В конце прошлого века Александр Степанович Попов впервые в мире показал, что можно передавать телеграфные сигналы на расстояние без проводов, применяя токи высокой частоты.
Когда переменный ток идет по проводнику, то электромагнитная энергия излучается — распределяется в окружающем пространстве в виде волн. Мощность, излучаемая токонесущим проводником, зависит от формы и размеров этого проводника, а также от частоты тока, циркулирующего по проводнику. При низких частотах излученная мощность очень мала, даже когда проводник представляет собой линию длиной в сотни километров. В технике низких частот (50—60 Гц) явление излучения вовсе не принимается во внимание. При частотах же в сотни тысяч, миллионы герц и выше даже небольшой проводник может быть антенной — т. е. может излучать и принимать высокочастотную энергию.
На применении токов высокой частоты основаны: радиотелеграфная и радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация. В 30-х годах начались работы по применению высокочастотной энергии для промышленных целей. В настоящее время в промышленности потребляется в несколько раз больше высокочастотной энергии, нежели для целей связи.
На карте высоких частот (рис. 11-4) расположены и устройства, применяемые для связи, сигнализации, управления, и промышленные высокочастотные установки, и устройства для научных исследований. На этой карте можно встретить весьма разнообразные, порой даже причудливые конструкции.
В нижней левой части карты расположены радиоприемные устройства. На самых низких уровнях мощности находятся приемники радиолокационных установок. Радиолокационные приемники должны обладать огромной чувствительностью, чтобы обнаружить слабый отраженный сигнал от далекого объекта.
Рис. 11-4.
Высокой чувствительностью должны обладать также приемники радиотелескопов, принимающие сигналы из далей космоса.
В средней части карты расположены радиопередатчики, установки для промышленного нагрева. Современная мощная передающая радиовещательная станция может излучать со своей антенны до нескольких тысяч киловатт. Такой же мощности достигают некоторые установки для высокочастотного нагрева.
Устройства для высокочастотного нагрева электропроводящих материалов представляют собой трансформатор (такой же, как описанные выше индукционные нагреватели повышенной частоты). Нагреваемый объект является как бы короткозамкнутой вторичной обмоткой трансформатора. Первичная обмотка — это нагревательный индуктор, выполненный обычно из меди, охлаждаемой проточной водой. В нагревательном объекте индуктируется высокочастотный вихревой ток. Этот ток циркулирует в поверхностном слое объекта. Толщину этого слоя называют глубиной проникновения тока: она тем меньше, чем выше частота тока, чем меньше электросопротивление материала объекта и чем больше его магнитная проницаемость. При частоте тока, например, один миллион герц глубина проникновения тока для меди будет около шести сотых миллиметра, а для магнитной стали — еще в несколько раз меньше. Поэтому нагрев при помощи токов высокой частоты — это поверхностный нагрев. Если стальное изделие после высокочастотного быстрого нагрева резко охладить, то получится поверхностная закалка. Поверхностный слой толщиной в несколько миллиметров будет иметь большую твердость и износоустойчивость, а сердцевина останется вязкой, противостоящей толчкам и ударам. Поверхностная закалка стальных изделий применяется в современном машиностроении. Так обрабатывают рабочие поверхности зубцов шестерен, шейки коленчатых валов, пальцы, соединяющие звенья гусениц тракторов, различный режущий и мерительный инструмент. Необходимо указать, что толщина поверхностного закаленного слоя зависит не только от глубины проникновения вихревого тока, но также от длительности процесса нагрева и от величины удельной мощности, прикладываемой к изделию. При относительно медленном нагреве и небольшой удельной мощности тепло от поверхностного слоя успевает пройти дальше в глубь металла и толщина закаленного слоя получается больше глубины проникновения тока. При большей же мощности и малых временах нагрева тепло не успевает уйти в глубь металла за счет теплопроводности и толщина закаленного слоя получается меньше глубины проникновения тока. Поэтому для поверхностной закалки применяют не только токи высокой частоты, но и более низкие звуковые частоты — 2—10 кГц.
