Новогодняя физика (из серии Интересная физика)

Вокруг нас постоянно происходит что-то невероятное. Каждое простейшее действие, каждый вдох или выдох — всё это совокупность различных процессов. Процессы эти сложные, но кажутся порой обыденными и стандартными. Но по своей сути они обычно очень интересные и сложные. Стоит только приступить к их анализу, как голова идёт кругом.

К наступлению многими любимого праздника Нового года, наш проект «Инженерные знания» решил сделать небольшую подборку интересных физических эффектов и явлений, которые очень плотно связаны с этим торжественным днём.

Подборка входит в серию «Интересная физика», где мы описывали интересные и фантастические на первый взгляд физические эффекты.

Новый год — очень приятный и добрый праздник. Большинство из нас любят его с самого детства. Вокруг мерцают огни, появляются различные тематические украшения, гремят фейерверки. Но почему всё это происходит? Мы выбрали три обязательных атрибута новогоднего торжества — это ёлочная гирлянда, бенгальский огонь и самый обычный снежок.

Ёлочная гирлянда состоит из лампочек, соединенных последовательно или параллельно, правда сейчас они заменяются светодиодами. Светодиоды намного красивее и ярче, чем лампочки. Они умеют мерцать и менять цвета. Почему мерцает гирлянда, что такое светодиод и как он меняет цвета? Почему он настолько яркий и красочный? Это первая наша тема в этом выпуске.

Бенгальский огонь очень красиво горит, разбрасывая искры вокруг себя и, самое что удивительное, не обжигает человека и не вызывает возгорание. Почему пламя бенгальского огня холодное? Как происходит, что он разбрасывает красивейшие искры и почему ничего не воспламеняется? Можно ли это называть холодным пламенем и опасен ли бенгальский огонь? Это наша вторая тема.

Обычный снежок — это просто комок снега. Но в некоторых условиях снежок слепляется, а в некоторых нет. Понятно, что играет роль его влажность, но всё чуть сложнее. Почему же снег липнет? Почему снежок не рассыпается и почему скользят лыжи по снегу? Правда ли, что под лыжней снег подтаивает? Это наша третья тема.

Теперь обо всём этом подробнее.

Почему светодиоды имеют разные цвета

Светодиод изобретен уже довольно давно. В последние годы интерес к этому типу источника света сильно вырос. Среди декоративных изделий из светодиодов самое красивое и яркое — это елочная гирлянда. Почему же именно светодиоды кажутся наиболее красивыми из всех других источников света, и что обеспечивает их яркое свечение и красочность? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, нужно разобраться с тем, что такое светодиод вообще.

Широкое распространение светодиодов связано и с появлением в начале 1990-х годов ярких светодиодов, а затем и сверх ярких.  Ведь изначально светодиод мог похвалиться только слабым свечением, которое точно бы не подошло для создания праздничной иллюминации.

Светодиод — это, по сути дела, обычный диод ,способный излучать свет. В основе работы светодиода лежат всё те же полупроводники. Внутри него есть два полупроводника, которые имеют разный уровень проводимости. Один дырочный, другой электронный. В одном материале изначально было больше вакантных мест, т.е. дырок, в другом — электронов, способных занимать дырки. Ток через диод проходит благодаря перемещению «свободных» электронов и «дырок». Дырки, как вы наверное уже поняли — это места, где отсутствуют электроны. Постоянно происходит рекомбинация и электроны занимают дырки и наоборот. Эта «миграция» и позволяет обеспечить проводимость.

У некоторых пар материалов, например металл-карборунд , в этот самый момент фиксируется излучение фотонов.  Энергия этого излучения определяет его цвет. Правда таким светодиодом вряд ли можно было кого-то удивить и красивым его не назвать. Так почему же современные светодиоды настолько красивые и яркие?

Современный светодиод использует всю ту же логику. Правда работы над поиском удачных p-n пар привела к возможности управлять яркостью и цветом светодиода, благодаря правильному сочетанию. Появились и люминофоры. Люминофор — это вещество, способное ярко светиться в условиях появления даже незначительного источника света. Светодиод накрывается слоем люминофора, что во много раз увеличивает его яркость.

Цвет свечения светодиода напрямую зависит от присадок в полупроводнике и состава самого полупроводника. Если в составе есть примеси алюминия, гелия, индия, фосфора, то свечение получится в диапазоне от красного до желтого цвета. Если использовался индий или галлий светодиод светит в диапазоне от голубого до зеленного цвета. При добавке люминофора в кристалл голубого свечения, светодиод будет светиться белым светом.  

Можно, конечно же, убирать светодиод в цветную колбу, как это делалось с лампочками накала в гирлянде. Но такой подход не даст особой красоты и яркости. Поэтому, на наиболее передовых моделях используют более современные технологии.

Цветом светодиода можно управлять и изменяя напряжение на нем. Даже обыкновенный светодиод изменит цвет по мере увеличения напряжения в сети. Сначала это будет желтый, а затем зеленый. Потом светодиод перегорит. Собственно говоря, именно этот принцип используется при разработке контролеров управления гирляндами и т.п. световыми устройствами. Изменяя параметр можно получить другой цвет.

Есть и более сложный способ управления цветом светильника. В источнике света устанавливают сразу три светодиода красного, зеленого и голубого цветов. Получаем гамму RGB. Варьируя их сочетания можно получать любые цвета света. Значит и управлять такой схемой с помощью контроллера очень просто и можно добиться плавного и очень красивого перехода.  Ну а имея возможность управлять свечением с помощью электроники можно создать любую композицию.

