Аннотация: Технические приложения к роману Атоммаш. Такие как получение сверхпроводника в условиях школьной лаборатории, самодельная электростанция для получения электричества из атмосферы и прочее...
Приложение 1. Как сделать высокотемпературный сверхпроводник в школьной лаборатории
По крайней мере один материал из числа ВТСП-сверхпроводников вы вполне можете изготовить под руководством учителя физики или руководителя кружка. Всем, кто заинтересуется возможностью демонстрировать самодельные сверхпроводники, было бы полезно прочитать заметки Поля Гранта, опубликованные в журнале New Scientist (1987. Vol. 115,?1571. P. 36-39). Он пишет, как лаборатория фирмы IBМ, где он работает, помогала учителям и школьникам ставить химические и физические опыты с высокотемпературными сверхпроводниками. Ниже мы полностью приводим рецепт изготовления такого сверхпроводника, который написала дочь П. Гранта, которая в 1987 году была школьницей.
Конечно, в наших школах осуществить описываемые ниже опыты сложнее. Многие компоненты и инструменты нам менее доступны.
Итак, прежде всего мы предлагаем научиться изготовлять сверхпроводник состава Y-Ва-Сu-О. В качестве исходных компонентов понадобятся оксид иттрия Y2O3, углекислый барий ВаСО3 и оксид меди СuО.
Рецепт
1. Возьмите 1,13 г оксида иттрия, 3,95 г углекислого бария, 2,39 г оксида меди.
2. Перемешайте, а затем растолките в порошок в ступке.
3. Получившуюся смесь отожгите - продержите в печи при температуре 950?C приблизительно 12 ч.
4. Охладите полученный комок и вновь растолките его в ступке.
5. Спрессуйте порошок в таблетки (может быть, впоследствии для проведения каких-либо опытов понадобятся другие формы, например кольца).
6. Снова отожгите получившиеся таблетки при той же температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода.
7. Медленно охладите таблетки - скорость понижения температуры не должна превышать 100?C/ч.
Замечания по технике безопасности
Как сам материал сверхпроводника Y-Ва-Сu-О, так и исходные компоненты не относятся к числу ядовитых веществ. Однако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Нужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке обязательно надевать марлевые повязки на рот. Вдыхать пыль углекислого бария и окcида меди вредно. Проводите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой. Это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой химической лаборатории, в том числе школьной.
Замечания к рецепту
Указанные количества исходных компонентов позволяют получить около 7 г сверхпроводника Y-Ва-Сu-О, или около 5 таблеток диаметром 1 см и толщиной 1 мм. Далее мы расскажем об опытах, которые можно провести с ними, а сейчас о некоторых трудностях, встречающихся при изготовлении.
Исходные компоненты не относятся к редким. Их наверняка можно получить в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях.
Изготовить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов, однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. (Муфельная печь). Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник так же представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. Только нам нужна керамика-металл, поэтому таблетки будут получаться другого цвета - черные.
Цвет керамического сверхпроводника - важный показатель его качества. Если он получается с прозеленью, значит, опыт был неудачен и всё надо начинать сначала (при этом можно вновь измельчить полученные таблетки). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой YBa2Cu3O7. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления. Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь можно применить насос, который служит для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода может быть минимальной, скажем, такой, чтобы кожа ощущала легкое дуновение газа.
Довольно существенно поддержание температуры отжига. Работа будет бесполезной, если температура отжига опускается ниже 900?C. Превышение рабочей температуры на 100?C приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать всё сначала. Поэтому надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает значения, далекие от истинных.
Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки - быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. Первоначально цикл отжиг - охлаждение будет занимать 20 ч. Необходимо организовать ночные дежурства.
При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие 7000 кг на таблетку диаметром около 1 см, чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса.
Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигль может реагировать со сверхпроводником, что иногда может привести к нежелательным последствиям. К тем же последствиям могут привести примеси в смеси исходных материалов. Например, 2-3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.
