Kvant. Можно ли увидеть м. поле
Митрофанов А. Можно ли увидеть магнитное поле? //Квант. — 1996. — № 6. — С. 37-39.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Это не ложь, это закон физики.
О. Бендер
Давайте вместе проведем несложный, но очень красивый и забавный опыт. Для опыта нам потребуется только небольшой магнит, например от старой игрушки или электроизмерительного прибора, и ... цветной телевизор. Достаточно включить настроенный на какой-либо канал телевизор и поднести к его экрану магнит, и произойдет чудесное превращение: на экране вблизи магнита цвета изменятся поразительным образом. Особенно красивые картинки получаются, если исходное изображение имеет крупные по площади участки одного цвета, например как в заставке с часами-секундомером на голубом фоне, появляющейся на телеэкране перед информационной программой.
В присутствии магнита на экране во всей красе виден яркий и насыщенный разными цветами рисунок, чем-то напоминающий чередование цветов в радужных масляных разводах на мокром асфальте или картинки полярного сияния (рис. 1). Цветные полосы сгущаются вблизи контуров магнита и как бы делают видимым (визуализируют) магнитное поле. Такая мысль невольно приходит в голову, если проделывать несложные манипуляции с магнитом: вращать его, отодвигать или приближать к экрану, наблюдая при этом изменения цветов на экране. При этом «картинка» магнитного поля на экране получается более впечатляющей и выразительной, чем если бы мы захотели наблюдать поле магнита с помощью железных опилок, иголок, гвоздей (рис. 2) или же с помощью несколько менее известного индикатора магнитного поля, изготовленного на основе тонкой пленки жидкого масла со взвешенными в нем мелкими ферромагнитными частицами, находящейся на подложке и прикрытой сверху прозрачной полимерной пленкой. (Такой индикатор хорошо знаком, например, американским школьникам под названием «Magnetic viewing paper» — бумага для наблюдения магнитного поля.) К тому же экран телевизора чувствует довольно слабые магнитные поля, на которые железные опилки или масляный индикатор почти не реагируют.
Если вы захотите сфотографировать цветные изображения с экрана телевизора, возмущенные полем небольшого магнита, находящегося вблизи экрана, это сделать нетрудно. Для фотосъемки вам не нужен даже штатив. Яркость свечения обычного телевизионного экрана такова, что при фотографировании на фотопленке с чувствительностью 100 - 200 ед. при полностью открытой диафрагме требуется выдержка, приблизительно равная 1/15 или даже 1/30 секунды, т.е. такая, которая есть у многих фотоаппаратов. Более короткие выдержки ни к чему хорошему не приведут (подумайте, почему), а при более длительных выдержках снимать с руки без штатива трудно, даже если картинка на экране на глаз кажется неподвижной. Конечно, лучше использовать цветную негативную фотопленку, чтобы получить потом цветные фотографии. В наших экспериментах использовался отечественный цветной телевизор марки «Рубин-ТЦ 51» и фотоаппарат «Зенит» с зеркальным видоискателем.
Теперь приступим к объяснению опыта. Кое-кто из читателей, наверное, уже догадался, как это сделать. Действительно, все очень просто. Когда мы подносим магнит к экрану телевизора, в вакуумном объеме кинескопа вблизи экрана возникает магнитное поле. Возмущающее действие магнита — сила Лоренца — вызывает дополнительное отклонение луча, что приводит к изменению цвета в тех местах экрана, где смещение луча достаточно велико. Само отклонение электронного пучка магнитным полем — явление хорошо известное. Но каким образом в цветном телевизоре изменяется цвет экрана при его подмагничивании? Этот вопрос требует отдельного рассмотрения.
Разберем задачу, не вдаваясь подробно в технические детали. Мы обычно не задумываемся над тем, сколь замечательны свойства нашего зрения, позволяющие различать цвета во всем их многообразии, наслаждаться яркими и сочными красками окружающего мира, улавливать тончайшие световые оттенки и полутона. Волшебный мир световых ощущений — обыденное явление в жизни многих людей. И надо быть благодарным Природе, «предложившей» именно такой вариант зрения.
