Демонстрация внешнего фотоэффекта с помощью тиратрона МТХ-90. Как сделать самодельный точечный планетарий

Безнакальный тиратрон МТХ-90 представляет собой светочувствительный элемент. Это объясняется тем, что катод у него покрыт слоем цезия, имеющего очень малую работу выхода электронов.

Светочувствительность тиратрона МТХ-90 можно иллюстрировать графиками (рис. 151), построенными при различных значениях напряжения между катодом и анодом. На оси абсцисс отложены значения светового потока, падающего на торец колбы тиратрона, а на оси ординат — ток несамостоятельного разряда. Звездочками помечены моменты зажигания тлеющего разряда.

В области несамостоятельного разряда наблюдается некоторое усиление фототоков. Это усиление происходит за счет газового наполнения тиратрона. Электроны, выбитые из катода квантами света, на своем пути к аноду разгоняются электрическим полем и, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, образуют лавину вторичных электронов. В результате фототок усиливается в десятки раз.

При зажигании тлеющего разряда в тиратроне ток скачком возрастает еще больше и может достичь очень большой величины, зависящей от сопротивления в цепи. При длительном горении-этот ток допускается до 20 ма, а в очень коротком импульсе можно допустить ток в несколько ампер.

Облучая катод тиратрона МТХ-90 световым потоком, можно возбудить в разрядном промежутке значительный ток и этим продемонстрировать явление внешнего фотоэффекта. Этот ток можно измерить школьным демонстрационным гальванометром.

Принципиальная схема для демонстрации фотоэффекта приведена на рисунке 152, где R = 5 – 10 ком. Цепь питается переменным током через автотрансформатор или потенциометр.

Следует заметить, что в данной демонстрации используется и второе свойство тиратрона МТХ-90 — свойство выпрямлять переменный ток. Это свойство объясняется тем, что, во-первых, коэффициент вторичной эмиссии активированного катода значительно выше коэффициента вторичной эмиссии неактивированного анода, во- вторых, поверхность катода на много больше поверхности анода. Так как ток при положительном анодном напряжении значительно больше тока при отрицательном анодном напряжении, то происходит процесс выпрямления переменного тока. Заметим также, что напряжение зажигания тлеющего разряда в МТХ-90 при положительном анодном напряжении на 20-50 в больше напряжения зажигания при противоположной полярности питания.

Демонстрация фотоэффекта проводится в следующем порядке. На тиратрон подаем напряжение, амплитудное значение которого близко к напряжению зажигания разряда при положительном анодном напряжении. При втором полупериоде переменного тока, соответствующем обратному подключению, разряд зажигается и вблизи центрального электрода (анода), выполняющего при этом полупериоде функции катода, наблюдается слабое свечение газа. Проводимость лампы в этом случае очень мала, и отклонения стрелки демонстрационного гальванометра едва заметны.

Затем направляем через торец колбы тиратрона на катод значительный световой поток, зажигаем разряд при положительном анодном напряжении и наблюдаем отклонение стрелки гальванометра на всю шкалу. Затемняя тиратрон, наблюдаем прекращение этого тока. Повторяя эти операции несколько раз, убеждаем учащихся в наличии явления фотоэффекта.

Демонстрация проводится в полузатемненном помещении. В качестве источника света можно использовать зажженную спичку, подносимую близко к тиратрону.

Если в цепь тиратрона включить слаботочное электромагнитное реле (например, РП-7) параллельно с конденсатором (4 мкф), то можно продемонстрировать принцип работы ионного фотореле. В этом фотореле безнакальная газоразрядная лампа одновременно выполняет функции светочувствительного элемента, усилителя, выпрямителя и светового индикатора.

