Текст
Длина волны
IDJ,. 10 о 1о 0.001нп ЮОпо Юно 1но IА=10сн 100» Юк 1»=0,0С1 Д 0.1х С,01»
Г. И.БАБАТ
ГОСЭНЕРГОИЗД АТ
Г. И. БА Б АТ
РАССКАЗЫ
ТОКАХ ВЫСОКОЙ
ЧАСТОТЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1948 ЛЕНИНГРАД
Редактор Б. И Шенкман Техредактор А. Д Чаров
Сдано в пр-во 5/1 1948 г. Подписано к печати 22/VI 1948 г.
91/2 п. л. 4-1 вкл. 8,75 уч.-авт. л. 36 000 тип. знаков в 1 п. л.
А-04188 Тираж 10 000 Бумага 84X108V82 Заказ № 1003
Типография Госэнергоиздата. Москва. Шлюзовая наб., 10
ПРЕДИСЛОВИЕ
Есть поговорка о кулике, который свое болото хвалит.
Эта книга—похвала той области техники, в какой я
работаю с первых сознательных лет своей жизни, и кото-
рой я отдал всю страсть своей души. Область мною из-
бранная—техника токов высокой частоты, и чем больше
я в ней работаю, тем увлекательнее она мне кажется.
В прошлые века один человек мог заключить в себе
целый университет.
Но такая универсальность была возможна до начала
девятнадцатого века. Сумма знаний в каждой отдельной
отрасли науки была не так велика. Техника исследова-
ний была относительно проста.
Современное производство и научные исследования
настолько, сложны, что (всякая мало-мальски значитель-
ная работа может выполняться только большим, хо-рошо
слаженным коллективом.
Техника токов высокой частоты, казалось бы, очень
ограниченная область, но, и то, пожалуй, нет теперь че-
ловека, который бы ее знал всю целиком в совершенстве.
Один искушен в области генерирования токов, другой в
части их применения для связи. Есть специалисты, ком-
петентные 'исключительно в передаче и трансформиро-
вании энергии.
Из обширной области высокочастотной электротехни-
ки в этой книге приведено лишь несколько примеров. Я
попытался рассказать о ТВЧ, не прибегая к строгим
— 3 —
теоретическим формулировкам, Пользуясь аналогиями,
моделями из других областей.
Научная истина может являться в различной форме.
Но одинаково научны: и тонкая и бесцветная форма сим-
волического выражения, и грубая форма и яркая окраска
физической иллюстрации.
Каждый, кто увлечен своим делом, ищет себе новых
соратников. Задача этой книги ознакомить молодежь с
близкой мне областью работы. И если у некоторых про-
будится желание всерьез заняться ТВЧ, я буду считать
свою задачу выполненной.
Автор
1. Об удивительной банке, о колебаниях
лампад и о проверке одного уравнения
Основа всей высокочастотной электротехники—это?
колебательный контур—цепь, в которой может пульсиро-
вать электрическая энергия, электрические заряды. Исто-
рия высокочастотной электротехники—это история совер-
шенствования как самих колебательных контуров, так и
методов возбуждения колебаний в этих контурах.
Впервые та комбинация из изоляторов и проводников
электричества, которую теперь называют колебательным
контуром, была случайно составлена 200 лет тому назад.
Но еще много десятилетий после этого ученые произво-
дили опыты с этим контуром, не подозревая даже, что
они имеют дело с электрическими колебаниями.
1Как была открыта возможность накапливать электрические
заряды
Двести лет назад голландский ученый Ван 'Мушеп-
брек производил опыты с электризацией воды, налитой
в стеклянную банку. Мушенбрек погрузил в воду мед-
ный прут, натер шерстяной тряпкой сургучную палочку
и поднес этот натертый—наэлектризованный — сургуч
к концу прута, торчавшему из банки. Он повторил это
несколько раз, затем взял банку в левую руку, а правой
коснулся медного прута. И тут Мушенбрек ощутил силь-
ный удар, сотрясение во всем теле.
Сургуч, натертый шерстяной тряпкой, сам по себе мог
производить только очень слабые электрические дей-
ствия: он притягивал пушинки, вызывал крохотные, еле
заметные искорки; иногда, коснувшись натертого сур-
гуча, можно было почувствовать еле ощутимое покалы-
вание. Банка, наполненная водой с торчащим из нее мед-
ным прутом, давала во много раз более сильный эффект.
— 5 —
Шелковые
нити — М эле к трос титан.
У s t=Z
Ствол мушкета
^-Железная цепь
машине
Железный стержень
Стеклянная банка
ода
Рука эксперимен-
татора
Рис. 1. Опыт Ван Мушенбрека.
«Ради короны Франции не согласился1 бы я подвер-
гнуться еще раз такому ужасному потрясению»—писал
Мушенбрек французскому ученому Реомюру.
Из медного прута банки можно было, получить яркую
искру, сопровождаемую сильным треском.
Многие знаменитые ученые в разных странах заня-
лись изучением этой удивительной банки, которая .по
имени города, где впервые было обнаружено ее дей-
ствие, стала называться Лейденской.
Опытами с лейденской банкой занимался Михайло
Васильевич Ломоносов. В своей теории о причине элек-
трической силы в воздухе он !впервые высказал предпо-
ложение, что молнии — это тоже электрические разряды.
В оде о стекле Ломоносов писал:
Вертясь, Стеклянный шар дает удары с блеском,
С громовым сходственны сверканием и треском.
Все опыты с лейденской банкой показали, что она яв-
ляется накопителем электричества—конденсатором, элек-
трическим конденсатором, как теперь принято говорить.
— 6 —
Потом выяснилось, что для накопления электричества
вовсе нет необходимости наливать в банку воду. Вместо
этого можно снабдить банку металлическими обкладками
по внутренней и внешней поверхности. От материала
обкладок ёмкость конденсатора не зависит.
2 Важно не только накопить, но и знать, сколько накоплено
Количество жидкости, которое можно влить в сосуд,
определяется его объемом. А как узнать, какое количе-
ство электричестсва может вместить электрический кон-
денсатор? Много пришлось проделать опытов, прежде
чем была установлена зависимость между размерами
конденсатора, его конструкцией и его способностью за-
пасать электричество.
В лейденской банке две проводящие обкладки: одна
изнутри, другая снаружи. Обкладки отделены одна от
другой прослойкой стекла.
Дальнейшие опыты показали, что прослойка между
обкладками может быть не только из стекла, но и из
любого другого изолирующего материала: твердого (се-
ра, янтарь, смола), жидкого (разные сорта масел, керо-
син) или даже газообразного — воздух.
Изолирующая прослойка между обкладками вовсе не
обязательно должна быть в виде банки. Ее можно де-
лать самой различной формы.
Итак, электрический конденсатор — это две проводя-
щие (обычно металлические) обкладки, отделенные одна
от другой слоем изолирующего материала.
Если к обкладкам приложить напряжение — к одной
обкладке плюс, к другой минус, то на обкладках собира-
ются электрические заряды:- на одной положительный,
на другой отрицательный. Электрические силы действуют
на изолирующий материал между обкладками, изоли-
рующий материал напрягается, и если это напряжение
слишком велико, происходит пробой — сквозь изоляцию
проскакивает искра.
Конденсатор напоминает собой пружину, которая на-
прягается действием механической силы и разрывается,
если эта сила слишком велика.
Но в отличие от пружины, которая после разрыва
оказывается испорченной, в конденсаторе электрический
пробой вызывает непоправимую порчу только при твер-
— 7 —
дом изоляторе между пластинами: в твердом изоляторе
искра прожигает канал.
Если между пластинами конденсатора находится воз-
душная изоляция, то после того, как искра проскочила и
затухла, частицы раскаленных газов исчезают из про-
странства между .пластинами и изолирующие свойства
воздушной прослойки снова восстанавливаются.
3 Количество стали в пружине и количество изоляционного
материала в конденсаторе определяют запас энергии
Количество механической энергии, которую можно за-
пасти в пружине, определяется свойствами материала,
из которого сделана пружина, и количеством этого мате,
риала — его объемом или весом. Запас электрической
энергии, который может вместиться в лейденской банке
или любом другом электрическом конденсаторе, зависит
от количества изоляционного материала (от его объема
или веса), заполняющего пространство между обклад-
ками конденсатора, и от качества этого материала.
Можно еще сравнить электрический конденсатор
с баллоном, наполненным сжатым газом. Механическую
энергию можно запасать при малом давлении газа
в баллоне большой емкости, или наоборот, брать малую
емкость баллона, но добиваться большого давления газа.
Из одного и того же количества металла можно сде-
лать баллон большой емкости, но с тонкими стенками,
или наоборот, малой емкости, но с толстыми стенками,
способными противостоять высокому давлению.
Так, из одного и того же количества изоляционного
материала можно построить разные конденсаторы. Возь-
мем изоляционный материал в виде тонкого слоя. Тогда
поверхность этого слоя будет велика и, следовательно,
поверхность обкладок конденсатора также будет боль-
шая.
Электрические заряды в конденсаторе находятся на
поверхности обкладок и такой конденсатор с большой
поверхностью обкладок будет иметь большую электриче-
скую емкость. Электрическая емкость прямо пропорцио-
нальна поверхности обкладок конденсатора и обратно
пропорциональна расстоянию между пластинами. Но
тонкая изоляционная прослойка между обкладками этого
конденсатора сможет выдержать только малое электри-
ческое напряжение.
— 8 —
Из того же количества изоляционного материала
можно, наоборот, построить конденсатор с малой пло-
щадью обкладок, но зато с толстым слоем изоляции между
ними, В таком конденсаторе емкость будет мала, но зато
он способен будет выдерживать высокое напряжение.
Запас электрической энергии будет одинаков в обоих
этих конденсаторах. Но в первом случае энергия запа-
сается при большом заряде и малом напряжении, а во
втором случае, наоборот, при высоком напряжении и ма-
лом заряде.
Л Одна только емкость конденсатора не определяет количе-
* ства энергии, запасаемой в нем
Важно запомнить, что емкость конденсатора харак-
теризует только его способность запасать заряд. Вели-
чина емкости еще не показывает, сколько энергии может
запасти конденсатор. 'Маленького размера конденсатор
может иметь большую емкость, если у него тонкие изо-
ляционные прослойки между обкладками.
Чтобы знать величину запаса энергии в электрическом
конденсаторе, надо еще указать, какое напряжение этот
конденсатор выдерживает.
Стоимость конденсатора определяется количеством
затраченного на его изготовление изоляционного мате-
риала. Следовательно, стоимость конденсатора прямо
пропорциональна количеству запасаемой в конденсаторе
энергии. А одна величина емкости конденсатора еще
сама по себе ничего не говорит о его стоимости.
5 Загадочное намагничивание
Многие ученые производили опыты с электрическими
конденсаторами. В начале прошлого века французский
физик Савари пытался посредством лейденской банки
намагнитить стальную иглу. Савари изготовил спираль
из медной проволоки, поместил внутрь нее иглу и при-
соединил концы спирали к обкладкам заряженной лей-
денской банки. Несколько раз Савари повторял этот
опыт, иголка намагничивалась, но странное дело, каж-
дый раз по-разному.
При каждом опыте Савари присоединял к положи-
тельно заряженной обкладке банки начало спирали,
а конец ее — к отрицательной обкладке. Иголку он рас-
полагал внутри спирали всегда в одном и том же поло-
— 9 —
Рис. 2. Если обкладки заряженной лейденской банки соединить
металлическим проводником, то электрический ток проходит по это-
му проводнику то в одну, то в другую сторону.
женин. Но иголка каждый раз намагничивалась по-раз-
ному. Северный полюс получался то у ее острия, то
у ушка.
Полное объяснение этому опыту было найдено только
много десятилетий спустя. Очень изящный способ про-
следить все тонкости поведения искры от момента ее за-
рождения до полного потухания придумал Федерсен.
Искра разряда конденсатора длится ничтожные доли се-
кунды. Федерсен отразил искру в быстро вращающемся
зеркале и бросил этот бегущий зайчик на фотографиче-
скую пластинку. На пластинке должна была получиться
по пути зайчика засвеченная полоса, и чернота этой по-
лосы в каждой ее точке должна соответствовать силе
тока в искре.
О Фотография искры доказывает наличие колебаний тока
Проявив пластинку, Федерсен увидал вместо посте-
пенно слабеющей непрерывной полосы, которая должна
была бы соответствовать плавно затухающему току,
отдельные пятна — черные и светлые. Ток в искре шел
не непрерывно, а отдельными толчками, отдельными пор-
циями. Электрический заряд не просто переходил с од-
ной обкладки конденсатора на другую. Нет, этот заряд
перебрасывался много раз взад и вперед между обклад-
ками конденсатора. Электрический заряд колебался
между обкладками.
— 10 —
Рис. 3. Фотография отраженной во вращающемся зеркале искры, ко-
торая проскакивает при разряде лейденской банки.
Если бы силаток! не менялась в> время разряда,то и сила свечения искры оста-
валась бы постоянной и на фотографии была бы видна непрерывная световая полоса.
На фотографии видны отдельные зубцы. Этэ доказывает, чго сила тока во
время разряда лейденской бан<и колеблется. Рагстояние между зубцами на фо-
тографии зависит от соотношения между частотой колебаний тока и скоростью
вращения зеркала. При одной и той же частоте колебаний тока более быстрое
вращение зеркала дает более редкое расположение зубцов на фотографии.
Направление движения зарядов во время самого пос-
леднего колебания могло и не совпадать с направлением
движения зарядов во время первого колебания. При каж-
дом колебании иголка в опыте Савари перемагничива-
лась и в конце концов она оставалась намагниченной так,
как это соответствует последнему колебанию. В разных
опытах могло получаться разное направление последнего
колебания и разное намагничение иголки.
Задолго до открытия Федерсена, показавшего коле-
бания электрического заряда, задолго до того, как была
открыта и сама лейденская банка, был известен другой
вид колебаний — колебания механические.
Рис. 4. График изменения во времени силы тока при колебатель-
ном разряде лейденской банки. Ток принимает то положительные,
то отрицательные значения, постепенно затухая.
7 Колебательная система впервые привлекает внимание
исследователя
В 1582 г. восемнадцатилетний студент медицинского
факультета Пизанского университета — Галилео Галилей
во время богослужения в соборе следил за качаниями
люстры, подвешенной к потолку. Он -подметил, что хотя
движения люстры постепенно затихали и размахи стано-
вились слабее, время, затрачиваемое на каждое колеба-
ние, не изменялось. Биениями собственного пульса он
вел счет времени.
Галилей предпринял ряд опытов и убедился, что эта
особенность не составляет исключительной привилегии
соборных люстр.
8 Законы колебаний
Вея-кий груз, подвешенный на веревке или на палке,
качается, причем период колебаний его1 не зависит от
того, каким способом грузу было сообщено первоначаль-
ное движение, а также не зависит и от величины раз-
маха.
Некоторые скептически настроенные биографы Гали-
лея утверждают, что история с соборной люстрой — вы-
мысел ученика Галилея Вивиани.
Но одно бесспорно — Галилей первый открыл зако-
ны, которым подчиняется простейшая механическая коле-
бательная система — маятник.
Можно самыми различными способами осуществлять
механические колебательные системы. Можно, например,
подвесить гирьку на пружине. Растянув или сжав пру-
жину, сообщим гирьке первоначальный толчок и тогда
она начнет совершать колебания: вверх, вниз... вверх,
вниз.
При этих колебаниях происходит перебрасывание за-
паса энергии из гирьки в пружину и обратно. Вот гирь-
ка находится в своем самом нижнем положении, пружи-
на максимально растянута. В ней накоплена энергия —
потенциальная энергия, как ее называют. Затем пружина
начинает сокращаться, она тянет гирьку вверх, ускоряет
1 Периодом колебаний называют тот промежуток времени, за
который груз проходит из одного крайнего (скажем, левого), поло-
жения через крайнее правое снова в то же крайнее левое поло-
жение.
— 12 —
ее движение. В тот миг, когда пружина сократилась до
своего начального размера и, следовательно, энергия в
пружине равна теперь нулю, гирька имеет наибольшую
скорость. Теперь вся та энергия, что была раньше в
пружине, запасена в гирьке. Гирька обладает теперь
энергией движения — кинетической энергией, как ее
называют. Под 'влиянием этой энергии гирька движется
дальше вверх, сжимает пружину, передает ей обратно
свой запас энергии. В крайнем верхнем положении
гирька на мгновение находится в неподвижности, энер-
гия теперь снова перекочевала в пружину. Затем гирька
снова, все ускоряясь, движется вниз... В течение време-
ни, которое требуется гирьке, чтобы совершить полный
период колебаний — перейти из крайнего нижнего поло-
жения снова в это же крайнее нижнее, — энергия два
раза перебрасывается из гирьки в пружину и обратно.
9 Колебания затухают
Когда гирька колеблется на пружине, часть энергии
теряется на трение в пружине, часть рассеивается в ок-
ружающую среду, в воздух. Поэтому после первого на-
чального толчка размах колебаний гирьки постепенно
уменьшается. Но длительность—период колебания—при
этом не меняется. Этот период зависит от податливости
пружины (податливостью называют величину растяже-
ния пружины, когда к ней приложено определенное уси-
лие, скажем, один килограмм) и от массы подвешенной
к ней гири.
Чем больше податливость пружины и чем тяжелее
подвешенная к пружине гиря, тем ее колебания будут
совершаться медленнее.
10 Сходство механических и электрических явлений
Запас энергии в электрическом конденсаторе напоми-
нает собой запас энергии в пружине. Механической
силе, которая напрягает пружину в конденсаторе, соот-
ветствует электрическое напряжение, которое напрягает
слой изоляции между обкладками конденсатора. Величи-
на электрического заряда, который при этом скопляется
на обкладках, соответствует величине перемещения пру-
жины при ее сжатии или растяжении.
— 13 —
Рис. 5. Аналогия между механической колебательной системой —
гирей, которая укреплена на пружине, и электрическим колебатель-
ным контуром, состоящим из конденсатора и катушки самоиндук-
ции. Между обкладками конденсатора показаны силовые линии
электрического поля. В катушке же показаны силовые линии
магнитного поля. Чем сильнее поле, чем больше в нем запас
энергии, тем гуще силовые линии.
Таким образом электрическая емкость конденсатора
соответствует механической податливости пружины.
Величина энергии, запасенной в пружине, определяет,
ся произведением силы, с которой 'пружину растягивали
или сжимали, на то перемещение пружины, которое эта
сила произвела Так и в электрическом конденсаторе
1 Точнее говоря, запасенная в пружине энергия—это половина
произведения конечной силы (конечного напряжения) на то пере-
мещение конца пружины, которое эта сила произвела.
— 14 —
запасенная в нем энергия определяется ’произведением
приложенного к конденсатору напряжения на количество
скопившихся на его обкладках зарядов Ч
Энергия, запасенная в сжатой или растянутой пружи-
не, может храниться в пружине все время до тех пор,
пока эту пружину не отпустят, пока не дадут ей возмож-
ность свободно сократиться или распрямиться.
Так же хранится энергия и в заряженном конденса-
торе до тех пор, пока мы не соединим его обкладки про-
водником и не дадим возможности зарядам на обклад-
ках выравняться.
