, в течение обоих периодов модулирую¬
щего сигнала усиление останется постоянным. Это зна¬
чит, что модуляцию сигнала частоты fn сигналом часто¬
ты F« можно осуществить только при наличии «кривиз¬
ны».
2.65
Мы рассмотрели процесс модуляции простым сину¬
соидальным сигналом. При передаче музыки или речи
217

с микрофона приходит более сложный сигнал. Но
суть процесса остается той же: за счет «кривизны» ме¬
няется усиление, и на несущий сигнал, который Слу¬
жит своего рода канвой, накладывается своеобразный
узор. В этом узоре содержится голос диктора, ария
или музыкальный этюд.
В приемнике амплитудно-модулированный сигнал
вновь подвергается изменениям. С ним проделывают
операцию, обратную модуляции: узор отделяется от
канвы. Без этого нельзя превратить колебания электри¬
ческого сигнала в звуковые колебания, так как диффу¬
зор динамика слишком неповоротлив и инертен, что¬
бы реагировать на колебания с частотой Г. А если да¬
же и удается заставить специальный динамик (напри¬
мер, кварцевую пластину) совершать звуковые (упру¬
гие) колебания с такой частотой f0, этот звук никто не
услышит, так как частота его за пределом слышимости,
то есть это уже ультразвук.
По этой причине на динамик вещательного при¬
емника подается отделенный от канвы чистый
узор.
Узор «вырезают» с помощью своеобразных «нож¬
ниц», которые называют детектором. Главной деталью
ножниц служит диод. Он справляется с этой ролью
опять-таки лишь потому, что в его характеристике
есть участок, обладающий кривизной. На этом участке
нижняя часть сигнала будет «отрезана», поскольку от¬
рицательные полупериоды запирают диод. Во время
же положительных полупериодов через него проходит
ток. На входе диода сигнал имел симметричную фор¬
му относительно горизонтальной оси, поэтому каждый
положительный «всплеск» (полупериод) несущего сиг¬
нала (канвы) уравновешивался равным по амплитуде
отрицательным «всплеском», и в течение периода
2.66
2.67
218

огибающей (узора) ток в среднем оставался равным
нулю.
В результате того, что диод «отрезает» нижнюю
часть канвы и узора, симметрия нарушается. Теперь
средний ток изменяется с частотой, равной частоте
огибающей. Или как выражаются специалисты:	в
преобразованном с помощью диода сигнале появ¬
ляется составляющая низкой (например, звуковой)
частоты.
2.68
Чтобы выделить из преобразованного диодом сиг¬
нала низкочастотную составляющую, на выходе схемы
детектора используется цепочка, состоящая из конден¬
сатора С и подключенного к нему параллельно сопро- о
тивления R.
В результате «срезания» нижней части сигнала он
превратился в «частокол» следующих друг за другом
пичков. Частота следования этих пичков равна частоте
несущего сигнала (канвы). Очередной пичок зарядит
конденсатор, затем наступает пауза, которая длится до
тех пор, пока не возникнет следующий пичок. За вре¬
мя паузы конденсатор разряжается мало: справа не
дает разряжаться большое сопротивление, слева —
закрытый диод.
Напряжение на конденсаторе сохраняется почти не¬
изменным до тех пор, пока не появится следующий
пичок.
Если пички имеют разную амплитуду, то
конденсатор каждым ничком будет заряжаться по-
разному, и в результате на нем выделится состав¬
ляющая звуковой частоты. Так в результате процес¬
са детектирования удается получить узор без кан-
Dol.
219

КОРОЛЕВСТВО
КРИВЫХ ЗЕРКАЛ
Чтобы усилить сигнал без искажений, необходимо
попасть на линейный участок характеристики. Стоит
нарушить это условие, и вместо ровненькой синусоиды
мы получим ее искаженный портрет.
Обладающий нелинейной характеристикой электрон¬
ный прибор подобен кривому зеркалу, установленному
в комнате смеха. Увеличивая одну часть изображения
и уменьшая другую, кривое зеркало превращает нор¬
мальные лица в забавные карикатуры. Ясно, что в оби¬
ходе подобные зеркала никому не нужны. А приборы с
кривыми участками характеристик?
В том случае, когда транзистор должен без искаже¬
ний усилить сигналы, кривые участки характеристики
не могут дать ничего, кроме вреда. Но техника знает
немало изобретений, основанных на использовании
именно тех свойств и явлений, от которых в других слу¬
чаях был один только вред.
Вспомним хотя бы о трении. Сколько энергии беспо¬
лезно расходует на преодоление вездесущего трения
любой механизм! Но, не будь трения, не было бы ни ва¬
лов, ни трансмиссий, ни быстрых автомобилей, несу¬
щихся по дорогам благодаря трению шин.
Искры, проскакивающие между подвижными элек¬
троконтактами, обжигают эти контакты и воспринима¬
ются чувствительными приборами в виде ненужных
помех. Но и эти явления люди смогли обратить на
пользу: с помощью искры теперь обрабатывают ме¬
талл.
Транзистор может служить еще одним ярким приме¬
ром того, как в неразрывной диалектической связи явле¬
ний одни и те же свойства могут приносить и пользу и
вред.
Кривые участки характеристики искажают сигна¬
лы при усилении. Но если лишить транзистор этого
«недостатка», он утратит добрую половину досто¬
инств.
Прекрасную сказку Кэрролла «Алиса в стране
чудес» нам уже приходилось вспомнить, когда
мы сравнивали действие электрического или магнит¬
ного поля с таинственно возникающим Чеширским ко¬
том.
Теперь вспомним о том, что главная героиня Кэр¬
ролла — маленькая Алиса попадает в странное коро¬
левство, где вся окружающая действительность отра¬
жается в кривых зеркалах. Все уродливое, что встре¬
чается в жизни, выглядит здесь весьма привлекательно:
жадность оборачивается щедростью, зло прикидывает¬
ся добром.
У электроники тоже есть свое «королевегво», где
применяются исключительно искривленные зеркала.
Правда, роль они выполняют совсем иную: они призва
ны не искажать истину, а выявлять.
220

Кривые зеркала электроники — это нелинейные уча¬
стки характеристик. С помощью их удается проделать
целый ряд необходимейших операций с сигналами: на¬
ложить на несущий сигнал музыку или речь, отделить
звуковые частоты от несущих сигналов, или, сохранив
все, что записано на несущем сигнале, изменить его час¬
тоту.
Сигнал, переданный по радио, будет услышан не
раньше, чем он пройдет через все «зеркала». Одно из
них установлено в передатчике: с его помощью узор
наносится на канву. Этот процесс называется модуля¬
цией (см. 2.63, 2.64).
Канва вместе с узором излучается передающей ан¬
тенной в виде радиоволн. А антенна приемника прини¬
мает их. Правда, в месте приема сигнал слишком слаб.
Значит, его надо усилить.
Сначала заботятся о том, чтобы его не исказить
на линейном участке характеристики усиливаются одно¬
временно и узор и канва.
Однако таким способом слабые сигналы нельзя уси¬
лить до необходимой величины. Дело в том, что часть
энергии усиленного сигнала через общий источник пита¬
ния может попасть на вход усилителя, создав паразит¬
ную обратную связь (см. 2.59). А к чему это приводит,
мы теперь знаем: этой связью можно поддержать в кон¬
туре незатухающие колебания, генерировать непрерыв¬
ный сигнал.
Опять пример диалектики: генератор не может ра¬
ботать без обратной связи, а в усилителе она может
приносить вред. И хотя, конструируя усилители, инже¬
неры принимают все меры, чтобы преградить путь иду¬
щему «обратным ходом» сигналу, все же он неизбежно
проникает на вход.
При большом усилении сигнал на выходе усилителя
обладает большой энергией. Даже ничтожная доля ее,
попав по цепям паразитной обратной связи на вход уси¬
лителя, будет снова усилена, и усилитель начнет гене¬
рировать паразитные колебания собственной частоты.
Тогда слабый сигнал, приходящий с антенны, утонет в
паразитных колебаниях, и из приемника будет доносигь-
ся лишь пронзительный свист.
Заметим, что до сих пор речь шла только о поло¬
жительной обратной связи. Существуют усилитель¬
ные схемы с отрицательной обратной связью, в кото¬
рых обратная связь играет чрезвычайно полезную
роль.
При положительной обратной связи прямой и об¬
ратный сигналы взаимодействуют в фазе (см. 2.39,
2.40). Поэтому сигнал, пришедший на вход усилителя но
обратной связи, усиливает входной сигнал. Эго приво¬
дит к возбуждению усилителя, а он начинает генериро¬
вать паразитный сигнал.
221

При отрицательной обратной связи сигналы взаимо¬
действуют в противофазе. Это значит, что сигнал обрат¬
ной связи частично подавляет прямой сигнал. В резуль¬
тате усиление уменьшается, зато приобретает стабиль¬
ность. Например, с помощью обратной связи можно соз¬
дать такой усилитель, на выходе которого уровень сиг¬
нала будет оставаться почти неизменным, несмотря на
изменения входного сигнала (разумеется, до тех пор, по¬
ка изменения эти не превышают определенных, зара¬
нее известных пределов),
Чтобы избежать возбуждения усилителя за счет по¬
ложительной обратной связи, усиление производится
поэтапно. Переход от одного этапа к другому осущест¬
вляется с помощью «кривых зеркал».
Первый этап — усиление на высоких частотах. За¬
тем — первое «искажение»: переход от высокой к про¬
межуточной частоте. Переход этот осуществляется так.
На нелинейную часть характеристики транзистора-сме¬
сителя воздействуют одновременно сигнал, приходящий
с антенны, и сигнал внутреннего генератора. Такой гене¬
ратор называют гетеродином. Несущая частота имеет
величину f.,, а гетеродинная — f,. Сигнал разностной
частоты f,—f.. выделяется в контуре, подключенном к
смесительному транзистору. Резонансная частота кон¬
тура (см. 2.32—2.34) выбирается равной Т—f... В конту¬
ре смесителя выделяется сигнал промежуточной часто¬
ты, модулированный по амплитуде низкочастотным
сигналом.
«Кривое зеркало» не исказило узора — он просто за¬
писан теперь на более редкой канве.
Затем переход ко второму этапу: сигнал усиливается
на промежуточной частоте. После чепления он подается
на другое «кривое зеркало» па детектор. Здесь узор
отделяется от канвы (<-м 2.67, 2.68).
Выделенный детем"ром узор в точности повторяет
по форме те изменения тока, которые происходили под
действием микрофонной мембраны в то время, когда
звучала музыка, голос диктора или певца (см. новеллу
«Электроны и звук» и 2.65). Чтобы превратить этот
узор в слышимый звук, надо его усилить и заставить
воздействовать на динамик. Это усиление осуществля¬
ется усилителем низкой частоты.
Так работает супергетеродинный приемник, отно¬
сящийся к категории радиоприемных устройств высо¬
кого класса. Он обладает очень высокой чувствитель¬
ностью по отношению к слабым сигналам далеких ра¬
диостанций, потому что эти сигналы усиливаются при¬
емником трижды: на высокой, промежуточной и низкой
частоте.
Второе достоинство супергетеродинного приемника
заключается в высокой избирательности приема, то
222

есть в способности усилить сигнал одной определенной
станции и подавить сигналы всех прочих станций, рабо¬
тающих на близких частотах. По-видимому, читатель
на собственном опыте не раз убеждался, как важна
избирательность, когда при прослушивании интересую¬
щей его информации из эфира вдруг начинают врывать¬
ся то звуки музыки, то посторонние голоса.
Избирательность обеспечивается гетеродином и уси¬
лителем промежуточной частоты. Перестраиваемый по
частоте гетеродин позволяет усиливать на одной и той
же промежуточной частоте сигналы работающих на раз¬
ных несущих частотах вещательных станций. Напри¬
мер, перестраивая приемник с несущей частоты f0i на не¬
сущую частоту fo2, надо изменить частоту гетеродина
на величину
A fr= f о I—Нг-
При этом частота сигналов, поступающих на вход
усилителя промежуточной частоты, всегда сохраняется
неизменной- А раз так, значит, усилитель этот может ра¬
ботать без перестройки по частоте. Его полосу пропус¬
кания можно сделать настолько узкой, что в нее попада¬
ли бы только наложенные на сигнал неизменной проме¬
жуточной частоты звуковые сигналы, а все посторонние
сигналы (помехи), в том числе и сигналы работающих
на близких несущих частотах вещательных станций ока¬
зались вне полосы.
Впрочем, вещательные приемники — это лишь одна
область великого «королевства кривых зеркал». Прав¬
да, именно радиовещательные передатчики и приемники
дали развитию электроники первый толчок. Но в настоя¬
щее время радиовещание—это всего лишь ее узкая
область в широчайшем поле самых различных дел. Сре¬
ди них едва ли найдется хотя бы одно такое, где
электроника обходилась бы без «кривого зеркала», то
есть без нелинейных преобразований сигнала: модуля¬
ции, детектирования, преобразования частоты.
С помощью модуляции можно записать на несущем
сигнале не только музыку или человеческий голос, но и
любую информацию, которую хотят передать. Эго могут
быть данные об интенсивности излучений, о давлении
или температуре в контейнере космического корабля.
Сообщение это передается уже не словами: специальные
датчики превращают излучение, температуру, давление
в соответствующий сигнал. Сигнал подается на моду¬
лятор, а в результате — знакомая нам картина с узо¬
ром и канвой.
На несущем сигнале можно записать телеграфную
азбуку или специальный условный код. В локационной
станции модуляцией создают короткие импульсы, кото¬
рые полетят «верхом на несущем сигнале» до цели (на¬
пример, до самолета противника) и, возвратившись об-
223

ратно, вовремя сообщат об опасности и о том, где нахо¬
дится враг. Так благодаря импульсной модуляции уда¬
лось воплотить в локаторах те чудесные качества, кото¬
рыми обладал сказочный Золотой петушок.
А передача изображения? О нем в свое время тоже
складывали сказки. Вспомните многочисленные волшеб¬
ные кольца, волшебные яблоки, блюдца с волшебной
жидкостью и волшебные зеркала. Эти сказочные «при¬
боры» позволяли видеть все, что происходит «за леса¬
ми, за долами, за широкими морями» и за «тридевять
земель».
На деле все оказалось проще — зеркало не обяза¬
тельно должно быть волшебным, им может служить
экран электронной трубки. Но прежде, чем попасть на
экран телевизора, кадр с изображением далеких собы¬
тий тоже должен быть записан на несущем сигнале с
помощью электронных «кривых зеркал».
Вот какую роль призван играть в электронике
процесс модуляции — те дела, которые были отда¬
ны раньше на откуп волшебникам, совершаются с
помощью электроники и ее чудесных «кривых зер¬
кал».
ИОНОСФЕРА И
БИЛЬЯРД
Слово, сказанное в Европе, можно услышать по ра¬
дио в Австралии и в Америке. Зато матч, транслируемый
по телевидению с московского стадиона, не увидишь на
телеэкране, отъехав от Москвы километров на сто пять¬
десят. В чем тут дело?
Расстояние от Земли до Луны составляет 384 тысячи
километров, а до Юпитера — миллиард километров.
Фантастические для привычных нам масштабов рас¬
стояния не помешали транслировать с борта космиче¬
ских аппаратов на Землю изображения Луны, Венеры,
Марса, Юпитера и Сатурна, рассмотреть с достаточно
близкого расстояния кратеры на Луне, и каньоны на
Марсе, и спутники Марса, и три кольца, которые, по¬
добно нимбам святых, окружают Сатурн.
Ну прямо-таки парадокс: с помощью телевидения
можно заглядывать в космос на расстояния в мил¬
лиард километров, а на Земле приходится ограничить¬
ся расстоянием чуть больше ста километров, потому что,
став на крыше рядом с телевизионной аппаратурой, вы
именно на таком расстоянии увидите горизонт. В чем туг
причина? А причина-то как раз в горизонте: дальше
пределов прямой видимости посылать телесигналы не¬
льзя.
«Прямая видимость»—термин конкретный и точ¬
ный: антенны должны «видеть» друг друга, чтобы сиг¬
нал, излученный одной из них, был принят другой. Стоит
приемной антенне спрятаться за горизонтом, и сразу
исчезает связь. Линия горизонта является для телеви¬
224

дения запретной чертой. А в космосе нет горизонта. Пря¬
мая видимость здесь беспредельна: смотри хоть на мил¬
лиард световых лет вперед! Сможешь ли ты что-нибудь
там увидеть — это другой вопрос. Но дорога сигналу
открыта, и, пока космический корабль не спрячется за
какое-нибудь небесное тело, с ним можно поддерживать
телевизионную связь. На Земле — дело другое: на Зем¬
ле мешает Земля.
Однако покинем на время космос, спустимся с неба
на Землю и зададим себе новый вопрос. А как же тогда
путешествует слово, которое передается на другой кон¬
тинент? Почему в этом случае радиоволнам не мешает
шарообразность Земли?
В начале века этот вопрос был для науки загадкой.
На первых порах радио обходилось длинными волнами
(от 800 до 3000 метров), которые, обладая способностью
огибать земную поверхность, обеспечивали довольно
дальнюю связь. Но весь земной шар обогнуть эти волны
не могут, и потому связь Австралии с Америкой или Ев¬
ропой на таких ваннах обеспечить нельзя.
Известны были также короткие волны (от 10 до 100
метров). Поскольку они распространяются прямоли¬
нейно и огибать Землю не могут, считалось, что даль¬
ше видимого горизонта они не идут. Поэтому их отнесли
к числу волн неудобных и не стали проектировать стан¬
ции, работающие на коротких ваннах. Диапазон этот от¬
дан был на откуп радиолюбителям, которых уже в то
время было хоть отбавляй.
И вдруг случилось событие, поставившее специали¬
стов в тупик. Оказалось, что с помощью коротковолно¬
вых любительских станций можно поддерживать связь
с любой точкой Земли! Маленькие nepeflafnHKH, потреб¬
лявшие не больше энергии, чем двадцатисвечовая лам¬
почка, посылали сигналы дальше, чем длинноволновая
станция мощностью в несколько киловатт!
Мало этого. Те же самые передатчики невозможно
было услышать, удалившись от них всего километров на
двести. Получалось так, словно, проделав короткий
путь, сигнал «умирал от усталости», а затем где-то за
тридевять земель воскресал вновь.
В конце концов удалось найти объяснение причины
странного поведения коротких радиоволн. Идущие
близко к земной поверхности, они в самом деле быстро
теряют силу, потому что гораздо активнее, чем длинные,
поглощаются поверхностью земной коры. Но даже в том
случае, когда станция излучает коротковолновый сиг¬
нал с большим запасом энергии, ему все равно далеко
по Земле не уйти. Огибать Землю короткие волны не
могут.
Но природа предоставила им другую возможность
для дальних странствий.
15 Е. Седов
225

В верхних слоях земной атмосферы под воздействи¬
ем радиации Солнца и града метеоритов образуется
ионизированный слой. В этом слое нейтральные молеку¬
лы воздуха распадаются на ионы и электроны, и весь он
представляет собой подвижное столпотворение обла¬
дающих зарядом частиц. Короткие волны (от 10 до 100
метров) отражаются от этого слоя, подобно тому, как
луч света отражается от поверхности зеркала или звук
от преград. А еще можно сравнить этот слой с бортом
бильярда. Кстати, специалисты по связи и пользуются
им так же, как бильярдисты бортом: если шар не идет
прямо в лузу, можно играть от борта.
Таким же вот рикошетом попадают в наши приемни¬
ки волны далеких станций, излучающие коротковолно¬
вый сигнал. При этом он может испытать рикошет не
единожды, потому что Земля тоже является своеобраз¬
ным бильярдным бортом.
Однако в том случае, если приемник расположен от
станции на расстоянии 200 километров, приема не будет.
Волнам, шагающим по поверхности, преградит путь
горизонт. А воспользоваться рикошетом нельзя, так как
расстояние в пределах 200 километров для этого слиш¬
ком мало. Известно, что угол падения равен углу отра¬
жения. А чтобы волна, отразившись, попала в прием¬
ник, удаленный на 200 километров, ее приходится на¬
правлять к ионосфере почти под прямым углом. Она
круто врезается в нее и, пронзив ее, уходит в далекий
космос, навсегда простившись с Землей. Так возникает
зона молчания, опоясывающая вокруг радиостанции оп¬
ределенный участок Земли.
Невдалеке от станции слышны волны, идущие прямо.
На большом расстоянии — пологая траектория для
волн, испытывающих рикошет. А в зону молчания, в те
участки, которые не далеко и не близко от станции, не
ведет ни один из путей.
Именно этим вот обстоятельством и было вызвано
заблуждение относительно дальности связи на коротко¬
волновом сигнале. Исчезновение сигнала в зоне молча¬
ния и появление его на расстояниях более дальних было
не так-то легко объяснить.
Теперь изучено влияние ионосферы на волны любой
длины. Волны от 100 до 1000 метров (так называемые
средние волны) хорошо отражаются ионосферой лишь
ночью. Днем состав ионосферы меняется, и отраженной
энергии становится недостаточно для надежной связи в
этом диапазоне. Тот, кто любит ловить дальние
станции, очевидно, заметил эту особенность средних
волн.
Что касается волн ультракоротких (10 метров и
меньше), то ионосфера им кажется не более плотным
барьером, чем воде решето. Вся их энергия просачива¬
ется сквозь этот слой, не отражаясь назад. Потому-то
226

телевизионные антенны и должны обязательно «видеть
друг друга» — ведь несущим сигналом для телевидения
является ультракоротковолновый сигнал, а он не ре-
кошетирует от ионизированного слоя.
Но почему же создатели телевидения выбрали самые
неудобные волны?
Потому что только ультракороткие волны могут слу¬
жить несущим сигналом для телевидения, только они
способны донести до приемника сложный узор, в кото¬
ром содержится видимый кадр. В телевидении нет ниче¬
го случайного. Все тут выстрадано годами: и конструк¬
ция трубок, и метод создания видимых кадров, и длины
несущих волн. И все это взаимосвязано: чтобы выбирать
несущие волны, надо хорошо представлять себе, каким
образом с помощью электронных приборов создается
изображение в телевизионном кадре.
15*

это
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
ТАК СОЗДАЕТСЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ
2.69
Внимательно всматриваясь в изображение на теле¬
визионном экране, можно заметить, что оно состоит из
большого количества горизонтальных линий — их на¬
зывают строками. Каждый передаваемый кадр содер¬
жит ровно 625 строк.
Движение луча по строкам кадра очень похоже на
движение глаза во время чтения книги: пробежав стро¬
ку слева направо, луч очень быстро вернется в левую
часть экрана, к началу следующей строки. За 1 /25 долю
секунды луч успевает «прорисовать» на экране 625
строк, составляющих один кадр. Затем, тоже за 1 /25
долю секунды, «прорисовывается» следующий кадр.
За секунду кадры сменяются ровно 25 раз.
Точности ради отметим, что 625 строк на экране
прорисовываются лучом не подряд, а через строку:
сначала — все нечетные, а затем — все четные строки.
Далее мы покажем, что такая чересстрочная развертка
играет принципиальную роль в том случае, если с по¬
мощью телевидения воспроизводится изображение,
имеющее объем.
2.70
Число строк в кадре и количество кадров в течение
каждой секунды выбраны не случайно. Здесь учтены
два свойства нашего зрения: инерционность и разре¬
шающая способность.
228

Инерционностью называют способность сетчатки
глаза сохранять определенное время очертания только
что увиденного образа. Предмет наблюдения может
исчезнуть из поля вашего зрения, но благодаря инер¬
ционности изображение его сохраняется на сетчатке
вашего глаза примерно 1/15 долю секунды.
Если бы телевизионные кадры сменялись реже 15
раз в секунду, то изображение на сетчатке исчезло бы
раньше, чем на экране появится следующий кадр. Глаз
стал бы фиксировть смену кадров, от их мелькания у
зрителя начало бы рябить в глазах.
Кроме того, надо учесть, что на экране почти всегда
что-то движется. Если от кадра к кадру какой-то
предмет будет заметно перемещаться, зритель
заметит скачки.
Возможно, вам приходилось видеть, как смешно
движутся люди в старых кинокартинах. Это объясня¬
ется тем, что число кадров в секунду в то время было
слишком мало — 16 кадров в секунду.
Образ героя фильмов «Огни большого города» и
«Новые времена» стал таким популярным в значитель¬
ной степени потому, что гениальному Чарли Чаплину
удалось найти именно ту динамику утрированно
угловатых движений, которая подчеркивалась скачко¬
образным перемещением кадров немого кино.
В процессе совершенствования техники кино число
кинокадров возросло до 24 в секунду. Для телевиде¬
ния более удобной оказалась смена 25 кадров в тече¬
ние каждой секунды, потому что это число кратно час¬
тоте промышленного переменного тока, равной 50
периодам в секунду (50 герц). От этой сети питается
любой телевизор. А поскольку частота тока в сети
очень стабильна, промышленный ток может поддер¬
живать (синхронизовать) частоту смены кадров, воз¬
действуя с частотой 25 раз в секунду, то есть через
один такт.
2.71
Перемещение подвижных предметов на экранах те¬
левизора и кино кажется нам в равной степени плав¬
ным, несмотря на то, что в течение каждой секунды на
киноэкране сменяется 24 кадра, а на телеэкране — 25.
И в том и в другом случае наши глаза не успевают фик¬
сировать смену кадров.
Зато эта разница становится очень заметной при
совмещении телевидения и кино.
Из-за различия в один кадр в секунду нарушается
взаимная синхронизация. Вероятно, читателю случа¬
лось заметить, как по экрану попавшего в кинокадр те¬
левизора скользит сверху вниз темная полоса. Возни¬
кает она потому, что смена кинокадров отстает от сме¬
ны телевизионных кадров на один кадр в секунду, поэ-
229

тому в течение каждой следующей 1/24 доли секунды
кинокамера фиксирует сместившийся на 1/25 своей
высоты телекадр.
Чтобы устранить этот эффект, приходится приме¬
нять специальные меры: киносъемку эпизодов, в кото¬
рых участвует телевидение, проводить со скоростью 25
кадров в секунду, а при демонстрации фильма перехо¬
дить на традиционное число 24, доказав тем самым, что
при определенных технических ухищрениях можно
«обмануть арифметику» и выполнить условие 24=25.
2.72
При проектировании телевизоров расстояние меж¬
ду строками выбирается с таким расчетом, чтобы зри-
230

тель, сидящий на расстоянии двух метров от экрана, не
мог видеть отдельных строк. Он видит весь кадр под уг¬
лом около 10 градусов, то есть 600 угловых минут. Раз¬
решающая способность нашего глаза позволит увидеть
две строчки раздельно, если угол превысит 1 минуту.
Чтобы строки сливались в кадре, их должно быть не ме¬
ньше, чем
^=600 строк.
На самом деле их 625.
2.73
В новеллах «След невидимок» и «Почти по задачни¬
ку» мы рассказали о том, как заставить луч бежать
вдоль строки: нужно подать на горизонтально-откло-
няющие пластины «пилу».
При получении изображения импульса луч все вре¬
мя повторяет пробег вдоль одной и той же черты в се¬
редине экрана. А в телевидении каждая новая строка
должна проходить ниже, чем предыдущая. Для этого
надо заставить луч, двигающийся слева направо, одно¬
временно смещаться вниз. С этой целью на вторую па¬
ру пластин электронной трубки нужно подать более
медленную пилу. Пока один зуб медленной пилы сме¬
щает луч от верхней до нижней части экрана, быстрая
пила создает целых 625 зубьев, заставляющих луч пов¬
торить путь слева направо 625 раз. В телевизорах с бо-
231

льшой трубкой скорость пробега луча по строкам дос¬
тигает почти 30 000 километров в час. (Окружность
земного шара имеет длину около 40 000 километров.)
В современных телевизионных приемниках луч уп¬
равляется не пластинами, а магнитным полем катушек.
В обмотки катушек подают пилообразный ток. Ток воз¬
буждает магнитное поле катушки, которое воздейству¬
ет на электронный луч так же, как на текущий по прово¬
ду ток.
2.74
Если за время пробега луча по кадру его яркость
останется неизменной, весь экран будет освещен рав¬
номерно, кадр будет «слепым».
Но обычно яркость луча непрерывно меняется. На
экране чередуются светлые и темные пятна, которые,
словно мозаика, образуют пейзаж, эпизод футбольно¬
го матча, лицо ведущего крупным планом — в общем,
все то, что попадает обычно на телеэкран.
2.75
Если кадр состоит из крупных деталей, соседние
строки освещены одинаково. При передаче же мелких
деталей отличаться по яркости могут даже две сосед¬
них строки. И вдоль каждой строки может уложиться
определенное число элементов «мозаики». Чем боль¬
ше таких элементов, тем четче изображение, тем луч¬
ше видна на экране любая маленькая деталь.
Если яркость луча будет меняться с каждой строкой,
по вертикали уложится 625 элементов «мозаики». При
квадратном экране столько же элементов целесооб¬
разно уложить вдоль каждой строки.
Всего на экране уместится: 625 • 625 = 390 625.
Обычно ширина кадра составляет 4/3 от его высоты.
В таком кадре должно уместиться 625-4/3-625=
= 500 000 элементов.
Предположим, что каждый из элементов изображе¬
ния должен отличаться по яркости от соседних. Как час¬
то должна при этих условиях изменяться яркость луча?
Разобьем все элементы на пары (светлый и темный).
Пробегая каждую пару, луч изменяет яркость. В тече¬
ние кадра луч обежит 500 000 элементов, или 250 000
пар. При этом он должен изменить яркость 250 000 раз
(если данный элемент светлый, то следующий должен
быть темным).
За секунду сменится 25 кадров. Следовательно, луч
за секунду должен изменить яркость 250 000 - 25 =
= 6 250 000 раз. Значит, частота изменения тока в луче
должна составить 6 250 000 герц, или 6,25 мегагерца.
232

Если отнестись к терминологии более строго, необ¬
ходимо внести уточнение по поводу бытующего в теле¬
визионной технике выражения «яркость луча». Луч не
может быть «ярким», поскольку он просто невидим.
Меняется яркость пятна на экране, которое возникает
под действием пучка электронов. Яркость пятна зависит
от плотности этих электронов в пучке.
2.76
Конечно, не каждое изображение должно содер¬
жать в себе все 500 000 элементов «мозаики». Но в каж¬
дом кадре наряду с крупными есть и довольно мелкие
детали:	черты лица, отражающие мимику актера,
штрихи, нанесенные рукою художника, буквы мелкого
текста, маленькая хоккейная шайба и т. д. и т. п. Чтобы
все эти детали были четко видны на экране вашего те¬
левизора, надо рассчитывать, что частота изменения
яркости в предельных случаях достигает 6,25 мегагер¬
ца. Луч изменяет яркость под воздействием тех «узо¬
ров», которые с помощью модуляции нанесли на сиг¬
нал, несущий изображение.
Зная, с какой частотой может меняться узор, не¬
трудно определить и несущую частоту. Поскольку не¬
сущий сигнал служит канвою, его частота должна пре¬
вышать частоту узора приблизительно в десять раз.
Только при этом условии все нюансы узора будут точка
за точкой передаваться на гребнях несущей волны.
Значит, несущая частота телевизионных сигналов долж¬
на быть порядка 6,25 - 10 = 62,5 мегагерца.
Такой частоте соответствуют волны длиной в 4,8
метра. Это и есть те самые «неудобные» волны, для ко¬
торых горизонт является запретной чертой.
Узор, в котором содержится голос диктора или
звук музыкального инструмента, создается с помощью
микрофона, который превращает звуковые колебания
воздуха в переменный, колеблющийся ток. А как созда¬
ется узор, содержащий изображение?
Здесь опять приходит на помощь электронная труб¬
ка, но принцип действия и конструкция ее существенно
отличаются от тех трубок, о которых шла речь до сих
пор.
Слой, которым покрыт экран этой трубки, обладает
особым свойством: электрическое сопротивление его бу¬
дет тем меньше, чем сильнее он освещен.
Передача осуществляется так.
На экран с помощью обычных оптических линз про¬
ектируется изображение, которое необходимо превра¬
тить сначала в колебание тока, а затем в электромаг¬
нитные волны, излучаемые в эфир. Сзади экрана, так
же как в трубке обычного телевизора, разворачивая
ТРАНСПОРТИ¬
РОВКА
ИЗОБРАЖЕНИЙ
233

строчку за строчкой, скользит электронный луч. Поток
электронов омывает внутреннюю поверхность экрана,
словно струя брандспойта, скользящая по стеклу. Ру¬
чейки электронов бегут по проводящему слою и стекают
на землю через сопротивление R. Чем ярче освещена
поверхность экрана, тем сильней ручеек, потому что со¬
противление проводящего слоя уменьшается от свето¬
вых лучей.
Когда луч, скользящий по строчкам, попадает в
светлые части изображения, «ручеек», бегущий через
сопротивление R, достигает значительной величины.
Когда луч смещается в слабо освещенную область экра¬
на, ток ослабевает. Луч обегает строчку за строчкой,
превращая изображение в непрерывно меняющийся во
времени электрический ток. Так возникает узор. Если
теперь этим током (точнее, тем напряжением, которое
создает этот ток в сопротивлении R) промодулировать
ультракороткие волны, узор, в котором содержится изо¬
бражение, «сядет верхом» на несущий сигнал.
Судьба такого сигнала в телевизионном приемнике
похожа на судьбу сигналов радиовещательных станций:
он тоже усиливается там по этапам, проходя сквозь сис¬
тему «кривых зеркал». Сначала усиливают его на высо¬
ких частотах, затем на промежуточных, потом он под¬
вергается детектированию, а на последнем этапе усили¬
вается чистый узор.
А дальше? Поворот судьбы, возможно, покажется
неожиданным. Достигнув финиша, сигнал должен сно¬
ва осуществить модуляцию: на этот раз он модулирует
луч. Для этого в дополнение к тем деталям, которые
были рассмотрены нами на рисунке 1.32, в телевизион¬
ную трубку вводится еще один модулирующий электрод.
Его называют еще и сеткой, потому что, так же как сетка
в триоде, сетка в телевизионной трубке влияет на поток
электронов, образующих луч. На этот электрод и по¬
дается узор, содержащий изображение в кадре. С изме¬
нением напряжения на модулирующем электроде изме¬
няется яркость луча.
Для того чтобы все элементы «мозаики» попали в
нужные точки экрана, вместе с сигналом изображе¬
ния на несущем сигнале записаны специальные импуль¬
сы. Эти импульсы служат командой для пробегов луча
по экрану приемника.
В течение всей передачи лучи всех телевизоров
одновременно с лучом передающей трубки (это может
быть супериконоскоп, суперортикон или видикон) берут
старт и достигают финиша, 25 раз в секунду начиная
и заканчивая кадр.
Миллионы лучей в любое мгновение проходят по
одному и тому же элементу «мозаики». 25 раз в секунду
на миллионах экранов точка за точкой прорисовывает¬
ся одинаковый кадр.
234

В ОБЪЯТЬЯХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
2.77
В первых трубках лучом управляли пластины
(1.32 — 1.36). Но когда появились телевизионные труб¬
ки (кинескопы) с большим экраном, пластины уже не
могли справляться с этой задачей, поскольку они могли
отклонять луч лишь на небольшой угол, а в этом случае
развернуть кадр на весь экран невозможно. В трубках с
большими экранами на анод стараются подать высокое
напряжение, в результате чего электроны достигают в
них очень больших скоростей. Мимо пластин они про¬
летают мгновенно, и только очень сильное поле может
заметно их отклонить.
2.78
Чтобы выйти из положения, пытались усилить поле
между пластинами. Для этого приходилось сдвигать
пластины поближе друг к дугу и увеличивать их пло¬
щадь.
Результат получился парадоксальный:	пластины
смогли отклонить луч на нужный угол, но при этом луч
стал упираться в одну из пластин.
Вот почему создателям телевизионных трубок
пришлось вспомнить о том, что управлять электронами
можно не только электрическими полями, возникаю¬
щими между пластинами, но и магнитными.
2.79
Покоящийся заряд не реагирует на воздействие
магнитного поля. Но электронный луч — это поток дви¬
жущихся зарядов, сфокусированных в узкий пучок. Он
ЭГО
ЛЕЖИТ
В OCHG3E
235

подобен текущему по проводу току, хотя ток этот воз¬
никает в вакууме, где никакого провода нет. Вокруг
каждого движущегося в вакууме электрона возникает
магнитное поле. Поля множества одновременно дви¬
жущихся электронов, складываясь друг с другом, соз¬
дают общее магнитное поле в пространстве вокруг лу¬
ча.
Силовые линии поля окружают электрон словно не¬
видимый ореол. Их направление совпадает с направле¬
нием вращения буравчика, если сам буравчик переме¬
щается навстречу летящему электрону. (Напомним, что
направление движения буравчика соответствует техни¬
ческому направлению тока (см. 2.25).)
2.80
Внешнее магнитное поле, взаимодействуя с магнит¬
ным полем подвижного электрона, влияет на траекто¬
рию движения электрона. При совпадении направлений
силовых линий суммарное поле магнита и электрона
усиливается. Если же силовые линии направлены навст¬
речу, они ослабляют друг друга.
На нашем рисунке усиленное суммарное поле под
электроном как бы «перебороло» ослабленное сум¬
марное поле над электроном, и в результате он, откло¬
нившись от прямолинейного курса, совершает некий
вираж по дуге. Направление действующей на электрон
отклоняющей силы можно определить по правилу ле¬
вой руки.
236

2.81
Для создания полей, отклоняющих луч, вместо
постоянных магнитов в телевизионных трубках обыч¬
но используются катушки. Пара катушек, установ¬
ленных вертикально около горловины трубки, смеща¬
ет луч в горизонтальной плоскости. Другая пара, рас¬
положенная горизонтально, смещает луч вверх и
вниз.
Можно сказать, что и в этом случае действует «пе¬
рекрестное правило», аналогичное случаю управления
электронным лучом электрическим полем пластин
(сравните с 1.36).
При изменении направления тока в обмотках маг¬
нитные полюса поменяются местами, и если до это¬
го луч двигался вверх, то теперь он будет смещаться
вниз, подчиняясь тому же правилу левой руки (см.
2.80).
Питая катушки пилообразным током (быстрая пила
на вертикальных катушках и медленная — на горизон¬
тальных), можно заставить луч разворачивать кадр
(см. 2.73).
Разместить внутри трубки управляющие пластины,
не нарушив при этом вакуума, удается с большим тру¬
дом. Процесс производства таких трубок чрезвычайно
сложен. Значительно проще изготовляется трубка с
магнитной системой — катушки не надо втискивать
внутрь.
2.82
237

2.83
Катушка, насаженная на горловину, создает маг¬
нитное поле, направленное вдоль оси трубки. Такая ка¬
тушка выполняет роль линзы: она направляет все
электроны в одну точку экрана, то есть фокусирует
луч.
Строго говоря, это, конечно, не точка, а пятныш¬
ко, поскольку точка в математическом смысле не име¬
ет размеров, а пятно, создаваемое лучом на экране,
составляет несколько миллионных долей миллиметра
(несколько микрон). Но размеры пятна настолько ма¬
лы, что для глаза оно в самом деле является точкой.
ФИГУРЫ
ВЫСШЕГО
ПИЛОТАЖА
Не трудно себе представить, насколько важной для
телевидения является проблема фокусировки луча.
Каждый из электронов, образующих луч, стремится
непременно оттолкнуть от себя своих собратьев, летя¬
щих параллельным с ним курсом и имеющих одно¬
именный заряд. Это стремление в свое время доставило
создателям телевидения немало хлопот.
Физики, применявшие первые электронные трубки,
ставили на пути электронов цилиндрик и подавали на
него отрицательный потенциал (см. 1.32). Цилиндрик
отталкивал электроны внутрь, и они собирались у оси,
образуя тонкий пучок. Но стоило им вылететь из ци¬
линдра, и они вновь разбегались в стороны. Чем бли¬
же к экрану, тем дальше они разбегались друг от
друга, тем шире становился луч. Пытаться таким «лох¬
матым» лучом нарисовать четкое изображение в кад¬
ре совершенно бессмысленно —это все равно, что
пробовать нарисовать малярной кистью четкий порт¬
рет.
Значит, необходимо создать такую систему, которая
была бы подобна обычной оптической линзе и фокуси¬
ровала луч таким образом, чтобы фокус попал как раз
на экран.
Эту задачу решают магнитные линзы. Когда по об¬
моткам катушки, посаженной на горловину трубки, те¬
чет ток, то он создает магнитное поле, силовые линии
которого направлены вдоль оси трубки.
Допустим, что вдоль силовых линий магнитного по¬
ля летит электрон. Силовые линии его «ореола» пер¬
пендикулярны силовым линиям внешнего поля. Взаимо¬
действий между полями не возникает. Электрон «игно¬
рирует» внешнее поле и продолжает свой прямолиней¬
ный полет.
Но вот, столкнувшись с одним из летящих парал¬
лельным курсом собратьев, электрон отклонится немно¬
го вниз. В точках В и Д силовые линии его «ореола»
238

по-прежнему перпендикулярны линиям внешнего поля.
А в точках С и Д перпендикулярность нарушена. На¬
клонные силовые линии раскладываются на две состав¬
ляющих: вертикальные ai и Ci и горизонтальные аг и Сг.
Вертикальные не оказывают влияния на движение элек¬
трона, поскольку они тоже перпендикулярны силовым
линиям внешнего поля. Горизонтальные составляющие
&2 и с2 параллельны силовым линиям внешнего поля.
При этом а~2 направлена вдоль внешних линий, а Сг —
навстречу. Это значит, что в точке А суммарное поле
усилилось, а в точке В стало слабее. Такое взаимодейст¬
вие силовых линий заставило электрон совершить раз¬
ворот против часовой стрелки, то есть в направлении от
усиленного к ослабленному суммарному полю.
Но как только начнется такой разворот, возникнет
взаимодействие полей в точках В и Д.
Повторите все рассуждения, и вы убедитесь, что
взаимодействие магнитного поля вокруг электрона с
внешним магнитным полем в точках В и Д заставит
теперь электрон двигаться вверх. А раз он движется
одновременно и снизу вверх и справа налево, то что
представляет собой его траектория, догадаться нетруд¬
но — круг.
Итак, отклонившись от курса, электрон попадает под
двойное влияние. Анод электронной трубки по-прежне¬
му тянет его к экрану, а поле магнитной линзы застав¬
ляет описывать круг. Что ему остается делать? Лететь
к экрану, но уже не прямым курсом, а виражами,
совершая виток за витком. Электрон «входит в што¬
пор», словно маневренный самолет. Маршрут здесь рас¬
считан точно: магнитные силы с каждым витком закру¬
чивают электрон все сильнее, сами витки становятся
меньше, и, когда электрон достигает экрана, он окажет¬
ся как раз у оси.
Вслед за ним (то есть за тем воображаемым электро¬
ном, сложный путь которого мы с вами только что
«проследили») к центру экрана будут слетаться все
электроны луча, повторяя при этом все тот же слож¬
ный вираж.
До тех пор пока не подано напряжение на отклоняю¬
щиеся катушки, все электроны летят к центру экрана.
При подаче пилообразного напряжения они начнут
дружно перемешаться по строкам кадра не беспоря¬
дочной толпой, а сконцентрированным магнитной лин¬
зой компактным пятном.
До чего же тернист путь электрона! Ни малейшей
свободы движения. Со всех сторон он подвержен дей¬
ствию сил. Анод заставляет его лететь прямо к экрану.
Летящие рядом многочисленные коллеги стремятся от¬
толкнуть его от оси. Но стоит ему лишь чуть-чуть от-
\
239

клониться от курса, как он попадает под воздействие
внешнего магнитного поля.
И опять ни малейшей самостоятельности, хочешь не
хочешь, придется «входить в штопор», совершать виток
за витком, а достигнув экрана, обегать строку за
строкой.
И точно такие же перипетии переживает каждый
из электронов, и все они, несмотря на разброс направ¬
лений и скоростей их движения, попадают под воздей¬
ствие поля фокусирующей катушки, собираются в тон¬
кий луч и попадают в одну и ту же точку экрана, обра¬
зуя на нем маленькое светящееся w движущееся по
строкам экрана пятно.