Что делать с изготовленными таблетками?
Конечно, можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов школьной лаборатории вряд ли удастся по значению сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Мейснера.
В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. Его можно попросить в физических институтах. Сейчас он применяется довольно широко - и в медицине, и даже в кондитерской промышленности. Личный опыт одного из авторов показывает, что жидкий азот можно транспортировать (общественным транспортом) и хранить в обычном бытовом термосе со стеклянной колбой. (Ни в коем случае не закрывать термос крышкой!) Нельзя, однако, гарантировать, что такая колба не лопнет при наливании жидкого азота.
Непосредственно для опытов удобно наливать азот в неглубокие пенопластовые кюветы (можно использовать для этого пенопластовые крышки от упаковки приборов и некоторых бытовых изделий). В жидкий азот нельзя совать пальцы, в остальном же он практически безопасен в работе.
Простейший опыт состоит в том, что неохлажденная в азоте таблетка спокойно лежит на магните, никак не реагируя на магнитное поле, а охлажденная висит над ним. Можно придумать различные варианты этого опыта, в том числе весьма впечатляющие.
Положение таблетки над одним полюсом магнита неустойчиво (рис. 41). Она как бы находится на вершине скользкой горки и довольно легко соскальзывает вбок. Из нескольких магнитов можно устроить такую конфигурацию магнитного поля, чтобы таблетка находилась как бы в "ложбинке?. Тогда таблетку можно не только подвесить, но и закрутить в воздухе. Поскольку трение о воздух мало, таблетка крутится до тех пор, пока повышающаяся температура не достигнет Tc. Тогда таблетка просто упадет на магниты.
Рис. 41. Варианты демонстрации эффекта Мейснера: а - зеленая таблетка сверхпроводника висит над постоянным магнитом. Ее положение над полюсом неустойчиво, она норовит соскользнуть вбок; б - устройство магнитной "ложбинки?. Рисунок представляет собой как бы разрез магнитного поля в одной плоскости; в - эскиз длинной "ложбинки?, вдоль которой таблетка может свободно двигаться. Если края "ложбинки? приподняты, то таблетка будет колебаться из конца в конец и мы получим маятник
Еще более эффектные опыты можно провести при более сложной конфигурации магнитного поля. Если устроить длинную "ложбинку?, то таблетка сможет двигаться вдоль нее при малейшем толчке и совершать довольно длинные путешествия по извилистой дорожке. После охлаждения в жидком азоте таблетка сохраняет сверхпроводимость на воздухе при комнатной температуре около минуты. Более длительные опыты нужно проводить в парах жидкого азота. С точки зрения удобства охлаждения левитацию проще демонстрировать "наоборот?: подвешивать кусочек магнита над лежащей в кювете с жидким азотом таблеткой сверхпроводника.
Сваричевский Михаил Александрович
Центральный процессор - дома с нуля
Если в последние лет 40 для выполнения задачи нужен микропроцессор - единственный рассматриваемый вариант это купить готовый. Ну или в крайне редких случаях "накатить" стандартное конфигурируемое FPGA ядро (например Nios II) с парой дополнительных инструкций. Многие сейчас даже не могут представить, что процессоры могут получаться каким-то другим путем :-) Это всё равно что считать что продукты беруться в магазине, а вырастить их самому - абсолютно невозможно.
С одной стороны, зачем помнить основы технологии если все производится промышленно? На мой взгляд - чтобы быть уверенным, что технология не будет утеряна, что даже если случиться ядерная война компьютеры можно будет собирать из подручных материалов (так же как и с продуктами в начале 90 - многим пришлось возвращаться к технологии 100-летней давности из-за краха инфраструктуры производства и доставки).
Оказывается есть такие люди, которые до сих пор в качестве хобби делают центральные процессоры из дискретных компонент(транзисторов, реле) и микросхем низкой степени интеграции (счетчики, регистры). Единственные применяемые микросхемы - память (оперативная и перепрограммируемая).
