Звуко-електроніка. Продовження.

Звук

Ми вже знаємо, що гіперзвук можна підсилити за допомогою світла. Однак розрахунки показують, що куди вигідніше робити це за допомогою електронів. Ідея такого підсилювача звуку досить проста. Колискою потужного звуку служить стрижень з сірчистого кадмію. До його торців підводять постійну напругу. Воно змушує вільні електрони «плисти» вздовж стрижня. А тепер пошлемо їм навздогін звук. У п’єзоелектриці він завжди рухається в супроводі електричного поля. Сильніше звук – сильніше поле, і навпаки.

Коли електрони в кристалі і звук рухаються з постійною швидкістю, нічого особливого не відбувається. Але ось ми трохи збільшили напругу на кінцях стержня. Швидкість дрейфуючих вздовж нього електронів злегка зросте. Вони почнуть обганяти звук, а разом з ним і біжить електричне поле. Але поле «не хоче» їх відпускати і як би чіпляється за них. Тому електрони змушені «тягнути» поле за собою.

Думаєте, поле почне рухатися швидше? Як би не так. Адже воно біжить «в одній упряжці» зі звуком. Швидкість же звуку постійна. У твердому тілі, наприклад, вона визначається лише пружними властивостями кристалічної решітки.

При найменшій спробі звуку побігти швидше в решітці виникають додаткові механічні напруги. Щоб подолати їх, звуку доводиться збільшувати амплітуду коливань.

Саме на це і йде енергія, отримана звуком від електронів. А результат? Швидкість звуку залишається колишньою. Але зате зростає розмах коливань, збільшується сила звуку. Цей спосіб годиться для посилення звуку будь-якої частоти. Але особливо вигідний він, коли доводиться мати справу з ультраультразвуком. Наприклад, звук з частотою 10 мільярдів герц можна посилити в мільйон разів, змусивши його пройти в кристалі шлях довжиною всього лише 0,5 міліметра. Звук від падіння пилинки на м’який килим можна посилити, таким чином, до гуркоту вибуху!

Електричний заряд не єдина цінність електрона в очах акустиків. Настільки ж важливим виявляється і те, що він має властивості крихітного магнітика. Ці властивості породжені обертанням електрона навколо своєї осі, або, як кажуть фізики, його спіном.

Зазвичай електрони в атомах попарно пов’язані один з одним, так що їх магнітні поля взаємно нейтралізуються. Але в атомах деяких речовин, наприклад у заліза, є і неспарені електрони. Вони-то і викликають магнетизм речовини.

Цікава річ виходить, якщо кристал з таких атомів помістити в магнітне поле. Електрони-магнітики розташуються в ньому так, що їх спінові осі (для стислості просто: спіни) займуть якесь певне положення: або у напрямку поля, або проти нього, або перпендикулярно йому. Кожному положенню відповідає певний енергетичний рівень.

При низькій температурі більшість спінів буде повернуто в таку сторону, щоб це відповідало меншій енергії. Іншими словами, нижній енергетичний рівень виявиться «заселений» рясніше, ніж верхні.

Але це лише до тих пір, поки атоми (і, зрозуміло, електрони) сидять на голодному енергетичному «пайку». Однак їх можна «підгодувати» енергією. Тоді картина зміниться.

Заради простоти уявімо, що у нас лише два (а не три) енергетичних рівня. Щоб електрон перейшов з нижнього на верхній, він повинен поглинути порцію енергії – квант. Нехай це буде енергія електромагнітних або звукових коливань. При відповідній частоті (від неї залежить енергія кванта) вони почнуть поглинатися електронами.

Що ж станеться? Електрони з нижнього рівня стануть, поглинаючи кванти, підніматися на верхній. А з верхнього, навпаки, будуть стрибати вниз, випускаючи «непотрібний» квант. Яких же виявиться більше?

Ви знаєте, що відбувається, коли в магазині закінчується обідня перерва. Відкривають двері, і до прилавків спрямовується потік покупців. Через деякий час дехто прямує вже до виходу. Таких стає все більше. Поступово число тих, що входять і виходять приблизно зрівнюється.

Легко зрозуміти, що з електронами буде те ж саме. Спочатку більшість кинеться на верхній рівень. Зрештою «щільність населення» там стане такою, як на нижньому. Тепер переселятися наверх вже немає сенсу: тут так само тісно, як і внизу. Може скластися враження, що все це представляє лише теоретичний інтерес. Справді, яку з цього можна отримати користь?