С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛУЧЕЙ
это
ЛЕЖИТ
в ОСНОВЕ
2.84
Сфокусированный электронный луч нужен не
только для телевидения. Он оказался прекрас¬
ным режущим инструментом при обработке метал¬
лов.
Специальностями токаря, фрезеровщика, сварщика
и плавильщика электрон овладел за очень короткий
срок. В течение многих лет он был рекордсменом в от¬
ношении точности операций тонкой обработки деталей.
Но в последние годы приоритет завоевали лазерные
лучи.
2.85
Внутри вакуумной камеры располагаются знакомая
нам электронная пушка и обрабатываемый металл.
Чтобы луч мог его резать, электронов в нем должно
быть больше, чем в электронной трубке, примерно в
100 раз. Кроме того, он должен быть достаточно ост¬
рым, для чего магнитной фокусировкой уменьшают его
диаметр до нескольких микрон. В этом малом диамет¬
ре сосредоточена такая мощность, что в пересчете на
площадь в один квадратный сантиметр она эквивалент¬
на мощности турбин Красноярской ГЭС! Неудивитель¬
но, что в точке соприкосновения луча с металлом воз¬
никает температура, как на поверхности Солнца — гра-
16 Е. Седов
241

дусов около 6000. Таким лучом резать любые метал¬
лы, даже самые тугоплавкие, не труднее, чем
масло ножом. При неподвижном луче в металле про¬
сверливается (прожигается) отверстие, а если сме¬
щать луч с помощью поля, он с успехом заменит
фрезу.
2.86
Подобным же образом производится сварка метал¬
лов. Мощность луча при сварке исчисляют десятками
киловатт. Достигнув металла, электроны в нем рез¬
ко тормозятся, и вся их кинетическая энергия прев¬
ращается в тепло. При этом луч создает на глубине
0,001—0,1 миллиметра температуру, в сотни раз
большую, чем любой источник тепла. Применение
электронного луча преобразует всю технологию свар¬
ки — например, можно вести сварку в несколько яру¬
сов или прямо сквозь лист металла производить
Т-образные швы.
Управляя лучом, можно вести фигурную
сварку с такой точностью, какой никогда не дос¬
тиг бы сварщик, держащий в руках сварочный инстру¬
мент.
С освоением технологии обработки с помощью
электронных лучей был заложен первый кирпич в фун¬
дамент будущей элионики, использующей свой¬
ства различных по своей природе лучей. При изго¬
товлении микросхем высокой степени интеграции
используются ионные, лазерные и рентгеновские
лучи.
2.87
Новые возможности открыла электронная плавка.
Она позволила путем расплавления и кристаллизации
получать сверхчистые вещества. В таких веществах
нуждается ракетная и атомная техника, да и сама элек¬
троника не могла бы без них обойтись. Микроэлектро¬
нике и полупроводниковой технике нужен германий,
содержащий не более десятимиллионной доли грамма
примесей на один килограмм (всего стомиллион¬
ную долю процента!). Этого можно достичь с помо¬
щью тех же электронных лучей. Надо лишь довести
мощность луча до полутора тысяч киловатт. Металл,
который подлежит расплавлению, помещают на мес¬
то анода. Расплавляясь, он стекает в кристаллизатор,
а примеси испаряются и оседают на стенках каме¬
ры.
Процесс этот повторяют неоднократно до тех
пор, пока не будет получен металл требуемой
чистоты.
242

2.88
А вот совсем иная область применения электронных
лучей — печатание книг, журналов, газет. Установка
похожа на телевизор, но вместо экрана бумажная лен¬
та, на которой луч прочерчивает строку за строкой. Луч
модулирован изображением печатного текста. От него
на бумаге остается заряд. Распыленная типографская
краска и наэлектризованная бумага встречают¬
ся внутри камеры, бумага притягивает частички крас¬
ки, и текст проявляется, как на фотопластинке. Так же,
как в телевизоре, смена кадров происходит 25
раз в секунду. Каждый кадр соответствует одному от¬
тиску страницы печатного текста. Значит, в течение
каждой минуты такое устройство печатает 1500 стра¬
ниц.
Эта производительность превышает быстродейст¬
вие обычного ротапринта в 50 раз.
16*
243

ГДЕ взять СТО
солнц?
Первый проект телевидения был предложен немец¬
ким инженером П. Нипковом. Вместо экрана передаю¬
щей трубки он использовал диск со множеством круг¬
лых отверстий. На диск проектировалось изображение.
При вращении диска каждое из отверстий прочерчи¬
вало одну строку. А так как отверстия размещались по
спирали, каждая следующая строка прочерчивалась
ниже, чем предыдущая. Свет, проходя через отверстие,
попадал на светочувствительное устройство — фото¬
элемент.
Поскольку любое изображение состоит из темных и
светлых пяген, яркость луча, а вместе с ней и ток
фотоэлемента, много раз изменялась, пока какое-ни¬
будь из отверстий прочерчивало очередную строку. Л
все 30 отверстий (в диске Нипкова их было именно
столько) раскладывали изображение на 30 строк, пре¬
вращая его в непрерывно меняющийся во времени
электрический ток. Этим пульсирующим током и моду¬
лировали несущий сигнал.
В приемнике этот ток заставлял «мигать» электро¬
лампу. Между лампой и экраном помещали второй
диск Нипкова. Его отверстия прочерчивали па экране
строки одновременно (синхронно) с диском на передаю¬
щем конце. Такая идея передачи изображения доволь¬
но проста. Но какая вышла морока, когда попытались
претворить это в жизнь!
В 30-х годах в Москве на улице 25 Октября (в то вре¬
мя она называлась Никольской) работала эксперимен¬
тальная студия телевидения. Она использовала диски
Нипкова. О том, что из этого получилось, хорошо рас¬
сказывает журнал тех лет:
«Перед началом телевизионной передачи происходит
немало комичных сцен. Исполнитель привык к обычно¬
му театральному гриму. Губы должны быть красными -
это закон. Каково же бывает его удивление, когда гри¬
мер накладывает на губы... темно-зеленую краску. Он
переиграл сотни ролей, гримировался под Отелло, под
негра и Квазимодо, но никогда еще его не раскрашива¬
ли в цвета экзотического какаду!»
«...Гимнаст выступал в черных трусах на темном фо¬
не. На экране трусы исчезли. Тогда темный фон сме¬
нили на светлый. Получился еще более потрясающий
эффект: трусы на экране были видны отчетливо, но...
исчез сам гимнаст».
А в чем тут, собственно, дело? Почему с диском Нип¬
кова нельзя получить таких же изображений, какие
дает нам современный экран?
Плохо, что кадр содержит всего 30 строчек. Смот¬
реть на него не очень приятно: вместо слитного изобра¬
жения — решетка из редких строк. Но для начала с
этим можно было бы даже мириться, если бы... Если бы
вслед за трусами не исчезал сам гимнаст. Почему же
244

он исчезает? Хуже, лучше — но предмет-то все-такн
должен быть виден в кадре даже при очень малом коли¬
честве строк!
А раз предмет исчезает, значит, фотоэлемент не по¬
чувствовал разницы между рассеянным светом от фона
и тем светом, который отражает предмет. И это вполне
естественно: через малюсенькое отверстие в диске про¬
ходила лишь ничтожная доля света, а остальные лучи
отражались диском и пропадали зря. Из-за такой рас¬
точительности и возникали все беды: и зеленые губы
актеров, и исчезающие на экране трусы.
Впоследствии подсчитали, что кадр, полученный с
помощью диска Нипкова, стал бы таким же четким,
как кадр современного телевизора, если бы источник
света давал освещенность в 100 раз более сильную, чем
свет прямого солнечного луча!
Но разве мыслимо создать на Земле такие источни¬
ки света, которые заменят 100 Солнц!
А может быть, можно расходовать свет более эко¬
номно?
Инженер В. Зворыкин пошел именно этим путем.
Еще в 1907 году профессор Петербургского универси¬
тета Б. Розинг предложил использовать в телевизион¬
ном приемнике электронную трубку. Его ученик В. Зво¬
рыкин развил эту идею и разработал передающую труб¬
ку, способную «накапливать свет». Как она это делаег?
Оказывается, просто. Стоит сравнить метод Нипко¬
ва с тем методом, который мы рассмотрели раньше, и
все встанет на свои места. Для наглядности такого
сравнения попробуем мысленно сконструировать теле¬
камеру, использующую технические устройства, заимст¬
вованные из двух разных эпох.
Представьте себе фантастическую конструкцию пе¬
редающей трубки, у которой есть современный свето¬
чувствительный экран, но нет системы развертки, за¬
ставляющей луч пробегать по экрану строку за строкой.
Развертка осуществляется установленным перед экра¬
ном диском Нипкова. В этом случае отраженный объ¬
ектом изображения свет попадает в каждую точку экра¬
на только в тот момент времени, когда напротив этой
точки находится отверстие диска. А поскольку диск со¬
вершает в течение каждой секунды не менее 20 оборо¬
тов, время, в течение которого свет попадает на данную
точку экрана, составляет всего лишь коротенький миг.
Теперь давайте сравним сконструированное нами уст¬
ройство с описанной в новелле «Транспортировка изо¬
бражений» передающей трубкой.
Здесь нет нужды использовать диск Нипкова, по¬
этому в течение всей передачи в каждую точку экрана
попадает весь отраженный объектом изображения свет.
Это значит, что на экране осуществляется накопление
энергии отраженного света, а затем вся накопленная
246

световая энергия превращается в соответствующую
энергию переменного тока с помощью пробегающего
по строкам экрана электронного луча.
В этом и состоит главное преимущество современ¬
ной передающей трубки по сравнению с диском Нипко-
ва. Благодаря такому различию диск Нипкова стал ат¬
рибутом истории, а электронная трубка — неотъемле¬
мой частью всех телевизионных систем.
Современное телевидение — это не только ежеднев¬
ные трансляции программы «Время», передачи филь¬
мов, спектаклей, концертов, спортивных соревнований.
Это еще и великое множество специальных техниче¬
ских и научных задач. И каждая из них диктует свои
требования в отношении применяемых телевизионной
техникой средств.
В одних случаях требуется высокая чувствитель¬
ность воспринимающей изображение электронной сис¬
темы, позволяющая получать четкое изображение слабо
освещенных объектов, даже при наличии всякого рода
помех. В других случаях главным требованием стано¬
вится высокая разрешающая способность, позволяю¬
щая даже при слабой освещенности видеть раздельно
два расположенных близко друг к другу и имеющих
малые размеры предмета.
А если с помощью телевидения исследуются имею¬
щие очень высокую скорость объекты, главным стано¬
вится требование малой инерционности электронной
системы: если изменения формирующихся внутри пере¬
дающей трубки электронных потоков происходят мед¬
леннее, чем движутся находящиеся в кадре объекты,
изображение этих объектов будет размытым, а вслед за
каждым таким объектом хвостом потянется след.
В ответ на разнообразие требований современная
электроника предлагает разнообразие средств.
В новелле «Транспортировка изображений» был рас¬
смотрен только один принцип преобразования изобра¬
жения в переменный электрический ток. Этот принцип
основан на зависимости сопротивления светочувстви¬
тельного слоя экрана от интенсивности светового пото¬
ка. Под действием падающего на покрытый таким слоем
экран светового потока в светочувствительном слое об¬
разуются свободные электроны. Это так называемый
внутренний фотоэффект. Впоследствии электроника
разработала обладающие очень высокой чувствитель¬
ностью передающие трубки — так называемые суперор-
тиконы. В них используется внешний фотоэффект.
Разница между внутренним и внешним фотоэффек¬
том нашла отражение в самих названиях этих эффек¬
тов.
При внутреннем фотоэффекте образующиеся под
ПРЕОБРАЖЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
247

действием светового потока свободные электроны оста¬
ются внутри светочувствительного слоя, стекая с него
через подключенное к нему сопротивление R.
При внешнем фотоэффекте освобожденные све¬
товой энергией электроны вылетают из светочувст¬
вительного слоя, словно брызги с водной поверх¬
ности.
В суперортиконе покинувшие светочувствитель¬
ный слой электроны устремляются к установленной за
экраном мишени. Чтобы попавшие на мишень электро¬
ны не превращались в обычный электрический ток,
мишень сделана не из металла, а из специального ди¬
электрика, в котором под действием электронов тоже
возникает внешний фотоэффект.
Чем больше освещена та или иная область экра¬
на, тем больше поток возникающих в этой области
электронов, тем больше ответных брызг — электро¬
нов мишени, тем в большей мере снизится в соот¬
ветствующем месте мишени отрицательный потен¬
циал.
Так осуществляется первая стадия преображения
изображения: видимые объекты телетрансляции пре¬
вращаются в образующийся на поверхности мишени
невидимый потенциальный рельеф.
Покинувшие мишень электроны не участвуют в даль¬
нейшем процессе: они улавливаются расположенной ря¬
дом с мишенью сеткой и «выбывают из игры», «запу¬
тавшись» в проводах сетки, на которую для их притя¬
жения подается небольшой положительный потенциал.
С помощью ускоряющих и тормозящих электродов, фо¬
кусирующих и отклоняющих катушек осуществляется
управление и движением электронов от экрана к мише¬
ни, и обегающим мишень электронным лучом.
Именно этот луч осуществляет еще одно преобразо¬
вание того «слепка» изображения транслируемых объ¬
ектов, который содержит в себе образовавшийся на
мишени потенциальный рельеф.
Электронный луч скользит по мишени, прорисовы¬
вая 25 кадров в секунду, причем так же, как в теле¬
визионном приемнике, каждый кадр содержит 625
строк.
В течение каждого кадра «слепок» изображения, со¬
держащийся в потенциальном рельефе мишени, «отпе¬
чатывается» на электронном луче.
Когда электронный луч, пробегающий строчку за
строчкой, попадает в определенную точку экрана пе¬
редающей трубки, он отдает ей часть своих электронов.
Чем больше электронов выплеснулось из мишени, тем
больше их будет отдано электронным лучом. Луч сколь¬
зит по изображению, переходя от светлых участков к
темным, и соответственно меняется ток луча.
Так происходит еще одно преобразование изобра-
248

жения: сначала оно превратилось в потенциальный
рельеф мишени, а затем в модулированный по интен¬
сивности луч.
После этих превращений оставшийся на луче «отпе¬
чаток» сигнала похож на изображение реальных объ¬
ектов не более, чем нотная запись похожа на музы¬
кальный аккорд. И тем не менее нотная запись содер¬
жит в себе полную информацию об аккорде, а изме¬
няющаяся интенсивность электронных потоков сохраня¬
ет всю ту информацию, по которой будут полностью
воспроизведены чередование кадров и любой содержа¬
щийся в этих кадрах объект.
На пути от светочувствительного слоя передающей
трубки до экрана приемника сигнал подобен непрояв-
ленной фотопленке: в нем содержится изображение в
кадрах, но увидеть его нельзя. Претерпев преобразо¬
вания в передающей трубке, преодолев расстояние
«верхом на несущих волнах», сигнал попадает в теле¬
визионный приемник, где произойдет его «проявле¬
ние» — превращение модулированного по интенсивно¬
сти пучка электронов в изображении на экране, сме¬
няющие друг друга настолько быстро, чтобы вместо
мелькания кадров глаз видел плавное перемещение по¬
падающих на экраны объектов, будь то движение транс¬
портных средств или деталей какого-то механизма, по¬
леты самолетов и птиц, бег диких животных или оттенки
мимики на лицах людей.
Нетрудно себе представить, сколько понадобилось
изобретательности, кропотливых исследований и дора¬
боток, чтобы после всех преобразований «электронные
слепки изображения» не отличались от оригинала, что¬
бы, невзирая на расстояния и помехи, можно было уви¬
деть на экранах телевизионных приемников все, что
«увидел» находящийся далеко от этих приемников «те¬
леглаз».
Возвращаясь к процессам преобразований сигнала
с помощью суперортикона, остается затронуть послед¬
ний, чрезвычайно важный этап. Модулированный «слеп¬
ком изображения» электронный луч после отражения
от мишени усиливается с помощью фотоэлектронно¬
го умножителя, подключенного к выходу суперорти¬
кона.
Умножитель содержит несколько пар электродов
(эти пары называют динодами). Каждый из электро¬
дов обладает свойством вторичной эмиссии: под дейст¬
вием попадающих на него извне электронов электрод
излучает встречные электроны, вылетающие из него на¬
подобие водяных брызг. Пройдя несколько динодов,
эти «брызги» умножаются многократно. Таким образом,
при движении электронов от динода к диноду возника¬
ет лавинообразный процесс, в результате которого на
выходе электронного умножителя образуется усилен-
249

ный мощный поток электронов, сохранивший в себе
«слепок изображения», который будет затем направ¬
лен «верхом на несущем сигнале» той частоты, на
которой работает соответствующий телевизионный ка¬
нал, будь то канал первой или второй Всесоюзной те¬
лепрограммы, каналы Москвы, Ленинграда или других
городов.
Напомним еще раз читателю, что все происходящие
в суперортиконе процессы, описание которых потребо¬
вало так много слов и достаточно много времени, на са¬
мом деле протекают мгновенно: электронный луч успе¬
вает в течение каждой секунды 25 раз «срисовать» с ми¬
шени «слепок изображения», прочертив на мишени в те¬
чение 1/25 секунды 625 строк. И все это время непре¬
рывно текущий от экрана к мишени поток электронов
несет в себе «слепки» передаваемых по телеканалу объ¬
ектов, успевая «отслеживать» все те изменения, кото¬
рые претерпевает в течение 1/25 секунды каждый нахо¬
дящийся в телекадре подвижный, объект.
Среди всех созданных средствами электроники пере¬
дающих телевизионных трубок самой высокой чувстви¬
тельностью обладает описанный нами суперортикон.
Высокая чувствительность достигается здесь благода¬
ря усилению образующегося в результате внешнего
фотоэффекта пучка электронов. Усиление это осущест¬
вляет фотоумножитель. В итоге на выходе суперорти-
кона действует несущий в себе всю информацию теле¬
кадров мощный поток.
Что же касается разрешающей способности, то тут
суперортикон уступает место более простому устройст¬
ву, известному под названием диссектор, что переводит¬
ся как рассекатель. Этим названием подчеркивается
способность диссектора «рассекать» объект на его со¬
ставные части, то есть видеть раздельно то, что бу¬
дет выглядеть слитно в случае применения не обла¬
дающих такой высокой разрешающей способностью
средств.
Главная особенность диссектора по сравнению
со всеми другими передающими электронными труб¬
ками заключается в отсутствии в нем применяемого
для развертки кадров по строкам электронного лу¬
ча.
Развертка кадра в диссекторе осуществляется со¬
всем по-другому: с помощью отклоняющего поля ка¬
тушки по строкам и кадрам «прокачивается» возни¬
кающий в результате внешнего фотоэффекта электрон¬
ный поток. На пути потока устанавливается диафраг¬
ма с одним отверстием. Содержащийся в электронном
потоке «слепок изображения» строка за строкой сколь¬
зит мимо отверстия в диафрагме. Проходящая через
отверстие часть потока усиливается фотоумножителем,
превращаясь в содержащий всю информацию кадра пе-
250

ременный ток. Ток течет через сопротивление R, созда¬
вая на нем переменное падение напряжения, которым
затем модулируется несущий сигнал.
Нетрудно заметить сходство используемых в диссек¬
торе принципов с идеей диска Нипкова. Правда, в от¬
личие от системы Нипкова отверстие здесь неподвижно,
а мимо него скользит «слепок изображения», отпеча¬
тавшийся в движущемся по строкам кадра электронном
луче.
А главное принципиальное отличие заключается в
том, что в данном случае к отверстию в диафрагме при¬
ходит не отраженный объектом телетрансляции свет, а
мощный поток электронов, усиленный фотоумножите¬
лем и несущий в себе преобразованную энергию света,
которую накапливает экран. Накопление энергии света
и последующее усиление содержащих «слепки изобра¬
жения» электронных потоков избавляет от необходимо¬
сти освещения тех объектов, изображения которых
транслируются диссектором, со стократной яркостью
Солнца.
Но поскольку отверстие диафрагмы пропускает лишь
малую часть электронов, «выплескиваемых» экраном,
вся энергия электронов, задержанных диафрагмой, рас¬
ходуется впустую. Поэтому диссектор обладает значи¬
тельно меньшей чувствительностью, чем суперортикон.
Но есть у диссектора и свои преимущества, сделав¬
шие его незаменимым электронным прибором при реше¬
нии целого ряда специальных задач.
Главное преимущество — уже отмеченная высокая
разрешающая способность. Благодаря ей диссектор да¬
ет возможность различать на расстоянии тонкие линии
микрофильмов или необходимые для ориентации лета¬
тельных аппаратов едва уловимые сияния звезд. С по¬
мощью использующих диссектор контрольных прибо¬
ров обнаруживают мелкие вкрапления в прозрачных
средах, проводят контроль различных материалов,
исключающий неуловимые иными способами де¬
фекты.
И наконец, еще одно важное преимущество дис¬
сектора, обусловленное тем, что он единственный пред¬
ставитель электронных вакуумных трубок, обходящий¬
ся без электронного луча.
Электронный луч образуется за счет эмиссии элек¬
тронов с катода. Катод требует подогрева: после вклю¬
чения электронно-лучевой трубки требуется определен¬
ное время, чтобы он успел разогреться.
В диссекторе нет ни луча, ни катода, ни нити накала.
Поэтому он представляет собой прибор мгновенного
действия: стоит подать на него необходимые напряже¬
ния, и он готов тут же начать транслировать изображе¬
ние, обеспечивая телевизионную связь.
Новые принципы трансформации изображений
251

пришлось применять для трансляции движущихся с вы¬
сокими скоростями объектов.
Обладающая малой инерционностью передающая
телевизионная камера получила название глетикона.
Выпускающие подобные приборы зарубежные фирмы
предпочитают их называть плюмбиконами. Но суть не в
названии, а в том, что решить задачу создания мало¬
инерционных систем передачи изображений удалось
только с помощью полупроводников.
Дальнейшее развитие полупроводниковой техники
позволило создать особый вид приборов, получивших
название приборов с зарядовой связью, а затем скон¬
струировать па этой основе твердотельные преобразо¬
ватели изображений, сократив тем самым размеры пе¬
редающей телевизионной аппаратуры в несколько раз.

ВМЕСТО ВАКУУМА — ТВЕРДОЕ ТЕЛО!
2.89
Замена большинства вакуумных ламп полупровод¬
никовыми транзисторами и диодами позволила резко
сократить размеры всех блоков передающей и прием¬
ной аппаратуры за исключением вакуумных трубок,
которые широко применяются в телевидении и по сей
день.
2.90
Активно ведутся поиски принципиально новых ре¬
шений, позволяющих заменить вакуумные электрон¬
ные трубки твердотельными преобразователями теле¬
визионных сигналов. Наиболее перспективным на се¬
годняшний день представляется применение для этих
целей полупроводниковых приборов с зарядовой свя¬
зью.
Прежде чем рассказать о принципах формирова¬
ния телевизионных сигналов в трубках с зарядовой
связью, рассмотрим более наглядный пример исполь¬
зования этих приборов в качестве компьютерных
сдвиговых схем.
Имея дело с многозначными числами, часто прихо¬
дится осуществлять операцию сдвига числа. Например,
при умножении числа 43 на число 64 сдвигаем число
258 относительно числа 172 влево на один разряд.
2.91
При вычислениях, производимых компьютером, все
числа переводятся на двоичную систему счисления,
превращаясь в серии одинаковых импульсов (знак «1»)
253

или их пропусков (знак «О»). Операция сдвига таких
импульсов осуществляется автоматически с помощью
сдвигового регистра.
Для запоминания и сдвига многозначных двоичных
чисел разработаны схемы регистров, содержащие де¬
сятки транзисторов и диодов.
Применение приборов с зарядовой связью по¬
зволило существенно упростить сдвиговый ре¬
гистр.
Прибор с зарядовой связью изготавливается на по¬
лупроводниковой подложке и имеет знакомую читате¬
лю МДП-структуру (см. 1.80).
Установленные в ряд друг за другом металли¬
ческие электроды выполняют функции затворов,
о которых было рассказано при рассмотрении
принципа действия полевого транзистора (см. 1.74—
1.79).
Совместно с подложкой и диэлектрической пленкой
каждый электрод образует одну из емкостных ячеек
прибора с зарядовой связью.
Под электродом, установленным на входе прибора
с зарядовой связью, методом легирования, описанным
в предыдущей главе, создается зона неосновных но¬
сителей заряда. Так, например, если выбрана подлож¬
ка с р-проводимостью, то основными носителями пе¬
ремещающихся в подложке зарядов будут положи¬
тельно заряженные дырки (см. 1.51 —1.54).
В этом случае под входным электродом создается
область с n-проводимостью. В ней преобладают не¬
основные носители заряда, каковыми в данном случае
являются свободные электроны.
*
2.92
2.93
254

м е талл мчеклнй
- fl*t-j »<"л /"'«л
ПОЛУП*0в41ДЮ**О*Л*1
'!КЩЛ»НИЛ
2.94
Если на ближайший ко входу прибора электрод
подан положительный потенциал, электрод начинает
действовать так же, как затвор полевого транзисто¬
ра: отталкивать дырки в глубину материала подлож¬
ки.
В результате этого в области, расположенной
под входным электродом, образуется зона, обеднен¬
ная основными носителями заряда,— потенциальная
яма.
+ 5v
2.95
Природа не терпит пустоты, поэтому потенциальная
яма немедленно заполняется переходящими из зоны с
n-проводимостью электронами.
255

Заполненная электронами яма образует зарядовый
пакет. Наличию такого пакета соответствует двоичный
знак «1», отсутствию — знак «О».
2.96
Чтобы сдвинуть знак «1» на один разряд вправо, до¬
статочно подать более высокий потенциал на соседний
электрод. Под ним образуется более глубокая яма, в
которую переместится зарядовый пакет.
Таким образом, с помощью подаваемых на электро¬
ды импульсов напряжения осуществляется обмен за¬
рядами между соседними электродами — зарядовая
связь.
По этой причине основанные на описанном прин¬
ципе полупроводниковые приборы получили название
приборов с зарядовой связью.
*&+5v #+IOv
П
Р
‘ * *
2.97
Повысив потенциал следующего электрода по от¬
ношению к предыдущим, можно переместить зарядо¬
вый пакет еще на один шаг вправо. Таким образом,
256

с помощью переключающих (коммутирующих) им¬
пульсов можно перемещать зарядовый пакет на нуж¬
ное число шагов.
2.98
Для использования приборов с зарядовой связью
в качестве преобразователей изображений трансли¬
руемых объектов в телевизионный сигнал изготавли¬
вается мишень, поверхность которой состоит из рас¬
положенных в определенном порядке ячеек, имеющих
МДП-структуру (см. 1.80). Такую мишень называют
матрицей с зарядовой связью. Электроды емкостных
ячеек покрываются светочувствительным слоем, в ко¬
тором под действием отраженных транслируемым
объектом световых лучей возникает фотоэффект.
В результате фотоэффекта изменяются потенциа¬
лы электродов. При изменениях потенциалов про¬
исходит перераспределение зарядовых пакетов, и
в итоге на такой матрице образуется «элек¬
тронный слепок изображения» — потенциальный
рельеф.
Далее необходимо осуществить развертку «слеп¬
ка изображения», то есть считать его с матрицы стро¬
ку за строкой.
2.99
Для построчного вывода «электронного слепка изо¬
бражения» с матрицы используется выходное устрой¬
ство, которое тоже представляет собой прибор с за¬
17 Е. Седов
257

рядовой связью. Он содержит столько емкостных яче¬
ек, сколько элементов изображения содержится в
каждой строке.
Под действием коммутирующих импульсов осуще¬
ствляется пошаговое перемещение зарядов ряда ячеек
матрицы в выходное устройство. После вывода самой
верхней строки выводится строка, расположенная под
ней, и так вплоть до самой нижней строки.
2.100
Чтобы проследить, как в результате пошаговой
и построчной развертки содержащегося в матри¬
це «слепка изображения» формируется предназ¬
наченный для трансляции телевизионный сиг¬
нал, обратимся к наглядному образу — мозаичному
панно.
Вывод строки из матрицы подобен выдергиванию
из панно одной нитки с нанизанными на нее бусинками
мозаики.
Теперь представьте себе, что мы потянули сначала
самую верхнюю нитку, которая концом соединена с
началом нитки, расположенной прямо под ней. Так
нитка за ниткой, словно строка за строкой, вся мозаи¬
ка выстроится в одну длинную линию, на конце которой
окажется бусинка, занимавшая место в правом нижнем
углу панно. Первой бусинке придется проделать самый
большой путь по всем строкам и сделать столько шагов,
сколько бусинок (то есть емкостных ячеек матрицы)
содержалось во всем панно.
Возвращаясь от образного примера к реальной мат¬
рице с зарядовой связью, напомним еще раз читателю,
что в данном случае мы имеем дело не с изображе¬
нием, воспринимаемым зрением, а с невидимым по¬
тенциальным рельефом. Роль невидимых «бусинок»
образовавшейся на матрице потенциальной «мозаики»
258

в данном случае играют зарядовые пакеты. В результа¬
те пошаговой и построчной развертки эти «бусинки»
выстраиваются «в очередь» и образуют тот перемен¬
ный сигнал, который будет передан на расстояние
«верхом на несущей волне».
Исследование процессов формирования «слепков
изображения» на матрицах с зарядовой связью позво¬
ляет надеяться, что в недалеком будущем в передаю¬
щей телевизионной аппаратуре вакуумные трубки ус¬
тупят место более компактным, более надежным и
менее инерционным (что очень важно для транс¬
ляции быстротекущих процессов) преобразователям
телевизионных сигналов на основе полупроводни¬
ков.
Людям среднего и старшего возраста довелось быть
свидетелями того, как, начиная с середины нашего ве¬
ка, телевидение стало внедряться в наш быт.
Память о первых отечественных телевизорах, ос¬
военных промышленностью и предназначенных для ши¬
рокой продажи, до сих пор сохраняется в названии
пользующихся популярностью веселых телепрограмм,
в которых студенческие команды соревнуются друг с
другом, демонстрируя остроумие и находчивость, в ма¬
леньких сценках, песенках, импровизированных отве¬
тах, посвященных темам на злобу дня. Все эти со¬
ревнования проводятся под флагом «Клуба Веселых и
Находчивых», в сокращении — КВН.
Открывая КВН сезона 1987—1988 года, ведущий
программ КВН А. Масляков попросил принести на
сцену и показать телезрителям прародителя не толь¬
ко КВН, но и всех современных телевизоров серий
«Рубин», «Электрон», «Рекорд» и других. Эго был
первый серийно освоенный в 1949 году отечественной
промышленностью телевизор марки КВН-49.
Рядом с современными телевизорами с большими
цветными экранами КВН-49 выглядит как ископаемое
палеозойской эры, хотя на самом деле ему исполнилось
всего лишь сорок с небольшим лет. Эволюция элек¬
троники происходит гораздо быстрее естественной эво¬
люции, за несколько десятилетий техника достигает
таких удивительных результатов, которых природа
смогла бы достичь за миллиарды лет.
Но воздадим же должное и природе: ведь все дости¬
жения техники — это плод возникшего в результате
длительной эволюции человеческого ума.
Все мы любим веселые состязания участников КВН
не только за их неиссякаемый юмор, но и за красоч¬
ность их оформления, которую доносит до нас цветной
телевизор. И трудно теперь поверить, что всего сорок
лет назад вместо большого красочного экрана телезри-
ТЕЛЕВИЗОР
В РАЗНЫХ РОЛЯХ
17*
259

ге.пь мог пользоваться только черно-белым экраном те¬
левизора КВН-49, размеры которого едва превышали
размеры почтовой открытки, а лица участников переда¬
чи можно было рассматривать только в том случае, ес¬
ли транслировался крупный план.
Для увеличения изображения владельцы телевизора
КВН-49 могли за весьма скромную плату приобрести
специальную линзу. По форме она была похожа на че¬
чевицу. Помимо больших размеров, отличалась от чече¬
вицы гем, что внутри ее была пустота, заполнявшаяся
дистиллированной водой или глицерином. Пользуясь
такой линзой, удавалось увеличить изображение при¬
мерно в два раза.
Линза-чечевица существовала недолго, потому что
размеры телевизионных экранов (а точнее, размеры
электронно-лучевых трубок) начали год от года расти.
Первые образцы отечественных цветных телевизо¬
ров появились в продаже в начале 70-х годов. В конце
70-х конструкторы начали предлагать телезрителям и
другие удобства. Например, управление на расстоянии,
чтобы телезритель мог переключать программы, на¬
страивать яркость, контрастность изображения и гром¬
кость звука, не вставая с кресла или с тахты. С этой
целью все органы управления телевизором располага¬
лись не на панели, а на компактном переносном пульте.
Связь такого пульта с телевизором осуществляется с
помощью невидимого ультразвукового луча.
Этот луч воспринимается приемником ультразвуко¬
вых колебаний. Дальше все происходит так, как во всех
прочих системах связи: луч. модулированный сигналом-
командой, подвергается детектированию, команда уси¬
ливается и заставляет сработать какое-то предназна¬
ченное для управления электронное устройство. Напри¬
мер, изменяя внутреннее сопротивление транзистора,
можно регулировать яркость изображения и громкость
звука. Чтобы переключить телеканал, можно заставить
сработать реле.
Совсем новое амплуа появилось у телевизора благо¬
даря развитию микроэлектроники и вычислительной
техники:	небольшая программирующая приставка,
снабженная искусственной памятью, может превратить
любой телевизор в неиссякаемый источник домашних
забав.
Хранящиеся в памяти этой приставки игровые прог¬
раммы позволяют превратить экран телевизора в спор¬
тивное поле, на котором два члена семьи могут разыг¬
рывать увлекательные и динамичные хоккейные матчи.
Разумеется, и игроки, и их клюшки и шайба — все это
носит весьма условный характер и изображается свето¬
выми пятнами, перемещающимися по экрану управляе¬
мым по командам участников игры электронным лучом.
Но что касается динамики, то благодаря подвижности
260

электронов, маневренность любого условного хоккеис¬
та во много раз превосходит стремительность мастеров
мирового хоккея. Поэтому быстрота хоккейных атак на
телеэкране ограничена лишь скоростью реакции живых
участников этой азартной игры.
По заложенным в память приставки игровым прог¬
раммам можно разыгрывать не только спортивные мат¬
чи, но и всяческие викторины, шарады, кроссворды и
прочие известные ранее или вновь изобретаемые разно¬
видности интеллектуальных игр.
Помимо развлечений, совместное использование те¬
левизора и средств вычислительной техники открывает
новые возможности и для решения серьезных задач.
При наличии персональных компьютеров домашние те¬
левизоры могут выполнять функции тех экранных уст¬
ройств (дисплеев), с помощью которых осуществляет¬
ся ввод и вывод обрабатываемой компьютером инфор¬
мации, будь то необходимые для вычислений таблицы
и цифры или предназначенный для редактирования
текст.
После ввода через экран компьютер проделает по
программе все необходимые операции с числами, помо¬
жет решить учебные и производственные задачи или
соотнести расходы с доходами, чтобы уравновесить до¬
машний бюджет.
Специальная программа-редактор позволяет вывес¬
ти на экран телевизора предназначенный для редакти¬
рования текст. Та же программа даст вам возможность
заменить в этом тексте любую букву и любое слово,
вставить любое слово, раздвинув для этого промежуток,
разделяющий ранее включенные в текст слова. Точно
так же можно раздвигать строки, абзацы, чтобы вста¬
вить новый абзац или строку.
Если подобное редактирование осуществляется на
обычной печатной машинке, то для любой такой встав¬
ки в текст приходится резать листы на части или пере¬
печатывать заново исправленные страницы. Телевизор,
дополненный персональным компьютером, может изба¬
вить вас от такого досадного и часто повторяющегося
труда.
Как видите, в содружестве с персональным компью¬
тером телевизор может стать очень полезным помощни¬
ком во множестве важных и нужных дел.
Однако здесь следует предостеречь тех читателей,
которые успели обзавестись домашним компьютером,
позволяющим использовать телевизор вместо дисплея.
Надо учитывать, что телевизор ие предназначен для
рассмотрения изображения на экране на расстоянии
ближе двух метров, а работа с дисплеем, напротив, тре¬
бует приближения к экрану для различения мелких букв
или цифр. На таком расстоянии телевизор может вред¬
но воздействовать не только на зрение, но и на весь
261

организм. Поэтому использовать телевизор для работы
с персональным компьютером рекомендуется не более
чем полчаса в сутки. Если же вам необходимо рабо¬
тать с компьютером дольше, постарайтесь использовать
не телевизор, а рассчитанный на длительную работу с
близкого расстояния специальный дисплей.
А что готовит нам телевидение в будущем? Какие
еще усовершенствования предложит электроника, что¬
бы восприятие телетрансляции стало еще более инфор¬
мативным? Можно ли, например, вместе с изображени¬
ем цветов, плодов и пейзажей транслировать их прият¬
ные запахи?
В принципе можно. Но это приведет к такому удо¬
рожанию телеприемников, что вы, пожалуй, предпочте¬
те для удовлетворения потребностей в ароматах приоб¬
ретать живые цветы.
А вот трансляция объемных изображений — это
уже не надуманный, а назревший и актуальный вопрос.
Решение этой проблемы не только обогатит восприятие
программ Центрального телевидения, но и поможет бо¬
лее эффективно использовать телевизионную технику
в научных исследованиях структуры неорганических ве¬
ществ или живых организмов, для конструирования
архитектурных сооружений или деталей и узлов самых
различных машин.
Один из принципов объемного телевидения уже про¬
верен на практике. Внедрению его в бытовое телевиде¬
ние препятствуют неудобства, связанные с необходи¬
мостью использования линз.
Это, конечно, не те громоздкие линзы, которые ши¬
роко применялись на первом этапе внедрения в обиход
телевизоров. Речь идет о двух маленьких линзах, встав¬
ляемых в оправу специальных очков. Эти линзы облада¬
ют такими свойствами: каждая линза пропускает только
определенным образом ориентированную в пространст¬
ве (поляризованную) световую волну.
Напомним читателю, что свет — это те же электро¬
магнитные ванны, отличающиеся от невидимых радио¬
волн только длиной. Поэтому все, что было рассказано
в начале этой главы о папяризации радиоволн, рас¬
пространяется и на световые волны (см. 2.45, 2.46).
Пусть, например, линза для правого глаза пропускает
только горизонтально поляризованные, а для левого —
вертикально поляризованные волны.
Объем реальных предметов мы воспринимаем бла¬
годаря тому, что видим их двумя глазами одновре¬
менно, причем левый глаз воспринимает их в одном ра¬
курсе, а правый — в другом.
Обычные передающие телекамеры, предназначенные
для передачи плоских изображений, можно сравнить
с мифическим одноглазым циклопом. Чтобы передавае¬
мое изображение стало объемным, необходимо исполь¬
262

зовать «двуглазую» телекамеру и передавать по двум
разным каналам то, что видит левый и правый «глаз».
А далее надо построить каналы связи таким образом,
чтобы изображение из правого «глаза» передающей
телевизионной камеры попадало именно в правый глаз
зрителя. А другой канал должен соответственно пере¬
дать в левый глаз зрителя то, на что направлен на пере¬
дающем конце канала связи левый искусственный глаз.
Вот тут и приходят на помощь зрителю поляризо¬
ванные очки.
Напомним читателю, что 625 строк развертки теле¬
визионного кадра прорисовываются электронным лу¬
чом в течение каждой секунды в два этапа: в течение
первой половины секунды прорисовываются все нечет¬
ные строки, а за вторую половину секунды луч обегает
312 четных строк (2.69).
Чтобы изображение стало объемным, нужно, чтобы
нечетные строки воспринимались только левым глазом,
а четные правым.
Для различения четных и нечетных строк экран те¬
левизора покрывается специальной кристаллической
пленкой, пропускающей только вертикально поляризо¬
ванные световые волны от четных и только горизон¬
тально поляризованные волны — от нечетных строк.
Поляризованные очки различают (селектируют) эти
волны таким образом, что зритель воспринимает все
нечетные строки левым глазом, а все четные воздейст¬
вуют на правый глаз.
Конечно, очки представляют для телезрителя опре¬
деленное неудобство. Кое-кому, очевидно, захочется
пренебречь объемным эффектом и хотя бы временно
отдохнуть от очков. Ну что ж, как говорится, вольно¬
му — воля; очки можно снять в любую минуту и про¬
должать смотреть транслируемую телепрограмму: не
вооруженный очками зритель воспримет привычное изо¬
бражение, в котором будут сохранены и цвет и конт¬
растность, но будет потерян объем.
Новые возможности для трансляции объемных изо¬
бражений связаны с использованием голографии. Об
этих возможностях и о технических трудностях их реа¬
лизации будет рассказано в следующей главе.

КАК ТРАНСЛИРУЮТ ЦВЕТ
ЭТО
ЛЕЖИТ
’CHORE
2.101
Сейчас уже вряд ли удастся найти телезрителя, ко¬
торый не убедился бы на собственном опыте в преиму¬
ществе цветных телепрограмм. Потери в эмоциональ¬
ном и эстетическом восприятии особенно досадны и
очевидны в тех случаях, когда в черно-белых и смешан¬
ных (серых) тонах транслируются прямо со сцены
спектакли или концерты или когда идет передача
цветного фильма, не говоря уж о выставках живописи
или соревнованиях фигуристов на льду.
2.102
Преимущества цветных телевизоров столь очевид¬
ны, что их владельцев не отпугнула даже их весьма вы¬
сокая стоимость. Все понимают, что их цена возросла
по отношению к стоимости их черно-белых братьев
потому, что цветной телевизор устроен намного слож¬
нее. Но как?
2.103
Принципы телевизионной трансляции цветных изо¬
бражений основаны на изученных еще И. Ньютоном
законах разложения в спектр световых лучей.
В спектре белого света содержится семь цветов,
соответствующих семи цветам радуги. Каждому цвету
соответствуют отмеченные на рисунке длины волн.
Длины волн светового диапазона составляют сотни на¬
нометров, а один нанометр равен одной миллиардной
доле метра.
Электронике на каждом шагу приходится иметь де¬
ло то со сверхкороткими интервалами времени, то со
сверхмалыми длинами. Чтобы читатель мог ориентиро¬
ваться в единицах измерений сверхкоротких расстоя¬
ний и временных интервалов, они сведены в приве¬
денную на рисунке таблицу.
Все семь видимых цветов спектра умещаются в
диапазоне волн от 400 до 700 нанометров.
Волны короче 400 нанометров — это невидимые
ультрафиолетовые волны.
Волны длинее 700 нанометров — это тоже невиди¬
мые, но ощутимые инфракрасные волны. Ощутимы они
потому, что эти волны излучаются нагретыми телами
и содержат в себе тепло.
Из семи цветов спектра три цвета являются основ¬
ными: красный, синий, зеленый. Остальные четыре
цвета могут быть получены путем смешения в опреде¬
ленных пропорциях этих трех основных цветов.
264

$ и
& 9
ftyWHA ftОлНЫ ft MOHtMAfcTftA*
множители
1=10°
Ю-6 /ОДНА МИЛЛИОН Л
\НАЯ доля )
Ю-9 /ОДНА ЛЛИЛЛИАРДЧ
1НАЯ ДОЛЯ /
единица агслчени
СЕКУНДА
МИКРОСЕКУНДА
ЙЛгЗОСЕКУНДА
единицы ДЛИНЫ *
МЕТР
МИКРОМЕТР
t !АЦСУЛЕТР(1 Qah ГСГРЕМ j
2.104
В сетчатке наших глаз содержится три группы кол¬
бочек; каждая группа способна воспринимать один из
трех основных цветов. Восприятие цвета находящихся
в поле нашего зрения объектов зависит от соотношения
яркости трех основных цветов, возбуждающих соответ¬
ствующие области сетчатки.
Окраска воспринимаемых органами зрения
объектов останется неизменной, если при измене¬
нии освещенности объекта пропорционально изме¬
няется соотношение интенсивности трех основных
цветов.
Пусть не сетует предрасположенный к поэтическо¬
му восприятию мира читатель на тех ученых, которые
сводят богатство его окрасок к действию каких-то там
колбочек, спрятанных в глубине наших глаз. Без кро¬
потливой работы ученых техника телевидения никогда
не смогла бы представлять вам «с доставкой на дом»
этот красочный мир.
265

2.105
Трансляция цветных изображений по телевидению
осуществляется по трем параллельным каналам, соот¬
ветствующим трем основным цветам. Для разложения
цветного изображения на три составляющих применя¬
ются специальные зеркала.
Обычные зеркала одинаково отражают все состав¬
ляющие спектра белого света, то есть все семь содер¬
жащихся в этом спектре цветов. Но есть специальные
зеркала, обладающие избирательными свойствами в
отношении спектра. Вместо обычной непрозрачной
ртутной или серебряной амальгамы на стекло этих зер¬
кал наносится тонкий слой диэлектрика. Свойства его
таковы, что из трех основных цветов (красного, синего
и зеленого) для двух он прозрачен, а третий им отра¬
жается. Такой слой называют дихроичным, что означа¬
ет двухцветный.
Покрытые таким слоем зеркала тоже носят назва¬
ние дихроичных. Они применяются в цветном телеви¬
дении для того, чтобы отражать лишь одну из трех
основных составляющих цвета. Две других цветовых
составляющих проходят сквозь дихроичное зеркало
как сквозь стекло.
т
>
266

2.106
Изображенное на схеме дихроичное зеркало 1 от¬
ражает только лучи синего цвета. Они попадают на
обычное зеркало 2, которое направляет его в объек¬
тив I и через него на светочувствительный катод пе¬
редающей трубки А. Тем самым осуществляется от¬
деление (селекция) синего цвета с целью трансля¬
ции по отдельному каналу через передающую труб¬
ку А.
Отраженные транслируемым объектом красные
световые лучи, пройдя сквозь дихроичное зеркало 1,
попадают на дихроичное зеркало 3, которое отра¬
жает лучи красного цвета, но пропускает зеленые
и синие лучи. Красный луч, отразившись сначала от
дихроичного зеркала 3, а затем от обычного зер¬
кала 4, пройдет сквозь объектив III на передающую
трубку С.
Самый простой маршрут достался лучам зеленого
цвета, потому что они беспрепятственно проходят
сквозь оба дихроичные зеркала и безо всяких дополни¬
тельных отражений попадают на передающую труб¬
ку В.
2.107
При трансляции цветных изображений приходит¬
ся учитывать еще и то обстоятельство, что сетчатка
нашего глаза по разному реагирует на каждый из
трех основных цветов.
Если суммарную интенсивность сигналов всех трех

цветов условно принять за 1, то относительная интен¬
сивность сигналов, одинаково воспринимаемых глазом,
составит:
синий — 0,1,
красный — 0,3,
зеленый — 0,6.
По этой причине необходимо обеспечить соответ¬
ствующие уровни сигналов на выходе трех цветовых
каналов, прежде чем отправлять эти сигналы в дальнее
путешествие «верхом на несущей волне». Для этого
применяются делители напряжения с коэффициента¬
ми деления, соответствующими соотношению интен¬
сивностей трех цветов. Коэффициенты деления опре¬
деляются соотношением сопротивлений
Ri__. R. ■ Rj
Ri ' R2 ' R
Без такого делителя напряжений красный цвет будет
преобладать над зеленым, а синий цвет подавит и зеле¬
ный и красный. Все цветные изображения приобретут
синеватый оттенок, яркий день превратится в лунную
ночь, лица людей станут похожими на лица лунатиков
и мертвецов.
».*S—i- , I .	' -I		1
400	900 955	000	700
=oc
c=£>[
£
кофдтцлеит дёления
R4
RI
I/ R4
* R2
_ R4
~ R3
= 0,3
= 0,6
=0.1
268

2.108
Итак, уровни трех цветов приведены в соответствие
с чувствительностью их восприятия. Теперь можно от¬
править их в дальний путь «верхом на несущей волне».
Но тут возникает новое обстоятельство: если несущий
сигнал будет промодулирован одновременно сигнала¬
ми трех цветовых каналов, то по прибытии к месту
доставки (то есть к каждому из цветных телевизоров)
нельзя будет направить сигнал каждого цвета в отдель¬
ный канал.
По этой причине «верхом на несущий сигнал» при¬
ходится «усадить» три поднесущих сигнала с частота¬
ми Fi; Fi; F.j. Каждый из поднесущих сигналов моду¬
лирован сигналом одного из цветов. В сумме три под¬
несущих сигнала несут полную информацию о цвет¬
ном изображении в кадре. Flo прежде чем все три
цвета сольются в цельное изображение на телеэк¬
ране, каждый из них попадет в телевизоре через
соответствующий частотный фильтр в отдельный ка¬
нал.
2.109
С помощью фильтров и усилителей в телевизоре
сформируются три сигнала с частотами Fi, F-_>, F:t. Де¬
текторы трех каналов выделят «слепки изображения»,
окрашенные в три основных цвета, они будут усилены
до нужного уровня и поданы на электронную трубку.
В трубке имеются три электронно-оптических прожек¬
тора. Каждый прожектор излучает свет одного из трех
269

основных цветов. Интенсивностью излучения каждого
цвета управляет поданный из соответствующего кана¬
ла сигнал.
Экран цветного телевизора покрыт слоем очень ма¬
лых (с диаметром менее 0,3 миллиметра) возбуждае¬
мых светом (люминофорных) зерен. Эти зерна покры¬
вают всю поверхность экрана наподобие пчелиных сот.
Отличие от пчелиных сот заключается в том, что ячей¬
ки сот одинаковы, а зерна экрана трехцветны. Три
разноцветных зерна объединяются в группу и состав¬
ляют звено.
Между электронно-оптическими прожекторами и
экраном поставлена теневая маска. Каждое ее отвер¬
стие расположено против одного из звеньев, включаю¬
щих в себя три разноцветных зерна.
Проходя сквозь одно из таких отверстий, каждый
из лучей попадает на соответствующее его цвету
зерно.
Ввиду малых размеров звеньев глаз не восприни¬
мает отдельные цветовые зерна. Воспринимаемый зре¬
нием цвет зависит от соотношения интенсивности всех
трех цветов в каждый данный момент.
Управляющее движением лучей пилообразное на¬
пряжение заставляет три луча синхронно двигаться по
строкам экрана, поочередно обегая все звенья каждой
строки. За время пробега лучей по каждой строке со¬
отношение яркости зерен в каждом звене может мно¬
го раз измениться, воспроизводя цветовые оттенки
транслируемого кадра. Изменением яркости зерен
управляет «слепок изображения», изменяющий ин¬
тенсивность электронных потоков в трех разноцвет¬
ных лучах.
2.110
2.111
270

2.П2
Из сказанного ясно, что суммирование переданной
по каналу телевизионной связи информации о трех ос¬
новных цветах осуществляется непосредственно на по¬
крытом люминофорными зернами телевизионном эк¬
ране. Суммируя эти цвета согласно изображенным на
этом рисунке правилам, можно получить недостающие
четыре цвета, которые совместно с тремя основными
цветами образуют полный цветовой спектр.
Различные сочетания интенсивностей, передавае¬
мых по каналу телевизионной связи сигналов трех ос¬
новных цветов, позволяют отразить на цветном теле¬
экране все богатство цветов и оттенков, необходимое
для более полного и более эмоционального восприя¬
тия произведений изобразительного или архитектур¬
ного искусства, объектов живой природы, театраль¬
ных постановок, цветных кинофильмов, концертных
или спортивных программ.
К
.
ф	.*
г
I;
L
]
За последние десятилетия телевидение сумело стать
неотъемлемой принадлежностью нашего повседневно¬
го быта. Домашние телеэкраны доносят до наших
квартир информацию обо всех важных событиях; от
любых точек земного шара могут до нас дотянуться
телевизионные репортажи и телемосты.
Но использование возможностей современного теле¬
видения не ограничивается только этим. Оно проникло
в самые разнообразные научные и технические области.
В самом термине «телевидение» отражено главное
предназначение этой техники: телевидение — значит ви¬
дение на расстоянии, или, если угодно, своеобразная
дальнозоркость, приобретенная человеком.
На первом этапе развития телевидения его дально-
271
ВСЕВИДЯЩИЙ
ТЕЛЕГЛАЗ

зоркость была ограничена пределами прямой видимо¬
сти, поэтому для каждой транслирующей станции за¬
претной чертой был горизонт. Можно было немного
расширить круг, очерченный горизонтом, поднимая как
можно выше антенну. Но сооружение под нее таких
архитектурных шедевров, как Эйфелева башня или те¬
левизионная вышка в Останкине,— слишком сложные
и дорогостоящие мероприятия, которые при всем жела¬
нии не удается распространить на весь нуждающийся
в телевидении мир. Гораздо проше строить телеви¬
зионные вышки более скромных размеров и увели¬
чивать дальнозоркость путем ретрансляции: принять
сигнал на расстоянии прямой видимости, а затем
ретранслировать его на такое же расстояние за гори¬
зонт.
Но и ретрансляция стоит недешево: через каждые
сто километров — станция, на расстоянии 10 тысяч ки¬
лометров их понадобится около ста. Да хорошо еще,
если сигнал путешествует по суше, а как быть, если на
пути океан?
Можно послать сигнал и по кабелю, но в кабеле он
быстро теряет энергию. Поэтому на пути надо устанав¬
ливать усилители. И если ретрансляционные станции
сооружаются через каждые 100 километров, то усилите¬
ли в кабельной линии приходится ставить через 25—
30 километров. Опять недешево, да и надежность такой
линии связи невысока, потому что один из десятков ус¬
тановленных на линии усилителей может в любой мо¬
мент отказать.
Для увеличения дальности ретрансляции можно
использовать разные высотные объекты, созданные
природой или людьми. Французы используют самое
высокое свое сооружение — знаменитую Эйфелеву
башню.
А Италия и Швейцария общаются через Альпы: ан¬
тенны для ретрансляции установлены на вершинах
Юнгфрау (4166 метров), Монте Женерозо (1701 метр)
и в городе Шассерель, расположенном на высоте
1609 метров над уровнем моря.
Но, конечно же, высота гор, не говоря уж об архи¬
тектурных сооружениях, не идет ни в какое сравнение
с той высотой, на которую запускается искусственный
спутник. Идея использования таких спутников для теле¬
видения родилась за 10 лет до запуска на орбиту перво¬
го советского спутника. Уже тогда была рассчитана вы¬
сота круговой орбиты, на которой спутник, вращаясь в
направлении вращения Земли, будет двигаться синх¬
ронно с Землей, то есть окажется как бы привязанным
к определенной точке нашей планеты. Чтобы обеспечить
эти условия, он должен быть выведен на орбиту, удален¬
ную на 35 800 километров от поверхности Земли. Трех
таких спутников, разнесенных на 120° по круговой орби¬
272

те, достаточно, чтобы ретранслировать сигналы в любую
точку Земли.
Действующий в настоящее время советский ретранс¬
ляционный спутник «Молния-1» движется по эллипти¬
ческой орбите, плоскость которой наклонена на 65° к
плоскости экватора. Самая удаленная точка эллипса
(апогей) расположена на расстоянии 40 000 километ¬
ров над северным полушарием. Самая близкая к зем¬
ной поверхности точка орбиты (перигей) расположе¬
на над Южной Америкой на расстоянии 500 кило¬
метров.
Спутник «Молния-1» в течение каждых суток дваж¬
ды облетает орбиту. Пролетая над территорией Совет¬
ского Союза, он способен ретранслировать телевизион¬
ные программы в течение 8—9 часов в сутки.
На основе действующих в настоящее время назем¬
ных и спутниковых ретрансляционных станций и ка¬
бельных линий связи создаются предназначенные для
телевизионного вещания разветвленные сети, способные
охватить территорию не только одной, но и нескольких
стран.
Для обслуживания телевизионным вещанием райо¬
нов Крайнего Севера, Дальнего Востока и Средней
Азии в Советском Союзе создана система «Орбита», в
состав которой входит более 100 ретрансляционных
станций, связанных со станциями спутников «Мол¬
ния-1», «Молния-2», «Молния-3», «Радуга» и «Гори¬
зонт».
Телевизионная система «Орбита» способна трансли¬
ровать телепрограммы одновремено во все обслуживае¬
мые этой станцией районы. Но тут возникают пробле¬
мы, связанные с различиями часовых поясов. Ведь в
то время, когда ведется прямая трансляция вечерних
программ Останкинской телестудии или спектаклей
московских театров, в Хабаровске и во Владивостоке
уже наступила глубокая ночь. По этой причине рет¬
рансляционные станции системы «Орбита» оснащаются
аппаратурой видеозаписи, позволяющей повторять
трансляцию телепрограмм во время, удобное для всех
часовых поясов.
Ретрансляция телепрограмм с помощью спутников,
запускаемых па соответствующие орбиты, позволила
создавать системы телевидения международных мас¬
штабов.
Для телевизионной и радиовещательной связи меж¬
ду странами социалистического содружества создана
международная система космической связи «Интер¬
спутник». Телевизионная сеть «Интервидение» с цент¬
ром в Праге обслуживает группу восточноевропейских
стран. Аналогичная сеть «Евровидение» с центром в
Брюсселе обеспечивает телевизионную связь между
18 Е. Седое
273