В этой статье я хочу рассказать кратко об архитектуре и о нескольких реально работающих процессорах, сделаных в домашних условиях.
Общие архитектурные заметки:
Большинство самодельных процессоров работают (почти как и большинство современных процессоров )- на микрокоде, считываемого из flash/SRAM-памяти - тут обычно и находится самое медленное место: за последние лет 20 прогресс в латентности работы flash памяти остался почти на месте, и для широко доступных микросхем составляет 70нс, следовательно быстрее 14 МГц на процессоре на микрокоде во флеше не разогнаться. Процессоры обычно имеют шину данных 8 или 16 бит, адресную шину 16-20-24 бита (ограничивать себя 65Кб никому не хочется, особенно с нынешними ценами на память). ALU(вычислительное ядро) делается либо однобитным (т.е. для 16-и битной операции надо 16 тактов), либо используется готовое ALU на 2-4 бита (из которых собирается 8-16-и битное ALU). Процессоры на микрокоде обычно и код и данные хранят в одной и той же памяти (архитектура Фон-Неймана). RISC-подобные процессоры без микрокода обычно работают по Гарвардской архитектуре (данные и код отдельно, зачастую программа не может ничего писать в память кода). В абсолютно всех самодельных процессорах длина всех инструкций одинакова - переменная длина инструкций создает трудности даже при разработке "промышленных" процессоров. В качестве памяти используют обычно SRAM - раньше её использовали только для кэша из-за большой цены. От обычной SDR/DDR памяти отличается крайней простотой и неприхотливостью интерфейса, не нужно следить за "обновлением" памяти (в обычной SDR/DDR памяти данные выживают всего 32-64 миллисекунды).
Маленькие хитрости
Несмотря на то, что обычно используются простые микросхемы, есть некоторые хитрости, которые раньше(30 лет назад) были не доступны: готовые ALU (не совсем простая микросхема), SRAM память(например 1Мб SRAM памяти - это около 48млн транзисторов) и использование EEPROM-памяти как ALU (например, на микросхеме памяти 65кб 8бит можно сделать сумматор или мультипликатор, а на 1Мб микросхеме можно "проводить" 16 разных 8-битных операций - FPGA использует тот же принцип для построения произвольных логических схем). Также, сейчас можно использовать намного больше памяти для хранения микрокода и самого программного кода в памяти.
А теперь несколько самых выдающихся реализаций:
BMOW - Big Mess of Wires
http://www.stevechamberlin.com/cpu/bmow1
Собран из простых микросхем. Тактовая частота - 2 МГц.
MyCPU
http://www.mycpu.eu/
Собран из простых микросхем. Тактовая частота - 8 МГц. Развитая переферия - вплоть до доступа к сети. Кстати, сам Web-сайт http://www.mycpu.eu/ обслуживается именно этим самодельным сервером. Конструкция посторяемая, собрано много экземпляров.
Harry Porter's Relay Computer
http://web.cecs.pdx.edu/~harry/Relay/index.html
Собран на 415 реле, на взгляд около 7Гц :-)
Magic-1
http://www.homebrewcpu.com/
Собран на ~200 простых микросхемах, рабочая частота до 4МГц. Порт Minux, сам сайт работает на этом самодельном сервере.
Собран на простых микросхемах, рабочая частота 1МГц. Как нетрудно понять из названия, оптимизирован для программ на языке Форт. Микрокод хранится в диодной матрице, вместо "неспортивных" микросхем флеш-памяти.
MT15
http://www.6502.org/users/dieter/
Самое вкусное на последок: 16-и битный процессор, собранный на самых простых низкочастотных биполярных транзисторах (около 3000 штук). Тактовая частота - 500КГц, из микросхем только память и генерация синхросигнала. Производство таких транзисторов на кухне вполне реально наладить уже через год после ядерной войны
Заключение
Надеюсь эта статья подтолкнет кого-то к более глубокому изучению внутренней архитектуры процессоров. Лично я в процессе изучения многочисленных архитектур поменял своё мнение о x86 - раньше мне она казалась громоздкой и страшно неэффективной (ну и конечно "инженеры - идиоты, я один в белом"), сейчас же практически все решения принятые инжеренарми Intel кажуться вполне логичными, если учитывать ограниченность количества транзисторов в начале 80-х (даже 6000 транзисторов i8080-го процессора обходились покупателям в 360-180$). А что думаете вы?
