Як створити плазму в мікрохвильовці

Майже вісім років тому, на початку існування каналу, коли в мене ще не було сивих волосин у бороді; та ще навіть до появи бороди, я у своєму відео показав, що якщо взяти виноградину, розрізати її навпіл майже до кінця, і помістити в мікрохвильовку, то можна отримати плазму.
Але наше пояснення у тому відео було неповним і незадовільним: моє і мого друга, доктора Стівена Босі.
"Ми пояснимо це у наступному епізоді Veritasium".
Відверто кажучи, насправді ніхто тоді знав, як працює цей ефект.
Дотепер.
До запису цього відео троє вчених опублікували пояснення в матеріалах Національної академії наук.
Вони вивчали цей ефект за допомогою швидкісних камер, теплових камер, електромагнітного моделювання.
Вони отримали досить переконливе пояснення, яке виходить за межі самого лише утворення плазми в мікрохвильовці.
Тому я зв'язався з цими вченими.
- Я бачив ваше відео раніше, перш ніж приєднався до "виноградного проєкту".
Правда? Чудово.
- Ось чому я був наперед зацікавлений у тому, щоб долучитися до проєкту.
Вчені показали, що вам не обов'язково брати виноград.
Гідрогелеві водні кульки навіть кращі.
Це ті маленькі полімерні кульки, які, вбираючи воду, суттєво збільшуються в об'ємі.
Щоб зрозуміти, як мікрохвилі спричиняють появу плазми, нам потрібно знати деякі речі.
Побутова мікрохвильова піч використовує електромагнітне випромінювання з частотою 2450 МГц (дві тисячі чотириста п'ятдесят мегагерців).
Це відповідає довжині хвилі приблизно 12 см (дванадцять сантиметрів) всередині мікрохвильовки.
Якщо ви коли-небудь вивчали електромагнітні хвилі, то можете припустити, що цікаві речі відбуваються, якщо об’єкт або перешкода мають розмір порядку довжини хвилі. І виноградина не відповідає цій умові, адже вона менша, ніж дванадцять сантиметрів.
Але насправді важливо те, якою є довжина хвилі всередині об'єкта, тобто виноградини.
Дванадцять сантиметрів - це у повітрі. Але показник заломлення речовини у виноградині близький до 1,3 (однієї цілої й трьох десятих).
- Так, для видимого світла цей показник малий, але для мікрохвиль показник заломлення дорівнює майже 10 (десяти).
- Це набагато вищий показник, тож мікрохвилі рухаються у винограді
у десять разів повільніше, ніж у повітрі.
Це означає, що і довжина хвилі буде меншою в десять разів.
Вона становитиме 1,2 см (одну цілу і дві десятих сантиметра), що приблизно дорівнює розміру виноградини.
Якщо взяти одну ягоду і помістити всередину мікрохвильовки, не розрізаючи її, то виявиться, що мікрохвилі фактично потрапляють у пастку всередині виноградини.
Це пов'язано з високим показником заломлення та розміром ягоди.
- Якщо у вас є кулька, діаметр якої приблизно дорівнює довжині електромагнітної хвилі всередині цієї кульки, то виявляється, що хвиля потрапляє у своєрідну "пастку", відбиваючись від межі "кулька-повітря". Тож хвиля не може вийти назовні.
Це схоже на повне внутрішнє відбивання.
- Саме так.
Цікаво. Я не думав про це таким чином.
Мікрохвилі, потрапивши всередину ягоди, входять у резонансний режим.
Ви можете уявити його як стоячі хвилі.
Електромагнітні поля коливаються всередині виноградини так, що максимальне значення поля буде фактично у центрі ягоди.
- Ягода у мікрохвильовці нагрівається не ззовні,
як можна було б очікувати у випадку поглинання мікрохвиль, а здебільшого зсередини.
Якщо ви додасте другу виноградину, то побачите, що відбувається те саме.
Мікрохвилі потрапляють у пастку і в другій виноградині.
Тож нагрівання відбувається здебільшого й у її центрі.
Але якщо ви зблизите ці дві ягоди так, щоб відстань між ними стала меншою, ніж довжина хвилі, то отримаєте накладання (інтерференцію) електромагнітних хвиль з кожної ягоди.
Якщо ж ви приведете ці дві ягоди у контакт, то електромагнітне поле матиме максимальне значення в точці контакту двох виноградин.
І тому саме там ви отримаєте найбільші коливання електромагнітного поля, і саме там через нагрівання температура буде найвищою.
Також цікаво, що не обов'язково розрізати виноград навпіл.
Дві ягоди, розміщені поруч, забезпечуватимуть цей ефект доти, доки існуватиме контакт між ними.
- Саме через це у багатьох відео дві ягоди лежать на увігнутому годинниковому склі.
В дуже сильному електромагнітному полі в місці контакту ви можете отримати іскри, електричний пробій повітря.
Електричні поля достатньо сильні, щоб іонізувати повітря і створювати ці іскри.
Біля місця контакту з'являється плазма.
Велика кількість утворених іонів може поглинати іще більше енергії мікрохвиль.
Ви можете бачити, як плазма "пульсує" на частоті 120 Гц, що вдвічі більше 60 Гц (шістдесяти герців) у мережі.
Це відображає той факт, що коливання досягають максимуму двічі за період.
То з чого складається ця плазма?
Вчені дослідили спектр випромінювання плазми з винограду, і виявили виразну лінію випромінювання калію, а також лінію випромінювання натрію.
Схоже, що ці атоми досить поширені у винограді.
І коли утворюється плазма, ці йонізовані атоми потрапляють у повітря. І ми їх можемо бачити.
Ого, це магія!
Розмір виноградин важливий, як я і припускав, тому що нічого подібного ви не бачите з багатьма іншими м'якими плодами.
Але вам не потрібно підбирати точний розмір, оскільки вода поглинає мікрохвилі.
Тож вищезгадані вчені змоделювали це явище.
Якби всередині ягоди була речовина, яка не поглинала мікрохвилі, то ви побачили б, що при певних розмірах у вас спостерігатиметься суттєве підсилення електромагнітного поля.
Це дуже точні значення розмірів, які вам потрібні для підсилення.
Але речовина, яка поглинає мікрохвилі, як-от вода, розширює піки, тож ви отримуєте менше підсилення поля, але ширший діапазон придатних розмірів.
Ось чому все працює з різними за розміром виноградинами.
Отже, як можна застосувати результати вашого дослідження?
Вочевидь, такі люди, як я, вражені цим явищем. Тому що це цікаво і видовищно.
То яка ваша думка щодо застосування цього ефекту?
- Головним обмеженням у виробництві мікрочіпів, які стають усе меншими й меншими, є літографія.
- Як виготовити ці крихітні елементи?
Це явище показує, що дві кульки з правильними розміром і показником заломлення можуть "концентрувати" електромагнітну енергію у крихітній ділянці між ними.
В нашому випадку це близько 1 мм (одного міліметра) для хвилі довжиною 12 см.
Якщо вдасться досягти такого концентрування для світла, це суттєво вдосконалить сучасні методи літографії.
- Якби ми могли використати це для літографії, щоб створювати дуже малі елементи.
- І ми могли б використовувати видиме світло для літографії.
- Ми могли б працювати з роздільною здатністю 2 нанометри.
Це допомогло б забезпечити продовження дії закону Мура...
- Так, це могло б допомогти помістити набагато більше крихітних елементів у один чіп.