западноевропейскими странами. Американские теле¬
программы транслируются во многие страны через сис¬
тему космической связи «Интелсот». Совместным дей¬
ствием разных систем создаются телемосты, связываю¬
щие города двух континентов.
Ретрансляция через космос позволила преодолеть
ограничения расстояний трансляции телесигналов, об¬
условленные пределами прямой видимости на Земле.
Можно сказать, что в масштабах земного шара даль¬
нозоркость телевидения уже не имеет границ.
Ну а в самом космосе? Там нет пределов для прямой
видимости: можно погружать взгляд в бесконечность
простора Вселенной насколько хватает глаз. И волна,
несущая на себе видеоинформацию о каких-то земных
событиях, может распространяться, не встретив пре¬
пятствий ни в пределах Солнечной системы, ни в нашей,
ни в соседней галактике. Конечно же, по пути встреча¬
ются и планеты, и звезды, но они так малы по срав¬
нению с простором Вселенной, чго для волны всегда
найдется пространство, позволяющее ей двигаться
дальше, не отклоняясь от прямого пути. Означает ли
это, что дальнозоркость космической телесвязи не име¬
ет пределов?
Разумеется, нет. По пути следования сигнал теряет
энергию, поскольку несущие его волны «растекаются»
во все стороны по пространству. Пришедший из кос¬
моса слабый телесигнал может быть воспринят только
в том случае, если он не подавлен космическими поме¬
хами от присутствующих в космосе естественно возни¬
кающих электромагнитных волн. Чем длиннее путь, по
которому должны следовать телесигналы, тем мощнее
должен быть генератор несущих волн. А мощность
оплачивается размером и весом. И слишком мощному
генератору может не хватить места на космическом
корабле.
Надо искать другие технические решения. Для уве¬
личения дальности связи со спутниками и космиче¬
скими кораблями приходится увеличивать до несколь¬
ких сотен метров размеры наземных антенн. Чтобы сэ¬
кономить энергию установленных на борту передатчи¬
ков и ограничить доступ помехам, необходимо сужать
полосу содержащихся в сигнале частот. Для этого надо
замедлить скорость строчной развертки и уменьшить
количество строк. Неподвижные изображения при этом
теряют четкость. А быстро движущиеся объекты теря¬
ют форму, и вместо этих объектов на экран попадает
лишь хаос мерцающих и беспорядочно перемещающих¬
ся брызг.
Поэтому для подвижных изображений приходится
использовать обычную скорость развертки, затем пере¬
274

записывать сигнал на видеокассету с медленной скоро¬
стью, тем самым сужать полосу частот, но одновремен¬
но «растягивать» время трансляции, а потом возвра¬
щаться к исходной скорости путем повторной переза¬
писи на Земле.
Ко всему сказанному можно добавить, что увеличе¬
ние дальности космической телевизионной связи дости¬
гается еше и за счет использования специальных ме¬
тодов обработки, позволяющих выявить даже очень
слабый полезный сигнал на фоне более мощных по¬
мех.
Совокупность всех современных технических средств
позволила получать телесигналы со спутников на рас¬
стояниях, превышающих миллиард километров. Таким
образом проведены визуальные исследования далеких
планет. С помощью «телеглаз», установленных на кос¬
мических кораблях, направляемых к далеким планетам,
удалось выяснить немало подробностей, которые не
могли быть обнаружены с помощью самых мощных
телескопов с Земли.
Телескоп позволяет видеть раздельно два располо¬
женных на поверхности Марса объекта только в том
случае, если они удалены друг от друга на расстояние
100 километров. Такова разрешающая способность (то
есть способность «разрешать», разделять друг от дру¬
га два соседних предмета), которой обладает исполь¬
зуемый современной астрономией совершеннейший оп¬
тический телескоп. Приближение устанавливаемых на
спутниках телекамер к Марсу позволило в 200 раз уве¬
личить разрешающую способность и видеть раздельно
детали рельефа на Марсе, расположенные на расстоя¬
нии всего 0,5 километра. В результате была опровергну¬
та гипотеза итальянского астронома Джованни Скиа¬
парелли о существовании искусственных марсианских
каналов. Иллюзию наличия этих каналов создавали
обнаруженные с помощью «телеглаз» естественные об¬
разования — каньоны протяженностью до 100 километ¬
ров и двухкилометровой глубины. Кроме того, на по¬
верхности Марса обнаружены потухшие вулканы, не
сравнимые по своим фантастическим размерам ни с
одним созданным руками людей сооружением: своеоб¬
разные башни, с диаметром у основания до 600 ки¬
лометров и с шестикилометровой высотой!
Представьте себе, как выглядят эти гиганты на фоне
марсианского неба, имеющего кирпичный оттенок. Он
возникает из-за распыленной в атмосфере Марса крас¬
ной пыли, образованной частицами окисла железа. А
во время восхода Солнца удалось наблюдать, как из
кратеров потухших вулканов поднимаются сгустки ту¬
мана и растворяются в небе в течение 40—50 минут.
18*
275

Так с помощью телевидения удается представить себе
во многих подробностях экзотический марсианский рас¬
свет.
Любопытные результаты получены при изучении па¬
норамы Венеры, транслируемой по телевизионным ка¬
налам в красном, синем и зеленом цветах. При сумми¬
ровании этих цветов (см. 2.107—2.112) оказалось, что
в цветных изображениях Венеры отсутствует синий
цвет. Объясняется это тем, что насыщенная углекислым
газом ее атмосфера не пропускает лучи синего цвета,
поэтому все пейзажи здесь имеют оранжево-зеленова¬
тый оттенок, а фоном им служит небо Венеры, в ко¬
тором преобладает не привычный нам голубой, а жел¬
тый цвет.
Все полученные с помощью телевидения данные о
планетах представляют огромную ценность при изуче¬
нии Солнечной системы. Они помогают реконструиро¬
вать прошлую и предсказывать будущую эволюцию пла¬
нет. Но, конечно же, больше всего нас волнует судьба
нашей планеты, и здесь нам важно не только то, что бы¬
ло в далеком прошлом или будет в далеком будущем, но
и все, что произойдет в каждый ближайший день. Вот
почему зоркие телеглаза спутников неустанно следят за
состоянием земной поверхности и земной атмосферы.
А находящийся на Земле наблюдатель на телеэкране
видит движение облачного покрова так, словно он
«воспарил над облаками» и смотрит на Землю с боль¬
шой высоты. Подобные наблюдения ведутся не из
праздного любопытства, а для чисто практических
целей: исходными данными для прогнозов погоды
служат получаемые со спутников сведения об изме¬
нениях состояния атмосферы и о движении облаков.
Кроме того, получаемая со спутников видеоинформа¬
ция о состоянии морей, океанов и суши помогает
решать задачи использования природных ресурсов
Земли.
Помимо исследуемых проблем глобального или меж¬
планетного масштаба, у телевидения есть много задач
меньших масштабов по расстоянию, но имеющих не
менее важное значение для научных или хозяйствен¬
ных нужд.
Дальнозоркость — очень существенное, но далеко не
единственное преимущество телевидения. Оно не толь¬
ко раздвинуло горизонты нашего зрения и расширило
кругозор, обогатив его наглядными представлениями о
природе соседних планет. Телевидение помогло выйти за
пределы воспринимаемых не вооруженным телевизион¬
ной техникой глазом диапазона волн.
Специальные телекамеры способны воспринимать и
инфракрасные, и ультрафиолетовые лучи.
276

Напомним читателю, что длина ультрафиолетовых
волн короче самых коротких волн, воспринимаемых
зрением. А длина инфракрасных волн (см. 2.103) пре¬
вышает длину воспринимаемых зрением волы.
Инфракрасные волны излучают в пространство лю¬
бые предметы и объекты, температура которых превы¬
шает температуру среды. Поэтому технику восприятия
инфракрасных лучей можно назвать «темновидением»:
разогретые днем солнечными лучами здания и деревья
излучают тепло в течение ночи и с помощью телевизион¬
ных камер инфракрасного диапазона их можно видеть
и в темноте. Выключенные ночью, но сохраняющие на¬
копленное за день тепло моторы делают зримыми в
темноте все виды транспорта и различные механизмы.
Не говоря уж о теплоцентралях, по которым тепловая
энергия передается и ночью и днем. Кстати, телекаме¬
ры инфракрасного диапазона стали незаменимым сред¬
ством обследования теплоцентралей с целью обнару¬
жения мест утечки тепла.
Еще одно преимущество телевидения перед зрением,
подаренным нам природой, заключается в том, что теле¬
визионную камеру можно устанавливать во многих не¬
доступных для непосредственных наблюдений местах.
С помощью телекамер можно следить за состоянием
потока расплавленного металла, за процессами в зонах
с повышенной радиацией, изучать жизнь океанских
глубин, исследовать, как ведет себя тот или иной ме¬
ханизм.
Если надо проследить за процессом деформации
или износа какой-то подвижной детали, достаточно ис¬
пользовать телекамеру совместно с так называемым
стробоскопом — источником световых вспышек, часто¬
ту которых можно регулировать до тех пор, пока она
не станет равной (синхронной) той частоте, с которой
вращается, колеблется или перемещается туда и обрат¬
но исследуемая деталь. При этих условиях подвижная
деталь «замрет» на телеэкране и наблюдатель сможет
увидеть медленные изменения ее формы, определить, в
какой мере влияют на нее трение и усилия, порождаю¬
щие ее деформации и износ.
А вот пример эффективного применения телевидения
в геологии. Компактная телекамера в геологическом
буре позволяет наблюдать слой за слоем по мере про¬
никновения бура в глубину исследуемых пород. До
внедрения телевидения приходилось извлекать бур с
пробами грунта каждого слоя, повторяя эту операцию
множество раз.
Благодаря телевидению целая аудитория студентов
может изучать все тонкости операции, проводимой
руками опытного хирурга.
В промышленном рыболовстве давно возникло со¬
дружество судов с самолетами. Сверху хорошо видно
278

движение косяков рыбы. Следуя этим маршрутом, са¬
молет выполняет для рыболовного судна роль поводы¬
ря. А если на борту самолета установлена телевизион¬
ная камера, рыболовное судно тоже становится «зря¬
чим»: штурман рыболовного судна видит на телеэкране
все, что видит сверху пилот.
Без применения телевидения уже немыслимо совре¬
менное производство. Снабженные «телеглазами» робо¬
ты способны отслеживать и корректировать результаты
своих операций. С помощью телеэкранов оператор ко¬
ординирует сложный технологический цикл, автомати¬
чески выполняемый на станках-автоматах, управляе¬
мых от электронных машин.
Совместными усилиями телевизионной и вычисли¬
тельной техники создан так называемый перцептрон,
что по-русски значит «распознаватель». Сравнение изо¬
бражений букв и цифр с хранящимися в искусственной
памяти эталонами позволяет распознавать все цифры и
буквы алфавита, независимо от их размеров и шрифта.
Это значит, что перцептрон способен во многих слу¬
чаях заменить человека, взяв на себя трудоемкие опе¬
рации ввода буквенной и цифровой информации в па¬
мять компьютеров, считывая текст и таблицы с числа¬
ми прямо «с листа».

О толл, как люди
осваивали все более
и более короткие
волны и что
пришлось пережить
электронике при
освоении
сверхвысоких частот.
ВВЕРХ
ПО ШКАЛЕ
ЧАСТОТ

ВОЛНЫ ВСЯКИЕ НУЖНЫ
эго
ЛЕЖИ7
3.1
Современной техникой для разных целей исполь¬
зуются волны различной длины. Создано множество
электронных приборов, генерирующих волны длиной
от нескольких километров до миллионных долей
микрометра.
3.2.
Волны длиной от 2 километров до 10 метров при¬
меняются в радиовещании.
По формуле, приведенной в 2.43, легко подсчитать,
что волне длиной 2 километра соответствует час¬
тота 0,15 мегагерца (или 150 килогерц), а волне 10 мет¬
ров -— частота 30 мегагерц.
3.3
Рядом с диапазоном радиоволн расположился
диапазон телевидения. Он использует волны длиной
от 1 метра до 6 метров. Им соответствуют частоты от
300 до 50 мегагерц. Таким образом, ширина диапа¬
зона, в котором ведутся телевизионные передачи,
составляет 300—50=250 мегагерц.
3.4
К телевидению приллыкает локация. Она использует
волны длиной от нескольких метров (а чаще меньше
одного метра) и до 3 сантиметров (от 300 до 10 000 ме¬
гагерц). Ширина частотного диапазона составляет
10 000—300=9700 мегагерц.
В процессе освоения сантиметрового диапазона
электроникой были созданы сверхвысокочастотные
(СВЧ) приборы: магнетроны, клистроны, лампы с бе¬
гущей волной.
3.5
По мере развития цивилизации все шире использу¬
ются телевидение и радиосвязь и все острее встает
вопрос о необходимости расширения диапазона ис¬
пользуемых частот.
Радиосвязь «покушается» на диапазон телеви¬
дения: в пределах прямой видимости (например, на
территории города) на метровых волнах осущест¬
вляется по рации оперативная связь между работни¬
281

ками транспорта, милиции и других специальных
служб.
В свою очередь, телевидение начинает использо¬
вать диапазон локации, создавая дополнительные
телеканалы в сантиметровом и дециметровом диапазо¬
не волн.
3.6
Возможности связи на волнах короче 3 санти¬
метров ограничены влиянием атмосферных явлений:
эти волны рассеиваются туманом, падающим снегом,
каплями дождя.
Отсутствие этих помех за пределами атмосферы
позволяет расширить диапазон частот космической
связи до 30 000 мегагерц. Частоте 30 000 мегагерц
соответствует длина волн 1 сантиметр.
3.7
В последние десятилетия электроникой освоены
миллиметровые, субмиллиметровые (длиной в десятые
доли миллиметра), а также инфракрасные и опти¬
ческие волны.
Для генерации миллиметровых и субмиллиметро¬
вых волн созданы специальные полупроводниковые
приборы: диоды Гана, лавинопролетные диоды.
Создание квантовых генераторов (лазеров) позво¬
лило использовать для различных технических нужд ин¬
фракрасный и оптический диапазоны волн (см. 2.103).
Огромные возможности, которые приобрела техни¬
ка благодаря использованию лазеров, можно иллюст¬
рировать числами, показывающими, сколько телеви¬
зионных программ могут транслироваться параллельно
в различных диапазонах волн, если для каждой прог¬
раммы выделен телеканал с полосой частот 8 мегагерц.
Метровые волны — 30 программ.
Сантиметровые волны — 3 тысячи программ.
Инфракрасные волны — 50 миллионов программ.
Таким образом, в одном лишь инфракрасном диа¬
пазоне (не считая излучаемых лазерами видимых све¬
товых волн) можно выделить для каждого жителя круп¬
ной страны самостоятельный телевизионный канал.
3.8
Инфракрасные волны используются в современ¬
ной локации. Преимущество локаторов инфракрас¬
ного диапазона заключается в том, что они не нуж¬
даются в генераторах, излучающих волны, так как все
тела — это «передающие станции», излучающие в
пространство инфракрасные тепловые лучи. Одни объ¬
282

екты излучают тепло, полученное от Солнца, другие —
собственное тепло (тепло своей крови, тепло мото¬
ра и т. д.).
Локатору нужен только чувствительный приемник,
и тогда он даже в кромешной тьме обнаружит при¬
сутствие этих тел.
3.9
Всем знакомый рентгеновский аппарат использует
волны короче волн светового диапазона еще в 10 ты¬
сяч раз (до стотысячных долей микрона).
Рекордно короткие волны, применяемые в элект¬
ронной микроскопии,— волны в миллионные доли мик¬
рона. Эти волны сопровождают быстролетящие элект¬
роны. Их природа исследована квантовой физикой.
О них будет рассказано в следующей главе.
3.10
Самые короткие и самые длинные из всех известных
волн поставляет нам космос. Среди волн, приходя¬
щих из космоса, удалось обнаружить волны длиной в
30 миллионов километров; 10 секунд длится один
период их колебаний. На расстоянии от Земли до
Солнца уместится всего лишь пять таких волн.
В то же время космические лучи несут в себе
колебания с длиной волны в 0,005 ангстрема (десяти¬
миллионные доли микрона)!
3.11
Для полноты картины стоит упомянуть, что соглас¬
но последним научным данным волны от 8 до 14 мик¬
рон являются «волнами запаха». Возможно, что в бу¬
дущем, освоив такие волны, электроника сможет
транспортировать запахи, как сейчас она транспорти-
тует изображения или звуки.
В самом начале книги, в новелле «Взгляд с высоты»,
мы попытались свести воедино различные направления
развития электроники. Получилось нечто подобное по¬
литической карте со множеством территорий, принадле¬
жащих одновременно «нескольким государствам». Каж¬
дое такое «государство» имеет свою историю. А вре¬
мя от времени в мире электроники происходят со¬
бытия, оказывающие влияние на судьбы всех ее «го¬
сударств».
К числу таких событий относится, в частности, рож¬
дение полупроводниковой техники. Мы уже рассказали
о том, как на смену триодам пришли транзисторы.
ОТ КИЛОМЕТРА
ДО ДОЛЕЙ
МИКРОНА
283

положившие начало истории создания интегральных
схем.
Теперь мы хотим рассказать о событиях, происхо¬
дивших параллельно с развитием полупроводниковой
техники —об истории укорочения волн.
Вспомним этапы развития радиосвязи. Сначала бы¬
ли освоены длинные волны. Затем исследователи обна¬
ружили, что короткие волны способны отскакивать ри¬
кошетом от неба и земли и таким способом можно «за¬
пускать» их вокруг всего земного шара. Занялись ко¬
роткими волнами. За несколько лет удалось укоротить
их раз в десять и во столько же раз увеличить частоту.
Со всеми этими трудностями успешно справились ва¬
куумные триоды.
А тем временем родилось телевидение. Ему пона¬
добились ультракороткие волны (УКВ). Опять приш¬
лось в десять раз увеличивать частоту. И тут начались
первые осложнения: при переходе па УКВ стал «вы¬
дыхаться» триод. Пришлось вводить в лампу дополни¬
тельные сетки: появились на свет тетроды и пентоды.
Следует заметить, что радиоволны, полученные впер¬
вые Г. Герцем, имели длину порядка нескольких десят¬
ков сантиметров. Но эти волны возникали без помощи
электронных приборов, а лишь в результате искрового
разряда. Только благодаря развитию электроники тех¬
ника получила возможность генерировать и использо¬
вать сначала для звуковой, а затем для видеосвязи
непрерывные волны различной длины.
Когда локация потребовала от электроники волн
длиной до 3 сантиметров, всю аппаратуру пришлось
разрабатывать заново. Здесь уже не могли работать
лампы обычной конструкции, не годились и прежние
радиоконтуры LC. И семья электронных приборов по¬
полнилась новыми членами.
Появились лампы, у которых вместо стеклянных
баллонов мы видим сложную конфигурацию и комби¬
нацию из керамики и металла. В лексиконе специалис¬
тов появились такие названия, как лампы маячкового
типа и целый ряд еще более хитрых: клистрон, маг¬
нетрон, лампа с бегущей волной.
Такова судьба электроники: не зная покоя и пере¬
дышек, она должна неустанно карабкаться вверх по
шкале частот. Карабкаться — это, пожалуй, как раз
то слово, которое отражает трудности, возникающие в
ходе движения электроники в область сверхвысоких
частот. На каждом этапе возникали свои проблемы, и
лишь упорством и изобретательностью специалистов
всего мира можно объяснить тот факт, что, невзирая
на все препятствия, из года в год неуклонно росла часто¬
та излучений, которыми электроника снабжала смеж¬
284

ные отрасли для удовлетворения разных технических
нужд.
Затем был сделан еще один огромный шаг в область
высоких частот.
Используя вместо радиоконтура излучения атомов
и молекул, лазерная техника успешно освоила волны
длиной до десятых долей микрона.
Таковы наглядные показатели успехов развития
электроники. За одну половину столетия она сумела
«сжать» волны в несколько миллиардов раз и, начав с
длины, измеряемой километрами, прийти к волнам с
длиной в доли микрона.
— Ну хорошо,— скажет читатель.— Может быть,
повышать частоты и укорачивать волны и в самом деле
было не просто. Но была ли нужда ставить перед со¬
бой такие задачи, а потом прилагать такие усилия
для их решения? Обходилось же радио и без коротких
волн?
Да, обходилось. Но дальность радиосвязи была ог¬
раниченной. А телевидение даже и на коротких дистан¬
циях не могло обходиться без ультракоротких (метро¬
вых) волн. Потому что яркость изображения может
изменяться с частотой до 6 мегагерц, а «канва», на ко¬
торой могут переноситься на расстояние такие «узоры»,
должна иметь частоту примерно в 10 раз выше (см. гла¬
ву 2). Потому и пришлось осваивать для передачи те¬
лесигналов диапазон частот от 50 до 300 мегагерц,
которому соответствуют волны от 1 до 6 метров длиной.
А сколько телепрограмм можно транслировать од¬
новременно в этом диапазоне?
Яркость изображения может изменяться и быстро и
медленно, поэтому содержащиеся в телевизионном сиг¬
нале частоты занимают полосу от самых низких частот
(нескольких герц) до 6 мегагерц. Чтобы соседние теле¬
каналы не создавали помех друг другу, между ними
необходимо оставить «зазоры» шириной в 1 мегагерц.
Таким образом, каждому телеканалу можно выделить
полосу частот порядка 8 мегагерц. Сколько таких полос
умещается в диапазоне 50—300 мегагерц, рассчитать
нетрудно:
N= 300—50	~30.
о
сколько
ВЕСЯТ
КОРОТКИЕ
ВОЛНЫ?
Это значит, что в диапазоне ультракоротких волн от
1 метра до 6 метров длиной можно передавать одновре¬
менно около 30 телепрограмм.
Вроде достаточно, если телецентры работают на
3—4 программах. А вообще-то маловато. Если мы захо¬
тим создать, например, в городе сеть видеотелефонов,
285

то весь диапазон УКВ займут всего лишь 30 видео¬
точек!
А сколько таких каналов можно выделить в санти¬
метровом диапазоне?
Давайте прикинем. Волнам с длиной от 1 до 10 сан¬
тиметров соответствует диапазон частот от 30 000 до
3000 мегагерц. Убедиться в этом нетрудно: длина вол¬
ны пересчитывается в частоту по формуле, приведенной
на рисунке (2.43).
Число телеканалов подсчитывается так же:
N=
30000—3000
8
*3400.
Это уже значительно лучше: 3400 видеотелефонов —
это уже кое-какая видеосвязь.
Ну а если количество точек в городе достигает де¬
сятков и сотен тысяч? Где же взять десятки и сотни
тысяч каналов, чтобы создать в городе всеобщую ви¬
деосвязь?
Остается только одна возможность: укорачивать
волны и дальше, повышать их частоту. Но тут возникает
весьма существенная заминка: когда длины волн сжи¬
маются до долей миллиметра, приборы электроники
«выдыхаются», подобно тому как еще на первом эта¬
пе укорочения стал «выдыхаться» триод. Как же
быть?
Выход нашелся —для передачи изображений стали
использовать в качестве несущих сигналов лазерные
лучи. В одном только инфракрасном диапазоне частот
от 10° мегагерц до 0,4- 109 мегагерц можно транслиро¬
вать одновременно N телепрограмм, причем N в дан¬
ном случае составляет:
0,4- К)9—106
N;
8
#50- 10ь,
то есть 50 миллионов телепрограмм!
Вот это уже масштаб! Но наш подъем по шкале час¬
тот был настолько стремителен, что едва ли чита¬
тель успел осознать все, что представилось его взору,
когда мы достигли вершины. А вершиной в данном
случае оказался диапазон излучаемых лазерами час¬
тот.
Заметим, что пока речь шла только об инфракрас¬
ных излучениях лазера, в то время как лазеры могут из¬
лучать и видимые световые лучи. Значит, еще остают¬
ся в резерве волны оптического диапазона длиной от
0,4 микрона до 0,7 микрона. Им соответствует диа¬
пазон частот от 0,4- 10® мегагерц до 0,75- 109 мега¬
герц, занимающий полосу 350- 10е мегагерц. В этой
полосе можно разместить еще около 45 миллионов те¬
лепрограмм.
Читателю, по-видимому, непросто ориентироваться
в приведенных здесь цифрах, поскольку по мере подъе¬
ма вверх по шкале частот длины волн стремительно
286

сокращаются и так же стремительно расширяется диа¬
пазон используемых частот.
Весь интервал длин волн оптического диапазона
составляет 0,75—0,4=0,35 микрона, что в 300 раз
тоньше лезвия бритвы. Получается, что в интервале,
равном 1 /зоо толщины лезвия, умещается 45 миллио¬
нов телепрограмм!
В то же время во всем радиодиапазоне с длинами
волн от 1 до 2000 метров (двух километров!) едва
размещается каких-нибудь 30 телепрограмм! На пер¬
вый взгляд это кажется парадоксом.
Вот микроскопический отрезок линейки размером в
0,35 микрона. В нем уместились все световые волны. А

вот длинный путь, который начался на расстоянии
1	метра от порога вашего дома, а кончился па другой
улице через две троллейбусные остановки. На этом
пути укладываются длины всех используемых радио¬
волн.
Так почему же в ничтожно малом отрезке информа¬
ции уместилось в миллион раз больше, чем па пути в
2	километра длиной?
А объяснение тут простое. Когда оценивают спект¬
ры сигналов и полосу тех каналов, по которым пере¬
даются сигналы, то используют не шкалу длин волн, а
шкалу частот.
Пользуясь формулой 2.43, легко убедиться, что са¬
мой длинной волне радиодиапазона (2000 метров)
соответствует частота 0,15 мегагерца, или 150 ки¬
логерц.
288

Самой длинной волне светового диапазона (0,7 мик¬
рона) соответствует частота 0,45- 10я мегагерц
(0,45 миллиарда мегагерц). Частота эта больше, чем
частота сигнала с длиной волны в 2000 метров, в
3- 10я раз.
Примерно во столько же раз муравей (вес около
3 миллиграммов, или 0,003 грамма) легче среднего
кашалота (вес около 10 тонн).
Но здесь следует еще раз уточнить одно обстоя¬
тельство. Быть может, многим покажется странным,
что «кашалотом» оказались не те волны, длина которых
измеряется километрами, а волны с длиной в доли мик¬
рона. Кашалота и муравья мы сравниваем не по раз¬
меру, а только по весу. А «вес» радиоволн растет с
ростом их частоты.
Верхняя частота света примерно в два раза выше,
чем нижняя, она равна 0,75- 10я мегагерц. Световой
диапазон, то есть отрезок шкалы между врхней и ниж¬
ней частотами, составит: 0,75- 10я—0,4- 10я=0,35-
. Юя=350* 10к мегагерц. А в диапазоне радиосвязи
верхняя частота выше, чем нижняя, не в два раза, а
в 2000 раз. И, несмотря на это, диапазон частот зна¬
чительно уже. Он составляет всего лишь 300—0.15=
= 299,85 мегагерца, то есть примерно 300 мега¬
герц.
И ничего здесь нет удивительного. Два кашалота
весят на 10 тонн больше, чем один. А 2000 муравьев
тяжелее одного муравья всего лишь на 3- Ю'3- 2000- -
—3- 10_3= 5,99 грамма.
Так и с радиоволнами. Сравнив ширину диапазона
радиосвязи (300 мегагерц) с шириной светового диа¬
пазона (300- 106 мегагерц), мы еще раз убеждаемся,
что диапазон радиосвязи «весит» меньше оптического
диапазона в миллион раз!
На первом этапе развития радиосвязи триод выру¬
чал электронику во всех случаях жизни: он помогал
генерировать переменные токи и напряжения, которые
легко превращались в волны, усиливать, модулировать,
детектировать, переводить сигналы на промежуточные
частоты — в общем, производить все те операции, без
которых нельзя обеспечить радиосвязь. Но когда жизнь
потребовала освоения ультракоротких во.гж, вскрыл¬
ся тот недостаток триодов, который был незаметен
для более низких частот. Дело в том, что электро¬
ды триода (анод, катод, сетка) —это те же об¬
кладки, между которыми есть определенные емкости
С.; С„; С,.
Вы помните: сигнал пройдет через емкость тем лег¬
че, чем выше его частота (см. 2.53). С переходом на
СЕТКИ НАЧАЛИ
РАЗМНОЖАТЬСЯ
19 Е. Седов
289

короткие и ультракороткие волны частоты стали очень
высокими. Поэтому емкость между анодом и сеткой, не
играющая никакой роли, когда лампа работает на низ¬
ких частотах, превратилась в легкопроходимый мостик
для высоких частот. По этому мостику часть энергии
передается с анода на сетку триода. В генераторе на
триоде такой мостик сооружался специально: с его по¬
мощью обеспечивалась необходимая для генерации ко¬
лебаний обратная связь. (О роли этой связи было рас¬
сказано в новелле «Почему текут реки» предыдущей
главы.)
А если триод должен работать как усилитель, от
этого «мостика» нет ничего, кроме вреда. Насколько
такая связь нежелательна, можно судить по той клич¬
ке, какую дали ей специалисты,— ее стали называть
паразитной связью. Из-за нее на высоких частотах
триодные усилители генерируют собственные частоты,
вместо того чтобы усиливать приходящий сигнал.
Как же разрушить этот опасный «мостик» и разо¬
рвать паразитную связь?
Можно уменьшить емкость между анодом и сеткой,
уменьшая их размеры или отодвигая их друг от друга
подальше (см. 2.49).
Но и то и другое ухудшает электрические характе¬
ристики ламп.
Конструкторы нашли другой выход из положения.
Они ввели в лампу еще одну сетку и подали на нее по¬
ложительный потенциал. Вокруг второй сетки возникло
поле, которое стало противодействовать току, текущему
через паразитную связь.
Чтобы различать две сетки, им присвоили соответ¬
ствующие их функциям названия: первую сетку стали
называть управляющей, а вторую — защитной, или эк¬
ранной.
Так появились тетроды — лампы с четырьмя элек¬
тродами (тетра по-латыни—четыре). Они позволили
конструировать усилители, рассчитанные на усиление
сигналов с частотами до десятков мегагерц, не опасаясь,
что такой усилитель в один прекрасный момент начнет
сам возбуждаться, то есть генерировать собственный,
паразитный сигнал. Казалось бы, создатели ламп спра¬
вились с первой трудностью, вызванной переходом на
ультракороткие волны.
Как бы не так! Когда стали работать с тетродами,
то обнаружили новую неприятность — динатронный эф¬
фект.
Динатронный эффект возникает так. Поскольку
анод сделан из металла, в нем существует «электрон¬
ный газ» — свободные электроны, перемещающиеся
между атомами решетки (см. 1.22). Под ударами элек-
290

тронов, прилетевших с катода, некоторые свободные
электроны «выплескиваются» из анода наружу. Возни¬
кает процесс вторичной эмиссии (первичной эмиссией
обладает катод).
Вторая сетка тетрода обладает положительным по¬
тенциалом, значит, часть электронов, выбитых из ано¬
да, устремляется к ней. Особенно сильным этот поток
становится в те моменты, когда на анод действует от¬
рицательная полуволна переменного тока. В эти момен¬
ты потенциал второй сетки оказывается выше потен¬
циала анода, лампа от этого работает как бы «вверх
тормашками»: вторая сетка начинает притягивать элек¬
троны подобно аноду, а сам анод выступает в роли
катода, излучающего за счет вторичной эмиссии неже¬
лательный электронный поток. Этот поток зависит от
анодного напряжения, меняется он с частотой анодного
тока и искажает усиливаемый сигнал. Почему этот
эффект проявил себя только в тетродах? Разве в трио¬
де электроны не ударялись о поверхность анода? Разве
там не было вторичной эмиссии?
Все это было. Но в триоде электроны вторичной
эмиссии никому не мешали, и потому никто их не за¬
мечал. В самом деле, «выплеснулся» электрон из анода,
а лететь-то ему дальше и некуда, потому что, кроме
анода, в триоде нет других электродов, имеющих поло¬
жительный потенциал, и некому его притягивать. Под
действием поля анода электрон вынужден вновь упасть
на анод. Вот почему до введения в лампу второй сетки
эффект вторичной эмиссии никого, в сущности, не вол¬
новал. А в тетроде он превратился в проблему, в пре¬
пятствие, которое нужно было немедленно устранить.
й
A A
Щимнмй
СШ1Ф
♦ Ел
/ 1 /
\ /jfe)
-a
Jj ЛШ>-
tttJL €rnAjUDM (Ec ).
Gyn&cu /гаЕщмщп' fZMJt Q/otf. '
291

Устранить его помогла третья (антидинатронная)
сетка, преградившая электронам вторичной эмиссии
путь от анода к положительно заряженной сетке и по¬
родившая пятиэлектронную лампу — пентод.
Пентод помог радиосвязи усиливать короткие вол¬
ны. В частности, с его помощью можно усилить сигнал,
на котором записан телевизионный кадр. А все потому,
что с помощью третьей сетки удалось ликвидировать
порожденный вторичной эмиссией вредный динатроп-
ный эффект.
Напомним читателю, что эффект вторичной эмис¬
сии, мешающий нормальной работе тетрода, приносит
огромную пользу, когда речь идет об усилении с помо¬
щью фотоэлектронного умножителя, используемого, в
частности, для преобразования телеизображений, пере¬
носимых с помощью электронных лучей (глава 2, «Пре¬
образования изображения»).
ПРИЧИНЫ
ВТОРОГО
КРИЗИСА
Болезнь роста — явление неизбежное. Любая об¬
ласть науки и техники в ходе развития переживает
ряд кризисов, во время которых приходится основа¬
тельно пересматривать прежние методы и идеи.
Результатом первого кризиса, пережитого электро¬
никой, было рождение многосеточных ламп.
Второй кризис наступил в тот момент, когда лока¬
ция выдвинула задачу освоения сантиметровых волн.
В чем причина этого кризиса?
Вспомним простой колебательный контур LC. Собст¬
венная частота его будет тем меньше, чем больше ве¬
личина емкости С и индуктивности L (см. 2.33). Но в
схеме триодного генератора, куда включен наш колеба¬
тельный контур, помимо емкости контура, существуют
уже знакомые нам «паразиты»: емкости G,,, С™ и С»„.
И если влияние «паразитов» сказывалось даже на ульт¬
ракоротких (метровых) волнах, то что же говорить
о волнах, которые стали короче еще в 100 раз! Здесь
«паразитом» становится любая деталь не только элек¬
тронной схемы, но и самой лампы. Коротенький кусо¬
чек провода начинает работать, как антенна, потому
что его длина соизмерима с длиной сантиметровых волн.
Штырек лампы (ножка), через который подводится на¬
пряжение к электродам, тоже становится «паразитом»:
он обладает индуктивностью, весьма ощутимой
для столь высоких частот. А вместе с межэлектрод¬
ными емкостями штырьки образуют паразитные кон¬
туры.
Лампа вся «обросла паразитами», каждый из кото¬
рых обладает своей частотой резонанса и не дает гене¬
ратор) вырабатывать нужную частоту. Да и не так-то
просто настроить анодный контур на частоту, скажем,
10 000 мегагерц. Чтобы повысить его частоту, надо
292

уменьшить емкость и индуктивность. Можно совсем от¬
ключить емкость и размотать катушку, оставив всего
два-три витка. От контура, по существу, уже ничего не
останется, и все же за счет влияния «паразитов» соб¬
ственная частота его колебаний будет намного ниже
10UUU мегагерц. Например, для волн от 30 сантиметров
до нескольких метров (то есть для частот ниже 1000 ме¬
гагерц) был создан контур, получивший название
контура-бабочки. Крылья бабочки создают малую ем¬
кость. А вместо катушки осталась короткая перемыч¬
ка всего лишь один неполный виток!
И все-таки частота собственных колебаний здесь
еще недостаточна; чтобы генерировать сантиметровые
волны, надо поднять ее еще в 10 раз. А кроме того, с
повышением частоты проявился еще один недостаток
контура-бабочки. Когда длина волн укоротилась до раз¬
меров его перемычек, перемычки стали подобны ан¬
теннам. Энергия колебаний контура начала бесполез¬
но излучаться в пространство, коэффициент полезного
действия резко упал.
293

Много изобретательности пришлось проявить спе¬
циалистам. И в результате этих усилий появились но¬
вые контуры, напоминающие по внешнему виду стака¬
ны, и был, наконец, создан... триод.
Да, да, не удивляйтесь, не тетрод или пентод, а три¬
од. Но этот триод был создан специально для сверх¬
высоких частот (СВЧ) и лишь отдаленно напоминал
прежний низкочастотный триод.

ТРИОД, ДА НЕ ТОТ
ЭТО
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
3.12
Перед вами два представителя большого семейства
электронных приборов, предназначенных для сверхвы¬
соких частот (СВЧ). Внутри этих ламп можно найти все
элементы обычных триодов: анод, катод, сетку, накал.
Зато по внешнему виду они совсем не похожи на преж¬
ние лампы. Да и внутри есть немало отличий от преж¬
них триодов.
Баллон правой лампы представляет собой набор
металлических цилиндров, а торцы закрыты керами¬
кой. Эти лампы носят название металлок^рами-
ческих.
У левой лампы — маячковой — баллон состоит из
нескольких ярусов и напоминает по форме маяк. При¬
чудливость форм СВЧ-триодов станет вполне понят¬
ной после того, как мы познакомимся с СВЧ-гене-
раторами, в которых используются упомянутые три¬
оды.
В генераторе на маячковом триоде вы не най¬
дете обычного контура, состоящего из элементов LC.
Здесь контуры по форме напоминают стаканы и кре¬
пятся прямо к дисковым выводам лампы. Лампа как
бы сливается с контуром, поэтому мы не увидим
штырьков, а стало быть, нет и их индуктивности. Что
же касается паразитной емкости (например, Сас ), то
она подключается к контуру и становится частью его
самого.
3.13
295

/Л
3.14
Контуры подобного типа называют объемными ре¬
зонаторами. В них возникают стоячие волны.
Некоторым подобием этих волн являются колеба¬
ния, которые возникнут в веревке, если один конец ее
прикрепить к стенке, а взявшись рукой за другой,
начать равномерно его перемещать вверх-вниз. Волна
добежит до стенки, отразится и начнет возвращаться
обратно. А навстречу ей бежит новый гребень волны.
В результате сложения волн прямой и отраженной на
веревке возникнут стоячие волны. В одних местах (АА,
ВВ) образуются пучности: здесь веревка колеб¬
лется с наибольшим размахом. В другие точки
(а, б, с) стоят без движения, несмотря на на¬
личие волн: их называют узлами стоячей волны.
Точка с, в которой мы закрепили веревку, будет пер¬
вым узлом.
Волны объемного резонатора имеют, конечно, дру¬
гую природу: здесь происходят колебания магнитных
и электрических полей.
Но мы еще раз убеждаемся в том, что волнам раз-
296
ПОРШНИ’

ной природы присущи и общие свойства: в объемном
резонаторе тоже есть пучности и узлы. Поршень кон¬
тура (есть в резонаторе такая деталь) играет роль стен¬
ки, к которой привязали веревку: узел напряжения
возникает как раз на нем. Ведь поршень — это ко¬
роткое замыкание: в этом месте сопротивление (а зна¬
чит, и напряжение) будет равно нулю (см. кривую на¬
пряжения U). Но там, где мало сопротивление, вели¬
ка сила тока. Поэтому пучность тока возникает именно
здесь (см. кривую J). При перемещении поршня вместе
с ним смещается узел напряжения и пучность то¬
ка — изменяется длина стоячей волны.
Большая заслуга в разработке теории объемных
резонаторов принадлежит советскому ученому
М. С. Нейману.
Для генерации колебаний необходима обратная
связь. Эту связь создают с помощью специальной пет¬
ли, передающей энергию из анодного контура в сеточ¬
ный контур.
Другая петля позволяет отобрать часть энергии ко¬
лебаний анодного контура, чтобы передать ее антенне
и излучить в эфир,
Там, где есть пучность (то есть у поршня), велико
и магнитное поле. Поэтому именно здесь и ставят пет¬
лю.
Ту же энергию можно отобрать через емкость. Ем¬
кость должна размещаться как можно ближе к пуч¬
ности напряжения, то есть в месте сосредоточения
электрических сил.
Перемещением поршня влево и вправо изменяют
длину стоячих волн, осуществляя тем самым настройку
генератора на нужную частоту.
3.15
297

ЭЛЕКТРОНЫ
слишком
МЕДЛИТЕЛЬНЫ
По одному лишь внешнему виду нового генератора
можно судить, насколько трудным орешком оказался
диапазон СВЧ. Все пришлось разрабатывать заново: и
схемы, и лампы, и контуры.
Казалось бы, в новой конструкции ламп все преду¬
смотрено. И тем не менее генератор на этих лампах
не может дать частоту хотя бы 3000 мегагерц. Длина
волны при такой частоте равна 10 сантиметрам. А
локания требует, чтобы волны стали еще раза в три ко¬
роче, чтобы устанавливаемые на самолетах компакт¬
ные антенны могли формировать из этих волн узкие, на¬
правленные лучи (вспомните новеллу «Магомет идет к
горе» из второй главы).
Для удовлетворения нужд локации электронике
пришлось осваивать волны длиной в 3 сантиметра, то
есть частоты вплоть до 10 000 мегагерц. На таких
частотах не могут работать и новые лампы, хотя их
создавали специально для сверхвысоких частот. Но по¬
чему? Ведь лампа и контуры представляют собой
единое целое, а паразитные емкости, которые раньше
были помехой, теперь как бы влились в контуры. То же
298

самое и с индуктивностью — штырьки превратились
в диски, а диски тоже слились с контурами. Что же
теперь мешает получить колебания самых высоких час¬
тот?
А мешает одно обстоятельство: в этих лампах элек¬
трон, излученный катодом, слишком долго летит на
анод. Что же случилось здесь с электроном? Куда де¬
вались его подвижность и легкость, которые восхищали
нас раньше буквально на каждом шагу?
Электрон остался таким же подвижным. И время
его перелета от катода к аноду составляет всего лишь
одну десятимиллиардную долю секунды — оно короче
микросекунды в 10 000 раз. Но в диапазоне СВЧ-коле-
баний решающее значение приобретают и миллиардные
доли секунды.
Дело в том, что как раз такое же время (одну
десятимиллиардную долю секунды) длится полный
цикл колебаний частоты 10 000 мегагерц. Пока электрон
летит от катода к аноду, напряжение в контуре успевает
достичь наибольших значений, упасть и вновь нарасти.
Значит, и в самом деле по сравнению со скоростью
изменения напряжения электрон летит достаточно дол¬
го. Даже он оказался слишком медлительным для таких
высоких частот. В наших привычных масштабах време¬
ни десятимиллиардную долю секунды не назовешь даже
мигом. Но для ламп СВЧ этот миг слишком дли¬
телен — они «ощущают» время гораздо тоньше, чем мы.
До сих пор мы считали, что в генераторе все проис¬
ходит мгновенно: возник сигнал на аноде, прошел по об¬
ратной связи на сетку и тут же передал аноду «толчок».
Но в области СВЧ понятие «тут же» приобретает
уже иной смысл.
Возник сигнал на аноде. Прошел по обратной связи
на сетку. Возрос потенциал на сетке и подтолкнул
к аноду «медлительный» электрон.
Но пока электрон летел от катода к аноду, положи¬
тельная полуволна на аноде сменилась отрицательной.
Электрон подоспел совсем некстати. Будто кто-то, ста¬
раясь раскачать маятник, пытается изменить направле¬
ние не в крайней точке его траектории, а где-то посере¬
дине пути. В этом случае прежде, чем подтолкнуть
маятник, его приходится каждый раз останавливать,
и потому колебания будут не увеличиваться в размахе,
а затухать.
То же в триоде: время пролета «медлительного»
электрона, соизмеримое с периодом СВЧ-колебаний,
создает разность фаз между колебаниями на аноде и
сетке (см. 2.40), и напряжение обратной связи начинает
работать «не в такт». Как уменьшить время пролета?
Казалось бы, просто — сократить электрону путь.
Так, собственно, и поступили. В триодах, созданных
для СВЧ-колебанпй, в зазоре, соизмеримом с толщиной
299

лезвия бритвы, умудрились разместить катод, сетку,
анод. Невольно вспомнишь о мастере, который был
воспет в свое время Лесковым за то, что сумел под¬
ковать блоху!
Но дело тут даже не в трудностях изготовления.
Современный Левша смог бы сделать зазор и поменьше,
если бы это не ухудшало качества ламп.
Напряжение на аноде лампы высокое. Если катод
слишком близок к аноду, между ними может возникнуть
искра. Надо учесть и другую опасность: чем ближе
сдвинуты электроды, тем больше величина паразитной
емкости (см. 2.49). А при большой паразитной емкости
перестают работать даже объемные контуры. Как же
выйти из положения? Раздвинешь электроды— увели¬
чится время пролета. Приблизишь — возрастет пара¬
зитная емкость.
Вот уж действительно кризис! Настоящий заколдо¬
ванный круг!
Может быть, попробовать при малом зазоре умень¬
шить площадь сетки, анода и катода? Тогда емкость
уменьшится, а время пролета не возрастет. Нет, и это
тоже не выход.
Катод с малой поверхностью не даст достаточно¬
го количества электронов! Анод малой площади не
пропустит достаточный ток!
Все это учли при создании металлокерамических
и маячковых триодов. Все размеры здесь не случай¬
ны. Нельзя больше сближать электроды — начнет ме¬
шать паразитная емкость. Нельзя уменьшать их пло¬
щадь— в лампе уменьшится ток, она получится ма¬
ломощной. А локация требует мощных импульсов для
дальних целей. Поэтому эти триоды стали использо¬
вать для усиления и генерации волн длиннее 10 санти¬
метров. Для создания же волн длиной в 3 сантиметра
пришлось искать новые пути.
КОНТУР в
КАЧЕСТВЕ
СВЕТОФОРА
В первых конструкциях СВЧ-генераторов контур
слился с электронной лампой. А нельзя ли пойти еще
дальше — создать такую конструкцию, в которой кон¬
тур станет частью самой электронной лампы?
Оказывается, можно. Именно так и устроены генера¬
торы волн длиной в 3 сантиметра — магнетрон и кли¬
строн.
В клистроне вновь нашла применение знакомая
нам электронная пушка. Электронный луч пронизывает
пространство внутри клистрона и упирается в коллек¬
тор-электрод, на который подан положительный потен¬
циал. На пути луча установлены два резонансных
контура. Контуры подобных конструкций называют
также объемными резонаторами. В двух этих терминах
отражены все основные свойства этих устройств. Внут¬
300

ри их есть полость (объем), где возникают стоячие
волны, подобные волнам, изображенным на рисунках
3.13	и 3.14.
«Отклик» объемного резонатора на воздействие
внешнего поля будет особенно интенсивным при резо¬
нансе, то есть в том случае, когда частота, на кото¬
рую настроен контур, равна частоте сигнала, кото¬
рый к нему подведен извне. В этом случае колебания
поля внутри объемного резонатора будут особенно
интенсивными: амплитуда стоячих воли достигнет мак¬
симальной величины.
Резонаторы, используемые в клистроне, напоминают
но форме бублики, но в отличие от бубликов, имеют
полый объем. Дырки бубликов затянуты сетками,
через которые может свободно пролетать электрон.
Оба резонатора настроены на волну 3 сантиметра,
то есть на частоту 10 000 мегагерц.
По дороге от старта до финиша электрон встре¬
тит сначала контур № 1. С помощью петли сюда под¬
водится энергия колебании с частотой 10 000 мегагерц.
В течение каждого периода колебания эти по-разному
301

подействуют на электроны. В луче возникнут сгустки и
разрежения.
Нечто подобное просходит с автомашинами, идущи¬
ми по Садовому кольцу Москвы и по другим магистра¬
лям, где установлено автоматическое регулирование
движения автомашин. Пока нет красного света — жми
на полную скорость, догоняй тех, кто впереди. Ну а
уж если не повезло, не сумел проскочить до красного
света — тормози и жди, пока догонят другие. Когда
вновь зажжется зеленый свет светофора, можно следо¬
вать дальше в составе возникшего у красного света
«сгустка» автомашин. Пройдя через несколько светофо¬
ров, все машины распределятся по группам — одни
подождут у светофора едущих сзади, другие догонят
тех, кто был впереди.
В клистроне почти то же самое: электроны — это
автомобили, а контур действует как светофор. Но све¬
тофор лишь подает сигналы, а шоферы по этим сигналам
регулируют скорость машин. В клистроне иначе. Контур
сам регулирует скорость: электроны, летящие сквозь его
сетки, то ускоряются, то тормозятся в зависимости
от того, какая полуволна напряжения действует в
контуре в данный момент.
Если на правой сетке контура № I будет плюс, а на
левой минус, электрическое поле ускорит находящий¬
ся между сетками электрон. В следующий момент зна¬
ки на сетках сменились, а электрону, оказавшемуся в
этот момент между сетками, придется убавить ско¬
рость — поле будет его тормозить. В результате —
сгустки и разрежения электронов почти такие же, как на
Садовом кольце.
C’iobo «клистрон» электроника заимствовала у гре¬
ков. Оно означает—«морской прибой».
Название этого прибора хорошо отражает принцип
его работы. Электроны, собранные первым контуром
в группы, на второй контур сами действуют так же. как
морской прибой на плавучий причал. Мимо конту¬
ра № 2 друг за другом идут электронные «сгустки», и
от каждого из них контур № 2 испытывает толчок.
Сколько таких толчков повторится в течение каждой
секунды?
Группы возникают у контура № 1 —«светофора».
Сигналами светофора служат подведенные к контуру
№ 1 электрические колебания. Зеленый сигнал «све¬
тофора» (то есть ускоряющая полуволна напряжения)
сменяется красным (тормозящей полуволной) с часто¬
той 10 000 мегагерц. Значит, с такой частотой следуют
«сгустки» и разрежения. Эти «волны морского прибоя»
толкают второй контур (его называют улавливателем)
КЛИСТРОН —
ЭТО МОРСКОЙ
ПРИБОЙ
303

%jjx4jui£atn$a4>~'
e-
<9~
COQQO*
©ococcj
oe«ooo
©-
« Zo^OOC
M>0 OOO coo
■©Vr
©f^
У
cc c 000 ooo coo o©©
OOC OfO o©o oot>o©*.