PS: Товарищи из Хабра, помогите поднять английскую версию на Reddit и Ycombinator и конечно на Хабре (а то топики-ссылки очень плохо плюсуются - все заходят по ссылке, а возвращаться лееееньььььь....)
Более подробно можно почитать тут:
http://3.14.by/ru/read/homemade-cpus
Проект "CO2 лазер из навоза и палок"
Тип лазера: низкого давления с продольным разрядом.
Режим работы: импульсно-периодический
Длина разряда: ~800 мм
Диаметр разрядной трубки: ~16 мм (трубка от люминисцентной лампы)
смесь: CO2:воздух 2:1 (CO2 из баллончика от пневмашки, воздух из атмосферы,
смешивание в автомобильной шине)
рабочее давление: ~20 мм. рт. ст.
зеркала: стеклянные вогнутые алюминированные с фокусным расстоянием 1.5 метра
(отмытые от слоя краски кусочки выпуклых автомобильных зеркал заднего вида)
выходное зеркало с отверстием диаметром 3 мм (просверлено алмазным бором)
Для герметичности дырка в зеркале закрыта полиэтиленовой пленкой.
Питание: две катушки зажигания с тиристорным драйвером, суммарное выходное
напряжение около 80 кВ.
Выходная энергия 2..3 мДж на импульс. Т.е. 1 ватт при частоте ~300 Гц.
Больше 1 ватта полиэтиленовое выходное окно не выдержит даже с обдувом.
Получилось довольно громозко и маломощно, но я думаю есть простор для
оптимизации как в сторону компактности так и в сторону умощнения.
Самое же главное, что лазер не содержит ничего дефицитного и труднодоступного.
(!)Не используется селенид-цинковая оптика
(!)Не используются специальные лазерные зеркала
(!)Не используются гелий и азот (а где дома взять очищенный азот мне до сих пор неясно)
Самый мощный постоянный магнит.
Нитрид железа - самый сильный известный магнит 10:58
(PhysOrg.com) Группа ученых Университета Штата Миннесота показала, что кристаллы Fe16N2 являются более магнитными, чем самый сильный магнитный материал, известный до этого, и его магнетизм превышает предсказанный предел магнетизма для материалов.
Магнетизм возникает при вращении электронов в материале, при этом каждый электрон, работает как крошечный магнит с его магнитным полем,ориентированным по оси вращения. В большинстве атомов электроны могут вращаться 'вверх' или 'вниз', но когда большинство из них вращается в одном направлении, материал становится магнитным. В железе, например, в четыре раза вращение в одном направлении больше, чем в другом.
В более сложном материале, согласно теории, есть подобные реке, полосы электронных облаков, образованных из отдельных атомов путем слияния. Каждая полоса содержит электроны, вращающиеся только в одном направлении, и магнетизм материала определен различием между числами каждого типа полосы. Используя теорию, ученые предсказали, что железный кобальт должен быть самым сильным магнитным материалом.
Группа физиков материалов из двух городов, штата Миннесота, во главе с Джин-Пинг Вонг (Jian-Ping Wang)нашли материал, состоящий из 16 атомов железа и двух атомов азота, который приблизительно на 18 % более магнитен, чем предсказанный предел. Данные рентгеновского анализа состава показали, что шесть атомов группируются вокруг каждого атома азота, с двумя которые расположены между двумя кластерами.более расположенный между этими двумя группами. Исследователи считают, что электроны, вращаются между этими группами так же,как они делают в обычном железе, но поскольку они ограничены в перемещении, это увеличивает магнетизм.
