Мощь невидимой волны

Громадные армии электронов, срываясь с раскаленной нити, ускоряются постоянным электрическим полем, закручиваются постоянным магнитным, да вдобавок ко всему взаимодействуют с высокочастотным полем объемных резонаторов, которое изменяется миллиарды раз в секунду. Сложно? Да, сложно. Но именно так движутся электроны в планотроне — новом электронном генераторе. Электронные вихри рождают сверхвысокочастотные колебания — миллиарды периодов в секунду. Это волны длиной меньше метра. Радиоволны такой длины нам привычны. Они широко используются в радарах.

Ну, а если не для радара? Если колебания сверхвысоких частот поставить на службу энергетике? Об этой увлекательной проблеме пишет академик Петр Леонидович Капица в книге «Электроника больших мощностей».

Плавка металла без огня, без электрической дуги; быстрое и глубокое размягчение грунта; передача энергии с малыми потерями по… трубам; новый способ ускорения заряженных частиц; получение направленных пучков электромагнитных волн высокой мощности. Это еще далеко не все, что сулит нам электроника больших мощностей.

Но почему еще только сулит? Почему, имея довольно мощные генераторы сверхвысоких частот — магнетроны, мы не изменили лица многих энергетических процессов? По мнению П. Л. Капицы, тому есть несколько причин. И одна из самых главных в том, что не была до конца понята физическая сущность процессов, идущих в магнетроне. Движение электронов в этом приборе чрезвычайно запутанно. Ученые не имели ясного и математически точного описания генерации электромагнитных волн. А без строгого описания нельзя выявить все возможности этих волн, нельзя строить промышленные приборы.

Таков наш век. Время «гениальной интуиции» прошло, и без привлечения математики сейчас не обойтись. Не поймите, однако, эту мысль превратно. Владение математикой необходимо, но значение идей ничуть не уменьшилось. Именно новая идея, новый подход к явлению и открыли ученому путь к описанию сложных процессов. П. Л. Капица обнаружил, что нет необходимости рассматривать движение каждого электрона в каждый момент времени. Суть метода легче понять, если рассмотреть действие планотрона, впервые построенного именно для изучения электронных процессов. Слово планотрон происходит от двух слов: латинского «планум» — плоскость и греческого «электрон».

…Прямоугольные объемные резонаторы из тонкой медной фольги. К ним подключают положительный электрод — «плюс» — источника постоянного тока. А «минус» — катод — сделан из плоской медной пластинки. В плоскости катода, изолированно от него, протянута вольфрамовая нить. Это — источник электронов.

Между анодом и катодом создают напряжение в несколько тысяч вольт. Планотрон вводят в постоянное магнитное поле, направленное под прямым углом к электрическому. Практически это делают очень просто: помещают прибор между полюсами постоянного магнита. Для большего выхода электронов нить покрывают слоем активного металла — тория, который усиливает испускание. Весь прибор работает в кожухе, из которого предварительно откачивают воздух, — молекулы воздуха нарушают движение электронов.

Итак, в планотроне на сорвавшиеся с нити электроны действуют три поля. Постоянные электрическое и магнитное поля ускоряют и закручивают электроны. Третье поле — высокочастотное электромагнитное поле резонаторов. При длине волны в 3 сантиметра оно меняет направление двадцать миллиардов раз в секунду.

Очень трудно определить движение электронов в каждый момент времени. Но, как уже сказано, П. Л. Капица и не стал этого делать. Оказалось достаточным найти среднее движение большого числа электронов за некоторый промежуток времени. Такой подход приводит к выводу, что равномерно испускаемые электроны собираются в отдельные сгустки или язычки. Внутри каждого язычка электроны совершают очень запутанные высокочастотные движения. Но что нам до них — пусть себе кружатся. Важно лишь то, что электроны все время находятся внутри сгустков-язычков. А язычки, двигаясь мимо резонаторов, отдают им свою энергию. Как это происходит, расскажем чуть позднее. Сейчас хочется подыскать пример из механики, просто из нашей жизни, когда мы воспринимаем процесс в целом, не расчленяя его на элементы.

Вот гул автомашины. Равномерный, монотонный гул. Но ведь этот звук складывается из частых вспышек в цилиндрах, из шума выхлопных газов. Гул состоит из многих и многих отдельных простых звуков. Но наше ухо воспринимает все эти звуки в среднем. Для слуха не существенен каждый отдельный звук, если они идут подряд. Важен лишь результат — мы слышим гул.

Точно так же и в электронных язычках. Для процессов генерации не существенна высокочастотная пляска внутри каждого сгустка. Можно привести еще одну аналогию. При описании свойств газов и жидкостей невозможно найти движение каждой из молекул, составляющих эти тела. Ведь мельчайших частиц мириады. Надо решать мириады уравнений, а это не под силу даже самым мощным современным компьютерам. Но ученым известно, что нет необходимости находить движение каждой молекулы. Именно их грандиозное число приводит к своеобразным массовым закономерностям, которые и позволяют описать явления в газах, не учитывая движение каждой молекулы.

Каким же образом движущиеся мимо резонаторов электронные язычки отдают энергию своего движения электромагнитному полю? Нас опять выручит пример из жизни. Наверное, все знают, что при торможении автомобиля энергия его движения переходит в тепло. Земля и шины нагреваются. Электронные сгустки движутся, правда, не по Земле, а в высокочастотном электромагнитном поле резонаторов, но и здесь при торможении электронов происходит «нагревание» — увеличение энергии электромагнитных колебаний. Можно так выбрать режим работы планотрона, чтобы язычки тормозились при прохождении каждого резонатора и тем самым все время усиливали бы высокочастотные колебания. Именно движущиеся электронные язычки играют роль посредника в передаче энергии от источника постоянного тока высокочастотному полю резонаторов.

Теперь не трудно понять и принцип действия магнетрона. Ведь магнетрон — это как бы свернутый в кольцо планотрон. Прямоугольные резонаторы заменены цилиндрическими, просверленными в массивном медном аноде. Катод тоже цилиндрический. В магнетроне образуются электронные язычки, расположенные по кольцу вокруг катода. Они напоминают язычки вокруг солнца, которые обычно рисуют дети. Электронные язычки в магнетроне вращаются с постоянной скоростью, отдавая энергию резонаторам.

«Солнечные язычки» несут нам тепло и жизнь, а вращающиеся электронные — рождают мощные электромагнитные колебания, которые можно заставить работать. Магнетрон и планотрон позволяют получить громадные мощности с высоким к.п.д. С каждого квадратного сантиметра катода можно снимать мощность в десятки и сотни киловатт, Построй достаточно большой прибор и снимай любую мощность (тут, конечно, много инженерных трудностей, но они для физика не принципиальны).

Однако мало уметь генерировать колебания высокой частоты. Надо еще уметь передавать их без больших потерь на дальнее расстояние. А что большую мощность передавать на расстояние не просто, знает, вероятно, каждый. Мачты высоковольтных электропередач шагают по всей земле. Защита от гроз, от перенапряжений, сложные проблемы изоляции — обо всем этом приходится думать конструкторам высоковольтных сетей. И вот наука готовит подлинное чудо.

Электрические колебания повышенных частот нельзя передавать по проводам из-за нагревания и излучения. Нельзя по проводам, но можно по волноводам — металлическим трубам прямоугольного и круглого сечения. Конечно, для промышленных передач будут применяться волноводы круглого сечения — просто-напросто трубы. П. Л. Капица впервые предложил передавать мощность от электростанций к потребителю по трубам, которые могут быть проложены под землей.

Трубы должны быть покрыты изнутри тонким слоем хорошо проводящего металла — скажем, меди. Замкнутые токи будут течь лишь в этом тонком слое, не выходя на внешнюю поверхность, которая служит как бы чехлом. По такой трубе через каждый квадратный метр сечения можно передавать свыше одного миллиона киловатт мощности. По одной трубе мощность солидной электростанции! И никакой изоляции.

Здесь открываются прямо-таки фантастические перспективы. От основной линии передачи по трубам меньшего диаметра можно ответвлять энергию высокочастотного поля. Мало того, ее потом можно «сливать» туда, где нужен нагрев. Скажем, если по трубам подавать энергию в металлургическую печь, то электромагнитное поле, поглощаясь, вызовет плавку металла. Энергия повышенных частот, по мысли П. Л. Капицы, может быть направлена по трубам в буровые скважины, чтобы разогревать и размягчать грунт на больших глубинах. Имея дешевый источник электромагнитных колебаний повышенных частот, можно их использовать для получения литых покрытий автодорог, сушки древесины, зерна, обжига строительных материалов — словом, повсюду, где нужен нагрев. Новый нагрев, без огня или печи.

Да, это привлекательно, скажут многие, Но ведь до сих пор речь шла в основном о нагреве с помощью сверхвысокочастотных колебаний и об удобствах их передачи. А для промышленных приборов и электромоторов необходим постоянный ток. И вот тут на помощь приходит открытая П. Л. Капицей обратимость магнетрона и планотрона. Дело в том, что эти генераторы универсальны. С их помощью можно энергию колебаний сверхвысоких частот преобразовывать в энергию постоянного тока. Достаточно просто изменить направления электрического и магнитного полей.

Автор: В. Борисов.