10 000 000 000 раз в секунду, в такт с его собственной
частотой.
Итак, электрические колебания, подведенные к пер¬
вому контуру (он назван группирователем), через по¬
ток электронов передаются второму контуру, причем
оба контура настроены в резонанс. Колебания во вто¬
ром контуре будут иметь значительно большую ампли¬
туду. Ведь они рождены электронами, а электроны
предварительно приобретают большую энергию от пос¬
тоянного паля. Это поле, рожденное и сформирован¬
ное коллектором и ускоряющими электродами «элект¬
ронной пушки», разгоняет электроны до очень боль¬
ших скоростей. В этом смысле клистрон подобен
любым другим усилителям: за счет энергии источни¬
ка постоянного тока производится усиление колеба¬
ний.
Усилитель легко превратить в генератор: надо соз¬
дать обратную связь. Если связать петлей -улавлива¬
тель и группирователь, часть энергии колебаний улав¬
ливателя по цепи обратной связи возвратится назад.
Групп ирователю этой энергии будет достаточно для соз¬
дания сгустков, и внутри клистрона возникнет «морс¬
кой прибой». Волны прибоя будут раскачивать контур-
улавливатель, часть энергии колебаний вновь передаст¬
ся в группирователь образуется неразрывный замк¬
нутый круг. Клистрон начнет генерировать. Часто¬
та генерации будет равна собственной частоте кон¬
туров.
А почему для обратной связи в клистроне пришлось
соединять его контуры специальной петлей? Ведь в
контурах имеются сетки. Через отверстия сеток
проходит весь поток электронов. Тогда почему
бы волне не просочиться сквозь сетки из улавливате¬
ля в группирователь, создав тем самым обратную
связь?
Секрет в том, что здесь возникают волны с длиной
порядка 3 сантиметров, а отверстия в сетке имеют го¬
раздо меньший размер. Если бы волны и электроны
обладали способностью видеть, то электронам сетка
представилась бы прозрачной, а волнам — в виде глу¬
хой стены.
Частоты порядка 10 000 мегагерц оказались не под
силу триоду. Зато с ними очень легко сладил клистрон.
Почему? Опять разговор про время пролета, про тот
миг, когда электрон улетел с катода, но еще не успел
попасть на анод.
С переходом на диапазон СВЧ-триод изменил свой
облик. В новой конструкции удалось избавиться от
неприятностей, связанных с влиянием паразитных ин¬
дуктивностей и емкостей. Но осталось большое время
ВРЕМЯ СТАЛО
НЕОБХОДИМЫМ
20 Е. Седов
305

пролета — глубоко спрятанный, внутренний, неизле¬
чимый порок. Как же этот вопрос разрешен в клист¬
роне?
Весьма своеобразно: если в триоде время пролета
являлось пороком, то клистрон без него просто бы не
смог обойтись. Ведь в течение этого мига и должны
совершиться процессы, на которых основана вся работа
клистрона. За то время, пока электроны летят,
они должны успеть разбиться на группы и возбудить
по дороге улавливатель, из которого и извлекается
усиленный, мощный сигнал.
А как быть с паразитной емкостью? Ведь в контурах
имеются сетки, сквозь которые летят электроны. Если
сетки придвинуть близко друг к другу, они образуют
большую емкость. Может случиться так. что из-за этой
емкости не удастся настроить контур на частоту
10 000 мегагерц. Значит, сетки нужно раздвинуть. Путь
между сетками станет длиннее, время пролета — то¬
же.
Интересная картина сложится, если время пролета
между этими сетками станет равным периоду СВЧ-
колебаний... Пока электрон летит между сетками,
положительную полуволну колебаний сменит отрица¬
тельная. И волна, сначала подгонявшая электрон,
затем станет его тормозить. Рывок, торможение, рывок,
торможение—и вот все электроны летят уже одним
непрерывным потоком, и нет никаких групп. Будто све¬
тофор мигнул на мгновение красным светом и сно¬
ва включил зеленый, пропуская мимо потоки автома¬
шин.
Как же выйти из положения? Сдвинешь сетки —
получишь большую емкость. Раздвинешь подальше —
контур не сможет группировать.
Выручает одно обстоятельство. Дело в том, что
«электронная пушка» клистрона разгоняет электроны
до очень больших скоростей. Общее время пролета
остается при этом значительным — ведь от катода к
коллектору ведет весьма длинный путь. Но малый уча¬
сток пути между сетками электрон проходит очень быст¬
ро, даже в том случае, если сетки раздвинуты далеко.
Значит, можно смело раздвинуть сетки и, уменьшив тем
самым вредную емкость, работать с сигналами вплоть
до самых высоких частот.
Опять преимущества за клистроном, еще раз триод
должен признаться, что в области СВЧ-колебаний ему
с клистроном тягаться не под силу. Особенно после
того, как клистрон при генерации СВЧ-колебаний вме¬
сто двух контуров стал обходиться одним.
В этом клистроне (он называется отражательным)
воплощена такая идея: если для генерации все равно
приходится связывать с помощью петли контур-улав¬
306

ливатель и контур-группирователь, то нельзя ли заста¬
вить один и тот же контур и улавливать и группиро¬
вать?
Так и сделали. С помощью контура стали сбивать
электроны в сгустки и заставили их лететь к отража¬
телю — электроду, имеющему отрицательный потенци¬
ал. Вокруг отражателя существует поле, от которого
электроны отскакивают, словно от стенки горох. Отско¬
чив, летят обратно и все теми же сгустками возвра¬
щаются к контуру и отдают ему энергию в виде следую¬
щих друг за другом толчков.
Частота толчков (а следовательно, и частота генера¬
ции) обязательно совпадает с собственной частотой
резонансного контура, потому что контур этот совместил
в себе сразу все функции: и группировку, и улавли¬
вание энергии, и обратную связь.
20’

ЭЛЕКТРОН ПОПАЛ В МАГНЕТРОН
3.16
А вот еще один представитель семейства элект¬
ронных приборов, предназначенных для генерации ко¬
лебаний сверхвысоких частот. Он называется магнетро¬
ном.
Созвучию названий далеко не всегда соответствует
сходство обозначенных этими названиями объектов.
Пусть же не обманет читателя и созвучие слов
«электрон» и «магнетрон».
Электрон создан природой, магнетрон — челове¬
ческими руками. Пытливая человеческая мысль поз¬
волила открыть электрон и изобрести магнетрон.
Электрон — частица, являющаяся носителем эле¬
ментарного электрического заряда — атома электри¬
чества. Магнетрон же отнюдь не является атомом
магнетизма. Создатели магнетрона преследовали сов¬
сем иную, чисто техническую цель.
Прибор с таким звучным именем изобретен еще
в 20-е годы, но приобрел популярность значительно
позже, после того как локация выдвинула задачу освое¬
ния сантиметровых волн. Тогда советскими инженера¬
ми И. Ф. Алексеевым, Д. Е. Маляровым под руководст¬
вом пионера отечественной электронной техники
М. А. Бонч-Бруевича и был создан первый много¬
камерный магнетрон.
3.17
Нам уже приходилось рассматривать поведение
электрона, на который действуют одновременно элект¬
рические и магнитные силы (глава 2, «Фигуры высшего
308

пилотажа»»). В магнитных линзах силы магнитного поля
направлены вдоль траектории электронов. В магнетро¬
не они действуют поперек. Тем не менее электрон и в
этом случае вынужден под действием магнитных сил
осваивать технику высшего пилотажа. Здесь он летит по
сложной кривой, носящей имя циклоиды. Такую же
кривую описывает любая точка обода катящегося ко¬
леса.
В то же время анод стремится притянуть к себе все
электроны, вырвать их из объятий магнитного поля.
Налицо своеобразная конкуренция:	электрическое
поле анода заставляет электрон лететь прямо, а
магнитное стремится как можно сильнее его закру¬
тить.
Если магнитное поле усилить, закручивание увели¬
чится. Если усиливать поле анода, то завитушки цик¬
лоиды начнут распрямляться. Силы таких противо¬
положно действующих полей в магнетроне подбира¬
ются так, чтобы виток циклоиды не достигал анода, а
электрон не попадал на анод.
Помимо постоянных полей, на электрон действует и
переменное поле, возникающее в контурах магнетро¬
на. Контуры здесь тоже объемные. Они помещают¬
309

ся прямо в аноде. Это и есть те самые камеры, из-за
которых прибор назвали многокамерным магнетро¬
ном. Каждый такой контур включает в себя саму ка¬
меру, представляющую собой круглую полость, и при¬
мыкающую к ней щель. В полости сосредоточе¬
но магнитное поле, поэтому полость аналогична
катушке контура, рассмотренного в главе 2 (2.27—
2.31).
А в щелях сконцентрировано электрическое поле,
как в конденсаторах контуров 2.27—2.31.
Силовые линии магнитного поля перпендикулярны
плоскости чертежа и в момент, изображенный на на¬
шем рисунке, направлены в сторону от читателя (крес¬
тиком условно обозначен хвост стрелки, направленной
острием в плоскость чертежа).
Заполняющие щель силовые линии электрического
поля лежат в плоскости чертежа.
Если длина генерируемых магнетроном волн сос¬
тавляет 3 сантиметра, силовые линии в камерах и ще¬
лях будут изменять свое направление в течение каж¬
дой секунды 10 000 000 000 раз.
3.19
Так же как и в клистроне, поле контура может уско¬
рить или замедлить электрон, пролетающий мимо, в
зависимости от того, какая полуволна колебаний воз¬
никает в камере в Этот момент. Попав в тормозя¬
щее поле одной из камер, электрон отдает ему часть
энергии. Из-за этого силы его иссякают раньше, чем он
успевает вернуться к катоду, и в точке А скорость его
становится равной нулю. Но здесь он подхватывается
полями соседней камеры-контура, приобретает но¬
вые силы, и в этой же точке начинает новый ви¬
ток. Второй виток приводит его к следующей каме¬
ре (точка В).
310

3.20
Камеры связаны между собой с помощью специаль¬
ных связок, но не подряд, а через одну. Если про¬
нумеровать их все по порядку, то все четные камеры
будут связаны между собой, а нечетные — между со¬
бой. Поэтому в определенный момент времени во
всех четных (или во всех нечетных) камерах действует
одна и та же полуволна.
А в камерах, расположенных рядом, колебания
противофазны: в тот момент, когда поле камеры 1 тор¬
мозит электроны, поле камеры 2 будет их ускорять. Но
пока электрон удалялся от 1-й камеры и подлетал ко
2-й по второму витку, прошло как раз полпериода ко¬
лебаний. Знаки в камерах переменились — теперь тор¬
мозящее поле возникло в камере 2.
Все тут рассчитано очень точно: облетая поочеред¬
но все камеры, электрон каждый раз поспевает как раз
в те моменты, когда в камере действует тормозящая
полуволна, заставляющая его отдавать часть энергии.
В конце концов электрон отдаст всю энергию контурам
и упадет на анод.
3.21.
Иная участь постигнет его неудачливого собрата,
если тот чуть-чуть запоздает и подлетит к камере 1 в
момент действия ускоряющей полуволны. Получив от
нее дополнительную энергию, он полетит, завершая
виток циклоиды, и достигнет катода раньше, чем ско¬
рость его станет равной нулю. Ударившись о катод, он
отдаст ему весь остаток своей энергии и выйдет из
дальнейшей игры.
Вслед за ним на катод попадут все электроны, ока¬
завшиеся не в фазе с переменным напряжением ка¬
мер. А поскольку они отдают катоду остатки энергии,
то «электронный дождь» не охлаждает, а разогревает

НАИВНОСТЬ И
ТВОРЧЕСТВО
катод. Разогрев бывает настолько значительным, что
часто нить накала магнетрона раскаляют только в на¬
чале процесса, а когда магнетрон начнет генерировать,
накал отключают.
3.22
Электроны, попавшие в фазу, взаимодействуют с
полем камер по-разному, так как в момент тормозя¬
щей полуволны напряжения они находятся на различ¬
ных участках циклоид.
Чем быстрее летит электрон, тем сильнее он
тормозится. Более медленные догоняют более быст¬
рых, сбиваются в «сгустки», и эти «сгустки» вра¬
щаются, словно спицы крутящегося колеса.
Энергия, отданная электронами, находящимися в
«сгустках», поддерживает колебания в контурах (каме¬
рах) магнетрона.
Частота колебаний электромагнитных волн равна
собственной (резонансной) частоте контуров и может
достигать 10 000 и даже 100 000 мегагерц. Петлей,
введенной в одну из камер, отбирают энергию колеба¬
ний и направляют к антенне для излучения сантиме¬
тровых или миллиметровых волн.
3.23
Вращаясь по кругу, электрон действует сразу на
несколько камер. Бегать по кругу электрон вынужден
под действием магнитного поля.
Благодаря повторяющемуся воздействию «сгуст¬
ков» в камерах магнетрона возникают мощные коле¬
бания: мощность в импульсе составляет сотни и тысячи
киловатт. Эти импульсы поступают в антенну лока¬
ционной станции, которая и направляет их на цель
(самолет, ракету).
Как ни сложны происходящие в магнетроне про¬
цессы, в основе их лежит тот же принцип, с которым
мы сталкивались во всех электронных приборах:
взаимодействие заряженных электронов с силами
постоянных и переменных полей.
Даже при первом коротком знакомстве с основными
типами сверхвысокочастотных электронных приборов
становится ясно, как многообразны и принципы и кон¬
струкции, порожденные диапазоном СВЧ. Но одна чер¬
та роднит все рассмотренные приборы: всюду использо¬
ван резонанс. И в этом, если хотите, их общая
слабость: все они хороши до тех пор, пока частота сиг¬
нала совпадает с собственной частотой контуров. А если
нужно изменить частоту генерации?
312

В клистроне для этого изменяют напряжение на от¬
ражателе. Но таким способом можно перестроить часто¬
ту лишь в небольших пределах: до тех пор. пока сигнал
способен раскачивать контуры. А это возможно только в
том случае, если частота «толчков» близка к собствен¬
ной частоте контура (см. 2.33—2.351.
Менять же настройку контура — дело довольно
сложное. С подобной проблемой встречаемся мы и в
приемниках: чтобы усилить другие частоты, надо пере¬
строить их контуры.
Долгое время с этим мирились. Казалось, придумать
тут ничего невозможно: у всех приборов один и тот же
дефект. На одной частоте они могут работать прекрасно,
но нет никакой возможности изменять частоту в широ¬
ких пределах или усилить такие сигналы, в которых со¬
держится множество разных частот.
И тут нашелся изобретатель, который, столкнувшись
с проблемой, задал ряд наивных вопросов. Почему обя¬
зательно контур? Почему обязательно резонанс?
Наивность эта закономерна: откуда мог знать авст¬
рийский архитектор Р. Компфнер все трудности, кото¬
рые пришлось преодолеть при разработке электронных
приборов, предназначенных для сверхвысоких частот?
Но электронике посчастливилось. Именно архитекто¬
ру, а вовсе не физику могли прийти в голову такие наив¬
ные вопросы. Путь, избранный Р. Компфнером, был
весьма неожиданным: он решил отказаться от контура и
добиться взаимодействия между пучками электронов и
бегущей рядом электромагнитной волной.
Но как заставить бежать рядом друг с другом волну
и поток электронов? Волна бежит со скоростью света,
электроны — медленнее в 10 -15 раз. И тут снова элект¬
ронику выручила древняя мудрость: если гора не может
пойти к Магомету, может быть, к горе пойдет Магомет?
313

Электрон отстает от волны? Прекрасно. А почему не
уменьшить скорость волны? Опять вопрос, который спе¬
циалист мог расценить как наивный. Волна может дви¬
гаться только со скоростью света, а изменить скорость
света никому не дано.
Но Р. Компфнер, задавшись таким наивным воп¬
росом, ответил на него творчески. Раз нельзя тормо¬
зить бегущие волны, может быть, можно сделать
более длинным их путь? И он заставил волну бежать
по спирали.
По виткам волна бежит со скоростью света. А как
скоро она достигнет другого витка? Сообразить нет¬
рудно: от витка к витку волна побежит во столько
раз медленнее, во сколько раз расстояние между вит¬
ками меньше длины самого витка.
А рядом бегут электроны. Сначала они волну чуть-
чуть обгоняют, затем она начинает их тормозить. При
этом волне передается энергия. И если в клистроне
и магнетроне электрон отдает энергию резонатору
в тот короткий момент, когда пролетает мимо, то
здесь взаимодействие электронов с волною происходит
на всем их пути. Потому и эффект усиления стал куда
ощутимей: клистрон усиливал сигналы раз в десять, а
прибор, созданный Р. Компфнером,— в миллион раз.
Да притом никаких резонаторов и никаких перестроек!
Лампа может работать в широчайшем диапазоне ча¬
стот. Ее назвали лампой с бегущей волной.
Рассказывая о Р. Компфнере и стремясь подчерк¬
нуть оригинальность его решений, мы несколько раз
употребили слово «наивность».
Однако неправильным был бы вывод, что, обладая
одной лишь наивностью, можно создать оригинальный
электронный прибор. Не случайно же архитектор
Р. Компфнер параллельно с разработкой своей идеи
защитил диплом инженера по электронике, а затем
за созданный прибор получил звание доктора
физики.
ТОННЕЛИ
ВЗАМЕН
ПРОВОДОВ
Как видите, сантиметровые волны электроника до¬
бывала нелегким трудом. Пришлось создавать усили¬
тельные и генераторные лампы сложной конструкции.
Кроме того, прием импульсов сантиметровых волн
был связан с проблемой полосы усиливаемых частот.
И даже «доставка» сигналов от генератора до антен¬
ны и от антенны до входа приемника превратилась
в такую проблему, решить которую было не так-то
легко. До перехода на диапазон СВЧ-колебаний сигнал
подавался по проводу. Но все обычные представления
становятся непригодными, лишь только дело доходит ^
до сверхвысоких частот.
Сравните ток, создаваемый СВЧ-генераторами, и
314

обычный промышленный ток. И тот и другой изменя¬
ются по синусоиде, но ток СВЧ совершает 10 000 000 000
колебаний в секунду, а ток, текущий но проводу
вашей квартиры, всего 50. Во столько же раз отлича¬
ются волны: в СВЧ-генераторе — 3 сантиметра, в про¬
воде — 6 000 километров. На всей длине электропере¬
дачи, соединяющей Куйбышевскую ГЭС со столицей,
умещается всего лишь четверть волны! Зато при
СВЧ-колебаниях на проводе в несколько сантиметров
умещается несколько волн. Провод длиной в 7,5 мил¬
лиметра (четверть волны длиной 3 сантиметра) уже
работает как антенна, рассеивая в пространство энер¬
гию СВЧ. Кроме того, с ростом частоты колебаний тока
все ощутимее становятся потери внутри провода, по ко¬
торому течет переменный ток. Причина этих потерь —
так называемый скин-эффект. «Так называемый»...
Часто мы произносим эти слова, когда не знаем, как
объяснить то или иное название. Но что касается
скин-эффекта, то в данном случае нетрудно понять,
почему «так называемый» назван именно так.
В переводе с английского скин означает поверх¬
ностный слой. В этом слове и заключается основная
суть названного этим словом эффекта: высокочастот¬
ные переменные токи предпочитают течь не внутри про¬
водника. а по его наружному слою. «Предпочитают»?
Вряд ли это слово применимо в отношении образующих
переменный ток электронов. Собственной волей элект¬
роны не обладают. И если в каких-то условиях они что-
то «предпочитают», значит, эти условия заставляют их
именно это «предпочитать».
Причина возникновения скин-эффекта заключается
в возникающем по законам индукции противодей¬
ствующем ноле. Магнитные силовые линии противо¬
действующего поля сосредоточены в районе центра се¬
чения провода, поэтому текущий здесь ток много слабее,
чем ток у поверхности проводника. В направлении от
центра к поверхностному слою (то есть к тому самому
«скину») поле ослабевает, а плотность тока растет.
Читатель, конечно, помнит о великом открытии
М. Фарадея: индукция возникает там, где происходят
какие-то изменения. В интересующем нас скин-эффекте
изменяется (колеблется) текущий по проводу ток. Чем
больше частота таких изменений, тем больше влияет
индуцируемое противодействующее поле, тем сильнее
проявляет себя скин-эффект.
Отсюда следует важное свойство: сверхвысокочас¬
тотные токи всегда текут по тонкому наружному
слою, по самой поверхности проводов.
Надо заметить, что подобный эффект может прояв¬
ляться и на низких частотах при высокой проводи¬
мости и малом сопротивлении проводника. Нап¬
ример, в медном проводе с диаметром в несколько
315

сантиметров носители заряда (электроны) тоже кон¬
центрируются в наружном слое проводника.
При концентрации тока в наружном слое возра¬
стает сопротивление: ведь одно дело, если вода течет
по широким трубам, а другое— если пустить ее по уз¬
кому зазору между двумя вставленными одна в другую
трубами. За счет большого сопротивления энергия
СВЧ-колебаний начинает расходоваться на нагрев про¬
водов. Короче, провод для передачи СВЧ-колебаний
непригоден. Поэтому энергию, колеблющуюся со сверх¬
высокой частотой, транспортируют без проводов. Как?
Прямо через пространство.
Однако пространство должно быть ограничено,
иначе волны побегут во все стороны, энергия расте¬
чется и в нужное место придет лишь ничтожная
ее часть. Чтобы этого не случилось, волну транспорти¬
руют по специальным каналам, подобным тоннелю
метро. Тоннель называется волноводом.
Поле внутри волновода имеет сложный характер.
Поперек волновода возникают стоячие волны, а вдоль
оси энергия переносится на бегущей волне. Щель
в резонаторе, размеры которой соизмеримы с волна¬
ми, может служить антенной. Иногда к щели примыкает
рупор, собирающий волны в узкий направленный луч.
Теория, созданная Дж. Максвеллом, позволяет
предвидеть, как поведут себя волны, и рассчитать раз¬
меры стенок самого волновода и размеры антенны для
создания тонких лучей.
316

ПОЛЕ — ЭТО ХОЛОДНЫЙ огонь
3.24
Сколько времени жарится утка? Около часа. А мож¬
но поджарить ее за 6 минут. Для этого созданы чудо-
печи. В них нет ни дров, ни газа, ни раскаленных спира¬
лей. На чем же жарится утка?
На магнетронах!
3.25
Если между обкладками конденсатора поместить
материал с бесконечно большим сопротивлением (иде¬
альный изолятор), ток по нему не потечет.
Но в природе нет ничего идеального, и даже лучшие
изоляторы являются пусть плохими, но все же провод¬
никами тока. Тело утки, как, впрочем, и всех других
теплокровных, как раз относится к категории плохих
проводников. Оно содержит растворы разных солей, а
те, в свою очередь,— ионы (см. 1.24, 1.25 и раздел
«Путешествие по ванне»). При воздействии на такой
«проводник» электрического поля по нему течет
ток.
Однако утка проводит слабо не только электричес¬
тво, но и тепло. Поэтому, если мы поджариваем ее на
огне, где она греется медленно и неравномерно,
она может подгореть снаружи и остаться сырой
внутри.
Зато поле пронизывает всю тушку утки, и ток, выз¬
ванный им, нагревает ее равномерно. И чем выше час¬
тота поля, тем больше выделяется тепла. Источником
таких колебаний может служить магнетрон.
3.26
Высокочастотное «холодное пламя» нашло себе
множество применений. С его помощью размягчают
стекло, чтобы придать ему нужную форму, прессуют
пластмассу, вулканизируют резину, сушат хлопок и
шерсть.
Широко использует это «пламя» пищевая промыш¬
ленность. На нем коптят ветчину, сушат табак и са¬
хар, уничтожают личинки мучных червей.
Остроумно устройство электронной «швейной ма¬
шины». Между обкладками конденсатора протягивают¬
ся две кромки пластмассы или резины. Под действием
поля кромки спекаются и образуется шов. Шов без вся¬
ких отверстий — что может быть лучше для изготовле¬
ния надувных матрацев, лодок, водоплавающих игру¬
шек, непромокаемых чехлов и плащей!
317

3.27
В отличие от неидеальных изоляторов и плохих про¬
водников, нагреваемых электрическим полем, вернее,
токами, вызванными им по закону Ома, металлы нагре¬
ваются магнитным полем, точнее индуцируемыми этим
полем вихревыми токами. Этот эффект широко исполь¬
зуется в так называемых индукционных печах. В них ем¬
кость (тигель) с металлом, подлежащим переплаву, ох¬
ватывается катушкой больших размеров. Количество
металла может измеряться тоннами, а мощность пе¬
чей — мегаваттами. Технология такого переплава име¬
ет много преимуществ.
Способность магнитного поля проникать внутрь ме¬
талла позволила осуществлять плавку настолько быст¬
ро, что металл не успевает окислиться, а это весьма
улучшает качество плавки.
3.28
Очень часто бывает необходимо повысить проч¬
ность стальных деталей всевозможных машин и прибо¬
ров. Для этого их можно подвергнуть закалке с по¬
мощью ультравысоких частот (УВЧ). (Напомним, что к
области УВЧ относятся волны метрового и дециметро¬
вого диапазона, а с более коротких (сантиметро¬
вых) волн начинается диапазон сверхвысоких частот
(СВЧ).
При закалке металлов токами УВЧ эти токи цирку¬
лируют только в наружном слое металла. Поверхность
его раскаляется, а внутри он остается холодным и сох¬
раняет пластичность. Действуя поочередно то водой, то
«высокочастотным пламенем», получают детали
лучшего качества — высокую прочность снаружи и уп¬
ругость внутри.
3.29
А вот примеры «самообслуживания»: использова¬
ние средств, созданных электроникой, для своих же
собственных нужд. Пайка стекла с металлом на стыке
баллонов с цоколем ламп и электронных трубок осу¬
ществляется с помощью высокочастотных полей.
Для создания высокого вакуума необходимо уда¬
лить из деталей газ. Для этого баллон помещают меж¬
ду витками катушки. После докрасна раскаляет детали
внутри баллона, газ из них улетучивается, а затем от¬
качивается из баллона.
Чистый кремний или германий для производства
полупроводниковых приборов получают опять-таки пу¬
тем расплавления кристаллов в вакууме с помощью вы¬
сокочастотных полей.
318

До сих пор речь шла только о мирных «профессиях»
электрона. Вместе с тем хорошо известно, что им¬
пульсы сантиметровых волн, собранные в узкий на¬
правленный луч радиолокационной антенной, стали
весьма эффективным оружием со времен второй миро¬
вой войны. Не случайно именно в военных радиолокаци¬
онных устройствах получали «путевку в жизнь» и пер¬
вое «боевое крещение» и магнетрон, и клистрон, и лампа
с бегущей волной. Но радиолокационные станции —
это лишь одна сторона дела. А вторая...
В одну из темных февральских ночей 1942 года два
немецких линкора «Шарнгорст» и «Гнейзенау» и крей¬
сер «Принц Ойген» вышли из Бреста, блокированного с
моря кораблями английского флота, и прошли через Ла-
Манш. Ни одна из сотен английских станций не сумела
их обнаружить — экраны локаторов «ослепли» от не¬
мецких станций помех.
Так началась великая битва средств электроники, не
прекращавшаяся в течение всей мировой войны.
Более четырех десятилетий минуло со дня окончания
этой войны, но картины ее грандиозных сражений до сих
пор живы в памяти современников. Даже те, кто не при¬
нимал в них участия, представляют себе размах и же¬
стокость этих битв по фильмам, по литературе, по рас¬
сказам ветеранов войны.
Зато даже у непосредственного участника осталось
порой не очень четкое представление о другом виде сра¬
жений — непрерывного состязания излучаемых в окру¬
жающее пространство невидимых волн.
А ведь исход большинства операций в значительной
степени зависел от умелого применения средств элект¬
ронной техники. Вот несколько эпизодов.
Для наведения своих бомбардировщиков на города
Великобритании немцы установили на завоеванных тер¬
риториях Бельгии, Голландии, Франции специальные
радиомаяки. Узкий луч маяка помогал немецкому лет¬
чику точно выдерживать намеченный курс.
Попытки подавить эти сигналы не приносили успеха:
как только работа маяка нарушалась, на смену ему под¬
ключался маяк на другой частоте. Тогда англичане изб¬
рали иной метод противодействия: они построили на
своей территории станции, способные принимать и вновь
излучать (ретранслировать) сигнал немецких радио¬
маяков. Окраска сигнала не изменилась, но направле¬
ние, указанное немецкому летчику узким лучом ретран¬
сляционной станции, уводило его от цели, направляя
на ложный путь. Был даже случай, когда ложный сиг¬
нал заставил немецкого летчика приземлиться на тер¬
ритории Англии: садясь на аэродроме в Девоншире, он
до последних мгновений был твердо уверен, что приле¬
тел в оккупированную немцами Францию, на собствен¬
ный аэродром.
ЭПИЗОДЫ
ПРОШЛОЙ
ВОЙНЫ
319

Иногда ложный сигнал заставлял немцев сбрасы¬
вать бомбы не на цель, а на пустынную местность или в
Ла-Манш. В конце концов немецкие летчики перестали
верить и чужим и своим маякам.
Тогда немецкое командование пошло на военную
хитрость. Их радиостанции стали транслировать в Анг¬
лию пропагандистский текст. Жители Лондона вскоре
заметили одно странное обстоятельство: всякий раз пе¬
ред прилетом «гостей» из Германии голос немецкого
диктора начинает звучать сильнее. В то же время в окре¬
стностях Лондона он становился едва различимым. Об¬
стоятельство это заинтересовало разведку, но долгое
время она не могла найти ему объяснения. Оказалось,
пропаганда была тут лишь маскировкой, а назначение
станции совсем иное: она наводила самолеты немцев на
Лондон. Для этого незадолго до вылета изменялся ре¬
жим излучения: вместо обычной антенны включалась
антенна направленная, и волны шли узким лучом. Этот
луч направлялся на Лондон, поэтому в Лондоне сигнал
усиливался, а в окрестностях исчезал.
Когда хитрость была разгадана, бороться с ней ста¬
ло легко. Вновь использовали ретрансляцию, и опять не¬
мецкие бомбы полетели в Ла-Манш.
ЭЛЕКТРОНЫ
ВЕДУТ
СРАЖЕНИЕ
Давно отгремели залпы орудий и взрывы авиабомб в
битвах второй мировой войны. Люди борются за сохра¬
нение мира. Мировая война закончилась, а электрон¬
ная — нет. Она ведется без передышки, без перемирий,
без объявления многие годы подряд. Специалисты по
электронике ведут «битву» в лабораториях и цехах.
Идет борьба за точность аппаратуры, за надежность и
быстродействие, и каждое новое достижение — это оче¬
редная победа в непрерывной «электронной войне».
Средства, которые использует в этой «войне» элект¬
роника, распределены по родам ее «войск». Есть средст¬
ва защиты, нападения, разведки и маскирующие лучи.
Радиолуч может быть очень опасным; правда, он не не¬
сет в себе смерть, зато предвещает ее. Если позволить
ему беспрепятственно «ощупывать» пространство, он
направит снаряд, бомбу или ракету точно на цель.
Отсюда вывод: с лучами надо бороться. Как?
Нашлось множество средств. Разработаны материа¬
лы, поглощающие радиоволны. Если цель покрыта та¬
ким материалом, волна от нее отражаться не будет, им¬
пульс не возвратится к локатору или вернется настоль¬
ко ослабленным, что цель на экране не будет замечена.
В конце 1988 года американцы оповестили мир о созда¬
нии самолета-невидимки.
А можно решить вопрос по-другому. Пусть себе от¬
ражаются импульсы, но их все равно нельзя зафиксиро¬
320

вать, если одновременно с отраженным сигналом пос¬
лать к приемнику станции более мощный сигнал помех.
Частоты помех должны совпадать с частотой излучае¬
мых импульсов. Чтобы определить его настройку, надо
исследовать излученный сигнал. Для того и ведется
разведка: специальные разведывательные приемники
ловят, записывают, анализируют излученный сиг¬
нал.
Радиомаскировка затрудняет разведку: среди мно¬
гих маскирующих сигналов, излученных на разных ча¬
стотах, не всегда обнаружишь опасный. Если сигнал
расшифрован, противник будет использовать специ¬
альные станции, излучающие помехи в диапазоне частот
этого сигнала. Однако и при помехах станция может
работать нормально, если предусмотреть специальные
средства, позволяющие отличить собственные сигналы
от посторонних помех. Модулируя сигнал специальными
кодами, можно создать такие системы, которые при на¬
личии помех противника способны будут обнаруживать
цели, определять их координаты, осуществлять наводку
орудий, управлять ракетой, обеспечивать связь.
Так в сложном взаимодействии электронных уст¬
ройств и приборов рождается тактика электронной вой¬
ны.
В числе многих специальностей электрона специаль¬
ность военная в наше тревожное время играет, к сожа¬
лению, далеко не последнюю роль. И нам, людям, стре¬
мящимся к миру, надо помнить об этом и хорошо пред¬
ставлять себе, какую роль в деле защиты нашей страны
от агрессии должен играть электрон.
Без электронных приборов современную армию пред¬
ставить себе невозможно. Электроника стала неотъем¬
лемой частью ее организма, если хотите — ее нервной
системой. С помощью электроники осуществляется
связь между подразделениями и со штабом. С ее по¬
мощью обнаруживаются цели противника, она обеспе¬
чивает точность стрельбы. А еще беспилотные само¬
леты, танки, ведущие бой без танкистов, ракеты, меняю¬
щие траекторию по команде с земли.
Без электроники воевать уже невозможно. Но разра¬
ботчикам современной военной техники всегда прихо¬
дится помнить, что электроника — палка о двух концах.
Большинство применяемых в военном деле приборов
излучают в пространство волны. А где гарантия, что эти¬
ми излучениями не воспользуется противник?
Команду, переданную по радио, он может подслу¬
шать. Код, применяемый для сохранения тайны, можно
расшифровать. По излучениям системы управления и
локационных станций можно судить о том, где располо¬
жены части и что они намерены предпринимать. Зная
ПАЛКА О ДВУХ
КОНЦАХ
21 Е. Седов
321

характер сигналов, можно создать помехи в рабочем ди¬
апазоне частот.
Вот почему целая отрасль электроники занимается
разработкой предназначенных для разведки приборов,
которые могут не только обнаружить сигналы, но и запи¬
сать их на пленку, с помощью ЭВМ произвести анализ,
определить их назначение и «окраску», то есть исследо¬
вать их спектральный состав.
Известно, что Германией еше в прошлой войне на¬
чали применяться ракеты, управляемые по радио. Со
своих орбит они посылали на свою базу сигналы для
контроля скорости и высоты. Приборы-разведчики анг¬
личан не только улавливали эти сигналы, но и расшиф¬
ровывали команды, которыми управлялись ракеты. Анг¬
лийские специалисты создали аппаратуру для излуче¬
ния ложных команд, по которым ракеты, не достигнув
намеченной цели, начинали сбиваться с курса и падать.
Радиопротиводействие оказалось столь эффективным,
что немцам пришлось отказаться от радиоуправления и
положиться на гироскоп.
От степени осведомленности относительно радио¬
средств армии противника в значительной мере зависит
исход войны. Командование вооруженных сил совре¬
менной Америки стремится, не считаясь со средствами,
выведать характеристики электронных систем и прибо¬
ров, которыми вооружены армии социалистических
стран. Тысячи станций радиоперехвата, установленных
на кораблях, самолетах и базах, и несколько тысяч опе¬
раторов, ведущих разведку, содержит Национальный
совет безопасности США.
Многие, очевидно, помнят, как в свое время амери¬
канцы пытались вести разведку радиосредствами, уста¬
новленными на воздушных шарах. Теперь вместо ша¬
ров запускаются спутники.
В последние годы целый ряд американских фирм, в
том числе и такой гигант, как «Дженерал электрик»,
специализируется в области миниатюрных приборов,
позволяющих осуществлять шпионаж. Чего только нет
у них в прейскуранте!
Миниатюрные телекамеры и магнитофоны, которые
можно упрятать в мебель, в картины и в стены. Прием¬
ники для подслушивания, вмонтированные в тюбик губ¬
ной помады, в авторучку, в чехол от часов. Созданы
микрофоны, имеющие форму тонкой пластинки, которую
очень удобно подсунуть под дверь.
Забегая вперед, отметим одно из применений новей¬
шей лазерной техники, не касаясь пока всех прочих воз¬
можностей лазеров, о которых читатель узнает в следу¬
ющей главе.
Содержащийся в человеческом голосе спектр звуко¬
вых частот порождает воздушные акустические волны,
которые, в свою очередь, заставляют вибрировать окон-
322

ные стекла. Этих тончайших вибраций оказалось доста
точно для модуляции звуковыми частотами направляе¬
мого на окна лазерного луча. С помощью светочувстви¬
тельного диода колебания яркости или фазы отражен¬
2Г
323

ного от оконных стекол лазерного луча превращаются
в переменный ток звуковых частот. Усилив полученный
ток, можно заставить вибрировать мембрану динамика
и узнать таким способом, о чем беседуют люди, находя¬
щиеся в помещении, удаленном на десятки метров от то¬
го места, где расположен предназначенный для под¬
слушивания лазерный аппарат. Разумеется, при же¬
лании разговор может быть зафиксирован на кас¬
сете и превращен в сохраняемое до нужного срока
досье.
Надо заметить, что все использующие новейшие до¬
стижения электроники средства подслушивания пользу¬
ются очень широким спросом: ими снабжаются государ¬
ственные агенты, засылаемые в глубь чужих террито¬
рий, а также агенты служб безопасности и частные ли¬
ца, осуществляющие слежку и шпионаж среди граждан
своей страны. Сознавая, что «второй конец палки» .мо¬
жет в любой момент ударить тех, кто прибегает к помо¬
щи этих приборов, фирма «Клифтон» в конце прейску¬
ранта разработанных ею новинок поместила красноре¬
чивый текст: «Будьте осторожны! Во многих странах
мира действуют законы, запрещающие использование
некоторых из перечисленных выше аппаратов. Дело по¬
купателя (а никак не продавца) выяснить у юриста, ка¬
ким образом эти законы могут применяться в отноше¬
нии использования каждого из приобретенных изде¬
лий».
«Будьте осторожны!..» Но осторожность не гаранти¬
рует от неприятностей, поскольку, помимо разведки,
существует и контрразведка, которая тоже поль¬
зуется новейшими электронными средствами, и пото¬
му «палка» может в любой момент ударить вторым
концом.
А как было бы славно, если бы электронная техника
использовалась только для расширения и укрепления
коммуникаций, способствующих взаимному доверию
между всеми народами мира и тем самым полностью
исключающих шпионаж!
СИГНАЛЫ
ПРОТИВ
СИГНАЛОВ
Вход приемника локационной станции — это своего
рода горло. Антенна приемника подобна открытому рту.
Если частоты помехи совпадают с полосой частот, кото¬
рые принимает станция, приемник «проглотит» с одина¬
ковым аппетитом и свой и чужой сигналы. И станция
«захлебнется», если помеха будет намного мощнее, чем
собственный отраженный импульс.
Подавление локационных станций противника
мощной помехой часто использовалось в прошлой
войне.
Для защиты города Бремена от налетов бомбарди¬
ровщиков немцы использовали зенитные батареи, уп-
324

равняемые станциями орудийной наводки (СОН) типа
«Вюрцбург».
Разведка союзников установила, что несущая часто¬
та этих станций равна 560 мегагерцам. Летом 1943 года
бомбардировщики 8-й американской воздушной армии
были оснащены передатчиками типа «Карпет», которые
излучали помеху — спектр частот при средней частоте
560 мегагерц. В октябре 1943 года подвели первый итог:
самолетов с «Карпетом» было сбито в два раза, меньше,
чем без него.
Помехи — метод весьма эффективный. Если радио
играет роль нервной системы армии, то помехи являют¬
ся средством, способным эту систему почти полностью
парализовать. Уяснив эту истину, союзные армии при¬
меняли разнообразные средства противодействия в ми¬
нувшей войне. На базе «летающей крепости» типа
В-29 американцы создали «комбайн» всевозможных по¬
мех. На борту «летающей крепости» стояло 18 пере¬
датчиков, разведывательные приемники, а антенн приш¬
лось поставить так много, что самолет весь «ощети¬
нился» и получил прозвище «дикобраз».
Однако нет в электронике метода, против кото¬
рого нельзя было бы найти новых защитных
средств.
Два конца палки — случай довольно-таки тривиаль¬
ный. Можно вспомнить историю со множеством разных
концов. Первым «концом» одной из подобных историй
была установка на немецких истребителях радиолока¬
ционных станций, осуществлявших прицеливание и пе¬
рехват. Вторым «концом» англичане воспользовались
сразу: вскоре они уловили эти сигналы и определили
диапазон их частот. Тут же был создан и третий «ко¬
нец»: английские бомбардировщики были снабжены
станциями помех.
Вы думаете, этим «концы» исчерпались? Ничуть не
бывало! Немецкие летчики научились вести истребите¬
ли на сигналы помех, словно на радиомаяки!
Снова чаша весов потянула в сторону истребителей,
и снова было найдено средство борьбы.
Раз помехи, излучаемые с борта бомбардировщика,
помогают противнику, значит, надо излучать эти поме¬
хи с земли. Вдоль южного побережья Англин располо¬
жились громадные американские передатчики «Туба».
От их мощных сигналов истребители немцев «слепли»
еще в Европе, а английские бомбардировщики, избавив¬
шись от преследователей, спокойно летели к дому через
Ла-Манш.
В современных условиях помехи стали столь эффек¬
тивными, что найти третий «конец» палки теперь бывает
не так-то легко.
В августе 1958 года взрыв атомной бомбы, произве¬
денный американцами на острове Джонстон, нарушил
325

часов.
Атомный взрыв рождает огромное количество элект¬
ронов в виде быстрых бета-частиц. В магнитном поле
Земли электроны ведут себя так же, как в поле магнит¬
ной линзы, описанной в новелле «Фигуры высшего пило¬
тажа» предыдущей главы: электроны «входят в штопор»
и движутся вдоль силовых линий магнитного поля Зем¬
ли.
Зная структуру магнитного поля Земли, можно нап¬
равить в любую область огромную массу возникших при
взрыве бета-частиц.
В руках людей сосредоточена теперь такая энергия,
326

что по сравнению с ней Земля стала казаться маленькой,
кроткой старушкой под прозрачной вуалью магнитного
поля и бесчисленных радиоволн. Старушка очень обес¬
покоена: что, если, увлекаясь своими опасными играми,
дети зайдут чересчур далеко?
Большого эффекта иногда удается достичь очень не¬
сложными средствами. Простым способом противодей¬
ствия является применение отражателей, например,
обыкновенной фольги.
Самолет сбросит куски металлизированной ленты, и
на экране локаторов появится ложная цель. «Глаза
артиллерии» начнут следить за ложными целями, а
вслед за «глазами» стволы орудий автоматически по¬
вернутся в ту сторону, куда направлены зеркала лока¬
ционных антенн.
Значит, ложная цель может служить не только «для
отвода глаз» — вместе с «глазами» она «отведет» и
снаряд.
Лента фольги весит немного. Каждый из самолетов
может иметь на борту такое ее количество, которое поз¬
воляет создать на экранах локаторов ложный массиро¬
ванный налет.
До 700 ложных целей удавалось создать одному са¬
молету в годы минувшей войны! Пойди разберись, по
какой из 700 целей надо вести огонь! Простота этого
приема способствовала его популярности: за годы вой¬
ны на территорию фашистской Германии было сброше¬
но около 20 тысяч тонн фольги!
Для эффективного отражения применяются метал¬
лические отражатели всевозможных размеров и форм. В
годы войны с помощью таких отражателей «для отвода
глаз» бортовых станций бомбометания создавались це¬
лые «лжегорода».
Применялись специальные сетки, состоящие из та¬
ких отражателей. Сеть отражала большую часть энер¬
гии, и станция орудийной наводки автоматически нап¬
равляла орудия на эту ложную цель. Один самолет
«ловил в сети» снаряды противника, очищая путь всем
остальным.
В больших масштабах использовались средства
электронной войны летом 1944 года, когда высадкой
войск в Нормандии был открыт второй фронт.
Готовясь к встрече десанта,„немцы сосредоточили
на северном побережье Европы огромное количество
станций обнаружения, контролировавших все окружаю¬
щее пространство и каждый клочок земли. Артиллерий¬
ским огнем и ударами с воздуха союзники уничтожили
перед началом десанта около 80 процентов немецких
станций, а для подавления оставшихся средств против¬
ника было установлено около 700 станций помех.
ЦЕЛЬ ДЛЯ
ОТВОДА ГЛАЗ
327

ЭЛЕКТРОНИКА
ДЛЯ РАКЕТ
Началась грандиозная мистификация: над Ла-Ман¬
шем непрерывно курсировали самолеты союзников, соз¬
дававшие с помощью отражателей и специальных сиг¬
налов ложные цели то здесь, то там. Сбитые с толку
немецкие летчики были вконец измотаны множеством
ложных тревог.
Огромным количеством ложных сигналов и целей в
течение четырех с лишним часов союзники имитирова¬
ли движение десанта в направлении Булони и в конце
концов заставили немцев сосредоточить все силы в
районах Булони и Кале. А в это время войска союзников
высаживались в Нормандии, где оборона немцев бы¬
ла настолько ослаблена, что из 2127 кораблей, участ¬
вовавших в десанте, немцам удалось потопить толь¬
ко 6.
За годы, прошедшие после разгрома фашистской
Германии, в развитии техники произошел огромный ска¬
чок. Если раньше военная электроника применялась на
земле, на кораблях и на самолетах, то теперь ей
приходится создавать приборы и для многих типов
ракет.
Приборы эти должны быть легкими и компактны¬
ми, потому что объем ракет ограничен, и лишний вес
аппаратуры снизит дальность полета в несколько раз.
И вместе с тем приборы должны быть особенно прочны¬
ми: при перегрузках во время старта не должен выйти
из строя ни один элемент. Вопросы точности измерений
и быстроты обработки данных стоят здесь особенно ост¬
ро в связи с огромными скоростями ракет. Порой бывает
не так-то легко совместить в приборе все эти качества.
Но ведь и сама электроника в последние годы предо¬
ставила конструктору этих приборов много новых заме¬
чательных средств.
Если в прошлой войне в основном использова¬
лась аппаратура на лампах, то теперь почти вся военная
техника перешла на микросхемы и полупроводники. Да
и в схемных вопросах прогресс совершился немалый,
особенно в области логических, управляющих вычисли¬
тельных схем.
Все новейшие достижения используются при созда¬
нии новых типов ракет. Но и опыт прошедших лет не
пропадает даром. Старая тактика обретает новые фор¬
мы. Например, для помех наземным станциям и для
создания ложных целей теперь прибегают к помощи
тех же ракет.
Запускаются они с самолета, а управляются либо с
помощью радио, либо посредством собственных прог¬
раммных устройств. Обогнав самолет, с которого их за¬
пустили, они глушат станции, изучая помехи, и в слу¬
чае надобности могут служить ложной целью, прини¬
328

мая огонь на себя. Завершив операцию, такие раке¬
ты «кончают жизнь самоубийством» — взрываются,
чтобы сохранить в секрете все, что есть у них на
борту.
Ложные радиолокационные цели используются сов¬
ременной техникой и для межконтинентальных балли¬
стических ракет. В частности, в США разработа¬
ны способы окружения боевой головки ракеты обла¬
ком металлических осколков, образующих ложную
цель.
Но как доставить в космос эти осколки? Не загру¬
жать же ими ракету! Ведь каждый грамм, доставленный
на траекторию, оплачивается слишком высокой це¬
ной.
Выход нашелся очень простой. Ракета-носитель, до¬
ставив головку на траекторию, сыграла свою основную
роль. Теперь можно ее использовать в качестве лож¬
ной цели. После того как боевая головка вышла на тра¬
екторию и отделилась от ракеты-носителя, последняя
взрывается, превращаясь в облако осколков. На боль¬
шой высоте атмосфера сильно разрежена, и потому
осколки сопровождают ракету, двигаясь с той же
скоростью. Размеры облака достигают сотен квад¬
ратных километров. Маленькая боевая головка в
этом гигантском облаке совсем скрывается, и обна¬
ружить ее с помощью радиолокационных станций не¬
легко.
Еще во время второй мировой войны стали при¬
меняться самонаводящиеся ракеты или торпеды. На го¬
ловке снаряда ставились две антенны, излучавшие сиг¬
нал под утлом. Пока снаряд летит прямо к цели, сигналы
антенн одинаковы. Стоит ему чуть-чуть отклониться —
появляется разность сигналов, по которой автомати¬
ческое устройство снова направляет снаряд на цель. В
результате он летит по траектории, которую математики
называют «кривой погони». Охотники знают, что точно
так же волк догоняет зайца: пока косой не замечает опа¬
сности, он движется прямо, но, завидев погоню, начина¬
ет петлять. Волк же, так же, как снаряд с электронной
головкой, все время смотрит на цель.
Основоположник кибернетики Н. Винер рассказывал
о таком эпизоде. Однажды он находился в лаборатории
военного ведомства. Кроме него, никого в помещении
не было, но ему все время казалось, что кто-то за ним
неустанно следит. И тут он обнаружил, что тупая морда
торпеды, подвешенной на кронштейнах, поворачивалась
в ту сторону, куда перемещается он сам. Ощущение бы¬
ло не из приятных. Показалось, будто рядом с ним в
пустой комнате притаился безжалостный хищник, в
голове которого вместо мозга — смертоносный
заряд.
329

Впрочем, заряд без мозга — это еще не самое худ¬
шее. Когда кибернетика стала снабжать снаряды, раке¬
ты, торпеды «искусственным мозгом», хищники стали
намного опаснее, а общение с ними — гораздо страш¬
ней.
Так, например, в состав системы автоматического
управления самолетом-снарядом вводится система на¬
ведения, защищенная от помех. Принцип действия ее
любопытен. В «памяти» ее заранее заложена карта.
Другая карта той местности, над которой снаряд проле¬
тит, снимается с помощью панорамных локационных
устройств. ЭВМ сравнивает эти две карты, сопостав¬
ляет важнейшие ориентиры и, вырабатывая поправ¬
ки, передает их автопилоту. Самолет-снаряд, снаб¬
женный таким прибором, не могли сбить с курса при
испытаниях 6 станций помех. Он ведет себя, как че¬
ловек с идеальной памятью: если местность ему зна¬
кома, то отдельные ложные ориентиры его с пути не
собьют.
Разработанный электронный арсенал средств для ге¬
нерации волн сантиметрового диапазона сослужил тех¬
нике немалую службу и продолжает использоваться в
настоящее время. Но вслед за сантиметровыми волнами
технике понадобились еще и миллиметровые волны. Вот
гут уж оказались бессильными даже такие хитроумные
электронные средства, как магнетроны, клистроны и
лампы с бегущей волной.
Пришлось искать новые принципы и создавать новые
330

средства. Для генерации миллиметровых волн электро¬
ника предложила новые полупроводниковые приборы:
диод Ганна, туннельный диод,.лавино-пролетный диод.
С изобретением лазера длина самых коротких осво¬
енных электронной техникой волн стала короче милли¬
метровых волн еще в несколько тысяч раз.
Изобретение лазеров, о которых читатель узнает
подробнее в. главе «Электроны и кванты», положило
начало новому направлению — квантовой электронике.
А развитие квантовой электроники, в свою очередь, ста¬
ло новой главой истории укорочения волн.