Но что мы понимаем под словами «цвет» и «цветовое зрение»? Световое излучение многих источников, например таких, как Солнце, лампа накаливания, освещенный лист белой бумаги или участок дневного неба, состоит из непрерывного ряда лучей с разными длинами волны. По определению, видимый свет — это та область электромагнитного излучения, на которую обычно реагируют глаза большинства людей (вопрос о цветовой слепоте людей мы здесь не рассматриваем). В длинах волн это диапазон примерно от 380 до 760 нм, т.е. от фиолетового до темно- красного. Более или менее однородную смесь лучей любого источника с помощью стеклянной призмы, дифракционной решетки или набора светофильтров можно разложить по длинам волн на узкие полосы, про которые мы говорим, что они имеют различные цвета, и которые наш глаз выделяет как красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый и их многочисленные оттенки. Результат разложения светового пучка на составляющие с разными длинами волн или разными частотами называют спектром (от латинского слова spectrum — представление, образ). Цветовое зрение возможно потому, что в сетчатке нашего глаза есть детекторы трех типов — это колбочки, способные по-разному поглощать свет с разной длиной волны. Пигменты колбочек имеют широкие полосы поглощения, но максимумы поглощения находятся в разных участках и соответствуют длинам волн 430, 530 и 560 нм. Три типа колбочек — не единственные светочувствительные рецепторы глаза. Когда света мало, темно или полумрак, колбочки не реагируют активно на видимое излучение, и в действие включается другой механизм зрения — с помощью палочек. Палочки содержат высокочувствительный к свету пигмент родопсин, ответственный за сумеречное зрение — когда мы еще видим, но уже не различаем цвета.
С помощью оптических приборов можно не только получить спектр источника излучения, но и выполнить обратную операцию — собрать воедино лучи разного цвета. Вообще, смешение разных цветов приводит к поразительным результатам, далеко не очевидным и предсказуемым, как могло бы показаться на первый взгляд.
Обратимся к известной демонстрации, которая восходит еще к опытам Ньютона и Максвелла по смешению цветов. С помощью трех проекторов осветим экран тремя частично перекрывающимися пучками света, на пути которых находятся три разных светофильтра: красный, зеленый и синий. Подобрав подходящую интенсивность каждого из любых двух пучков по отношению к третьему, получим, что в области перекрытия всех трех пучков экран выглядит белым (рис. 3). Красный и зеленый пучки, перекрываясь, дают в результате желтый цвет, а синий и зеленый — голубой. Можно сказать также, что освещение белого экрана голубым и красным пучками дает белый цвет.
Предположим теперь, что красное, зеленое и синее световые пятна находятся на экране рядом друг с другом, не перекрываясь, но имеют настолько малые угловые размеры, что не разрешаются глазом каждое по отдельности. Тогда на экране такой объект будет выглядеть как белая точка. Это происходит потому, что каждая световая точка в нашем глазу (при фокусировке хрусталиком на сетчатку) получается слегка расплывшейся и пятна различного цвета действуют на цветовые пигменты соседних колбочек. Мозг, обрабатывая информацию от чувствительных центров разных колбочек, сигнализирует нам, что мы видим белую точку. Изменив соотношение интенсивностей цветов в пучках, а также возможно изменив окружающий фон, мы можем наблюдать цветную точку любого цвета и оттенка. Подобным образом с помощью сочетания разных не смешанных красок, нанесенных отдельными точками на холст, художники-пуантилисты добивались создания любого цветового образа у зрителя, рассматривавшего картину с некоторого расстояния.
Отмеченные особенности цветового восприятия лежат и в основе действия кинескопа цветного телевизора. Экран кинескопа состоит из множества мелких одинаковых по форме люминофорных элементов в виде кругов или полосок, собранных в группы по три (рис. 4). Ячейки элементов имеют разный химический состав (соединения элементов и добавки Zn, S, Se, P и т.д.) и под действием трех электронных лучей светятся красным, зеленым и синим цветом. Эти три цвета, заданные в определенной пропорции по интенсивности, позволяют воспроизвести широкую гамму цветов и оттенков в изображении с высоким пространственным разрешением, так как люминофорные ячейки достаточно малы. Впрочем, люминофорные полоски можно увидеть непосредственно глазом, если приблизиться к освещенному экрану, или через увеличительное стекло. А еще лучше сфотографировать их в увеличенном виде (рис. 5).
