Физика в картинках

2021-04-29 20:42:32 Китай вывел в космос первый модуль своей будущей орбитальной космической станции. Ракета Чанчжэн-5B вывела на орбиту модуль «Тяньхэ» - базовый модуль будущей китайской орбитальной станции. В дальнейшем к нему планируют пристыковать ещё три модуля - два лабораторных и один - с оптическим телескопом. Закончить монтаж станции планируют в 2022-м.

Китайская станция станет третьим подобным сооружением на орбите после станции "Мир" и МКС. А также первой орбитальной космической базой, созданной без участия России. Открыть/Комментировать

2021-04-29 18:48:00 ​Солнечная система расположена в галактике весьма необычным образом: будучи удалённой от галактического центра примерно на 27 тысяч световых лет, благодаря чему она вращается вокруг центра галактии с той же скоростью, с которой вращаются и рукава галактики.

Это довольно необычно: будь Солнце расположено чуть ближе к центру, оно вращалось бы быстрее рукавов, чуть дальше - медленнее. И в результате время от времени оно проходило бы через эти самые рукава - либо мы догоняли бы их, либо они догоняли бы нас.

А проходить через галактические рукава - не самое здоровое занятие.

Дело в том, что эти рукава являются областями повышенной концентрации межзвёздного газа и областями наиболее активного звездообразования: там чаще образуются звёзды, в том числе чаще возникают массивные голубые гиганты и сверхгиганты.

А для этих звёзд характерен короткий срок жизни (сотни, а иногда и десятки миллионов лет против 10 миллиардов лет, отведённых Солнцу) и весьма бурный конец этой жизни: вспышка сверхновой, в ходе которой в пространство излучается огромное количество энергии.

Считается, что вспышка сверхновой уже в 100 световых годах от Земли могла бы иметь для нашей биосферы самые неприятные последствия. А вероятность оказаться вблизи такой космической мины при прохождении через галактический рукав существенно возрастает.

Проще говоря, уникальное расположение Солнечной системы относительно центра галактики обеспечило Земле миллиарды лет жизни вдали от звёздных извержений. И не исключено, что именно такое расположение относительно центра галактики является необходимым условием для развития жизни вообще и разумной жизни в частности. Открыть/Комментировать

2021-04-27 21:10:36 ​В дополнение к предыдущему посту про светодиодные светильники.

Вообще сочетание светодиода и "поджигаемого" этим диодом люминофора часто используется для получения белого света, который сам диод непосредственно излучать не может, так как светит на конкретной узкой длине волны.

Обычно используется диод с синим или фиолетовым свечением, в качестве люминофора берут иттрий-алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Такое сочетание позволяет получить яркий белый свет. Реже (сильно реже!) встречаются схемы с ультрафиолетовыми диодами (в продаже вы их не встретите).

Такие светильники довольно эффективны, но относительно дороги, кроме того, плохо реагируют на высокие температуры, в том числе и созданные самим светильником (в мощных промышленных установках).

Альтернативный, более дешёвый вариант - установить в один корпус три цветных светодиода (синий, красный и зелёный) одинаковой яркости, что в сумме даст условно белый свет. Проблема в том, что "белость" такого света может нарушиться - в зависимости от сроков работы, температурного режима и даже угла, под которым видна лампа.

На фото - светодиодная лампа белого света, состоящая из 38 отдельных светодиодов на одной печатной плате и колбы с люминофорным покрытием. Открыть/Комментировать

2021-04-27 20:18:10 ​#Как_это_устроено: LED-светильники

Наиболее перспективное направление развития осветительной техники – светильники на полупроводниковых светодиодах (LED-лампы), и рассказав о лампах накаливания и газоразрядных лампах, нужно, конечно, рассказать и о них. Физика полупроводников довольно нетривиальная, но попробую пояснить принцип работы полупроводникового светодиода максимально упрощённо.