Энергия, запасенная в пружине или в конденса-
торе, — это покоящаяся энергия — ее называют потенци-
альной энергией.
Иначе запасается энергия в движущейся гире. Здесь
количество энергии определяется скоростью движения
гири и ее массой. Это энергия движения — кинетическая
энергия. Остановится гиря, и кинетическая энергия ее
равна нулю,
11 Разные формы электрической энергии
Как 'Механическая энергия, так и электрическая мо-
жет быть не только потенциальной (покоящейся, как
в заряженном конденсаторе), но и кинетической (движу-
щейся). Замкнем обкладки заряженного конденсатора
проводником. По этому проводнику двинутся электри-
ческие разряды, потечет, как говорят, электрический
ток. Сила тока — это то, что соответствует скорости дви-
жения гири. А массе гири, ей что соответствует? Меха-
нической массе соответствует то свойство проводника,
которое можно назвать «электрической инерцией».
Движущаяся гиря стремится продолжить свое движе-
ние. Проводник, по которому течет ток, стремится под-
держать неизменной силу этого тока. Это свойство про-
водника называют самоиндукцией или индуктивностью.
12 Инерция электрического тока
Самоиндукция в электрических явлениях — это то,
что соответствует массе гири в механических. Кинети-
1 Запас энергии в конденсаторе — это половина произведения
напряжения на конденсаторе на его заряд.
— 15 —
ческая энергия, запасаемая в электрическом провод-
нике, определяется самоиндукцией этого проводника и
силой текущего через него тока. Как только этот ток
станет равным нулю, так нулю будет равна и кинетиче-
ская энергия проводника. Энергия, запасаемая в индук-
тивности, — это энергия движения, а не покоя.
Массу гири легко определить: весы показывают, ка-
кая гиря тяжелее, какая обладает большей массой. Са-
моиндукция проводника — это менее наглядное понятие.
Когда по проводнику течет ток, то вокруг него обвива-
ются магнитные силовые линии. Чем больше этих сило-
вых линий возникнет вокруг проводника, тем больше его
самоиндукция. Если свернуть проводник в катушку, то
самоиндукция его намного возрастет по с|равнению с
самоиндукцией простого прямолинейного проводника.
Практика развивает глазомер. Тот, кто много имеет
дела со взвешиванием, может, взяв на руку какой-ни-
будь предмет, сразу определить его вес, его массу. Так
и опытный электрик, взглянув только на катушку, мо-
жет сразу оценить, какую величину самоиндукции она
имеет.
Гиря и пружина образуют механическую колебатель-
ную систему. Электрический конденсатор и проводник,
замыкающий его обкладки (индуктивность), образуют
электрическую колебательную систему — «электрический
маятник».
Когда прикрепленная к пружине гиря колеблется, то
запас энергии непрестанно перебрасывается из гири
в пружину и обратно. В электрическом же маятнике
запас энергии перебрасывается из конденсатора в индук.
гивность и, обратно, из индуктивности в конденсатор.
Такая аналогия между механическими и электриче-
скими колебаниями позволяет рассчитывать электриче-
ские колебательные процессы по тем же формулам, что
и процессы механические.
И вот Виллиям Томсон использовал ту формулу, ко-
торую предложил еще Галилей, чтобы вычислить период
колебаний лампады, и.заменил в этой формуле механи-
ческие величины электрическими. По этой формуле он
вычислил период колебаний электрической системы (или
электрического колебательного контура, как его также
называют).
— 16 —
Id Период колебаний Не зависит от их интенсивности
И до наших дней эта знаменитая формула Томсона
является основой для расчета всех электрических коле-
бательных контуров:
Г —2к’/£С
Период колебаний Т пропорционален корню квадрат-
ному из- произведения величины самоиндукции L на ве-
личину емкости С. Чем больше емкость и самоиндукция,
тем медленнее колеблется электрический маятник.
14 Колебания создают волны
Всякое колеблющееся тело способно передавать свои
колебания окружающей среде.
Коснемся поверхности воды гирькой, колеблющейся
на пружине, и по воде побегут круги — волны. Расстоя-
ние между двумя смежными гребнями или двумя смеж-
ными впадинами называют длиной волны — это то рас-
стояние, на которое распространяется волна за одно ко-
лебание, за один период. А то расстояние, на которое
распространяется колебание за одну секунду, — это ско-
рость волны.
Струна, по которой ведут смычком, совершает коле-
бания. Они передаются окружающему воздуху, и в нем
возникают звуковые волны. Со скоростью 330 метров
в секунду бегут они во все стороны. Если струна совер-
шает к примеру 1 000 колебаний в секунду, то за одно
колебание звуковая волна распространится на 33 сан-
тиметра. Следовательно, звуку с частотой 1 000 колеба-
ний в секунду соответствует волна длиной в 33 санти-
метра.
Но 'возникают ли какие-либо волны при электриче-
ских и магнитных колебаниях? А если возникают, то как
они распространяются, какие законы ими управляют?
В 1846 г. Фарадей послал в журнал «Философикал
Мэгэзин» статью под названием «Мысли о лучевых ко-
лебаниях». Здесь впервые была высказана идея, что
электрические и магнитные действия могут распростра-
няться подобно лучам света, могут распространяться
прямолинейно в однородных средах и по изогнутым пу-
тям в средах неоднородных.
2 Г. И. Бабат. — 17 —
Длина волны
Рис. 6. Механические колебания в виде волн.
Но эта статья Фарадея была лишь гениальной догад-
кой — она не была пока подтверждена опытом. Эти рас-
суждения не были облечены в формулы, которые позво-
лили бы производить численные подсчеты.
Несколькими годами позже Клерк Максвелл изучал
эту статью в Кэмбридже. Вот, что он написал Фарадею
в письме, помеченном 19 октября 1861 г.:
«Из определенного Кольраушем и Вебером численного
отношения между статическим и магнитным действием
электричества я определил упругость среды в воздухе и,
считая, что она тождественна с упругостью светового
эфира, определил скорость распространения электриче-
ских колебаний. Результат— 193 088 миль в секунду.
Физо определил скорость света в 193 118 миль в се-
кунду прямым опытом».
— 18 —
В 1865 г. Максвелл опубликовал статью, в которой
он отчетливо провозгласил свой знаменитый тезис: «Свет
есть не что иное, как электромагнитные колебания».
Примечательно, что приведенные Максвеллом цифры
для скорости света и скорости электромагнитных колеба-
ний разнятся одна от другой всего на 30 миль в секунду.
В действительности же оба эти числа неточны. Ошибка
больше, чем 6 000 миль в секунду.
Как измерять длину волны света, показал еще Нью-
тон. Было точно известно, что человеческий глаз спосо-
бен ощущать световые волны, которые имеют в воздухе
длину от 0,4 до 0,7 микрона (микрон—одна миллион-
ная метра — одна тысячная миллиметра). Скорость све-
та составляет 300 000 километров в секунду. Отсюда
можно было вычислить (поделив скорость на длину
волны), что частота световых колебаний лежит в преде-
лах между 1014-г-1015 периодов в секунду. Такие быст-
рые колебания могут совершаться только в мельчайших
частицах мате;рии: в молекулах, атомах...
| С При колебаниях «электрических маятников» должны воз-
* никать электрические волны
В электрической цепи, состоящей из лейденской бан-
ки размером, скажем, с чайный стакан и из проводника
длиной, скажем, в метр, соединяющего обкладки этой
банки, по формуле Томсона должны были бы происхо-
дить колебания с частотой в несколько миллионов перио-
дов в секунду. При этом в воздухе должны были бы воз-
никать волны длиной в несколько метров, т. е. в несколь-
ко миллионов раз более длинные, нежели световые
волны.
У человека нет органов чувств, которые способны бы-
ли бы непосредственно ощущать такие электромагнитные
колебания. Существование этих электромагнитных коле-
баний, более медленных и с большей длиной волны, не-
жели световые, оставалось недоказанной догадкой.
Но ’Максвелл с гениальной проницательностью разра-
ботал законы, которые управляют распространением лю-
бых электромагнитных волн. В обширном трактате «Об
электричестве и магнетиеме» Максвелл дал полную мате-
матическую теорию электрических и магнитных явлений,
и в двух коротких строчках — в знаменитых «уравнениях
Максвелла»—дал связь между свойствами средыг
— 19 —
сквозь которую проходят электромагнитные колебания,
величинами токов и напряжений в этой среде, количе-
ством энергии, которое эти электромагнитные волны
несут с собой.
В момент опубликования этой теории мало кто пове-
рил в нее и еще меньше было таких, кто бы полностью
ее понял.
По теории Максвелла следовало, что все электропро-
водные вещества должны быть непрозрачными, а все изо-
ляторы должны быть прозрачны. Все металлы электро-
проводны и действительно ни одного прозрачного метал-
ла не существует. Но как быть с водой, которая и проз-
рачна и проводит ток? А почему эбонит превосходный
изолятор, но непрозрачен?
Тонкие и сложные объяснения всем этим явлениям
были найдены значительно позже.
1 6 Резонанс и резонаторы
Изучение разнообразных колебаний было модным
среди физиков во времена Максвелла.
Гельмгольц занимался звуковыми колебаниями. Он
подробно изучал замечательное явление, которое полу-
чило название «резонанса», что в переводе с латинского
значит отзывчивость. Звуковые волны, которые распро-
страняются в воздухе, могут привести в колебание любой
предмет, но в особо сильное колебание прийдет тот
предмет, который сам способен издавать такие же коле-
бания. Струна вздрагивает, когда на нее падает любой
звук, но сильнее всего струна будет отзываться, если ее
так натянуть, так настроить, чтобы ее собственные коле-
бания соответствовали этому звучанию. Гельмгольц
строил самые разнообразные акустические резонаторы.
После акустических резонаторов изучению подверг-
лись резонаторы электрические. Оказалось, что одну и ту
же частоту колебаний можно получить от самых разно-
образных электрических контуров. Можно взять большую
емкость и маленькую самоиндукцию и этот контур будет
давать такую же частоту, что и другой, у которого, на-
оборот, емкость мала, но зато самоиндукция велика.
Ученик Гельмгольца Генрих Герц решил более де-
тально изучить электрические колебания, проверить
уравнение ’Максвелла, установить, действительно ли мо*
— 20 -
гут всякие электрические колебания распространяться
в виде волн, подобных световым, и как ведут себя эти
волны.
1 / Герц проверяет Максвелла
Герц взял большую румкорфову катушку, которая
давала высокое напряжение, и присоединил к ней два
медных прута с шарами на концах. Шары эти заряжа-
лись: на одном собирались положительные заряды, на
другом — отрицательные. Затем между внутренними кон-
цами прутьев проскакивала искра и заряды начинали
колебаться вдоль прутьев от шара к шару. Герц назвал
свою конструкцию электрическим вибратором.
Когда звучит струна под смычком, то она испускает
звуковую волну, длина которой может быть равна при-
мерно двойной длине струны.
Так и в электрическом вибраторе, рассуждал Герц,
длина электромагнитной волны должна быть примерно
вдвое больше полной длины вибратора. Герц рассчиты-
вал получить в своем вибраторе электромагнитные волны
Рис, 7. Схема опытов Генриха Герца.
- 21 —
длиной около метра, и, значит, частота их колебаний
должна была быть 300 миллионов периодов в секунду.
Чтобы обнаружить волны, которые должен был
испускать вибратор, Герц изготовил, как он их назвал,
электрические резонаторы — кольца из медной прово-
локи с маленьким зазором между концами.
И все оказалось в полнейшем соответствии с предви-
дением Герца и с теорией Максвелла. Когда Герц пу-
скал в ход румкорфову катушку с вибратором, то в ре-
зонаторе проскакивали искорки. Падая на резонатор,
электромагнитные волны заставляли его колебаться,
возбуждали в нем напряжение, которое и вызывало
искры, и длина волны оказалась именно такой, как пред-
полагал Герц.
Герц проделал с этими электромагнитными волнами,
которые были в миллион раз длиннее световых волн, мно-
жество опытов, которые все подтвердили теорию Макс-
велла. Волны Герца, как и световые, отражались от ме-
таллических зеркал, преломлялись при помощи призм иэ
изолирующих материалов. Эти волны могли давать тени,
как и световые, обладали способностью огибать препят-
ствия, размеры которых меньше длины самой волны.
Опыты Герца возбудили огромный интерес во всем
мире. Нельзя ли применить эти волны как средство свя-
зи, как новое средство общения людей друг с другом?
Многие задавались этим вопросом.
Звуковые волны очень быстро слабеют с удалением
от источника звука. С их помощью можно осуществить
связь самое большее на расстоянии нескольких километ-
ров. Световые волны могут распространяться только
прямолинейно. Они не способны обогнуть угол, следо-
вать по коридору.
А как поведут себя эти новые электромагнитные
волны?
В эти годы родилась догадка, которая не опровергнута
окончательно и до наших дней: не излучает ли человече-
ский мозг электромагнитные волны? И не является ли
то, что называют иногда передачей мыслей на расстоя-
ние, передачей при помощи этих волн, недоступных ни
слуху, ни глазу, а только какому-то еще неведомому, на-
строенному в резонанс органу?
- 22 -
1ft Уравнения Максвелла выдержали испытание, но что
• ™ дальше?
Герц, как настоящий ученый, был очень осто-
рожен в выводах. Известно письмо Герца в ответ на
предложение некоего инженера применить для связи
электрические колебания, имеющие звуковую частоту.
Герц видел все трудности, которые встают при осуще-
ствлении такой связи.
Через два года после опубликования своих первых
работ об электрических вибраторах и резонаторах Герц
умер. Он умер молодым в разгаре новых исследований,
он не успел развить и продолжить свои опыты с электро-
магнитными волнами.
Мысли о возможности применить волны Герца для
целей связи продолжали волновать ученых. Интересны
статьи Крукса, в которых он предсказывал то, что мы
ныне называем радиосвязью.
I» «Не простой сон мечтательного философа»
Вот что писал Крукс:
«Лучи света не проходят через стены или, как мы
отлично знаем, через лондонский туман, но электромаг-
нитные волны длиной в ярд или более легко проходят
через такую среду, которая для них прозрачна. Здесь
открывается изумительная возможность телеграфирова-
ния без проводов, почты, кабеля или других наших тепе-
решних дорогих приборов. При реализации некоторых
разумных предпосылок все это оказывается в пределах
реального осуществления. В настоящее время экспери-
ментаторы могут возбуждать электромагнитные волны
любой длины и поддерживать их излучение в простран-
стве во всех направлениях. Возможно также применять
некоторые из этих волн, если не все, пропусканием их
через соответствующие тела, действующие как линзы, и
направлять пучок волн в любую сторону. Эксперимента-
тор, находящийся на некотором расстоянии, может при-
нять эти волны на подходящий прибор, и таким образом
путем применения посылки сигналов по коду Морзе
можно осуществить связь одного оператора с другим».
— 23 —
«Что остается открыть? Это, во-первых, более про-
стые и надежные способы генерирования электрических
лучей заданной длины волны, от кратчайших, скажем,
в несколько футов, которые свободно пройдут через
строения и туман, до тех длинных волн, которые изме-
ряются десятками, сотнями и тысячами миль; во-вто-
рых, более чувствительные приемники, которые будут
отзываться на длины волн, лежащие в известных преде-
лах, и не будут принимать другие, и, в-третьих, способы
концентрации пучка лучей в любом заданном направлении
при помощи линз или рефлекторов, благодаря чему чув-
ствительность приемников (повидимому, наиболее труд-
ная из проблем, подлежащих разрешению) может быть
меньше, чем в том случае, если принимаются волны,
просто излучаемые в пространство и в нем затухающие».
«С первого взгляда можно возражать против этого
плана вследствие отсутствия секретной связи. Если кор-
респонденты разделены расстоянием в одну милю и пе-
редатчик посылает энергию во всех направлениях, то
любое лицо, живущее на этом расстоянии, также могло
бы принимать сигналы. С этим можно бороться двумя
путями. Если точно известны места передатчика и при-
емника, то можно было бы с большей или меньшей точ-
ностью концентрировать лучи в направлении на прием-
ник. Если же передатчик и приемник перемещаются и
направленная связь не может быть применена, то кор-
респонденты настраивают свои приборы на определенную
длину волны, например в 50 ярдов; здесь предполагает-
ся, что дальнейшие изобретения приведут к приборам,
которые можно будет настраивать поворотом винта или
изменением длины проволоки с тем, чтобы осуществить
прием волн заданной длины. Так, если настройка соот-
ветствует 50 ярдам, то передатчик может излучать и
приемник принимать волны от 45 до 55 ярдов, исключая
все другие. Имея в виду, что в нашем распоряжении для
выбора будет весь диапазон волн от нескольких футов
до нескольких тысяч миль, надо полагать, что секрет-
ность была бы обеспечена, так как даже при самой не-
исправимой любопытности пришлось бы отказаться от
работы по просмотру нескольких миллионов возможных
волн со слабым шансом, наконец, натолкнуться на ту
именно волну, которую желательно подслушать- Приме-
няя коды для зашифровки сигналов, можно даже эти
— 24 —
Рис. 8. Александр Степанович Попов. Родился
4 марта 1859 г. Умер 31 декабря 19051'.
усилия сделать тщетными. Эго не простой сон мечтатель-
ного философа. Все необходимое для осуществления этой
задачи для повседневного применения находится в пре-
делах возможности открытий и столь явно лежит на
пути исследований, которые энергично производятся во
всех столицах Европы, что мы можем ожидать услышать
ежедневно, что это вышло за пределы предположений
в область трезвых фактов. Уже сейчас телеграфирование
без проводов возможно в пределах немногих сотен ярдов,
и несколько лет назад я присутствовал на опытах, при
которых сигналы передавались из одной части здания
в другую без всяких проводов, примерно таким же спо-
собом, который здесь описан».
Этот «не простой сон мечтательного философа» был
осуществлен впервые в мире в России.
7 мая 1895 г. (25 апреля по старому стилю) препода-
ватель Кронштадтской минной школы Александр Степа-
нович Попов на публичном заседании физического отде-
ления Русского физико-химического общества сделал
доклад, тема которого была записана в протоколе засе-
— 25 —
Дания «Об отношении металлических порошке® к элек-
трическим колебаниям».
День 7 мая принято считать у нас в Советском Союзе
днем изобретения радиосвязи (День радио).
На заседании Физического отделения Попов проде-
монстрировал установку, в которой были собраны вое-
дино все те основные элементы, из которых состоит и со-
временная установка радиосвязи.
ПЛ В России впервые в мире создана и осуществлена радио-
"" связь
Для обнаружения колебаний Попов применил вместо
искрового промежутка, которым пользовался Герц, не-
сравненно более чувствительный прибор — когерер.
Это стеклянная трубочка, заполненная металличе-
скими опилками. Опилки, насыпанные в виде рыхлой
массы, не проводят электрический ток, но как только
к ним попадают электромагнитные волны, они начинают
проводить ток. Тут опилки замыкают вспомогательную
цепь. Это замыкание может привести в действие элек-
трический звонок или телеграфный аппарат.
С когерером Попов соединил изолированный про-
вод — антенну, который значительно увеличил дальность
действия приборов.
