2-9. Безвоздушное пространство
Пространство, в котором газ разрежен, называется вакуумом. А когда разрежение настолько велико, что молекула оставшегося газа может пролетать от одной стенки сосуда до другой, не сталкиваясь по пути ни с какой другой молекулой, то говорят, что в этом сосуде высокий вакуум. Такое пространство с очень сильно разреженным газом — очень интересный конструкционный материал для электриков.
Когда в высоком вакууме нет электрических зарядов, он является весьма совершенным изолятором, тем более электрически прочным, чем совершеннее разрежение. В высоком вакууме зазор между двумя металлическими электродами всего лишь в 1 мм может выдержать напряжение выше 100 тыс. в.
Для заряженных же частиц безвоздушное пространство — это идеальный проводник. Ионы и электроны могут пролетать в высоком вакууме огромные расстояния, не сталкиваясь при этом ни с какими другими частицами и, следовательно, совершенно не теряя своей энергии.
Это свойство высокого вакуума используется в приборах, предназначенных для разгона заряженных частиц до очень высоких скоростей. Такие частицы применяются для обстрела атомных ядер, чтобы вызвать ядерные реакции. Можно построить трансформатор со вторичной обмоткой из очень большого количества витков. Двигаясь по этим виткам, электроны все повышают свою энергию. И, в конце концов она может стать достаточной для атаки атомного ядра. Но это не самый удобный способ атаки.
Можно поместить электроны или ионы в высокий вакуум и подстегивать их там электрическими и магнитными силами, пока они не наберут скорость, во много раз большую, чем та, которую можно было бы получить на самом высоковольтном трансформаторе.
Есть такой прибор — бетатрон. Это стеклянная баранка с вакуумом внутри, охватывающая стальной сердечник. Порция электронов, пущенная внутрь этой баранки, описывает там много сотен тысяч витков, и с каждым оборотом электрические силы ускоряют электронный сгусток. А никакого сопротивления движению электроны не испытывают. Это прибор — трансформатор без вторичной обмотки. Но действует он подобно трансформатору с сотнями тысяч вторичных витков.
В бетатроне можно ускорить электроны так, как если бы они прошли между электродами с разностью напряжений в десятки миллионов вольт.
В этом приборе высокий вакуум ведет себя словно материал, удельное сопротивление которого равно нулю.
Уже было сказано, что при помощи вакуума можно изолировать один от другого электроды, находящиеся под очень высокой разностью напряжений. Неоднократно предлагалось строить электродвигатели и генераторы с вакуумной изоляцией. Были осуществлены даже экспериментальные образцы таких устройств. В них вакуум — это материал, удельное сопротивление которого равно бесконечности.
1 Трансурановые элементы, следующие за ураном, № 93, 94, нептуний, плутоний неустойчивы. Это ядерное «горючее». При расщеплении они выделяют энергию. Как конструкционные материалы, эти элементы ни в чистом виде, ни в соединениях пока не применяются, и не предвидится, по-видимому, их применения.
2 Здесь термин «линейная» надо понимать не в смысле протяженности. Эта подчиняющаяся закону Ома — закону прямой линии — электротехника может быть и точечной, и пространственной.
В электронных лампах электроны от накаленного катода идут к положительно заряженному аноду. В зависимости от конструкции лампы и от ее назначения самые различные напряжения — от долей вольта до сотен киловольт — прикладываются к ее электродам и самые различные токи — от микроампер до десятков и сотен ампер — текут между ними. Принято говорить о внутреннем сопротивлении электронного прибора. Это сопротивление есть отношение приложенных вольт к полученным амперам. Иногда берут отношение приращения приложенного напряжения к приращению полученного тока От единиц Ом до многих мегом — таковы могут быть значения внутренних сопротивлений различных электронных приборов.
Вот какой удивительный материал высокий вакуум — его кажущееся удельное сопротивление может иметь любое значение от нуля и до бесконечности.
Вакуум имеет еще одну интересную характеристику, имеющую размерность сопротивления. Когда в каком-либо материале распространяется электромагнитная волна, то отношение напряжения в этой волне к току в ней или, что то же самое, отношение электрической силы в волне к магнитной силе в ней называют волновым сопротивлением.
В высоком вакууме это волновое сопротивление одинаково для электромагнитных волн любой длины, любой частоты тока, и равно оно 376,6 Ом. Только это сопротивление совсем иное, чем активное сопротивление всех электропроводных материалов. На волновом сопротивлении вакуума не теряется никакой мощности.
Волновое сопротивление относится ко всему объему, занимаемому плоской волной. А если задается напряжение в вольтах на 1 Ом пространства волны и требуется определить плотность тока на 1 см2, то надо волновое сопротивление множить на 1/6 длины волны (приблизительно) и делить вольты на это произведение.