Вонг говорит, что предполагал это в 1972 году, обнаружив Fe16N2 был чрезвычайно магнитным, и это было поддержано исследователями Хитачи в 1990-ых, но эти полученные данные не были подтверждены более поздними исследователями. Fe16N2 метастабилен и имеет тенденцию образовыватm другие кристаллические структуры, усложняя оценки объема материала, который является фактически Fe16N2 .
В отличие от предыдущих исследований, существующее исследование использовало метод XMCD (рентгено-магнитного кругового дихроизма), чтобы измерить намагничивание. Этот метод непосредственно обнаруживает ограниченные электроны, и таким образом менее чувствителен к эффекту объема, чем более ранние методы. Вонг и команда также произвели моделирование, показывающее, как появляются ограниченные электроны.
Если магниты будут изготовлены для коммерческого использования, они могут позволить производителям компьютеров, уменьшить объем магнитной памяти и увеличить емкость памяти. О полученных данных сообщено на съезде Американского Физического Общества в этом месяце.
Файл с книжной полки Несененко Алексея OCR: Несененко Алексей июль 2003
В середине прошлого века русский академик Б. С. Якоби открыл способ изготовления изделий и снятия копий с предметов с помощью электролитического осаждения металла из водного раствору его соли. Способ был назван гальванопластикой. В наше время это выдающееся открытие широко используется в
Агатовый медальон. Торец агатовой пластины металлизирован медью, к нему припаяна ажурная оправа из медной проволоки. Затем все покрыто общим слоем гальванической меди. Окончательная отделка - серебрение.
машиностроении, авиации, космонавтике, радиоэлектронике, электротехнике и многих других областях техники.
Агатовый медальон. Торец агатовой пластины металлизирован медью, к нему припаяна ажурная оправа из медной проволоки. Затем все покрыто общим слоем гальванической меди. Окончательная отделка - серебрение.
Вместе с тем гальванопластика - доступная, увлекательная и благодарная область любительского творчества. Пользуясь ее технологией, моделист получает возможность делать сложнейшие детали своих конструкций из металла. Для этого достаточно изготовить деталь из пластилина, металлизировать ее и после удаления основы иметь эту деталь уже в металле. В художественном творчестве металлизированные предметы из пластмассы, дерева, кружев могут выступать в качестве законченных художественных произведений или составных частей изделий. Скульптуру из пластилина или гипса вы сможете перевести в металл и надолго сохранить, украсить металлической оправой или накладным орнаментом керамические и стеклянные предметы, оправить металлом камень, янтарь, дерево. Совершенно необычайные возможности открывает металлизация растений, цветков, насекомых. Трудно даже перечислить все, что можно сделать с помощью гальванопластики.
Для того, чтобы заняться этим интересным делом, надо прежде всего собрать гальваническую установку и освоить технику работы с ней. Материалы, необходимые для этого, широко доступны, процесс электролиза не сопровождается вредными выделениями, и при соблюдении элементарной осторожности работа с установкой безопасна. Здесь будет рассказано о нанесении медного покрытия как самого простого и доступного в любительских условиях. В принципе можно осаждать и другие металлы - серебро, никель, хром и т. д. Но в этом случае потребуются более дорогостоящие вещества, причем многие из них не безвредны, усложняется технология. Интересующиеся могут найти сведения на этот счет в специальной литературе.
Любительская гальваническая установка состоит из ванны с электролитом, анодной пластины, катодной штанги, источника постоянного тока на 6 - 12 вольт, амперметра и реостата.
Гальваническое осаждение металла на поверхности предмета возможно лишь тогда, когда поверхность эта или весь предмет являются проводниками электрического тока, Поэтому для изготовления моделей или форм желательно использовать металлы. Наиболее подходят для этой цели легкоплавкие металлы: свинец, олово, припои, сплав Вуда. Эти металлы мягки, легко обрабатываются слесарным инструментом, хорошо гравируются и отливаются (см. "Наука и жизнь" ? 10, 1979 г.). После наращивания гальванического слоя и
Старинные кружева, покрытые слоем металла.
