CC BY
37
Рис.6. Схема демонстрационного регистрационного прибора на основе счетчика Гейгера.
В последние время появились относительно недорогие тестеры радиоактивного излучения для смартфона. На рис.7 приводится пример такого счетчика ОЬ-ТБЯ. Для работы тестера загружается и запускается приложение «Смарт Гейгер». После загрузки приложения появляется иконка программы SmartGeiger. Датчик подключается к смартфону через гнездо для наушников.
Рис.7. Тестер радиации GL-TSR. Рис.8. Радиоактивные часы ЧЧС.
Датчик рассчитан на прием, излучения, исходящего из радиоактивного вещества и показывает на экране смартфона уровень мощности излучения и сообщает звуковым сигналом.. Навыки обращения с такого рода датчиком могут пригодиться ученику за пределами школы. Дома могут быть часы, компасы, приборы со светящимися циферблатами, бусы, броши, посуда изготовленные до середины шестидесятых годов прошлого века, о радиоактивных свойствах которых никто не подозревает. Так, например, старые часы (рис.8), Челябинского завода превышают нормальный радиоактивный фон в сотни раз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Дискуссионный Научный Клуб Наука НИТУ "МИСиС" Упрочнённые наночастицами топливные таблетки
1. http://science.misis.ru.
2. Перышкин.А.В. Учебник по физике 9 класс /.А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - М.: Дрофа, - 2014. - 323 с.
3. 3 Симоненко В. Д. Технология: Учебник для учащихся 10-11 класса общеобразовательных учреждений./ В.Д.Симоненко, О.П.Очишин. - М.: Вентана-Граф, 2013. - 225 с.
4. 4 . Смирнов А.Т., Хренников Б.О. Учебник: Основы безопасности жизнедеятельности. 8 класс.. 6-е изд. М.: «Просвещение», 2012. - 224 с.
5. Счётчик ионизирующих частиц. .http://rw6ase.narod.ru
6. Хотунцев Ю. Л. Программа « Технология. Трудовое обучение 5-11классы»./ Ю. Л.Хотунцев., В. Д. Симоненко. - М.: Просвещение, 2010. - 249 с.
7. Что такое ТВС - популярно и для всех! http ://publicatom.ru/blog/atomsib/214.html
В.Н. Сёмин, С. А. Донских, Т. С. Леонова
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ УГОЛЬНОГО МИКРОФОНА НА УРОКАХ ТЕХНОЛОГИИ И ФИЗИКИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Аннотация. Микрофон как техническое устройство с переходом общества на новые технологические уклады находит все большее применение, и его значимость в жизни человека неук-
лонно возрастает. Это определяет развитие методических аспектов изучения его устройства и принципа работы в период школьного обучения.
Ключевые слова: угольный микрофон, осциллограф, демонстрационный эксперимент.
V.N. Semin, S.A. Donskih, T.S. Leonova
STUDYING THE STRUCTURE AND THE OPERATION PRINCIPLE OF CARBON MICROPHONE IN THE CLASSROOM TECHNOLOGY AND PHYSICS IN A COMPREHENSIVE
SCHOOL
Annotation. Microphone as a technical device with the transition of society to new technological ways is increasingly used and its importance in human life is steadily increasing. This determines the development of methodological aspects of the study of its structure and principle of operation during school
Key words: carbon microphone, an oscilloscope, a demonstration experiment.