Рис, 9. Грозоотметчик Попова—первый в мире радиоприемник.
— 26
1896 г. Попов передает телеграфно сигналы на рас-
сюяние 250 метров. Весной 1897 г. на Кронштадтском
рейде Попов осуществил связь на 640 метров. В 1897 г.
летом была достигнута дальность связи в 5 километров.
Z1 Радиосвязь находит практическое применение
Через двенадцать лет после опытов Генриха Герца и
через пять лет после того, как А. С. Попов впервые
продемонстрировал беспроволочную передачу сигналов,
броненосец русской балтийской эскадры «Генерал-адми-
рал Апраксин» во время штурмовой снежной пурги сле-
довал мимо острова Гогланд. Истомленный бессонной
ночью капитан 1-го ранга Линденштрем принял, как он
показывал потом на следствии, красный огонь Гогланд-
ского маяка за судовой отличительный огонь, уклонился
влево, чтобы дать этому воображаемому судну дорогу,
и с полного хода вылез на скалы острова Гогланд.
Попытки адмирала Амосова стащить «Апраксина»
с камней при помощи буксиров не удались. На 5 мет-
ров в глубь носовой части «Апраксина» вошла скала.
Авария с «Апраксиным», одним из лучших судов рус-
ского флота, расценивалась, как весьма неприятное про-
исшествие. Под начальством адмирала 3. П. Рожде-
ственского были организованы срочные спасательные
работы. Чтобы связать остров Гогланд с материком,
было решено применить беспроволочный телеграф А. С.
Попова.
Это было первое в мире не экспериментальное, а де-
ловое применение беспроволочного телеграфа, первая
практическая радиосвязь на расстоянии 43 верст.
20 декабря 1899 г. были высланы две партии для
устройства станций беспроволочного телеграфа. Одна
была установлена на острове Кутсало, вблизи города
Котка; вторая — на острове Гогланд на голом утесе,
в версте к северу от потерпевшего аварию броненосца.
К 4 февраля на утесе уже высилась мачта высотой око-
ло 50 метров и под ней домик радиостанции.
5 февраля (24 января) радиостанция Готланда при-
няла первую 'радиотелеграмму. Ее передавал из Котка
сам Попов.
— 27 —
«24 января 1900 г. 2 часа 15 мин. дня. Командиру
«Ермака». Около Лавенсари оторвало льдину с рыба-
ками. Окажите помощь. Авелан».
Командир «Ермака» немедленно принял ее к испол-
нению. Раскалывая огромную толщу льда, корабль вы-
шел в море. Рыбаки были спасены.
Командир Главного Кронштадтского порта адмирал
С. О. Макаров, по чертежам которого был выстроен са-
мый мощный в мире ледокол «Ермак», прислал Попову
поздравительную телеграмму, в которой писал:
«От имени всех кронштадтских моряков сердечно при-
ветствую вас с блестящим успехом вашего изобретения.
Открытие беспроволочного телеграфного сообщения от
Кутсало до Гогланда на расстоянии 43 верст есть круп-
нейшая научная победа».
Авария с «Апраксиным» дала мощный толчок делу
развития радиосвязи. В наши дни, через полвека после
аварии «Апраксина», можно сказать, что причиненный
этой аварией ущерб ничто по сравнению с той пользой,
которую эта авария принесла радиотехнике. Можно
смело утверждать, что стоило' бы разбить о камни не
один броненосец, а целую эскадру судов,^чтобы получить
такую демонстрацию беспроволочной связи.
И это трогательное совпадение, что первая в мире
радиограмма русского ученого была призывом о по-
мощи гибнущим людям, что на помощь рыбакам вышел
русский корабль, дает еще один характерный для рус-
ской науки и техники штрих.
В начале нашего столетия во всем мире идет напря-
женная работа над усовершенствованием радиосвязи.
Больших успехов добился молодой итальянский инже-
нер-предприниматель Маркони. Заимствовав схему По-
пова, он поставил дело беспроволочного телеграфа на
широкую коммерческую ногу. Маркони организовал в
Англии акционерную компанию, привлек в дело большие
капиталы. На службу в компанию Маркони поступили
многие выдающиеся специалисты: такие, как Флеминг,
Раунд и другие.
Компания Маркони добилась резкого увеличения
дальности телеграфирования. В скором времени уже уда-
валось передавать депеши через Атлантический океан.
- 28 -
Еще об «электрических маятниках»
Мы начали эту главу с утверждения, что история
всей высокочастотной электротехники—это история со-
вершенствования колебательных контуров и методов воз-
буждения в них колебаний.
После того, как промышленная радиосвязь стала
реальностью, развитие колебательных контуров идет
особо интенсивно.
Потомки Лейденской банки
Много остроумия, изобретательности, выдумки было
применено на то, чтобы построить хорошие конденсаторы
для колебательных контуров. Бее конденсаторов немыс-
лима колебательная электротехника.
Каждый конденсатор не полностью отдает накоп-
ленную в нем энергию, он как бы берет проценты за
хранение энергии- Отношение потерь энергии в конден-
саторе за каждый его разряд к тому количеству энер-
гии, которое он при разряде отдает, называют декремен-
Рис. 10. Различные типы электрических конденсаторов.
Слева—слюдяной’конденсатор для колебательного^контура радиопередатчика.
Конденсатор помещен в алюминиевый кожух, который и является одним полюсом.
Второй полюс выведен через высоковольтный фарфоровый изолятор на крышке
кожуха. Такой конденсатор работает при напряжении 10 тысяч вольт, мощность
его 120 киловольтампер. Его емкость 2 000 сантиметров. Выгоднее всего^приме-
нять такие конденсаторы при частотах от 100 тысяч до миллиона герц.
Справа показан конденсатор с бумажномасляной изоляцией. Он годится для
частот тока не выше 10 тысяч герц. Такие конденсаторы применяются в бессер-
дечниковых плавильных печах и для закалочных установок, которые питаются
от машинных генераторов. Показанный на рисунке конденсатор работает при
напряжении* не выше 1 000 вольт, имеет емкость I микрофараду (около миллиона
сантиметров) и может развивать колебательную мощность до 100 киловольтампер.
— 29 —
Рис. 11. Конденсатор переменной емко-
сти с воздушной изоляцией.
Переменные конденсаторы применяются в ра*
диоприемниках и волномерах. На рисунке пред-
ставлен конденсатор с температурной компенса-
цией Он годится для точной регулировки емко-
сти, для точных измерений. Емкость его меняется
поворотом ручки на ItO1 в пределах от 50 до
500 сантиметров. Рабочее напряжение та .ого
конденсатора не выше 100 вольт.
Рис. 12. Керамический
конденсатор.
Его остов выполняется из
специального фарфора или из
другой изоляционной массы,
которая имеет малые потери в
поле высокой частоты. С двух
сторон нанесены слои сереб-
ра — это об сладки, к которым
припаиваются выводы. Пред-
ставленный на рисунке конден-
сатор имеет емкость 35 санти-
метров, выдерживает напря-
жение до 10 тысяч вольт и
может поставлять до 5 кило-
вэльтампер реактивной мощ-
ности. Такие конденсаторы
применяются в высокочистот-
ных закалочных установках.
Там они собираются в батареи
по нескольку сотен штук
(ча ть конденсатора отбита,
чтобы показать сечение изо-
лятора).
том затухания конденсатора. Чем меньше этот декре-
мент, тем больше колебаний может совершить энергия,
прежде чем она полностью рассеется на потери. Чем
меньше декремент затухания, тем выше качество кон-
денсатора. Заметим, декремент—число отвлеченное, не
именованное. Выражается декремент правильной дробью.
Для низких частот до 10 000 периодов в секунду при-
меняют конденсаторы с изоляцией из бумаги, пропитан-
ной маслом или парафином; такая изоляция дешева, на-
дежна, н'о в ней вязнет много энергии. В конденсаторах
с бумажно-масляной .или бумажно-парафиновой изоля-
цией декремент затухания составляет несколько сотых
долей.
Очень хороший изоляционный материал — слюда.
Ее можно расщеплять на листочки тоньше одной деся-
той миллиметра, и из таких листков делают прокладки в
конденсаторах. Конденсаторы со слюдяной изоляцией
— 30 —
Стекло Наружная обкладко
Рис. 13. Пустотный (вакуумный) конденсатор.
Его обкладки помещены в стеклянный баллон, из которого тщательно выкачан
воздух. Такой конденсатор имеет минимальные потери, но также малую емкость.
В настоящее время пустотные конденсаторы выгодно применять только для ча-
стот выше миллиона герц. Они используются в коротковолновых радиопередат-
чикам и уста .овках для диэлектрического нагрева.
имеют декремент затухания в сто раз меньший, нежели
бумажные конденсаторы. Декремент слюдяных конденсаи
торов равен десятитысячным долям. Слюда имеет высо-
кую электрическую прочность, к ней можно приклады-
вать высокие напряжения! и поэтому слюдяные конден-
саторы имеют малые вес и объем. Для частот тока от
10000 до миллиона герц это в настоящее время один из
лучших типов конденсаторов.
Строятся конденсаторы и с воздушной изоляцией.
Воздух — это самый дешевый изоляционный материал,
к тому же в воздушной изоляции не возникает потерь
энергии и воздушный конденсатор может иметь декре-
мент затухания не больше нескольких стотысячных. Но
воздух мало прочен. Слой воздуха толщиной в один
сантиметр при атмосферном давлении пробивается уже
при напряжении в 30 тысяч вольт. Воздушные конден-
саторы получаются очень громоздкими. И хотя изоля-
ция в них не дорогая, но зато они должны иметь боль-
шие обкладки. Воздушные конденсаторы требуют много
металла и поэтому стоимость их не мала.
Можно улучшить дело, если сжать воздух. Его элек-
трическая прочность возрастает прямо пропорционально
давлению. При давлении в пять, скажем, атмосфер тре-
буется почти в пять раз более высокое напряжение, что-
бы пробить зазор между пластинами. При пяти атмо-
сферах конденсатор может запасать в двадцать пять раз
— 31 -
больше энергии, нежели при одной атмосфере. Но для
конденсатора под давлением требуется очень прочный
бак. Этот бак герметически запаивается или его снаб-
жают манометром и насосом вроде примусного, -чтобы
подкачивать воздух, когда со временем давление упадет.
Иногда наполняют конденсаторы под давлением не воз-
духом, а специальным газом, который имеет более высо-
кую электрическую прочность.
Существуют еще конденсаторы, у которых обкладки
помещены в баллон. Давление в таком баллоне не повы-
шенное, а наоборот, воздух вовсе выкачан—это так на-
зываемые -вакуумные конденсаторы.
Пустота, г. е. безвоздушное пространство—это очень
хорошая, самая лучшая изоляция.
Разрядник
Микалекв
Микалекс
Сварка
— Отверстие для впуска газа
2W
Стекло
пирекс
Стальная
труба
Резина
Рис. 14. Конденсатор со сжатым газом.
Его обкладки находятся в прочном стальном баллоне, в котором давление до-
водится до 20, а иногда и до 40 атмосфер. Конденсаторы под давлением могут раз-
вивать мощность в несколько тысяч киловольтампер при малых размерах.
— 32 —
При хорошем разрежении, при высоком вакууме тре-
буются очень высокие напряжения, чтобы пробить зазор
между пластинами. Но чуть вакуум испортится, и кон-
денсатор теряет свою электрическую прочность.
ЛЬ Опять «электрические маятники»
Когда в рояле молоточек ударяет по струне, она йачи-
нает совершать колебания. Энергия, которую сообщил
молоточек струне, постепенно рассеивается, частично
уходя со звуковыми волнами, а частично теряясь на тре-
ние внутри самой струны, превращаясь в тепло. Струна
рояля совершает затухающие колебания.
По такому принципу работали и первые радиопере-
датчики. Конденсатор колебательного контура заряжал-
ся до высокого напряжения, затем проскакивала искра и
заряд конденсатора начинал колебаться. В течение не-
скольких десятков периодов колебания полностью зату-
хали. Часть запасенной в конденсаторе энергии при
этом излучалась в пространство. Затем конденсатор
вновь заряжался и вновь проходила серия затухающих
колебаний. Таких серий могло проходить от нескольких
десятков до нескольких сотен и даже тысяч в» секунду.
Рис. 15. Механическая автоколебательная система.
Гиря, подвешенная на пружине, совершает незатухающие колебания, потому
что при каждом своем качании она замыкает цепь электромагнита, который сооб-
щает гире дополнительный импульс энергии. Колебания будут продолжаться не-
ограниченное время, если энергия, сообщаемая гнре'электромагнитом, в точности
равна потерям энергии от трения гири о воздух, от трения в пружине.
3 Г. И. Бабат.
Радиопередатчики с затухающими колебаниями йё
пригодны были для телефонной связи. Кроме того, труд-
но построить такой передатчик на очень большую мощ-
ность.
Механические системы, совершающие незатухающие
колебания, появились вскоре после наблюдения Галилея
над лампадами. Такие системы были изобретены Гюй-
генсом. Теперь их знает каждый — это маятники часов.
В часах маятник со-
единен со спусковым ме-
ханизмом. При каждом
качании маятника спуско-
вой механизм подталки-
вает маятник, сообщает
ему порцию энергии.
Часы должны быть так
Рис. 16. Электрическая автоколе-
бательная система.
Контур, составленный из емкости и са-
моиндукции, совершает незатухающие ко-
лебания. Каждый период электронная
лампа вводит в контур импульс тока. Be*
личина этого импульса должна быть
такова, чтобы точно возмещать потери в
конденсаторе и в катушке колебательно*
го контура.
и тем же.
отрегулированы, чтобы
спусковой механизм со-
общал маятнику ровно
столько энергии, сколько
маятник теряет на трение
о воздух, на трение в
подвесе и на управление
самим спусковым меха-
низмом. Тогда маятник будет совершать незатухающие
колебания. Размах их будет оставаться все время одним
Но как приделать «спусковой механизм», к «электри-
ческому маятнику», к колебательному контуру, который
состоит из емкостей и самоиндукции?
Совершенно случайно инженер Дудель сделал наблю-
дение, что иногда электрическая дуга начинает звучать,
петь. Оказалось, что дуговой разряд возбуждал коле-
бания в электрической цепи, в которой имелись емкость
и самоиндукция.
Дуговой разряд действовал как спусковой механизм
в часах. Колебания тока в дуговом разряде соверша-
лись в такт с колебаниями в цепи, составленной из ем-
кости и самоиндукции, и подталкивали этот «электриче-
ский маятник» тысячи раз в секунду.
Много работал над дуговыми генераторами Педер-
сен. Ему удалось создать конструкции, которые давали
— 34 —
мощность До нескольких сотён киловатт при частоте то-
ка до 100 тысяч периодов в секунду.
Во время первой мировой войны был найден новый
замечательный «электрический спусковой механизм» —
прибор, который наиболее совершенным способом мог
поддерживать незатухающие колебания в самых различ-
ных электрических контурах, — электронная лампа.
* *
*
Волны моря, ударяя о берег, катят гальку, сдвигают
тяжелые камни... Всякое механическое волновое движе-
ние, встретившись с препятствием, оказывает на него
давление. Даже слабые звуковые волны способны коле-
бать и двигать легкие предметы.
Из электромагнитной теории Максвелла следовало,
что электромагнитные волны должны также производить
механическое давление. А так как по этой теории к элек-
тромагнитным колебаниям относятся и световые лучи,
то и они давят на освещаемые предметы.
Когда электромагнитная теория света была впервые
опубликована, то многие видные ученые с ней не согла-
сились. Томсон, тот, чья формула приведена на странице
17, категорически утверждал, что Максвелл не прав.
Выяснить истину можно было только опытным путем.
Русский физик П. Н. Лебедев решил произвести измере-
ние светового давления. Целой серией тончайше постав-
ленных опытов Лебедев определил силу, с которой давят
световые лучи на легкие вдэылышки, помещенные в раз-
ряженное пространство.
Томсон сказал после этого К. А. Тимирязеву: «... я
всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его тео-
рии, а вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его
опытами».
На основании данный Лебедева о световом давлении
русский астроном Бредихин разработал теорию хвостов
комет, получившую всеобщее признание.
3*
2. Электроны в пустоте
В современную техническую и научную терминологию
прочно вошло слово «электроника».
Электроника — это наука и промышленность. К ней
относятся электрические явления, связанные с действием
заряженных атомных частиц вне твердых и жидких тел.
’Множество самых разнообразнейших задач решают
электроны, работающие в «пустоте».
25 Предистория электроники
Виднейшие ученые античного мира отрицали сущест-
вование ничем не заполненного пространства — пустоты.
— В природе нет пустоты, природа боится пустоты,—
поучал греческий философ Аристотель.
Это доказывалось простым опытом. Трубка с плотно
пригнанным поршнем погружалась в жидкость. Подни-
мешь поршень, и жидкость неотступно следует за ним,
не оставляя пустого пространства.
Утверждение .Аристотеля считалось бесспорным в те-
чение шестнадцати ве,ков, пока итальянский ученый То-
ричелли не повторил опыта с трубкой и поршнем. Но
вместо воды, вина и масла, которыми пользовались все
предшествующие ученые, Торичелли взял самую тяже-
лую из всех жидкостей — ртуть. Ртуть поднялась в труб-
ке примерно на 760 миллиметров. Дальше «страх» при-
роды перед пустотой не действовал. Позднее француз-
ский ученый Паскаль нашел, что и для легких жидко-
стей существует ограниченная высота подъема. Вода
поднимается на десять метров, оливковое масло на три-
надцать.
Так было доказано существование безвоздушного
пространства в природе. Мало того, в этом пространстве,
— 36 —
в этой пустоте, как говорят для краткости речи, обнару-
жились удивительные свойства.
Некий служивший на голландском корабле русский
шкипер, встряхивая ртутный барометр, заметил, что
иногда безвоздушное пространство над ртутью начинает
светиться. При встряхивании в пустоте вспыхивают зелено-
ватые искры. Эти крохотные электрические разряды, выз-
ванные трением, были первым знакомством человечества
с прохождением электричества через разреженные газы.
Шкипер, наблюдавший в Индийском океане зелено-
ватое свечение в пустоге над ртугью барометра, послал
известие о своих наблюдениях ученым из Академии
в Болонье и Королевского общества в Лондоне. Зеленое
свечение паров ртути в трубке, из которой выкачан воз-
дух, но в которой находятся несколько капель жидкой
ртути, наблюдал также и Ломоносов. Но в ту пору ни-
кто не мог предвидеть того блеска, которым озарили
грядущую жизнь человечества электрические разряды,
проходящие в пустоте. Этот огонь, созданный человеком
в «пустоте», впервые ярко засиял в России.
26 Открытие академика Петрова
В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской медико-
хирургической академии Василий Петров построил
столб. Он составил его из 4 200 медных, цинковых и су-
конных кружков, смоченных разведенной серной кисло-
той. По тем временам это была «огромная наипаче ба-
тарея», как писал Петров в своей книге «Известия о
гальвани-вольтовских опытах». К полюсам своей бата-
реи Петров присоединил два угля и обнаружил, что при
соприкосновении углей возникает необычно яркое «све-
тоносное явление».
Впоследствии оно было названо вольтовой дутой.