отделки металл формы выплавляют из готового изделия.
Старинные кружева, покрытые слоем металла.
Однако наибольшие возможности для изготовления моделей все же представляют диэлектрические материалы. Чтобы металлизировать такие модели, нужно придать их поверхности электропроводность. Успех или неудача в конечном итоге зависят в основном от качества токопроводящего слоя. Слой этот может быть нанесен одним из трех способов. Самый распространенный способ - графитирование, он пригоден для моделей из пластилина и других материалов, допускающих растирание графита по поверхности. Следующий прием - бронзирование, способ хорош для моделей относительно сложной формы, для разных материалов, однако за счет толщины бронзового слоя несколько искажается передача мелких деталей. И, наконец, серебрение, пригодное во всех случаях, но особенно незаменимое для хрупких моделей с очень сложной формой - растений,
Варианты взаимного расположения анодных пластин и катода в электролитической ванне.
Медь осаждается не только на противостоящей аноду стороне, но и на обратной, а также на торцах металлизируемого предмета. Погружаются предметы в электролит с зазором не менее 20 мм от дна ванны и верхнего уровня жидкости. Приставшие к предмету, особенно в углублениях, пузырьки воздуха сгоняются кисточкой или встряхиванием.
Минимальное расстояние анод - катод составляет 50 мм.
насекомых и т. п.
Варианты взаимного расположения анодных пластин и катода в электролитической ванне.
Медь осаждается не только на противостоящей аноду стороне, но и на обратной, а также на торцах металлизируемого предмета. Погружаются предметы в электролит с зазором не менее 20 мм от дна ванны и верхнего уровня жидкости. Приставшие к предмету, особенно в углублениях, пузырьки воздуха сгоняются кисточкой или встряхиванием.
Минимальное расстояние анод - катод составляет 50 мм.
Выбор токопроводящего слоя зависит от материала, из которого сделан предмет, его конфигурации, фактуры поверхности и, конечно, от имеющихся в распоряжении веществ.
ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ
Прежде чем нанести токопроводящий слой, модель нужно подготовить: устранить гигроскопичность поверхности, обеспечить прочное сцепление токопроводящего слоя с основой. Дерево, кружева, гипс и все другие гигроскопичные материалы пропитываются горячей натуральной олифой или расплавленным парафином (воском). При серебрении предметов с гладкой поверхностью, а также пропитанных олифой или парафином необходим подслой, прочно держащийся на основе и хорошо удерживающий двухлористое олово (SnCl2), необходимое для создания токопроводящего слоя. Подслой может быть из нитролака, лучше матового, клея БФ, коллодия и т. п. Для предметов с тонкими деталями лак или клей надо делать более жидкими. Хороший подслой дает алюминиевая пудра (краска "под серебро"), которую замешивают на нитролаке или клее БФ-2 (красят кисточкой или окунанием). Можно нанести алюминиевую пудру и на сырую лаковую пленку. Полезно крашеную или лакированную поверхность заматировать, облив ее несколько раз 50% раствором ацетона в воде. При серебрении без подслоя поверхность предмета обезжиривается раствором любого моющего средства, бензином или ацетоном.
НАНЕСЕНИЕ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ
ГРАФИТИРОВАНИЕ. Если в вашем распоряжении нет готового порошка графита, его можно приготовить из грифелей простых мягких карандашей. Грифели нужно тщательно истолочь и просеять через вчетверо сложенный капроновый чулок. Слой начинают наносить густым опудриванием предмета графитом, который затем растирают кистью, тем более жесткой, чем прочнее поверхность, или матерчатым тампоном, слегка смоченным машинным маслом. Графитируют до получения черной блестящей пленки. Для ускорения работы можно использовать графит, растертый с клеем БФ-2 (для уменьшения вязкости его несколько разбавляют спиртом). Клей наносят на модель кистью. Но поверхность в этом случае получается более грубая и зернистая.