История изобретения микрофона начинается с середины девятнадцатого века и приходится на период третьего технологического уклада (период расцвета паровых машин). В период следующего технологического уклада область применения значительно расширяется: проводная телефонная связь, радиосвязь и радиовещание, звукозапись. Разрабатываются новые типы микрофонов. Их классифицируют по типу приемника и виду преобразователя: угольные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электродинамические (катушечные, ленточные) и конденсаторные. В настоящее время микрофон является первым звеном любого тракта звукозаписи (студийный); звукоусиления речи (сценический, профессиональный); компонентом компьютеров; средств радиосвязи, включая сотовую связь; бытовой радиоаппаратуры. Согласно статистическим данным сегодня наиболее высокие темпы развития приходятся на телекоммуникационную промышленность, робототехнику, индустрию здравоохранения, потребительскую электронику. Для каждого из этих направлений требуются микрофоны со своим набором электроакустических параметров и функциональных возможностей. Так в 2017 году объем рынка микрофонов типа MEMS составил более млрд. долларов, а количество выпускаемых изделий - почти в три раза больше, чем в 2012 году. Еще более бурный рост спроса на микрофоны связывают с перспективами в области голосового управления техническими устройствами. В наши дни происходит глобальная революция, которая связана с решением проблем распознавания речи. Заметный прогресс в технологиях распознавания речи случился благодаря нейронным сетям. Возможности кремниевых микросхем практически исчерпаны. Наиболее перспективным направлением в компьютерной индустрии считается создание квантового компьютера. Ключевым элементом в голосовом управлении техникой играют микрофоны, таким образом, микрофоны будут все более востребованы. Уже разработан ряд принципиально новых типов микрофонов (оптический, микрофон Шварца), появились разработки микрофонов на основе микроэлектромеханических систем. Таким образом, устройство и принцип работы микрофонов неизбежно будут предметом изучения в завтрашней школе (период наступающего шестого технологического уклада). Эти факторы определяют изменения в содержании действующих учебных программ и разработку новых методик изложения соответствующих вопросов в школьных курсах технологи и физики.
Впервые школьники знакомятся с устройством микрофона в восьмом классе на уроке физики. Так в стандарт основного образования входит положение «Объяснение устройства и принципа действия физических приборов и технических объектов: амперметра, вольтметра, динамика, микрофона, электрогенератора, электродвигателя, очков, фотоаппарата» [7].
В рамках дисциплины «Технология» учащиеся знакомятся в 9-ом классе при изучении раздела «Радиоэлектроника» [6] . Более подробное изучение принципов работы и устройства происходит в старших классах средней школы. Возможно изучение в рамках элективных курсов и факультативных занятий [2.5].
Анализ школьных учебных учебников показывает, что основное внимание уделяется рассмотрению принципа работы и конструкции электродинамического катушечного микрофона. В учебнике Мякишева параграф «Микрофон» находится в разделе «Электромагнитная индукция» [3]. При этом автор достигает нескольких целей: 1-я пример практического применения закона Фарадея. 2-я - закладываются основы изложения темы «Принципы радиосвязи». При этом наряду с электродинамическим микрофоном автор рассматривает принцип работы угольного микрофона (принцип работы не имеет отношения к электромагнитной индукции). Почему из большого числа, существующих типов микрофонов авторы школьных учебников и пособий отдают предпочтение угольному? По мнению авторов настоящей статьи это связано с возможностью проведения наглядного демонстрационного эксперимента и простотой объяснения процесса преобразования звука в электрический сигнал [1]. Первые упоминания об угольном микрофоне относятся к 1856 го-
ду, когда французом Дю Монселем были опубликованы материалы проведенных им исследований, в которых было показано, что электроды из графита изменяют электрическое сопротивление в зависимости от площади соприкосновения проводников. Это свойство было использовано для разработки различных конструкций угольных микрофонов. Наиболее удачной оказалась конструкция микрофона, предложенная американским изобретателем Дэвидом Юзом. Микрофон состоял из угольного стержня с заострёнными концами, которые упирались в чашечки из графита. Стержень соединялся с подвижной мембраной. При колебаниях под действием мембраны происходило изменение площади контактов угольного стержня с чашечками, что приводило к изменению сопротивления угольного микрофона, а, следовательно, и тока в цепи. Важное изменение в конструкцию угольного микрофона внес Эдисон, заменивший стержни на угольный порошок. Вариант конструкции, получившей дальнейшее широкое применение (рис.1), был разработан Энтони Уайтом (1890).
Рис. 1. Структурная схема угольного микрофона. 1 - мембрана, 2 - подвижный электрод, 3 -
угольный порошок, 4 - изолятор, 5 - корпус, 6 - неподвижный электрод.