Затем Петров поместил угольки, соединенные с по-
люсами батареи, под колпак воздушного насоса. Петров
открыл, что с понижением давления «светоносное явле-
ние» возникает между углями без того, чтобы их надо
было предварительно приводить в соприкосновение. Он
увидал, что форма и цвет свечения меняются в зависи-
мости от степени пустоты под колпаком. Этот закопчен-
ный стеклянный колпак над березовыми угольками был
далеким предком разнообразнейших приборов, которые
— 37 —
столетие спустя нашли широкое применение и в быту,
»< во всех отраслях промышленности.
После Петрова ученые всех стран исследуют про-
хождение электрических разрядов в безвоздушном про-
странстве. В конце XIX и начале XX веков это был та-
кой же актуальный вопрос, как в наши дни изучение
атомного ядра.
27
Ток в пустоте
В 1873 г. А. Н. Лодыгин демонстрировал' в СПБ Тех-
нологическом институте созданную им электрическую
лампу накаливания. Эта была первая в мире лампа на-
батарея
Рис. 17. Прохождение элек-
каливания, вполне пригодная
для практического применения.
После работ Лодыгина
лампы накаливания стали изу-
чаться во многих странах. Ра-
ботая над усовершенствова-
нием лампы Лодыгина, Эди-
сон поместил внутри лампы
металлическую пластинку и вы-
вел от нее наружу .платиновую
проволоку. При этом он заме-
тил, что если присоединить
платиновую проволочку от пла-
стинки к положительному кон-
тронов через пустоту. цу нити, то от пластинки к
нити через пустоту потечет ток. Эдисон, на всякий слу-
чай, заявил в 1883 г. довольно туманный патент на
«электрический индикатор», который использует про-
хождение электротока через пустоту. Никакого практи-
ческого применения этому непонятному явлению Эдисон
не находил ни в одной области техники. Позднее Дж.
Дж. Томсон объяснил эдисоновский эффект: раскаленная
нить испускает отрицательные заряды—электроны. Это
явление было названо электронной эмиссией—электрон-
ным излучением. Задолго до установления законов элек-
тронной эмиссии раскаленными телами выдающийся рус-
ский физик Александр Григорьевич Столетов сформули-
ровал общий закон, управляющий процессом отщепле-
ния электронов от вещества.
— 38 —
Рис. 18. Первые трехэлектродные
электронные лампы.
Электронный разряд и радиосигналы
Амброзиус Флеминг, научный консультант лондонско.
го отделения Эдисоновской электрической компании
также построил несколько ламп с добавочной пластин-
кой, измерил слабые токи между пластинкой и нитью и
напечатал об этом несколько статей в технических
журналах.
В 1899 г. Флеминг стал консультантом в только что
образовавшейся «Компании беспроволочного телеграфа».
Вместе с Маркони он на-
чал строить большую ра-
диостанцию, чтобы пере-
давать сигналы беспро
водочного телеграфа че-
рез океан. Передающую
станцию они поместили в
Польдью, в Англии, при-'
емную—в Ньюфаундлен-
де в Америке.
Флеминг решил при-
способить к беспроволоч-
ному телеграфу самопи-
шущий прибор. Для этого
слабые электрические ко-
лебания, полученные приемными антеннами, надо было
выпрямить — превратить в постоянные токи.
В 1904 г. Флеминг вспомнил об эдисоновском эффек-
те и построил несколько ламп с угольной нитью, окру-
женной металлическим цилиндром. От цилиндра был
сделан отдельный вывод через стекло баллона. Флеминг
назвал свою лампу электрическим вентилем или клапа-
ном, так как между цилиндром, окружающим нить (по-
том его стали называть анодом), и накаленной угольной
нитью (ее назвали катодом) ток может проходить только
в одном направлении — от анода к катоду. Этот вентиль
прекрасно выпрямлял электрические .колебания, работал
много устойчивее всех применявшихся до того приборов.
Следующий шаг сделал в 1906 г. Ли де-Форест, .по-
местивший между нитью и анодом третий электрод —
сетку. При помощи сетки ток, проходящий в пустоте,
может гибко и точно регулироваться. Сетка — управляю-
щий электрод, требует мощность в десятки, а то и § сор
ни раз меньшую, нежели мощность, отдаваемая в анод-
ной цепи. Де-Форестовский прибор хорошо служит в ка-
честве усилителя в радиотехнике. Эту трехэлектродную
лампу стали называть триодом или аудионом (от латин-
ского слова «аудио» — слушаю).
После изобретения Де-Фореста стали возможны ра-
дио-телефония, появились мощные громкоговорители.
'Аудион мог усиливать без искажения самые тончайшие
звуковые модуляции.
Откуда идут электроны в пустоту?
Душа электронной лампы — катод. Это — волосок,
накаленный током и испускающий электроны. Вначале
конструкторы электронных ламп пользовались для своих
катодов теми же материалами, что применяются для во-
лосков осветительных ламп. Они брали угольную нить,
когда осветительные лампы были угольными. А впослед-
ствии, когда осуществилась идея русского изобретателя
Лодыгина и в осветительных лампах стали применять
тонкие нити из вольфрама, то конструкторы электронных
ламп стали делать вольфрамовые катоды. Но ведь рас-
каленный волосок выполняет в осветительной и в элек-
тронной лампе совершенно разные функции. В электрон-
ной лампе совсем не нужно, чтобы нить испускала свет
и тепло. Здесь требуются электроны и только электроны.
Световое излучение нити электронной лампы только
вредно. Но вольфрам, даже нагретый до 2 400° С, испу-
скает небольшой электронный тек. Вольфрам, как гово-
рят,- туг на электронную эмиссию. Для создания вы-
сокого накала вольфрамовой нити приходится затрачи-
вать много энергии. Чтобы получить один ампер элек-
тронной эмиссии, на накал вольфрамового катода надо
затратить до полкиловатта мощности. Если еще повы-
сить температуру вольфрама, то испарение электронов
с него возрастет сильнее, нежели потери энергии. Катод
станет экономичнее. Но чем сильнее раскален волосок,
тем больше он распыляется, тем короче срок его службы.
Можно так раскалить вольфрам, что на каждый ампер
электронной эмиссии будет затрачиваться меньше одной
десятой киловатта. Но такой катод будет жить меньще
сотни часов.
— 40 —
Экономичные и долговечные катоды были открыты
Артуром Венельтом.
Венельт не думал заниматься техническими вопро-
сами конструирования электронных ламп. Его заинтере-
совала формула Ричардсона, по которой тот предлагал
вычислять величину электронного тока, испускаемого
раскаленными металлами, в зависимости от их темпера-
туры. Венельт, сомневаясь в правильности формулы Ри-
чардсона, решил проверить ее на опыте.
OU Загадочное изобилие
Венельт начал работать с -платиновым-и воло-сками и
с самого начала у него пошли неудачи. Он никак не мог
добиться, чтобы электроны испускались равномерно всей
поверхностью нити. Из отдельных точек платинового- во-
лоска исходили сияющие лучи. Эмиссия из этих точек
была в несколько раз больше, чем с остальной нити.
Венельт брал для своих нитей самую чистую платину и
с большими предосторожностями запаивал нити в стек-
лянные колбы. Он всегда тщательно мыл руки, когда
работал с нитью. Ничто не помогало. Электроны излу-
чались из отдельных точек катода с загадочной интен-
сивностью. Венельт близоруко прищурил глаза и поднес
пальцы к самому носу. А что, если достаточно самых
ничтожных, микроскопических доз какого-нибудь посто-
роннего вещества, чтобы загрязнить нить? На пальцах
могли остаться лишь следы борного мыла или зубного
порошка. _ Венельт задумался. Зубной порошок? Это
ведь мел... углекислый кальций. А что, если попробо-
вать...
Через несколько минут физик торопливо запаивал
в стеклянную колбу платиновый волосок, облитый мело-
вой водой. Так и есть! Загрязненная мелом нить испу-
скала мощные электронные потоки. Венельт подал на
анод положительное напряжение, и через лампу потек
большой ток.
Осенью 1903 г. Венельт сделал доклад об удивитель-
ных свойствах солей щелочных и щелочноземельных ме-
таллов. Они во много раз увеличивали испускание элек-
тронов накаленными проволочками. Выяснилось, что во-
досок можно делать не только из платины, которая так
— 41 —
дорога, но также из многих других металлов и их спла-
вов, например: из железных, никелевых и других.
В 1903 г. трудно было предсказать судьбу этого от-
крытия; тогда это воспринималось скорее всего как инте-
ресный научный курьез. В наше время все приемные и
многие передающие радиолампы снабжаются катодом из
никеля, покрытого солями щелочноземельных металлов—
кальция, бария, стронция. Тридцать лет спустя откры-
тие Венельта позволило построить простые экономичные
приемники, питаемые прямо от осветительной сети. Это
стало основой массовой радиофикации.
Катоды, покрытые соединениями щелочноземельных
металлов — оксидные катоды, как их называют, рабо-
тают при температуре темнокрасного каления 800—
900° С. На каждый ватт, затрачиваемый на их накал,
они дают иногда до четверти ампера электронной эмис-
сии. Срок их службы достигает нескольких тысяч часов.
Нужна не любая пустота, а пустота отличная
Пе|рвые аудионы работали крайне неустойчиво. Из
десятка ламп, изготовленных на одном и том же откач-
ном станке (так называются станки, на которых удаля-
ется из ламп воздух), не было двух одинаковых. Неко-
торые аудионы почему-то давали огромное усиление,
другие не только не усиливали, но даже заглушали при-
нимаемые сигналы.
Физики должны были подробно изучить все капризы
поведения электронов в пустоте, объяснить все аномалии,
дать формулы для точного расчета, разработать методы
производственного контроля выпускаемой продукции.
Альберт Хэлл и Ирвинг Лэнгмюр работали нетороп-
ливо и методично. Они начали с флеминговского вен-
тиля. В 1912 г. было еще много физиков, которые не
верили, что электроны испускаются раскаленными тела-
ми. Ток (Проходит в пустотных приборах только потому,
полагали эти ученые, что раскаленная нить, нагревая
остатки газа, делает его электропроводным. Создайте в
лампе действительно полную пустоту, и ток через нее
совсем не пойдет. Чтобы проверить это, Хэлл и Лэнгмюр
построили громадный вентиль с вольфрамовым катодом
толщиной с добрый гвоздь. Они долго грели этот вец-
- 42 —
тиль, тщательно откачивали из него воздух и, наконец,
добились такой пустоты, которую даже не смогли изме-
рить. Они присоединили катод к мощной динамомашине,
и вольфрам засветился ослепительно ярким светом.
По формуле Ричардсона, которую Венельт так и не
опроверг, следовало, что такой катод должен испускать
электронный ток во много ампер. Хэлл и Ленгмюр вклю-
чили в анодную цепь самый грубый амперметр, какой
только нашелся в лаборатории.
— Ну что ж, начнем осторожно.
Они включили между анодом и катодом батарею
в 10 вольт — стрелка амперметра даже не дрогнула. Они
повысили напряжение до 100 вольт — стрелка ампермет-
ра оставалась неподвижной. Они приключили к своей
лампе батарею в 1,000 вольт. Странно — стрелка ампер-
метра все еще не шевелилась. Физики растерянно пере-
глянулись.
— А может быть, правы те, кто утверждает, что в пол-
ной пустоте никакого испускания электронов накален-
ными телами не может быть.
Они притащили из соседней лаборатории большой
трансформатор на 100 тысяч вольт и включили его
в анодную цепь своей лампы. Пошел слабый, еле замет-
ный ток. Лэнгмюр облегченно вздохнул: как-никак, хоть
какой-нибудь ток.
ОХ Электронам тесно <в пустоте
Десятки опытов были поставлены, прежде чем выяс-
нили, почему через лампу проходит такой малый ток. Из
этих опытов установили, что вылетающие из нити элек-
троны образуют вблизи нее облачко, которое жмется
к нити, как туман к земле в холодную погоду. Это обла-
ко электронов, рассеянных в пространстве, так и назы-
вают пространственным зарядом. Электроны расталки-
вают друг друга в облачке пространственного заряда.
И это их расталкивание мешает прохождению тока
через лампу. Вылетевшие вперед электроны отталки-
вают тех, кто идет за ними.
Если анод расположен далеко, он должен иметь
очень высокое напряжение, чтобы вытянуть электроны
— 43 —
из облака, окружающего нить. Так Лэнгмюр нашел фор-
мулу пространственного заряда — знаменитый закон
«трех 'вторых»: ток электронов через пустоту пропорци-
онален не просто напряжению, а напряжению, возведен-
ному в степень трех вторых, т. е. если увеличить напря-
жение на аноде 1в 4 раза, то ток возрастет в 8 раз, а
если увеличить в 100 раз, то ток увеличится в 1 000 раз.
Дальнейшими опытами Лэнгмюр установил, что ток
в электронной лампе следует закону трех вторых,
лишь когда в лампе действительно хорошая пустота.
Если же внутри баллона имеются остатки газа, то летя-
щие от катода к аноду электроны могут сталкиваться
с атомами этого газа. Атомы возбуждаются под ударами
электронов. При этом возникает свечение. Некоторые из
атомов под ударами переходят в следующую за возбуж-
дением стадию. Из них выбиваются электроны, а сами
они получают положительный, заряд — ионизуются. Ток
между электродами лампы резко, лавиной возрастает.
Сетка теряет контроль над этим током.
Так было установлено, что чем совершеннее пустота,
тем более четко, тем устойчивее работает электронная
лампа.
Электроника становится наукой
Первые ламповые заводы были оборудованы теми же
насосами, что и домовые пылесосные установки. В пе-
риод первой мировой войны был построен паро-ртутный
конденсационный насос, который позволяет получить
разрежение до миллионных и даже миллиардных долей
от атмосферного давления.
Пустота именуется теперь латинским словом вакуум.
Вместо того, чтобы сказать просто «хорошая пустота»,
теперь применяется термин «высокий вакуум».
Вскоре было открыто еще одно замечательное свой-
ство электронных ламп. Оказалось, что электронные
лампы могут не только принимать и усиливать сигналы,
но и вырабатывать переменный ток. Если подвести
к аноду постоянный ток, то при помощи сетки электрон-
ная лампа может разбить его на отдельные порции,
превратить в высокочастотные колебания. Очень скоро
— 44 -
электронная лампа, как генератор токов высокой и сверх-
высокой частоты, вытесняет все другие типы генерато-
ров.
Строятся специальные заводы для производства
электронных ламп и других пустотных приборов. Воз-
никает новая отрасль промышленности, так и назван-
ная — электровакуумная.
Завод «Светлана»
В 1913 г. в Петербурге был построен электроваку-
умный завод, названный «Светлана»-
До Великой Октябрьской революции на этом заводе
изготовляли одни лишь только лампы накаливания.
Лампы эти собирались из импортных материалов. Даже
стеклянные колбы ввозились из-за границы.
ОО Рождение советской радиотехники
В 1917 г. русский военный инженер-электрик пору-
чик М. А. Бонч-Бруевич (впоследствии член-корреспон-
дент Академии наук СССР) организовал на Тверской
радиостанции производство приемных электронных ламп.
Тверская приемная радиостанция международных сноше-
ний размещалась за городом в двух временных дере-
вянных бараках. В одной из комнатушек обосновалось
«предприятие» Бонч-Бруевича. Вот как описывает его
один из участников П. Остряков:
«.. .Сафонов и Соколов—рядовые, откомандированные
из пехотного полка, работают руками, губами и ногами.
Ноги качают нечто похожее на кузнечный мех, руки вер-
тят в пламени керосиновой горелки стеклянную трубку с
раскаленным баллончиком на конце, а щеки, раздуваясь
до предела, нагнетают в этот баллончик воздух.
Тут же на стене замысловатое сооружение из стек-
лянных трубок, проволоки и резины—откачной пост. На
полу воздушный насос. Его притащили из местной гим-
назии, где учитель физики с помощью этого насоса убеж-
дал, что в безвоздушном пространстве все тела падают
— 45 —
с одинаковой скоростью. Сейчас насос выполняет произ-
водственные функции. Его колесо вертит ефрейтор Боб-
ков. На лбу у Бабкова капли пота. У него масса обязан-
ностей. Он—начальник, он же—мастер и он же—весь
штат рабочих «вакуумного цеха». За отсутствием на ра-
диостанции электрического тока, он, заменяя собой мо-
тор, крутит колесо насоса форвакуума, следит за кероси-
новой горелкой насоса Лэнгмюра и в то же время мано-
метром Мак-Леода измеряет вакуум в лампе...»
По декрету СНК СССР от 2/ХИ 1918 г. в Нижнем
Новгороде была организована центральная радиолабора-
тория. В первое время она выпускала 3 000 радиоламп
в месяц. «Создавайте газету без бумаги и расстояний,
организуйте митинг с миллионной аудиторией»,—писал
Бонч-Бруевичу Владимир Ильич Ленин. Ленин лично
следил за развитием радиотехники и особенно радиове-
щания. По его указаниям была создана «Особая комис-
сия по сооружению радиосети республики».
В тяжелые годы голода и разрухи профессор Бонч-
Бруевич строит в нижегородской лаборатории стокило-
ваттную генераторную лампу, самую мощную тогда во
всем мире и долгое время служившую образцом для кон.
структоров.
OD Гиперболоид инженера Шухова
В Москве на Шаболовке по проекту инженера Шухо-
ва (впоследствии почетного академика) начала строить-
ся легкая ажурная башня из металлических стоек и
колец, широких у основания и постепенно суживающих-
ся в вышине. Башня воздвигалась как одна из основ-
ных опор антенной сети Шаболовской радиопередаю-
щей станции. Шухов избрал совершенно оригинальную
конструкцию свободно стоящей башни, невиданную
еще нигде в мире. Опыта постройки подобных сооруже-
ний не было. Успех определяли смелость и фантазия кон-
структора.
Башня собиралась по секциям, высотой 25 метров
каждая. Нижняя секция стояла на бетонном фундаменте.
Вторая секция монтировалась внутри первой и стальные
тросы поднимали ее вверх. Следующие секции собира-
— 46 —
Лись йрй помощи предыдущих без всяких лесов или ка-
ких-нибудь подсобных деревянных опор.
Каждая секция башни состояла из двух колец и из
прямолинейных стоек, но эти стойки располагались на-
клонно так, что образовывали изогнутую поверхность,
известную под названием однополого гиперболоида.
Сезонные рабочие, пришедшие на строительство баш-
ни, долгое время не могли понять назначения этого
странного сооружения. Для них, привыкших строить из
камня и дерева, легкие перекрытия башни, сквозь кото-
рые просвечивало небо, казались пустой причудой.
— Что строите?—спрашивал новичок, только что при-
ехавший из деревни.
— Воздух,—отвечали седобородые мастера.
Строительство башни было хорошо видно из окон
Кремля. Владимир Ильич нередко останавливался у окна
и любовался ажурной мачтой. Он воодушевлял строите-
лей личной заботой о судьбе сооружения. Когда на строй-
ке нехватило железа, Владимир Ильич помог получить
его из запасов Военного ведомства. Ленин придавал ог-
ромное значение развитию советской радиотехники.
Башня была закончена ранее задуманного срока. Ее
высота составила 160 метров.