Почему бенгальские огни не обжигают и что такое холодное пламя

Все на новый год любят по зажигать бенгальские огни. Это очень старая забава. Принято считать, что они горят холодным пламенем. Правильно использовать в этом случае понятие холодное пламя? Совсем нет, бенгальский огонь никак не связан с этим термином.

Холодным пламенем называют цепную реакцию окисления, при которой наблюдается свечение. Его используют для создания эффектов и фейерверков. Давать холодное пламя способен целый ряд эфиров и кислот, как органических, так и неорганических. Чаще всего применяется этиловая производная борной кислоты. Часто под холодным огнем подразумевают и визуальную «обманку», в которой процесс горения как таковой отсутствует. 

В бенгальских же огнях происходит именно что процесс горения. Все бенгальские огни имеют в своем составе топливо, окислитель, металлический порошок (для создания ярких искр), горючий клей и стержень, на который всё это нанесено.

В качестве горючего используется порошок алюминия или магния, как окислитель используется нитрат бария, а для образования искр используется оксидированные железные опилки (чаще всего чугун). 

Интересной особенностью бенгальской свечи является спиновый режим горения. Горение происходит по спирали вокруг оси свечи. Процесс возникает из-за более высокой теплопроводности проволоки, на который нанесен состав, чем у горючего материала.

Теперь самое интересное. Как же получается такой супер эффект и почему никто не обжигается? Обжечься, на самом деле можно.

Мы поджигаем бенгальский огонь. Загорается окислитель или бариевая селитра. Выделяется кислород, который окисляет металлическое топливо и стружки в составе. Топливо горит. В процессе горения из композита высвобождаются вспыхнувшие чугунные стружки, которые уже отклеились от стержня и летят в произвольном направлении.

Кстати говоря, эффект напоминает эффект точения ножа на наждаке. Ведь при заточке часто тоже отлетают мельчайшие частички, которые моментально вспыхивают или уже являются горящими. В итоге, сами искры не горячие. Но зато основание бенгальского огня может иметь температуру около 1500 градусов по шале Цельсия. Ведь там горит сразу несколько металлов — алюминий или магний, и стружка. Яркое свечение возможно благодаря сгоранию металлического топлива и ярко-вспыхивающей металлической пыли.

Для того же, чтобы погасить горящие опилки, достаточно лишь немного их остудить. Ведь они имеют микро и даже нано размеры. Масса их настолько мала, что её не хватает, чтобы прогреть что-то на сколько-нибудь заметную глубину. Именно поэтому бенгальский огонь не обжигает.

Значит, хоть бенгальский огонь и выглядит безопасным, но обжечься об него всё-таки можно. Никакого холодного огня, по своей сути, там нет. Суть процесса тут в том, что происходит окисление практически без заметного пламени в присутствии натриевой селитры. Те яркие искры, которые мы называем холодным пламенем бенгальского огня, на самом деле представляют собой горящие микро-опилки железосодержащего сплава, которые в виду низкой теплоемкости неспособны что-то поджечь. Ну а видимых языков пламени в данном случае практически нет. Те же,что видны, затмеваются яркими стружками.

Кстати говоря, бенгальский огонь будет гореть и под водой. Ведь загоревшаяся селитра прекрасно снабжает кислородом весь состав. Правда чтобы увидеть это, огонь надо поджечь еще над водой, а сам стержень обмотать скотчем. В противном случае кислород растворится в воде, а не окислит металлические части.

Почему липнет снег и как получается снежок

Наверняка все видели, как в рекламах обязательным атрибутом зимних праздников является игра в снежки или лепка снеговика. Это дело действительно очень приятное! Но почему снег липнет при одной температуре и не липнет при другой? Как вообще получаются такие прекрасные агломераты, как деталь снежной бабы или снежок?

Очевидно, что снег состоит из снежинок. Снежинки образуют крупные агломераты. Снежные кучи или снежки — это агломераты.

При низких температурах снежинки не связаны друг с другом. Именно поэтому, когда на улице холодно снег вокруг нас достаточно рыхлый.

При нулевой температуре снег начинает таять, превращаться в воду. Это может происходить и при отрицательной температуре при воздействии солнца.

Каждая снежинка «оборачивается» слоем жидкости. Значит, плотность нашего снежного агломерата становится выше. Все «зазоры» между отдельными снежинками заполняются водой.

Контакт с другими телами у такого снега становятся более тесными и плотными, а воздушных прослоек почти не остается. Всё пространство заполнено водой. Значит, если мы прижимаем две такие частички друг к другу, они притягиваются, а обратного действия нет. Будь между ними воздух, он бы амортизировал нажатие и «распрыгивал» обратно. Воздуха же тут нет, есть вода. Значит внешнее воздействие ничем не компенсируется. Также тут работают ван-дер-ваальсовые силы, вызывающие притяжение между молекулами, а в жидкости они действуют сильнее. 

Частицы воды в снеге после соприкосновения друг с другом могут рекристаллизовываться обратно в льдинки, которые активно цепляются за поверхность как крючки или гарпун. Именно так язык на морозе прилипает к металлу. Когда мы сдавливаем снежок, температура в нем незначительно повышается и слои вокруг частиц подтаивают из-за воздействия механического давления. Перестав оказывать давление, температура между частицами падает и получаются те самые сцепки.

Кстати говоря, именно возникновение подтаивания снега при воздействии давления, позволяет нам кататься на лыжах. Лыжина подтапливает под своей поверхностью снег и мы можем скользить по жидко-снежной каше. Скольжение обусловлено именно наличием жидкой прослойки. Сам же снег скользит не особенно хорошо. Это легко заметить при сильных морозах, когда лыжи буквально примерзают к снежной покрову, а не прокладывают лыжню.