Существуют два типа полупроводников в зависимости от типа заряженных частиц, движение которых и составляет электрический ток. В полупроводниках n-типа заряд переносят электроны, а в полупроводниках p-типа – положительно заряженные частицы – ионы, т.е. атомы, вследствие определённых процессов лишившиеся своих электронов и ставшие поэтому положительно заряженными.

Здесь следует сделать оговорку: на самом деле положительные ионы в твёрдых телах не движутся, они жёстко закреплены в кристаллической решётке. Движутся, снова-таки, электроны между такими атомами: очень грубо говоря, электрон из нейтрального (с полным комплектом электронов) атома может «перепрыгнуть» в соседний атом с нехваткой электронов. В результате второй атом станет нейтральным, а первый, лишившись электрона, станет заряженным. Но выглядеть это будет так, как будто произошло перемещение положительно заряженной частицы. Подробнее об этом можно почитать, загуглив словосочетание «дырочная проводимость полупроводников».

Если мы поместим полупроводники n и p типа встык друг другу (такая комбинация называется полупроводниковым диодом) и приложим электрическое напряжение, то под действием этого напряжения переносчики заряда придут в движение. Причём отрицательно заряженные частицы будут двигаться в одну сторону, а положительно заряженные – в другую. Если мы не ошиблись с полярностью, то получится, что в проводниках обоих типов носители заряда движутся навстречу друг другу.

В точке встречи на границе полупроводников происходит массовая рекомбинация: свободные электроны из n-полупроводника будут занимать вакантные места в ионах p-полупроводника. Как и в случае с газоразрядными лампами, это будет сопровождаться выделением энергии в виде электромагнитного излучения. И если энергия рекомбинации (а она зависит от химического состава полупроводника) будет соответствовать энергии квантов видимого света, то зона перехода между полупроводниками начнёт светиться. Полупроводниковый диод, при прохождении тока излучающий свет, называется светодиодом.

Первооткрывателем светодиода считается советский физик Олег Лосев, ещё в 1927 году получивший патент на «световое реле». Увы, Олег Лосев умер в 1942 году от голода в Ленинграде, не успев довести до конца свои исследования.

Повторно светодиод изобрели в 1961 году в США. Компактный и потребляющий ничтожное количество энергии источник света нашёл широкое применение в электронике – например, в качестве индикатора. Но как источники освещения первые диоды использоваться не могли – они были слишком тусклыми. Существенно повысить яркость светодиодов удалось благодаря открытиям советского и российского физика Жореса Алфёрова, открывшего способ создавать т.н. гетероструктуры – грубо говоря, диоды состоящие из множества слоёв полупроводников обоих типов. За эту разработку Алфёров получил Нобелевскую премию в 2000 году.

Светодиодные светильники имеют небольшой размер, колоссальный (до 60 процентов!) КПД и огромный (до 100 000 часов – просто сравните с 4000 часов у лампы накаливания!) срок службы. Кроме того, они греются даже слабее газоразрядных ламп и потребляют совершенно ничтожное количество электроэнергии, а также могут работать даже от источников очень низкого напряжения. Единственная проблема светодиодов – их относительная дороговизна. Впрочем, стоимость производства светодиодов постоянно снижается и в будущем, вероятно, они полностью вытеснят газоразрядные лампы, которые, в свою очередь, уже сегодня сильно потеснили лампы накаливания.

На картинке – розовый светодиод: его свет состоит из синего свечения, собственно, диода и красного свечения люминофора, которым покрыт корпус лампы. Открыть/Комментировать

2021-04-26 19:26:16 В дополнение к посту про эффект сифона, рассмотренный на примере чаши Пифагора, надо сказать, что некоторым жидкостям с большой вязкостью для сифонного эффекта сосуды и вовсе не нужны: жидкости с большой вязкостью и поверхностным натяжением способны сифонировать из сосуда без дополнительных приспособлений.

Можно сказать, что жидкость из сосуда вытягивает сила тяжести, которая "тянет" находящуюся вне сосуда жидкость вниз, а та вытягивает за собой остальную жидкость за счёт межмолекулярных связей внутри неё. Открыть/Комментировать

2021-04-26 18:08:22 В 35-ю годовщину аварии на ЧАЭС предлагаю свою статью 2011 года про обстоятельства аварии именно с физико-технической точки зрения.