Изготовление дифракционных решеток. При отсутствии готовых дифракционных решеток можно изготовить их, пользуясь простыми средствами. В качестве дифракционной решетки можно применить некоторые ткани, изготовленные из тонких нитей (шелк, капрон и т. п.). Для демонстрации опыта необходимо иметь проекционный фонарь, щелевую диафрагму и лоскут ткани. Предварительно необходимо получить резкое изображение узкой вертикальной щели на экране. Ткань укрепляется на небольшой рамке таким образом, чтобы поперечные и продольные нити ткани были по возможности прямолинейны.

Ткань помещают на пути лучей света таким образом, чтобы вертикальная щель была параллельна поперечным или продольным нитям ткани. При некотором положении рамки с тканью между источником света и экраном на экране получаются окрашенные интерференционные полосы.

Если предварительно осторожно удалить из ткани горизонтально расположенные нити, на экране получается более яркая картина.

Дифракционную решетку можно изготовить также из тонкой проволоки. Для этого на рамку размером примерно 60 X 30 мм, изготовленную из фанеры, картона или жести, наматывают проволоку диаметром 0,08—0,09 мм так, чтобы нитки проволоки лежали вплотную друг к другу. После этого необходимо оклеить рамку узкой полоской бумаги, чтобы не раздвигались нитки проволоки, и второй слой проволоки аккуратно срезать. В такой дифракционной решетке можно легко подсчитать число щелей на 1 см.

Следует помнить, что густота щелей описанных дифракционных решеток невелика, поэтому экран нужно установить на расстоянии 4—5 м от источника света, чтобы спектр оказался достаточно растянутым.

Хотя описанный решетки по своему качеству несколько уступают решеткам, изготовленным фотографическим путем (см. «Физика в школе», 1954, № 2), их преимущество состоит в простоте изготовления.

Кроме того, решетки, изготовленные из тканей и проволоки, выигрывают в наглядности: щели в них непосредственно видны, и они являются действительно щелями в самом прямом смысле, а не кусочками прозрачной среды, как это имеет место во всех других решетках.

Как сделать самодельный точечный планетарий. Основа прибора — картонный цилиндр, на поверхности которого проделаны мелкие отверстия в соответствии с расположением звезд на небе (рис. 155). В середине высоты внутри цилиндра установлена электрическая лампа с точечной нитью. Лучи от точечной лампы, проходя через отверстия на поверхности цилиндра, создают на куполе-экране изображения звезд.

Использование цилиндра вместо шара, применяемого обычно в точечном планетарии, значительно упрощает изготовление прибора, так как нанесение звезд и прокалывание соответствующих отверстий производится на плоской развертке цилиндра. Для нанесения звезд необходимо спроецировать на поверхность цилиндра сферическую координатную сетку.

Представим себе цилиндр, описанный около шара, на поверхности которого нанесена экваториальная координатная сетка. Расположим цилиндр так, чтобы полюсы мира Р и Р’ оказались в центрах его оснований. Принцип отображения координатной сетки ясен из рисунка 156, на котором изображено сечение небесной сферы и описанного около нее цилиндра плоскостью одного из кругов склонений РКР'К'. Каждый круг склонения отобразится в виде квадрата (квадрат ABCD— образ круга склонения РKР'K').

Суточные параллели проецируются отчасти на боковую поверхность цилиндра, отчасти на его основания. При этом на боковой поверхности получаются окружности, параллельные основанию, а на основаниях получаются концентрические окружности с центрами в точках Р и Р'

Например, суточной параллели звезды М соответствует окружность, проходящая через точку R, а суточной параллели звезды N — окружность, проходящая через точку S.

Для нанесения этих окружностей на развертку цилиндра нужно знать расстояния KR и SP. Как видно из рисунка, KR = r tg δ, где r — радиус цилиндра. Если же суточная параллель со склонением δ’ проектируется на основание цилиндра, то PS = r ctg δ’.

Для нанесения звезд достаточно взять суточные параллели через каждые 5°, а круги склонения через каждый час. На боковую поверхность цилиндра отобразятся суточные параллели, для которых — 45° < δ < 45°.

На развертке боковой поверхности координатная сетка получится прямоугольная, на основаниях цилиндра она будет состоять из радиусов и концентрических окружностей.