Вернемся к рисунку 4. На нем кроме трехцветных люминофорных ячеек экранов с мозаичной или штриховой структурой показаны соответствующие им так называемые теневые маски — металлические тонкостенные экраны с множеством регулярно расположенных отверстий — и электронные прожекторы — по три на каждый экран кинескопа. Теневая маска устанавливается вблизи экрана на расстоянии около сантиметра от него. Во время телевизионной передачи в цветном изображении телевизионная развертка лучей выполняется общей для кинескопа магнитной отклоняющей системой, но каждый из трех лучей модулируется своим видеосигналом, соответствующим изображению в красном, зеленом или синем цвете. Взаимное расположение прожекторов, люминофорных ячеек и отверстий в теневой маске подобрано так, что ячейки люминофора какого-либо цвета остаются открытыми только для облучения электронами от своего прожектора, т.е. прожектора, луч которого модулируется видеосигналом, отвечающим за цвет в изображении, совпадающий с цветом свечения выбранного нами люминофора. Другие два прожектора засвечивают свои, соответствующие им люминофорные ячейки. В этом и состоит суть устройства и принцип действия цветного кинескопа, вернее, одной из его разновидностей — с цветоделительным элементом в виде теневой маски.
Даже такого краткого описания принципа работы кинескопа цветного телевизора вполне достаточно, чтобы разобраться, почему магнитное поле маленького внешнего магнита разрушает цветное изображение на экране телевизора, почти не изменяя геометрические очертания предметов. Действительно, если горизонтальная составляющая силы Лоренца, действующая на электроны пучков в кинескопе из-за возмущающего действия внешнего магнита, помещенного у экрана, вызывает отклонение лучей на расстояния, соизмеримые с горизонтальным периодом отверстий в маске или расстоянием между люминофорными полосками, то цветовой баланс в изображении будет нарушен и окраска предметов изменится. При развертке лучей в области магнитного поля электроны «сбиваются» со своего пути, проникают через «чужие» отверстия в теневой маске и засвечивают люминофорные ячейки другого цвета. Когда убирают магнит, цвета на экране восстанавливаются.
Внимательный читатель, особенно если он находил на свалке теневую маску от кинескопа цветного телевизора, мог бы добавить к нашему объяснению, что не только электроны сбиваются со своего пути из-за внешнего магнитного поля, но и теневая маска, сделанная из мягкой стали, притягивается к магниту, деформируется и пропускает «чужие» электроны.
Итак, в целях безопасности рекомендуем вам проводить опыты только с маленькими, пробными магнитами объемом 1 - 2 см3. В экспериментах с массивным магнитом никто не застрахован от возможности разбить экран, необратимым образом деформировать теневую маску, нарушить работу прожектора электронов и других устройств телевизора.
В заключение вспомним одну забавную историю, которую как-то раз поведал своим студентам академик П.Л. Капица.
Однажды с Дальнего Востока в командировку в Москву в Академию наук прилетел капитан второго ранга N, командир боевого корабля. Капитан прибыл с необычным грузом: он привез свое изобретение — магнит, который, по его словам, имел только один полюс, северный. И еще привез капитан письмо от адмирала, своего прямого начальника, с просьбой к ученым Академии разобраться с изобретением капитана, которое больше напоминало открытие, и дать авторитетное заключение.
Магнит выглядел просто: брусок металла массой около килограмма, покрытый свинцовым суриком, и оба полюса магнита — северные. П.Л. Капица, к которому направили капитана, сразу «раскусил» загадку: магнит был составлен из двух одинаковых намагниченных стальных половинок, аккуратно приклеенных друг к другу южными полюсами и закрашенных в один цвет. Капица спросил капитана, зачем тот проделал такую шутку. Оказалось, что капитан никогда раньше не был в Москве, хотя об этом мечтал давно, а начальство, т.е. адмирал, не отпускало со службы, даже в увольнение. Другой подходящий способ попасть в столицу капитану не пришел на ум.