Башня Шухова знаменовала первые успехи советско-
го радиостроения. Ее изображение стало эмблемой со-
ветского радио.
37 Грелка Чернышева
В эти же годы академик А. А. Чернышев в Петрогра-
де изобретает подогревный катод для радиоламп. В Чер-
нышевском катоде ток накала подводится к «грелке»—
пружинке из вольфрамовой проволочки, а от нее уже
тепло передается никелевому цилиндрику, покрытому ок-
сидной пастой. Этот цилиндрик и является собственно
катодом, испускающим электроны. При такой конструк-
ции колебания тока в грелке не отзываются на испуска-
нии электронов. Становится возможным питать радио-
лампы от сети переменного тока без того, чтобы это вызы-
вало гул или жужжанье. Миллионы современных радио-
ламп работают с подогревными катодами. У подогревных
катодов оказались еще и другие качества—высокий срок
службы, способность давать большие токи, выдерживать,
— 47 -
не разрушаясь, сильные лерегрузки. Подогревные катоды
стали применяться и в генераторных, и в выпрямитель-
ных лампах.
ОО Число электродов увеличивается
В течение четверти века универсальным прибором
считалась трехэлектродная лампа с одной управляю-
щей сеткой. Она усиливала токи и высокой, и низкой
частоты, применялась и для выпрямления высокой ча-
стоты— для детектирования сигналов и для создания
высокочастотных колебаний.
В тридцатых годах нашего века в радиотехнике про-
исходит великий перелом — на смену трехэлектродной
лампе приходят другие узко специализированные: для
высокой частоты — двухсеточные (экранированные) лам-
пы, для низкой — трехсеточные лампы — пентоды. По-
являются лампы с четырьмя, пятью и еще большим
числом сеток—гексоды, гептоды, октоды. Эти кажущиеся
Анод
2 Экранная
сетка
/ Экранная
сетка
Управляющая
сетка с охлаяда
1 ющими крыпьии
ками
катод с подо'
/ гревателем —
Рис. 19. Современная сложная приемная радиолампа с подогрев-
ным катодом.
В этой лампе шесть электродов. Часто в радиоприемниках применяются лампы
с еще большим числом электродов, например пятисеточные лампы — пентагриды.
— 48 —
2 Управляющая
сетка
'Г&
такие мудреные названия—-не
что инее, как греческие чи-
слительные, показывающие чи-
сло электродов.
Некоторые такие сложные
лампы выполняют сразу не-
сколько функций. Они заме-
няют собой две-три простых
трехэлектродных лампы.
Начинает выпускаться «ма-
гический глаз» — лампа для
бесшумной настройки прием-
ника, появляются сложные
комбинированные лампы для
автоматической регулировки
силы приема.
В 1932 г. завод «Светлана»,
уже выпускал несколько со ген
разнообразнейших типов элек-
тровакуумных приборов. Одних
только приемных радиоламп
изготовлялось несколько десят-
ков тысяч штук в месяц.
Рис. 20. Продольный разрез генера-
торной трехэлектродной лампы с ох-
лаждением анода проточной водой.
Верхняя часть лампы — это стеклянный
баллон, нижняя — анод из медной трубы.
Заостренный край анода спаивается со стек*
лом на пламени газовой горелки или посред»
ством нагрева токами высокой частоты.
4 Г. И. Бабат.
— 49 —
39
Вакуумная гигиена
Производство электровакуумных приборов очень тон*
ко и своеобразно. Материалы для производства электрон-
ных ламп должны отличаться особой чистотой. Для элек-
тродов ламп применяются специальные сорта никеля, мо-
Рис. 21. Ультракоротковолно-
вая мощная трехэлектродная
генераторная лампа.
Как и на предыдущем рисунке,
нижняя часть лампы — э о медный
анод, который при работе погружается
в бачок с проточной водой. Коротко-
волновая лампа отличается особо
мощным выводом сетки, по которому
можно пропускать большие токи.
либден, вольфрам, тантал,
ниобий. На оболочки ламп
идут специальные сорта
стекла.
Однажды в цехе, который
выпускал оксидные лампы—
приемные лампы с оксидным
катодом, случилось непонят-
ное происшествие. Как раз
накануне брак в производ-
стве этих ламп был сведен
к минимуму—он составлял
менее 10% и цех получил
красное знамя за отличную
работу. И вдруг через два
дня после этого торжества
брак возрастает до 50%,
проходит еще два дня и цех
вовсе перестает выпускать
годные лампы. Приходят в
цех лучшие специалисты из
вакуумной лаборатории, си-
дят они в цехе одну смену,
другую, третью, пробуют
менять и режимы откачки
ламп, и режимы их трени-
ровки. Но ни у одной лам-
пы, изготовленной в цехе,
катод не испускает требуе-
мого по нормам электронно-
го тока. Смена за сменой,
день за днем цех дает 100%
брака.
Секрет разгадали хи-
мики.
В цехе была эпидемия
гриппа и в соответствии с
- 50 -
господствовавшими тогда в медицйне веяниями, чтобы
ликвидировать гриппозную инфекцию, решено было хло-
рировать помещение.
Концентрация хлора была невелика: чувствовалось,
когда зайдешь со свежего воздуха, что чем-то аптечным
пахнет—вот и все. Но этого незначительного количества
хлора, которое слабо ощущалось людьми, оказалось до-
статочно, чтобы отравить оксидные пасты (смеси угле-
кислых солей бария, стронция и кальция), которыми
покрывались катоды радиоламп.
Так чувствителен к посторонним примесям и загряз-
нениям активный оксидный катод. И хотя со времени
открытия этого катода прошло уже почти полвека и об
оксидном катоде написаны сотни научных трудов, все
же многие процессы в нем совершенно еще не ясны и не-
понятны.
А вот еще случай, на той же «Светлане», но только на
этот раз в другом цехе—в цехе осветительных ламп.
40 «Пожиратели газов»
Особую роль играют в производстве электровакуум-
ных приборов так называемые «гетеры».
Дело в том, что при массовом производстве ламп
было бы слишком долго и невыгодно доводить вакуум
в них до требуемой степени совершенства при помощи
насосов.
Поэтому поступают иначе. При помощи насосов про-
изводят лишь предварительное, так сказать, черновое
разрежение в лампе. Пустоту доводят до одной тысяч-
ной, а то только и до одной сотой миллиметра ртутного
столба. А для устойчивой работы лампы необходимо,
чтобы давление в ней было меньше одной стотысячной
миллиметра ртутного столба. И чтобы получить это вы-
сокое разрежение, в лампе распыляют вещество, которое
обладает способностью жадно поглощать газы. Таким
свойством обладают, например, металлы магний, барий
и их сплавы. Их и называют гетерами—пожирателями.
Чтобы распылить гетер в лампе со стеклянной оболоч-
кой, к ней подносят катушку, питаемую током высокой
частоты. Укрепленная на никелевой пластинке внутри
лампы таблетка гетера раскаливается и испаряется. Па-
ры ее оседают на стекле и образуют тот серебристый
4* — 51 —
Рис. 22. Нагрев электродов радиолампы посредством быстропере*
менного электромагнитного поля во время ее откачки.
(при магниевом гетере) или темнометаллический налет
(при гетере из бария), который мы видим на всех стек-
лянных радиолампах. Этот металлический налет жадно
поглощает все остатки газов, и давление в лампе падает
до стотысячной доли миллиметра ртутного столба, что
уже вполне достаточно для устойчивой и надежной ра-
боты лампы.
Иногда гетер применяют в осветительных лампах. Но
здесь он должен быть прозрачным, чтобы не поглощать
света. Таким прозрачным гетером может служить фос-
фор. Его соединения с кислородом имеют вид стекла.
Фосфор бывает в разных видах. Так называемый желтый
фосфор светится .в темноте, долго его хранить нельзя, так
как он окисляется, к тому же он еще и ядовит. Если
желтый фосфор долго растирать под водой, то он пере-
ходит в красный фосфор, который уже не ядовит, может
свободно храниться на воздухе, а при нагреве поглотит
газы так же хорошо, как и желтый.
В производстве осветительных ламп на «Светлане»
применялся именно красный фосфор. И вот в один, как
говорится, прекрасный день все лампы с фосфорным ге-
— 52 —
тером выходят в брак. Только включат такую лампу,
как баллон ее темнеет и волосок перегорает. Явно в
лампе остался газ.
Снова сидят вакуумщики день за днем у откачных
постов...
Оказалось, что если растирать фосфор очень долго,
то он из красного переходит в фиолетовый. Эта редчай-
шая модификация фосфора, о которой далеко не каж-
дый химик знает, уже, оказывается, не может хорошо ра-
ботать как гетер. И все несчастье в цехе осветительных
ламп произошло из-за того, что фосфор слишком долго
и тщательно растирали. Вот уже поистине случай, где
принцип «масло каши не испортит» оказался ложным.
Это исключительно тонкое и сложное производство
было впервые освоено у нас только после Октябрьской
революции. Но уже к началу Великой Отечественной
(войны электровакуумное производство Советской России
занимало одно из ведущих мест в мире. Оно с успехом
выдержало суровое испытание.
41 Электромагнитные колебания возникают в пустоте
Важнейшая функция электронных ламп—это создание
высокочастотных колебаний. Генераторные электронные
лампы строятся на самые разнообразные мощности: от
долей ватта для различных измерительных целей (напри-
мер, в генераторах стандартных сигналов, в электриче-
ских часах) до ламп мощностью в сто и даже пятьсот
киловатт для мощных радиопередатчиков.
Чаще всего для генерирования высокочастотных токов
применяются лампы с одной сеткой—трехэлектродные
лампы, но в некоторых случаях строятся генераторные
лампы с двумя сетками—экранированные лампы и даже
трехсеточные генераторные лампы—пентоды.
Сетка действует в электронной генераторной лампе,
как золотник в паровой машине. Золотник рубит поток
пара, выходящий из котла, на отдельные порции; то же
делает сетка с постоянным током, который подводится к
аноду лампы. Существует предельная скорость, с кото-
рой может работать паровая машина. Так и для элек-
тронной лампы существуют предельно высокие частоты,
которые она может генерировать.
- 53 -
В современных генераторных лампах электроны обыч-
но движутся со скоростями, не большими одной десятой
скорости света. Расстояние между электродами лампы—
между ее катодом и сеткой и между сеткой и анодом—
удается сделать не меньше нескольких десятых долей
миллиметра. За то время, когда существует положитель-
ное напряжение, электроны должны успеть дойти от ка-
тода к аноду. В настоящее время существуют лампы, у
которых это время меньше одной миллиардной секунды.
Следовательно, такие лампы могут генерировать волны
короче 30 сантиметров.
42 Электронные свистки
Для получения еще более высоких частот, или, что то-
же самое, еще более коротких волн, применяются не
электронные лампы с управляющей сеткой, а другие
приборы. Существуют электронные приборы, которые
способны вырабатывать ток с частотой нескольких де-
сятков миллиардов периодов в секунду (волны короче
одного сантиметра).
Если попытаться подобрать механическую аналогию
таким электронным генераторным приборам, то их надо
было 'бы сравнить уже не с паровой машиной, в кото-
рой имеется клапан, рубящий струю пара на порции, а
с органными трубами, свистками, гудками.
Если вдувать струю воздуха в полость, то при опре-
деленных условиях заключенный в этой полости воз-
дух начинает вибрировать. Непрерывно вдуваемая струя
распадается на отдельные порции. Получаются звуковые
колебания, частота которых зависит от объема полости.
Чем этот объем меньше, тем частота колебаний выше.
Так работают и свисток, и паровозный гудок, и флей-
та, и свирель, словом, множество духовых инструментов.
На таком же принципе можно построить и электрон-
ный генератор. В безвоздушном пространстве вблизи ра-
скаленного катода помещается медная полость. В эту по-
лость вдувается поток электронов. Если надлежащим об-
разом подобрать форму полости, напряжение электриче-
ского поля в ней и направление потока электронов, то
этот поток раздробится, распадется на отдельные пор-
ции. В полости возникнут электрические колебания, по-
явится электромагнитная волна, Длина этой ролны
— 54 —
обычно равна удвоенной длине полости. Иногда эта
волна может быть несколько длиннее или несколько ко-
роче.
От греческого слова «клио», что значит—дробить, та-
кие приборы называют клистронами. Сами же полости,
в которых совершаются электромагнитные колебания, на-
зывают часто румбатронами.
При -помощи клистронов получают обычно маленькие
мощности, чаще всего доли ватта.
ад Большие мощности и высокие частоты
Для получения больших мощностей .применяются при-
боры, которые называются магнетронами. В этих при-
борах имеется сильный магнит или катушка, по которой
пропускается постоянный ток. В пространстве между ка-
тодом и анодом существует сильное постоянное магнит-
ное поле — отсюда и название прибора. Это магнитное
поле заставляет электроны свернуть со своего прямого
пути и двигаться по спиральным орбитам.
'Магнетроны строились давно, но своего совершенства
они достигли в годы Великой Отечественной войны. Маг-
нетроны применяются, главным образом, в радиолокации,
где требуются возможно более мощные, возможно более
коротковолновые генераторы.
Радиолокационный передатчик ощупывает находящие-
ся перед ним объекты при помощи электромагнитного
Рис. 23. Многосекторный магнетрон для получения электромагнит-
ных колебаний с длиной волны 10 сантиметров.
В центре катод — нике е па я трубка, покрытая оксидной пастой. Внутри этой
'Трубки находится вольфрамовая спираль — подогреватель. Анод выполнен из
медной болванки, в центральном отверстии анода помещается катод. Вокруг этого
центрального отверстия имеется еще восемь полостей, которые являются кол^
Дательными контурами.
-— 55
луча. И чем выше мощность этого луча, тем на более
дальние расстояния может действовать радиолокатор,
тем надежнее его работа, тем труднее создать локатору
помехи, заглушить работу его луча.
44 Короче волны — четче изображение
А чем короче длина волны электромагнитного луча,
тем больше деталей можно различить в облучаемом
объекте. Электромагнитный луч с длиной волны в метр
обнаружит самолет в виде неопределенной формы ме-
таллической массы. А луч с длиной волны в 3 санти-
метра уже мог бы нарисовать вполне определенный си-
луэт. Но надо сказать, что в отношении укорочения
длины волны для радиолокационных установок в на-
стоящее время пожалуй уже достигнут предел. Элек-
тромагнитные волны короче 1 сантиметра сильно погло-
щаются водяными парами, находящимися в атмосфере.
Дальнейшее понижение длины волны ведет к уменьше-
нию радиуса действия локатора.
В самом распространенном типе магнетрона катод
выполнен в виде никелевой трубки, покрытой оксидной
пастой. Анод изготавливается из медной болванки. В этой
болванке делается одно центральное отверстие, внутри
которого помещается катод. Вокруг центрального отвер-
стия делаются полости, в которых и возбуждаются коле-
бания. Чем более высокие частоты требуется получить,
тем меньший размер должны иметь полости в аноде, тем
меньшие в них будут токи и напряжения. Чтобы по-
высить мощность магнетронного генератора, увеличи-
вают число колебательных полостей в аноде.
Но такого < увеличения мощности можно добиться
лишь в том случае, если все полости колеблются согла-
сованно. Тогда их токи и напряжения будут склады-
ваться.
Кольца связи и восходящее солнце
Это хитрая задача—заставить все полости колебаться
согласованно в такт. Их связывают иногда специальными
медными кольцами, «связками». Часто более согласован-
ную совместную работу многих полостей можно получить,
если сделать их двух разных размеров. Такой магнетрон
— 56 —
часто называют поэтическим названием «восходящее
солнце».
Но, пожалуй, анод этого магнетрона более напомина-
ет собой не солнце с лучами, а какую-то причудливую
морскую раковину.
46 Электронный маховик
Работу магнетронов часто сравнивают с динамома-
шиной.
Электронное облако, которое окружает катод магне-
трона, под действием электрических и магнитных сил
вращается, как якорь динамомашины, и возбуждает пе-
ременные токи в медном аноде, который можно рассмат-
ривать, как статор динамомашины—как ее неподвижную
часть. Разница та, что в магнетроне «электронный ро-
тор», электронный маховик, вращается в миллионы раз
быстрее, «ежели железный ротор в динамомашине.
47 Потери неизбежны
Никакие электронные генераторные приборы (ни
трехэлектродные лампы, ни магнетроны) не могут на-
цело превратить весь подводимый к ним постоянный ток
в высокую частоту. Не меньше одной четверти от под-
водимой к генераторному прибору энергии теряется, вы-
деляется в виде тепла на аноде прибора. Это тепло от-
водят разными способами.
В лампах мощностью до двух—трех киловатт анод
делают из никеля, а иногда иэ более тугоплавких мате-
риалов: из молибдена, тантала, .графита. Такие аноды
при работе лампы раскаливаются до красного или даже
до желтого свечения и отдают тепло за счет лучеиспу-
скания. В более мощных лампах аноды делаются из ме-
ди, их обдувают воздухом или, чаще, охлаждают про-
точной водой.
Каждая современная мощная радиостанция имеет
большое водяное хозяйство: насосы, которые прогоняют
воду через аноды генераторных ламп, и бассейны с фон-
танами, в которых цагретая вода охлаждается.
В радиолокационных установках генераторы работают
отдельными толчками, импульсами. При импульсной ра-
боте магнетрон генерирует высокую частоту в течение
— 57 —г
одной миллионной секунды—одной микросекунды. Затем
в тысячу раз более длинный промежуток времени, целую
тысячную долю секунды, магнетрон отдыхает. Ток через
него не проходит.
При импульсной работе можно получать от магнетро-
на огромные мгновенные мощности. Между анодом и ка-
тодом магнетрона прикладывается напряжение в не-
сколько десятков Ьгысяч вольт. Благодаря тому, что оно
прикладывается всего лишь на одну миллионную долю
секунды, магнетрон не успевает пробиться.
Рис. 24. Сравнение различных способов генерирования электри-
ческих колебаний.
Вверху (а} — получение колебаний в контуре, состоящем из емкости и самоин-
дукции при помощи т ехэлектродной лампы. На втором рисунке (б)-возникновение
колебаний в клистроне. Поток электронов, летящих из катода, разбивается на
отдельные порции — сгустки, и эти сгустки, проходя сквозь полый колебательный
контур, создают в нем высокочастотный ток.
Еще ниже (а) — магнетронный генератор. Вокруг катода вращается облачко
электронов подобно ротору динамомащины. Этот „электронный ротор* возбуждает
колебания в полостях, которые сделаны в аноде магнетрона,
— 58 —
От магнетрона размером с кулак и весом не более
одного килограмма можно получить в импульсе больше
тысячи киловатт. Средняя мощность, правда, все же бу-
дет не очень велика, не более нескольких сотен ватт.
48 Испорченная пустота
Начиная с первых лет появления электронных ламп,
было установлено, что чем совершеннее в лампе разре-
жен газ—чем выше в лампе вакуум, тем более четко мо-
жет сетка управлять током лампы, тем более устойчива
работа лампы.
Но через лампу с высоким вакуумом трудно пропу-
стить большие токи. При высоком вакууме велико паде-
ние напряжения в лампе, велико ее внутреннее сопро-
тивление, велики потери в ней.
