Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Прошло еще тридцать лет, прежде чем Дж. Томсон открыл, что «катодные лучи» – вовсе не лучи, а поток отрицательно заряженных частиц, известных сегодня как электроны. Впрочем, их первоначальное название было решено оставить. Затем этот устоявшийся термин перекочевал в название электронно-лучевой трубки – cathode ray tube, или CRT. Сегодня мы знаем, что, приложив к ней высокое напряжение, мы создаем электрическое поле, тянущееся от одного ее конца к другому. Под воздействием этого электрического поля электроны вылетают из отрицательного конца (катода) и направляются в сторону положительного конца (анода). Любая частица, обладающая электрическим зарядом, под воздействием электрического поля будет ускоряться, то есть постоянно подталкиваться вперед на всем пути от одного конца трубки к другому. Таким образом, электроны не просто продвигаются вперед, к положительному концу трубки, потому что притягиваются им, а ускоряются на этом пути. Чем выше разность напряжений между двумя концами трубки, тем быстрее движутся электроны, приближаясь к другому концу. В телевизоре с ЭЛТ электроны в момент соударения с экраном достигают скорости порядка нескольких километров в секунду. Это не так уж мало по сравнению со скоростью света – наибольшей скоростью, которой можно достичь во Вселенной.

Таким образом, тот же фундаментальный процесс, приведший к открытию электрона, использовался в каждом из телевизоров, выпускавшихся в мире каких-нибудь пару десятков лет тому назад. В них применялся прибор, «вырабатывающий» электроны, а именно кинескоп – полая камера, из которой откачан воздух (то есть созданы условия, близкие к вакууму), стало быть, внутри нее нет никаких препятствий. В результате электроны, которыми выстреливает так называемая электронная пушка в кинескопе, движутся в вакууме, пока не ударятся об экран. Такой их поток в кинескопе представляет собой электрический ток в чистом виде: заряженные частицы, движущиеся по прямой линии.

Моя тетя открывает коробку со всевозможным «электронным хламом», оставшимся ей «в наследство» после смерти моего дедушки. В коробке можно найти стеклянные радиолампы, немного напоминающие своим видом цилиндрические осветительные лампочки; правда, вместо обычной нити накаливания внутри них скрывается довольно сложная металлическая конструкция. Радиолампы используются для управления потоком электронов в электрических цепях. Когда дедушка занимался ремонтом телевизоров, он прежде всего старался выяснить, не сгорела ли какая-либо радиолампа, которыми были буквально нашпигованы внутренности каждого телевизора, чтобы заменить ее. Мои мама, тетя и дедушка питали к радиолампам искренние чувства любви и благоговения, поскольку от их исправности зависело очень многое в жизни. Разнообразие радиоламп просто поражает!

А еще в углу коробки можно обнаружить большой кольцеобразный магнит (сейчас он уже раскололся на две части). Глядя на него, я размышляю о великой связи между электричеством и магнетизмом. Если вы хотите управлять электричеством, вам нужны магниты. Если хотите управлять магнитами, вам требуется электричество. Электричество и магнетизм – две стороны одного и того же явления. И электрическое, и магнитное поле могут подталкивать движущийся электрон. Но результаты такого подталкивания разнятся. Электрическое поле будет подталкивать движущийся электрон в направлении действия поля. Магнитное – в сторону, перпендикулярно направлению поля.

Создать направленный пучок электронов – лишь полдела. Главная проблема, которую следовало решать конструкторам старых телевизоров, – управлять этим пучком электронов так, чтобы он попадал в нужные точки экрана. В основе такого управления лежит принцип неразрывной связи между электричеством и магнетизмом. Когда электрон движется через магнитное поле, он отклоняется в сторону. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее отклоняется электрон. Следовательно, изменяя определенным образом величину магнитного поля в ЭЛТ старого телевизора, можно отклонять пучок электронов на тот или иной угол, целенаправленно изменяя точку попадания пучка электронов на экран. Большой кольцеобразный постоянный магнит, покоившийся в углу заветной дедушкиной коробки, был смонтирован вблизи электронной пушки и обеспечивал основную фокусировку. Но управляющие электромагниты, находящиеся несколько ближе к экрану, контролировались непосредственно сигналом, поступающим с телевизионной антенны. Эти электромагниты управляли пучком электронов таким образом, чтобы он сканировал экран по горизонтали, строка за строкой. Сам по себе пучок электронов при прохождении каждой очередной строки то включался, то выключался, и в том месте, где он попадал на экран, появлялась яркая точка. Строчный выходной трансформатор, о котором я упоминала выше, относился к числу устройств, предназначенных для управления сканированием экрана. Чтобы обеспечить непрерывное изображение на экране телевизора, нужно было сканировать 405 строк 50 раз в секунду, при этом пучок электронов следовало включать и выключать в строго определенные моменты времени – соответственно изображению, формируемому на экране.

Управление пучком электронов – невероятно сложный процесс. Для формирования изображений на телеэкране требуется множество электронных компонентов, причем все они должны действовать строго синхронно, исполняя свои функции исключительно в определенные моменты времени. Именно поэтому в телевизорах старых типов множество ручек настройки, позволяющих корректировать и «подстраивать» картинку на экране. Кстати, многие владельцы телевизоров этим злоупотребляли, то и дело (зачастую без реальной необходимости) вращая ручки настройки. Впрочем, для моего дедушки настройка телевизоров была не забавой, а профессиональной обязанностью. Можно сказать, он был знатным специалистом по части ремонта и настройки телевизоров. Со стороны его манипуляции выглядели как некое священнодействие. Настоящих мастеров своего дела уважали во все времена – да и как не уважать мастера, если он делает то, что у тебя не получается! Сейчас мир изменился. Специалисты-электронщики могут «оживить» неработающее устройство, но вы не понимаете, что именно они делают и почему оно работает.

Кажется невероятным, что молчаливые и невидимые электроны, замкнутые в вакууме, могут быть ключом ко всему богатству телетрансляций, полных звуков и красочных кадров. В течение пятидесяти лет работа телевизора основывалась на одном и том же простом принципе: поместите электрон в электрическое поле – и сможете ускорять или замедлять его движение. Поместите движущийся электрон в магнитное поле – и сможете отклонять его в ту или иную сторону. Поддерживайте этот процесс в течение долгого времени – и он будет циклически повторяться.