В быстропеременном электромагнитном поле индуктора можно нагреть только хорошо электропроводящие материалы (металлы, графит). Если же проводимость мала, то переменное электромагнитное поле не сможет возбудить в объекте вихревых токов достаточной интенсивности. Малоэлектропроводные материалы можно нагреть в электрическом поле, т. е. между обкладками конденсатора, питаемого высокочастотной энергией. Между обкладками высокочастотного конденсатора нагревают, например, пластмассовые заготовки, чтобы подготовить их для прессовки, а также производят сушку различных изделий. Высокочастотная электроэнергия в настоящее время стоит еще относительно дорого (в два-три раза дороже энергии тока промышленной частоты 50 Гц), поэтому практически применяют непросто высокочастотную сушку, а комбинированную: только небольшая часть энергии дается высокочастотным полем, основная же энергия поставляется более дешевым теплоносителем — горячими газами, паром.
В Советском Союзе созданы печи для высокочастотной варки стекла. Так можно получать наиболее чистые сорта оптического стекла. Стекло в холодном состоянии — это электроизоляционный материал; электросопротивление холодного стекла очень велико. Нагретое стекло проводит ток так же, как растворы солей и кислот. Холодное стекло можно нагревать в электрическом поле между обкладками конденсатора, а расплавленное стекло лучше варить в магнитном поле индуктора. Существуют высокочастотные стеклоплавильные печи различных систем: и такие, в которых действует только одно электрическое или только одно магнитное поле, и такие, в которых можно воздействовать на загрузку по желанию и электрическим, и магнитным быстропеременными полями. Различные конструкции высокочастотных стеклоплавильных печей имеют свои преимущества, но и свои недостатки.
При помощи токов высокой частоты можно плавить не только стекло, но и различные другие материалы. Можно, например, плавить различные грунты, чтобы, застывая, они давали прочный износоустойчивый камень. Так можно строить литые дороги. Передвигаясь над подготовленным грунтом, индуктор будет оставлять за собой реку огненно-жидкой лавы; застыв, она даст прочное покрытие дороги. Можно построить и кольцевой индуктор, который, углубляясь в землю, давал бы литую облицовку тоннеля. Эти применения высокочастотной энергий еще недостаточно разработаны, но в дальнейшем в ряде случае могут оказаться весьма выгодными.
Есть отрасль высокочастотной техники, в которой применяются огромные мощности, сравнимые с теми, что можно встретить на карте токов промышленной частоты 50 Гц. Речь идет об импульсной высокочастотной технике. Импульсные установки работают не непрерывно, а отдельными толчками (ударами, импульсами); мощность, развиваемая в импульсе, может в тысячи раз превышать среднюю мощность.
Импульсный режим работы применяется, например, в радиолокационных установках. Импульсный магнетрон, который работает в радиолокационных установках в качестве генератора, создающего колебания с частотой в миллиарды герц, имеет объем меньше одного литра и весит лишь несколько килограммов. Такой магнетрон в течение нескольких миллионных долей секунды развивает мощность в несколько тысяч киловатт — мощность курьерского электровоза. Но после каждого импульса следует пауза, длительность которой в тысячи раз больше продолжительности работы. Поэтому средняя мощность импульсного магнетронного генератора — лишь единицы киловатт.
В импульсном режиме работают и многие высокочастотные ускорители заряженных атомных частиц. Длительность импульса в таких ускорителях часто бывает меньше микросекунды (миллионной доли секунды). А интервал между импульсами длится миллисекунды (тысячные доли секунды). Импульс длится в десятки тысяч раз меньше, нежели пауза между импульсами. Импульсная мощность высокочастотных ускорителей измеряется иногда сотнями тысяч киловатт.
Ускорители заряженных атомных частиц — важная область применения высокочастотной энергии. При помощи высоких напряжений постоянного тока можно ускорить заряженные атомные частицы напряжениями не более нескольких миллионов вольт (эти ускорители упоминались при разборе карты постоянного тока). При высокой же частоте можно, имея ускоряющее напряжение всего лишь несколько тысяч вольт, воздействовать этим напряжением на ускоряемую частицу многократно, сообщить частице много тысяч отдельных толчков. Высокочастотными методами можно ускорять и легкие, отрицательно заряженные частицы — электроны, и более тяжелые, положительно заряженные ядерные частицы (протоны, дейтоны, альфа-частицы) до энергий, которые соответствуют многим миллиардам вольт.
