От лейденской банки до мультитач
1745 год. Питер ван Мушенбрук из Лейдена случайно получает удар током от стеклянной банки с водой — первого конденсатора. Бенджамин Франклин экспериментирует с «лейденскими банками», понимает, что заряд хранится на стеклянных стенках.
1771 год. Генри Кавендиш систематически изучает ёмкость разных тел и описывает её математически. Он измеряет слабые заряды, сравнивая ощущения от ударов током разной силы — точнее приборов того времени нет.
2007 год. Стив Джобс выходит на сцену со стеклянной пластиной и водит по ней пальцем. Всё то же самое: ёмкость, изменение поля — только с точностью до долей миллиметра и скоростью 120 раз в секунду.
Что такое электрическая ёмкость
Конденсатор — два проводника, разделённых диэлектриком. Когда к ним приложено напряжение, на одном накапливается положительный заряд, на другом — отрицательный.
C = ε₀ · ε · A / d
- C — ёмкость (Фарады)
- ε₀ — электрическая постоянная (8,85·10⁻¹² Ф/м)
- ε — диэлектрическая проницаемость среды
- A — площадь пластин
- d — расстояние между пластинами
Человеческое тело — проводник с диэлектрической проницаемостью ~80 (как у воды). Палец, поднесённый к поверхности, изменяет d и ε в точке касания. Ёмкость в этой точке меняется на доли пикофарад (10⁻¹² Ф). Сенсор это улавливает.
Два типа ёмкостных экранов
Поверхностно-ёмкостный (старые экраны): Одна проводящая плёнка. Напряжение подаётся по углам. Палец — точка утечки тока. Координата вычисляется по отношению токов из четырёх углов. Только одно касание.
Проекционно-ёмкостный (современный мультитач): Сетка из прозрачных проводников ITO (оксид индия-олова) в двух слоях. Каждое пересечение — маленький конденсатор. Контроллер сканирует все 10 000+ пересечений 120 раз в секунду. Десять пальцев одновременно — не проблема.
Опыт 1: Ёмкостный сенсор из фольги
Что понадобится: алюминиевая фольга (2 куска 10×10 см), полиэтиленовый пакет или тетрадный лист, мультиметр с режимом измерения ёмкости (есть в большинстве современных мультиметров).
Сборка:
- Положи кусок фольги на стол.
- Сверху — лист бумаги (диэлектрик).
- Сверху — второй кусок фольги.
- Подключи мультиметр к обоим кускам фольги в режиме ёмкости.
Эксперименты:
- Запиши базовую ёмкость (несколько десятков пФ).
- Положи ладонь на верхнюю фольгу — ёмкость изменится.
- Увеличь площадь фольги вдвое — ёмкость вырастет вдвое (проверь формулу C ∝ A).
- Добавь ещё один лист бумаги — ёмкость уменьшится (C ∝ 1/d).
Ты измерил ёмкость самодельного конденсатора — и проверил формулу Кавендиша.
Опыт 2: Почему резиновые перчатки «не работают» на экране
Материалы: смартфон, резиновые медицинские перчатки, влажная тряпочка.
Протокол:
- Надень резиновую перчатку — смартфон не реагирует. Почему?
- Намочи кончик перчатки — экран начинает реагировать. Почему?
- Попробуй разные материалы: ручка (не работает), монета (работает!), яблоко (работает!).
Объяснение: сенсор реагирует на изменение ёмкости, а не на давление. Нужен проводник. Резина — диэлектрик. Вода — проводник. Монета, яблоко (много воды!) — проводники.
Поэтому стилус для смартфона внутри — либо проводящая резина, либо проводящее волокно, а не просто пластик.
Опыт 3: Электроскоп — прадед сенсора
Что понадобится: стеклянная банка, кусок алюминиевой фольги, медная проволока, пробка.
Электроскоп — прибор XVIII века, который обнаруживает статический заряд. Два листочка фольги расходятся при заряде.
Сделай его — и покажи, как потрёшь расчёску об волосы, поднесёшь к банке — листочки разойдутся. Это тот же принцип: проводник реагирует на изменение электрического поля вблизи.
Первый сенсорный экран: ЦЕРН, 1973
Бент Стумпе, инженер ЦЕРН, создал первый ёмкостный сенсорный экран в 1973 году — для управления ускорителем частиц. Не для телефона, а для физики высоких энергий.
Первый коммерческий мультитач-экран — Джефферсон Хан, 2005, New York University. Apple купила технологию и представила iPhone в 2007-м.
Путь от лейденской банки (1745) до iPhone (2007): 262 года.
Вопросы для исследования
- Почему экран смартфона работает пальцем, но не работает пластиковой ручкой? Что нужно, чтобы ручка «работала»?
- Рассчитай ёмкость конденсатора из двух листов А4 (21×29,7 см), разделённых листом бумаги (d ≈ 0,1 мм, ε ≈ 3,7). Сравни с результатом измерения.
- В iPhone 6 контроллер сенсора опрашивает сетку 120 раз в секунду. Почему не 10 и не 1000?