Статье, повторюсь, уже 10 лет, сегодня я бы, наверное, кое-что написал по-другому. Плюс она изложена ОЧЕНЬ упрощённо для понимания как можно более массового читателя. Но, думаю, подписчикам этого канала она тоже может оказаться небезынтересной.

https://timer-odessa.net/statji/chernobyl_i_fukusima_dve_avarii_za_25_let.html Открыть/Комментировать

2021-04-24 11:11:00 Россия собирается запустить собственную орбитальную космическую станцию в 2026 году.

Об этом сообщили в Ракетно-космической корпорации «Энергия».

Станция будет вращаться по другой орбите, чем вращается МКС: она пройдёт дальше от экватора и ближе к полюсам, что позволит провести новые исследования условий жизнедеятельности в условиях, более близких к условиям межпланетных полётов.

Подтверждена информация о размещении в составе новой станции модуля "Стапель", предназначенного для сборки, ремонта и текущего обслуживания космических аппаратов, включая искусственные спутники и межпланетные корабли.

На картинке - один из эскизов того, как может выглядеть будущая российская станция. Открыть/Комментировать

2021-04-23 20:05:57 ​Американский марсоход Perseverance впервые испытал технологию получения кислорода из углекислого газа в атмосфере марса.

Идея состоит в том, чтобы сильно нагреть молекулы углекислого газа, в результате чего они распадаются на атомы: два атома кислорода и один атом углерода. Если затем атомам позволить снова объединиться в молекулы, то может статься так, что атомы кислорода объединятся не с углеродом, а между собой, образуя чистый природный кислород. "Отходом производства" является угарный газ: одна молекула углерода и одна молекула кислорода.

Установка, размещённая на марсоходе Perseverance способна получать 10 граммов кислорода в час. Этого количества достаточно для того, чтобы человек дышал 20 минут.

Кроме того, марсианский кислород в будущем может быть использоваться для заправки космических ракет: он будет выступать окислителем для ракетного топлива, например, метана, который тоже можно будет получать на Марсе и тоже из углекислого газа в результате т.н. реакции Сабатье (углекислый газ из атмосферы + водород, получаемый из марсианских водяных льдов).

Налаживание производства ракетного топлива на Марсе существенно упростит путешествия на эту планету и обратно к Земле: космическому аппарату не нужно будет везти топливо на обратный путь "на своём горбу". Открыть/Комментировать

2021-04-23 19:03:03 ​Насколько научен «Интерстеллар»? Часть 2: сверхмассивная чёрная дыра, её планеты и их обитаемость

(часть 1 тут)

По сюжету «Интерстеллара», после путешествия через кротовую нору астронавты попадают в окрестности чёрной дыры Гаргантюа с массой в 100 миллионов масс Солнца, вокруг которой вращаются несколько потенциально обитаемых планет. Возможно ли такое в реальности?

Чёрные дыры с массами в миллионы солнечных – реальное явление: такие объекты обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный Путь, и существует мнение, что они имеются в центрах вообще всех галактик. Так, чёрная дыра в центре нашей галактики, т.н. объект Стрелец А*, имеет массу в 4 миллиона масс Солнца.
Могут ли существовать планеты на орбите чёрной дыры? В принципе да. В этом смысле чёрная дыра мало отличается от любого другого небесного тела, и объекты могут вращаться по стабильным орбитам вокруг неё так же, как Земля вращается вокруг Солнца.

А как насчёт обитаемости таких планет? Здесь сложнее.

В принципе такие планеты действительно могут получать достаточно тепла и света для того, чтобы быть обитаемыми. Не от самой чёрной дыры, конечно, та ничего не излучает по определению. Но вокруг такой дыры имеется тёплый и излучающий объект – так называемый аккреционный диск.