Когда мы рассматривали электротехнику низкочастотного переменного тока (50 и 60 Гц), то сказали, что электрики стремятся в своих установках иметь отношение активной мощности к реактивной как можно выше. В высокочастотной технике часто поступают наоборот: стремятся получить возможно большую реактивную мощность и возможно меньшую активную. Соединенные друг с другом индуктивность и емкость образуют электрический колебательный контур; в нем неизбежно присутствует и активное сопротивление. Отношение реактивной мощности колебательного контура к его активной мощности называют добротностью. Чем эта величина больше, тем постояннее (стабильнее, как говорят специалисты) частота колебаний контура. Во многих радиотехнических устройствах требуется высокая стабильность частоты колебаний, часто применяются контуры, добротность которых достигает многих тысяч. Особо высокую добротность можно получить у так называемых полых контуров: это медные банки, внутри которых циркулирует электромагнитная волна. Добротность здесь приблизительно равна отношению длины волны к глубине проникновения высокочастотного тока в медь. Значение добротности достигает десятков тысяч.
Электромагнитные волны можно собрать в тонкий пучок — луч. Но надо всегда помнить, что луч электромагнитных волн — это не бесконечно тонкая геометрическая линия: поперечник луча всегда во много раз превышает длину электромагнитной волны. Излучатель электромагнитных волн может создать направленный луч лишь в том случае, если размеры излучателя в несколько раз превышают длину излучаемой волны. Но длина волны равна скорости света (300 000 км/сек), деленной на частоту тока. Для тока с частотой, например, 100 кГц длина волны равна 3 км. Создать антенну — направленный излучатель — еще больших размеров затруднительно. Но если взять ток с частотой 100 Мгц, то ему соответствует волна длиной 3 м, а для такой волны уже легко создать направленную антенну, посылающую луч волн. Еще легче собрать в узкий луч дециметровые и сантиметровые волны, которым соответствуют частоты в тысячи мегагерц.
Такие высокие частоты применяются, например, в радиорелейной связи. Передающая станция радиорелейной линии направляет свой луч на антенну промежуточной станции-реле, находящейся на расстоянии прямой видимости от антенны передатчика. На станции-реле принятая высокочастотная энергия усиливается, а затем переизлучается на следующую станцию, там еще усиливается и излучается дальше. Так, переходя с антенны на антенну, электромагнитный луч достигает конечной станции, которая может находиться на расстоянии многих тысяч километров от начальной передающей станции. Расстояние между двумя смежными радиорелейными станциями может быть порядка нескольких десятков километров. По одному радиолучу релейной линии можно одновременно передавать несколько телевизионных программ, вести несколько сотен отдельных двухсторонних разговоров. В ряде случаев радиорелейная линия связи оказывается выгоднее обычной проводной линии связи. В текущей семилетке радиорелейные линии должны получить большое распространение в СССР.
Луч электромагнитных волн токов высокой частоты можно использовать не только для связи — передачи слабых сигналов, но и для силовой передачи — передачи значительных количеств энергии.
В 1943 г. я опубликовал проект (фантастический в то время) питать лучом высокочастотной энергии самолет1. В 1956 г.1 я дал еще один вариант этого проекта: на летательном аппарате высокочастотной энергией раскалить поток воздуха, который, выходя из реактивных сопел, будет создавать полезную тягу.
В 1959 г. американская фирма Raytheon взялась за разработку вертолета, питаемого энергией с Земли лучом высокочастотной энергии; с помощью высокочастотной энергии должны создаваться струи раскаленного воздуха, приводящие во вращение несущий винт.
1 «Техника — молодежи», 1956, № 6, стр. 32.
В заключение, быть может, стоит сказать о возможности применения токов высокой частоты для движения космических кораблей. Известно, что в космическом пространстве можно двигаться только за счет реактивной отдачи; ракеты с химическим топливом движутся, выбрасывая струи раскаленных газов. Скорость такой ракеты не может во много раз превысить скорость истечения газовой струи. Можно бы сообщить космическому кораблю скорость, близкую к скорости света, если использовать реактивную отдачу не газовой струи, а потока электромагнитных волн — электромагнитных квантов. Были предложения применить поток квантов видимого света — фотонов. Значительные преимущества имело бы применение потока квантов токов высокой частоты1. Подобный квантовый корабль мог бы совершить экспедицию и к планетным системам других звезд.
* * *
Не все из современной электротехники попало на наши карты, но важнее подчеркнуть то, что карты эти не есть нечто застывшее, неизменное. Все время вид их меняется. Различные электрические машины, аппараты, приборы стареют, выходят из употребления, заменяются новыми, более совершенными. Многим из читателей этой книги доведется совершать увлекательные путешествия по великой стране Пээф, а некоторым суждено прокладывать здесь новые пути, находить новые полезные применения электрической энергии.
1 Это предложение впервые опубликовано в журнале «Юный техник», 1957, № 11.