ЭЮ
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
ЛАВИНЫ, ДОЛИНЫ, волны
3.30
Слова, использованные в качестве заголовка в этом
разделе, будят ассоциации с горной местностью на ка¬
ком-нибудь морском берегу (для полного ассортимен¬
та не хватает, пожалуй, лагун). Но речь пойдет не о гор¬
ных пейзажах, а о полупроводниковых приборах, испо¬
льзуемых для генерации миллиметровых волн. Терми¬
ны «лавина», «долина» используются специалистами
по электронике для описания тех процессов, на основе
которых функционируют электронные приборы под
названием диод Ганна и лавино-пролетный диод.
3.31
В результате замены вакуумных диодов и триодов
полупроводниковыми диодами и транзисторами в нес¬
колько раз сократились размеры и вес электронных
узлов, осуществляющих усиление, модуляцию, детек¬
тирование и другие виды обработки сигналов.
Что касается генерации сверхвысокочастотных
(СВЧ) сигналов, то тут монополия долгое время сох¬
ранялась за вакуумными приборами: известными уже
нам магнетроном, клистроном, лампой с бегущей вол¬
ной.
Громоздкость этих приборов не позволяла констру¬
ировать миниатюрные передатчики, столь необходи¬
мые для самолетов, спутников и ракет.
Начались активные поиски принципов генерации
СВЧ-колебаний с помощью полупроводников.
3.32
Полупроводниковые СВЧ-генераторы удалось соз¬
дать после того, как были обнаружены и исследова¬
ны возникающие в полупроводниках специфические
физические эффекты: эффект Ганна, лавинообразные
процессы возникновения свободных электронов и ды¬
рок, туннельный эффект.
По названию используемого для генерации СВЧ-ко-
лебаний диода можно судить о физических процес¬
сах, которые в нем происходят: диод Ганна, туннель¬
ный диод, лавино-пролетный диод.
3.33
При всех различиях принципов действия названных
выше диодов есть у них одно общее свойство: харак¬
теристика, отражающая зависимость текущего через
332

диод тока J от величины подведенного к нему напря¬
жения U, имеет обратный склон.
Эта особенность определяет отличие таких диодов
от других полупроводниковых или вакуумных диодов, у
которых ток всегда возрастает при увеличении разнос¬
ти потенциалов на их электродах.
3.34
Особенность ниспадающего участка характеристики
заключается в том, что при изменении напряжения в
пределах от U| до U2 положительное приращение на¬
пряжения + ди вызывает отрицательное приращение
тока — Д.). Это значит, что в интервале напряжений
между U: и U2 сопротивление диода
R =
+ди
—Ai
тоже имеет отрицательный знак.
На участках цепи, обладающих положительным соп¬
ротивлением, происходит поглощение энергии источ¬
ников тока. Эта энергия разогревает сопротивление R и
рассеивается в виде тепла.
При отрицательном же сопротивлении энергия не
поглощается и может превращаться из энергии пос¬
тоянного тока в энергию переменных токов сверхвы¬
соких частот.
3.35
За счет чего же образуется в лавино-пролетном
диоде режим, обладающий такими необычными свой¬
ствами? Какими физическими процессами обусловле¬
но уменьшение тока при увеличении напряжения от Ui
до и2?
333

т
Термин «лавина» очень точно характеризует проис¬
ходящий в таких диодах процесс. Он подобен горной
лавине, возникающей от того, что каждый падающий
камень вовлекает в эту лавину другие камни, встретив¬
шиеся ему в пути.
Роль камней в данном случае берут на себя электро¬
ны. Встретив на своем пути атомы, они вырывают
новые электроны с их наружных орбит.
Происходит лавинообразный процесс ионизации
атомов, приводящих к быстрому увеличению потока
движущихся навстречу друг другу электронов и ды¬
рок.
3.36
Лавинообразный процесс в лавино-пролетном дио¬
де возникает благодаря введению между участками с
р- и n-проводимостью дополнительного проводя¬
щего слоя, обозначаемого буквой i. Все три слоя обра-
334

зуют p-i-n структуру. А обладающие этой структурой
диоды сокращенно именуют pin-диодами. Один из
видов таких диодов и есть рассматриваемый нами ла¬
вино-пролетный диод.
3.37
Время, в течение которого лавинный поток зарядов
успевает возникнуть и достичь электродов диода, сос¬
тавляет всего лишь стомиллиардные доли секунды. В
ощутимых для нас временных масштабах такой вре¬
менной интервал не представляет собой даже мига.
Что же касается лавино-пролетных диодов, то им
этого мига вполне достаточно для того, чтобы в них ус¬
певал нарастать и спадать лавинообразный процесс.
В течение каждой секунды лавина возникает нес¬
колько миллиардов раз, в результате чего и происхо¬
дят колебания с частотой, измеряемой десятками ты¬
сяч мегагерц, которым соответствуют волны милли¬
метровой длины.
3.38
Однако такие волны могут появиться только в том
случае, если в определенном режиме работы диода
его внутреннее сопротивление приобретает отрицате¬
льный знак (см.: 3.32 и 3.33).
Отрицательное же сопротивление возникает из-за
того, что лавинообразный ток достигает максимальной
величины в тот момет, когда волна напряжения, ус¬
пев пройти через свой максимум, уже пошла на спад.
Специалист выразит ту же мысль много короче: ток
диода запаздывает по фазе относительно переменно¬
го напряжения на его электродах. Если время запазды¬
вания обозначить т3, а частоту колебаний напряжения
знаком f, то запаздывание по фазе составит 2лНъ.
335

3.39
Рассмотрим случай, когда лавинный ток за¬
паздывает по отношению к колебаниям перемен¬
ного напряжения СВЧ на 1 / 4 периода СВЧ-коле-
•|
баний, то есть т3= —Т, где Т — период СВЧ-колеба-
4
ний.
Заштрихованный на рисунке красным цветом учас¬
ток — это та часть периода Т, когда ток i уменьшает¬
ся, а напряжение U растет. Используя лаконичный язык
математики, запишем: AJ<0; AU>0; R==—<0.
—AJ
Переводя эти символы на общедоступный язык, мож¬
но сказать: сопротивление отрицательно потому, что
приращение напряжения и приращение тока противо-
воположны по знаку.
В следующую четверть периода, заштрихованную
на рисунке желтым цветом, будут одновременно ра¬
сти и ток и напряжение, поэтому приращения AJ и AU
положительны, а значит
R =	>0.
+ AJ
В таком режиме знак сопротивления изменяет¬
ся через каждую четверть периода колебаний,
значит, в течение каждого периода он изменится
четыре раза, то есть сопротивление успеет дважды
быть положительным и дважды стать отрицатель¬
ным, а в среднем за весь период оно будет равно
нулю.
336

3.40
В том случае, если ток J запаздывает относительно
напряжения U на полпериода
(тз —
2
ток будет всегда уменьшаться, когда возрастает на¬
пряжение, а когда напряжение падает — ток будет рас¬
ти. В этом случае в течение всего периода колебаний
AU и AJ имеют противоположные знаки, и сопро¬
тивление всегда отрицательно.
Именно этому условию
(тз = -^)
соответствует падающий участок характеристики, изо¬
браженный на рис. 3.33.
Достигается этот режим путем подбора соотноше¬
ния скорости нарастания лавинного тока и времени, за¬
трачиваемого электронами на преодоление располо¬
женной на их пути зоны проводимости i.
Регулирование соотношения скоростей движения
электронов и нарастания лавины осуществляется путем
изменения потенциалов на электродах диода.
3.41
Как уже отмечалось, диоды Ганна тоже имеют учас¬
ток характеристики с обратным склоном, которому со¬
ответствует отрицательное значение сопротивления R.
22 Е. Седов
337

СИГНАЛЫ
ВСЕЛЕННОЙ
Но возникает этот участок совсем не по тем причи¬
нам, что в лавино-пролетном диоде. Здесь причиной
служит физический эффект, который открыл в 1963 го¬
ду американский физик Дж. Ганн. Суть его заключает¬
ся в скачкообразном переходе находящихся в зоне
проводимости свободных электронов из одного устой¬
чивого энергетического состояния Е| в другое устойчи¬
вое состояние Ег. Устойчивые энергетические состоя¬
ния называют долинами. Увеличив разность потенциа¬
лов между электродами диода, можно перевести элек¬
троны с нижней долины с энергетическим потенциа¬
лом Ei на верхнюю долину с более высоким потен¬
циалом Е-2.
Перебравшись на верхнюю долину, электроны теря¬
ют подвижность. Получается так, словно на нижней до¬
лине электроны занимаются разными видами спорта, а
на верхнюю отправляются для расслабления и отдыха.
Верхняя долина — это своего рода солярий.
Увеличение разности потенциалов между электро¬
дами диода Ганна от Е| до Ег приводит к уменьшению
текущего через него тока вследствие потери подвиж¬
ности электронов, перебравшихся с нижней долины на
верхнюю. В результате и образуется ниспадающий
участок характеристики, показанный на рис. 3.33.
Благодаря отрицательному сопротивлению на этом
участке диод Ганна способен генерировать сверхко¬
роткие волны длиной до миллиметра, которым со¬
ответствует частота 30 тысяч мегагерц (30 гига¬
герц).
Третий собрат семейства обладающих отрицатель¬
ным сопротивлением диодов, носящий имя туннельно¬
го диода, обладает ниспадающим участком характе¬
ристик благодаря тому, что в нем возникает туннель¬
ный эффект.
Суть такого эффекта мы рассмотрим в главе «Элек¬
троны и кванты».
Создание сверхчувствительных приемных устройств
в диапазоне длин волн от долей микрона до многих
тысяч километров породило естественное желание
попытаться использовать эти устройства для установле¬
ния связи с разумными жителями далеких миров.
Ведь есть же где-то в бесконечных просторах Вселен¬
ной наши собратья по разуму, которые умеют излучать
и принимать сигналы не хуже, чем мы!
Что говорить, заманчиво было бы вступить с ними в
общение и познакомиться с цивилизацией, которая, воз¬
можно, опередила нашу, скажем, на несколько тысяч
лет!
В будущем, может быть, удастся даже каким-нибудь
пока недоступным технике способом летать к ним в го¬
сти, а пока хорошо получить хотя бы короткую весточ¬
338

ку, какой-нибудь ответный сигнал. Дескать, знаем о ва¬
шем существовании и согласны с вами дружить.
Мечта эта родилась еще задолго до появления элект¬
роники. В то время обсуждались разные способы связи.
Хотели построить огромное зеркало, способное создать
«зайчик» на Марсе. По замыслу авторов, этим «зайчи¬
ком» надо было выжечь на поверхности Марса какой-
нибудь математический знак. Были другие проекты:
например, предлагалось создать гигантский знак на
Земле. Знаменитый математик Г. Гаусс считал, что для
этой цели очень подходит Сибирь. Он предлагал заса¬
дить этот знак пшеницей, желтый цвет которой будет
хорошо виден на фоне зеленой тайги. Другие считали,
что знак нужно соорудить в пустыне Сахаре, чтобы зе¬
лень посаженных на этпм знаке растений выделялась
на желтом фоне песка.
Ни одному из упомянутых проектов не суждено было
осуществиться, а появление радио дало новую почву
старой мечте: от жителей Вселенной стали ждать теперь
радиосообщений. И вот...
Сенсация! Сигналы из космоса! Американский инже¬
нер К. Янский уловил сообщения, повторяющиеся ровно
через 23 часа 56 минут!
Увы, исследование этих сигналов принесло разочаро¬
вание тем, кому не терпелось наладить межпланетную
связь. Оказалось, что эти сигналы излучают не жители
каких-то планет, а электромагнитные волны Луны,
Солнца, Меркурия, Юпитера и Сатурна. Удалось при¬
нять излучения естественных «радиостанций», удален¬
ных от нас на миллиарды световых лет.
Ну что ж, если наши собратья по разуму не торопят¬
ся присылать сообщения, может быть, стоит дать им
знать о себе?
В 1960 году был послан сигнал из Америки на волне
21 сантиметр. Преодолев расстояние в 100 триллионов
километров, этот сигнал достиг звездных систем тау
Кита и эпсилон Эридана спустя 11 лет.
Волна длиной 21 сантиметр была выбрана потому,
что такие волны излучаются распыленным в космосе
водородом. Выбирая ту же длину волны для связи с
инопланетной цивилизацией, ученые рассуждали так:
любая цивилизация, достигшая нашего уровня разви¬
тия или тем более опередившая нас, должна интересо¬
ваться Вселенной и ловить сигнал водорода с волной 21
сантиметр. Значит, у них должны быть приемники, на¬
строенные на эту волну. Достаточно с помощью моду¬
ляции дать соответствующую «окраску» сигналу, и его
можно будет легко отличить. «Те люди» поймут, что это
идут позывные, и начнут посылать ответ.
Пока этот ответ достигнет Земли, пройдет еще 11 лет.
Первый обмен приветствиями должен длиться по край¬
ней мере 22 года. Сигнал был послан в 1960 году, ответа
22'
339

начали ждать начиная с 1982 года. И ждут до сих пор...
Почему? Сигнал не дошел по адресу? Не пожелали
ответить? А может быть, просто некому отвечать?
Никто не рискует делать окончательных выводов.
Высказывались и скептические и оптимистические прог¬
нозы. Некоторые ученые по-прежнему питают надежду
получить от братьев по разуму ответный или призыв¬
ный сигнал.
Время от времени эта надежда обретает новую поч¬
ву. Так, например, в 1967 году были зарегистрированы
принятые из космоса периодические магнитные импуль¬
сы. Периодичность их соблюдалась так строго, что не¬
вольно напрашивается вывод об их искусственном про¬
исхождении, мысль о том, что кто-то намеренно посыла¬
ет на Землю этот сигнал. Но и на этот раз паука смог¬
ла найти более прозаическое, но зато и более точное
объяснение происхождения этих сигналов.
Оказалось, что период их следования совпадает с
периодом вращения сверхплотных нейтронных звезд.
В результате гигантских давлений, развивающихся
внутри горячей и плотной массы ядра таких звезд,
электроны сливаются с противоположными по знаку за¬
рядами протонами, превращая тем самым протоны в
нейтроны, упакованные так плотно, что при общей массе
нейтронной звезды, приблизительно равной массе Солн¬
ца, ее диаметр составляет всего лишь несколько кило¬
метров.
Вокруг нейтронной звезды формируется ориентиро¬
ванное магнитное поле, пульсирующее при вращении
этой звезды. После открытия этих эффектов такие звез¬
ды получили название пульсирующих, или, сокращен¬
но,— пульсаров.
Вращением пульсаров и были порождены периоди¬
ческие магнитные импульсы, принятые первоначально
за сигналы неизвестных жителей неизвестных планет.
ВТОРОЕ
ДЫХАНИЕ
У спортсменов бывают такие моменты, когда кажет¬
ся, что силы уже на пределе. И тут наступает второе
дыхание.
Нечто подобное произошло с астрономией. Все, что
доступно для наблюдения с помощью оптического телес¬
копа, было изучено досконально. А бесконечные дали
Вселенной манили обилием неразгаданных тайн. Но как
быть, если исчерпаны все возможности телескопов
и заглянуть дальше нельзя?
И вдруг — второе дыхание. Точнее — второе зрение.
На помощь оптическому телескопу пришел радиотеле¬
скоп.
Космическое пространство оказалось насыщенным
излучениями всевозможных частот. Множество естест¬
венных «радиостанций» излучает эти сигналы. Волна
340

длиной от 8 миллиметров до 12 метров излучает в прост¬
ранство Солнце. На волне 1,25 сантиметра «работает»
наша Луна. Гигантские скопления водорода непрерыв¬
но излучают сигналы на волне 21 сантиметр. Все волны
с длиной от 1 сантиметра до нескольких метров проходят
сквозь атмосферу Земли. Ну а как быть с миллиметро¬
выми, инфракрасными и ультрафиолетовыми волнами,
которые тоже содержат ценную информацию о структу¬
ре Вселенной, но поглощаются атмосферой?
Здесь радиоастрономия вступает в содружество с
космической техникой. На спутнике установлена прием¬
ная часть радиотелескопа. По специальным каналам
связи принятые со спутника сигналы Вселенной переда¬
ются на Землю, чтобы произвести их подробный анализ
с помощью ЭВМ.
Миниатюрные спутниковые радиотелескопы послу¬
жили хорошим подспорьем наземным радиотелескопам,
непрерывно «прощупывающим» просторы Вселенной с
помощью гигантских вращающихся зеркал.
Вид этих зеркал многим покажется странным: какое
же это зеркало, если оно сплошь состоит из дыр?! Для
облегчения этих зеркал их действительно делают из ре¬
шеток. Почему же в отверстия этой решетки не просачи¬
вается пойманная волна?
Мы с вами привыкли иметь дело с обычным зерка¬
лом, предназначенным для отражения оптических волн.
Волны же, которые ловят антенны радиотелескопов,
длиннее оптических в несколько сот тысяч раз. А по¬
скольку размеры отверстия в зеркале много меньше
длин этих волн, для них это зеркало будет таким же
ровным и гладким, как обычное зеркало для оптических
волн с длиной в доли микрона.
Зеркало отражает приходящие волны, фокусируя их
на антенне. С помощью этих устройств удалось обнару¬
жить множество неизвестных галактик на таких рассто¬
яниях. откуда свет достигает Земли через 6 миллиар¬
дов лет!
Радиоастрономия обладает не только удивительной
дальнозоркостью, но и способностью видеть насквозь.
Есть уголки Вселенной, которые спрятаны за слоем
космической пыли, непроницаемой для световых лучей.
А для электромагнитных волн эта ширма оказалась
прозрачной.
С помощью радиотелескопов обнаружили в центре
нашей Галактики неизвестные раньше скопления звезд,
а сама Галактика оказалась по форме близкой к спира¬
ли. Впрочем, именно такое строение и предрекала тео¬
рия еще до того, как его удалось наблюдать.
Вселенная бесконечна, а мы в состоянии наблюдать
лишь то, что расположено от нас в непосредственной
близости. Правда, «близость» в масштабах космоса —
это совсем не то, что близость на нашей Земле. При са-
341

мой высокой скорости, каковой является скорость света,
до многих «близких» к нам звезд можно добраться лишь
через несколько миллиардов лет!
Но Вселенная бесконечна, и поэтому вечным будет
вопрос: «А что дальше?» Вполне естественным пред¬
ставляется желание использовать все новейшие дости¬
жения техники, чтобы увеличить дальнозоркость ра¬
диоастрономии за счет применения сверхчувствитель¬
ных приемных устройств.
Рекорды чувствительности достигаются с помощью
квантовых усилителей, о которых будет идти речь в сле¬
дующей главе. А пока отметим лишь то обстоятельство,
что в силу огромной чувствительности эти усилители с
успехом используются в радиотелескопах и гораздо в
меньшей степени — в обычных системах связи, для ко¬
торых они чересчур... хороши.
Звучит несколько странно, и тем не менее специа¬
листы пришли к такому парадоксальному выводу. Дело
в том, что усилители эти настолько чувствительны, что
любое тело, излучающее тепловые (инфракрасные) вол¬
ны, стало для них источником очень заметных помех.
Только в том случае, когда антенна приемника смотрит
в холодный космос, можно эффективно использовать
то усиление, которое может дать квантовый усилитель.
В городе Сан-Фернандо (США) установлен радио¬
телескоп для наблюдения невидимых простым телеско¬
пом погасших звезд. Он оказался настолько чувстви¬
тельным, что замечал всех пролетающих насекомых,
воспринимая тепло их крошечных тел. В радиусе 15 мет¬
ров вокруг телескопа нельзя было закурить сигарету, не
нарушая приема.
Те космические объекты, которые сами не посылают
сигналов, можно «прощупывать» отраженной волной.
Для локации эта задача оказалась по силам, несмотря
на довольно далекие и не совсем обычные цели. Приш¬
лось разработать специальные станции, излучать им¬
пульсы значительно реже, зато делать их помощнее. С
помощью таких станций исследуется поверхность пла¬
нет, состав их атмосферы, производятся точные измере¬
ния расстояний от Земли до соседних планет.

О взаимодействии
электронов
и квантов
в квантовых
генераторах
(лазерах) и
в электронных
приборах,
использующих
сверхпроводимость.

КВАНТОВАННОЕ
ТЕПЛО'
Кванты были открыты всего через три года после то¬
го, как обнаружили электрон. В масштабах истории
три года срок столь незначительный, что можно счи¬
тать, что кванты — ровесники электрона.
Во всяком случае, не разница в возрасте сыграла ре¬
шающую роль в их дальнейшей судьбе.
А судьба их складывалась по-разному. Эпоха элект¬
ронных приборов началась почти сразу после открытия
электрона. А лазерная техника, использующая взаимо¬
действие электронов и квантов, была создана лишь пол¬
века спустя.
Слово «квант» впервые произнесено немецким уче¬
ным М. Планком в 1900 году. Это было началом новой
эпохи в науке, началом возникновения так называемой
квантовой физики — новой научной области, которой
предстояло совершить революцию не только в науке и в
технике, но и во взглядах на весь окружающий мир.
А началось, как всегда, с малого: теории, существо¬
вавшие до квантовой физики, не могли объяснить полу¬
ченное экспериментально частотное распределение
энергии излучений абсолютно черного тела. Были полу¬
чены две формулы, одна из которых соответствовала
кривой распределения энергии на высоких частотах, а
другая — на низких. Ученые безуспешно пытались най¬
ти такую общую формулу, которая описывала бы кри¬
вую (то есть огибающую спектра излучений абсолютно
черного тела) не частями, а всю целиком.
Вот тут-то М. Планк и высказал свою гениальную до¬
гадку о существовании квантов: он показал, что полу¬
чить общую формулу можно только в том случае, если,
отказавшись от сложившихся представлений о непре¬
рывном характере тепловых излучений, предположить,
что оно осуществляется малюсенькими порциями —
квантами.
Слово «квант» образовано от латинского «квантуй»,
что означает «количество». По-видимому, М. Планку
пришло в голову новое слово «квант» в тот момент, ког¬
да он задался вопросом, какое количество энергии несет
в себе каждая образующая при излучениях порция.
Обозначив слово «порция» символом Д, слово
«энергия» символом Е, а частоту — символом v, запи¬
шем знаменитую формулу Планка:
A E = hv.
Коэффициент h, связывающий количество энергии
ДЕ с частотой излучений v, получил название постоян¬
ной Планка.
Использование формулы Планка для описания
спектра излучений абсолютно черного тела придавало
теории стройность, ясность и красоту. И все же ни сам
М. Планк, ни изучавшие его теорию физики не смогли в
то время точно сказать, представляют ли открытые
М. Планком кванты физическую реальность или они
344

всего лишь некая фикция, плод воображения ученого,
позволивший ему произвести своего рода математиче¬
ский фокус при выводе общей формулы, описывающей
спектр излучения абсолютно черного тела.
Введенное в физическую теорию М. Планком допу¬
щение о прерывистом (дискретном) характере излуче¬
ний и существовании квантов сыграло роль золотого
ключика, отпиравшего двери ко многим тайнам приро¬
ды, которые до той поры нельзя было никак объяснить.
Например, с позиций прежних теорий нельзя было по¬
нять, почему вращающиеся вокруг ядра атома элект¬
роны, теряя свою энергию на излучения, не падают в
конце концов на ядро.
С помощью квантовой теории Н. Бору удалось пост¬
роить новую модель атома, в которой имеются устойчи¬
вые орбиты. Пока электроны находятся на этих орбитах,
состояние атома стационарно: электрон может вращать¬
ся вокруг ядра сколь угодно долго, поскольку излучае¬
мая им энергия в этом случае равна нулю. Излучение
произойдет в том случае, если электрон перейдет с орби¬
ты, которой соответствует энергетический уровень Ег,
на орбиту с более низким энергетическим уровнем Ец
При этом частоту излучения можно определить с по¬
мощью все той же постоянной h, которую ввел М. Планк
и применил в своей модели атома Н. Бор:
h
Французский физик Луи де Бройль пошел еще даль¬
ше: он стал утверждать, что вращающиеся вокруг ядра
атома электроны нужно рассматривать не только в виде
отдельных частиц, но и в виде размазанных по простран¬
ству волн, а устойчивость орбит электронов возникает
в том случае, если на них точно укладывается целое чис¬
ло таких волн. Длина волны зависит только от массы и
скорости вращения электрона.
В результате исследований Луи де Бройля электрон
в представлении ученых перестал быть только части¬
цей. Он стал неким двуликим Янусом, который может
вести себя одновременно и как частица, и как волна.
Подтверждением этой идеи послужило волновое
уравнение, полученное австрийским физиком Э. Шре-
дингером и распространяющееся на все виды элемен¬
тарных частиц.
Определяемая с помощью уравнения Шредингера
волновая функция ф описывает движение электронов
или других элементарных частиц. Поведение этой функ¬
ции (а следовательно, и описываемых ею частиц) можно
ЗОЛОТОЙ
ключик
двуликий
ЯНУС
345

сравнить с поведением волн, разбегающихся от брошен¬
ного в озеро камня. Поэтому описываемую уравнением
Шредингера функцию стали считать волновой функци¬
ей, а описываемые этой функцией волны вошли в науку
под названием пси-волн, поскольку сам Э. Шредингер
обозначил их греческой буквой пси ф.
Чтобы убедиться в реальности существования этих
волн, прибегли к помощи экспериментов. Поведение
пучка электронов стали сравнивать с поведением свето¬
вого луча. Волновая природа света не вызывала сомне¬
ний. Можно ли обнаружить аналогичные волновые свой¬
ства у электронных пучков?
Оказалось, что можно. Пропущенный сквозь малень¬
кое отверстие световой луч оставляет на установленном
за щелью экране концентрические окружности, похожие
на след от круговых волн, возникающих на поверхности
озера от падения камня. Это хорошо известное в физике
явление дифракции светового луча.
Опыты показали, что точно такой же эффект возни¬
кает при пропускании через узкую щель электронных
пучков. Аналогичный эффект возникает при отраже¬
нии света и электронных пучков от кристалла. Сов¬
падение свойств электронных пучков и световых лу¬
чей не оставляло сомнений в реальности вол¬
новых свойств электронов, предсказанных Э. Шрединге-
ром и описываемых с помощью введенных им в теорию
ф-волн.
Но как увязать сложившееся со времен
Дж. Дж. Томсона и подтвержденное множеством
экспериментов представление об электронах-части¬
цах с вновь обнаруженным поведением электронов-
волн?
Получается, будто сопровождающая электронный
поток ф-волна как бы «размазала» все электроны
по окружающему пространству. И потому они летят не
в одну точку экрана, а в целую область, образуя на экра¬
не концентрические окружности, совпадающие с греб¬
нями ф-волны.
Определенную ясность в этот вопрос внес извест¬
ный немецкий физик М. Борн. Он показал, что описы¬
ваемая уравнением Шредингера ф-волна имеет ско¬
рее математический, нежели физический смысл: это ве¬
роятностная волна.
Движение электронов в луче подчиняется описывае¬
мому ф-волной вероятностному закону. Там, где гре¬
бень волны, вероятность больше, электроны сюда попа¬
дают чаще, образуя на месте падения гребня ф-волны
световое кольцо. Гребни ф-волны разбегаются от цен¬
тра кругами, подобно волнам на озере, разбегающимся
от места падения камня. Соответственно и наиболее ве¬
роятные зоны попадания электронов образуют ряд кон¬
центрических окружностей, и сами электроны в боль-
346

шинстве своем оказываются в тех зонах, где расположе¬
ны гребни ф-волн.
Казалось бы, все объяняется наглядно и просто. И
все же подобно тому, как наблюдение волн на поверх¬
ности озера не позволяет увидеть того, что происходит
глубже, наблюдение ф-волн на экране не дает ответа
на один глубокий философский вопрос.
Все электроны пучка находятся в одних и тех же
условиях и проделывают от источника до экрана одина¬
ковый путь. Так почему же все-таки один электрон по¬
падает в центр, другой — на ближайший гребень вол¬
ны, а третий оказывается в зоне 5-го от центра кольца?
Значит, каждый из электронов сам выбирает один
из многих возможных маршрутов? Выходит, что элек¬
трон ведет себя по принципу «куда захочу, туда по¬
лечу»?
Подобные рассуждения привели некоторых ученых к
выводу, что электрону присуща «свобода воли». Ему
стали приписывать свойства живого и даже чуть ли не
разумного существа.
Но весь накопленный к настоящему времени опыт
создания электронных приборов свидетельствует, что
электрон действует не по собственной воле, а выполняет
волю создающих эти приборы людей.
Как ни сложны управляющие поведением электро¬
нов вероятностные законы, человеческий гений постига¬
ет их глубокую сущность и использует эти законы при
создании все новых и новых электронных приборов, в
которых электрону поручается решение все более слож¬
ных и разносторонних задач.
В результате сопоставления волновых свойств элект- КВАНТ ПО
рона с гипотезой Планка о квантовой природе тепловых ИМЕНИ ФОТОН
излучений перед мысленным взором ученых возникло
некое подобие соединяющего два берега моста. На од¬
ном берегу казавшиеся непрерывными волны тепла рас¬
падаются при квантовании на отдельные частицы (кор¬
пускулы). На другом — частицы (электроны) начинают
вести себя подобно волне. Мостом, сомкнувшим два этих
берега, послужила новая научная парадигма — пред¬
ставление о двуединой корпускулярно-волновой приро¬
де материи.
Данная парадигма нашла подтверждение при иссле¬
довании свойств световых излучений. Многочислен¬
ные эксперименты подтвердили подсказанный начавшей
формироваться квантово-волновой теорией вывод: в оп¬
ределенных условиях световые волны тоже ведут себя
так, будто они состоят из отдельных частиц.
Чтобы прийти к этому заключению, науке пришлось
проделать немалый путь. Первой вехой на этом пути был
открытый в 1885 году Г. Герцем фотоэффект. Суть его
347

заключалась в том, что на электрический разряд влияет
направленный на катод световой луч. При освещении
этим лучом разряд происходит при меньшем напряже¬
нии между электродами, чем в случае отсутствия све¬
та. Свет как бы помогает электронам вырваться из като¬
да, чтобы лететь на анод.
Дальнейшие исследования свойств фотоэффекта
провел русский физик Александр Григорьевич Столетов.
Он обнаружил закономерность, которую трудно было
чем-либо объяснить.
Оказалось, что с увеличением интенсивности свето¬
вого потока увеличивается количество покидающих ка¬
тод электронов, а энергия их не зависит от интенсивно¬
сти светового луча.
Эта закономерность заинтересовала А. Эйнштейна,
который в 1905 году тоже исследовал фотоэффект. В
дополнение к открытым ранее закономерностям А. Эйн¬
штейн выявил зависимость энергии покидающих катод
электронов от частоты тех световых потоков, которым
облучает катод. Эту закономерность он связал с выяв¬
ленными М. Планком свойствами квантов: ведь форму¬
ла Планка AE = hv говорит о том, что энергия кванта
тоже зависит от частоты.
М. Планк обнаружил наличие квантов в тепловых
излучениях. А. Эйнштейн распространил квантовую тео¬
рию на световые лучи. Свет по-гречески «фото», поэтому
кванту света было присвоено имя фотон.
Теперь стало понятно, почему энергия излучаемых
катодом электронов не зависит от интенсивности света,
а определяется только его частотой. Фотоны бомбарди¬
руют катод, вырывая с его поверхности электроны. При
этом содержащаяся в каждом фотоне энергия передает¬
ся одному из электронов, а порция энергии, содержаща¬
яся в каждом фотоне, определяется только его частотой.
Об этом свидетельствует все та же формула Планка:
Л Е = h V.
При увеличении интенсивности светового потока
увеличивается лишь число фотонов. А энергия их остае¬
тся прежней, поскольку при изменении интенсивности
света остается прежней его частота v.
Соответственно увеличивается и число излучаемых
электронов, а получаемые ими при этом порции энер¬
гии, заключенные в каждом фотоне, тоже не изменяют¬
ся при изменении интенсивности светового луча. Пото¬
му-то энергия электронов не зависит от интенсивности
света, помогающего им покинуть катод.
Открытием фотона было положено начало исследо¬
ваний квантов различной природы. И всем им стали при¬
сваивать различные имена.
Квант акустических волн назвали фононом, образо¬
вав это имя от слова «фон», обозначающего по-гречески
«звук».
348

Квант ядерного поля, сцепляющего элементар¬
ные частицы в плотные ядра атомов, называют мезо¬
ном.
Гравитационное поле, благодаря которому возника¬
ют силы взаимного притяжения планет в космосе и дей¬
ствующая на все окружающие предметы сила тяготения
нашей земли, тоже содержит кванты. Их стали назы¬
вать гравитонами.
Кванты магнитных потоков назвали флаксонами, об¬
разовав это имя от английского слова «флакс», озна¬
чающего «поток».
Таким образом, все поля состоят из частиц, а все
частицы (в частности, электроны) обладают одновре¬
менно и волновыми свойствами. Значит, фотон, мезон,
гравитон, флаксон — это родные братья, принадлежа¬
щие общему семейству квантов. Подобно тому как мы
представляем по имени и фамилии Гарри Смита, Сергея
Петрова, Ганса Шульца или Пьера Метье, мы можем ве¬
личать по имени и фамилии всех представителей много¬
численного семейства квантов: Фотон Квант, Фонон
Квант, Мезон Квант и т. д.
А как обстоит дело с квантами радиоволн? Ведь
квантово-волновая теория распространяется на все
волновые процессы. Почему же до сих пор не присвое¬
но имя кванту радиоизлучений? Тем более что по
аналогии с именами других квантов кванту радио¬
волн можно было бы присвоить красивое, звучное имя
Радион.
Однако это имя не прижилось бы в науке по той
простой причине, что о существовании Радиона почти
никто бы не вспоминал. А все потому, что, хотя кванты
радиоволн в принципе существуют, их энергия чрезвы¬
чайно мала.
Вспомним о том, что частоты радиоволн чрезвычайно
малы по сравнению со световыми частотами. Например,
частоты радиоволн метрового диапазона ниже частот
света в миллионы раз. А ведь есть еще радиоволны с
частотами в тысячи раз более низкими.
А о чем говорит формула Планка? О том, что во
столько же раз энергия, содержащаяся в квантах ради¬
оизлучений, меньше той энергии, которую несет в себе
каждый фотон.
Вывод таков: кванты радиоволн существуют, но они
настолько малы, что в большинстве случаев их даже
нельзя обнаружить.
Вот почему создатели электронных приборов ради¬
одиапазона обычно пренебрегают наличием квантов и
решают практические задачи, исходя из сложившихся
еще со времен Дж. Максвелла представлений о непре¬
рывном характере радиоволн.
Но не всегда. Например, в изучении космогонических
процессов важную роль играют радиотелескопы, прини-
349

ЗАЧЕМ НУЖНА
КОГЕРЕНТНОСТЬ
мающие из космоса радиоволны длиной 21 сантиметр.
Как и все прочие радиоволны, волны из космоса имеют
непрерывный характер. Но рождены эти волны кванта¬
ми. Каждый квант излучается одним из распыленных
в космосе атомов водорода в то короткое мгновение,
когда внутри атома изменяется спиновый магнитный мо¬
мент. Дискретный характер излучения таких квантов
станет особенно наглядным и очевидным, если учесть,
что интервал между квантами, излучаемыми одним из
атомов водорода, составляет... 11 миллионов лет!
Казалось бы, какая уж тут непрерывность? Разве
может рожденная таким квантом волна существовать
непрерывно, ожидая следующего кванта все 11 миллио¬
нов лет?
И тем не менее от излучения квантов атомами водо¬
рода образуются непрерывные волны длиной 21 санти¬
метр. Непрерывность их обусловлена тем, что в каждой
области космического пространства атомов водорода
распылено так много, что в каждый момент времени
какой-нибудь из этих бесчисленных атомов излучает
очередной квант. Потому-то с помощью настроенных на
волны длиной 21 сантиметр радиотелескопов удается
улавливать непрерывные излучения и судить по их ин¬
тенсивности о плотности участвующего в космогониче¬
ских явлениях вещества. В частности, удалось наблю¬
дать процесс столкновения двух соседних галактик. Бы¬
ло высказано предположение, что столкнулись антими¬
ры.
Принципы действия лазеров базируются на ряде за¬
конов, открытых квантовой физикой задолго до того,
как первый лазер появился на свет.
В процессе «накачки» лазеров необходимой энерги¬
ей осуществляется переход электронов с устойчивых ор¬
бит с более низким энергетическим уровнем Е, на орби¬
ты с более высоким энергетическим уровнем Е3. Как уже
было сказано, наличие этих уровней в атоме обнаружил
впервые Н. Бор.
Возбуждение сигналом накачки и «поднявшиеся»
на уровень Е3 электроны начинают самопроизвольно
переходить сначала на уровень Е2, а затем с него на
прежний уровень Е,. При переходе с Е2 на Е, электрон
излучает открытый А. Эйнштейном квант света (фотон),
частота которого определяется с помощью постоянной
Планка по формуле Бора:
Еч— Е,
V = —*	!
h
Эффект вторичного излучения возбуждаемых источ¬
ником внешней энергии атомов тоже был обнаружен за¬
долго до создания лазеров. Так, например, еще в 1885
году В. Рентген получал названные его именем рентге-
350

новские лучи, возбуждая атомы потоком направленных
на катод электронов. В 1917 году А. Эйнштейн предрек
возможность наблюдения вторичного излучения атомов,
возбуждаемых светом. Однако во всех экспериментах
по вторичному излучению атомов излучения эти возни¬
кали самопроизвольно (физики употребляют в этом
случае термин — спонтанно), поэтому излучаемые ато¬
мами электромагнитные волны имели весьма хаотичный
характер.
Для создания лазеров необходимо было научиться
управлять излучениями атомов, ибо только при условии
синхронных и синфазных излучений всех атомов можно
получить когерентные лазерные лучи. Чтобы понять, как
связаны между собой свойства синхронности, синфазно-
сти и когерентности, рассмотрим такой наглядный при¬
мер.
В нашем распоряжении двое качелей, одинаковых по
размерам и весу. Толкнем сначала одни качели, а вто¬
рые — несколько мгновений спустя. Вторые качели пом¬
чатся вдогонку за первыми, и некоторое время качели
будут двигаться в одном направлении. Но вот те качели,
которые мы подтолкнули первыми, достигли крайнего
положения и начали двигаться навстречу вторым... Так
и бсдут двигаться наши качели то в одном направлении,
то навстречу друг другу, хотя время, которое требуется
тем и другим качелям, чтобы пройти путь от одного
крайнего положения до другого (период колебаний),
одинаково, если качели имеют одинаковые вес и разме¬
ры и получили одинаковый начальный толчок. Совпа¬
дение периодов колебаний обоих качелей означает, что
движение их происходит синхронно (в переводе с гре¬
ческого «хронос» означает «время», слово «сии» —
«вместе»).
Вместе с тем описанное движение происходит не
синфазно, так как качели получили первый толчок не од¬
новременно, а через некоторый интервал. Потому-то ка¬
чели движутся то в одном направлении, то навстречу
друг другу.
Синхронное и синфазное движение двух одинаковых
качелей осуществится в том случае, если толкнуть их
одновременно и с одинаковой силой.
Теперь и те и другие качели будут одновременно до¬
стигать крайних положений, одновременно проходить
через нижнюю точку — в общем будут вести себя так,
словно их связывает невидимый, но прочный канат. Не
обязательно обладать ловкостью цирковых акробатов,
чтобы на ходу с одних качелей перейти на другие, если
они находятся на расстоянии в один шаг.
В данном случае мы имеем дело с синхронными и
синфазными колебаниями качелей. Синфазность воз¬
никла благодаря тому, что мы толкнули и те и другие
качели в один и тот же момент.
351

А можно ли заставить наши качели все время дви¬
гаться только навстречу друг другу? Разумеется, мож¬
но. Как это сделать, нетрудно сообразить.
Толкнем первые качели, дождемся того момента, ког¬
да они достигнут крайнего положения и замрут на мгно¬
вение перед тем, как начать движение назад. Вот в этот
момент надо толкнуть вторые качели навстречу первым.
Если сила толчка будет точно такой, как у первых каче¬
лей, качели будут двигаться только навстречу друг
другу.
Наши качели движутся независимо друг от друга.
Если же колебания возникли в какой-либо вязкой среде,
волны будут взаимодействовать друг с другом, а на ре¬
зультаты этих взаимодействий будут влиять и синфаз-
ность и синхронизм.
Если соблюдаются синхронизм и синфазность двух
одинаковых колебаний, их амплитуды суммируются.
Если два колебания осуществляются в противофазе,
они будут гасить друг друга. Если амплитуды их одина¬
ковы, то они полностью погасят друг друга, и ампли¬
туда результирующего колебания окажется равной ну¬
лю.
Более сложная картина возникает в том случае, ког¬
да взаимодействуют волны различной длины.
Представьте себе, что кто-нибудь швырнул в озеро
много разных камней. Среди них есть большие и ма¬
лые. От разных камней возникают волны разной дли¬
ны, которые складываются друг с другом. Но вмес¬
то равномерного чередования гребней и впадин на
поверхности озера образуется сплошная зыбь.
Сформировать направленные лучи из обычного света
не удастся, потому что волны такого света действуют
друг на друга по-разному: совпадают то гребни, то греб¬
ни и впадины. Получается картина еше сложнее, чем
на поверхности озера, в которое бросили множество
разных камней. Вот почему свет, излученный лазером,
специалисты называют сигналом, а свет электрической
лампы, с их точки зрения, есть не что иное, как шум.
Никто, конечно, не слышал, как шумит электрическая
лампочка. Но все же можно считать ее генератором шу¬
ма, потому что с точки зрения специалиста по электро¬
нике шумом является всякий сигнал со случайными амп¬
литудами и широким спектром частот.
Солнце тоже является генератором шума. Каждый
квадратный сантиметр его поверхности излучает сигнал
мощностью порядка 7 киловатт. Но если мы захотим вы¬
делить с помошью фильтра полоску частот в один мега¬
герц, то от 7 киловатт на выходе фильтра останется
только 0,00001 ватта — мощность уменьшается в 700
миллионов раз! Это значит, что на полоску в один мега¬
герц приходится лишь одна семисотмиллионная доля
энергии, а остальная досталась другим частотам спект-
352

ра, другим многочисленным волнам, образующим сол¬
нечный свет.
С помощью призмы, в которой по-разному прелом¬
ляются эти волны, можно создать «цветное изображе¬
ние солнца», то есть выделить из белого света красный,
оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолето¬
вый.
В отличие от солнечного света луч лазера одноцве¬
тен. Этот луч формируется множеством электронов, ко¬
торые одновременно покидают уровень высокой энергии
Е2 и переходят на более низкий энергетический уровень
Е]. При этом каждый электрон излучает по одному фо¬
тону, и все фотоны «шагают в ногу» с одинаковой фазой
и частотой.
Так благодаря когерентному (согласованному) дей¬
ствию множества электронов возникают монохроматич-
ные (одноцветные) и когерентные лазерные лучи.
23 Е. Седов

о
ИНДУЦИРОВАННЫЙ СВЕТ
4.1
В обычных условиях атомы газов или кристаллов
поглощают световую энергию.
В 1916 году А. Эйнштейн установил, что с помо¬
щью света можно привести те же атомы в состояние
возбуждения, и они начнут излучать световые волны.
Возникает своеобразная «индукция света»: атомы газа
или кристалла будут как бы усиливать падающий на
них свет.
В 1940 году советский физик В. Фабрикант обо¬
сновал возможность получения интенсивности из¬
лученного света, превышающей интенсивность па¬
дающих лучей. В 1951 году ему, Ф. Бутаеву и
М. Вудынской выдано авторское свидетельство на
«Способ усиления электромагнитных излучений (уль¬
трафиолетовых, видимых, инфракрасных и радио¬
волн)».
В 1954 году Н. Басов и А. Прохоров создали в Со¬
ветском Союзе первый квантовый генератор. Почти
одновременно аналогичный прибор был создан груп¬
пой ученых под руководством Ч. Таунса в США. Все на¬
званные ученые стали лауреатами Нобелевских пре¬
мий.
4.2
В квантовых генераторах оптического диапазона
волн (лазерах) излучаемые специальной газона¬
полненной (ксеноновой) лампой-вспышкой импуль¬
сы света «накачивают» энергией рубиновый стер¬
жень.
До подачи сигнала накачки все ионы хрома в руби¬
новом стержне находились на нижней «ступеньке», то
есть в устойчивом состоянии. Сигнал подкачки снаб¬
дил рубиновый стержень фотонами и, возбудив в нем
ионы хрома, перевел их на ступеньку Ез.
4.3
Переход иона хрома с уровня Ei на уровень Ез
означает, что один из входящих в состав атома хрома
электронов поглотил фотон, приобрел дополнитель¬
ную энергию, равную разности Ез—Е|.
Пока длится импульс накачки, большое количе¬
ство электронов переходит с уровня Е| на уро¬
вень Ез.
354

4.4
Состояние попавших на уровень Ез электронов не¬
устойчиво, и время их нахождения на нем составляет
всего лишь одну стомиллионную долю секунды. Зато
по крайней мере в 100 000 раз дольше они могут на¬
ходиться на так называемом метастабильном уров¬
не Е2.
После окончания импульса накачки все электроны
самопроизвольно переселяются на «ступеньку» Е2.
При этом каждый из электронов отдает энергию, рав¬
ную Е3 — Е2.
Но энергия эта не излучается, а поглощается ато¬
мами рубина.
Индуцированное излучение происходит тогда,
когда электроны, сосредоточившиеся на ступень¬
ке Е2, «дружно стартуют», перепрыгивая на сту¬
пеньку Е|.
Теперь настало время вспомнить о том, что частоты
излучаемых колебаний связаны с разностью энерге¬
тических уровней, на которых находятся электроны.
Если известны значения энергетических уровней,
с помощью постоянной Планка можно вычис¬
лить частоту излучений (см. новеллу «Золотой клю¬
чик»).
Чтобы перевести электроны с уровня Е| на уровень
Е3, необходимо использовать сигналы накачки с час¬
тотой
4.5
4.6
h
23*
355

При переходе электронов с уровня Е2 на уровень
Е| будет излучаться сигнал частоты
Е?—Е,
Vk — —*
h
Приведенные формулы показывают, что частоты
сигнала накачки V» и излучаемого сигнала V» зависят
только от высоты «ступенек» (от разности энергети¬
ческих уровней), по которым электроны совершают
«скачки» сначала вверх (от Е| до Ез), а затем вниз
(от Е2 до Ei).
После накачки лучом зеленого цвета с частотой
v« рубиновый лазер излучает красный луч с более низ¬
кой частотой Vh, соответствующей более низкой «сту¬
пеньке» Е2—Е|.
4.7
Подчеркнем еще раз, что «скачок» от Е2 к Е| все
электроны совершают согласованно (когерентно). С
уровня Е2 они «спрыгивают», во-первых, одновремен¬
но (синхронно), а во-вторых, еще и синфазно, словно
бы отталкиваясь от этой ступеньки одной и той же (ска¬
жем, левой) ногой.
4.8
Возбужденный атом излучает фотон, который до¬
стигнет другого возбужденного атома и, «столкнув»
его электроны с уровня Е2 на Е|, прихватит с собой
новый фотон. Два фотона тут же превратятся в четыре,
четыре — в восемь и т. д. Возникает «лавина» фото¬
нов, причем все фотоны «шагают в ногу» с одинаковой
фазой и частотой.
356

QQQDOOQQQD
OOOOQCX3QQO
ОООООООООО
		—- ’V '
Некоторые фотоны могут отклониться от оси стерж¬
ня (на рисунке их путь изображен стрелками). Они
очень быстро покинут пределы кристалла, не встретив
атомов по пути. Зато те, что движутся по оси, будут
без конца встречать по пути все новые и новые возбуж¬
денные атомы, каждый раз возвращать их в устой¬
чивое состояние, прихватывая по пути новые фо¬
тоны.
Так в направлении, совпадающем с осью кристалла,
образуется мощный фотонный поток.
4.9
Лавина катится вдоль рубинового стержня, стано¬
вясь все мощнее за счет новых фотонов, захваченных
по пути. Достигнув зеркала В, установленного на
правом торце стержня, поток отразится и устре¬
мится в обратную сторону, продолжая неизменно
расти.
У левого края стержня поток снова столкнется с
зеркалом А и, отразившись, опять устремится к зер¬
калу В.
357

4.10
В отличие от зеркала А зеркало В обладает неко¬
торой прозрачностью, но первый поток фотонов был
слишком слаб для того, чтобы его «пробить». С каж¬
дым же пробегом туда и обратно лавина становится все
мощнее, и, наконец, набравшись сил и прорвав полу¬
прозрачное зеркало В, фотоны пронижут пространство
острым лучом.
В других конструкциях лазеров вместо полупро¬
зрачного зеркала используются специальные элек¬
троды. Поданный на них импульс напряжения изменя¬
ет оптические свойства кристалла, формирующего
лазерный луч.
4.11
Как уже отмечалось, свет, излучаемый лазером,
отличается от обычного света тем, что он был возбуж¬
ден внешним сигналом, и потому все фотоны в
нем как бы «шагают в ногу» с одинаковой фазой и
частотой.
В этом и заключается главная ценность излучения
лазера: обычный свет «разбегается» в разные стороны,
а свет лазера идет в одном направлении, в виде ров¬
ного и прямого луча.
Лазер, снабженный специальной телескопической
линзой, может создать на Луне «зайчик» диаметром
всего в 3 километра. Луч же обычного прожектора на
таком расстоянии стал бы таким широким, что в нем
уместилось бы 11 дисков Луны.
4.12
После освоения импульсных лазеров были созданы
лазеры непрерывного излучения. В них фотоны рож¬
даются не в кристаллических стержнях, а в газоразряд¬
ной трубке (на рисунке она обозначена цифрой 1). Что¬
бы получить порождающий фотоны газовый разряд,
358

осуществляется предварительная накачка. Для этого
в трубку введены электроды: катод, обозначенный на
рисунке цифрой 2, и анод —3.
Для получения необходимого для накачки дугового
разряда плотность тока внутри газоразрядной трубки
должна достигать 30—50 ампер, поэтому мощность,
потребляемая в процессе накачки, составляет десятки
киловатт. После возникновения поток фотонов нарас¬
тает, как в рубиновом стержне, отражаясь поперемен¬
но зеркалами 4 и 5, до тех пор, пока не вырвется за
пределы полупрозрачного зеркала 5.
Лазеры с газоразрядными трубками, наполненны¬
ми криптоном, аргоном или смесью двух этих газов,
излучают потоки света в диапазоне волн от 454 до 676
нанометров, то есть перекрывают почти весь видимый
спектр (см. 2.103).
4.13
Близкими родственниками лазеров являются кван¬
товые усилители. Те и другие образуют группу кван¬
товых электронных приборов.
Так же, как в лазере, в квантовом усилителе мо¬
лекулы вещества возбуждаются от внешнего источ¬
ника.
Но если в лазере вслед за этим атомы самостоя¬
тельно переходят на более низкий уровень, излучая
фотоны, то в усилителе надо создать для этого новый
толчок. Таким толчком и является тот сигнал, который
надо усилить.
Частота усиливаемого сигнала должна соответство¬
вать величине той «ступеньки» Ег—Е|, с которой
«упадут от толчка» электроны. Частота (а значит, и
цвет) сигнала на выходе усилителя те же, что и на его
входе:
v.« =v~.« =—•—
п
Зато очень слабый сигнал на входе превращается с по¬
мощью квантового усилителя в мощный благодаря то¬
му, что «контуры» усилителя (то есть возбужденные
атомы) «настроены в резонанс» с усиливаемым сиг¬
налом.
4.14
Благодаря квантовым усилителям в сотни раз увели¬
чилась «дальнозоркость» радиотелескопов, о которых
шла речь в новелле «Сигналы Вселенной». Для этих
целей используются квантовые усилители, работающие
при температуре, близкой к абсолютному нулю
(—269°С). При такой температуре очень мал уровень
собственных тепловых шумов усилителя, поэтому сла-
359

ТЕХНИКА И
ФАНТАСТИКА
бые сигналы, приходящие из далекого космоса, не
«тонут» в шумах.
Квантовый усилитель радиотелескопа усиливает
сигнал в тысячи раз больше, чем самый чувствительный
усилитель на микросхемах, который сам усиливает
сигналы в 10м (сто триллионов!) раз!
С рождением лазерной техники электроника совер¬
шила гигантский скачок вверх по шкале частот. Почти
20 лет, прошедших с момента создания магнетрона
до изобретения лазера, «потолком» для электроники
были частоты в десятки и сотни тысяч мегагерц.
Такими частотами обладают сантиметровые и милли¬
метровые волны. Магнетроны, клистроны, лампы с бегу¬
щей волной — весь это славный арсенал электронных
приборов сантиметрового диапазона непригоден для ге¬
нерации микронных волн.
В генераторах дециметрового и сантиметрового диа¬
пазонов волн вдоль объемного контура должна уложи¬
ться определенная часть стоячей волны (см. 3.14). Это
значит, что геометрическая длина резонатора должна
быть короче длины излучаемых волн.
Если мы захотим получить с помощью объемного
контура волны в 1000 раз короче миллиметровых, нам
придется создать такой контур, который можно увидеть
лишь в микроскоп. Задача практически неразрешимая.
К счастью, природа предоставила другую возможность.
У нее есть готовые резонаторы, «настроенные» на очень
короткие волны. Такими резонаторами являются атомы
различных веществ.
В отличие от обычного контура, размеры которого
могут меняться из-за воздействия внешних условий,
«контур-атом» обладает чрезвычайно высокой стабиль¬
ностью.
Используя стабильные колебания атомов, можно с
фантастической точностью измерять время. Атомные
часы могут «спешить» или «отставать» не более, чем на
1 секунду за... три тысячи лет!
Научившись возбуждать атомы и заставлять их из¬
лучать стабильные по частоте и по фазе (когерентные)
микронные волны, электроника получила возможность
фокусировать их, создавая остронаправленные свето¬
вые лучи, и использовать эти лучи для своих разнооб¬
разных нужд.
Примерно за четверть века до создания лазеров на
страницах фантастической повести Алексея Толстого
появилось красивое слово «гиперболоид». Герой повести
инженер Гарин изобрел способ создания светового луча
невиданной мощности и решил с его помощью покорить
весь мир.
Многие из нас имели в детстве свой маленький
360

«гиперболоид» — обыкновенную лупу. Луч ее не обла¬
дал такой фантастической силой, но в принципе она де¬
лала то же, что и прибор, созданный Гариным: солнеч¬
ные лучи, собравшись в маленький «зайчик», могли ос¬
тавить след на дереве и скамейке или ожог на руке.
Но вот появились лазеры, и фантастическая идея
А.	Толстого обрела реальную почву. «Зайчик», возник¬
ший в том месте, куда направлен луч лазера, таит в себе
нешуточную опасность: место «зайчика» освещено так,
как могли бы его осветить тысячи солнц!
Создатели лазеров на первых порах ввели своеоб¬
разный способ оценки мощности луча и степени его
«концентрированности». Эти величины они измеряли ко¬
личеством самых обычных лезвий от безопасных бритв.