Для нанесения звезд можно воспользоваться звездными картами из «Справочника любителя астрономии» П. Г. Куликовского. На этих картах необходимо начертить координатную сетку той же густоты, что и на развертке цилиндра.

Для школьных целей достаточно ограничиться звездами до четвертой величины включительно. Нанося звезды, отмечаем их четырьмя различными условными знаками (звезды ярче первой величины, первой-второй величины, второй-третьей величины и четвертой величины). Для указанных категорий звезд рекомендуем делать отверстия иголками следующих размеров: 0,9 мм; 0,5 мм; 0,3 мм; 0,2 мм.

Следует учесть, что начерченная нами развертка представляет внутреннюю поверхность цилиндра. Цилиндр лучше всего изготовить из прессшпана. Диаметр цилиндра 216 мм. Отверстия следует прокалывать с внутренней стороны и зачищать с обратной стороны острым лезвием, затем прочищать той же иглой. На боковой поверхности по мере удаления от экватора иглу следует наклонять с таким расчетом, чтобы направление прокола примерно совпадало с направлением луча. Помимо этого, по мере удаления от экватора отверстия следует несколько увеличивать. То же самое надо делать при прокалывании отверстий в основаниях цилиндра по мере удаления от центра к краю.

В точках эклиптики, соответствующих прямому восхождению 0^Ч, 1^ч 23^ч, прокалываем отверстия диаметром примерно 4 мм.

Получаются двадцать четыре изображения Солнца. С внешней стороны эти отверстия прикрываются картонными задвижками, скользящими между двумя проволочками, продетыми в картон. Рядом с задвижкой записывается дата, соответствующая данному положению Солнца на эклиптике. Таким образом мы будем иметь возможность получать изображение Солнца не на каждый день, а через каждые 15—16 дней, что для демонстрации вполне достаточно.

На той части задвижки, которая прикрывает отверстие «Солнца», делаем черточку, состоящую из трех малых, рядом расположенных отверстий. При проецировании на куполе выделится эклиптика в виде ряда черточек, что очень важно для изучения зодиакальных созвездий.

Полезно также выделить экватор в виде черточек, расположив их через каждые 15 градусов.

Изготовив «северное» основание и боковую поверхность, склеиваем их. При склеивании краев боковой поверхности и основания к боковой поверхности некоторые «звезды» прикроются. Для предотвращения этого необходимо предусмотреть в соответствующих местах отверстия больших размеров, которые, накладываясь при склеивании на проколы «звезд», обеспечат прохождение лучей.

Изготовленный таким образом «колпак» необходимо дополнить «южным» основанием. Для этой цели изготовляется цилиндр из жести без верхнего дна высотой 3 см; диаметр цилиндра чуть меньше 216 мм, с тем чтобы «колпак» на него надевался с легким трением. В середине дна жестяного цилиндра а делается отверстие диаметром 25 мм (рис. 157). Цилиндр а припаивается к торцу короткой железной трубки b (высота 10 мм, внутренний диаметр 25 мм, внешний 35 мм). В трубку b вставляется трубка с (желательно латунная) высотой 60 мм, которая удерживается винтиком d.

Южное картонное дно приклеивается к основанию жестяного цилиндра. Ясно, что в картоне нужно будет проделать отверстие диаметром 35 мм. Таким образом, мы лишаемся возможности проецировать небольшой участок околополярной области южного неба, однако этот участок не очень велик.

Прежде чем приклеить южное картонное дно, необходимо отметить на жести положение звезд и в соответствующих местах просверлить отверстия. Последние делаются большими (3—4 мм); такие же отверстия следует просверлить и в боковой поверхности цилиндра а в соответствии с расположением звезд, попадающих на этот участок.

Далее необходимо выточить из стали валик (рис. 158), на котором будет вращаться изготовленный цилиндр для осуществления суточного вращения.