Иное дело, если в пространстве между катодом и
анодом имеется газ. Такая лампа способна пропускать
большие токи. В газе между катодом и анодом может
возникнуть дуговой разряд. И потери энергии при про-
хождении тока через такую лампу значительно меньше,
чем в лампе с высоким вакуумом.
Но процессы, происходящие в газовой лампе, значи-
тельно сложнее процессов в высоковакуумных лампах.
Один электрон, вылетев из катода, может по пути к ано-
ду несколько раз сталкиваться с атомами газа и при
каждом ударе выбивать из них новые электроны, кото-
рые в свою очередь устремляются к аноду и на пути соз-
дают еще электроны. Первоначальный слабый ток умно-
жается, как снежный ком, катящийся с горы, в лампе
возникает лавинный разряд, как его иногда называют.
Сетка теряет контроль над прохождением тока. Если к
ней подвести даже очень большое отрицательное напря-
жение, то она неспособна прервать ток в газонаполнен-
ной лампе. Вокруг сетки образуется оболочка, чехол, как
его еще иногда называют, из заряженных частиц. И этот
чехол мешает управляющему действию сетки.
Еще в 1902 г. выдвигались предложения строить для
управления током лампы, наполненные парами ртути, но
практического применения они не нашли (или точнее
будет сказать, что они нашли применение, но не для
управления током, а для других целей—длц освещения
и для выпрямления тока).
— 59 —
Ионные приборы
После этого газонаполненные лампы неоднократно
предлагались различными изобретателями: их строил
проф. Прис в Англии, во Франции академик Леблан, ин-
женер Тулон, у нас в Советском Союзе акад. Чернышев,
инж. Ситников, ороф. Вологдин. Газонаполненные лам-
пы получили название «тиратроны» от греческого слова
«тира»—дверь, так как эти лампы могли открывать и
запирать путь большим токам до нескольких десятков
или даже сотен ампер.
Но надо иметь в виду, что газовые приборы или, как
их теперь называют, ионные—это не просто приборы с
плохим вакуумом. Ионные приборы нужно откачивать
не менее тщательно, чем приборы электронные. Лишь
после того, как удалены все остатки посторонних газов,
ионный прибор наполняется надлежащим паром, газом
или смесью.
В 1932 г. стали Строить тиратроны на «Светлане».
'Мы наполняли их ртутными парами и тогда при работе
они светились белеными и голубыми тонами. Строились
и тиратроны, наполненные инертными газами. Неоновые
при прохождении тока горели багровым пламенем. Ге-
лиевые тиратроны испускали желтый свет, аргоновые —
фиолетовый. Все это было очень красиво, но, к сожале-
нию, мы не знали, для каких практических целей эти
тиратроны применить. Для целей техники связи, для уси-
ления, например, сигналов тиратроны были мало пригод-
ны. Надо было найти для них какие-нибудь новые обла-
сти применения.
Огонь по самолетам
В 1932 г. вместе с инж. Ю. Д. Волдырем мы попыта-
лись применить электровакуумные приборы для управ-
ления огнем боевых кораблей.
— Как попасть в самолет, который летит на высоте
нескольких километров со скоростью несколько сотен ки-
лометров в час?
Стрельба ведется с корабля, который идет полнььм
,ходом, часто все время меняя свой курс. Волна бьет ко-
60 ——
рабль, качаёт ёго с борта на борт, с носа на корму. Как
поразить снарядом самолет?
Надо точно знать курс самолета, его скорость, учесть
курс, скорость и качку корабля, точно знать скорость
своих снарядов, тогда можно вычислить, в какую точку
неба направить орудие, чтобы обеспечить встречу снаря-
да с самолетом. И самое важное, что эту задачу о встре-
че надо решать в немногие секунды. Сюда же надо- ус-
петь внести поправку на ветер, на плотность воздуха.
Еще со времени первой мировой войны существовали
различные системы счетно-решающих машин для управ-
ления артиллерийским огнем, но расчеты показывали, что
применение электровакуумных приборов может значи-
тельно повысить точность и четкость стрельбы.
— Маленькие тиратроны, думали мы с Волдырем,—
могли бы приводить в действие счетно-решающие меха-
низмы, а большие тиратроны могли бы управлять элек-
тродвигателями для наводки пушек.
Но старые вооруженцы и кораблестроители встретили
это предложение скептически:—электровакуумные прибо-
ры хороши в радиосвязи,—говорили они,—там действи-
тельно дело эфирное,- пустотное. Но разве можно дове-
рить хрупким стеклянным пузырькам управление пушка-
ми на корабле.
Чтобы разрешить эти сомнения, были построены
машины, прозванные трясучками. У этих трясучек была
платформа, на которой укреплялся электровакуумный
прибор. Включался мотор, и платформа начинала грохо-
тать, как телега на булыжной мостовой. Трясучка под-
ражала то ходу танка по неровной дороге, то качке ко-
рабля.
В 1934 г. начали широко разрабатываться электро-
вакуумные приборы с металлической оболочкой вместо
стеклянной. Металическая оболочка как-то психологиче-
ски успокаивающе действовала на заказчиков не ра-
дистов, не слаботочников. 'Металлическая оболочка вну-
шала представление о чем-то солидном, прочном. Хотя
надо честно признаться, что прочность электровакуумно-
го прибора определяется не его оболочкой. В нашей тря-
сучке они выходили из строя из-за того, что у них обры-
вались внутренности. Отваливались аноды, сетки наез-
жали на катоды и т. д.
- 51 -
Рис. 25, 26 й 27. Современные Тиратроны средней мощности и Тй*
личные схемы их включения.
Рис. 25. Самовозбуждающийся преобразо-
ватель постоянного тока в переменный.
В таких преобразователях (инвертерах, как их
еще называют) применяется тиратрон с очень малым
временем деионизации, т. е такой, у которого сетка
очень быстро после прерывания анодного тока вос-
станавливает свое управляющее действие.
Рис. 26. Тиратронное реле, управляемое
маломощными контактами.
Здесь целесообразно применять тиратрон с поло-
жительной характеристикой сетки. Это упрощает
схему и делает ее более надежной.
- 62 -
Рис. 27. Схема зажигания мощного игнитрона посредством тира-
трона с отрицательной сеткой. Такие тиратроны весьма чувстви-
тельны.
51 Электроника для военного флота
Но в конце концов были построены лампы, которые
выдерживали на трясучке самые сильные толчки и уда-
ры. Военно-морские инженеры решили поставить эти
лампы на один из черномо|рских боевых кораблей.
Надо было изготовить большую партию тиратронов.
Основная наша забота была, чтобы сетка возможно
четче управляла анодным током, чтобы в цепи сетки по-
треблялась возможно меньшая мощность.
В то время как раз стала развиваться новая наука—
электронная оптика. Мы изготовляли модели различных
тиратронов и методами электронной оптики строили пути
— 63 —
электронов ё пространстве между катодом, сеткой и ано-
дом. Мы заполняли толстые альбомы рисунками элект-
ронных «путей. Опытная партия тиратронов с наилучшей
конструкцией сеток была, наконец, изготовлена и отправ-
лена на корабль.
А через несколько дней мы получили телеграмму,
что наши тиратроны вызвали аварию и необходим наш
срочный выезд на корабль.
Оказалось, что -в момент испытаний, когда четыре
пушки одного борта все согласно шли вправо, следя за
общей целью, вдруг одна из пушек перестала слушаться
команды следящего механизма, резко повернула в об-
ратную сторону и с размаху ударилась о свою соседку.
Дело в том, что каждую пушку вел свой двигатель и
каждым двигателем управлял свой комплект тиратронов.
И вот один из этих комплектов вдруг перестал слушать-
ся счетно-решающего механизма.
Причина всего этого происшествия оказалась до оби-
ды простой: во время изготовления тиратронов были не-
брежно припаяны выводные проводнички от их катода.
В своем увлечении тонкими научными соображениями
о путях электронов мы не проследили за этой мелочью.
И, увы, подтвердилась старая истина, что- в производстве
надо пристально следить именно за всеми, быть может,
и не научными мелочами. В результате сотрясений от
стрельбы выводные проводнички на одном из тиратро-
нов отпаялись и этот тиратрон перестал управлять
током.
В течение нескольких минут причины аварии, вызвав-
шей путешествие из Ленинграда к Черному морю, были
ликвидированы. Тиратронное управление работало
отлично.
В настоящее время эти тиратронные схемы управле-
ния артиллерийским огнем заменены новыми более со-
вершенными. Но во всех системах управления артилле-
рийским огнем во всех странах мира участвуют электро-
вакуумные приборы.
Начиная с 1932—1935 гг. электровакуумные приборы
распространяются во всех отраслях промышленности.
Они применяются в электросварке, для получения швов
высокого качества, для управления прокатными станами,
печами, станками механической обработки (см. рис. 28
в конце книги).
- 64 —
Самые разнообразные заказчики стали предъявлять
спрос на электровакуумные приборы. Представители
оперы и балета интересуются тиратронными регулятора-
ми, 'чтобы наиболее натурально изображать игру зари
перед восходом солнца. В лесную промышленность тре-
буют неоновые лампы для приборов, измеряющих влаж-
ность древесины, и т. д. и т. д.
Все новые и новые задачи решают электроны, рабо-
тающие в «пустоте» в наши дни. Все больший размах
получает промышленная электроника. Многие интерес-
ные дела еще впереди.
5 Г. И. Бабат-
3. Радио и сталь
Как-то осенью 1936 г. мне довелось прочесть об од-
ном артиллеристе, который, израсходовав все свои сна-
ряды, не желая, чтобы его пушка досталась врагу, за-
стрелил ее из пистолета.
Меня это заинтересовало. Как можно застрелить
пушку пистолетной пулей?
52 Расстрелянные душки
— Ну да,—пояснил знакомый машиностроитель,—
стволы современных орудий делают из вязкой и мягкой
стали. Подумать только—пушку, пушку пробивает писто-
летная пуля. А закаливать стволы нельзя,—продолжал
он,—закаленный ствол будет хрупок, треснет при пер-
вом выстреле...
Но дальше я не слушал, а бегом отправился в лабо-
раторию.
У меня возникла идея, показавшаяся мне тогда,
стыдно сознаться, гениальной. Я решил предложить но-
вый способ обработки орудийных стволов: нагревать э,ти
стволы изнутри так, чтобы закалить только тонкий,
к примеру, одно-двухмиллиметровый слой. Тогда внут-
ренняя поверхность канала орудия будет иметь высо-
кую твердость, будет устойчива против истирания сна-
рядами, а весь ствол останется вязким и при выстреле
не треснет. Если бы удалось хотя бы удвоить срок служ-
бы пушки!
Но к тому времени у меня был уже некоторый изо-
бретательский опыт и выработалась привычка всегда за-
давать себе вопрос: почему это предполагаемое новше-
ство еще не осуществлено?
— 66 —
Если единственный довод в мою пользу лишь тот,
что до сих пор такая гениальная идея никому не прихо-
дила на ум, то значит—впереди заведомо неудача. Над
любой технической проблемой думают десятки, сотни
остроумнейших людей во всех странах.
«Чтобы получить новые результаты, нужны новые
средства»,—сказал еще несколько веков назад Ф. Бэкон.
Внести что-нибудь действительно новое и полезное
можно надеяться только, если владеешь каким-либо
новым, мало кому другому доступным орудием. Таким
орудием я считал нагрев токами высокой частоты или,
как его еще называют, индукционный высокочастотный
нагрев.
Нагрев без огня
Высокочастотные токи (Применялись в (производстве
радиоламп для нагрева их внутренних частей—электро-
дов, запаянных в стеклянные баллоны. Правда, мощ-
ность таких установок не превышала нескольких кило-
ватт, а для нагрева пушек, по расчету, требовались сот-
ни, но ведь существуют радиопе;редатчики на сотни ки-
ловатт, значит можно осуществить и нагревательную
установку на эту мощность.
Мы нарисовали на большом листе ватмана пушку,
стоящую вертикально дулом вверх. Катушка, оживлен-
ная высокочастотным током, проходила внутри канала
ствола.
С этим произведением мы отправились к главному
инженеру пушечного завода. Вероятно, картина выгля-
дела достаточно убедительно и правдоподобно. Осмотрев
ее, главный инженер вызвал стенографистку и тут же
продиктовал распоряжение срочно построить опытную
установку для поверхностной закалки орудийных ство-
лов.
Через некоторое время установка была готова. В на-
туре, что бывает крайне редко, она выглядела еще эф-
фектнее, нежели на чертеже. Основной ее частью была
решетчатая 10-метровая башня. Ее обвивали лестницы
и окружали площадки. От этого сооружения веяло чем-
то марсианским.
5* — 67 —
Рис. 29. Вертикальный станок для последовательной закалки.
Длина станка 10 метров. По оси станка проходит фидер. На конце его (в центре
рисунка) находится нагревательный индуктор, при помощи которого произво-
дился нагрев внутренней поверхности канала ствола пушки. На самом верху станка
находится батарея слюдяных конденсаторов. На этом же станке можно произ-
водить поверхностную закалку внешних поверхностей различных изделий (валов
и т. д.). Для этого необходимо только установить другой индуктор и охладитель»
Около здания лаборатории была установлена кругло-
суточная охрана, и однажды грузовик привез длинные
зеленые ящики с сырыми лейнерами (так называют внут-
реннюю выемную часть пушечного ствола) четырехмет-
ровых зенитных орудий.
Пробный нагрев коротких отрезков пушечных стволов
показал, что вся установка в полном порядке.
По ночам мие снились фантастические пейзажи, поля
сражений. Пушки, окутанные дымом, выпускали одну
тысячу снарядов за другой без малейших следов износа.
Казалось, должна начаться новая эра в истории артил-
лерии.
- 68 —
О пользе чтения
И тут мне захотелось покрепче «подковаться» теоре-
тически по части пушечных дел. В журнале Русского
металлургического общества за 1912 г. я нашел статью
Дмитрия Константиновича Чернова «О причинах раз-
гара орудийных стволов»; многочисленными неопровер-
жимыми опытами великий металлург доказывал, что
пушки изнашиваются не из-за механического истирания
снарядами, а потому, что раскаленные пороховые газы,
омывая металл ствола, вызывают его тепловую уста-
лость. «Мягкая сталь, — писал Чернов, — лучше, чем
закаленная, противостоит огненному дыханию пороховых
взрывов».
Несколько раз перечел я эту фразу, все еще не до-
пуская до своего сознания ее уничтожающего для меня
смысла: «Мягкая поверхность канала ствола для пушек
лучше, чем закаленная».
Трудно, очень трудно даже перед самим собой приз-
нать ошибку. Как же поступить? Испытание орудия на
живучесть обходится во много сотен тысяч рублей. Но
сдаваться без боя тоже не хотелось. Были изготовлены
маленькие модели пушечных стволов. Их закалили после
нагрева токами высокой частоты и испытали на обстрел.
Увы, Чернов был прав: крепкий, закаленный стволик ка-
тастрофически разрушался после немногих выстрелов.
Мы отослали длинные зеленые ящики с лейнерами
зенитных орудий обратно нераспакованными.
Но что же делать с мощной высокочастотной установ-
кой? Начиная работу, мы были чистыми электриками,
даже более того — узкими специалистами по радио-
связи, и у нас были, это надо честно признать, весьма
туманные понятия о металлопромышленности. За время,
пока строилась установка для обработки пушек,
пока эти пушки к нам везли, мы прилежно изучали ме-
талловедение и термообработку. Неужели мы останем-
ся в положении чеховского чиновника, который выучил
стереометрию зря? И в пушках, и в кузнечных штампах,
и в валках для горячей прокатки—словом, во всех
случаях, где сталь должна противостоять тепловой уста-
лости — высокочастотная поверхностная закалка пе
нужна. Конечно, можно было бы успокоиться на том,
- 69 -
что в науке важны и отрицательные результаты. После
нас уже никто другой так не ошибется. Но какое это
бледное и слабое утешение!
ОО Твердая корка и вязкая сердцевина
Хотелось найти лучший выход. Ведь не во всех, без
исключения, случаях причиной износа частей механиз-
мов является тепловая усталость. Возьмем к примеру
зубчатое колесо или цилиндр двигателя. Если их рабо-
чая поверхность сотрется всего на несколько десятых
Рис. 30. Распределение плотности тока в медном стержне диамет-
ром 100 миллиметров при постоянном токе и при переменном раз-
ных частот: 50 и 2 000 герц.
Черным показана глубина проникнов°ния — толщина слоя, в котором сосре-
дотачивается большая часть тока. Теоретические расчеты и опыты показывают,
что глубина проникновения падает обратно пропорционально корню квадратному
из частоты. С повышением частоты вчетверо глубина проникновения падает в
два раза. При частоте тока миллион периодов в секунду глубина проникновения
тока в меди всего шесть сотых миллиметра. Поэтому при высоких частотах нет
надобностл применять массивные медные проводники, их можно делать трубча-
тыми, так как ток все равно будет течь только в тонком поверхностном слое.
долей миллиметра, то они уже непригодны к дальней-
шей работе. Следовательно, истирание — причина изно-
са. А ведь много и других деталей, которые изнашива-
ются из-за истирания. Рабочие поверхности зубчатых
колес, шеек коленчатых валов, режущего и мерительного
инструмента должны быть твердыми, износоустойчи-
выми. Сердцевину же этих деталей желательно оста-
- 70 -
вить вязкой и пластичной, противостоящей толчкам и
ударам. Вот где найдет применение поверхностная за-
калка с высокочастотным нагревом.
ОО Радисты и металлообрабатывающая промышленность
Мы решили -построить такие высокочастотные уста-
новки с ламповыми генераторами, которые можно было
бы эксплоатировать на любом машиностроительном за-
воде. А для широкого применения этих установок — раз-
работать технологию поверхностной закалки самых хо-
довых изделий. Но решить, — еще не значит сделать.
Высокочастотный генератор, применяемый на радиостан-
циях (а других генераторов тогда не было) сложен и
дорог. Чтобы такой генератор хорошо работал, его надо
точно настраивать. Само слово «настройка» говорит
о чем-то, требующем особого искусства. Настраивают
скрипку, рояль... А что делать с таким генератором
в цехе, где надо калить то огромную шестерню, то кро-
хотный кулачок? Неужели для каждого нового изде-
лия — новая тонкая настройка?
— Генератор с электронными лампами—это дело
тонкое, «эфирное», — говорили нам радисты. Вам не уда-
стся создать установку с электровакуумными приборами,
которая могла бы практически применяться для нагрева
в металлопромышленности.
От установки, предназначенной для работы в цехе
завода, требуются прежде всего простота и неприхотли-
вость. Установка должна быть такой, чтобы ее трудно
было испортить даже неосторожным обращением* Она
не должна требовать для своего обслуживания персо-
нала особо высокой квалификации. И при этом всегда
обеспечивать высокое качество своей продукции.
Но зато от генератора для закалочной установки не
требуется ведь ни чистоты тона, ни строгой устойчивости
длины волны, которые так важны для радио-, отвечали
мы связистам. В закалочной установке частота тока мо-
жет «гулять» в пределах нескольких десятков процентов.
