Если вы ткнёте пальцем в простой кусок стекла, то максимум на что вы можете надеяться, это оставить отпечаток на поверхности. Но если на другой стороне стекла присутствует электрическое поле, то можно ожидать довольно сильных изменений электрических зарядов в стекле, вашем пальце и самом электрическом поле. А уж если на другой стороне стекла целая сеть небольших электрических полей, которые постоянно формируются и исчезают, то такое “стекло” может не только сказать вам когда вы его касаетесь, оно может точно показать вам где именно вы это делаете.
Путешествие к центру земли, то есть смартфона.
Поверх батареи, микросхем и LCD экрана, находится часть экрана отвечающая за сенсорное определение касания. Она состоит из двух пластин стекла и кучи проводов, который на столько тонки, что сквозь них можно видеть. Касаетесь вы именно первой пластины стекла в этом слое, именно она защищает устройство, и не позволяет вашему пальцу лезть туда куда ему не следует, на следующий слой стекла, где происходит все самое интересное. Вторая пластина стекла имеет тончайшие провода, которые параллельны друг другу и проходят вдоль по поверхности этого слоя стекла на одной стороне, и поперек по другой, образуя таким образом сетку.
Провода на одной стороне этого слоя стекла, подключены к положительной клемме батареи. На другой стороне все на оборот, там провода подключены к отрицательной клемме батареи. В одни момент времени, может быть только одна пара проводов подключенная к батареи. Один провод на одной стороне стекла, и второй, перпендикулярный ему, на второй стороне стекла. Включение и выключение этой пары происходит очень и очень быстро, и каждая возможная пара проводов получает заряд множество раз каждую секунду.
В каждой из этих пар, один провод будет иметь более отрицательный заряд (тот что подключен к отрицательной клемме). Эта разница в зарядах, создает электрическое поле между двумя проводами, наивысшая мощность которого находится именно на пересечении этих проводов.
Эти электрические поля очень малы, но всё равно могут воздействовать на находящиеся поблизости заряды, такие как электроны в слое стекла.
Стекло является изолятором, его электроны плотно удерживаются атомами, так что они не могут свободно течь как электрический ток. Но электрическое поле между проводами, притягивает электроны стекла немного ближе к положительно заряженному проводу. Никакого потока как бы нет, но такое притягивание отталкивает электроны к положительно заряженном проводе, и привлекает больше электронов к отрицательному проводу из батареи. И как итог, положительный провод становится еще более положительным, а отрицательный более отрицательным, чего бы не было без присутствия в этой схеме стекла. Все это означает, что электрическое поле становится еще более мощным.
Такие устройства, которые могут хранить заряд в проводниках разделенных изолятором, называются конденсаторами. Первые из таких конденсаторов появились еще в 18 столетии, но природа обогнала их на пару миллиардов лет. Например молния которая создается грозовыми тучами и землей которая выступает в качестве огромного конденсатора, или клетки вашего тела которые контролируют то что попадает и выходит из них путём сохранение электрического поля вокруг их изоляционной мембраны.
Если такой безнадежный, с точки зрения проводимости, материал как стекло может увеличить мощность электрического поля на пересечении проводов, то представьте что может сделать ваш полный солёной воды палец. При этом вашему пальцу совсем не надо находиться между проводами, электрическое поле вокруг пересекающихся проводов может “вылазить” из верхнего слоя стекла, прямо из вашего телефона. Так что когда вы касаетесь экрана вашего смартфона, вы засовываете свой палец прямо в электрическое поле.
Кровь и клетки в вашем пальце полный воды с целой кучей заряженных атомов растворенных в ней, это положительные ионы натрия и калия, и отрицательные хлорида. Когда ваш палец попадает в электрическое поле, оно принимается за работу по организации этих зарядов, засасывая отрицательные ионы в позитивно заряженный провод и отталкивая позитивные ионы, само поле при этом становится более мощным.
Черная рамка вокруг всех сенсорных экранов содержит кучу датчиков, которые постоянно измеряют заряд на пересечении каждой пары проводов. Как только подача питания к паре проводов прекращается, электрическое поле пропадает, и ничто не сдерживает электроны собранные полем на месте. Они перетекают из негативно заряженного провода в другую схему, создавая небольшой поток в ней. Скрытые датчики измеряют как долго этот поток существует. Чем больше заряда накоплено в пересекающихся проводах, тем дольше электроны будут утекать, и тем дольше будет существовать этот поток.
Ткните пальцем в экран вашего смартфона и электрическое поле на ближайшем пересечении проводов начнет расти, накапливая в этом месте все больше зарядов. Обесточьте провода и сенсор сразу заметит, что в то время как все другие провода производят стандартный поток энергии, одна пара, та на пересечении которой находится ваш палец, имеет совсем другие показатели, тем самым сенсоры определяют положение вашего пальца.
Помните что ваш смартфон не определяет именно ваш палец, он просто знает, что что-то примерно такой же проводимости как и человеческий палец касается его в данный момент. Использование металлического предмета создаст слишком сильное электрическое поле, что приведет к слишком долгому потоку электронов. Плохие проводники, как, например, перчатки, еле-еле создадут достаточное поле. Но любой предмет, имеющий примерно такое же количество заряженных частиц как и ваш палец, например банан, прекрасно подойдут для работы с сенсорным экраном.