Диаметр валика должен быть подобран по внутреннему диаметру латунной трубки с с тем, чтобы последняя легко надевалась на него и легко на нем вращалась. В утолщенной части валика пропиливается вдоль диаметра прорезь шириной 10 мм. В нее вставляется сектор из 10 мм фанеры, как указано на рисунке 159.

Валик прикрепляем к фанере при помощи двух винтов, для чего в утолщенной его части просверливаем два отверстия перпендикулярно к прорези. Вдоль оси валика просверливаем сквозное отверстие диаметром примерно 3 мм, через которое пропускаем два изолированных провода. Концы проводов подводятся к двум клеммам 1 и 2, которые крепятся к фанерному сектору, как указано на рисунке 159.

Фанерный сектор будет скользить между двумя вертикальными фанерными стойками, изображенными на рисунке 160.

Обе стойки имеют одинаковую форму, отличаясь лишь тем, что в одной из них проделана прорезь в виде дуги окружности. Между стойками установлена фанерная прокладка (на рисунке 160 залита черной краской). Стойки и фанерная прокладка делаются из 10-миллиметровой фанеры. Скрепляясь вместе, они образуют паз, по которому скользит фанерный сектор, на котором есть винт 3, пропущенный в дуговую прорезь. Гайка с барашком обеспечивают прижатие фанерного сектора к стойке.

Дуговая прорезь размещается так, чтобы в крайних положениях сектора ось валика располагалась горизонтально и вертикально. Стойка крепится к горизонтальному деревянному основанию.

Описанное несложное устройство прочно удерживает сектор в любом положении. При этом можно демонстрировать вид неба для любой широты от экватора до северного полюса. Недостатком является то, что это устройство не дает возможности показывать вид неба для южных широт.

Для планетария нужна точечная лампа (лампа с малым телом накала). Для лампы изготовляется деревянный цилиндрический патрон. Лампа должна настолько заходить в патрон, чтобы ее нить оказалась на уровне верхнего основания.

Ток в лампу подается по двум стальным проводам (рис. 161). На этих же проводах патрон удерживается на двух узких металлических стойках m и n, которые привинчиваются к торцу валика. Стойка n имеет промежуток р из изоляционного материала. Один из питающих проводов присоединяется непосредственно к винту стойки m, а второй к металлическому участку t второй стойки.

При таком устройстве патрон будет устанавливаться вертикально при любом положении оси цилиндра; при этом лучи от нити лампы не будут иметь возможности проходить ниже горизонта, так что звезды будут проецироваться только на купол.

Высота стоек подбирается так, чтобы нить лампы оказалась в середине оси цилиндра. Суточное вращение осуществляется простым вращением латунной трубки от руки.

Источник тока присоединяется к клеммам прибора при помощи гибкого провода с запасом длины, обеспечивающим перемещение сектора до крайних положений.

На вертикальной фанерной стойке рядом с прорезью наклеивается градусная шкала (0°— 90°), служащая для установки оси по нужной широте.

Хорошо выделить на этой шкале цветной тушью широты полярного круга и тропика. Размеры купола определяются имеющимся в распоряжении помещением. При диаметре купола 3 — 4 м можно разместить под ним 25—40 учащихся. Горизонт купола должен находиться на высоте 130 см от пола.

Прибор устанавливается на столе так, чтобы нить лампы оказалась в центре купола. Рядом с прибором ставят лампу мощностью 25 вт, включаемую при помощи реостата.

Демонстрацию готовим так: устанавливаем наклон оси мира на желаемую широту и открываем отверстие «Солнце» в соответствии с самой близкой ко дню демонстрации датой. Демонстрируя заход «Солнца», постепенно выключаем лампу.

Необходимо также изготовить указку, при помощи которой можно было бы отбрасывать на купол изображение стрелки. Желательно, чтобы изображение стрелки было цветным, например зеленым. Указку легко изготовить по принципу проекционного фонаря, используя объектив малого фильмоскопа.