Важно лишь, чтобы лампа вырабатывала ту частоту, ко-
торая обеспечивает хорошую'передачу мощности в обра-
батываемое изделие. Высокочастотный генератор зака-
лочной установки может быть много грубее, чем гене-
ратор радиопередатчика.
- 71 -
Рис. 31. Принципиальная схема высокочастотной установки с ламповым генератором для поверхностной
закалки стальных изделий.
Пунктирными линиями выделены три основные части установки: выпрямитель Z, генераторная часть II и нагревательный
контур III. В первой части трехфазный ток превращается в постоянный ток высокого напряжения. Во второй части этот ток
„рубится" на отдельные порции, которые в третьей части создают переменный ток. но уже высокой частоты. Такой ток возбуж-
дает в металлическом теле вихревые токи, нагревающие его до высокой температуры
Трехфазный ток с частотой 50 герц через выключатель 1 поступает из сети в трансформатор 2, где его напряжение по-
вышается до 8 тысяч вольт. Газотроны 3 преобразуют переменный ток высокого напряжения в постоянный. Катоды газотронов
накаливаются трансформаторами 4. Отрицательный полюс газотроннпго выпрямителя подводится через амперметр 5 к катоду гене-
раторной лампы 8. Положительный полюс подводится к аноду генераторной лампы. В цепи положительного провода имеется
д| оссель б, который не пропускает ток высокой частоты от генераторной лампы обратно в выпрямитель и в питающую сеть
трехфазного тока- Трансформатор 7 служит для накала катода генераторной лампы. Последняя .рубит" подводимый к н*й
п^ст 'янный ток на отдельные порции — импульсы с частотой несколько сотен тысяч в секунду. ЧтоСы лампа не перегрева тась,
ее анод охлаждается проточной водой, которая подается по резиновым трубкам 9. С анодом генераторной лампы соедине i раз-
делительный конденсатор 10. Он не пропускает постоянного тока, но легко приводит импульсы высокой частоты. В сетку генера-
торной лампы вслючены конденсатор II и сопротивление 12. В конденсаторах 13 и трансформаторе 14 импульсы, п. сылаемые
лампой, превращаются в высокочастотный ток. Он проходит по индуктору 15 и возбуждает вихревые токи в стальном валике 16.
Эти вихревые токи нагревают поверхностный слой валика до температуры закалки.
Рис. 32. Закаливаемая шестерня укреплена внутри витка из медной
трубки.
Нагрев начался Л Измеритель мощности показывает, что сталь потребляет
50 киловатт. Первые две-три секунды с повышением температуры растет и пот-
ребляемая мощность. Она достигает максимального значения при температуре
£00—600®С. Еще секунда и стрелка измерителя мощности резко идет в обратную
сторону. При температуре выше 7б8°О силь потребляет в десять раз меньшую
мощность J, нежели до этого 2.
Сталь обладает способностью самовыключаться из процесса нагрева, как
только температура поверхностных слоев изделия достигнет величины, необходи-
мой для закалки. После этого рост температуры замедляется. Незначительно
растет и потребляемая сталью мощность 4.
Мы учли все это, и в конце концев была разработана
конструкция высокочастотного лампового генератора для
нагрева под закалку, в котором переход от одного типа
нагревателя к другому не сложнее, чем, скажем,
смена резца на токарном станке. Это генератор, в кото-
ром электронная лампа работает на самовозбуждении и
питает нагревательный индуктор через простой понижаю-
щий трансформатор.
К испытанию закалочной установки мы приступили с
большим волнением.
Сталь—капризный материал. При нагреве ее для за-
калки в обычных печах надо очень точно соблюдать тем-
пературу. Чуть не догреешь—останутся сырые незака-
ленные места. Перегреешь—получится пережог, поверх-
ность стали может выкрошиться.
Предположим, что нагревая на нашей установке обра-
зец какого-нибудь кулачка или рычажка, мы получим хо-
роший результат при длительности нагрева, скажем,
пять секунд. Но ведь напряжение в силовых сетях завог
— 73 —
дов, каждый это знает, может колебаться в довольно
больших пределах, а с напряжением будет изменяться
и мощность, которая подводится к стали. Следовательно,
как бы точно ни выдерживать время нагрева, все равно
одинаково хороших результатов каждый раз не полу-
чить.
И вот наступил долгожданный момент первого испы-
тания. Большая шестерня от коробки передач укреплена
внутри нагревательного витка из медной трубки.
Щелкает контактор. Генератор включен. Нагрев на-
чался.
Блестящая полированная поверхность стали темнеет.
По ней проходят цвета побежалости: соломенно-желтый,
синий, темнобурый.
Измеритель мощности показывает, что сталь потреб-
ляет восемьдесят киловатт. Проходит секунда, вторая.
Боковая поверхность шестерни начинает светиться виш-
невым накалом.
И тут—удивительная вещь!—стрелка измерителя
мощности идет в обратную сторону. Резко падает поток
энергии, потребляемой раскаленным металлом. Сталь бе-
рет теперь в восемь раз меньше мощности, чем мгновенье
до того.
57 Характеристики стали и схема генератора
Нам повезло, удивительно повезло! Оказалось, что
наиболее распространенные сорта стали обладают свой-
ством уменьшать свое потребление мощности—«самовы-
ключаться» из процесса нагрева, как только темпера-
тура поверхностных слоев изделия достигнет значения,
необходимого для закалки. Сочетание нашей схемы и
свойств стали получилось очень удачным.
В нашей схеме нагреватель подключен к генераторной
лампе через понижающий трансформатор с вторичной об-
моткой в виде одного витка без конденсаторов. При та-
кой схеме сила тока в нагревателе мало зависит от
свойств нагреваемого материала. С изменением электро-
сопротивления или магнитной проницаемости нагрева-
емого материала сила вихревого тока в нем остается
неизменной. А такое постоянство силы вихревого тока
ведет к тому, что чем более магнитен нагреваемый ма-
териал и чем выше его электросопротивление, тем
- 74 -
Л с Р
400 400 400
300 300 300
200 200 200
too 100 100
Точка Кюри
Рис. 33. Изменение с температурой величины магнитной проницае-
мости /л, удельного электросопротивления р и теплоемкости с для
малоуглеродистой конструкционной стали (из такой стали делают
коленчатые валы автомобилей).
При температуре 768°С (ее называют температурой Кюри) магнитная прони-
цаемость резко падает от нескольких сотен до единицы.
большую мощность он потребляет от высокочастотного
генератора.
Холодная сталь магнитна. При включении тока сталь
берет большую мощность. Первый период нагрева маг-
нитные свойства стали остаются неизменными, а элек-
тросопротивление ее растет. При этом растет и потреб-
ляемая сталью мощность. Самую большую мощность
Рис. 34. Для поверхностной закалки разных изделий применяются
различные типы индукторов.
Слева — одновитковый индуктор для нагрева под закалку шестерен, фрезе-
ров. Для валиков, метчиков, протяжек применяется многовитковый цилиндриче-
ский индуктор.
В центре — петлевые индукторы. В них можно нагревать перья разверток,
а также производить всесторонний нагрев (и боковой и торцевой поверхности)
таких изделий, как пуансоны. Справа — фасонные индукторы для нагрева под за-
калку кулачков. _
Все индукторы выполнены из красной меди и охлаждаются водой.
— 75 —
сталь потребляет из электромагнитного поля, когда ее
температура достигает 500—600° С.
Когда же сталь достигает температуры красного ка-
ления, она теряет свои магнитные свойства. При этом
потребляемая ею мощность резко падает. Так сталь са-
ма себя спасает от перегрева.
Все, кто работают с высокочастотными закалочными
установками, должны твердо знать, что высокое качест-
во обработки изделий получается в значительной мере
благодаря особенностям самой стали—'При требуемой
температуре «самовыключаться» из нагрева.
58 Решающее испытание
В ноябре 1937 г. на завод приехала комиссия для
проверки и приемки всех наших работ по поверхностной
закалке стали. Это был пасмурный, очень сырой ленин-
градский день. В лабораторию вошли заместитель нарко-
ма, начальник технического отдела Наркомата, один ака-
демик, один член-корреспондент Академии наук, три
профессора.
Основная «изюминка» нашего высокочастотного лам-
пового генератора был упомянутый выше закалочный
трансформатор. До того многие специалисты утверждали,
что совершенно невозможно вводить высокое напряжение
непосредственно в высокочастотный закалочный транс-
форматор, как это мы сделали.
Наш трансформатор рассчитан на очень высокие
плотности тока в обмотке—свыше сотни ампер на квад-
ратный миллиметр сечения его меди (напомним, что в.
обычных силовых трансформаторах плотности тока
около двух-трех ампер на квадратный миллиметр). Этот
трансформатор не перегревается 'в работе исключитель-
но благодаря интенсивному водяному охлаждению. Его
обмотка выполнена из трубки, по которой все время
проходит вода из водопровода.
Я боялся, что при демонстрации нашей высокочастот-
ной установки от волнения забуду пустить это водяное
охлаждение, и потому заранее, с самого утра, открыл
кран.
Высокая комиссия выслушала сначала теоретические
пояснения о том, что наша схема генератора позволяет
— 76 —
быстро подключить любой требуемый нагревательный
индуктор, не производя сложной перестройки.
— Возьмем к примеру хотя бы эту шестерню и укре-
пим ее в индукторе. Затем я нажму кнопку и через две
секунды изделие нагрето до закалочной температуры.
Но едва я коснулся пальцем кнопки «пуск», как вну-
три высокочастотного трансформатора послышался гро-
хот; из его кожуха полетели брызги расплавленного ме-
талла. Затем погас свет и наступила тишина—стих гул
моторов, прекратилось жужжание трансформаторов. Вся
лаборатория полностью отключилась от сети-
Через минуту свет зажегся, снова мерно загудели
моторы и трансформаторы, обслуживающие гсне{ атор,—
это наш монтер успел добежать до подстанции и вклю-
чить питающий лабораторию фидер-
Я снова нажал кнопку «пуск» и вновь внутри высоко-
частотного трансформатора сверкнули искры и генератор
отключился от сети. Хорошо, хоть освещение на этот раз
не отключилось.
Председатель приемочной комиссии посмотрел на ча-
сы и, обращаясь ко мне, произнес самым дружествен-
ным тоном.
— Пожалуй, будет нецелесообразно теперь формули-
ровать окончательные выводы...
Но я уже сообразил, что именно было причиной про-
боев в высокочастотном трансформаторе и торопливо
снимал его кожух.
Из-за сырой погоды на медных холодных трубках
осаждалась влага <из воздуха. Так как охлаждение тру-
бок было пущено с самого утра, то воды на трубках ско-
пилось столько, что она замкнула собой витки, находив-
шиеся под высоким напряжением один относительно дру-
гого, и при включении по этим водяным мостикам и раз-
вивался пробой.
В несколько секунд я смахнул все нависшие на вит-
ках капли воды, одел на место кожух и в третий раз
нзжал кнопку «пуск».
59 Трансформаторы оправдали себя
Сухо щелкнул контактор. Рыжие дымки поднялись от
промасленных зубцов шестерни, свиваясь в тонкую спи-
раль. Лимонно-желтые, синие, бурые тона пробежали по
— 77 —
блестящей поверхности стали. Почувствовался слабый
запах гари. Еще секунда и светящаяся кайма обежала
по краю всех зубцов шестерни- Точно спелый цветок под-
солнечника возник в тусклом медном витке.
Потом мы меняли индукторы, грели под закалку фре-
зеры, кулачки, валики. Установка работала безотказно.
Высоковольтные высокочастотные трансформаторы
применяются теперь в большинстве закалочных устано-
вок с ламповыми Генераторами. Первичная обмотка та-
кого трансформатора состоит из десяти — пятнадцати
витков медной трубки круглого или прямоугольного се-
чения. Трубка эта крепится на шести стойках из изоля-
ционного материала (дерева, текстолита, эбонита, фар*
фора). При помощи специального гидроклапана она
соединяется с водопроводом. При включении тока в
трансформатор автоматически происходит включение
охлаждающей воды, и автоматически же вода закры-
вается при снятии нагрузки с трансформатора.
На эту первичную обмотку трансформатора от гене-
раторных ламп подается напряжение от шести и в неко-
торых схемах до двадцати тысяч вольт.
Первичную обмотку охватывает виток, согнутый из
медного листа. Это вторичная обмотка. Она оканчивается
зажимами, к которым присоединяется нагревательный
индуктор.
В. Ч. нагрев освоен
Важная часть высокочастотной закалочной уста-
новки — нагревательный индуктор, который создает бы-
стропеременное электромагнитное поле, возбуждающее
вихревые токи в обрабатываемом изделии. Это—обычно
медная трубка, охлаждаемая проточной водой.
Поверхностной закалке могут подвергаться самые
разнообразные изделия: шейки коленчатых валов,
кулачки распределительных валиков, рабочие поверхно-
сти зубчатых колес, калибры, фрезеры, развертки, пу-
ансоны и матрицы штампов. В каждом отдельном слу-
чае должны быть нагреты под закалку только опреде-
ленные участки поверхности изделия. Индуктор должен
так направить «реку» вихревых токов, чтобы обеспечить
требуемое распределение тепла на поверхности стали.
— 78 —
Поэтому ДЛЯ каждого Типа изделия применяются свой,
особые формы индукторов.
Самые распространенные индукторы—цилиндриче-
ские. Они состоят из одного или нескольких витков труб-
ки красной меди. В таких индукторах нагревают разного
рода валики, фрезеры, протяжки, калибры. Цилиндри-
ческие индукторы применяются и для нагрева шеек ко-
ленчатых валов, но тогда их делают разъемными: иначе
невозможно вставить и вытащить шейку из индуктора.
Для обработки разверток, у которых должны быть
нагреты и закалены только режущие грани, применяются
петлевые индукторы. Эта же индукторы применяются
для нагрева пуансонов, требующих всесторонней закалки.
Первое время развития поверхностной закалки режи-
мы нагрева и конструкции нагревательных индукторов
подбирались наощупь методом проб и ошибок. Потом
мы подметили много закономерностей, нашли теорети-
ческие и эмпирические формулы и правила для выбора
конструкций индукторов и режимов обработки изделий.
Чем тоньше закаленный слой, который желательно
получить, тем меньше должно быть время нагрева, что-
бы тепло не успело пройти вглубь металла. С утончением
же слоя увеличивается мощность генератора, но зато па-
дает полное количество энергии, расходуемой на единицу
поверхности изделия.
Мы помещали внутрь индуктора изделия из самых
различных сортов стали и внимательно наблюдали, как
идет процесс нагрева. Существует ряд сортов стали, для
которых температура закалки лежит много выше темпе-
ратуры магнитного превращения. Это, например, быстро-
режущая сталь, в которой много вольфрама и хрома, не-
которые сорта жароупорных сталей. В этих сортах яв-
ление «самовыключения» не может быть использовано
для дозировки нагрева. При температуре 768° С потреб-
ляемая мощность спадает, а калить изделия из таких
сортов надо при температурах выше 1 000° С- Точно ус-
тановить нагрев оказывается очень трудно, и до сих пор,
несмотря на множество проведенных в разных лабора-
ториях исследований, с такими сталями редко получает-
ся высокое качество закалки при высокочастотном на-
греве.
Существуют и совсем немагнитные стали, для кото-
рых потребляемая мощность почти совсем не меняется с
— 79 —
температурой и явление самовыключения вовсе отсутст-
вует.
Но для огромного большинства конструкционных и.ин-
струментальных сортов температура закалки лежит толь-
ко чуть выше температуры магнитного превращения, тем-
пературы самовыключения, и для изделий из этих сортов
сталей оказалось очень легко получать отличные резуль-
таты при закалке с высокочастотным нагревом-
Для примерных предварительных подсчетов режимов
поверхностной закалки применимы следующие простые
правила.
61 Законы поверхностной закалки
1. Необходимое время нагрева (в секундах) рав-
но квадрату толщины нагреваемого слоя (в миллимет-
рах). Например, для получения закаленного слоя в пол-
миллиметра нужно нагревать стальное изделие всего
четверть секунды, а для получения слоя в три милли-
метра время нагрева — девять секунд.
2. Необходимая мощность на один квадратный сан-
тиметр закаливаемой поверхности равна двум киловат-
там, поделенным на толщину слоя в миллиметрах.
Но время нагрева и мощность, необходимые для по-
лучения наилучших результатов, зависят не только от
толщины слоя, но также от формы изделия, химиче-
ского состава стали, частоты тока.
Длительная работа с высокочастотными закалочными
установками вырабатывает в операторе своеобразное
чутье электромагнитных полей. Опытный калильщик-вы-
сокочастотник, только взглянув на индуктор и на подле-
жащее обработке изделие, сразу скажет: здесь токи пой-
дут так, в этом месте нагрев будет большой, а тот вон
участок останется холодным. Своим мысленным взором
опытный оператор видит потоки электромагнитной энер-
гии, изливающиеся из индуктора, ударяющие о поверх-
ность стали.
Но все же, если нужно обработать большую партию
деталей (при массовом производстве), то лучше выбрать
режим на основании пробных закалок: производят обра-
ботку при разных мощностях и разных временах нагре-
ва и изучают получившиеся разультаты- Иногда разре-
зают закаленное изделие на ломтики при помощи алун-
— 80 —
Рис. 35. На отшлифованном и протра-
вленном азотной кислотой разрезе
насадной развертки ясно видны участ-
ки, закаленные после поверхностного
нагрева на высокочастотной установ-
ке. При травлении эти участки по-
темнели.
Такие разрезы и шлифы разнообразных
изделий производились для отыскания наи-
лучшей формы нагревательного индуктора,
для определения наилучших режимов нагрева
охлаждения.
Рис. 36. Схематический вид
стального цилиндра в мо-
мент появления полосатого
нагрева. Для большей на-
глядности рисунка нагрева-
тельный индуктор показан
в разрезе.
Расстояние между отдель-
ными светлыми и темными поло-
сами не зависит от размера вит-
ков индуктора и от их располо-
жения, а определяется частотой
тока и удельной мощностью на
поверхности стали.
довых кругов и детально изучают толщину, форму, твер-
дость
ность
и структуру закаленного слоя. Так находят мощ-
и время нагрева, дающие наилучшие результаты.
62
Полосатый нагрев
Чтобы получать закаленные слои потоньше, мы под-
водили к закаливаемому изделию большую мощность—'
несколько киловатт на каждый квадратный сантиметр*
И тут мы подметили одно любопытное явление.
Через секунду-две после того, как включен высоко-
частотный ток, начинается свечение поверхности стали.
Сначала оно совсем темное, еле различимое, еще
полсекунды и оно уже вишнево-красное и вдруг на этом
вишневом фоне вспыхивают яркие оранжевые полосы.
Несколько мгновений поверхность стали напоминает
6 Г. И. Набат. — 81 —
шкуру тигра. Затем оранжевые полосы расширяются,
темные промежутки между ними размываются и пропа-
дают, еще секунда и вся поверхность стали светится
равномерным оранжевым накалом.
Сначала мы думали, что эта полосатость вызвана не-
равномерным нагревом из-за самого индуктора. Когда
индуктор состоит из нескольких витков, то те участки
стали, которые находятся против витков, нагреваются
сильнее, чем те участки, которые находятся против про-
межутков между витками. На поверхности стали полу-
чается как бы светящийся отпечаток витков индуктора.