А будь у адмирала цветной телевизор и номер журнала «Квант» с этой статьей, вряд ли он отправил бы капитана в командировку в Москву. Догадайтесь, каким образом телевизор мог бы помочь адмиралу разгадать загадку капитанского магнита. И заодно попробуйте ответить еще на несколько вопросов.
- Сияние радуги занимает по спектру всю видимую область. Почему же в радуге нет коричневого цвета?
- При смешивании желтой краски с синей получается краска зеленого цвета. Если же на экране смешивать лучи желтого и синего цвета от проекторов со светофильтрами, то в области пересечения лучей на белом экране получается белый цвет. Объясните, почему наблюдается такое различие в результатах, казалось бы, одного и того же опыта по смешению цветов.
- Каким образом возникает черный цвет в изображении на экране цветного телевизора? Почему он часто кажется более черным (или более темным), чем просто экран выключенного телевизора?
- Ночью в полнолуние на улице довольно светло, и видны многие предметы. Однако по цвету они сильно отличаются оттого, как выглядят днем. Подобная картина наблюдается и в опыте с цветным телевизором: если сбалансированное цветное изображение ослабить плотным нейтральным (по спектру) светофильтром, то исчезнут красные и зеленые тона и изображение станет серо-синим. Объясните это.
- Как отличить, смещаются ли электронные лучи при приближении магнита к экрану цветного телевизора или же деформируется (изгибается) теневая маска, притягиваясь к магниту?
- В правую или левую часть экрана кинескопа отклоняются электроны под влиянием магнитного поля Земли? Телевизор находится а) в Московской области, б) в Одессе, в) на экваторе, г) на юге Австралии.
- Оцените смещение электронного луча на экране кинескопа телевизора из-за влияния магнитного поля Земли. Энергия пучка 25 кэВ, длина трубки кинескопа 0,2 м.
- Изображение предметов на экране цветного телевизора под действием переменного внешнего магнитного поля легко изменяет свой цвет, но не форму, которая довольна устойчива к магнитным возмущениям. Почему?
- Можно ли, пользуясь цветным телевизором как индикатором, обнаружить магнитные материалы, находящиеся в непрозрачной упаковке?
- Как измерить отношение заряда электрона к его массе с помощью телевизора?
Ответы
- В радуге, сколь ни богаты ее световые оттенки, нет еще очень многих цветов, а не только коричневого. Это сразу бросается в глаза, когда сравниваешь цвета радуги и какой-нибудь большой набор художественных красок, цветных карандашей или мелков. Такое же заключение можно сделать, имея на руках тестовую карту цветного монитора современного компьютера, на которой представлено не менее 28 = 256 разноцветных квадратиков (к примеру, тестовые карточки типа Epson Color Reference Chart).
По мнению Д.Хьюбела, автора книги «Глаз, мозг, зрение» (М.: Мир, 1990), существует три типа цветов помимо цветов радуги. Во-первых, это пурпурные цвета, которые получаются при смешивании красного и синего цветов в разных пропорциях. Второй тип цветов получается при добавлении белого цвета к любому цвету спектра радуги или к пурпурному цвету (говорят, что такое добавление «разбавляет» цвет, делает его более бледным, менее насыщенным). Коричневый цвет относится к третьему типу цветов — ощущение коричневого цвета возникает, когда желтое или оранжевое пятно окружено более ярким цветом. Хотите это проверить? Посмотрите на любую коричневую поверхность через свернутую из черной бумаги или черного бархата трубочку. Вы увидите (вероятно, неожиданно для себя) оранжевый или желтый цвет! Поэтому коричневый цвет можно считать смесью черного (в условиях пространственного контраста) с оранжевым или желтым цветом. - Эта задача — известный парадокс, который когда-то волновал многих естествоиспытателей и который первым объяснил Г.Гельмгольц (1821 - 1894). Ответ таков. Желтая краска отражает и рассеивает сравнительно широкую область спектра, включая зеленую, но максимум кривой отражения приходится на желтую часть спектра. Аналогично, синий пигмент рассеивает и отражает синий цвет и какую-то часть зеленого. Когда желтую и синюю краски смешивают в достаточном количестве, то рассеяние и отражение белого света наблюдается только в области перекрытия спектральных кривых отражения двух пигментов, т.е. в зеленой области, а все остальное поглощается. Поэтому такая смесь красок и выглядит зеленой.