Первые лазеры прожигали сразу несколько лезвий, и
это воспринималось в то время как убедительное дока¬
зательство огромных возможностей использования
мощности концентрированного светового луча. А теперь
это кажется всего лишь детской забавой, потому что
мощность лучей современных лазеров измеряется мил¬
лионами ватт. Современные лазеры могут работать не
только в импульсном, но и в непрерывном режиме. Их
концентрированной энергии достаточно для того, чтобы
на расстоянии сотен километров прожигать не тонкие
лезвия бритвы, а толстую броню танка, фюзеляж и опе¬
рение самолетов, корпуса ракет.
Правда, для этого необходимо, чтобы создаваемый
лазером «зайчик» был какое-то время жестко привязан
к движущемуся объекту, будь то ракета, самолет или
танк. А для этого надо по мере передвижения поражае¬
мого объекта изменять фокусировку и направление ла¬
зерного луча. Решить эту задачу можно лишь с помо¬
щью сложнейшей системы, в которой, помимо самого ла¬
зера, должны использоваться отслеживающие движе¬
ния цели локаторы и управляющие направлением и фо¬
кусировкой луча ЭВМ.
По мере увеличения мощности лазерных излучений
идея изобрегателя-одиночки Гарина все в большей мере
овладевает умами многих военных стратегов, мечтаю¬
щих с помощью лазеров, летающих на искусствен¬
ных спутниках и «подкачиваемых» энергией ядерных
взрывов, покорить мир.
К сожалению, эти идеи зиждутся не на фантастичес¬
кой, а на реальной технической почве. Вот почему так
важно теперь, чтобы весь мир, сознавая опасность испо¬
льзования мощных технических средств в военных це¬
лях, находил способы сокращения вооружений и приме¬
нял огромные достижения техники для созидательных
целей, а не как средства угрозы, способные разрушить
весь мир.
А «мирных профессий» у лазера теперь стало столь¬
ко, что даже краткое их описание заняло бы многие сот¬
ни страниц.
Отметим лишь основные. Направленный луч лазера
служит прекрасным инструментом для точной обработ¬
ки деталей. Им можно прожечь в материале отверстия,
выдерживая микроскопические размеры с точностью до
долей микрона. Тем же лучом можно с такой же точнос¬
тью разрезать заготовку на части, осуществить точеч¬
ную сварку, испарить часть поверхностного слоя или
часть пленки, нанесенной на поверхностный слой. Все
эти операции необходимы прежде всего самой электро¬
нике при изготовлении пленочных микросхем. Те же
свойства лазерного луча оказались незаменимыми для
хирургии. Фокусируя луч на заданном расстоянии, мож¬
но делать надрез внутренних тканей, не повреждая на-
362

ружную ткань. Таким же образом удается, не повредив
зрачок, приварить отслоившуюся сетчатку глаза, уда¬
лить или прижечь опухоль, рассечь оперируемую ткань.
Направленность и точносгь фокусировки лазерного
луча позволяют «оперировать» даже молекулы: разры¬
вать определенные внутримолекулярные связи для целе¬
направленного изменения тех или иных свойств.
Лазеры стали настолько мощными, что их теперь
удается использовать в качестве инструмента при буре¬
нии нефтяных скважин. При этом скорость бурения воз¬
растает приблизительно в 10 раз. Созданная в Японии
лазерная установка бурения позволяет бурить скважи¬
ны круглой, прямоугольной или любой другой геомет¬
рической формы, задаваемой с помощью управляю¬
щей перемещениями лазера ЭВМ.
Монохроматичность и когерентность лазерных излу¬
чений сделали их незаменимым средством для точного
измерения времени и частот. А концентрированность и
направленность лазерного луча используются для точ¬
ного измерения расстояний, перемещений, размеров.
Например, с помощью лазерного луча можно произво¬
дить обмеры обрабатываемых металлорежущим инстру¬
ментом деталей, не останавливая станок. С этой целью
на обрабатываемую поверхность направляется лазер¬
ный луч. Свет отражается от поверхности и попадает на
светочувствительный датчик. Если поверхность нахо¬
дится точно на фокусном расстоянии, отраженный свет
будет наиболее ярким. Стоит лишь отступить от фокус¬
ного расстояния на доли микрона, как светочувствите¬
льный датчик зафиксирует уменьшение яркости отра¬
женного деталью луча.
Этот принцип незаменим для управления станком-
автоматом. Выставив необходимое фокусное расстоя¬
ние, можно точно задать размер, по которому нужно из¬
готовить деталь. Пока яркость растет, идет обработка
поверхности. Если яркость начала падать, значит, обра¬
батывающий поверхность резец прошел через плоскость
фокусировки луча. В этот момент нужно автоматически
остановить станок.
Неожиданное применение лазера продемонстрирова¬
ла в одной из телепрограмм известная эстрадная актри¬
са Анни Веске. Составители программы преподнесли
этот эстрадный номер под названием «Соло на лазере».
Анни Веске исполняла популярную песенку «Праздник
снегопада», в которой снежинки сравниваются с падаю¬
щими с неба звездами. В ритме мелодии исполняемой
песни актриса время от времени касалась рукой пере¬
секавшего эстраду лазерного луча. Когда он упирался в
ладонь, в ней вспыхивала похожая на гигантскую сне¬
жинку голубая звезда с лучами, переливающимися.
ГОЛОГРАФИЯ
И ИСКУССТВО
363

искрящимися и мерцающими от движения ладони и
пальцев.
Несомненно, «Соло на лазере» не лишено определен¬
ного эффекта. Но этот эффект не идет ни в какое срав¬
нение со зрительным восприятием объемных изображе¬
ний, получаемых с помощью голограмм.
При рассеянном свете в глубине за плоскостью го-
364

лограммы с трудом просматривается туманное рас¬
плывчатое пятно. Но стоит лишь направить луч прямо
на голограмму, п там, где было пятно, возникает цвет¬
ной объемный предмет.
Это может быть фигурная ваза, скульптура, любой
предмет обихода — все, на что пожелают направить ко¬
герентные лучи лазера изготовители голограмм.
Вы делаете несколько шагов в сторону, предмет ме¬
няет свой ракурс.
Этот эффект в сочетании с цветом и с выпуклостью
форм всего предмета и каждой его объемной детали соз¬
дает удивительное ощущение: почти невозможно пове¬
рить, что перед вами всего лишь «волновой слепок»
предмета, а не сам этот предмет.
Трудно поверить, что этот «слепок» не обладает твер¬
достью, массой, плотностью, а имеет только объем. Не
предмет, а «призрак предмета», но и призрак-то необыч¬
ный, это не плод воображения, взращенный на почве
мистики и суеверий, а голографическое изображение,
полученное с помощью когерентного лазерного луча.
Перед вами фигурная ваза со множеством лепных
украшений, созданных умелой рукой ваятеля, добивше¬
гося неповторимой гармонии размеров и форм. Каждую
деталь объемного орнамента вазы вы можете рассмот¬
реть в любом ракурсе.
В отличие от применяемых до голографии стереос¬
копических кино- и фотоэффектов в данном случае вы
имеете дело не с иллюзией объемного восприятия, а с
подлинно объемным изображением, возникающим в ре¬
зультате пространственных взаимодействий пропущен¬
ных сквозь голограмму световых волн.
Объем — не иллюзия, но сама ваза — иллюзия. Вы
не владелец этой чудесной вазы, вы всего лишь посе¬
титель музея, любующийся выставленным в качестве
экспоната золотым кубком, из которого вам никогда не
придется выпить вина. Возле кубка помещена надпись:
«Экспонат руками не трогать!» Рядом с голографичес¬
ким изображением вазы подобных надписей не помеща¬
ют, потому что при всем желании пощупать вазу вам не
удастся. Вазы нет, есть только ее «волновой слепок»,
некое подобие объемного миража.
Голография — одно из чудес современной техники. В
отличие от чудес, описанных в сказках, чудеса техники
создаются не загадочным волшебством, а разумом и
руками людей. Поэтому в гаком чуде объяснимо все до
мельчайших подробностей, а каждая такая подробность
добыта ценой упорного и кропотливого труда.
Принципы голографии начали исследоваться вско¬
ре после появления лазеров. В настоящее время они изу¬
чены настолько подробно, что могут служить основой
создания голографического телевидения и голографиче¬
ского кино.
365

Само слово «голография» появилось в результате от¬
крытия новых принципов создания голографических
объемных изображений. Слово это образовано путем
слияния греческого слова holos, означающего «полный»
и «grapho», что означает «пишу». Итак, «голография»
означает «полное изображение». Полное, потому что в
дополнение ко всем прочим видам графических изобра-
366

жений, к числу которых можно отнести и прорисовывае¬
мые электронным лучом на телеэкране кадры, гологра¬
фическое изображение воспроизводит еще и объем.
Для получения объемного изображения объекта не¬
обходимо иметь голограмму. Голограмма получается в
результате взаимодействия (интерференции) прямого
(опорного) и отраженного (объектного) лазерного лу¬
чей.
Взаимодействие этих лучей фиксируется на свето¬
чувствительном слое используемой для получения голо¬
граммы фотопластины. Под действием световых лучей
светочувствительный слой изменяет свои физические па¬
раметры: показатель преломления и оптическую плот¬
ность. В результате интерференции эти физические па¬
раметры образуют на поверхности голограммы сложные
невидимые «узоры», которые так же мало похожи на ви¬
димое глазами изображение объекта, как мало похожа
нотная запись аккорда на сам музыкальный аккорд.
Мы намеренно повторили это сравнение, чтобы на¬
помнить читателю о тех «слепках изображения», кото¬
рые используются в телевизионных каналах связи, где
изменения яркости плоских изображений превращаются
в изменения плотности тока в электронном луче. Об этом
было рассказано в предыдущей главе в новеллах «Тран¬
спортировка изображений», «Где взять сто солнц?»,
«Преображения изображений».
Знаете вы теперь и о том, каким образом внутри ва¬
шего телевизора с помощью средств электроники совер¬
шается еще одно «чудо»: незримый «слепок изображе¬
ния» 625 раз в секунду превращается в видимый кадр
на экране с изображениями объектов, находящихся за
сотни или тысячи километров от вас.
Нечто подобное осуществляется и с помощью голог¬
рафии: сначала объект преобразуется в его «слепок» на
голограмме, затем по «слепку» восстанавливается изоб-
бражение того же объекта. Но есть и существенные
различия.
В телевидении «слепок изображения» снимается
электронным лучом с плоского светочувствительного
экрана и проецируется опять-таки на плоский телеви¬
зионный экран.
В голографии объемное изображение преобразует¬
ся сначала в плоский «слепок» (в голограмму на плос¬
кой пластине), а затем вновь превращается в изображе¬
ние, имеющее объем.
Преобразование плоских изображений осуществля¬
ется с помощью модулированных по интенсивности эле¬
ктронных потоков. Преобразование объемных изобра¬
жений в голограмму и их восстановление по голограм¬
ме осуществляется в результате пространственного вза¬
имодействия световых волн.
Первоначальная информация о преобразуемом в го-
367

лограмму объекте содержится в отражаемых объектом
световых волнах. В зависимости от формы самого объе¬
кта и расположенных на его поверхности объемных де¬
талей изменяется интенсивность и фаза отражаемых
волн.
Чтобы вся эта информация сохранилась на голог¬
рамме, необходимо зафиксировать все изменения яркос¬
ти и фазы отражаемых (объектных) лучей. Для этого
надо иметь эталон, с которым можно сравнить эти лучи.
Из всех волновых эталонов лучшим является когерент¬
ный луч лазера, отличающийся самой высокой стабиль¬
ностью фазы и частоты.
На отпечатавшейся на светочувствительной плен¬
ке голограмме остались следы взаимодействия эталон¬
ного (опорного) луча с отраженными объектом свето¬
выми лучами.
Чтобы получить объемное изображение зафиксиро¬
ванного на голограмме объекта, достаточно пропустить
сквозь голограмму лазерный луч. Образовавшийся в
процессе формирования голограммы «узор» теперь вы¬
полнит роль дифракционной решетки: он будет изменять
длины волн, фазу и направление проходящих сквозь
эту решетку лучей. Вот тут-то и происходит чудесное
превращение не видимого глазом «узора» на голограм¬
ме в поражающий нас полнотой объема и цвета предмет
изобразительного искусства или в любой другой зафик¬
сированный на голограмме объект.
Перед этим техническим чудом наивным кажутся вы¬
думки сказочных чародеев, превращающих царевну в
лягушку, которая вновь становится прекрасной царев¬
ной под воздействием произнесенных влюбленным прин¬
цем магических слов.
Что там лягушка, если с помощью голографии царев¬
на превращается в едва видимые и ни на что не похожие
узоры на голограмме, а затем вновь предстает перед ва¬
ми в облике прекрасной царевны вместе со всем богатст¬
вом ее нарядов, их красок и форм!
И, конечно же, все фантазии сказок блекнут перед
возможностями техники, когда эта принцесса закружит¬
ся в быстром танце, воспроизводимом с помощью голог¬
рафического телевидения или голографического кино.
Чтобы продемонстрировть такой фильм, надо лучом
лазера просвечивать кинопленку, движущуюся со ско¬
ростью 24 кадра в секунду. В каждом кадре вместо изо¬
бражений участвующих в фильме актеров и окружаю¬
щих их предметов — голографическое отображение все¬
го, что содержит кадр.
Чтобы получить голографическую кинопленку, надо
уменьшить содержащиеся в ней голограммы до разме¬
ров кинокадров на пленке, вставляемой в обычный ки¬
нопроектор.
Во столько же раз уменьшатся и размеры восста-
368

навливаемых объемных изображений. Затем нужно
вновь увеличить изображения объектов до их натураль¬
ных размеров или даже больших размеров, если в
кадре содержится крупный план. Другими словами,
изображение нужно увеличить ровно во столько же раз,
во сколько раз первоначальная голограмма больше,
чем ее копия на кинопленке.
Для увеличения размеров объемных изображений
разработан целый ряд использующих лазеры специаль¬
ных сложных систем.
Еще сложнее обстоит дело с реализацией проектов
основанного на принципах голографии объемного теле¬
видения. В этом случае цепочка преобразований изоб¬
ражений становится еще более длинной. Реальные дви¬
жущиеся объекты первоначально нужно превратить в
серию сменяющих друг друга 25 раз в секунду голог¬
рамм. Этот этап можно назвать получением «волновых
слепков» изображений. Затем «волновые слепки» необ¬
ходимо превратить в «электронные слепки». Для этой
цели необходимо осуществить построчную развертку го¬
лограмм скользящим по ним электронным лучом. После
этого по каналу телевизионной связи вместо трансляции
«электронных слепков» изображаемых в кадрах объек¬
тов должна осуществляться трансляция их голограмм.
На приемном конце необходимо 25 раз в секунду прев¬
ращать голограммы в объемные изображения, чтобы по¬
лучить объемное изображение подвижных и неподвиж¬
ных объектов.
В отличие от голографического кино, принципы кото¬
рого уже реализованы на экспериментальных гологра¬
фических установках, голографическое телевидение
реализовать пока еще не удалось.
Принципиальная трудность заключается в трансля¬
ции голограмм.
Чтобы передать без потерь всю информацию голо¬
граммы по каналу телевизионной связи, этот канал дол¬
жен пропускать очень широкую полосу частот. Создать
столь широкополосный телеканал техника пока еще не
смогла. А что нас ожидает в будущем?
За последние десятилетия электроника продемонст¬
рировала так много поистине фантастических возмож¬
ностей и достижений, что трудно предвидеть, что она
преподнесет нам в ближайшие 20 лет. Однако можно
предполагать, что голографическое телевидение за эти
годы будет освоено. Но во что обойдется реализую¬
щий все описанные этапы преобразований телевизион¬
ный канал?
Безусловно, недешево. Если цветной телевизор стоит
примерно вдвое дороже черно-белого, то приемник, осу¬
ществляющий прием голограмм и превращение их в
объемное изображение, будет стоить дороже цветных
телевизоров еще в несколько раз.
24 Е. Седов
369

НА СВЕТОВЫХ
ВОЛНАХ
Заранее можно сказать, что частному потребителю
такой приемник будет не по карману. Ну что ж, в таком
случае можно создать специально оборудованные залы
для массового просмотра объемных телепрограмм. Оче¬
видно, примерно такие же залы будут использоваться
для голографического кино. Но чем же тогда телевиде¬
ние и кино будут отличаться от театра, если, помимо
формы, цвета, они будут доносить до зрителя еще и
объем?
В одной из программ тепевидения известная драма¬
тическая актриса Алиса Фрейндлих объясняла, почему
дпя нее театр остался необходимым, хотя гораздо боль¬
шую популярность ей принесло кино.
В рати, сыгранной в кинофильме, ничего нельзя из¬
менить.
— Мне часто кажется,— рассказывала А. Фрейнд¬
лих, — что только к концу съемок фильма становится яс¬
но, как надо было сыграть эту роль.
Творчество неисчерпаемо, как сама жизнь. За то мы
и любим Алису Фрейндлих, что она не «играет роль»,
а живет и в кино и на сцене.
Но в отличие от кино действующие лица спектак¬
ля живут в предполагаемых обстоятельствах столько
раз, сколько раз будет сыгран спектакль.
И если актер не ремесленник, он будет в каждом
спектакле находить новые творческие нюансы, а реак¬
ция зрителей поможет ему оценить, закрепить или от¬
вергнуть каждый найденный им нюанс.
Вот почему самая совершенная голография, приме¬
няемая для объемного телевидения или кино, никогда не
заменит театр.
До создания лазерной техники локация обходилась
сантиметровыми и миллиметровыми волнами. Наиболее
часто используемой локацией волне длиной 3 сантимет¬
ра соответствует частота 10 000 мегагерц, или
10 000 000 000 колебаний в секунду. Частота лазерных
излучений выше еще примерно в 100 000 раз. Во столько
же раз расширился благодаря лазерам диапазон частот,
предоставляемый электроникой в распоряжение тех¬
ники связи.
Телевидение использует для своих нужд волны мет¬
ровой длины с частотами от 30 до 300 мегагерц. Читате¬
лю уже известно, что каждый телевизионный канал за¬
нимает полосу частот не менее 6 мегагерц (см. 2.75). Не¬
трудно сообразить, что в диапазоне метровых волн мож¬
но разместить не более чем несколько десятков телека¬
налов.
Если отдать для нужд телевидения еще и сантимет¬
ровые волны, число телевизионных каналов возрастает
примерно до полутора тысяч. Оптический диапазон, ос¬
воение которого началось благодаря созданию лазеров,
370

позволяет транслировать одновременно десятки мил¬
лионов телепрограмм! Жители самого крупного города в
мире могут, не мешая друг другу, общаться попарно по
видеотелефону, а каждой такой паре может быть выде¬
лен отдельный телеканал. А если использовать опти¬
ческий диапазон для звуковой радиосвязи, выделив на
каждый канал полосу воспринимаемых человеческим
слухом звуковых частот шириной в 10 килогерц, то все
жители нашей планеты смогут общаться по каналам ра¬
диосвязи одновременно, не мешая друг другу. Потому
что оптический диапазон столь широк, что каждой паре
населяющих землю людей можно выделить в этом диа¬
пазоне отдельную полоску частот шириной в 10 кило¬
герц.
Лазерные лучи — удобное средство космической
связи. За пределами земной атмосферы световая волна
может распространяться на дальние расстояния, не на¬
тыкаясь на облака. В отличие от радиоволн направлен¬
ный луч лазера не рассеивает по пути свою энергию по
пространству, а концентрированно доставляет ее на
нужный объект. Вот почему для связи с Марсом обыч¬
ной радиостанции требуется мощность, измеряемая
миллионами ватт (мегаваттами), а лазеру хватает мощ¬
ности излучений карманного фонаря.
Для создания систем связи на световых волнах
электронике пришлось решить немало проблем.
Прежде всего необходимо было получить непрерыв¬
ное излучение света, чтобы использовать его как несу¬
щий сигнал.
Первые лазеры работали только в импульсном режи¬
ме. Впоследствии удалось заставить их излучать непре¬
рывный сигнал. Нашлось и более простое решение: в ка¬
честве источников несущего светового сигнала стали ис¬
пользовать специальные светоизлучающие диоды.
Принцип действия таких диодов мы рассмотрим нес¬
колько позже. А пока коснемся еще одной связанной с
освоением оптического диапазона проблемы: вопроса о
том, каким образом предназначенной для передачи на
расстояния информацией удается «нагружать» свето¬
вые лучи.
Теперь мы знаем, что для передачи какой-нибудь
информации с помощью лазера надо научиться «нано¬
сить на канву узоры»: импульсы кода, телевизионные
кадры, спектр звуковых частот.
«Кривые зеркала» электроники не решают этой проб¬
лемы; в основе «зеркал» лежит воздействие поля на
электронный поток. А как воздействовать на фотоны?
Ведь они не имеют заряда, значит, любое поле им нипо¬
чем. Как же выйти из этого затруднительного положе¬
ния?
КАК
МОДУЛИРОВАТЬ
СВЕТ?
24*
371

Обратив внимание на различные случаи воздействия
поля на оптические свойства вещества, физики сразу
нащупали правильный путь.
Вот цепочка их рассуждений и действий. Звуки, им¬
пульсы, изображение превращаются в электрический
ток, который создает поле. Поле воздействует на крис¬
талл, вызывая изменение его оптических свойств. Луч
лазера может пройти сквозь кристалл или отразиться
им. Значит, если на кристалл воздействовать перемен¬
ным полем, луч станет менять свою интенсивность и на
несущем сигнале лазера появится нужный «узор». Здесь
«кривое зеркало» — это уже не просто художественный
образ,- ведь свет требует для модуляции настоящих
зеркал. II они действительно должны быть «кривы¬
ми» — под воздействием поля они искажают свет.
Физики знают много разных явлений (или, как они
любят выражаться, эффектов), позволяющих воздейст¬
вовать полем на свет. Например, эффект Фарадея, сущ¬
ность которого состоит в том, что под воздействием маг¬
нитных полей изменяется плоскость поляризации света.
Эффект Керра (преломление лучей и изменение поляри¬
зации под действием электрического поля) позволяет
осуществлять модуляцию световых несущих сигналов,
превратив модулирующие сигналы в переменные элект¬
рические поля.
Свет можно модулировать звуком. В этом случае
волны звука будут деформировать кристаллическую ре¬
шетку и изменять тем самым оптические свойства среды,
по которой распространяется свет. Наконец, в самом ла¬
зере можно изменять интенсивность подкачки и таким
способом влиять в определенных пределах па интен¬
сивность светового сигнала и на его частоту.
Но вот модулированный сигнал лазера достиг прием¬
ника. Как известно, в нем необходимо осуществить де¬
тектирование, то есть отделить «узор» от «канвы». Де¬
лать это можно, использовав фотоэлектрический эф¬
фект, при котором ток фотоэлемента зависит от яркости
освещения. Детектирование сводится к простому явле¬
нию: модулированный луч меняет свою интенсивность,
а в цени фотоэлемента изменяется ток.
Тот же эффект используется для преобразования .
частоты светового сигнала. Сигнал лазера-передатчика
смешивается в фотоэлементе с сигналом лазера-
гетеродина, а на выходе выделяется сигнал разност¬
ной частоты. Остальная часть схемы не отличается от
схемы описанных в главе 2 супергетеродинных приемни¬
ков, потому что в результате преобразования частота
светового сигнала понижается до радиочастоты.
Работы, связанные с модуляцией и детектированием
светового сигнала, ведутся широким фронтом. Физики
ставят эксперименты. Ведется сравнение результатов.
Оценивается пригодность описанных методов для раз-
372

личных сигналов и модулирующих частот. Ученые про¬
должают работать над проблемами модуляции света,
чтобы для разных практических целей среди всех извест¬
ных эффектов найти наиболее «эффективный эффект».
В главе 2 рассказывалось о том, как возникла и ре¬
шалась проблема увеличения расстояния телевизионной
связи. Эта проблема возникла из-за ограничения преде¬
лами прямой видимости распространения ультракорот¬
ких волн.
Со световыми волнами вопрос обстоял сложнее. В
пределах прямой видимости телевизионный сигнал рас¬
пространяется и принимается в любой точке окружнос¬
ти, центром которой является излучающая этот сигнал
антенна. Собранный в тонкий пучок лазерный луч попа¬
дает в приемник только в том случае, если приемник этот
стоит на пути луча. Малейшее отклонение от
прямого луча прервет радиосвязь.
И еще одно затруднение. Если для ультракоротких
волн телевидения экранам может служить земля или
щит из металла, то экраном для светового луча окажет¬
ся любой непрозрачный предмет. Если не предусмотреть
специальных мер, луч наткнется на здание, на деревья,
на проходящий транспорт и любое из этих препятствий
отгородит приемник от передатчика непреодолимым ба¬
рьером, нарушающим связь.
Помимо этого, препятствием для светового луча бу¬
дут служить и атмосферные явления: дождь, снег, ту¬
ман, облака. Вот почему вслед за созданием лазеров
возникли проекты специальных каналов связи для пере¬
дачи информации на световых лучах.
Один из создателей первых лазеров американский
ученый Ч. Таунс предполагал, что для передачи сигна¬
лов на оптических волнах будут прокладываться спе¬
циальные трубы, а в местах изменения направления
бегущий по трубам луч будет отклоняться с помощью
установленных в трубах зеркал и призм.
Сейчас этот проект кажется очень наивным, потому
что вместо громоздких груб и зеркал электроника на¬
училась использовать оптические волокна. Толщина их
соизмерима с волосом. Так же, как волос, волокно лег¬
ко изогнуть, и свет будет бежать вдоль этого волоса,
как бежит по рельсам железнодорожный эксп¬
ресс.
Для создания волоконных линий связи опять приш¬
лось решать немало сложных проблем. Чтобы понять,
как они решались, нам придется на время забыть о фо¬
тонах и, пользуясь тем, что свет обладает двойственной
квантово-волновой природой, считать временно (именно
временно, поскольку потом снова придется вспоминать о
фотонах!), что свет в волоконных линиях связи ведет се¬
бя как волна.
КАК
ТРАНСПОРТИ¬
РОВАТЬ
СВЕТ?
373

ТУННЕЛИ ИЗ ВОЛОКНА
ЭТО
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
4.15
Если световой луч А направлен на границу двух
сред с различными коэффициентами преломле¬
ния П| и п2, его энергия распределится меж¬
ду отраженным лучом В и преломленным лу¬
чом С.
Согласно законам оптики угол падения равен углу
отражения, а соотношение между углом падения а и
углом преломления В определяются соотношением
коэффициентов преломления п, и п2.
4.16
В оптических волокнах используется эффект
полного внутреннего отражения, названный по
имени ученых, исследовавших условия распро¬
странения света в волокнах, эффектом Гооса—Хэн-
кена.
Полное внутреннее отражение происходит в том
случае, если угол падения превысит определенное
критическое значение а>а Q«P. При этом падающий
на границу раздела двух сред луч А, проникая в
расположенную за границей раздела среду, быстро
в ней затухает, поэтому почти вся энергия падаю¬
щего луча А переходит в энергию отраженного
луча В.
4.17
Две одинаковые параллельно расположенные пла¬
стины будут отражать луч поочередно, и он будет со¬
вершать зигзагообразное движение, распространяясь
вдоль этих пластин. На этом принципе построены плос¬
кие (планарные) световоды.
374

4.18
Если на входе световода установлен источник
света, излучаемые им волны побегут друг за дру¬
гом, отражаясь попеременно от верхней и ниж¬
ней пластин волновода и взаимодействуя между
собой.
- ?*'• •
4.19
Чтобы падающие и отраженные волны не гасили
друг друга, они должны складываться синфазно (на¬
помним, что смысл этого термина был подробно
рассмотрен в новелле «Зачем нужна когерент¬
ность?»).
Для этого необходимо на отрезках АВ и ВС уложить
целое число волн. А поскольку на них можно уложить
одну, две, три и более целых волн, по световоду могут
распространяться, складываясь синфазно, волны раз¬
личных длин. Их называют модами. При отраже¬
нии волн внутри световода происходит их сдвиг по
фазе, поэтому длины волн в световоде несколько
отличаются от изображенных на нашем рисунке
мод.
375

4.20
Плоские пластины планарного световода можно
изгибать до тех пор, пока края не сомкнутся друг с
другом. При этом световод превратится из плоского
в цилиндрический. Именно в таком виде изготавли¬
вается и широко используется световодное волокно.
4.21
Внутреннюю часть волокна называют ядром, на¬
ружную — оболочкой.
Диаметр ядра составляет 8 микрон у волокон, пред¬
назначенных для распространения одной моды свето¬
вых колебаний, и 50 микрон у многомодового во¬
локна.
Диаметр наружной оболочки составляет соответ¬
ственно 50 микрон или 125 микрон.
Эти размеры должны быть выдержаны с высокой
точностью на всем протяжении волокна.
4.22
Изготовление оптического волокна — это сложный
и трудоемкий процесс. При одном из способов изго¬
товления кварцевых световодов исходные химиче¬
ские компоненты (хлориды кремния и германия)
испаряются, а затем сжигаются в кислороде с образо¬
ванием частиц кварцевого стекла. Эти частицы осажда¬
ются на графитовый или керамический стержень в
виде рыхлого, пористого слоя. Затем этот слой спека¬
ется в специальных печах, превращаясь в однородную
стекловидную массу.
376

После спекания кварца вспомогательный графи¬
товый или керамический стержень удаляют из заго¬
товки и начинают сжимать волокно по диаметру и рас¬
тягивать по длине. В результате такой операции остав¬
шееся на месте стержня отверстие исчезает (специа¬
листы употребляют термин «схлопывается»), и образу¬
ется обладающее необходимым диаметром монолит¬
ное кварцевое ядро.
После освоения принципов передачи световых волн
по волоконным линиям связи возникли технические про¬
блемы: как изготавливать оптические волокна необхо¬
димой длины?
Представьте себе искусственный волос, имеющий
ядро и оболочку микронных диаметров, причем диамет¬
ры эти должны быть выдержаны с микронной точно¬
стью на протяжении всей длины. А какова длина? Это
зависит от назначения линии связи. Коль скоро свето¬
водные линии приняты на вооружение техникой связи,
ей понадобятся волокна для связи между далекими
городами, между разными странами и даже разными
континентами. Подобные линии уже создаются: амери¬
канская ассоциация телефонной и телеграфной связи
проложила оптическую линию связи, которая опущена
на дно Атлантического океана, чтобы связать Амери¬
канский и Европейский материки.
Конечно же, невозможно создать световоды такой
протяженности, не стыкуя отрезки друг с другом и не
усиливая сигнал. Но вопросы стыковки отрезков воло¬
конных линий с усилителями и друг с другом тоже тре¬
буют решения целого ряда проблем.
Трудность изготовления оптических волокон боль¬
шой протяженности обусловлена еще тем, что, помимо
микроскопической точности, с которой должны быть
выдержаны геометрические размеры, необходимо по
всей длине волокна сохранить физические параметры
(коэффициенты преломления) материалов его оболочки
и ядра. В процессе решения этих задач возникло целое
научно-техническое направление, занимающееся созда¬
нием волоконных систем связи.
Применяемые оптические волокна похожи на волосы
не только по размерам, структуре и внешнему виду.
По случайному совпадению присвоенное им сокращен¬
ное наименование тоже почти совпадает со словом «во¬
лос»: волокнисто-оптические линии связи, при сокраще¬
нии (по первым буквам) образует наименование ВОЛС.
Такой аббревиатурой пользуются специалисты, заня¬
тые изготовлением и использованием похожих на се¬
дые длинные волосы оптических волокон, создавать
ВОЛОСЫ
НЕБЫВАЛОЙ
ДЛИНЫ
377

которые оказалось весьма непросто. Применялись раз¬
ные способы. Один из них мы уже рассмотрели (4.22.
4.23).
При другом способе изготовления осаждение компо¬
нентов материала ядра осуществляется не на стержень,
а внутрь полого цилиндра, который будет служить по¬
том оболочкой оптического волокна. Очень тщательно,
медленно, слой за слоем осаждаются нужные материа¬
лы, потом пропускаются через специальные печи, а за¬
тем «схлопываются», как это показано на рис. 4.23.
Такой способ удобен тем, что он позволяет изготавли¬
вать многослойное ядро световода, причем эти слои мо¬
гут обладать различными коэффициентами преломле¬
ния. В результате от центра до края ядра коэффици¬
ент преломления изменяется по определенному закону,
специально рассчитанному для одной какой-либо моды
волны. Рекордного результата достичь удалось в
Японии: в отверстии диаметром 50 микрон (всего
пять сотых долей миллиметра!) японские специали¬
сты смогли создать ядро ВОЛС из 17 разных сло¬
ев.
Есть и другие способы. Например, можно не испа¬
рять материал волокна, а вытягивать его из расплава
кварца, пропуская через специальные цилиндрические
формы размягченный путем разогрева пластичный, тя¬
гучий кварц.
Но при всех ухищрениях ни одна из разработанных
технологий не позволяет изготовить однородное цель¬
ное волокно километровой длины. Чтобы решить эту
проблему, приходится соединять отрезки волокон друг
с другом. А для этого необходимо было решить еще це¬
лый комплекс технологических и конструктивных проб¬
лем.
Соединять два волокна торцами следует таким об¬
разом, чтобы с микронной точностью центр совпадал с
центром, окружность с окружностью, плоский торец
с другим плоским торцом. Малейшее нарушение указан¬
ных требований приведет к потерям энергии за счет от¬
ражений на стыке и к искажениям сигналов за счет су¬
жения полосы частот, передаваемых по волокну.
Помимо этого, стыкуемые торцы должны быть отполи¬
рованы до зеркального блеска, между ними не должно
быть даже микронных зазоров, ни единой пылинке не
дозволено проникать на место стыковки торцов.
Для защиты ВОЛС от внешних воздействий они
помещаются в оболочку. С целью экономии материала
оболочки внутри ее размещаются несколько ВОЛС.
А теперь представьте себе, с какой скрупулезной
точностью должны изготавливаться многоканальные
кабели, чтобы при их стыковке все перечисленные
требования выполнялись одновременно для всех разме¬
щенных внутри оболочки оптических волокон.
378

Чтобы выполнить все эти требования, пришлось раз¬
рабатывать приспособления, позволяющие точно фик¬
сировать положение стыкуемых торцов волокна, кон¬
тролировать параллельность, соосность и плотность
стыковки торцов с помощью механических и оптиче¬
ских измерителей. И конечно же, для выполнения всех
операций контроля и сращивания волокон необходим
микроскоп.
Линии связи могут прокладываться через любые
пространства, через леса, поля и долины, в условиях
лютых морозов, зноя, снегопадов, дождей. Для выпол¬
нения микроскопических операций стыковки в разных
условиях пришлось создавать лаборатории на колесах,
чтобы в любом месте и в любых погодных условиях
можно было бы укрыться внутри теплого помещения,

d. ЩшлЛле. -tfcjASCMJr
U. C&CuMUZXQu,
TUjbCt ((^UXUMtUt
3. O^cjMjca^
MfrtUL.
(iWUllXjJtyl'l
4 МшУЮи-
(рШЖЮкиАопО
-iouJU	1
37 й^хХХЯу
Кл-
Kjl -
Ша.
(kОМШи
imCj
G. jMtirULUvUWt-
CaA QJia£mxL<X^
d- JbkiaцЫЬА_^
Зн)л№лл fcxjSk^L
протянуть туда концы соединяемых линий и тщательно
состыковать их друг с другом, используя весь арсенал
тончайших приспособлений, все измерительные устрой¬
ства и микроскоп.
Вот сколько трудностей пришлось преодолеть пауке
и технике при освоении волоконных каналов связи.
А во имя чего?
380

Все трудности, связанные с созданием и использо¬
ванием волоконно-оптических линий связи, в настоящее
время уже себя оправдали. Можно с уверенностью ут¬
верждать, что таких линий будет использоваться вес
больше и больше, что в недалеком будущем этими лини¬
ями будет покрыт чуть ли не весь земной шар.
Что стимулирует их внедрение? Прежде всего п.\
огромная информационная емкость, обусловленная
уже отмеченной нами широтой диапазона оптических
волн. Вот один наглядный пример.
До последнего времени телефонная связь между
Америкой и Европой осуществляйась через проложен¬
ный по дну Атлантического океана телефонный кабель.
(Этот кабель проложил в самом начале нашего века
предприниматель Сайрус Филд.)
Теперь настало время заменить этот кабель воло¬
конно-оптической линией связи. Что это даст? Выигрыш
по пропускной способности. По кабелю С. Филда можно
передавать одновременно не более 36 разговоров. А по
оптическому — 40 тысяч! Таким образом, более чем в
тысячу раз расширяется канал телефонной связи меж¬
ду Америкой и Европой. А ведь это еще далеко не пре¬
дел.
Емкость оптических линии отнюдь не единственное
их преимущество перед другими видами связи. Пре¬
одолев все трудности, связанные с созданием воло¬
конных каналов, электроника обнаружила у этих кабе¬
лей целый ряд замечательных свойств.
Конечно же, передавать сигнал по эфиру проще,
чем по оптическим кабелям. Зато в отличие от излучае¬
мых в пространство сигналов сигнал, бегущий по свето¬
воду, не боится помех. Даже в покрытые специальной
экранизирующей оплеткой телевизионные кабели про¬
сачиваются внешние электромагнитные волны, искажая
передаваемый по кабельной линии связи сигнал. А в
световод не проникнут ни молнии, ни сигналы само¬
летных локаторов или соседних радиостанций, ни про¬
мышленные помехи от мощных трансформаторов, иск¬
ровых разрядов или вольтовых дуг.
Эти преимущества волоконных каналов связи ус¬
пешно используются и для создания помехозащищен-
ноп внутренней связи на предприятиях и для передачи
телевизионных программ.
Жители ряда микрорайонов Москвы жаловались
на плохое качество телетрансляций, обусловленное
рельефом местности, экранирующим антенны, или близ¬
ким соседством промышленных сооружений, служащих
источниками всякого рода помех.
Теперь эти микрорайоны соединены с телецентром
волоконной линией связи и имеют преимущества перед
всеми другими микрорайонами, поскольку изображе-
ЗЕМЛЯ
НАДЕВАЕТ
ПАРИК
381

ние на их телеэкранах не вздрогнет даже во время раз¬
ряда молнии, не исказится, если начнет посылать сиг¬
налы пролетающий самолет.
Есть и другие существенные преимущества волокон¬
но-оптических линий по отношению к кабелям, пред¬
назначенным для передачи радиоволн (их называют
коаксиальными).
382

Из-за малых диаметров волокна оно весит значи¬
тельно меньше коаксиального кабеля той же длины.
По той же причине на волокно расходуется меньше
материалов и стоит оно намного дешевле. А главное,
в них теряется меньше энергии. В коаксиальном кабеле
телевизионный сигнал затухает на расстоянии в не¬
сколько сот метров, а чтобы передать его дальше, при¬
ходится включать в линию передачи усилители мощ¬
ности, способные «подкормить» потерявший в дороге
силы сигнал. А это связано с дополнительным расходом
энергии и идущих на изготовление усилителей средств.
Световому сигналу усилителей требуется много
меньше, потому что лишь после пробега расстояния в
сто километров сигнал ослабнет настолько, что возник¬
нет необходимость его «подкормить».
Все перечисленные преимущества открывают ши¬
рокие перспективы применения волоконных линий. В
ближайшие годы сеть таких линий будет стремительно
развиваться, и можно предполагать, что в скором буду¬
щем весь земной шар окажется под искусственным во¬
лосяным покровом, некоторым подобием седовласого
парика. Парик этот весьма и весьма необычен. По его
искусственным волосам будет циркулировать инфор¬
мация. Значит, «волосы» этого «парика» станут выпол¬
нять роль искусственных нервных волокон. В этом и со¬
стоит основное отличие волоконных каналов связи не
только от искусственных волос париков, но и от лишен¬
ных нервов естественно растущих волос.