Графит обладает большим электрическим сопротивлением, поэтому осаждение меди начинается в месте присоединения контактного проводника, и только через некоторое время (иногда продолжительное) весь предмет оказывается покрыт слоем металла. Случается, что по разным причинам некоторые места не затягиваются медью. Тогда модель из ванны вынимают, промывают, сушат, дополнительно покрывают графитом незатянувшиеся места и снова помещают в ванну. Осаждение
Общий вид электролитической ванны из оргстекла с анодной пластиной и катодной штангой.
Емкость - 15 литров, размеры - 300 Х 200 X 300 мм, толщина стенок 8 мм.
1 - "плюс" источника тока (к реостату),
2 - "минус" источника тока,
3 - отметка уровня электролита,
4 - подвес,
5 - катодная штанга,
6 - анодная пластина.
ведут при минимальной для данной площади плотности тока.
Общий вид электролитической ванны из оргстекла с анодной пластиной и катодной штангой.
Емкость - 15 литров, размеры - 300 Х 200 X 300 мм, толщина стенок 8 мм.
1 - "плюс" источника тока (к реостату),
2 - "минус" источника тока,
3 - отметка уровня электролита,
4 - подвес,
5 - катодная штанга,
6 - анодная пластина.
БРОНЗИРОВАНИЕ. Выполняют с помощью бронзового порошка (продается в комплекте "Краска бронзовая") и двухлористо-го олова. Небольшие предметы окунают в жидкий нитролак (НЦ-222, НЦ-218) или клей БФ-2. Затем, быстро стряхнув капли лака, густо обсыпают бронзовым порошком. Излишки его удаляют. На более крупные предметы наносят кистью клей БФ-2 (здесь замена другим клеем или лаком не допускается) и по высохшей клеевой пленке кистью же наносят бронзовый порошок, смешанный с ацетоном до полужидкой консистенции. Очень важно, чтобы клеевой слой был без пропусков и пузырей, а порошок наложен ровным слоем. После просушки и последующей промывки бронзированную поверхность смачивают раствором двухлористого олова (5 г на 20 мл воды) в течение одной минуты, а затем промывают в проточной воде. Если поверхность не полностью смачивается водой, обработку оловом повторяют.
После промывки модель помещают в ванну. Электропроводность получившегося слоя хорошая, осаждение меди ведется током средней плотности. Незатянувшиеся места бронзируют снова, начиная с клея БФ.
СЕРЕБРЕНИЕ. Получить токопроводящую пленку с минимальным искажением фактуры поверхности можно способом серебрения. Серебрение - процесс "мокрый", он протекает в водном растворе азотнокислого серебра - ляписа (AgNO3). В аптеках продается "Ляписный карандаш", в составе которого содержится примерно 0,3 г AgNO3.
Мелко истолченный ляписный карандаш растворяют в воде. Подготовленный предмет предварительно помещают в раствор двухлористого олова (2,5 г на 100 мл воды). Хороший результат дает только свежеприготовленный раствор. Время обработки от 5 до 60 минут. Поверхность должна полностью смачиваться водой. После тщательной промывки в проточной воде (важная операция!) в течение 1-2 минут предмет активируется в растворе ляписа (0,6 г на 100 мл воды). После растворения ляписа в склянку приливают 3-6 мл аптечного 10% нашатырного спирта до растворения осадка и исчезновения мути. Активируют окунанием в течение 2-20 минут (по мере истощения раствора аммиачного серебра время активации увеличивается). Активированная поверхность на свету темнеет, что может служить признаком пригодности растворов и качества активации. Двухлористое олово восстанавливает ионы серебра до металла, и поверхность предмета приобретает удовлетворительную электропроводность. Активированный предмет сушат без промывки и сухим помещают в ванну. Осаждение меди ведут током средней плотности. Слой серебра чрезвычайно тонок и непрочен, поэтому требует самого осторожного обращения.