Возникающее механическое давление приводит к тому, что изменяется сила сжатия между зернами угольного порошка, что приводит к изменению электрического сопротивления порошка по отношению к среднему значению сопротивления всей цепи. Таким образом, ток находится в зависимости от сопротивления, которое зависит от характера изменения давления звука. Если принять, что на микрофон воздействует синусоидально меняющееся звуковое давление, то электрическое сопротивление цепи микрофона можно представить в виде
R = RH + RД - r sin .
Ток через микрофон равен
U U0
I =
R + Rn - r sin wt . n r
vД
(RH + Rд )(1 - --—) sin wt
Rh + R Д
Используя формулу разложения, получаем
Un r r2 . 2
I =-0-(1 +-Sin wt +-Sin2 wt).
(RH + R„ )K RH + R„ (RH + R„) '
Вторым слагаемым можно пренебречь. Тогда ток микрофона определяется формулой I =-Uo-(1 +-r-sin wt); I = In + In-r-sinwt),
(Rh + Rд У Rh + RR 0 (rh + RR)
где I0 - постоянный ток электропитания микрофона, когда мембрана находится в исходном положении. Постоянная составляющая этого тока I0 является током питания микрофона в состоянии покоя, а его переменная составляющая представляет собой переменный ток. Из этой формулы следует, что амплитуда переменного тока в цепи микрофона меняется так же, как изменение сопротивления угольного порошка, которое в свою очередь меняется так же, как и звуковое давление. Если в цепь микрофона включить повышающий трансформатор, то в результате изменения сопротивления угольного порошка в электрической цепи питания микрофона появится переменный ток. Это приведет к тому, что на выводах первичной обмотки трансформатора появляется переменное напряжение, которое является аналогом звукового сигнала, передаваемого мембраной. В результате на вторичной обмотке трансформатора появляется меняющееся напряжение, которое пропорционально величине звукового давления. Значение максимального напряжения, возникающего на выводах первичной обмотки, не превышает одного вольта. При повышении этого
значения происходит улучшение чувствительности, однако происходит увеличение и нелинейных искажений, что появляется в виде шороха и треска, а также возможен перегрев угольного порошка и спеканию зерен. Если напряжение уменьшить, то это приведет к снижению чувствительности, но частотная характеристика микрофона улучшится. Значения частотных характеристик промышленных угольных микрофонов находятся в пределах 300 - 3400 Гц, что находится в соответствии с диапазоном спектра речи. В настоящее время угольные микрофоны находят применение в устройствах наземных радиостанций и стационарных телефонных аппаратах. К достоинствам угольного микрофона можно отнести то, что не требуется дополнительное усиление сигнала с выхода микрофона его можно напрямую подать на наушники или динамик. Недостаток связан с низкого качества амплитудно-частотной характеристикой и небольшой полосой пропускания (качественно не воспроизводит слишком низких и слишком высоких частот), имеет высокий уровень шумов и искажений. К недостаткам относится и то, что для его работы требуется внешний источник питания. В настоящее время происходит вытеснение угольных микрофонов микрофонами других конструкций, но простота конструкции и высокая чувствительность позволяют прогнозировать наличие своей ниши в различных устройствах завтрашнего дня. Сегодня наиболее востребованы телефонные капсюли, в частности, МК-Ю, МК-16, МК-59 и др.
Представляет интерес рассмотреть этот вопрос с точки зрения методики изложения в школьном куре. Как было отмечено ранее физическая суть работы угольного микрофона состоит в том, что сопротивление угольного порошка заметно зависит от плотности порошка. Давление звука через мембрану меняет плотность угольного порошка. При подключении батарейки «Крона» сила тока составляет 30 - 90 мА. Если в цепь включить первичную обмотку повышающего трансформатора, то в случае переменной составляющей на вторичной обмотке возникает переменное напряжение, которое можно фиксировать с помощью осциллографа. Таким образом, главная цель - продемонстрировать превращение звукового сигнала в электрический, будет достигнута. Если в качестве источника звукового сигнала использовать камертон, то осциллограмма должна представлять гармонический сигнал. При замене камертона на другой меняется и частота сигнала. Интерес у школьников вызывает тот факт, что микрофоны такого типа еще встречаются в стационарных телефонных аппаратах. Для проведения демонстрации работы микрофона требуется капсюль из телефонной трубки. Учитывая широкую распространенность телефонов такого типа в прошлом (телефоны с дисковым набирателем) найти такой капсюль несложно [рис.2].