СТАРТ И ФИНИШ
JTO
ЛЕЖИТ
4.24
Пока речь шла о распространении светового сигнала
по волоконной линии связи, мы полностью отвлека¬
лись от квантовой природы света и рассматривали све¬
товой луч как непрерывный поток волн.
А как вводится этот поток в волокно и что с ним
происходит на выходе?
Здесь снова приходится вспомнить о двойственной
квантово-волновой природе света и о том, что на входе
и выходе волоконной линии связи главную роль играет
фотон.
4.25
Превращение светового луча из потока фотонов
в волны и обратное превращение волн в фотоны напо¬
минает поведение Золушки, которой до полуночи
разрешено быть принцессой, но строго наказано
вновь становиться Золушкой после двенадцатого удара
часов.
<
о
X
<
Р
+
с лето юл.
Р п
I
Направляемый в оптические волокна световой сиг¬
нал может формироваться с помощью светоизлучаю¬
щего диода.
От обычных полупроводниковых диодов, о которых
шла речь в главе 1, светоизлучающий диод отличается
наличием в нем промежуточного слоя с дырочной про¬
водимостью, размещенного между присутствующими
у обычных диодов P-слоем и n-слоем, к которым при¬
мыкают катод и анод.
384

4.26
Для выяснения роли дополнительного P-слоя рас¬
смотрим возможные энергетические состояния элек¬
тронов в твердых телах.
Область, расположенная ниже энергетического
уровня Еа, называется валентной зоной. Все входящие
в состав атомов электроны оказываются в этой энер¬
гетической зоне, так как они обладают энергией, мень¬
шей, чем Е).
Те из них, которые находятся на удаленных от ядра
атома (наружных) орбитах, при получении некоторой
дополнительной энергии могут вырваться из валент¬
ной зоны и обрести свободу, попав в зону проводи¬
мости, расположенную выше энергетического уров¬
ня Е|.
Но для этого им придется пройти через запрещен¬
ную зону шириной ДЕ=Е|—Ej.
Проводники, полупроводники и изоляторы отлича¬
ются различными соотношениями Е|, EL и ДЕ.
4.27
Полупроводники из различных материалов тоже
отличаются друг от друга тем, что имеют разные уров¬
ни энергии.
Для светоизлучающего диода материалы полупро¬
водниковых слоев подбираются так, чтобы самой уз¬
кой запрещенной зоной обладал промежуточный
Р-слой.
Именно в этом слое и возникают фотоны, попадаю¬
щие потом в световодное волокно.
25 Е. Седов
38S

4.28
Подталкиваемые катодом и притягиваемые анодом
электроны преодолевают Р — n-переход и оказывают¬
ся в промежуточном P-слое. Навстречу им движутся
подталкиваемые в противоположном направлении
дырки.
В промежуточном P-слое происходит процесс ре¬
комбинации электронов и дырок: встретив ближай¬
шую дырку, электрон занимает ее место, излучая при
этом фотон.
П	Р	Р
4.29
Возникающие в промежуточном слое фотоны не
обладают энергией, достаточной для преодоления за¬
прещенных энергетических зон соседних слоев. Вслед¬
ствие этого они не могут быть поглощены атомами со¬
386

седних слоев, поскольку не в состоянии придать им до¬
полнительную энергию, необходимую для перевода
электронов соседних слоев из валентной зоны в зону
проводимости.
Каждый возникший в промежуточном P-слое фотон
будет вести себя наподобие мыши, оказавшейся на
изолированной площадке, имеющей единственный вы¬
ход во внешний мир.
Резвая мышь обежит всю площадку, попытается по¬
очередно преодолеть все препятствия и, убедившись,
что препятствия миновать невозможно, в конце концов
найдет единственный выход во внешний мир.
4.30
Подобным образом ведут себя и возникающие в
промежуточном P-слое фотоны. Попытавшись вступить
во взаимодействия с атомами соседних слоев, они
«убеждаются» в том, что сделать это им не удастся.
А раз так, значит, атомы соседних слоев «не жела¬
ют» поглощать возникающие в промежуточном Р-слое
фотоны, поэтому для этих фотонов открывается путь
во внешний мир через подключенный к светоизлучаю¬
щему диоду волоконный световод.
Взяв старт внутри породившего их диода, фотоны
вырвутся за его пределы и, обернувшись волнами све¬
та, побегут по световодному волокну на расстояния
в сотни и тысячи километров рассмотренным в 4.17 —
4.18 зигзагообразным путем.
Р Р	П
4.31
А у финиша их поджидает созданный специально
для каналов оптической связи еще один электронный
прибор. Он называется pin-диодом, или фотодиодом.
Название «фотодиод» характеризует его назначение:
25’
387

превращать свет в электрический ток. Название «pin-
диод» отражает его структуру: между полупроводни¬
ковыми р- и п-слоями расположен проводящий i-слой.
В i-слой попадают выходящие из световода фотоны,
пройдя предварительно очень тонкий (0,5 микрона)
р-слой.
-1»
4.32
Есть одно существенное отличие pin-диода, исполь¬
зуемого в качестве фотодиода, от всех прочих диодов:
вместо того чтобы подталкивать электроны и дырки
навстречу друг другу, катод и анод тянут их в разные
стороны, поэтому при отсутствии света ток через i-слой
не течет.
4.33
Но вот поступающие из световодного волокна на
диод фотоны начали воздействовать на атомы р-слоя.
А поскольку этот слой очень тонок (0,5 микрона), фо¬
тоны могут пройти сквозь него и в проводящий i-слой.
В i-слое они поглощаются атомами. Находящиеся
на наружных орбитах атомов электроны, получив до¬
полнительную энергию от фотонов, превращаются в
свободные электроны. На месте покинувших электро¬
нов в атомах образуются дырки. Электроны устреми¬
лись к аноду, дырки — к катоду. Под действием свето¬
вого потока возник фотоэлектрический эффект, поро¬
388

дивший текущие навстречу друг другу электронный и
дырочный токи.
Сила токов будет тем больше, чем интенсивнее воз¬
действие света.
Модулированный по яркости свет несет инфор¬
мацию о предметах, которыми он отражен. С по¬
мощью фотодиода модулированный по яркости свет
превращается в модулированный по интенсивности
ток.
7
П
4.34
Для увеличения чувствительности фотодиодов к из¬
менениям светового потока в них используется лавин¬
ный эффект. С этой целью на проводящем слое диода
создается разность потенциалов, ускоряющая встреч¬
ное движение электронов и дырок и придающая им
энергию, достаточную для превращения атомов i-слоя
в ионы.
В результате ионизации образуются новые пары
электронов и дырок, которые, в свою очередь, раз¬
гоняются электрическим полем, ионизируют другие
атомы, усиливая тем самым лавинообразно нарастаю¬
щий ток.
Использование лавинного эффекта позволяет уве¬
личить чувствительность фотодиода в десятки и в сот¬
ни раз. Однако при слишком большом усилении в
диоде возникают искажающие сигналы шумы. А кро¬
ме того, лавинообразное усиление тока грозит пе¬
рейти в короткое замыкание, выводящее из строя
ДИОД.
4.35
Один из способов совершенствования систем опти¬
ческой связи заключается в совмещении диода с лазе¬
ром. Так, например, для подачи сигнала на вход воло¬
конного световода создан лазерный светоизлучаю¬
щий диод.
Торцевые поверхности лазерного диода полиру¬
389

ются до зеркальной гладкости. Возникающий в про¬
межуточном p-слое поток фотонов многократно отра¬
жается от торцов, набирает энергию и в конце концов
вырывается из промежуточного слоя через один из
торцов. Подобный процесс происходит в рубиновом
стержне лазера (см. 4.8—4.10).
4.3 6
Для конструктивной стыковки с лазерным диодом
более удобен не круглый, а плоский (планарный) све¬
товод.
Главное преимущество лазерного диода заключа¬
ется в том, что он позволяет ввести в световод до 50
процентов излучаемой им энергии, в то время как в
рассмотренном в начале этого раздела светоизлучаю¬
щем диоде только 2 процента энергии светового пото¬
ка диода попадает на вход волокна.
Благодаря монохромичности излучаемого лазер¬
ным диодом потока примерно в 10 раз сужается полоса
содержащихся в сигнале частот. Это приводит
к уменьшению искажений сигнала в процессе его
последующего распространения по световодному
волокну.
390

Расставшись на время со световыми потоками и
следуя по проторенным электроникой новым путям,
мы теперь поведем читателя в ту область явлений,
где и свет и тепло исчезают, где царит покой и господ¬
ствует холод, не такой, как в Антарктиде или на Север¬
ном полюсе, а еще на 200 градусов ниже — в облас¬
ти температур, приближающихся к абсолютному
нулю.
Именно в этой области проявляется необычное свой¬
ство металлов — сверхпроводимость: при температу¬
рах, приближающихся к нулю шкалы Кельвина, сопро¬
тивление некоторых металлов становится равным нулю.
На основе эффекта сверхпроводимости удалось создать
ряд уникальных электронных приборов и достичь с их
помощью тех удивительных результатов, которым и по¬
священ наш дальнейший рассказ.
Каждый день мы слышим голоса дикторов радио и
телевидения, сообщающих нам прогноз погоды: «...Тем¬
пература ночью минус пять — семь градусов, днем —
шесть градусов выше нуля».
А в специальной литературе можно прочесть, что
гелий переходит из газообразного состояния в жидкое
при температуре плюс 4,1 градуса. Однако речь идет
уже о других градусах, измеряемых по другой темпе¬
ратурной шкале.
В обыденной жизни мы используем шкалу Цельсия.
Нулю этой шкалы соответствует температура таяния
льда. Но пуль этот не абсолютный, потому что законы
физики позволяют снизить температуру еще на 273,16
градуса и лишь после этого достичь абсолютного нуля.
Температура, равная —273,16°С (то есть минус 273,16
градуса по шкале Цельсия) — это предел, установлен¬
ный не людьми, а природой, поэтому ниже этой темпе¬
ратуры опуститься никому не дано. Точно так же, как
никому не дано достичь скорости, превышающей ско¬
рость света, потому что природе было угодно установить
для температуры нижний, а для скорости — верхний
предел.
Вот этот предел и принят за нуль абсолютной темпе¬
ратурной шкалы, названной именем предложившего
эту шкалу ученого У. Кельвина. Символом «0 К» обо¬
значается нулевое значение температуры по абсолют¬
ной шкале Кельвина, названное сокращенно абсолют¬
ным нулем.
Ученым прошлого века было очень непросто при¬
близиться к этой температуре и исследовать, как ведут
себя при приближении к абсолютному нулю различные
физические тепа. Специальные установки для сжиже¬
ния газов позволили физикам завоевывать ступень за
ступенью на спуске к абсолютному нулю. Сначала полу¬
чен был жидкий азот с температурой 77 К- Затем уда¬
лось перевести в жидкое состояние кислород, снизив-
О ДВУХ
АБСОЛЮТНЫХ
НУДЯХ
391

шись до 54 К- Температуру 20 К удалось получить с по¬
мощью жидкого водорода. Последним в этом ряду ока¬
зался жидкий гелий при температуре 4,2 К.-
Каждый последующий шаг завоевывался ценой мно¬
гих экспериментальных исследований и разнообразных
усовершенствований, предназначаемых для сжижения
газов специальных криогенных (от греческого слова
«крио», означающего «холод») устройств.
В процессе исследований удалось обнаружить не¬
мало интересных явлений, обусловленных замиранием
движения «замерзающих» атомов и молекул при погру¬
жении в жидкие газы разных физических тел. Но свой¬
ства эти не были слишком уж неожиданными, посколь¬
ку их можно было предвидеть, основываясь на теоре¬
тических исследованиях атомной, молекулярной и кри¬
сталлической структуры веществ. И только одно из яв¬
лений оказалось для всех неожиданным — сверхпрово¬
димость металлов.
392

Впервые с этим явлением столкнулся профессор
экспериментальной физики Британского королевского
института Джеймс Дьюар. Тот самый Д. Дьюар, кото¬
рый придумал конструкцию окруженного безвоздуш¬
ной рубашкой сосуда для хранения сжиженных газов.
По имени изобретателя такой сосуд называют Дьюа¬
ром, а родной брат дьюара — это хорошо всем знако¬
мый термос, позволяющий сохранять драгоценное для
походных условий тепло (или холод).
Измеряя температуру жидкого газа с помощью пла¬
тинового электротермометра, Д. Дьюар заметил, что
при постепенном снижении температуры наступает мо¬
мент, когда термометр вдруг начинает безбожно врать.
Этот факт заинтересовал голландского физика Хей-
ке Камерлинга Оннеса. Предположив, что причина рез¬
кого изменения показаний термометра заключается в
падении величины удельного сопротивления платины,
X. Оннес решил подробно исследовать этот вопрос. Из¬
мерения подтвердили его догадку: при приближении к
температуре жидкого кислорода сопротивление плати¬
ны резко уменьшилось. Однако в жидком водороде оно
уменьшалось значительно медленнее. А в условиях жид¬
кого гелия не зависело от температуры и сохраняло по¬
стоянную малую величину.
Интуиция подсказала ученому, что это еще не пре¬
дел. В ходе экспериментов он заметил, что остаточное
сопротивление платиновых проволочек одинаковых
размеров возрастает по мере увеличения содержащих¬
ся в них примесей. Ученый решил проверить, как будет
вести себя при сверхнизкой температуре лишенный при¬
месей чистый металл. С этой целью он решил исполь¬
зовать ртуть, поскольку жидкую ртуть можно очистить
от примесей путем ее перегонки.
Очистив и охладив ртуть, X. Оннес установил, что
сопротивление ртутного столбика при температуре
4,2	К резко снижается до мизерно малых значений, а
при дальнейшем охлаждении становится настолько ма¬
лым, что его не смог зафиксировать самый чувстви¬
тельный из приборов.
Эксперимент показал, что температурный интервал,
на котором сопротивление скачком падает вниз, состав¬
ляет всего 0,02 К. Эта зависимость приведена на заим¬
ствованном из статьи X. Оннеса графике, где видно,
что в этом узеньком температурном интерва¬
ле сопротивление падает резким скачком. Но до нуля
ли?
Для физиков этот вопрос был сугубо принципи¬
альным: исчезает ли сопротивление вовсе или только
становится настолько малым, что приборы, в силу огра¬
ниченной чувствительности, уже не способны его изме¬
рять? Сам X. Оннес считал, что сопротивление полно¬
стью исчезает. Об этом свидетельствуют названия тех
С,
(I,w
0JW
Щв
Х>
х<
f
1
1
]
1
1
1
/
Ч,с V ЧЯ 43 Г/
393

статей, в которых описывался полученный им неожи¬
данный результат.
В мае 1911 года он послал в Нидерландскую ака¬
демию наук сообщение под названием «Исчезновение
сопротивления ртути». Полгода спустя сообщил в тот же
адрес дополнительные подробности своих опытов под
названием «О неожиданном изменении скорости, с ко¬
торой исчезает сопротивление ртути».
Да, обнаруженный факт был действительно неожи¬
данным. С уменьшением температуры сопротивление
падает. Это в общем-то закономерно, поскольку зами¬
рает движение атомов и ионов кристаллической решет¬
ки металла, по которой свободные электроны должны
«прокладывать себе путь». Однако до опубликования
экспериментальных данных никто не высказывал пред¬
положения, что при температуре жидкого гелия сопро¬
тивление может упасть до нуля. Опыт же доказывал,
что сопротивление «исчезает». Так это или не так? Нуль
или «почти нуль»? Может быть, более чувствительные
приборы покажут, что остаточное сопротивление все-
таки есть, только оно очень мало?
Все попытки уточнить результат измерений не при¬
водили к успеху. Приборы по-прежнему показывали,
что сопротивление сверхпроводимости становится аб¬
солютным нулем. Как объяснить этот странный эф¬
фект?
В обычных температурных условиях свободные эле¬
ктроны движутся в пространстве между атомами и
положительно заряженными ионами, расположенными
в узлах кристаллической решетки металлов (см. 1.22).
Узлы решетки совершают колебательные тепловые дви¬
жения. Электроны испытывают сопротивление, обуслов¬
ленное притяжением к положительным ионам и тепло¬
выми колебаниями узлов. В результате взаимодейст¬
вий электронов с атомами и ионами электроны теряют
часть своей кинетической энергии, разогревая провод¬
ники.
При сверхнизких температурах замедляется воз¬
вратно-поступательное движение атомов и ионов. Но
остаются заряды ионов. Да и движение не прекраща¬
ется полностью: сопротивление исчезает при темпера¬
туре. хотя и близкой, но еще не равной абсолютному
нулю. Почему же при сверхпроводимости электроны
беспрепятственно движутся между атомами и ионами,
как бы вдруг перестав их замечать?
Исследования выявили еще одно замечательное
свойство сверхпроводящих металлов. Если погрузить в
жидкий гелий свинцовую чашу, а затем начать прибли¬
жать к ней подвешенный на тросике магнит, то по мере
приближения к чаше натяжение тросика будет стано¬
виться все меньше, и в конце концов магнит будет «па-
394

рить» над чашей, и конец тросика будет «парить» вме¬
сте с ним.
Существует легенда, будто подобным образом парил
в воздухе гроб, в котором покоился Магомет.
В отличие от этой легенды опыт с магнитом может
быть объяснен безо всяких ссылок на вмешательство
чудодейственных сил.
По законам индукции воздействие внешнего магнит¬
ного поля, изменяющегося в результате приближения
к чаше магнита, порождает противодействующие токи
в свинце. Эти токи индуцируют противополе (см. 2.9—
2.12).
При нулевом сопротивлении сверхпроводимости
противотоки и противополе приобретают такую энер¬
гию, что способны вытолкнуть из чаши магнит.
395

НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ
ЭЛЕКТРОН
Таким образом, причина эффекта выталкивания
магнита из чаши кроется в нулевом сопротивлении
при сверхпроводимости. Однако по-прежнему остава¬
лось неясным, почему сопротивление падасг до нуля.
Ответ на этот вопрос был'найден лишь через 45 лет
после открытия сверхпроводимости. Он был не менее
неожиданным, чем сам эффект.
В 1956 году американский теоретик Леон Купер
предположил, что в состоянии сверхпроводимости эле¬
ктроны объединяются в пары. Но имени Л. Купера они
вошли в теорию сверхпроводимости под названием ку-
перовских пар.
Выдвинутая Л. Купером гипотеза, согласно которой
при сверхнизких температурах электроны способны
объединяться в пары, была неожиданной даже для спе¬
циалистов в области квантовой физики. Хотя уж кто-
кто, а они-то должны были привыкнуть к необычности
тех явлений, которыми изобилует микромир.
Но гипотеза Купера даже на фоне всех странных
явлений казалась сверхстрапной: но своим физическим
свойствам электроны объединяться в пары никак не дол¬
жны! «Противоположности сходятся» — это привычное
утверждение проявляется и во взаимоотношениях лю¬
дей с различными чертами характера, п при взаимном
притяжении разноименных полюсов магнитов, и об¬
ладающих зарядами противоположных знаков
частиц.
Но если в области человеческих отношений встреча¬
ется немало исключений из правил, то в области физи¬
ческих явлений до открытия куперовских пар наука еще
не знала прецедентов добровольного спаривания об¬
ладающих одинаковым зарядом частиц.
Но именно необычность такого «альянса» позволила
объяснить все прочие странности сверхпроводников.
Выявление особенностей поведения электронов в ус¬
ловиях сверхпроводимости еще раз подтвердило заме¬
чательное предречение В. И. Ленина о том, что в резуль¬
тате углубления представлений об атомной структуре
материи наука должна будет прийти к заключению, что
электрон так же неисчерпаем, как атом.
Эти слова В. И. Ленин произнес вскоре после откры¬
тия электрона. А 60 лет спустя исследования свойств
электронов в условиях сверхпроводимости стали еще
одним подтверждением неисчерпаемости электрона и
справедливости ленинских слов.
Впрочем, подтверждения приходили и раньше.
Сначала были изучены все физические свойства элек¬
трона-частицы: масса, величина заряда и его знак.
Казалось, все об электроне известно. Но с созда¬
нием квантовой физики ст&ло ясно, что изучение элек-
396

трона-частицы — это взгляд на медаль только с одной
ее стороны. На другой стороне — неисчерпаемость вол¬
новых свойств электронов, а в целом медаль представ¬
ляет собой неразрывное и противоречивое единство
корпускулярных и волновых свойств.
На какой-то период времени вопрос о свойствах
электронов опять казался исчерпанным. До тех пор,
пока предсказанная В. И. Лениным неисчерпаемость
не проявилась совсем по-новому в происходящих в ла¬
зерах взаимодействиях электронов с фотонами, в кото¬
рых электроны обнаружили склонность к коллективиз¬
му, способность действовать не в одиночку, а когерент¬
но, как четко слаженный, дружный и спаянный кол¬
лектив.
И вот новая неожиданность: при сверхнизких тем¬
пературах электроны склонны объединяться в пары, во¬
преки взаимодействию их одноименных зарядов, кото¬
рые всеми силами стараются этому помешать.
Неисповедимы пути твои и возможности, о, эле¬
ктрон!
Механизм сверхпроводимости и всех связанных с
этим эффектом явлений оказался отнюдь не простым.
Тут все необычно: и свойства металлов, и поведение
присутствующих в них электронов, и свойства сопро¬
вождающих электроны ф-волн.
Для детального описания этих явлений пришлось
бы заимствовать формулы и кривые, полученные целой
плеядой ученых, исследовавших свойства сверхпровод¬
ников.
Но у нас другая задача: с помощью аналогий и на¬
глядных примеров показать, что в условиях сверхпро¬
водимости электрон приобретает совсем особые свой¬
ства, использование которых позволило электронике
решить целый ряд новых важных и интересных задач.

это
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОНЫ И БАСКЕТБОЛ
4.37
При обычных температурах и при отсутствии
разности потенциалов свободные электроны в
металле представляют собой беспорядочную «тол¬
пу».
Столкнувшись в этой «толпе», два электрона тут же
разбегаются в разные стороны, поскольку вокруг их
одинаковых отрицательных зарядов действуют взаим¬
но отталкивающие друг друга поля.
Вот почему столь удивительной казалась вначале
гипотеза о возможности объединения электронов в
некие пары, выдвинутая Л. Купером более тридцати
лет назад.
4.38
Связь между двумя электронами, образующими
ку перовскую пару, осуществляется благодаря об¬
мену энергией. Носителем этой энергии служит
квант акустических колебаний кристалла — фонон.
За очень короткое время фонон успевает «побыть
в руках» у одного электрона, перелететь к другому,
который через мгновенье отправит его в обратный
полет.
В этом процессе электроны уподобляются двум
игрокам одной баскетбольной команды, которые пере¬
двигаются на половину поля соперника, поочередно
пасуя друг другу мяч.
4.39
Роль мяча этого своеобразного «электронного бас¬
кетбола» выполняет фонон. Его энергии оказалось
достаточно, чтобы преодолеть «взаимную неприязнь»
электронов, связать электроны в пары, несмотря на их
одноименный заряд.
Но откуда берется столько «мячей» для множества
образующихся при сверхпроводимости пар? Они при¬
сутствуют в проводнике постоянно вследствие тепло¬
вых колебаний атомов, расположенных в узлах кри¬
сталлической решетки металлов.
Чем выше температура кристалла, тем интенсивнее
движение атомов в его узлах. Чем интенсивнее акусти¬
ческие колебания атомов, тем больше они порождают
фононов.
398

4.40
Движение атомов хаотично, но есть в нем и опреде¬
ленный порядок, обусловленный тем, что атомы свя¬
заны друг с другом полями, действующими наподобие
упругих пружин. Благодаря этим связям в решетке
кристалла возникают упругие волны различной длины.
Длина самой короткой волны равна расстоянию
между соседними атомами. Самая длинная волна рас¬
пространяется на весь кристалл.
399

4.41
Где есть волны, там есть и кванты. В данном случае
речь идет об упругих (акустических) волнах. Рожден¬
ный такими волнами квант — это фонон. Энергия
фонона зависит от частоты колебаний решетки (вспом¬
ним новеллу «Квантованное тепло»).
Поскольку длины волн колебаний решетки отлича¬
ются друг от друга (см. 4.40), фононы отличаются друг
от друга энергией, определяемой согласно уже знако¬
мой читателю формуле Планка, как AE=hv. Этими
квантами и пользуются электронные пары в процессе
своей «игры в баскетбол».
Одновременное взаимодействие многих пар элект¬
ронов с фононами создает сложную картину движения
куперовских пар электронов. Так, будто на одной бас¬
кетбольной площадке играют, одновременно перепа-
совываясь мячами, много разных команд.
4.42
Чтобы понять, как ведут себя электронные пары в
сверхпроводящем металле, необходимо учитывать
еще одно обнаруженное квантовой физикой свойство
электрона, характеризуемое понятием «спин».
В переводе с английского слово «спин» имеет два
близких по смыслу значения: «крутить» или «прясть».
Эти названия отражают уже устаревшие представле¬
ния. Первоначально считалось, что именуемый спином
элементарный магнитный момент электрона возникает
из-за его вращения вокруг оси. Так, будто некто сумел
обмотать электрон ниткой, а затем, дернув ее конец,
раскрутил его. При этом согласно законам индукции в
результате вращения заряженной частицы должен воз¬
никнуть магнитный момент — спин.
4.43
По мере исследований квантово-механических
свойств элементарных частиц все очевиднее станови¬
лась условность таких представлений.
Электрон можно сравнивать с веретеном в том слу¬
чае, если сам он представляет собой сосредоточенный
в одном месте плотный заряженный «шарик». Ну а как
быть с электроном-волной? Как раскручивать «верете¬
но», если оно «размазано по пространству» и нельзя
установить, где именно находится и как ориентирована
та «ось», вокруг которой нужно его вращать?
В конце концов от наглядности пришлось отказать¬
ся, оставив только название «спин», напоминающее о
мнимом вращении иллюзорного «шарика». Наука
пришла к заключению, что не имеет смысла доиски¬
400

ваться до причин существования спина, поскольку это
такое же фундаментальное свойство элементарной
частицы, как и ее масса или заряд.
4.44
Установлено, что разные частицы обладают различ¬
ными по величинам спинами, но все эти величины крат¬
ны целому или половинному значению величины h,
причем h — это уже известная читателю постоянная
Планка, умноженная на не менее известное всем чис¬
ло 2л.
Исходя из этого, все частицы стали подразделять
на две категории: частицы с целыми спинами — 0, h,
2h, 3h, ... и частицы с полуцелыми спинами '/^h, ‘ДН,
7Л ...
4.45
Правила поведения частиц, обладающих полуцелы¬
ми спинами, были установлены в 1926 году итальянским
ученым Энрико Ферми. По его имени все частицы с
полуцелыми спинами стали называть фермионами. Он
обнаружил, что такие частицы могут иметь несколько
энергетических состояний, которым соответствуют
уровни энергии Е■, Е„ E.i и т. д. При этом для фермио¬
нов существует запрет, сформулированный швейцар¬
ским физиком Вольфгангом Паули: на каждом энерге¬
тическом уровне атома могут находиться одновремен¬
но лишь две частицы, спины которых обладают проти¬
воположными знаками.
26 Е. Седей
401

4.46
Поведение частиц с целочисленными спинами
исследовал в 1924 году индийский ученый Шатьендра¬
нат Бозе. Эти частицы стали с тех пор называть бозона¬
ми. В отличие от фермионов бозоны в неограниченном
количестве располагаются на одном и том же энерге¬
тическом уровне, причем все они стремятся занять
именно тот уровень, на котором поселился их первый
собрат — бозон.
Как видите, рассказ о мире квантовой физики чем-
то напоминает описание путешествий по экзотическим
странам. Мир квантов обладает своей экзотической
«фауной», представителями которой являются, в част¬
ности, бозоны и фермионы, причем каждому из пред¬
ставителей присущи свои индивидуальные «привычки»
и «вкусы».
Если распределение фермионов можно сравнить
с попарным расселением на разных этажах многоэтаж¬
ного дома, то «жилище» бозонов похоже на одноэтаж¬
ный дом бесконечной длины.
4.47
Когда два электрона со спинами —|—1 /ah и —'/гБ
образуют куперовскую пару, их спины суммируются.
Два полуцелых спина с противоположными знаками в
результате сложения образуют целое число, каковым
в данном случае является нуль.
Таким образом, из двух независимых электро¬
нов, принадлежавших компании фермионов, образу¬
ется электронная пара — бозон.
А бозонам, как мы уже знаем, предоставлено «пра¬
во прописки» в неограниченных количествах на одном
«этаже».
402

4.48
Чтобы определить, на каком именно «этаже» мно¬
гоэтажного дома должны «поселиться» куперовские
электронные пары, необходимо учесть, что при обра¬
зовании этих пар часть энергии электронов расходует¬
ся на возникающую в паре взаимную связь. Поэтому
на долю каждого из электронов пары остается мень¬
ше энергии, чем на долю любого свободного элек¬
трона.
Это значит,ь что при «расселении» по энергетиче¬
ским уровням куперовским электронным парам доста¬
нется «нижний этаж».
4.49
Расстояние между соседними уровнями, разрешен¬
ными для расселения одиночных электронов, во много
раз меньше, чем расстояние между нижним уровнем
свободных электронов и уровнем, разрешенным для
куперовских пар. Поэтому на нашем рисунке между
нижним уровнем одиночных электронов Ег и уровнем
26*
403

Е|, на котором размещены электронные пары, есть не¬
сколько пустых этажей.
Разность энергий Ег—Ei носит название энергети¬
ческой щели сверхпроводника.
4.50
При повышении температуры сверхпроводника в
нем возникают фотоны. Когда температура становится
выше порога сверхпроводимости, тепловые фотоны
приобретают энергию, достаточную для того, чтобы
разорвать межэлектронную связь внутри куперовских
пар. Электроны куперовских пар расстаются друг с
другом и вновь становятся одиночными свободными
электронами.
4.51
Оставшимся после распада куперовских пар оди¬
ночным электронам запрещено находиться на нижнем
энергетическом уровне, и они, подчиняясь правилам
Ферми, начинают переселяться с нижнего этажа на
более высокие.
Когда распадутся все пары и нижний этаж полно¬
стью освободится от электронов, исчезнет энергетиче¬
ская щель, а с нею вместе и сверхпроводимость.
Аналогичные процессы происходят в том случае,
если ток проводимости превышает определенный пре¬
дел. Ток, при котором начинается распад куперовских
пар, носит название критического тока сверхпроводи¬
мости.
СВЕРХПРО¬
ВОДИМОСТЬ?
ЭТО ОЧЕНЬ
НЕ ПРОСТО
Мы с вамп живем не в микроскопическом, а в макро¬
скопическом мире. Привычные для нас предметы
имеют сопоставимые с нами самими размеры. Мы ви¬
дим их невооруженным глазом, можем наблюдать
их движение, взаимодействия. Из множества таких
наблюдений складываются наши обыденные представ¬
ления о том, как «устроен» окружающий мир.
Но представления эти часто бывают обманчивыми.
В истории науки есть немало примеров, показывающих,
что внешние впечатления не всегда отражают более
глубокую сущность вещей.
Чтобы понять происхождение молнии, надо было
сначала изучить электричество, а затем постичь при¬
роду электрических атмосферных явлений. А до этого
людям казалось вполне убедительным утверждение,
что молния — это проявление гнева богов.
Повседневные наблюдения земли, неба и солнца
убеждали людей в том, что над плоской землей распро¬
стерт шарообразный купол, по которому солнце совер¬
404

шает предписанный ему от века маршрут. Гораздо труд¬
нее было привыкнуть к мысли, что Земля шарообразна,
а кажущееся движение Солнца по небосводу обуслов¬
лено вращением земного шара вокруг никем не видан¬
ной, а лишь теоретически вычисленной наукой оси.
Так что даже в привычном нам макромире отнюдь
не все уж так очевидно. Что же касается микромира, то
в нем обнаружено множество таких явлений, которые,
исходя из привычных нам представлений, порой невоз¬
можно вообразить.
С рождением квантовой физики даже само слово
«странность» приобрело статус физического параметра.
Странность это одна из характеристик микрочастиц.
Но даже на фоне .многих странностей микромира
квантовая теория сверхпроводимости оказалась в такой
степени необычной, что даже привычные к неожидан¬
ностям физики были шокированы смелостью исследо¬
вавших сверхпроводимость коллег.
Первой такой неожиданностью была выдвинутая в
1956 году американским физиком Л. Купером смелая
гипотеза о возможности возникновения электронных
пар. Такая гипотеза в корне противоречила проверен¬
ному практикой представлению о взаимном отталки¬
вании одноименно заряженных электронов.
Сначала Л. Купер ввел только одну подобную пару
в предложенную им теоретическую модель. Два других
теоретика - Джон Браун и Джордж Шриффер — пред¬
ложили расиостранить идею Л. Купера на весь коллек¬
тив свободных электронов сверхпроводника. Было дока¬
зано. что в состоянии сверхпроводимости электронам
«выгодно» объединиться в пары, поскольку при этом
внутренняя энергия пары становится меньше, чем сум¬
марная энергия двух независимых электронов. Это зна¬
чит, что общая внутренняя энергия, требуемая для со¬
хранения структуры сверхпроводящих металлов, умень¬
шается в результате возникновения электронных купе-
ровских пар.
Дальнейшие исследования позволили представить
себе весь процесс перехода металлов в сверхпроводя¬
щее состояние. По законам квантовой физики все элек¬
тронные пары «опускаются» на нижний энергетический
уровень, над ними образуется энергетический интер¬
вал, запрещенный и для пар и для отдельных незави¬
симых электронов,— щель. Над щелью располагаются
множеством ярусов уровни энергии, разрешенные для
электронов, не связанных в пары. На рис. 4.49 зги ярусы
представлены в виде жилых этажей.
Однако стоит лишь вникнуть несколько глубже в
сущность рассматриваемых процессов, как сразу начнет
выявляться условность любых сравнений с привычным
нам миром. Так, например, учитывая, что количество
атомов, содержащихся в каждом кубическом сантимет-
405

ре металла, выражается числом 1023, а на каждом «эта¬
же» нашего здания может селиться не более двух элек¬
тронов, получим, что в нашем здании должно быть
0,5- 1022 этажей (!).
Впрочем, пример со зданием не так уж важен для по¬
нимания сути явлений сверхпроводимости. Вместо зда¬
ния можно, к примеру, представить себе лестницу.
Правда, и лестница эта имела бы фантастические раз¬
меры, если бы все ее 0,5- К)22 ступенек измерялись не в
микроскопических дозах энергии (около 10 40 джоулей
на ступеньку), а, скажем, в количестве сантиметров,
сопоставимых с размерами наших шагов.
Так или иначе многоярусную структуру энергетиче¬
ских уровней можно представить довольно наглядно.
Гораздо труднее вообразить, как движутся между ато¬
мами решетки кристалла куперовские электронные па¬
ры, понять, почему после возникновения таких пар
сопротивление их движению со стороны атомов той же
решетки становится равным нулю.
При обычных температурах свободные электроны,
двигаясь между атомами решетки, отдают часть энер¬
гии этим атомам. От этого атомы колеблются интенсив¬
нее, температура кристалла растет. В этом и проявляет¬
ся сопротивление металлического провода току: элек¬
троны теряют энергию, потерянная энергия разогре¬
вает провод. Интегральной (результирующей) характе¬
ристикой потери энергии всех образующих электриче¬
ский ток электронов служит величина сопротивления,
обозначаемая буквой R. На макроскопическом уровне
эти явления описываются известным законом Ома:
R=-^.
J
Квантовая теория позволяет представить микроско¬
пическую картину тех же явлений. Для этого придется
снова вспомнить о квантах, которые открыл М. Планк.
Тепловые колебания атомов тоже можно представить
в виде потоков квантов. Поскольку речь идет о механи¬
ческих (то есть акустических) колебаниях решетки кри¬
сталла, рожденный этими колебаниями — квант — это
фонон. Множеством этих фононов образуется заполняю¬
щий все пространство решетки «фононный газ». «Про¬
дираясь» сквозь облако этого газа, электроны теряют
энергию. Отобранная у электронов энергия разогревает
металл.
Если нагреть проводник снаружи, возрастет интен¬
сивность тепловых колебаний атомов, «фононный ту¬
ман» станет гуще, сопротивление проводника возрастет.
При охлаждении сопротивление проводника будет
падать. При абсолютном нуле температуры колебания
атомов прекратятся, «фононный туман» рассеется, со¬
противление станет равным нулю. Это и есть состояние
сверхпроводимости.
406

Казалось бы, все понятно и просто, если бы... Вот это
«если бы» и не давало покоя физикам в течение многих
лет. Все было бы объяснимо, если бы сверхпроводимость
наступала только при достижении температуры абсо¬
лютного нуля. Однако эксперименты показывали, что
сверхпроводимость возникает при температурах, хотя и
близких, но не равных абсолютному нулю. И вот это-то
как раз и путало карты.
Еще колеблются атомы, еще не исчезли фононы, а
сопротивление уже достигает нуля. В чем тут дело? Мо¬
жет быть, в точности измерений? Может быть, сопро¬
тивление все-таки остается, но становится настолько
малым, что приборы его перестают замечать?
Исходя из этих соображений, пытались измерить
сопротивление сверхпроводимости с помощью самых
чувствительных и точных приборов. Эксперименты пока¬
зывали, что никакого остаточного сопротивления в со¬
стоянии сверхпроводимости нет.
Вот тут-то и подоспело объяснение этого факта: со¬
противление исчезает вследствие спаривания электро¬
нов. Интенсивный процесс образования куперовских
пар начинается раньше, чем температура снизится до
нуля. Каждому из сверхпроводящих металлов присуща
своя критическая температура, при достижении кото¬
рой возникают электронные пары. Все эти пары конден¬
сируются на нижнем энергетическом уровне (см. 4.47—
4.49). Термин «конденсация» заимствован теорией
сверхпроводимости у классической физики: электрон¬
ные пары сосредоточиваются на предписанном им пра¬
вилами Бозе нижнем энергетическом уровне, подобно
тому, как на поверхности охлаждаемой жидкости кон¬
денсируются частицы, из которых состоит клубящийся
над жидкостью пар.
В рамках обычных физических представлений об¬
разование куперовских пар уже само по себе кажется
достаточно странным. Рассмотрение взаимодействий
двух электронов с общим фононом дало возможность
объяснить этот необычный эффект (см. 4.37—4.39).
Однако на этом вопросы еще не исчерпаны. На глав¬
ный вопрос мы пока не ответили: а почему, собственно,
в результате объединения электронов в пары сопротив¬
ление становится равным нулю?
Казалось бы, наоборот: отдельному электрону го¬
раздо проще «проскользнуть» беспрепятственно мимо
колеблющихся атомов решетки кристалла, чем двум
электронам, между которыми существует фононная
связь. Вроде бы получается, что в результате объеди¬
нения электронов в пары сопротивление их движению
по решетке кристалла должно не уменьшаться, а воз¬
растать!
В рамках обыденных представлений подобное рас¬
суждение кажется очень логичным. Но привычная ло¬
407

гика оказывается бессильной, коль скоро речь заходит
о взаимодействии квантов и элементарных частиц. Не
зря выдающийся советский физик Л. Ландау сказал
однажды, что с созданием квантовой теории физика на¬
училась давать строгие объяснения даже таким явлени¬
ям, которые невозможно представить наглядно.
В привычных нам категориях связанная электрон¬
ная пара представляется чем-то вроде гантелей. На
самом же деле электронная пара отличается от гантелей
тем, что между двумя электронами возникает не жест¬
кая, а, напротив, очень гибкая, даже можно сказать —
почти эфемерная связь. Недаром фонон, который
связывает два электрона в пару, физики назы¬
вают «виртуальным» фононом. «Виртуальный» в пере¬
воде с латыни означает «воображаемый». Этим терми¬
ном теоретики сверхпроводимости хотят подчеркнуть,
что фонон, который «перепасовывают» друг другу два
электрона, вроде бы есть, и в то же время его как бы
и нет. Как это понять?
А вот как. Существует он только в движении, пока
летит от одного электрона к другому. А когда электрон
поймает посланный ему мяч-фонон, фонон исчезает, что¬
бы через мгновение снова родиться и полететь обратно.
А поскольку время полета фонона от одного электрона
к другому в масштабах привычного нам макромира
совершенно ничтожно, то рассматривать связанную
этим фононом электронную пару можно, как бы не за¬
мечая сам этот фонон. И в го же время необходимо все
время помнить об этом фононе, без которого электрон¬
ная пара не могла бы возникнуть и существовать. А
без пар электронов не было бы сверхпроводимости.
Так что в итоге выходит, что виновником эффекта
сверхпроводимости и всех связанных с ней техниче¬
ских достижений, о которых будет рассказано дальше,
оказывается именно этот то возникающий, то исчезаю¬
щий эфемерный фонон.
И вот, наконец, еще идно не поддающееся вообра¬
жению свойство этой фононной связи: подсчитано, что
расстояние между двумя электронами, объединенными
в пару, примерно в 100 раз больше, чем интервал, от¬
деляющий эту пару от ближайших соседствующих с ней
электронных пар.
Как это себе представить? Воспользуемся еще раз
аналогией с баскетбольной игрой.
Игрок, завладевший мячом, находится в центре по¬
ля, а его партнер уже ждет подачи мяча, чтобы забро¬
сить его в кольцо. Между ними множество игроков обе¬
их команд, но мяч полетит через их головы именно к то¬
му игроку, который ждет мяча в отдалении, потому что
именно он в данный момент является вторым членом
сыгранной пары, которую объединяет невидимая эфе¬
мерная, но опасная для команды соперников связь.
408

Поняв особенности связи между двумя электронами,
легче себе представить, почему эга связь не препят¬
ствует, а способствует перемещению куперовских пар
мимо атомов или ионов решетки кристалла. Подобным
же образом связь сыгранной пары баскетболистов
помогает им преодолеть сопротивление защитников
команды-соперницы и совершить очередной удачный
бросок по кольцу.
Однако наука не может основываться только на об¬
разных аналогиях, какими бы наглядными они ни по¬
казались.
Для понимания и практического использования
сверхпроводимости нужны подтвержденные экспери-
* ментом модели процесса и проделанный для этих мо¬
делей точный расчет.
И тут приходится снова вспомнить о том, что поведе¬
ние электронов, и одиночных и спаренных, должно об¬
ладать свойствами, описываемыми упомянутой ранее
волновой шредингеровской функцией Чг.
Расчет показал, что Ч'-волна электронных пар от¬
личается от Ч'-волн, описывающих поведение одиноч¬
ных независимых электронов. Различие заключается в
том, что 'Р-волна электронных пар обладает очень боль¬
шой длиной, поэтому внутри сверхпроводника измене¬
ния фазы Чг-волн пренебрежимо малы.
Отсюда следует, что движение всех электронных
пар происходит синфазно, все электроны «шагают в
ногу», хотя строй их и кажется беспорядочным, по¬
скольку расстояние между парой в каждой шеренге в
100 раз превышает выдерживаемый между шеренгами
интервал. И таким вот своеобразно организованным
строем электронные пары «шествуют» мимо узлов кри¬
сталлической решетки сверхпроводящих металлов, иг¬
норируя противойдействия расположенных в этих узлах
атомов и ионов, а потому не испытывая сопротивления
и не теряя энергии по пути.

ЭЮ
ЛЕЖИТ
В ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОНЫ РОЮТ ТУННЕЛЬ
4.53
Слой изолятора (диэлектрика), проложенный меж¬
ду двумя проводниками, служит препятствием на пути
движения электронов. Чтобы преодолеть это препят¬
ствие, электрон должен приобрести энергию, позво¬
ляющую ему вырваться за пределы проводника. Вели¬
чиной этой энергии определяется высота энергетиче¬
ского барьера.
ттгшяя	вжегаля
4.54
Чтобы придать электрону энергию, достаточную
для преодоления энергетического барьера, надо уве¬
личивать разность потенциалов между разделенными
диэлектриком проводниками. Повышение температу¬
ры проводников также способствует преодолению
энергетического барьера. Именно благодаря этим
мерам (разности потенциалов и подогреву катода) в
вакуумных электронных приборах электроны выры¬
ваются за пределы катода и, преодолев изолирующее
электроды вакуумное пространство, попадают на анод.
Затрачиваемую при этом электроном энергию назы¬
вают работой выхода электрона.
■5»
410

4.55
Энергетический барьер служит непреодолимым
препятствием для электронов, энергия которых не
достигает высоты энергетического барьера. И тем не
менее часть таких электронов может при определен¬
ных условиях оказаться по ту сторону энергетического
барьера. Для объяснения этого факта приходится сно¬
ва вспомнить о волновых свойствах электронных пото¬
ков: если длина электронных волн превышает толщину
изолирующего слоя, волна может «перекатиться» че¬
рез потенциальный барьер. Длина электронных волн
составляет доли микрона, изолирующий слой пример¬
но в десять раз тоньше, поэтому волна спокойно
«перешагивает» через такой барьер.
Вспомним о том, что электронные волны характе¬
ризуют вероятности попадания электронов в ту или
иную точку пространства. Если электронная волна
перекатилась через барьер, значит, есть вероятность
того, что некоторые электроны окажутся по ту сторону
энергетического барьера.
Эта вероятность увеличивается с уменьшением
толщины изолирующего слоя, разделяющего провод¬
ники.
4.56
Механизм преодоления энергетического барьера
иногда объясняют действием некоего виртуального
(условного, воображаемого) фотона, который на вре¬
мя прохождения барьера придает дополнительную
энергию электрону, поглотившему этот фотон.
Словно волшебный воздушный шарик, виртуальный
фотон помогает электрону «воспарить» над барьером,
а затем исчезает бесследно после того, как барьер
электроном преодолен. Закон сохранения энергии не
нарушен: энергия электрона сохраняется неизменной
411

до и после барьера. А куда девалась энергия воздуш¬
ного шарика? Она исчезла вместе с фотоном. А фотон
потому и называется виртуальным, что его вроде как
бы и не было: не успев возникнуть, он тут же исчез.
Существовал лишь в коротенькое мгновение, пока
электрон проскакивал через чрезвычайно узкий (деся¬
тые доли микрона) изоляционный слой.
В результате и волки сыты и овцы целы: закон
сохранения энергии не нарушен, а барьер преодолен!
4.57
Согласно третьей трактовке электрон, вооружен¬
ный фотоном, не взлетает с ним над барьером, а про¬
рывает в этом барьере туннель. Отсюда название тако¬
го явления: туннельный эффект.
4.58
Какими бы странными ни казались объяснения ме¬
ханизма туннельных эффектов, факт их существова¬
ния не вызывает сомнений. На их основе создан целый
412

ряд электронных приборов, среди которых особой по¬
пулярностью пользуется полупроводниковый туннель¬
ный диод.
В туннельном диоде энергетический барьер обра¬
зуется на границе раздела областей с р- и п-прово-
димостью. Он создается «толпой» скопившихся в обла¬
сти р—п-перехода электронов и дырок (напомним,
что об этом барьере уже шла речь при рассмотрении
процессов, протекающих в полупроводниковом трио¬
де: см. 1.65).
Туннельный ток возникает в том случае, если под
действием разности потенциалов электроны переме¬
стятся из свободной энергетической зоны п-области
в валентную зону области с проводимостью р. Это мо¬
жет произойти в том случае, если для каждого прошед¬
шего через туннель электрона найдется свободное ме¬
сто на наружной оболочке какого-то атома валентной
зоны в области р.
4.59
Согласно правилам Ферми электронам, находя¬
щимся по обе стороны от границы раздела, разреше¬
но занимать определенные энергетические уровни,
расположенные в пределах зоны ДЕР в p-области и в
пределах зоны ДЕп в области п.
4.60
Чтобы представить себе наглядно, как с помощью
напряжения V, прикладываемого к электродам диода,
осуществляется управление туннельным током дио¬
да, предположим, что по какой-то причине (пожар,
срочное изменение места доставки груза) возникла не¬
обходимость перебросить часть груза из вагона поезда
А в вагон поезда В, не останавливая поездов.
Допустим, что поезд А, двигаясь с несколько боль¬
413

шей скоростью, начал нагонять поезд В. В какой-то мо¬
мент передний край двери одного из его вагонов по¬
равнялся с задним краем двери вагона поезда В, в ко¬
тором находится интересующий нас груз. В этот мо¬
мент можно начать переброску ящиков с грузом. По¬
езд А продолжает догонять поезд В, поэтому спустя
короткое время двери вагонов будут находиться нап¬
ротив друг друга. Наибольшее количество ящиков
удобнее всего перебрасывать именно в этот момент. А
дальше двери вагонов опять сместятся друг относи¬
тельно друга, так как поезд А начнет обгонять поезд
В.
Теперь нетрудно понять представленную на графи¬
ке зависимость туннельного тока от напряжения на
электродах диода. Для этого надо себе представить,
что электроны переходят из области п в область р по¬
добно ящикам с грузом, а взаимным расположением
зон АЕР и ЛЕ„ управляет прикладываемое к диоду
напряжение V. Туннельный ток увеличивается до тех
пор, пока «дверь» ЛЕС нагоняет «дверь» АЕп (участок
характеристики в интервале напряжений от V до V2).
Максимальный ток течет в тот момент, когда «двери»
находятся напротив друг друга (при V=V2).
Затем «двери» начнут разбегаться в разные сторо¬
ны, зона взаимного их перекрытия начинает сужаться,
туннельный ток уменьшается (участок характеристики в
интервале от Vg до V,). При значении V большем, чем
V3, отпадает необходимость в туннеле: электроны и
4.61
Р
П
V
414

дырки приобретают энергию, превышающую энергети¬
ческий барьер. Туннельный диод начинает вести себя
как обычный полупроводниковый диод. При дальней¬
шем увеличении напряжения ток опять будет расти, но
уже не за счет туннельного эффекта, а в результате
увеличения интенсивности движения электронов и ды¬
рок через р—п-переход.
4.62
Отличие свойств туннельных диодов от обычных по¬
лупроводниковых обусловлено наличием ниспадающе¬
го участка характеристики (область в интервале напря¬
жений V.»—V.j, на рис. 4.61).
В отличие от других участков той же характеристики
и в противоположность закону Ома ток на этом участке
при увеличении напряжения не возрастает, а уменьша¬
ется. Это значит, что на этом участке сопротивление
диода имеет отрицательный знак (сравните со свойст¬
вами лавино-пролетного диода, рассмотренными в
главе 3, разделы 3.33—3.36).
Благодаря отрицательному сопротивлению тун¬
нельный диод так же, как диод Гана и лавино-пролет¬
ный диод, приобретает способность, не присущую
обычным диодам: он может превращать постоянное
напряжение в переменное, а следовательно, исполь¬
зоваться в качестве генератора переменных сиг¬
налов.
В длинном ряду завоеванных с помощью электронов
рекордов особое место принадлежит электронной мик¬
роскопии: именно она позволила проникнуть взором в
глубь микромира, создав сначала электронные микро¬
скопы с разрешающей способностью, в сотни раз превы¬
шающей возможности оптических микроскопов, а затем
ЭЛЕКТРОННАЯ
МИКРОСКОПИЯ
415

туннельные микроскопы, увеличившие разрешающую
способность еще в 10 000 раз.
Рассказывая о лазерах, мы подчеркивали двойствен¬
ность поведения света, проявляющего себя то как луч из
фотонов, то как поток направленных волн. В новелле
«Двуликий Янус» говорилось о том, что подобная двой¬
ственность поведения присуща также и электронам.
Однако до сих нор мы рассматривали только такие про¬
цессы, в которых электроны проявляют себя как сосре¬
доточенные в пространстве частицы. Теперь настало
время вспомнить об их волновых свойствах.
Ценность волн, возникающих в микроскопе, через
который течет поток электронов, заключается в очень
короткой их длине.
Не случалось ли вам наблюдать, как обегает мор-
Ь&ЫПМЯ’ЛС *AAWCfi£>
HCtwOKMl/Z. <&u*L-a-
JlWijiX. б&ЪУЫгиФ<%-

ская волна прибрежные скалы? Скалу небольших раз¬
меров она попросту не замечает: бежит себе дальше,
не оставляя следа. У большой скалы совсем иная
картина: волна, отброшенная препятствием, бежит на¬
встречу волне, набегающей следом, у подножия воз¬
никает след от взаимодействия бегущих и отражен¬
ных волн.
Световая волна ведет себя так же. Она не отра¬
жается от предметов, размеры которых меньше ее дли¬
ны. Нельзя различить двух объектов, если расстояние
между ними меньше длины световой волны. Этим и объ¬
ясняется ограничение возможностей оптических микро¬
скопов: ведь сквозь систему увеличительных линз мик¬
роскопа идет световая волна.
Самый малый предмет, который здесь можно уви¬
деть, соизмерим с длиной световых волн. Эта длина со¬
ставляет десятитысячные доли миллиметра, а точнее —
от 0,4 микрона (фиолетовый цвет) до 0,7 микрона (крас¬
ный цвет) (см. 2.103).
Согласно законам оптики разрешающая способ¬
ность любого оптического прибора не может превы¬
сить половины длины волны (Х/г)- Таким образом, пре¬
дельная разрешающая способность оптических микро¬
скопов составляет Л,/2 = 0,2 микрона. Это значит, что две
линии, находящиеся друг от друга на расстоянии, мень¬
шем чем 0,2 микрона, при рассмотрении их под микро¬
скопом сольются в одну сплошную черту.
Невооруженный глаз воспринимает раздельно две
линии, отстоящие друг от друга на 0,08 мм, или 80 мик¬
рон. Таким образом, оптический микроскоп позволяет
увеличить разрешающую способность нашего зрения в
80 : 0,2=400 раз. При такой разрешающей способно¬
сти оптических микроскопов с их помощью удается раз¬
дельно видеть объекты, имеющие размеры не менее не¬
скольких долей микрона. Предмет с такими размерами
может быть увеличен с помощью оптических линз мик¬
роскопа до хорошо различимых глазом размеров, ска¬
жем, до нескольких миллиметров, то есть в несколько
тысяч раз.
И это все, что может дать оптический микроскоп.
Иное дело — микроскоп электронный. Здесь дейст¬
вуют электронные волны, которые могут быть короче
волн света еще в 100 000 раз. Стоит лишь придать элек¬
тронам определенную скорость, и они породят волны
нужной длины. Правда, платить за это приходится не¬
малую цену: чтобы разогнать электроны до нужной ско¬
рости, приходится подавать на анод напряжение, из¬
меряемое сотнями тысяч вольт!
Оптические линзы обычного микроскопа с успехом
заменяются знакомыми нам магнитными линзами, со¬
бирающими быстролетящие электроны в концентриро¬
ванный пучок.
27 Е. Седов
417

Смлтыоа^ чЖаашмщшя> Uuwy -tf $ицо-
fttp&HHjkUs <АшкрЛ) yCJZAZrtJL-
ИСПФЧММ^ 90JUC-
rnflQH#S-
ьШ^ШЮ%ЯОШ,
МЖсрША&р,
bbb*Knv
МАЛЛ^п^йш,
hifdkZ'	_
W^ju>^uMM£ Г*У
1^мтсцпьеЪап*г~
y&autfri yJkvusM/uu?^
Электронные волны* могут «заметить» объект в
100 000 раз меньший, чем «замечает» световая волна.
Но увидеть такие предметы микроскоп все же не позво¬
ляет, потому что магнитные линзы фокусируют луч хуже
оптических. Увеличение электронного микроскопа боль¬
ше, чем микроскопа оптического, всего лишь в 100 раз.
«Всего лишь...» Но и это немало. Во всяком случае,
только благодаря электронному микроскопу люди смог¬
ли увидеть молекулу, наблюдать размножение вирусов
и изучать структуру белков. А эти знания позволили
биологии — науке о жизни — сделать еще один боль¬
шой шаг вперед.
Однако, как было недавно доказано, для электрон¬
ной микроскопии это еще далеко не рекорд. В 1982 году
418

швейцарские физики Герд Беннинг и Генрих Рорер
предложили конструкцию туннельного микроскопа с
разрешающей способностью, превышающей разреше¬
ние электронных микроскопов в 10 000 раз.
В туннельном микроскопе высокое напряжение раз¬
гоняет электроны и придает им энергию, достаточ¬
ную для того, чтобы пройти через туннельный кон¬
такт. Такой контакт создается между поверхностью
исследуемого объекта и острием расположенной под
этой поверхностью тонкой иглы. Величина туннельного
тока зависит от расстояния между поверхностью и ост¬
рием иглы. Если, двигаясь вдоль исследуемой поверх¬
ности, игла встретит на ней какую-то выпуклость, зазор
между концом иглы и поверхностью станет меньше. При
этом резко возрастает проходящий через зазор (кото¬
рый в данном случае как раз и служит туннелем) тун¬
нельный ток. Этот ток можно усилить и управлять с его
помощью лучом электронной трубки. Таким образом
удается смещать след луча на экране на 1 сантиметр, ес¬
ли зазор между концом иглы и контактом сузится всего
на 1 ангстрем. Это значит, что каждый микроскопиче¬
ский бугорок на исследуемой поверхности прорисуется
на экране с увеличением в 100 миллионов раз!
Туннельный микроскоп позволяет обнаружить ше¬
роховатость поверхности даже в том случае, когда «бу¬
горок» образован всего лишь одним оказавшимся на
поверхности атомом.
Такие возможности представляют огромную цен¬
ность прежде всего для самой электроники, нуждаю¬
щейся в тончайших пленках из сверхчистых и сверх¬
однородных материалов для изготовления из года в
год уменьшающих свои и без того микроскопические
размеры микроэлектронных схем.