Суть такова: материя, которая падает в чёрную дыру, редко падает туда по прямой. Всё во Вселенной вокруг чего-нибудь да вращается, т.е. обладает моментом импульса. А по закону сохранения момента импульса он не может исчезнуть вникуда. Поэтому падающие в чёрную дыру (и вообще на любой центр гравитации) объекты почти всегда будут падать на него по сужающейся спирали, всё ускоряя своё вращение. В результате вокруг сильно гравитирующего тела образуется диск-водоворот из пыли и газа: такие бывают не только у чёрных дыр, но и у нейтронных звёзд и даже обычных звёзд на ранних стадиях их формирования.

Я уже говорил, что внутренние области аккреционного диска движутся быстрее чем внешние. Из-за этого внутри диска возникает трение, нагревающее его. И если гравитация достаточно сильна, то газ и пыль диска, как и любое нагретое тело, становятся источниками электромагнитного излучения в видимой и инфракрасной части спектра – то есть источниками тепла и света. И это тепло и свет вполне могут быть достаточно интенсивными, чтобы обогреть планеты на орбите чёрной дыры.

Но на этом хорошие новости заканчиваются.

Во-первых, согласно современным представлениям, выраженные аккреционные диски у чёрных дыр существуют не всегда. К примеру, у Стрельца А* его сейчас толком нет: аккреционный диск чёрной дыры в центре нашей галактики, вероятно, имеет массу около одной десятитысячной массы Солнца и не способен что-либо осветить или обогреть. При этом в прошлом это было не так: есть признаки, что выраженный аккреционный диск мог существовать у ядра нашей галактики ещё 300-400 лет назад (более общим является мнение о том, что это имело место примерно 10 000 лет тому назад). Объясняется это просто: горячий аккреционный диск образуется тогда, когда в окрестностях чёрной дыры имеется достаточно материи для поглощения. Когда чёрная дыра её поглощает, активное излучение прекращается. То есть, планеты на орбите чёрной дыры, даже если они и будут существовать, большую часть времени будут проводить в кромешной тьме и космическом холоде, получая достаточно тепла и света лишь в короткие периоды активного поглощения вещества чёрной дырой.

А хуже всего то, что в активном состоянии аккреционный диск чёрной дыры излучает не только тепло и свет, но и значительные количества рентгеновского излучения – собственно, рентгеновские лучи в спектре таких аккреционных дисков преобладают. Так что даже в «теплые» периоды своего существования планеты чёрной дыры будут омываться также мощными потоками радиации, и жить на них всё равно будет нельзя.

Так что в смысле возможности наличия потенциально обитаемых планет на орбите Гаргантюа «Интерстеллар» всё-таки дал маху. Хотя идея, безусловно, красивая. Открыть/Комментировать

2021-04-23 11:52:00 Как и обещал, рассказываю ответ на загадку про два проводника с током и движущегося относительно них наблюдателя.

Действительно, если наблюдатель движется относительно проводов с той же скоростью, с которой летят электроны проводимости, то эти электроны будут относительно него неподвижны.

Но в его системе отсчёта начнут двигаться положительно заряженные ионы, формирующие кристаллическую решётку проводника (те самые атомы, от которых оторвались электроны проводимости).

Причём двигаться они будут точно с той же скоростью, но в обратном направлении, а заряд их будет в точности таким же по значению, но будет иметь противоположный знак.

Так что - нет, сила магнитного взаимодействия между проводами никак не изменится.

По поводу ваших ответов в комментариях.

Двигаться со скоростью электронов отлично можно, эта скорость невелика, миллиметры в секунду (не путать со скоростью распространения электромагнитного поля - вот она, таки да, равна скорости света, а точнее, это и есть скорость света).

Ответ что "электроны движутся безотносительно наблюдателя" тоже неверен. Любое движение в физике относительно и зависит от выбора системы отсчёта.

Очень порадовало наличие правильных или почти правильных ответов. Приятно, когда у людей срабатывает физическая интуиция! Открыть/Комментировать