Рис.2. Внешний вид капсюля угольного микрофона.
Существуют низко-, средне- и высокоомные микрофоны. Величина сопротивления определяется диаметром зерен угольного порошка и их термической обработкой. Низкоомные (около 50 Ом) имеют ток питания до 80 мА; среднеомные (70.- 150 Ом) рассчитаны на ток питания в пределах 50 мА; высокоомные (150.-..300 Ом) имеют ток питания не превышающий 25 мА. Из этого следует, что токи в цепях разных типов угольных микрофонов будут разными и это необходимо учитывать при планировании использования их в демонстрационных экспериментах. Игнорирование этого факта может привести к выходу микрофона из строя (в случае большого тока крупинки угольного порошка будут спекаться, и микрофон перестанет качественно воспроизводить звук). Если ток в цепи микрофона будет значительно меньше номинального, то это приведет к резкому снижению чувствительности микрофона. Уменьшение чувствительности при снижении значения напряжения источника питания микрофона можно компенсировать путем повышения коэффициента усиления усилителя звуковой частоты или включением в цепь микрофона повышающего трансформатора. Это приводит к улучшению качества звучания, повышает стабильность и надежность работы. Для демонстрационных опытов может быть использована схема включения угольного микрофона с использованием трансформатора. [4]. Через первичную обмотку трансформатора выводы микрофона подключаются к батарейке 1,5 - 4,5 вольт. С выхода вторичной обмотки
сигнал подается на усилитель НЧ или осциллограф. Наиболее простая схема включения угольного микрофона приведена на рис.3.
Рис.3. Принципиальная схема включения угольного микрофона с использованием трансформатора
В этой схеме трансформатор должен быть повышающим. Средняя мощность звуковых колебаний Рзв, действующего на мембрану во время разговора находится в пределах микроватта, а средняя мощность, отдаваемая микрофоном на согласованную нагрузку, - несколько милливатт. Поэтому угольный микрофон является не только преобразователем одного вида энергии в другой, но и усилителем мощности с акустическим коэффициентом усиления до двух тысяч раз. Поэтому в цепи угольного микрофона можно получить большую мощность переменного тока звуковой частоты, чем падающая на него мощность звука. Можно продемонстрировать зависимость работы угольного микрофона от положения капсюля в пространстве. Значение сопротивления микрофона может меняться в зависимости от ориентации микрофона в пространстве. Сопротивление имеет наименьшее значение в том случае, если нормаль к плоскости мембраны микрофона направлена горизонтально. Изменение положения нормали приводит к увеличению сопротивления. Наибольшее сопротивление имеет место, когда нормаль направлена вертикально. Это объясняется тем, что при различных ориентациях в пространстве толщина слоя порошка между подвижным и неподвижным электродами меняется. В промышленно выпускаемом микрофонном капсюле МК-10 значение сопротивления может изменяться в несколько раз. Эти изменения можно использовать при демонстрации работы угольного микрофона.
Для демонстрации работы угольного микрофона собирается цепь в соответствии с рис.3. Вторичная обмотка трансформатора подключается к входу осциллографа. Рядом с микрофоном располагается камертон, по которому производится удар молоточком. Колебания пластин камертона вызывают соответствующие колебания воздуха, которые воздействуя на барабанную перепонку уха, приведут к восприятию звука. Такие же колебания будет испытывать и мембрана микрофона.
На экране осциллографа наблюдается устойчивый гармонический сигнал, соответствующий частоте камертона (рис.3).
Рис.3. Демонстрация на экране осциллографа гармонического сигнала соответствующего частоте
камертона.
Когда на мембрану звуковые колебания не воздействуют (состояние покоя), угольный порошок микрофона имеет сопротивление Я0 и в цепи микрофона проходит ток 10 (отрезок времени 0
- 11) рис.4. Началу воздействия возрастающего давления на мембрану соответствует момент времени 1! .Под действием этого давления начинается движение мембраны и подвижного электрода в направлении неподвижного электрода. Это приводит к уплотнению угольного порошка. В результате сжатия электрическое сопротивление порошка становится меньше, в соответствии с законом Ома сила тока увеличивается. К моменту времени 12 значение звукового давления на порошок достигает максимума, наибольшим будет и значение величины силы тока, соответственно сопротивление принимает наименьшее значение. С момента 12 давление начинает убывать. Это приводит к тому, что расстояние между подвижным и неподвижным электродами увеличивается, и наступает момент времени 13, когда оно максимально. Угольный порошок при этом имеет наибольшее сопротивление, а ток наименьшее значение.
Рис.4. Графики зависимости звукового давления Р, электрического сопротивления Я, силы тока I
от времени.
В соответствии с изменением тока в первичной обмотке трансформатора будет меняться напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Особый интерес представляет демонстрация преобразования звукового сигнала в электрический самодельным микрофоном. Для его изготовления используется пластинка из одностороннего фольгированного текстолита 6см х 3см. В центре удаляется продольная полоска фольги толщиной 5 мм. К изготовлению угольного порошка нужно отнестись особенно внимательно. Порошок должен представлять собой по возможности мелкие крупинки. Наиболее подходящим материалом для порошка являются стержни от батарей. Их нужно предварительно прокипятить в воде с содой. Графит нужно тщательно размолоть. Порошок можно получить путем истирания графитового стержня канцелярским ножом или наждачной бумагой. Порошок графита насыпается в округлую горизонтальную горку так, чтобы она касалась концами полосок фольги. Кучка порошка накрывается кусочком бумаги для оклеивания окон. Края бумаги приклеиваются со всех сторон к текстолитовой пластинке. Полоски фольги на текстолите выполняют роль электродов микрофона. Микрофон включается по схеме, представленной на рис.2. На рис.4 приводится осциллограмма от звукового сигнала от камертона .
Рис.4. Демонстрация сигнала самодельного микрофона.
Если микрофон поместить на динамик работающего звуковоспроизводящего устройства (плеер, сотовый телефон, работающий в режиме радиоприемника и др.), то при подключении его выходов к усилителю низкой частоты (рис.5) можно услышать звуковой сигнал от такого самодельного микрофона.
Рис.5. Схема демонстрации преобразования звуковых колебаний в электрические с помощью самодельного микрофона. Таким образом, даже при отсутствии промышленно изготовленного капсюля угольного микрофона, можно провести демонстрацию принципа работы угольного микрофона. Важным фактором является то, что учащиеся могут самостоятельно в домашних условиях изготовить такого рода модель микрофона
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике в 6 - 7 классах средней школы. Кн. для учителя.2-е изд., перераб. - М.: Просвещение, -. 1985.- 175 с.
2. Мамзелев И. А., Капелин Г.Г. Основы радиоэлектроники. Учебное пособие по факультативному курсу для учащихся 7 -8 классов. - М.: Просвещение, - 1978. - 156 с.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11. - М.: Просвещение, -2014.- 400с.
4. Пестриков В.М. Основы схемотехники и секреты электрических схем - М.: Наука и Техника, - 2001 - 430 с.
5. Сёмин В.Н., Донских С.А., Котов В.Н. Методические аспекты темы: «Принципы радиосвязи и телевидения» в школьном учебном процессе // Вестник Таганрогского института имени А.П. Чехова. - 2017.- № 2. - С. 236 - 241.
6. Симоненко В.Д. «Технология 9 класс». Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений. М: Вентана-Граф, 2006. - .272 с.
7. Стандарт основного образования по физике :Шр://е^54.ги>8Йе8МеГаиМ11е8/и8егй1е8/ 18.doc.
А.И. Сергеева, Е.Г. Петрова
ИЗУЧЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПСИХОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРЕСТУПНОСТИ
НЕСОВЕРШЕННОЛЕТНИХ
Аннотация. В статье рассматриваются особенности подросткового возраста, психологические характеристики отклоняющегося поведения. Подведены итоги проведенного исследования.
Ключевые слова: Антисоциальное поведение, акцентуации характера, подростковый возраст.