А ось яку. Згадайте принцип квантового генератора світла – лазера. У кристалі рубіна атоми хрому «вбирають» світло ртутної лампи, піднімаючись на більш високий енергетичний рівень. Їх там збирається стільки, що вони починають «зіштовхувати» один одного «вниз». Виникає потужна лавина світлових квантів, які викидаються з кристала у вигляді сліпучого променя. Яскравістю він у багато разів перевершує ртутну лампу. Виходить, що світло лампи за допомогою рубіна посилюється. І ще як – в мільйони разів!

На подібному ж принципі можна зробити, виявляється, і квантовий генератор звуку. Точніше – гіперзвуку. Ось як працює один з таких приладів. Він створений американським фізиком Г. Туккером. Найважливіша його частина – кристал з парамагнітної речовини, тобто речовини зі слабкими магнітними властивостями. Електрони в ньому можуть перебувати на одному з трьох енергетичних рівнів: нижньому, середньому або верхньому. Але якщо кристал охолодити, майже всі вони зберуться на нижньому рівні.

Допоможемо електронам «розселитися». Для цього досить порушити в кристалі електромагнітні коливання. Частота їх підбирається така, щоб енергія електромагнітних квантів відповідала різниці між нижнім і верхнім рівнями. Ясно, до чого це призведе. Поглинаючи кванти, електрони стануть перебиратися наверх. Незабаром заселеність нижнього рівня і верхнього стане приблизно однаковою. Ну, а тепер?

Є ще один рівень – середній. Потрапити на нього електрон може двома шляхами: або спустившись з верхнього рівня, або піднявшись з нижнього. Звичайно, нас цікавить лише перший шлях – адже в цьому випадку електрон не поглинає квант, а, навпаки, викидає його.

До кристалу притиснутий кварцовий брусок. У ньому порушується ультразвук з такою частотою, щоб енергія квантів звукової енергії відповідала різниці між верхнім і середнім рівнями. З кварцу звук потрапляє в парамагнітний кристал. Там звукові кванти поглинаються електронами.

Думаєте, в результаті звук затихне? Ні, звук тільки посилиться! І ось як це станеться. Поглинувши квант звукової енергії, електрон за допомогою верхнього рівня втрачає право там перебувати. У нього тепер більше енергії, ніж належить. Тому він негайно від неї позбувається: викидає поглинений квант. І – найважливіше – на додачу випускає ще точно такий же. А сам перескакує на середній рівень. Електрон середнього рівня теж може поглинути звуковий квант. При цьому він нічого не випускає, а просто переходить на верхній рівень. Однак зверху вниз рух більш жвавий – нагорі більше електронів. «Намагання» звуку спрямовані на те, щоб зрівняти заселеність верхнього рівня і середнього. Тому звукових квантів випускається у багато разів більше, ніж поглинається.

Правда, тепер порушується рівність між числом електронів на верхньому і нижньому рівні. Але це вже турбота електромагнітних коливань – за рахунок їх енергії безперервно проводиться «підкачка» електронів на верхній рівень. А звук в свою чергу безперервно скидає їх на середній рівень. І за кожен витрачений на це квант звук отримує два. Зрозуміло, що звук посилюється.

Таким методом можна генерувати надпотужний звук частотою в десятки мільярдів герц. Ніякі п’єзоелектричні пристрої на це не здатні. Про властивості гіперзвуку ми знаємо поки небагато. Вчені лише недавно стали мати з ним справу. Цьому звуку вже намічають на старті вражаючі застосування.

Звуколокація атомів і окремих елементарних частинок – ось одна з найбільш привабливих можливостей. Якщо «звичайний» ультразвук дозволяє побачити крихітну тріщину в деталі, то ультраультразвук допоможе «розгледіти» навіть неправильності в розміщенні атомів кристалічної решітки.

Обчислювальна техніка та біологія, хімія і технологія – в багатьох областях науки і техніки скаже, мабуть, своє слово ультраультразвук. У нової науки – звукоелектроніки, що з’явилася на світ на стику акустики, електроніки, фізики, оптики, електрики, магнетизму і багатьох інших галузей знання, – все поки попереду.

Автор: В. Тоболів.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *