Міць невидимої хвилі

Величезні армії електронів, зриваючись з розпеченої нитки, прискорюються постійним електричним полем, закручуються постійним магнітним, та на додачу до всього взаємодіють з високочастотним полем об’ємних резонаторів, яке змінюється мільярди разів в секунду. Складно? Так, складно. Але саме так рухаються електрони у планотроні – новому електронному генераторі. Електронні вихори народжують надвисокочастотні коливання – мільярди періодів в секунду. Це хвилі довжиною менше метра. Радіохвилі такої довжини нам звичні. Вони широко використовуються в радарах.

Ну, а якщо не для радара? Якщо коливання надвисоких частот поставити на службу енергетиці? Про цю захоплюючу проблему пише академік Петро Леонідович Капіца в книзі «Електроніка великих потужностей».

Плавка металу без вогню, без електричної дуги; швидке і глибоке розм’якшення ґрунту; передача енергії з малими втратами по… трубах; новий спосіб прискорення заряджених частинок; отримання спрямованих пучків електромагнітних хвиль високої потужності. Це ще далеко не все, що обіцяє нам електроніка великих потужностей.

Але чому ще тільки обіцяє? Чому, маючи досить потужні генератори надвисоких частот – магнетрони, ми не змінили обличчя багатьох енергетичних процесів? На думку П. Л. Капіци, тому є кілька причин. І одна з найголовніших в тому, що не була до кінця зрозуміла фізична сутність процесів, що йдуть у магнетроні. Рух електронів в цьому приладі надзвичайно заплутаний. Вчені не мали ясного і математично точного опису генерації електромагнітних хвиль. А без строгого опису не можна виявити всі можливості цих хвиль, не можна будувати промислові прилади.

Такий наш вік. Час «геніальної інтуїції» пройшов, і без залучення математики зараз не обійтися. Не зрозумійте, однак, цю думку перекручено. Володіння математикою необхідно, але значення ідей нітрохи не зменшилося. Саме нова ідея, новий підхід до явища і відкрили вченому шлях до опису складних процесів. П. Л. Капіца виявив, що немає необхідності розглядати рух кожного електрона в кожен момент часу. Суть методу легше зрозуміти, якщо розглянути дію планотрона, вперше побудованого саме для вивчення електронних процесів. Слово планотрон походить від двох слів: латинського «планум» – площина і грецького «електрон».

…Прямокутні об’ємні резонатори з тонкої мідної фольги. До них підключають позитивний електрод – «плюс» – джерела постійного струму. А «мінус» – катод – зроблений з плоскої мідної пластинки. У площині катода, ізольовано від нього, протягнута вольфрамова нитка. Це – джерело електронів.

Між анодом і катодом створюють напругу в кілька тисяч вольт. Планотрон вводять в постійне магнітне поле, спрямоване під прямим кутом до електричного. Практично це роблять дуже просто: поміщають прилад між полюсами постійного магніту. Для більшого виходу електронів нитку покривають шаром активного металу – торію, який посилює випускання. Весь прилад працює в кожусі, з якого попередньо відкачують повітря, – молекули повітря порушують рух електронів.

Отже, в планотроні на електрони, що зірвалися з нитки діють три поля. Постійні електричне і магнітне поля прискорюють і закручують електрони. Третє поле – високочастотне електромагнітне поле резонаторів. При довжині хвилі в 3 сантиметри воно змінює напрямок двадцять мільярдів разів на секунду.

Дуже важко визначити рух електронів в кожен момент часу. Але, як вже сказано, П. Л. Капіца і не став цього робити. Виявилося достатнім знайти середній рух великого числа електронів за деякий проміжок часу. Такий підхід призводить до висновку, що рівномірно випущені електрони збираються в окремі згустки або язички. Всередині кожного язичка електрони роблять дуже заплутані високочастотні рухи. Але що нам до них – нехай собі кружляють. Важливо лише те, що електрони весь час знаходяться всередині згустків-язичків. А язички, рухаючись повз резонаторів, віддають їм свою енергію. Як це відбувається, розповімо трохи пізніше. Зараз хочеться підшукати приклад з механіки, просто з нашого життя, коли ми сприймаємо процес в цілому, не розчленовуючи його на елементи.

Ось гул автомашини. Рівномірний, монотонний гул. Але ж цей звук складається з частих спалахів в циліндрах, з шуму вихлопних газів. Гул складається з багатьох і багатьох окремих простих звуків. Але наше вухо сприймає всі ці звуки в середньому. Для слуху не істотний кожен окремий звук, якщо вони йдуть підряд. Важливий лише результат – ми чуємо гул.

Точно так само і в електронних язичках. Для процесів генерації не істотний високочастотний танець всередині кожного згустку. Можна навести ще одну аналогію. При описі властивостей газів і рідин неможливо знайти рух кожної з молекул, що складають ці тіла. Адже найдрібніших частинок міріади. Треба вирішувати міріади рівнянь, а це не під силу навіть самим потужним сучасним комп’ютерам. Але вченим відомо, що немає необхідності знаходити рух кожної молекули. Саме їх грандіозне число призводить до своєрідним масовим закономірностям, які й дозволяють описати явища в газах, не враховуючи рух кожної молекули.

Яким же чином рухомі електронні язички віддають енергію свого руху електромагнітному полю? Нас знову виручить приклад з життя. Напевно, всі знають, що при гальмуванні автомобіля енергія його руху переходить в тепло. Земля і шини нагріваються. Електронні згустки рухаються, правда, не по Землі, а в високочастотному електромагнітному полі резонаторів, але і тут при гальмуванні електронів відбувається «нагрівання» – збільшення енергії електромагнітних коливань. Можна так вибрати режим роботи планотрона, щоб язички гальмувалися при проходженні кожного резонатора і тим самим весь час посилювали б високочастотні коливання. Саме рухомі електронні язички відіграють роль посередника у передачі енергії від джерела постійного струму високочастотного поля резонаторів.

Тепер не важко зрозуміти і принцип дії магнетрона. Адже магнетрон – це як би згорнутий в кільце планотрон. Прямокутні резонатори замінені циліндричними, просвердленими в масивному мідному аноді. Катод теж циліндричний. У магнетроні утворюються електронні язички, розташовані по кільцю навколо катода. Вони нагадують язички навколо сонця, які зазвичай малюють діти. Електронні язички в магнетроні обертаються з постійною швидкістю, віддаючи енергію резонаторам.

«Сонячні язички» несуть нам тепло і життя, а обертові електронні – народжують потужні електромагнітні коливання, які можна змусити працювати. Магнетрон і планотрон дозволяють отримати величезні потужності з високим к. к. д. З кожного квадратного сантиметра катода можна знімати потужність в десятки і сотні кіловат, Побудуй досить великий прилад і знімай будь-яку потужність (тут, звичайно, багато інженерних труднощів, але вони для фізика не принципові).

Проте мало вміти генерувати коливання високої частоти. Треба ще вміти передавати їх без великих втрат на далеку відстань. А що більшу потужність передавати на відстань не просто, знає, мабуть, кожен. Щогли високовольтних електропередач крокують по всій землі. Захист від гроз, від перенапруг, складні проблеми ізоляції – про все це доводиться думати конструкторам високовольтних мереж. І ось наука готує справжнє диво.

Електричні коливання підвищених частот не можна передавати по проводах через нагрівання і випромінювання. Не можна по проводах, але можна по хвилеводах – металевих трубах прямокутного і круглого перерізу. Звичайно, для промислових передач будуть застосовуватися хвилеводи круглого перетину – просто-напросто труби. П. Л. Капіца вперше запропонував передавати потужність від електростанцій до споживача по трубах, які можуть бути прокладені під землею.

Труби повинні бути покриті зсередини тонким шаром добре провідного металу – скажімо, міді. Замкнуті струми будуть текти лише в цьому тонкому шарі, не виходячи на зовнішню поверхню, яка служить як би чохлом. По такій трубі через кожен квадратний метр перетину можна передавати понад один мільйон кіловат потужності. По одній трубі потужність солідної електростанції! І ніякої ізоляції.

Тут відкриваються прямо-таки фантастичні перспективи. Від основної лінії передачі по трубах меншого діаметру можна відгалужувати енергію високочастотного поля. Мало того, її потім можна «зливати» туди, де потрібен нагрів. Скажімо, якщо по трубах подавати енергію в металургійну піч, то електромагнітне поле, поглинаючись, викличе плавку металу. Енергія підвищених частот, на думку П. Л. Капіци, може бути спрямована по трубах у свердловини, щоб розігрівати і розм’якшувати грунт на великих глибинах. Маючи дешеве джерело електромагнітних коливань підвищених частот, можна їх використовувати для отримання литих покриттів автодоріг, сушіння деревини, зерна, випалу будівельних матеріалів – словом, всюди, де потрібен нагрів. Новий нагрів, без вогню або печі.

Так, це привабливо, скажуть багато, Але ж досі мова йшла в основному про нагрівання за допомогою надвисокочастотних коливань і про зручності їх передачі. А для промислових приладів і електромоторів необхідний постійний струм. І ось тут на допомогу приходить відкрита П. Л. Капицею оборотність магнетрона і планотрона. Справа в тому, що ці генератори універсальні. З їх допомогою можна енергію коливань надвисоких частот перетворювати в енергію постійного струму. Досить просто змінити напряму електричного і магнітного полів.

Автор: В. Борисов.