Новогодняя физика

Если идея понравится вам, то обязательно посмотрите моё новогоднее видео по этой теме.

Я произвольно отобрал три новогодних атрибута и попробовал проанализировать их физику. Отбирал по принципу «что пришло в голову сразу». Ну и в сразу отобранных, казалось бы, ничем не примечательных явлениях я нашел интересную физику.

Мы рассмотрим елочные гирлянды и узнаем, почему светодиоды разноцветные и настолько яркие. Обсудим любимые многими бенгальские огни и вспомним, почему их пламя не обжигает. Поговорим про снежки и скольжение по снегу. Кто-то наверняка уже знаком с физикой этих моментов, но ведь далеко не все про это знают и наверняка им будет интересно углубить свои знания.

Все елочные гирлянды и другие световые украшения для елок состоят из светодиодов. Светодиоды соединены друг с другом последовательно или параллельно, а чаще используется смешанное соединение проводников. До появления светодиодов использовались лампы накаливания, а ещё раньше – самые обычные свечки.

Если вы сравните два источника света на елочных гирляндах – лампу и светодиод, то наверняка заметите, что светодиод намного ярче и красочнее. Цвет у него всегда сочный и праздничный. Но так было далеко не всегда.

Первые светодиоды могли только еле-еле излучать чуть заметное свечение. Как же так случилось, что из светлячка, светодиоды превратились в прожекторы? Всё просто. Наука не стоит на месте. Но прежде, чем обсуждать этот вопрос, давайте вспомним что есть светодиод.

Светодиод – это радиодеталь, которая по принципу работы ничем не отличается от обычного диода. Обычный диод -–это полупроводниковая радиодеталь. Полупроводником называется вещество, способное пропускать электрический ток при некоторых условиях.

Как вам наверное известно, обычный диод состоит из полупроводников двух типов p и n. Между ними образуется зона перехода. P – это от слова positive, n – negative. В одному веществе есть электроны, в другом есть места, куда эти электроны могут переместиться или дырки. В процессе этого перемещения и появляется возможность пропускать электрический ток, так как облако прыгающих по дыркам электронов напоминает электронный газ.

В процессе исследования было установлено, что некоторые p-n пары, например, металл-корборунд, способны излучать свет. Правда света было настолько мало, что заметить его было непросто. Явление это начало активно разрабатываться и подобрались такие пары материалов, которые способны излучать гораздо большее количество света. Так появились относительно яркие светодиоды. Но ведь сегодня промышленность щеголяет сверх яркими светодиодами. Они обычно включают в конструкцию пластинки из люминофора. В гирляндах хоть и не используют сверх яркие светодиоды, но обычные светодиоды тоже сегодня весьма ярко светят. С яркостью определились.

Так что же определяет цвет светодиода? На это влияет несколько факторов.

1. Химический состав полупроводников в светодиоде
2. Примеси, которые вносятся в p-n зону. Например, галлий делает светодиод желтым, а алюминий синим.
3. Напряжение, при котором светодиод работает. Любой светодиод при изменении напряжения может менять цвет от ярко-желтого до синего, а потом сгорит.
Есть ещё хитрый прием. В одном источнике света используют сразу три кристалла красного, зеленого и синего цветов (RGB) и их сочетание определяет цвет итогового свечения. Комбинирует же их микроконтроллер.

Принято считать, что бенгальский огонь горит холодным пламенем. Но в данном случае это утверждение не совсем корректное. Ведь мы имеем дело не с пламенем. Вообще, когда речь заходит о холодном пламене, нужно понимать, что так горят некоторые эфиры. Но никак не бенгальский огонь. Считается, что бенгальским огнем нельзя обжечься. Но вы попробуйте дотронуться до раскаленного стержня огня. Хотя, лучше этого не делать. Температура там около 1500 градусов по шкале Цельсия. Так что же это за холодные искры?

Ответим на этот вопрос. Как устроен бенгальский огонь? Это проволока, на которую нанесен состав, включающий алюминий или магний, микрочастицы железосодержащего сплава и бариевая селитра. Когда мы поджигаем огонь, загорается селитра. Она начинает активно окислять металлическое топливо (т.е. магний или алюминий). Начинается их горение. Выделяется огромное количество яркого света, который забивает свет от небольшого пламени. Параллельно с этим, из состава начинают разлетаться во все стороны железные стружки, которые вспыхивают при бешенной температуре у основания огня. Именно эти стружки и делают любимое многими пшшшш и разлетаются во все стороны с огромной интенсивностью.

Частички эти настолько мелкие, что при попадании на кожу или даже старый сухой диван, не способны передать нужное количество тепла для возникновения возгорания. Именно это и есть «холодное пламя бенгальского огня» и им действительно нельзя обжечься. А вот само основание может прожечь дырку в руке.

Вроде бы очевидный вопрос, не правда ли? А нет. Спросите любого человека, почему липнет снег. Он ответит, что он липнет, потому что мокрый! И будет прав. Но что происходит внутри того самого снежка?
Любой снежок состоит из снежинок. Это кристаллы неправильной формы. Если взять сухие снежинки и попробовать соединить друг с другом, то из-за сложной формы, между ними останется пустое пространство. Кроме того, даже если слои соединяются, сжатый воздух будет «распрыгивать» обратно.
Теперь возьмем мокрые снег. Каждая снежинка окутана жидкостью. Если соединить такие снежинки вместе, то пустое пространство между ними будет заполнено жидкостью. Значит, велика вероятность проявления ван-дер-ваальсовых сил между частицами, которые усиливаются ещё и жидкостью. Ну и так как воздуха сжатого между частицами не останется, «распрыгивать» будет нечему. Да и сами частицы зацепятся друг за друга активнее чисто механически.

Ещё важно помнить, что оказывая давление на снежок, мы вызываем незначительное увеличение температуру внутри этого снежка. Края снежинок подплавляются, а когда внешнее воздействие пропадает, снежинки опять подмерзают, образуя зацепы. Ведь температура вокруг снежка ниже, даже когда снег уже стал влажным. Привет языку на заборе (ведь там такой же процесс – слюна прорастает миллионами микро крючков за считанные секунды).

Последнее явление активно проявляет себя при катании на лыжах. При правильном режиме трения под лыжой образуется тонкий слой жидкости от подтаявшего снега. Снег под лыжами подплавляется в виду роста температуры от механического сжатия снега и трения. Именно он обеспечивает отличное жидкостное трение для лыж по снегу. Если вы пробовали кататься на лыжах, например, в -35 градусов без специальной смазки, то вы наверняка заметили, что на лыжах образуются ледяные наросты, которые очень сильно мешают ездить.

На этом всё. Всех с Новым Годом и Рождеством!