اتصال کوتاه

.

.

در این مقاله که در سال 2003 توسط رادیوآماتوری به نام «نایل استاینر» با شناسه‌ی آماتوری K7NS نوشته شده،  مشاهدات نویسنده از تابش نور از یک یکسوساز شامل دو نوار آلومینیومی در الکترولیت جوش‌شیرین یا بوراکس تشریح شده است. این سازه مانند دو دیود است که به صورت پشت به پشت به یکدیگر وصل شده باشند که جریان بسیار کوچکی در آن برقرار می‌گردد. تابش نور در سیکل زمانی بایاس معکوس در هر یک از دیودها پدید می‌آید. مدار زیر مستقیم به شبکه برق شهری (در آمریکا 120 ولت) وصل شده است. رعایت دستورات و الزامات ایمنی در کار با ولتاژهای بالا در تکرار این تجربه ضرورت دارد. توصیه می‌کنیم به هیچ وجه این آزمایش‌ها را تکرار نکنید.

.

.

خلاصه‌ای از مقاله‌ی نایل استاینر

در روزهای آغازین رادیوآماتوری، منبع تغذیه‌ی ولتاژ مستقیم آنود لامپ فرستنده‌ها، اغلب توسط یکسوسازهای دست‌ساز خانگی تامین می‌شد. بنا به خوانده‌های من، این یکسوسازها به طور معمول شامل یک الکترود آلومینیومی و یک الکترود سربی درون یک ظرف شیشه‌ای گلدان‌مانند بودند که با محلول بوراکس پر می‌شدند. بوراکس نام تجارتی «سدیم تترابورات» است که در شستشوی رخت و لباس در رختشوی‌خانه‌ها از آن استفاده می‌شود. آلومینیوم پس از یک فرآیند آماده‌سازی با دادن مقداری جریان الکتریکی متناوب به آن از طریق یکسوساز، حکم قطب کاتود را پیدا می‌کرده است. در بیش‌تر اوقات تعداد زیادی گلدان مورد استفاده قرار می‌گرفته تا این مجموعه ولتاژ زیاد را تحمل کند. بسیاری از منابع گزارش کرده‌اند که این یکسوسازها در حین کار اصلی خود تابش ضعیفی نیز داشته‌اند.

در حین آزمایش با این دیودها دریافتم که آن‌ها عمل یکسوسازی را به خوبی انجام می‌دهند و در عین حال درخشش روی الکترودها را نیز مشاهده کردم. یکسوسازی تمام‌موج هم به سادگی با به کار گیری بیش از یک دیود اضافی در قالب مدار سنتی یکسوساز تمام موج امکان‌پذیر است.

ساخت این نوع دیود آسان است و می‌توان آن را با حل کردن بوراکس یا جوش‌شیرین در یک ظرف شیشه‌ای که تا دو‌سوم با آب پر شده باشد و سپس قرار دادن یک نوار آلومینیومی و باریکه‌ی دیگری از یک فلز دیگر، هر چه که باشد، درست کرد. پس از یک فرآیند آماده‌سازی توسط برقراری جریان متناوب بین این دو الکترود، الکترود آلومینیومی به قطب کاتود و الکترود دیگر به قطب آنود تبدیل می‌شود.

به نظر می‌رسد که استفاده از آلومینیوم برای کار به عنوان کاتود ضروری باشد، در حالی که آنود می‌تواند از هر ماده‌ی دیگری انتخاب شود که قابلیت رسانش الکتریکی داشته باشد. پهنای الکترود آلومینیومی کاتود می‌تواند در حدود یک سانتی‌متر باشد و از یک ظرف آلومینیومی یک‌بار مصرف بریده شود. آنود می‌تواند از جنس سرب، کربن گرافیت (ذغال وسط باتری‌های خشک، قوّه)، آهن و یا از جنس فولاد ضدزنگ باشد. استفاده از مس تمایل یکسوساز را به تشکیل یک جِرم ته‌نشین (لجن) نشان می‌دهد و گزینه‌ی مطلوبی نیست. من در آزمایش‌های خود دریافتم که اغلب ماده‌های سازنده‌ی آنود در یکسوساز الکترولیت رفتارهای مشابهی دارند، اما احتمال دارد که آثار درازمدتی وجود داشته باشند که سنجش یا پیش‌بینی آن‌ها در چارچوب مطالعه‌ی محدود من امکان‌پذیر نبود.

