Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Другой, более непосредственный способ сообщения также в большой мере зависит от электромагнита. Речь идет о телефоне («говорить на расстоянии»), который изобрел в 1876 году шотландский, а затем американский учитель Александер Грейам Белл (1847–1922), а вскоре усовершенствовал Эдисон.

Если описывать как можно проще, то телефонный передатчик-микрофон (в который вы говорите) содержит углеродные гранулы в коробочке, которая спереди и сзади ограничена токопроводящими стенками. Передняя стенка представляет собой достаточно тонкую и гибкую мембрану. Через эту коробочку проходит электрический ток. Сопротивление углеродных гранул зависит от того, насколько хорошо они контактируют друг с другом. Чем лучше контакт, тем ниже общее сопротивление (разность потенциалов остается постоянной) и тем больше сила проходящего сквозь гранулы тока.

Когда говорят в микрофон, создается сложная последовательность областей сжатого и разреженного воздуха (см. ч. I). Если мембрана попадает в область сжатого воздуха, то она прогибается внутрь; попав в область разреженного воздуха, она выгибается наружу. Мембрана действует в точности так, как барабанная перепонка человеческого уха, которая реагирует на различные изменения звуковых воли.

Когда мембрана прогибается внутрь, углеродным гранулам становится легче контактировать, и сила тока увеличивается настолько, насколько сильно мембрана прогнулась. В свою очередь, сила тока уменьшается, когда мембрана выгибается наружу, гранулы реже соприкасаются, и контакт ухудшается. Итак, электрический ток пущен таким образом, что сила тока меняется, точно воспроизводя последовательность сжатий-разрежений звуковой волны.

На другом конце цепи, который может находиться за тысячи миль, благодаря реле и прочим усовершенствованиям электрический ток приводит в действие электромагнит в приемном устройстве телефона. Сила магнитного поля изменяется в зависимости от силы тока, поэтому сила этого поля представляет собой точную модель звуковой волны, которую посылает удаленный микрофон. Около электромагнита расположена тонкая железная мембрана, которая прогибается внутрь под воздействием магнитной силы. Мембрана в приемнике шевелится по образцу звуковой волны, принятой от передатчика, который расположен за много миль и, в свою очередь, создает точно такие же колебания звуковой волны в воздухе. В результате человек, находящийся у приемника, слышит именно то, что говорит собеседник в микрофон.

Новейшие применения электромагнитов требуют сверхпроводимости (см. гл. 9). Сверхпроводящую пластину располагают над магнитом, производящим сверхпроводимость. Магнитные силовые линии не могут проникнуть внутрь диамагнитной пластины, по этой причине невозможен физический контакт пластины и магнита. Между двумя сверхпроводниками должно быть некоторое пространство, которое и заполнят магнитные линии. Следовательно, пластина отталкивается магнитом и «плавает» над ним. Даже если на пластину положить некоторый вес, он не будет (до определенного предела) придавливать пластину к магниту. В лабораторных условиях пластина удерживала до 300 г веса на квадратный сантиметр. Не имея физического контакта с магнитом, пластина способна вращаться, практически не создавая трения, и, таким образом, может служить свободной опорой.

Примером практического применения свойств электромагнитов в условиях сверхпроводимости можно назвать создание переключателей очень маленького размера. Первое подобное устройство (сделано в 1935 году) состояло из тонкой проволоки из ниобия, которая находилась возле более толстой проволоки из тантала. Обе проволоки являются сверхпроводниками, но им можно придать различные критические силы магнитных полей. По танталу может быть пущен небольшой по силе ток, и при низкой температуре он будет идти по этой проволоке в течение неограниченного времени. Однако если при этом пустить ток по виткам из ниобия, пусть даже меньший по силе, то получившееся магнитное поле будет достаточным, чтобы разрушить сверхпроводимость тантала (на ниобии это не отразится). По танталу ток течь перестанет. Так один ток способен «выключать» другой.

Подобное устройство носит название криотрон (от греческого слова, означающего «замораживать», в связи с чрезвычайно низкими температурами, которые необходимы для сверхпроводимости). Совокупность комбинаций криотронов используется в многофункциональных переключающих устройствах в компьютерах. Преимущество криотроновых выключателей в том, что они очень маленькие, работают очень быстро и потребляют совсем немного энергии. Главный их недостаток, конечно, заключается в том, что действуют они только при температурах жидкого гелия.