Как устроены вещи: микроволновка, оптоволокно, ЖК-дисплей и лазер

В основе любой технологии лежит наука. Мы решили выяснить, как физика и химия делают жизнь проще и удобнее. В итоге разобрались, как работают технологии, которые люди используют в повседневной жизни.

Оптоволокно: свет быстрее электричества

Оптоволокно — это тонкий стеклянный или пластиковый провод толщиной с нить, по которому можно передавать информацию со скоростью света.

Принцип работы основан на явлении полного внутреннего отражения: свет входит в волокно под определённым углом и, отражаясь от стенок, не выходит наружу. Так же ведёт себя луч света, направленный под углом на границу между водой и воздухом: если угол достаточно большой, то луч не выйдет в другую среду, а отразится в воду. Это и есть полное внутреннее отражение.

В оптоволокне свет распространяется по сердцевине, многократно отражаясь от её стенок. Благодаря этому он может без значительных потерь пройти огромное расстояние — до нескольких десятков километров.

Алгоритм передачи данных такой: на одном конце волокна лазер или светодиод мигает, создавая последовательность нулей и единиц — двоичный код. На другом конце фотодетектор считывает эти импульсы и преобразует их обратно в электрический сигнал.

Оптоволокно обладает огромной пропускной способностью. А ещё оно не подвержено электромагнитным помехам — это обеспечивает более стабильную и надёжную связь. Поэтому оптоволоконные кабели используются для передачи данных на большие расстояния.

ЖК-дисплей действительно жидкий? Да!

ЖК-дисплей (LCD, Liquid Crystal Display) — это технология, которую мы видим в телефонах, телевизорах и компьютерах. Она позволяет создавать яркое и чёткое изображение. В основе работы ЖК-дисплея — жидкие кристаллы, которые меняют свои оптические свойства под воздействием электрического поля.

ЖК-дисплей состоит из множества маленьких ячеек — пикселей. Каждый пиксель содержит кристаллы, которые могут изменять свою ориентацию под воздействием электрического поля. Слой жидких кристаллов находится между двумя стеклянными пластинами. Сами кристаллы не светятся — за ними расположена подсветка.

На каждой пластине, ограничивающей слой жидких кристаллов, находятся поляризационные фильтры. Свет от источника подсветки — обычно светодиодов — проходит через фильтры, которые пропускают только свет с определённой поляризацией. Затем он попадает на слой жидких кристаллов. Когда на кристалл через тонкоплёночные транзисторы (TFT) воздействует напряжение, он меняет свою ориентацию и либо пропускает свет, либо блокирует его. Если на кристаллы не подано напряжение, они поворачивают плоскость поляризации света на определённый угол и свет проходит через второй поляризационный фильтр.

Изменяя напряжение, подаваемое на каждый пиксель, можно контролировать количество света, проходящего через него. Таким образом можно создавать различные оттенки серого (в монохромных дисплеях) или цвета. На цветных дисплеях каждый пиксель на экране состоит из трёх субпикселей: красного, зелёного и синего. Управляя яркостью каждого субпикселя, можно получить любой цвет. Тысячи таких пикселей создают изображение, которое мы видим на экране.

Грубо говоря, жидкие кристаллы — это вентили. Не зря они жидкие...

Лазер: сфокусированный свет

Лазер — это устройство, которое генерирует узкий, сфокусированный и когерентный пучок света. Когерентный свет — это когда все волны имеют одинаковую частоту, фазу и направление. А ещё LASER — это аббревиатура, она расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, усиление света посредством вынужденного излучения.

Внутри лазера находится активная среда: газ, жидкость или твёрдое тело, где поддерживается большая концентрация возбуждённых атомов. Под воздействием внешнего источника энергии, например электрического разряда или другого лазера, атомы в этой среде намеренно переводят в состояние с более высокой энергией — поэтому их и называют возбуждёнными. Когда один из атомов спонтанно излучает фотон, это вызывает цепную реакцию вынужденного излучения, в результате которой генерируется мощный поток когерентного света.

Зеркала на концах лазера отражают фотоны обратно в активную среду, ещё усиливая вынужденное излучение. Одно из зеркал полупрозрачное, через него выпускается сфокусированный пучок лазерного света. Важно, что фотоны будут абсолютно идентичны: одинаковая длина волны, фаза и направление движения. Этот процесс называется усилением света.

Лазеры используют во многих областях: от медицины и промышленности до телекоммуникаций и развлечений. Например, лазерные указки, лазерные сканеры в супермаркетах, лазерные принтеры — всё это примеры применения лазерной технологии.

Микроволновка: разогревает еду со скоростью света

Микроволновка быстро разогревает еду благодаря электромагнитным волнам. Внутри неё находится специальное устройство — магнетрон. Он генерирует микроволны определённой частоты, обычно 2,45 ГГц. Они такие же, как световые или радиоволны, только с другой длиной.

Электромагнитные волны воздействуют на молекулы воды, которые содержатся практически в любой еде. Молекулы воды — это диполи, то есть они имеют положительный и отрицательный полюса. Под воздействием электромагнитного поля микроволн эти молекулы начинают вращаться. Такое вращение создаёт трение между молекулами, что приводит к нагреву. Так энергия микроволн превращается в тепло — и еда разогревается изнутри. Именно поэтому блюда греются быстрее, чем в духовке, где тепло распространяется от поверхности.

Металлический корпус микроволновки не пропускает микроволны наружу. А чтобы было видно, что происходит внутри, в дверце есть металлическая сетка с небольшими отверстиями. Отверстия достаточно маленькие, чтобы микроволны не могли через них пройти, и достаточно большие, чтобы через них проходили световые волны.

Интересно, что микроволны воздействуют в основном на воду, жиры и сахар. Поэтому, например, тарелка, не нагревается так сильно, как сама еда. А металл, наоборот, отражает эти волны, поэтому металлические предметы греть в микроволновке нельзя.