Однако желтый и синий лучи от диапроекторов при совмещении на белом экране вызывают у зрителя ощущение белого цвета (этот опыт рассматривается часто как экспериментальная иллюстрация теории цветового зрения). Цветные лучи от диапроекторов можно получать, если на пути каждого луча установить окрашенный целлофан — синий или желтый. Если же эти два целлофановых светофильтра поставить друг за другом на пути одного луча от диапроектора, то на белом экране получается зеленый цвет, как и в опыте по смешению красок. - Восприятие черного цвета в изображении сильно зависит от контраста разных участков изображения. Черный бархатный цвет на экране телевизора кажется нам более темным и насыщенным, чем экран выключенного телевизора, только потому, что при наблюдении телевизионного изображения на экране кроме черного есть светлые (окрашенные или белые) участки изображения.
- В условиях низкой освещенности цветовое зрение не работает, все предметы кажутся нам одноцветными, серо-синими.
- Экспериментатор легко справится с этой задачей. Деформация теневой маски, сделанной из мягкого магнитного материала, не зависит от ориентации полюсов магнита. А отклонение электронного луча, вызывающее изменение цвета экрана, зависит от полярности магнита. На опыте как раз это и наблюдается.
- При ответе на вопрос надо учесть, что для телевизора, расположенного на горизонтальной подставке или столе, видимое на экране отклонение луча в кинескопе определяется вертикальной составляющей магнитного поля при любой ориентации телевизора относительно направления север — юг. Остается только правильно вообразить направление линий индукции магнитного поля Земли, вспомнить про силу Лоренца и воспользоваться правилом левой руки для определения направления этой силы. Например, в Москве вертикальная составляющая магнитной индукции направлена вниз, и электронный пучок в кинескопе телевизора отклоняется в левую часть экрана.
Примечание. В северном полушарии находится южный магнитный полюс Земли! - Для оценки горизонтального смещения электронного луча на экране кинескопа будем считать, что на всей длине L трубки кинескопа электроны двигаются почти по прямой с постоянной скоростью υ0 (\(~\frac{m \upsilon^2_0}{2} = W\)), а вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли, равная B0 ≈ 0,4·10-4 Тл в окрестностях Москвы, вызывает незначительное изменение траектории электрона. Сила Лоренца, действующая на электрон, равна eυ0B0. За интервал времени \(~\tau = \frac{L}{\upsilon_0}\) электрон сместится в боковом направлении на величину
\(~\Delta = \frac{a_{\perp} \tau^2}{2} = \frac{e \upsilon_0 B_0 L^2}{2m \upsilon^2_0} = \frac{e B_0 L^2}{2\sqrt{2mW}}\) ≈ 1,5 мм,
что составляет ни много ни мало целых два периода люминофорных триад. - Цвет изображения изменяется, когда смещение луча по горизонтали (от невозмущенного положения) порядка 0,1 - 0,2 мм. Для наблюдаемого же изменения формы предметов требуются внешние возмущающие магнитные поля в десятки раз большие, при которых смещение электронного луча достигает нескольких миллиметров.
- Установка подобного типа должна включать в себя большой цветной телевизионный монитор, экран которого находится в области сравнительно однородного и сильного магнитного поля (например, в вертикальном соленоиде). Локальные изменения магнитного поля вблизи экрана монитора при внесении магнитных материалов в такой установке будут выявляться по изменению цветов на экране.
- Идея опыта состоит в следующем. Цветной телевизор устанавливают горизонтально на прочном и широком столе при ориентации оси кинескопа в направлении север — юг. Далее, не изменяя этой ориентации, включенный телевизор аккуратно поворачивают на бок на 90° сначала в одну сторону, потом в другую. Если на экране светится одноцветная заставка (например, голубая с часами, которая бывает перед информационной программой), при вращении телевизора цвет заставки изменяется. По этим изменениям и определяют отношение \(~\frac em\) (см. задачу 7).
Предупреждение!. Эксперимент надо проводить только в присутствии опытного экспериментатора. Во-первых, телевизор подключен к сети, а во-вторых, телевизор тяжелый и его можно нечаянно уронить и разбить.