Есть и еще один способ получения серебряной токопроводящей пленки, совершенно не искажающий фактуру поверхности предмета. Обработанную двухлористым оловом поверхность смачивают (кисточкой или обливанием) раствором ляписа (1 г ляписа на 10 мл дистиллированной воды) и выставляют на прямой солнечный свет, обеспечив равномерное освещение со всех сторон. Через некоторое время поверхность потемнеет, тогда ее снова смачивают раствором и помещают на солнце и т. д. В конце концов она приобретет черный с блеском цвет и высокую электропроводность.
При таком способе серебрения можно обойтись и без двухлористого олова. Если же поверхность плохо смачивается водным раствором ляписа, вместо воды следует взять спирт или водку. Этот способ дает хороший результат, но требует времени и терпения. Хранить растворы серебра надо в темном месте.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА
Ответственной операцией является электрическое соединение токопроводящего слоя с минусом источника тока. Для соединения используется отожженный и очищенный медный провод диаметром 0,2 - 0,5 мм или шинка - полоска мягкой фольги, к которой припаян конец контактного провода. К модели шинку прикрепляют резиновыми колечками или нитками. Положение ее надо периодически менять, чтобы медь осела и под ней и чтобы шинка не приросла к медному слою. Зачищенным концом контактного провода можно обмотать предмет. Провод иногда прикрепляют к модели еще до нанесения токопроводящего слоя.
Для более быстрого осаждения первоначального слоя меди полезно увеличить количество контактных проводников: от основного проводника сделать ответвления, концы которых прикрепить в разных местах, преимущественно в углублениях, где отложение меди идет в меньшем количестве. Модели из пластилина или гипса еще при изготовлении снабжаются проволочным стержнем, который служит подвеской и основным проводником. Односторонние модели из пластилина следует делать на плоском основании из тонкого изоляционного материала. Токопроводящий слой наносится не только на модель, но и. на примыкающие к ней участки основания в виде полей шириной 10 - 15 мм. На них закрепляются основной контактный проводник (он же подвеска) и все ответвления. После наращивания слоя меди и удаления пластилина поля обрезают.
Если нужно металлизировать не весь предмет, то части его, на которых металла быть не должно, закрывают слоем парафина или воска. Эти вещества растворяют в бензине и наносят кисточкой.
РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ
Чтобы получить слой меди заданной толщины, нужно в цепи ванны установить определенный ток и знать время, в течение которого толщина меди достигнет желаемой величины. Для этого необходимо подсчитать площадь поверхности предмета. При сложной конфигурации поверхность разделяется на отдельные части, площади которых могут быть подсчитаны и суммированы.
Зная площадь поверхности, можно вычислить массу осажденной меди при заданной толщине слоя по формуле
М = (S * 0.9) * C
где М - масса меди в граммах, S - площадь в см2, C - толщина в мм.
Время, необходимое для отложения такого количества меди, и величина тока в ванне обратно зависимы: время сокращается, если увеличивать ток. Однако на практике ток нельзя увеличивать исходя только из желания ускорить процесс. Дело в том, что при повышении некоторого предела качество осадка меди ухудшается: появляются шероховатости, шишкообразные наросты, на углах и выступах образуется темный сыпучий осадок. При слишком малом токе процесс затягивается на долгое время, а в углубленных местах осадка меди может не быть вовсе. Для получения хороших результатов важно, чтобы ток имел определенную плотность, то есть величину, приходящуюся на единицу площади модели. В любительской практике плотность тока может быть от 0,5 до 1,5 ампера на кв. дециметр (А/дм2). Выбор плотности тока зависит от конфигурации модели и фактуры ее поверхности. Например, для плоских предметов, особенно если предполагается их последующая механическая обработка, можно взять верхний предел плотности. Для предметов с тонкими деталями, где важно получить гладкую поверхность, - нижний предел.
Величину тока, которую нужно установить реостатом в цепи ванны при выбранной плотности тока, определяют по формуле