در همه‌ی آزمایش‌ها، دریافتم که نتیجه‌ی کار با الکترولیت محلول جوش‌شیرین کاملاً شبیه الکترولیت محلول بوراکس است. محلول الکترولیت را می‌توان یا با حل کردن یک قاشق سوپ‌خوری جوش‌شیرین در نیم لیتر آب، یا با مخلوط کردن آن مقدار از بوراکس در نیم لیتر آب که اشباع شود و دیگر بوراکس اضافه در آن حل نشود، تهیه نمود. این اولین دوره‌ی آزمایش‌هایم با محلولی با رسانش الکتریکی بود که انجام دادم و در آن الکترولیت تغییر رنگ نداد و کِدِر نشد. محلول به طور کامل صاف و شفاف باقی ماند.

همان طور که پیش از این اشاره کردم، یک درخشش ضعیف با یکسوساز بوراکس (و جوش‌شیرین) پیدا شد که با تاریک کردن اتاق دیده می‌شد. به نظر می‌رسد که برای ایجاد این تابش به ولتاژ نسبتاً زیادی نیاز باشد. این درخشش روی نوار آلومینیومی، در زمان حضور نیم سیکل مثبت برق (بایاس معکوس) و عبور کمینه‌ی جریان، ظاهر می‌شود. برای اطلاع کسانی که از خطرات کار با ولتاژ بالا آگاهی کامل دارند و در کار با برق متخصص و با تجربه هستند می‌گویم: با وصل کردن یک لامپ رشته‌ای 75 واتی به صورت سری با یکسوساز و اتصال این مجموعه به برق 120 ولتی متناوب، تابش گفته شده قابل مشاهده خواهد بود. در ابتدای اتصال این مجموعه به برق 120 ولت، لامپ با شدت تمام روشن می‌شود. پس از گذشت چند دقیقه، یکسوساز آماده‌ی عمل می‌شود و شدت نور چراغ رو به کاهش می‌گذارد و به نصف مقدار اولیه‌ی خود می‌رسد. در این حال، چراغ با ولتاژ مستقیم، ولتاژی که به صورت «نیم‌موج» یکسو شده است، تغذیه می شود. در این حالت است که اگر اتاق به اندازه‌ی کافی تاریک باشد، تابش گفته شده بر روی نوار آلومینیومی قابل دیدن خواهد بود.

روشن‌بودن یک چراغ 75 واتی، حتی با نصف روشنایی، تاریک‌کردن اتاق را مشکل می‌کند. من راه ساده‌تری برای مشاهده‌ی درخشش پیدا کردم: برای هر دو الکترود درون ظرف شیشه‌ای از نوار آلومینیومی استفاده کردم. این کار باعث می‌شود که همزمان دو یکسوساز داشته باشیم که پشت به پشت به یکدیگر وصل شده باشند. آنها اجازه‌ی عبور جریان بسیار اندکی را می‌دهند. این جریان بسیار کوچک از لامپ هم عبور می‌کند. اولین بار که این مدار را به برق می‌زنیم، مانند حالت قبل، چراغ ابتدا با شدت تمام روشن می‌شود و پس از گذشت چند دقیقه، با شکل‌گرفتن لایه‌ی یکسوساز روی الکترودها، نور آن به حد صفر افت می‌کند که نشانه‌ی عبور جریان ناچیزی از آن می‌باشد. در این لحظه تابش نور از الکترودها قابل مشاهده است.

اگر الکترودها سطح شاره‌ی الکترولیت را فقط «لمس» کنند، علاوه بر تابش، بعضی مواقع جرقه‌های ریزی هم در کل سطح الکترودها به چشم خواهند خورد. چنین پدیده‌ای بیش‌تر در الکترولیت با محلول جوش‌شیرین به چشم می‌خورد.

تمام آزمایش‌هایی که در بالا شرح داده شدند را شما با مسوولیت خودتان انجام می‌دهید. من به هیچ وجه توصیه نمی‌کنم که افراد ناشی و ناوارد و غیرمتخصص دست به چنین آزمایش‌های خطرناکی بزنند که ممکن است به مرگ آنان بر اثر برق‌گرفتگی منجر شود. هر چه در بالا گفته شد، مستقیم به برق شهر کُشنده و خطرناک وصل است! البته اگر از اقدامات احتیاطی اتخاذ و از عقل سلیم استفاده شود، خطر این آزمایش‌ها می‌تواند کمتر از رفتن به فروشگاه مواد پروتئینی یا داورشدن در بازی فوتبال دختران‌تان باشد! برای اجرای عاقلانه‌تر این آزمایش‌ها چند نکته را که البته کامل نیستند، یادآور می‌شوم:

1. با تمام قسمت‌های مدار به گونه‌ای رفتار کنید که گویی یک المنت حرارتی داغ هستند. فقط درصورت اطمینان کامل از قطع شدن مدار از برق (بیرون کشیدن دوشاخه از پریز برق)  و قطع کامل این ارتباط، آن را لمس کنید.
2. هرگز این آزمایش‌ها را در حالی که پابرهنه هستید، انجام ندهید.
3. همه‌ی قسمت‌های این مدار را در فاصله‌ی ایمن از اشیای فلزی قرار دهید، طوری که اجازه‌ی هیچ‌گونه اتصالی و کنتاکت بین آن‌ها وجود نداشته باشد. از میزی از جنس چوب یا فُرمیکا استفاده کنید.
4. هنگام انجام آزمایش‌ها هرگز به هیچ شیی فلزی و یا فلز زمین‌شده (ارت شده)  مانند شیر آب، سینک ظرف‌شویی، گوشی تلفن دست نزنید.
5. از انجام این آزمایش‌ها در محیط مرطوب یا نمدار اکیداً خودداری کنید.
6. هرگز اجزای این آزمایش‌ها را به تجهیزات و دستگاه‌های دیگر وصل نکنید، مگر این که واقعاً بدانید که چکار دارید می‌کنید و اطمینان داشته باشید که همه چیز به خوبی از نظر الکتریکی ایزوله و عایق‌کاری شده است.
7. هر گاه تنظیم و تغییری در جریان کارکرد مدار ضرورت پیدا کرد، آن عمل را فقط با یک دست انجام دهید و در حین انجام آن به هیچ چیز دیگر دست نزنید. خوب است که پیش از اقدام به کاری، یک دست خود را در جیب شلوار فرو برید و آن را مشت کنید.
8. هرگز مدار در حال کار را که به شبکه برق شهری وصل است، ترک نکنید و آن را بدون مراقبت نگذارید.
9. هنگام آزمایش هرگز افراد متفرقه و به ویژه کودکان اجازه‌ی ورود به محل آزمایش را ندارند.
10. در این نوع آزمایش‌ها خوب است که یک فرد بزرگ‌سال وارد به برق مراقب شما باشد.

.

مشخصه‌های فنی یکسوساز

این یکسوساز تمایل دارد مانند یک خازن عمل کند. تصویرهای زیر از روی پرده‌ی یک «منحنی‌نگار» (Curve Tracer) برداشته شده است. تصویر (الف) منحنی یکسوسازی را نشان می‌دهد که سطح بسیار کوچکی از الکترودهای آن در الکنرولیت فروبرده شده است و ظرفیت خازنی اندکی دارد. دومین تصویر منحنی نگار، تصویر (ب)، یکسوسازی را نشان می‌دهد که سطح بسیار بزرگ‌تری از الکترودهای آن در الکترولیت قرار داده شده است و ظرفیت خازنی موازی بسیار بیش‌تری را نسبت به حالت پیش از خود نشان می‌دهد.

.

.

تصویر زیر از روی پرده‌ی اسیوسکوپ برداشته شده و شکل موج یکسوسازی را نشان می‌دهد که یکسوسازی نیم‌موج را انجام داده است. ولتاژ شکست معکوس تمایل دارد تا موقعیت خود را روی نقطه‌ای اندکی پایین‌تر از مقدار قله‌ای ولتاژ اِعمال شده تنظیم کند. این موضوع را می‌توان در سمت چپ هر نیم سیکل مثبت و به شکل یک فرورفتگی کوچک در پایین شکل موج یکسوشده‌ی نیم‌موج مشاهده نمود.

.

.

لایه‌ی اکسید روی سطح الکترودهای آلومینیومی از خود ظرفیت خازنی بزرگی را موازی با یکسوساز بروز می‌دهد. این ظرفیت به چندین میکروفاراد می‌رسد! بنابراین، مقدار این ظرفیت به شدت به این که الکترود آلومینیومی چقدر در الکترولیت فروبرده شده و چه مدتی یکسوساز در حالت آماده سازی (تشکیل لایه ی اکسید) قرار داشته، بستگی دارد. من در طی آزمایش‌هایم به این نتیجه رسیدم که هر یک از این یکسوسازها می‌تواند عملاً و به سادگی به عنوان یک «خازن متغیّر» با بازه‌ی تغییرات بسیار وسیع استفاده کرد که قادر است برای کنترل فرکانس یک مدار نوسانگر در محدوده‌ای بسیار وسیع به کار گرفت.