,сЖИ7
“НГ--
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ТУННЕЛЬ
4.63
В разделе «Электроны роют туннель» речь шла
о туннельных эффектах, возникающих в изолиро¬
ванных тонким слоем диэлектрика проводниках или
в р — п-переходах туннельных диодов. Такие эф¬
фекты наблюдаются при комнатных температу¬
рах.
В начале 60-х годов норвежский ученый Ивар
Гьевер и английский ученый Брайен Джозефсон по¬
казали, что в условиях сверхнизких температур мо¬
жет возникнуть туннельный эффект в сверхпровод¬
никах.
4.64
При отсутствии напряжения между левой и правой
сверхпроводящей пластинами энергетические уровни
куперовских пар и одиночных электронов располага¬
ются симметрично относительно изолирующей пласти¬
ны.
Как и положено куперовским парам, все они, под¬
чиняясь правилу Бозе, поселяются на «нижнем этаже
многоэтажного здания». Одиночные же электроны, вы¬
полняя правила, предписанные фермионам, расселя¬
ются попарно на «верхних этажах». Между уровнем
куперовских пар и нижним уровнем одиночных элект¬
ронов образовалась равная разности этих уровней энер¬
гетическая щель:
Д = Е,— Е,-
420

4.65
За счет разности потенциалов, приложенных к ле¬
вой и правой пластинам, уровни сдвинулись, нарушая
симметрию. Теперь одиночные электроны могут, пре¬
одолев барьер, перебраться из левой пластины в пра¬
вую. Появился слабый туннельный ток, но еще не проя¬
вила себя сверхпроводимость, поскольку напряжение
еще недостаточно для преодоления энергетической
щели.
4.66
Под действием приложенного сверхпроводящим
пластинам напряжения U, обладающий зарядом е
электрон приобретает энергию, равную eU. Для воз¬
никновения сверхпроводящего туннеля двум электро¬
нам куперовской пары необходимо приобрести энер¬
гию, равную удвоенной величине энергетической щели
2Д. Для этого необходимо создать на пластинах раз¬
ность потенциалов
и=^.
е
Однако и при этом условии паре связанных электронов
не суждено пройти вместе через туннель.
4.67
Когда напряжение на пластинах туннельного кон¬
такта достигает указанного значения, энергетические
уровни двух сверхпроводящих пластин располагают¬
ся относительно друг друга, как это показано на ри¬
сунке. Начинают рушиться связи внутри электронных
пар.
Один электрон из пары переходит на нижний уро¬
вень одиночных электронов в «своем» сверхпроводни¬
ке. Второй электрон «прорывает туннель» в изоляторе
421

и достигает нижнего уровня одиночных электронов в
«чужом» сверхпроводнике.
При этом электрон на «своей территории» приоб¬
ретает энергию Д, необходимую для преодоления ще¬
ли, а электрон, попавший в «чужие края», отдает такую
же энергию Д. Таким образом, закон сохранения
энергии здесь не нарушен.
4.68
Пока напряжение не достигало величины
Ток возрастал медленно за счет туннелирования от¬
дельных электронов. После достижения этой величины
напряжения и при последующем увеличении его тун¬
нельный ток возрастает намного быстрее, так как в про-
422

цесс туннелирования включаются электроны из купе-
ровских пар.
Зависимость туннельного тока от напряжения пред¬
ставлена на рисунке. При соответствующем подборе
сверхпроводящих материалов можно получить харак¬
теристику с отрицательным сопротивлением, подоб¬
ную представленной на рис. 4.61.
4.69
Опыт использования сверхпроводящих туннельных
контактов показал, что туннельный ток возникает не
только между двумя изолированными пластинами, но и
в узких контактных перемычках, получивших название
слабых звеньев сверхпроводника.
4.70
При исследованиях туннельного эффекта Б. Джо-
зефсон не ограничивался изучением поведения элект¬
ронов-частиц. Его интересовало еще и поведение по¬
рождаемых этими частицами волн.
Если две разделенные промежутком полупровод¬
никовые пластины начать приближать друг к другу, то
в момент их соприкосновения будет течь ток, которому
соответствует общая волновая функция. Но для того,
чтобы волны двух разных пластин в момент соприкос¬
новения слились друг с другом, они должны начать
«подстраиваться» друг к другу еще до соприкоснове¬
ния пластин.
Б. Джозефсон показал, что эта подстройка обуслов¬
лена действием туннельного тока, зависящего от раз¬
ности фаз волн двух пластин. На основе этого свойства
423

создан прибор, обладающий небывалой чувстви¬
тельностью к воздействию внешнего магнитного
поля — сверхпроводящий квантовый интерферомет¬
рический датчик, а сокращенно (по первым буквам) —
СКВИД.
4.71
В схеме СКВИДа два сверхпроводящих туннельных
контакта образуют два симметрических плеча. При от¬
сутствии внешнего магнитного поля СКВИД находится
в состоянии равновесия, ток, разветвляясь на два плеча,
течет через оба туннельных контакта. Но поскольку
контакты находятся в состоянии сверхпроводимости и
имеют нулевое сопротивление, падение напряжения на
них тоже равно нулю.
4.72
Режим СКВИДа подбирается таким образом, чтобы
в отсутствие внешнего поля величина начального тока
была чуть ниже того критического значения, при кото¬
ром начинается разрушение куперовских пар. Этим до¬
стигается чувствительность к воздействиям внешнего
магнитного поля настолько высокая, что одного кван¬
та магнитного потока (одного флаксона) будет доста¬
точно, чтобы его почувствовал подключенный к
СКВИДу вольтметр.
424

#*
4.73
Подоспевший к СКВИДу флаксон вступает во взаи¬
модействие с волнами, порождаемыми проходящими
через каждый туннельный контакт электронами. Эти
волны сдвигаются относительно друг друга по фазе. В
результате взаимодействия волн (интерференции)
возникает дополнительный ток. В сумме с начальным
током дополнительный ток превышает критический
уровень, вследствие чего начинается процесс разруше¬
ния электронных куперовских пар.
Исчезает сверхпроводимость туннельных контактов,
сопротивление их скачком возрастает, а подключенный
к СКВИДу вольтметр фиксирует этот скачок, давая тем
самым сигнал о том, что в зоне действия СКВИДа поя¬
вился флаксон.
425

РЕКОРД
ЭЛЕКТРОННЫХ
ПАР
Известно много видов соревнований, в которых
участвуют двое спортсменов: фигурные катания на льду,
парный байдарочный спорт, парные соревнования на
мотоциклах, спортивных санях, спортивных автомоби¬
лях, да мало ли на чем там еще! Для нас существенно
лишь то обстоятельство, что ни в одном из подобных
соревнований не могут участвовать одиночки. И это
вполне логично: пара гребцов на байдарке заведомо
выиграет соревнование с одиночкой байдаркой, а что
касается фигуристов на льду, то тут и вовсе отсутст¬
вуют те критерии, по которым можно было бы сравни¬
вать мастерство отдельных спортсменов с выступлени¬
ями пар.
А в технике все иначе. При оценке достоинств и
недостатков новых технических средств никого не волну¬
ет вопрос о том, действуют ли в них электроны в
независимом одиночестве или попарно. Здесь важен
лишь результат.
А результат обычно подчиняется принципу «что-то
теряешь, что-то находишь». Эти немного перефразиро¬
ванные слова популярной песенки характеризуют про¬
цесс создания и внедрения технических новшеств всех
прошлых и, по-видимому, будущих времен.
Вспомним некоторые этапы развития электроники,
на которых этот принцип проявлялся особенно ярко.
С изобретением телевидения техника связи приобре¬
ла возможность передачи изображений с помощью ра¬
диоволн. Но для этого пришлось сократить длину их до
размеров в несколько метров. И сразу приобретение
новых возможностей повлекло за собой и потери:
ограничение расстояний трансляции телесигналов пре¬
делами прямой видимости передающей и приемной
антенн (глава 2).
Изобретение лазеров позволило в миллионы раз
сократить длины волн, используемых техникой связи, и
во столько же раз увеличить емкость каналов связи за
счет расширения диапазона частот. Эти приобретения
пришлось оплатить потерей возможности прямой
трансляции этих волн по эфиру и теми трудностями, ко¬
торые пришлось преодолевать для освоения волоконно-
оптических линий связи. И тут еще раз подтвердился
принцип «что-то теряешь, что-то находишь»: преодолев
все трудности, связанные с освоением ВОЛС,
техника приобрела возможность создавать каналы
связи, практически полностью исключающие возмож¬
ность перехватить информацию на пути ее следо¬
вания и надежно защищенные от воздействия внешних
помех.
Тот же принцип проявил себя и в отношении
сверхпроводящих электронных устройств. Исследова¬
ния позволили выявить целый ряд преимуществ ку-
перовских пар электронов перед одиночными электро-
426

нами обычных проводников. Но «чемпионами по всем
видам спорта» куперовские пары все же пока не ста¬
ли. Прежде всего из-за технических сложностей, связан¬
ных с созданием и поддержанием сверхнизких темпе¬
ратур.
Сверхпроводящие схемы работают в криостатах —
специальных сосудах, довольно-таки громоздких и не
слишком удобных для использования, например, в само¬
летах или на борту космических кораблей. Жидкий газ,
используемый для поддержания сверхнизких темпера¬
тур в криостате, нужно получать в специальных про¬
мышленных холодильных системах сжижения, хранить
в специальных герметичных сосудах (дьюарах). кото¬
рые из-за испарения жидких газов приходится периоди¬
чески пополнять. В общем, вокруг самих электронных
приборов возникает «подсобное хозяйство» для их ох¬
лаждения.
Там, где идет борьба за сокращение размеров
и веса, победу в соревновании заведомо одержат не
427

куперовские электронные пары, а одиночные электроны,
служащие главной «рабочей деталью» компактных при¬
боров и микросхем.
Зато там, где важны не габариты и вес, а чувстви¬
тельность, точность, скорость каких-либо измерений, где
ради этого можно мириться с неудобствами, связанны¬
ми с необходимостью использования сверхнизких темпе¬
ратур,— в таких областях все мировые рекорды стано¬
вятся достоянием куперовских пар электронов, а оди¬
ночные электроны отдают им здесь пальму первенства,
не уступая своих преимуществ в других технических
областях.
Рекорд, установленный СКВИДом, послужил нача¬
лом новых технических направлений', основанных на
измерении слабых магнитных палей.
Удалось, например, создать чувствительные устрой¬
ства, способные зафиксировать малейшие изменения
магнитного поля пород, залегающих в разломах зем¬
ной коры. Такие изменения предшествуют землетрясе¬
ниям. С помощью СКВИДа можно за несколько дней
предсказать землетрясения с целью своевременной
подготовки защитных или спасательных мер.
Влияние залежей железной руды на магнитное по¬
ле Земли известно под названием магнитных анома¬
лий. Рекордная чувствительность СКВИДа поможет
открыть новые месторождения железной руды.
Измерения слабых магнитных палей и малейших
их изменений оказались особенно ценными для меди¬
цины.
В процессе жизнедеятельности организмов в них
циркулируют биотоки, индуцирующие магнитные поля.
Величина этих токов ничтожно мала. Соответственно и
поля чрезвычайно слабы (триллионные доли тесла). Но
ведь на то и создан чудодейственный СК.ВИД, чтобы
реагировать на присутствие и изменение самых слабых
палей.
Ну а раз есть в руках такой инструмент, можно
исследовать с его помощью каждый орган в отдель¬
ности, изучать особенности создаваемого каждым из
них магнитного поля, определять, как влияет на это
папе та или иная болезнь.
В 1963 году с помощью СКВИДа было изучено
магнитное поле сердца. До этого времени медицина
могла исследовать ритмы работы сердца по электричес¬
ким сигналам (электрокардиограммам). С появлением
СКВИДа на помощь электрокардиограммам пришла те¬
хника папучения магнитокардиограмм. Благодаря соз¬
данию СКВИДа появилась возможность осуществлять
«рентген без рентгена»: исследовать состояние внутрен¬
них органов по результатам измерений создаваемых
этими органами магнитных палей. Сразу же обнаружи¬
лось важное преимущество СКВИДа перед электричес¬
428

кими датчиками, используемыми для медицинских це¬
лей. При электрических измерениях датчики соприка¬
саются с кожей обследуемого пациента, а каждый
участок человеческой кожи имеет определенный элект¬
рический потенциал. Воздействие этого потенциала на
датчик искажает поступающий от внутренних органов
биометрический сигнал.
Измерение магнитных полей происходит без контак¬
та СКВИДа с кожным покровом. Магнитные поля во
внутренних органах сильнее, чем в кожном покрове, по¬
этому биотоки кожи практически не влияют на харак¬
тер создаваемых внутренними органами магнитных
полей.
Исследования магнитных палей организма с по¬
мощью СКВИДа показали, что эти поля сосредото¬
чены (локализованы) в области каждого из создающих
их органов. Благодаря этому можно исследовать каж¬
дый орган в отдельности, практически исключив влия¬
ние всех остальных. В частности, с помощью СКВИДа
удалось решить важную проблему наблюдения за раз¬
витием плода. После 18 недель беременности ритм бие¬
ния сердца плода становится важным показателем пра¬
вильного снабжения его кислородом. Попытки снятия
кардиограмм плода не приводили к успеху, так
как ритм биения сердца матери маскировал слабые
сигналы плода. СКВИД помог решить эту проблему
и благодаря локализации магнитных палей позволил
получить информацию о работе сердца зародыша более
достоверную, чем можно было добыть с помощью элек¬
трокардиограмм.
Возникающими в состоянии сверхпроводимости
электронными парами побит на сегодняшний день не
один мировой рекорд. Среди них — рекорд в измерени¬
ях излучений, энергия которых ничтожно мала.
В сверхпроводниковых измерителях мощности (бо¬
лометрах) используются материалы, сохраняющие сос¬
тояние сверхпроводимости в очень узком интервале
температур. Стоит лишь под воздействием излучений
повысить температуру на один градус — сверхпроводи¬
мость исчезнет и величина сопротивления скакнет вверх
примерно на 1000 Ом. Таким способом удается зарегист¬
рировать излучения, при которых на каждый квадрат¬
ный сантиметр облучаемой поверхности приходится
мощность, составляющая всего 10 16 ватт. При такой
чувствительности мощность принимаемых излучений
становится соизмеримой с мощностью тепловых шумов,
возникающих внутри самого болометра. Этим опреде¬
ляется установленный для сверхпроводящих боло¬
метров предел. Но и при этом пределе чувствительность
их уже превышает порог чувствительности наших орга¬
нов слуха (10 12 ватт) и приближается к порогу
чувствительности нашего зрения (10“18 ватт). А кроме
429

того, в отличие от наших органов слуха и зрения,
в значительной мере зависящих от того, что именно
мы хотим видеть и слышать, болометр — это объектив¬
ный прибор.
В каких случаях возникает необходимость измере¬
ния обладающих столь ничтожно малой энергией из¬
лучений? Прежде всего при излучении далеких кос¬
мических тел. Помещая такие болометры в фокусе
«ощупывающих» космическое пространство радиотеле¬
скопов, можно получить новую ценную информацию
с далеких галактик и звезд. А поскольку энер¬
гия космических излучений поглощается земной ат¬
мосферой, снабженный таким болометром телес¬
коп надо поднять за пределы атмосферы с по¬
мощью искусственных спутников или космических ко¬
раблей.
Ценную для астрономии и астрофизики информацию
несут приходящие к нам из космоса ионизированные
частицы. Попадая в сверхпроводящие датчики, они
испытывают в них торможение, отдавая энергию на
разогрев. На коротком пути частицы разогреваемый ею
материал датчика переходит из сверхпроводящего в
нормальное состояние. Сопротивление датчика возрас¬
тает, на выходе появляется импульс напряжения, ре¬
гистрирующий появление одной из улавливаемых час¬
тиц. Этот импульс сохраняется до тех пор, пока не
восстановится состояние сверхпроводимости, нару¬
шенное проникновением в датчик очередной улавлива¬
емой частицы. Это время и соответствующая ему дли¬
тельность импульса составляют 1СГ7 секунды. Это зна¬
чит, что сверхпроводниковый счетчик, измеряющий по
числу приходящих частиц интенсивность потока, спосо¬
бен зарегистрировать в течение каждой секунды 10' (де¬
сять миллионов!) частиц. Так с помощью пар электро¬
нов, возникающих при сверхпроводимости, и кратковре¬
менного разрушения этих пар под воздействием каждой
ионизированной частицы удалось достичь рекорда в
скорости счета ионизированных частиц.
Следующий рекорд установлен электронными па¬
рами в области электроники сверхвысоких частот
(СВЧ).
В предыдущей главе было сказано, что почти во
всех СВЧ-генераторах используются объемные конту¬
ры. Для повышения эффективности генераторов необ¬
ходимо снижать потери энергии, идущей на разогрев
их контуров. Разогрев происходит в результате дейст¬
вия поверхностных токов, текущих по внутренней по¬
верхности контуров. Если покрыть эти поверхности
сверхпроводящим металлом и поместить контуры в
жидкий гелий, потери станут намного меньше. Чем
меньше потери в контуре, тем дольше будут длить¬
ся, постепенно затухая, собственные колебания конту¬
430

ра, получившего с помощью импульса напряжения
кратковременный внешний толчок.
Время «звучания» объемных контуров, покрывае¬
мых изнутри сверхпроводящим металлом, превышает
время «звучания» самого высококачественного (специ¬
алист скажет — самого добротного) контура из обыч¬
ных металлов в миллионы раз. Добротность таких кон¬
туров, определяемая путем деления их резонансной
частоты на ширину полосы возникающих в них коле¬
баний, достигает 10 11 и приближается к добротности
лазера, достигаемой благодаря когерентности и моно¬
хроматичности (одноцветности) излучаемых лазером
волн.
Контуры с малой величиной потерь и высокой доб¬
ротностью используются не только для генерации сверх¬
высоких частот (СВЧ), но и для точности измерения
частоты, и для ускорения обладающих зарядом элемен¬
тарных частиц.
Попав внутрь линейного ускорителя, частица раз¬
гоняется по прямой траектории полями множества резо¬
наторов, установленных на ее пути. В течение каждо¬
го периода колебаний одна полуволна разгоняет части¬
цу, а вторая полуволна, по идее, должна ее тормозить.
Если не принять дополнительных мер, частица будет со¬
вершать «бег на месте», то разгоняясь, то тормозясь.
Чтобы этого не случилось, частица «прячется» в
специальные дрейфовые трубки на время действия тор¬
мозящей полуволны. Внутрь этих трубок поле не прони¬
кает, поэтому частица не тормозится, а по инерции про¬
должает свой бег. К моменту ее прихода к концу
дрейфовой трубки начнет действовать ускоряющая по¬
луволна, которая как бы подхватит частицу и даст
ей новый толчок.
Обычно резонаторы разогреваются под действием
поверхностных токов, поэтому в течение каждого пери¬
ода их колебаний необходимо дать им возможность
остыть. С этой целью ускорение бега частиц осуществля¬
ется короткими импульсами, после которых наступает
время «простоя», превышающее время самого импуль¬
са в 1000 раз. Если бы не было этих пауз, контуры
расплавлялись бы под действием выделяемого ими
тепла.
Наличие длительных пауз компенсируется длиной
совершаемого частицей разбега. Так, например, для
разгона частиц, при котором их кинетическая энергия
достигает 20 миллиардов электроновольт, пришлось по¬
строить в Стэнфордском университете ускоритель в
3 километра длиной!
Чтобы сделать ускоритель короче, надо уменьшить
длительность пауз. Чтобы уменьшить длительность па¬
уз, надо снизить потери во всех контурах.
И тут снова приходят на помощь электронные пары.
431

благодаря которым можно сделать внутреннюю поверх¬
ность контуров ускорителя сверхпроводящей и тем са¬
мым снизить потери энергии, уменьшить длительность
пауз, во много раз сократить необходимый для разго¬
на частицы пробег.
РЕКОРДЫ В
ТЯЖЕЛОЙ
АТЛЕТИКЕ
—	Как вы считаете, муравей — сильное насе¬
комое?— спросил профессор Квант у студента Фо¬
тона.
—	А разве насекомое может быть сильным?—
задал встречный вопрос студент Фотон.
—	Все относительно,— стал рассуждать профес¬
сор.— Муравей в несколько раз сильнее человека, по¬
тому что человек способен поднять только два собст¬
венных веса, а муравей одолевает тяжести, превышаю¬
щие его собственный вес в десятки раз.
Позвольте задать вам еще более хитрый вопрос:
сможет ли 1000 муравьев поднять в воздух железнодо¬
рожный вагон?
—	Пустой или с грузом?— уточнил Фотон.
-	Нагруженный,— ответил профессор.
-	Примем для определенности, что вагон с гру¬
зом весит 100 тонн.
Студент Фотон прикинул что-то на табло электрон¬
ного калькулятора и отрицательно покачал головой.
—	Ну а если увеличить число муравьев на восемь
порядков?
Студент опять погрузился в расчеты, но про¬
фессор не дал ему получить результат:
-	Калькулятор здесь не поможет. Каким бы коли¬
чеством муравьев вы ни задались, они не смогут
поднять вагон.
-	А я не согласен с вами, профессор!— вступил
в спор студент Магнон.— Два электрона обладают
гораздо меньшей энергией, чем два муравья. И все же
энергии большого количества электронных пар может
хватить для того, чтобы оторвать от земли не только
отдельный вагон, но и целый состав.
В сверхпроводящем магнитопроводе объемом в 0,5
кубических метра может образоваться около 0,6Х М 27
куперовских пар.
Этот магнитопровод можно разместить под вагоном,
создать в нем мощное магнитное поле и заставить
это поле взаимодействовать с противоположно направ¬
ленным полем, окружающим специальные рельсы. Силы
взаимодействия поля сверхпроводящего магнита и поля
магнитных рельсов будет достаточно, чтобы вагон
«воспарил» над рельсами, как гроб Магомета.
-	Вы абсолютно правы,— согласился профессор. —
Но только в том случае, если речь идет об электронах,
а не о муравьях. Скажите, студент Фотон, чем, по-ваше-
432

му, поведение электронов в состоянии сверхпроводимос¬
ти отличается от поведения муравьев?
— Когерентностью,- - наконец догадался Фотон.
Хотя описанный диспут преподнесен нами в
шуточной форме, в нем, как, впрочем, и в каждой
шутке, заключен серьезный смысл. Если б муравьи
хотя бы единожды смогли раскачаться синфазно,
прислушиваясь к общей команде:	«И-и-и ррраз!
И-и-и дддва! И — ...», а затем по команде «Взяли!»
одновременно (синхронно) рвануть вагон кверху, уси¬
лий очень большого количества муравьев могло бы
хватить на то, чтобы оторвать его от земли. Но коге¬
рентность, доступная электронам, недостижима для
муравьев.
28 Е. Седов
433

Как мы уже знаем, когерентностью электронных
пар обусловлено нулевое сопротивление сверхпроводя¬
щих металлов, а отсутствие сопротивления дает
возможность создания в этих металлах мощных маг¬
нитных полей. При взаимодействии подвешенных к дни¬
щу вагонов сверхпроводящих супермагнитов с магнит¬
ными рельсами возникает сила отталкивания, способ¬
ная приподнять груженый состав и заставить его сколь¬
зить по магнитной подушке, не прикасаясь к рельсам.
И это уже не фантастика, не прожектерство, а реаль¬
ная техническая задача: в середине 80-х годов в Япо¬
нии началось строительство первой в мире линии
для движения поездов на «магнитной подушке».
Обладающие ничтожно малой энергией электронные
пары объединили свои усилия в согласованных
(когерентных) процессах, и этих усилий оказалось
достаточно для достижения сразу двух небывалых
рекордов: подъема груженых составов и обеспечения
недостижимых другими способами скоростей их движе¬
ния.
Использование сверхпроводящих магнитов позволи¬
ло решить две технические проблемы: создать мощное
магнитное поле и притом уменьшить магнит до такой
степени, чтобы можно было подвесить его под днищем
вагона, не увеличивая существенно габариты и вес.
Если сила взаимного отталкивания полей вагонов
и рельсов превышает силу тяжести, определяемую весом
вагона, вагон повиснет над рельсами, как повисает
над сверхпроводящей чашей подвешенный на тросик
магнит.
Но этого мало. Можно заставить эти поля выполнять
роль двигателя, придающего поезду необходимую ско¬
рость. В этом случае рельсы становятся статором,
а магниты вагонов — ротором электродвигателя,
который в отличие от обычных электродвигателей
называют линейным: можно вообразить, что радиус
обычного статора увеличивается до бесконечности, по¬
ка дуга окружности не сольется с прямой.
По установившейся традиции создание электродви¬
гателей не относится к компетенции электроники, а
входит в круг электротехнических задач. Но коль
скоро в электродвигатель вводятся сверхпроводящие
магниты, необходимой «деталью» становятся электрон¬
ные пары.
На первых порах развития электроники создавались
лишь маломощные электронные приборы. В них текли
токи, измеряемые миллиардными и миллионными доля¬
ми ампера, а мощность составляла соответственно
тысячные и сотые доли ватта. В то время считалось,
что электроника призвана заниматься лишь слабыми
токами. Но со временем оказалось, что электроника
может создавать магнетроны и лазеры, генерирую-
434

щие импульсы с мощностью, измеряемой миллиона¬
ми ватт.
Так что деление технических средств на «сильноточ¬
ные» и «слаботочные» имеет теперь скорее историчес¬
кий, нежели практический смысл. Еще одним тому подт¬
верждением может служить сверхпроводящая электро¬
ника, устанавливающая рекорды и при измерении са¬
мых слабых, и при создании самых мощных магнитных
полей.
Эти возможности заложены в проектах устойчивых
к землетрясениям зданий, разработанных одной из
фирм японской корпорации «Мицубиси».
После того как тончайшие изменения магнитного
поля, зафиксированные СКВИДом, предсказали приб¬
лижение землетрясения, заботу о защите здания
берет на себя компьютерный автомат. В нужный
момент по его команде включаются установленные в
фундаменте сверхпроводящие магниты, и многоэтажное
здание, оказавшись на невидимой магнитной подушке.
28*
435

воспарит над землей. Компьютер следит за тем, чтобы
поддерживающая здание энергия не расходовалась
напрасно: после прекращения подземных толчков маг¬
нитное поле начнет медленно ослабевать. Так, словно
из надувной подушки постепенно выходит воздух, а
стоящее на подушке (не надувной, а магнитной!)
здание плавно опускается на прежнее место. Фантас¬
тика?
Нет, недалекая перспектива! По мнению специалис¬
тов корпорации «Мицубиси», данный проект может быть
реализован приблизительно в 2020 году.
Той же японской фирмой предложен проект сверх¬
скоростного реактивного судна, использующего энергию
поля сверхпроводящих магнитов. Судно будет засасы¬
вать внутрь морскую воду, а потом выталкивать ее,
чтобы реактивная сила придала судну необходимую
скорость.
По прогнозам ученых, в течение XXI века двигатели
на сверхпроводящих магнитах заменят двигатели внут¬
реннего сгорания и в наземном, и в водном транспорте,
решив тем самым проблемы борьбы с транспортным
шумом и сохранения экологически чистой среды.
С созданием мощных магнитных полей связана одна
из самых жгучих проблем современности — освоение
термоядерной энергетики, призванной ликвидировать
назревающий энергетический кризис.
Чтобы добыть термоядерную энергию, необходимо
заставить взаимодействовать ядра двух изотопов водо¬
рода — дейтерия и трития. В результате термоядер¬
ной реакции эти ядра, сливаясь друг с другом, выделя¬
ют термоядерную энергию, образующуюся за счет выс¬
вобождения части энергии внутриатомных связей.
Такая реакция осуществляется при сверхвысоких
температурах, измеряемых сотнями миллионов граду¬
сов. При этой температуре часть электронов покидает
свои орбиты, превращаясь в свободные электроны, в
результате чего нейтральные атомы дейтерия и трития
становятся положительно заряженными ионами. Мощ¬
ное магнитное поле придает им такую кинетическую
энергию, чтобы они могли преодолеть кулоновские
силы отталкивания и слиться друг с другом.
В сконструированной в Институте атомной энергии
имени И. В. Курчатова установке типа «Токамак»
Т15 мощное магнитное папе создается с помощью сверх¬
проводящих магнитов, превращающих потоки плазмы в
некое подобие огромной баранки, вращающейся вокруг
центральной оси.
При создании такой установки пришлось решать
немало сложных проблем. Одна из них была связана с
необходимостью защиты обмоток магнитов от действия
мощного магнитного поля, которое способно их разор¬
вать. Для усиления механической прочности этих обмо-
436

CumuiuL dmujuiuf !j4(efuiwM ЗШссшк
(jmjj^qA juxhjA
yjjl JiOjUiDlO JiAMWJrtMC
№Щ0*MlctuL
J-UWUltYl
JdjWJMW
$*A щ4^ЩяМнмС z^/j
ток пришлось их скреплять специальным стальным бан¬
дажом.
Но в условиях сверхпроводимости обычная сталь
становится слишком хрупкой. Поэтому для крепления
обмоток магнитов «Токамака» пришлось использовать
специальную сталь.
Трудно поверить, что источником этой требующей
обуздания богатырской силы служит все тот же ничтож¬
но маленький электрон!
Еще одна из проблем энергетики, которую можно ре¬
шить, используя сверхпроводимость, связана с создани¬
ем «энергетических складов». Задача таких «складов»
заключается в том, чтобы накапливать и сохранять
электрическую энергию в те часы и дни недели, когда
потребление энергии падает, и выдавать ее потребите¬
лям в «пиковые» дни и часы.
Идеальным энергетическим «складом» может слу¬
жить замкнутый сверхпроводник. В таком проводнике
токи в миллионы ампер могут циркулировать долгое
время, не теряя энергии на разогрев провода, пос¬
кольку сопротивление сверхпроводящего провода равно
нулю.
По той же самой причине сверхпроводимость находит
себе все более широкое применение при создании
437

обладающих малыми потерями высоковольтных линий
электропередачи (сокращенно — ВЛЭП).
Подсчитано, что из общей стоимости электроэнергии
только около одной третьей части приходится непос¬
редственно на ее производство. Две трети стоимости
расходуются на системы для передачи энергии на рас¬
стояние и для регулирования распределения энергии
после доставки ее на места.
Использование сверхпроводящих ВЛЭП позволяет
повысить плотность передаваемого через каждый квад¬
ратный сантиметр провода тока с 1000 до 100 000 ампер.
Благодаря этому снижается величина напряжения и
повышается коэффициент полезного действия ВЛЭП с
95 до 99,5 процента. Повышение КПД на 4,5
процента даст огромную экономию в масштабах страны.
Приведенные цифры стимулируют разработку сверх¬
проводящих кабелей для передачи электроэнер¬
гии, однако для применения таких кабелей во ВЛЭП не¬
обходимо решить ряд непростых проблем. Главная из
них заключается в охлаждении кабеля на всем его
протяжении. Для этого приходится растягивать криос¬
тат на сотни и тысячи километров. Центральная жила
кабеля выполняется в виде полой трубки, покрывае¬
мой изнутри сверхпроводящим слоем. Трубка прокла¬
дывается в центре более широкой наружной трубы.
Внутри и снаружи внутренней трубки циркулирует
жидкий гелий.
Технология изготовления подобного кабеля не поз¬
воляет делать его длиннее десятков метров. Отрезки
кабеля приходится соединять друг с другом с помощью
специальных сверхпроводящих муфт.
В первых образцах таких кабелей осуществлялась
передача постоянного тока. А поскольку все генераторы
электроэнергии вырабатывают переменные токи, возни¬
кает проблема преобразования переменного тока в ток
постоянный на входе и обратного преобразования на
выходе сверхпроводящих ВЛЭП.
Более выгодно обходиться без подобных преобразо¬
ваний и передавать по ВЛЭП переменные токи. Но тут
выявляются новые стороны «капризного характера»
сверхпроводников. Если при постоянном токе сверх¬
проводник имеет нулевое сопротивление, то при пере¬
менном токе сопротивление имеет хотя и малую, но все
же конечную величину.
С ростом частоты колебаний тока сопротивление
возрастает, но даже в области сверхвысоких частот
по сравнению с обычными кабелями сопротивление
невелико. Это позволило создать комбинированный
сверхпроводящий энергетически-информационный ка¬
бель (СПЭИК), по которому одновременно с электро¬
энергией передаются разного рода сигналы. Часть этих
сигналов используется для управления распределени¬
438

ем энергии и режимом эксплуатации ВЛЭП. А пос¬
кольку полоса пропускания сверхпроводящего кабеля
достаточно широка, а потери энергии, благодаря сверх¬
проводимости, много ниже, чем потери в обычных СВЧ
линиях связи, выгодно использовать тот же кабель
для' передачи множества сообщений, не имеющих не¬
посредственного отношения к ВЛЭП.
Но и тут не обходится без осложнений. Универ¬
сальный принцип «что-то теряешь, что-то находишь»
никогда не удастся обойти стороной.
.Как ни мало сопротивление сверхпроводящего кабе¬
ля переменному току, все же из-за него часть энер¬
гии переходит в разогревающее кабель тепло. А разог¬
рев для этого кабеля «смерти подобен»: превышение
критического значения температуры приведет к исчез¬
новению сверхпроводимости вследствие разрушения
электронных пар.
Вот почему одной из главных проблем создания
энергетически-информационных сверхпроводящих ли¬
ний становится проблема отвода тепла. Расчеты пока¬
зывают, что энергия, которую придется расходовать на
циркуляцию охлаждающей жидкости, с помощью кото¬
рой удастся поддерживать температуру в пределах ус¬
ловий сверхпроводимости, в 500 раз превысит потери
энергии, обусловленные сопротивлением линии переда¬
ваемому по ней переменному току.
Все эти технические проблемы отпали бы сами
собой, если бы удалось получить «высокотемператур¬
ную сверхпроводимость» и создать энергетически-ин-
формационные линии связи, работающие если не при
нормальных температурах, то хотя бы в жидком
азоте.
Жидкий азот стоит много дешевле жидкого гелия.
Температура его сжижения составляет 77К, что на
целых 70К выше температуры сжижения жидкого
гелия. Вследствие этого упрощаются и все техничес¬
кие устройства, обеспечивающие охлаждение сверхпро¬
водящих устройств.
Но можно ли в принципе создавать сверхпроводя¬
щие кабели, работающие не в жидком гелии, а в жидком
азоте?
Теория образования электронных куперовских пар в
металлах и сплавах давала неутешительный вывод:
такие процессы могут протекать при температурах
ниже 30—40 К-
А нельзя ли создать материалы, отличные от метал¬
лов и сплавов и позволяющие получить сверхпроводи¬
мость в условиях температуры, превышающей 30 К? Та¬
кой вопрос задали себе в начале 60-х годов советс¬
кий физик академик В. Гинзбург и американский
физик Д. Литтл. И оба ученых ответили на этот
вопрос положительно, хотя каждый из них разрабо¬
439

тал свой гипотетический механизм образования купе-
ровских пар.
Согласно теории Гинзбурга образование куперовс-
ких пар в диэлектрике может осуществляться в резуль¬
тате взаимодействий электронов и дырок. Связанные
силами взаимного притяжения, но не сливающиеся
друг с другом дырка и электрон представляют собой
еще одну разновидность пары - так называемый
экситон. Согласно теории Гинзбурга экситон может
взять на себя роль фонона в процессе образования
куперовских пар.
Но вот беда: экситоны могут существовать лишь в
диэлектрике, поскольку в металлах электроны
и дырки настолько подвижны, что очень скоро сольются
друг с другом, нарушив тем самым условие существо¬
вания экситона. А для эффекта сверхпроводимости
нужны как раз подвижные электроны, которыми насы¬
щен металл. Как совместить в одном образце свойства
металла и диэлектрика?
В. Гинзбург предложил решать эту задачу путем
создания слоистых структур из металлов и диэлектри¬
ков. Согласно предположению автора волновые функ¬
ции диэлектрика и металла будут взаимно перекрывать¬
ся на границах раздела слоев. В области перекрытия
волновых функций может осуществляться' взаимодейст¬
вие электронов и экситонов.
Д. Литтл предположил, что высокотемпературная
сверхпроводимость при определенных условиях может
возникнуть в органических веществах — полимерах.
Есть все основания отнести гипотезу Литтла к катего¬
рии «безумных идей». В самом деле, какая уж там сверх¬
проводимость, если у полимеров и обычной-то прово¬
димости нет! При нормальной температуре они облада¬
ют очень высоким сопротивлением. Так почему же вдали
от абсолютного нуля сопротивление это исчезнет?
Д. Литтл рассуждал так. Длинные цепочки атомов,
из которых состоят молекулы полимеров, представля¬
ют собой упорядоченные структуры, которые, по мысли
Д. Литтла, в силу периодичности, могут группировать
попарно путешествующие вдоль этих цепочек элект¬
роны. Таков в самых общих чертах описанный Д. Лит¬
тлом еще один гипотетический механизм образования
куперовских пар при температурах, превышающих 40 К.
Вплоть до 1987 года рекордно высокая температу¬
ра, при которой удавалось получить сверхпроводи¬
мость, составляла 23,2 К- Такой результат был получен
в сплаве ниобия и германия в 1973 году. Результат
этот находился в полном согласии с теорией, устано¬
вившей температурный предел, при котором возможна
сверхпроводимость в металлах и сплавах. Для повыше¬
ния этих пределов в металлических средах теория не
оставляла надежд.
440

Предсказанные В. Гинзбургом и Д. Литтлом про¬
цессы образования куперовских пар в экзотических
средах не подтверждались экспериментом.
Казалось бы. сама природа противится осуществле¬
нию тридцатилетней мечты многих физиков получить
эффект сверхпроводимости при азотной температуре
77 К. В среде физиков начало складываться мнение
о бесплодности подобных попыток. «Оставь надежду
всяк сюда входящий», дух дантевского ада стал про¬
никать сквозь стены лабораторий, занимавшихся поис¬
ками высокотемпературных сверхпроводников.
К счастью, нашлись энтузиасты и оптимисты, про¬
должавшие упорные поиски новых сверхпроводящих
материалов. Такие поиски проводились Дж. Беднорцем
и К- Мюллером в Цюрихе, группой ученых, возглавля¬
емых А. Головашкиным в Москве, Дзао Дзонсяном
в Пекине, Содши Танаку в Токио. И вот...
В начале 1987 года эффект сверхпроводимости при
азотных температурах (77 К) был зафиксирован с не¬
большим сдвигом по времени сначала в Хьюстонском
университете в США, а затем в Физическом институте
Академии наук СССР имени П. Н. Лебедева.
В обоих случаях в качестве сверхпроводящего
материала использовалась специальная керамика, в
состав которой входил ионизированный барий, окись
меди и лантан.
В Америке этой проблемой занимались сотрудник
Хьюстонского университета П. Чу и сотрудник лабора¬
тории компании «Америкэн телеграф энд телефон Белл»
Б. Батлогг, в Советском Союзе — группа сотрудников
лаборатории Физического института АН СССР, возг¬
лавляемая А. Головашкиным. В основу проводимых в
обеих лабораториях исследований были положены ре¬
зультаты, полученные и опубликованные примерно за
год до описываемых событий сотрудниками Цюрихско¬
го отделения Американской компании ИБМ Дж. Бед¬
норцем и К- Мюллером. В публикации говорилось о
том, что керамика на основе ионизированного бария,
лантана и окиси меди приобретает сверхпроводимость
при температуре 30 К.
В свою очередь, Дж. Беднорц и К. Мюллер поль¬
зовались результатами исследований французских
химиков К. Мишеля и Б. Раво, которые в 1985 году
опубликовали сообщение о новой керамике, синтезиро¬
ванной ими в 1984 году.
Так в интервале трех лет, передавая с рук на руки
эстафету, ученые смогли повысить температуру сверх¬
проводимости на 70 градусов, совершить гигантский
по своему научному и техническому значению скачок
из области гелиевых в область азотных температур.
СЕНСАЦИЯ
441

Сообщение о таких результатах произвело в мире
физиков настоящий фурор. Их обсуждению была посвя¬
щена конференция Американского физического общест¬
ва, проходившая 18—19 марта 1987 года в Нью-Йорке,
и совместная сессия Отделения общей физики и аст¬
рономии АН СССР и Отделения ядерной физики
АН СССР, проходившая 26 марта 1987 года в Москве,
в Институте физических проблем АН СССР имени
С.	И. Вавилова.
В этих научных форумах принимали участие почти
все известные физики, сделавшие свой вклад в решение
этой важнейшей проблемы: И. Чу, Б. Батлогг, К- Мюл¬
лер, Дзао Дзонсян, Содши Танаку в Нью-Йорке;
академик Ю. Осипьян и кандидат физико-математичес¬
ких наук А. Головашкин в Москве. По сообщениям
корреспондентов, в Нью-Йорке был переполнен не толь¬
ко рассчитанный на 1200 мест зал конференции, но и все
расположенные в ближайшей округе отели. Те, кто не
смог попасть в зал конференции, неотрывно следили
за ходом дискуссии по телевизорам, находящимся в
холлах отелей, в коридорах и в номерах.
Такой же живой интерес был проявлен через неделю
к сообщению Ю. Осипьяна и А. Головашкина. Рассчи¬
танный на 200 мест зал Института физических проблем
АН СССР вместил 500 участников сессии. Но и в Моск¬
ве на обсуждение сенсационного сообщения смогли
попасть далеко не все те, для кого оно могло предс¬
тавлять непосредственный интерес.
После официального окончания двухдневной кон¬
ференции в Нью-Йорке она продолжалась стихийно всю
ночь и окончилась только к шести утра. Все при¬
сутствующие стремились взять в руки и рассмотреть
вблизи таящие в себе сверхфантастические возможнос¬
ти образцы новой керамики, выполненные в форме
небольших шариков, шайбочек и колечек и, наконец, в
виде пленки, из которой в ближайшем будущем нач¬
нет изготавливаться функционирующая в жидком азоте
и столь необходимая электронике сверхъемкая память.
Присутствовавший на конференции корреспондент
американской газеты «Интернэшнл геральд трибюн»
услышал и поведал миру о том, как во время бурного
обсуждения Батлогг отложил в сторону образцы, табли¬
цы и графики и произнес очень тихо: «Мне кажется,
что наша жизнь будет теперь другой».
Да, конечно, другой! Ведь недаром весь мир почти
мгновенно услышал тихо произнесенную Б. Батлоггом
фразу. Жизнь станет другой потому, что, сбросив
«оковы» гелиевых температур, сверхпроводимость выр¬
вется на простор все новых и новых технических
применений, активно преобразующих всю нашу жизнь.
Возникнут новые трассы для поездов, бесшумно
скользящих по невидимым магнитным подушкам со
442

скоростью до 600 километров в час. Электрическая
энергия потечет в разные стороны по сверхпроводя¬
щим линиям передачи, в которых вместо жидкого гелия
будет использоваться жидкий азот. В новых складах
энергии ток будет циркулировать в обмотках сверхпро¬
водящих магнитов, не отдавая энергии на разогрев
проводов.
Все это будет. Но приблизиться к этому удастся
не сразу. После сообщений о сенсационных успехах на¬
чинается обсуждение вытекающих отсюда проблем.
Использовать новый вид сверхпроводящей керамики
для создания мощного магнитного поля можно только
в том случае, если при сильных токах в сверхпрово¬
дящих обмотках не начнут разрушаться куиеровские
электронные пары и эффект сверхпроводимости не будет
нарушен действием мощных магнитных полей.
Около 100 лабораторий мира приступили к исследо¬
ваниям устойчивости сверхпроводимости различных
кислородсодержащих керамик к воздействиям магнит¬
ного поля. Результаты этих исследований вселяют
надежду на успешное решение этой проблемы.
Однако по допустимой плотности тока керамики
пока существенно уступают металлическим сверхпро¬
водникам.
Есть еще и другие проблемы. Изготовленные образ¬
цы сверхпроводящей керамики отличаются чрезвычай¬
ной хрупкостью. Специалисты считают, что в недалеком
будущем эту проблему удастся решить путем добавле¬
ния в состав керамики различных пластических компо¬
нентов.
Уже начался активный процесс создания техничес¬
ких средств на основе сверхпроводящих керамик. В
Стэнфордском университете в Калифорнии (США) был
разработан процесс получения тонких сверхпроводя¬
щих металлокерамических пленок методом осаждения
из паров. Из пленок толщиной 0,5 микрона был изго¬
товлен сверхпроводящий туннельный диод. Напомним,
что основным тормозом, сдерживавшим дальнейшую
микроминиатюризацию интегральных схем, была проб¬
лема теплоотвода. Сверхпроводящие схемы отличаются
нулевым сопротивлением соединительных проводов и
контактов, поэтому циркулирующие в них токи не по¬
рождают тепла. Создание сверхпроводящих туннель¬
ных диодов, работающих в условиях азотной темпера¬
туры, открывает новые перспективы создания сверхми¬
ниатюрных и сверхкомпактных микросхем.
Исследования свойств сверхпроводящих керамик
еще далеко не закончены. Нет пока еще четкой
теории, которая могла бы объяснить возникновение в
этих керамиках электронных куперовских пар. В них
нет исследовавшихся В. Гинзбургом экситонов, так
же как нет и описанных в теории Д. Литтла
443

упорядоченных полимерных структур. Нельзя приме¬
нить к керамикам и описанный теорией механизм
образования куперовских пар в металлах и сплавах,
поскольку механизм этот перестает действовать при тем¬
пературах выше 30—40 К.
Так что же все-таки происходит в керамике в тот
момент, когда в ней возникает сверхпроводимость?
Науке еще предстоит отыскать ответ на данный вопрос.
Решение этой сложной проблемы позволит усовер¬
шенствовать сверхпроводящие свойства керамик и со¬
вершить с их помощью еще немало всевозможных «чу¬
дес». Быть может, именно здесь наука нащупывает путь
к осуществлению еще более дерзкой мечты многих физи¬
ков мира — синтезу сверхпроводящих материалов, ко¬
торые вообще перестанут нуждаться в охлаждении с
помощью сжиженных газов, а смогут работать при
температурах, определяемых степенью разогрева и ох¬
лаждения внешней среды.
ПЛОДЫ
одного
СТОЛЕТИЯ
(Заключение)
Вот мы и у финиша. Можно теперь подводить
итоги всему, что повстречалось в пути.
Рассказать хотелось о многом. Но пришлось огра¬
ничиться основным- Коснуться только фундаменталь¬
ных идей, возникавших на разных этапах создания
электроники и послуживших главными вехами на ее
славном пути. Показать, как одни и те же идеи могут
использоваться для самых различных целей. А глав¬
ное - убедить читателя в том, что без электроники нет
XX века, точно так же, как нет культуры древней
Эллады без ее дворцов, храмов и великолепных скульп¬
тур.
Подумать только: все гигантское здание электро¬
ники было воздвигнуто человечеством всего за одно
столетие.
Закончив маршрут, всегда полезно последний раз
оглянуться. Взгляду откроется панорама, и быть может,
последнее впечатление и окажется наиболее полным.
Как же выглядит электроника, если, окинув про¬
щальным взглядом, попытаться увидеть ее сразу всю
целиком?
Воображению рисуется гигантское дерево, корни ко¬
торого уходят в глубокую научную почву, а ветви
тянутся ко всем современным техническим областям.
Так выглядит это могучее дерево в данный момент.
А какие побеги даст это дерево завтра, через 10 и 20 лет?
На этот вопрос не возьмется ответить ученый. И едва
ли рискнет ответить фантаст. Кто знает, какие вырас¬
тут новые ветви и какие родятся плоды?
Первая радиостанция, созданная А. Поповым, свя¬
зала Кронштадт с островом Гогланд в 1900 году. И с
тех пор каждое десятилетие порождало новую ветвь.
444

Десятые годы нашего века — радио учится говорить.
Двадцатые —дальние передачи. Связь на коротких
отраженных ионосфероой волнах.
Тридцатые — освоены принципы телевидения.
Сороковые — радиолокационные станции, арсенал
новых электронных приборов для генерации и усиления
сантиметровых волн: клистрон, магнетрон, лампа с бе¬
гущей волной.
Пятидесятые — вычислительные машины, внедрение
полупроводниковых приборов.
Шестидесятые — квантовые генераторы. На помощь
радиоизлучениям пришли световые лучи.
Семидесятые — большие интегральные схемы,
сверхпроводящая электроника, голография, волоконно-
оптические линии связи.
Восьмидесятые — сверхбольшие интегральные схе¬
мы, емкая электронная память, миниатюрные ком¬
пьютеры в одном кристалле, сети взаимодействующих
электронных машин.
Девяностые —....
Что еще успеет создать электроника до начала
третьего тысячелетия?
Судить об этом совсем не просто. Ведь вплоть до
середины нашего века никто не знал о возможностях
создания электронного «мозга» и огромного семейства
«умных» машин. А потом за каких-нибудь тридцать
лет возникло такое обилие средств вычислительной
техники, что все мы оказались или участниками, или
свидетелями компьютерной революции, переживающи¬
ми всевозрастающий информационный взрыв.
В этой книге почти ничего не рассказано о ком¬
пьютерах. О них стоит написать еще одну книгу.
А пока подчеркнем еще раз, что как ни стремительно
развивалась до сих пор электроника, темпы по-преж¬
нему продолжают расти. Нельзя предречь всех направ¬
лений ее развития, но можно с полной уверенностью
сказать: какие бы отрасли техники ни возникали в
ближайшем или далеком будущем, электроника еще
долго останется на передовых рубежах.

СОДЕРЖАНИЕ
Пролог
5
1
ЭЛЕКТРОНЫ И ЭЛЕКТРОНИКА
11
2
ЭЛЕКТРОНЫ И ВОЛНЫ
136
3
ВВЕРХ ПО ШКАЛЕ ЧАСТОТ
280
4
ЭЛЕКТРОНЫ И КВАНТЫ
343
ПЛОДЫ ОДНОГО СТОЛЕТИЯ
(Заключение)
444

Седов Е. А.
С 28 Мир электроники: О взаимодействиях электро¬
нов с полями, волнами, квантами. Об истории созда¬
ния, назначения и возможностях, использующих эти
взаимодействия, электронных приборов. М.: Мол.
гвардия, 1990.— 44414] с., ил.— (Эврика).
ISBN 5-235-00797-2(т. I)
ISBN 5-235-01539-8
Занимательный рассказ об электроне, об электромагнитных полях
и их взаимодействии, о людях, посвятивших свои жизни развитию элект¬
роники, и той роли, какую играет современная электроника в ускорении
научно-технического прогресса.
. 2302030000—188
078(02)—90
242—90
ББК 32.85

ИБ № 6371
Седов Евгений Александрович
МИР ЭЛЕКТРОНИКИ
Заведующий редакцией
В. Щербаков
Редактор
В. Федченко
Рецензент
В Штейншлегер
Художники
В. Белоусов, Д. Крымов
Художественный редактор
В. Белоусов
Технические редакторы
Н. Носова, 3. Ахметова
Корректоры
И. Самойлова. В. Назарова, Е. Самолетова
Сдано в набор 17.08.89. Подписано в печать 07.06.90. А02356. Формат
70Х 100'/16- Бумага офсетная № 2. Гарнпт\ра «Литературная». Пе¬
чать офсетная. Уел. печ. л. 36,4. Уел. кр.-отт. 145,9 Учетно-изд. л. 26,1.
Тираж 150000 экз (75001	150000 экз.). Цена 3 руб. Заказ
2099.
Типография ордена Трудового Красного Знамени издательско-полигра¬
фического объединения ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия». Адрес НПО:
103030, Москва, Сущевская, 21.
ISBN 5-235-00797-2(т. 1), (2-й з-д)
ISBN 5-235-01539-8