به خاطر وجود این ظرفیت زیاد خازنی، قابل تصوّر است که سطح بهینه‌ای در ارتباط با الکترود آلومینیومی وجود داشته باشد. تصویر (ب) منحنی‌نگار در بالا یک حلقه ی ظرفیت را نشان می‌دهد که حاصل فروبردن کامل الکترود آلومینیومی در محلول است. تصویر (الف) منحنی‌نگار خطوط مستقیمی در جهت معکوس دارد زیرا نوار آلومینیومی فقط اندکی در محلول قرار داشته است.

این موضوع احتمال بسیار جالب توجه دیگری را در برابر ناظر قرار می‌دهد. یک سلول با دو الکترود آلومینیومی قابل تنظیم (یک خازن متغیّر) می‌تواند به بهترین وجه به عنوان یک افزاره‌ی موثر با راندمان بالا برای دیمر نور به کار گرفته شود – در این‌جا با تغییر ظرفیت خازنی، در حالی که در ولتاژ اِعمالی به لامپ افت ایجاد می‌شود، هیچ توان الکتریکی در سلول تلف نمی‌شود. من تلاش کردم از سلولی با دو الکترود آلومینیومی به عنوان دیمر استفاده کنم. همزمان با بیرون کشیدن هر دو الکترود از داخل الکترولیت، شاهد این بودم که شدت نور چراغ 75 واتی متناسباً و به صورت یکنواخت و پیوسته کم و کم‌تر شد. من توانستم روشنایی نور چراغ را در هر مقدار دلخواهی تنظیم کنم. تنها چالش این بود که با گذر زمان، نوارهای آلومینیومی به اکسیدشدن ادامه می‌دهند و کم‌کم بیشینه‌ی ظرفیت خازنی میان آن‌ها رو به کاهش می‌گذارد و مقدار آن به حدی پایین می‌آید که دیگر قادر به تامین جریان کافی برای تغذیه‌ی چراغ نخواهد بود.

افت ولتاژ پیشرو (فوروارد) در این یکسوساز در حدود 5 ولت به نظر می‌رسد.

ولتاژ شکست معکوس این یکسوساز تمایل به تنظیم خود در نقطه‌ای اندکی پایین‌تر از قُلّه‌ی ولتاژ اِعمالی به آن دارد. با بالارفتن ولتاژ متناوب، مقدار ابن ولتاژ شکست هم متناسباً افزایش پیدا می‌کند. در صورت پایین رفتن ولتاژ متناوب، این مقدار شکست به همان نسبت کاهش می‌پذیرد. این را می‌توان در تصویر بالا، در جایی که یک فرورفتگی به سمت پایین در قسمت چپ قوسی‌شکل منحنی در تصویر پرده‌ی منحنی‌نگار و در پایین شکل‌موج یکسوشده‌ی نیم‌موج دید.

.

مقاومت منفی

علاوه بر مطالبی که در بالا توضیح دادم، من همچنین شاهد یک پدیده‌ی بسیار قابل‌توجه «مقاومت منفی» به شکل یک حرف لاتین N هم بودم که تنها وقتی پیش می‌آمد که نوک خیلی تیز یک الکترود آلومینیومی با سطح محلول مماس شود و سطح محلول را لمس کند. منحنی حاصل در تصویر زیر مشاهده می‌شود.

.

شکل‌‌گیری یک مقاومت منفی N-شکل قوی وقتی نوک تیز یک الکترود آلومینیومی

با سطح محلول مماس شود. همزمان مقدار زیادی نویز فرکانس بالا تولید می‌گردد که

روی این اسیلوگرام در سمت راست به صورت لکه‌ی روشنی دیده می‌شود

.

در نقطه‌ی تماس یک تابش بسیار کوچک به رنگ نارنجی می‌درخشد اما تصور نمی‌کنم که این همان پدیده‌ای باشد که باعث تابش الکترودهای یکسوساز شده بود، زیرا در این حالت، تابش وقتی رخ می‌دهد که آلومینیوم به صورت منفی بایاس شود. در یکسوساز، تابش هنگام بایاس مثبت آلومینیوم تولید می‌شد.

بر روی منحنی، سطح وسیع سمت راست این مقاومت منفی نمایشگر مقدار بسیار زیادی اختلال و نویز فرکانس بالا است که در سلول تولید می‌شود. بر روی این پدیده آزمایش‌های بسیار کمی انجام دادم و تا به امروز چیزی از یک مولد صوتی (تون ژنراتور) بر اساس این وسیله نشنیده‌ام. اما صدای نویز این سلول را روی رادیویی که کنار آن قرار داشت تا حد فرکانس 30 مگاهرتز شنیدم.

.

بخش بعدی

بخش پیشین

.

.

مطالب مرتبط:

به نجوای مرموز آب گوش فرا دهیم!

.

.

.