Но потом мы увидали, что полосатое свечение наблю-
дается и в тех случаях, когда индуктор состоит из од-
ного широкого витка, когда электромагнитное поле его
совершенно равномерно.
На «Светлану» приехал проф. Дивильковский1 с кино-
аппаратом и с особо чувствительными пленками, и мы
начали снимать нагрев стали при разных частотах тока
и при разных мощностях. Мы увидали, что чем выше
частота тока, тем меньше расстояния между полосами
(при миллионе периодов в секунду ширина каждой по-
лоски всего около одного миллиметра) и тем быстрее
они пропадают. Чем выше частота тока, тем мимолет-
нее все явление.
Оказалось, что полосатый нагрев наблюдается только
у магнитных материалов и тем ярче выражен, чем более
материал магнитен. Отсюда и объяснение явления поло-
сатого нагрева. Когда в процессе нагрева магнитный ма-
териал доходит до той температуры, при которой маг-
нитные свойства уже теряются, то вся поверхность не
может одновременно потерять свою мапнитность. В этот
момент широкая река вихревых токов, проходящая по
поверхности, не может уже более оставаться однород-
ной: она дробится, распадается на отдельные ручьи и
рукава. Магнитные свойства поверхности теряются сна-
чала на отдельных узких участках. В этих участках со-
бираются вихревые токи и выделяют в них повышенное
количество тепла. Но затем за счет теплопроводности
прогревается вся поверхность, вся она становится не-
магнитной и вихревые токи вновь текут одной широкой
рекой.
1 В первые дни Великой Отечественной войны он ушел добро-
вольцем на фронт и погиб в боях под Москвой.
— 82 —
Од Об устойчивости
Условия, при которых возникает и исчезает полоса-
тый нагрев, могут быть установлены теми же приемами,
какие применяются при изучении многих, казалось бы,
весьма далеко лежащих от области индукционного на-
грева явлений. Мы здесь столкнулись с разделом -физи-
ки, который занимается .проблемой устойчивости явлений.
Иногда эта проблема устойчивости примитивна: конус,
поставленный на основание, устойчив, а конус, постав-
ленный на вершину, неустойчив. Но часто определение
условий устойчивости требует тонкого математического
анализа. Ряд важных задач из области устойчивости ре-
шил великий русский математик Ляпунов. Он изучал
движение небесных тел. Одни орбиты устойчивы, по
другим движение не может происходить. А вот земные,
примеры: струя воды, выходящая из отверстия, может
иметь форму ровного цилиндрического столба, но этот
столб неустойчив—при дальнейшем движении он неиз-
бежно распадается на отдельные капли. При малых дав-
лениях распад начинается на расстоянии от выхода, рав-
ном длине окружности струи, а при большом напоре
струя распадается на капли сразу же у отверстия.
Река, впадающая в море, в одних случаях течет од-
ним руслом, а в других распадается на ряд отдельных
рукавов, образует так называемую дельту.
Струя пара, непрерывно вдуваемая в колокол гудка,
при определенных условиях распадается на отдельные
порции, заставляет этот колокол звучать.
Иногда устойчивое состояние — это покой, иногда —
это движение. Часы с заведенной пружиной могут стоять,
но стоит один раз подтолкнуть маятник и он будет устой-
чиво совершать колебания, пока не истощится завод.
А вот электротехнический пример: если увеличивать
силу тока через проволоку, то проволока в конце концов
перегорает. Но при медленном1 увеличении тока она пе-
регорит в одном месте, а .при быстром сразу в несколь-
ких местах, и чем сильнее ток, тем на более короткие
отрезки она распадается.
Вот в какие дебри мы зашли в своих изучениях поло-
сатого нагрева.
Вместе с тем мы точно установили, что пока длится
полосатое свечение, не вся поверхность стали перешла
6* — 83 —
в состояние, подготовленное к закалке. Калить можно
лишь, когда полосатый нагрев миновал, тогда получится
слой равномерной твердости.
Оказалось, что уловить на-глаз этот момент исчезно-
вения полосатого нагрева очень легко, куда легче, чем
попытаться на-глаз просто оценить температуру стали.
Так был дан практикам еще один прием, способствую-
щий получению высококачественной закалки.
64 Внутренние напряжения
Число типов изделий, на которых получались хоро-
шие результаты при высокочастотной поверхностной за-
калке, все увеличивалось. Но часто нас постигали и не-
удачи. Некоторые изделия при нагреве в индукторе тре-
скались и разлетались на части, другие выдерживали
нагрев, но в них трещины появлялись при охлаждении.
Наконец, были и такие изделия, которые, казалось, впол-
не безболезненно переносили и быстрый частичный на-
грев, и резкое охлаждение, но через несколько дней хра-
нения они без всякой видимой внешней причины треща-
ли, разваливались на куски.
Все эти явления объяснялись так называемыми внут-
ренними напряжениями. При нагреве сталь расширяется,
объем ее увеличивается. Увеличивается объем стали и
когда она переходит из незакаленного состояния в зака-
ленное. Таким образом, когда в стальном изделии нагре-
вается какой-нибудь ограниченный участок, то между
этим участком и всем остальным металлом возникают
усилия, напряжения. При слишком резком нагреве или
охлаждении они могут достигнуть такой величины, что
сталь не выдерживает—между нагретым участком и ос-
тальным металлом возникают трещины. Точно так тре-
скается стеклянный стакан, если в него неосторожно
плеснуть крутым кипятком.
Чтобы уменьшить напряжения, получающиеся при по-
верхностной закалке, мы применяли отпуск. Сразу же по-
сле закалки изделие переносится в печь или в горячую
масляную ванну и выдерживается там некоторое время.
Если дать отпуск при высокой температуре, то напря-
жения хорошо снимаются, но одновременно падает и
твердость закаленного изделия. А отпуск при низкой
температуре не для всех типов изделий и не для всех
сортов стали обеспечивал отсутствие трещин.
— 84 —
Тут мы подумали: где бы такие напряжения могли
принести не вред, а пользу? Известно, что если лить рас-
плавленное стекло в воду, то получаются капли—их на-
зывают батавские слезки; благодаря большим внутрен-
ним напряжениям эти «слезки» очень прочны, их можно
бить с размаху молотом на наковальне, и они не разле-
таются. Прочность листового стекла повышают закалкой,
соедавая внутренние напряжения. Таким методом выра-
батывают знаменитое трудно бьющееся стекло—сталинит.
Если внутренние напряжения действуют в обратном
направлении, нежели усилия от внешней нагрузки, кото-
рой подвергается изделие, то внутренние напряжения как
бы уменьшают нагрузку, упрочняют изделие.
Если, например, при нагружении нашего изделия во-
локна, находящиеся в некотором его участке, должны
испытывать растягивающие усилия, а до этого они под
влиянием внутренних напряжений были сжаты, то внеш-
няя нагрузка должна сначала уравновесить это сжатие,
а лишь потом будет создавать растяжение.
В некоторых случаях при помощи внутренних напря-
жений удается вдвое, втрое повысить предельную на-
грузку, которую способно выдерживать изделие.
Мы подумали, что внутренние напояжения можно ис-
пользовать для упрочнения бронебойных снарядов. Нам
все же очень хотелось найти какое-нибудь сугубо воен-
ное применение высокочастотного нагрева.
65 Вновь военная тематика
Насколько нам было тогда известно из популярной
литературы, бронебойный снаряд — это цилиндрический
кусок высококачественной стали. В задней части снаряда
имеется небольшое углубление, в которое заложен взрыв-
чатый заряд и взрыватель.
При ударе снаряда о броню происходит взаимное раз-
рушение брони и снаряда-
Считается, что снаряд выполнил свое назначение, если
через броневую плиту проходит огрызок снаряда с не-
вскрытой еще казенной частью, с неразрушенной по-
лостью, которая заполнена взрывчатым веществом.
Тогда взрыв произойдет уже за броней в том простран-
стве, которое она должна была собой защищать.
В среднем бронебойный снаряд должен пробивать бро-
невую плиту, толщина которой равна диаметру снаряда,
— 85 —
Для повышения пробивной способности бронебойных
снарядов применялись разные способы, и основной из
них—это увеличение начальной скорости снаряда. Но к
конструкция снаряда, и материал его, и методы обработ-
ки этого материала влияют на его бронепробивающие
свойства.
Главным авторитетом по части брони и бронебойных
снарядов считался адмирал Макаров.
Как-то перед Русско-японской войной фирма Крупп
предложила царскому правительству новый сорт брони-
Эта броня имела твердый закаленный наружный слой и
изнанку из мягкой и вязкой стали.
На первых испытаниях броневую плиту в спешке за-
крепили неправильно, мягкой частью наружу. Первым же
снарядом броню пробило навылет. Представитель фирмы
извинился, но запасного образца брони, оказалось, он с
собой, не привез. Только через месяц была доставлена
новая* плита. Теперь ее уже закрепили правильно. Вы-
стрелили и... снаряд навылет пробил броню.
Макаровские наконечники
Оказалось, что за то время, пока представитель
Круппа привозил новую броневую плиту, Макаров успел
изготовить новые бронебойные снаряды.
Макаров рассуждал так: раз броня легко пробивается
с изнанки, то надо эту изнанку насадить на конец зака-
ленного бронебойного снаряда и такой снаряд будет лег-
ко пробивать закаленную с лица плиту. Макаров закре-
пил на головке бронебойного снаряда наконечник из со-
всем мягкой сырой стали и от 'этого пробивная сила сна-
ряда возросла. Макаровские наконечники были самой
большой сенсацией за все время существования броне-
бойных снарядов.
Теория, что наконечник бронебойного снаряда должен
.играть роль своеобразной «смазки», облегчающей сер
дачнику снаряда проникновение через броневую плиту,
господствовала среди артиллеристов долгое время. Эта
теория , выглядела весьма логичной и убедительной. В
соответствии с этой теорией бронебойные снаряды и пули
снабжались особо мягкими наконечниками или даже обо-
дочками из красной меди.
— 86 —
Но вот нашелся некий остроумный конструктор, кото-
рый закалил Макаровские наконечники у снарядов. И
снаряды с такими закаленными наконечниками пробива-
ли более толстые броневые плиты, нежели снаряды с
мягкими наконечниками.
Потом появилась теория, что бронепробивающую си-
лу снаряда можно повысить, создав) в нем соответствен-
но распределенные внутренние напряжения. По этой тео-
рии выходило, что снаряды с твердой закаленной внеш-
ней коркой и с более мягкой сердцевиной должны иметь
повышенную бронебойную способность. Сначала будет
срабатываться внешняя корка, буравя броню, а когда
она раскрошится, то остаток снаряда все же должен
пройти насквозь через броневую плиту.
Мы пропустили через нашу высокочастотную уста-
новку несколько партий 45-мяллиметровых бронебойных
снарядов.
Некоторые оказались не хуже обычных снарядов,
другие же «разлетались, как огурцы, при ударе о бро-
невую плиту», как резюмировал результаты испытаний
начальник полигона. Увы, нам пришлось отказаться от
наших гордых намерений дешевым и простым способом
повысить качество бронебойных снарядов.
О/ «Отходы» исследований
Для всесторонней закалки снарядов были разрабо-
таны петлевые индукторы, их мы потом с успехом при-
меняли для нагрева многих других изделий. И для
внутренних напряжений, возникающих при поверхност-
ном нагреве, нашлись полезные применения. С их по-
мощью оказалось возможным производить в известных
пределах изменение размеров и формы многих изделий.
Так, например, мы стали восстанавливать изношенные
кольцевые калибры. Эти калибры служат для проверки
диаметров стержней, болтов. От долгого употребления
диаметр внутреннего отверстия калибра увеличивается.
Калибр становится непригодным к работе. Тогда его
нагревают снаружи индуктором и резко охлаждают.
Днешний слой калибра сжимается, давит на внутренние
— 87 —
Слои, и диаметр отверстия уменьшается. Такую опера-
цию можно повторять несколько раз.
Поистине оправдались слова адмирала Макарова:
«Пусть не боятся ошибок и увлечений. От работы, даже
направленной по ложному пути, от такой даже, которую
пришлось бросить, остается опыт. От безделья, хотя бы
оно было вызвано самыми справедливыми сомнениями
в целесообразности дела, ничего не остается. Не оши-
бается только тот, кто ничего не делает».
Пожалуй, не больше одной десятой от наших зака-
лочных начинаний доходило до промышленного приме-
нения.
68 Рельсы и колеса
Первое время развития поверхностной закалки все,
кто этим делом занимались, считали, что когда стальное
изделие подвержено износу из-за стирания, то 'всегда
твердость его поверхности надо делать максимальной.
В 1937 г. один весьма авторитетный специалист в об-
ласти поверхностной закалки так рисовал перспективы
ее применения на железнодорожном транспорте:
— Представьте себе индукторы, укрепленные перед
паровозом над головками рельсов. Они нагреют поверх-
ность рельсов до каления. Следом за индукторами охла-
дители разбрызгивают воду. Поверхность рельса приоб-
ретет высокое сопротивление износу. Мы пустим такие
установки по всем дорогам нашего Союза. Во много крат
мы повысим срок службы рельсов...
Но в этом месте какой-то железнодорожник ехидно
заметил:
— Вы забыли о колесах. Они изотрутся о ваши
сверхтвердые рельсы до самых центров. Вашей закалкой
рельсов вы погубите транспорт.
Вопрос о выборе наивыгоднейшей твердости оказался
во многих случаях весьма сложным и запутанным.
Для рельсов предлагалось затем закаливать не всю
поверхность, а только участки длиной сантиметров но
10—20 у стыков, где рельсы больше всего изнашиваются
(расклепываются) из-за ударов колес при переезде сты-
ков. Потом предлагалось поверхностно закаливать по-
верхность бандажей паровозных и вагонных колес. И до
сих пор по этим вопросам нет единого мнения.
— 88 —
Поверхностной закалкой 'можно повысить твердость
внутренних поверхностей цилиндров двигателей. Но и
здесь требуется очень осторожный подход. На поршень,
который ходит в цилиндре, для уплотнения одеваются
кольца. Если сделать внутреннюю поверхность цилиндра
слишком твердой, то износ цилиндра, правда, уменьшит-
ся, но износ поршневых колец может настолько возрасти,
что расходы из-за их более частой замены могут превы-
сить выгоду от повышения стойкости цилиндра.
69 Холодный душ для слишком пылких сторонников Т. В. Ч.
Часто нам приходилось даже бороться со слишком
восторженным отношением к высокочастотному нагреву.
Ему приписывались некоторыми инженерами прямо-таки
«чудодейственные свойства. Одни считали даже, что
простое безуглеродистое железо после нагрева в поле
высокой частоты дает при закалке такую же твердость,
как лучшие сорта стали. Другие были твердо уверены,
что при высокочастотном нагреве ни при каких условиях
не получается ни поводки, ни коробления изделий.
Таких энтузиастов приходилось терпеливо убеждать,,
что универсальных лекарств, «панацей», которые бы ле-
чили от, всех болезней, не существует, как не сущест-
вует и «философского камня», и что высокочастотное
поле — это только удобный способ введения тепла в ме-
талл, но не во всех случаях он удобен и экономичен.
Мало распространилась высокочастотная поверхност-
ная закалка в авиации. Там приходится иметь дело
с очень тонкими ажурными деталями, и при поверхност-
ном, местном нагреве можно получить о-ченъ сильное
коробление, иногда можно даже понизить прочность
обрабатываемого изделия.
Был такой случай, что на одном авиамоторном заводе,
не разобравшись, закалили поверхность вала и поста-
вили его на машину. В воздухе вал сломался и только
благодаря искусству пилота удалось дотянуть самолет
до аэродрома и посадить без аварии.
Не пошел поверхностный нагрев и для закалки брони.
Новых качеств здесь высокочастотный нагрев не давал,
а стоимость его получалась выше, чем у других способов
нагрева.
— 89 —
Однако, в той «одной десятой» наших закалочных
начинаний, которые дошли до промышленного внедре-
ния, накопилось столько полезных применений (высокоча-
стотного нагрева, что они, пожалуй, перевесили все эф-
фекты, которые могли -бы получиться от закалки пушек,
снарядов, брони.
70 Последовательный нагрев
В начале войны с белофиннами в нашу закалочную
лабораторию явился представитель танкового завода и
предложил поверхностно закалить стальные пальцы, ко-
торыми скреплялись между собой отдельные звенья
(траки) танковых гусениц.
Длина каждого пальца -была более полуметра и диа-
метр около двадцати миллиметров. Следовательно, по-
верхность, которую требовалось закалить, имела размер
свыше трехсот квадратных сантиметров. Толщина слоя
требовалась не более одного миллиметра. А это озна-
чало, что на каждый квадратный сантиметр закаливае-
мой поверхности необходима мощность свыше двух кило-
ватт. Чтобы одновременно нагреть весь палец, необхо-
димо было иметь генератор мощностью свыше шестисот
киловатт.
Такую большую мощность нам -взять было неоткуда,
и тут мы впервые применили последовательную закалку.
Мы подвесили палец на веревочке и стали его мед-
ленно опускать через индуктор. Под индуктором мы рас-
положили согнутую кольцом трубку с многими тонкими
отверстиями, из которых во все стороны брызгали струй-
ки воды. Индуктор нагревал узкий кольцевой слой на
пальце, и прежде чем тепло успевало проникнуть вглубь
металла, нагретый участок попадал под водяной душ и
там поверхностный слой получал закалку. При генера-
торе Bi пятьдесят киловатт закалка -всего пальца заняла
немногим более двух минут.
Потом были разработаны усовершенствованные типы
станков для последовательной закалки. В них перемеще-
ние изделия производилось при помощи гидроподъем-
ника, который позволял плавно регулировать скорость.
Для очень громоздких изделий мы построили станки,
в которых изделие оставалось неподвижным, а переме-
щались нагревательный индуктор и охладитель.
— 90 —
Рис. 37. Последовательная закалка стального валика.
При помощи гидроподъемника валик 1 опускается, проходя сначала через
нагревательный индуктор 2, а затем через охлаждающий душ 3.
ДерЖавка. из мало~
елеродистой стали.
Здесь выде-
ляется тепло —-
Место спая
Карбидная
пластинка
Рис. 37а. Напайка победитовой пластинки на токарный резец.
Зона спая нагревается посредством петлевого индуктора.
— 91 —
Последовательная закалка стала широко применять-
ся в практике. Так обрабатываются теперь валки станов
холодной 'прокатки, шпиндели станков, ножи больших
механических ножниц, гильзы цилиндров протяжки и
многие другие изделия.
Для наиболее распространенных случаев поверхност-
ной закажи обычно требуется мощность не менее одного
киловатта на каждый квадратный сантиметр нагревае-
мой поверхности. Высокочастотные ламповые генерато-
ры для установок поверхностной закалки выполняются
чаще всего на мощность меньше ста киловатт. На таких
генераторах можно одновременно нагреть под поверх-
ностную закалку участок, не превышающий сга квадрат-
ных сантиметров, но, применяя последовательную закал-
ку, можно на таком генераторе обработать изделие с
очень большой поверхностью.
Только в редких случаях для поверхностной закалки
строятся более мощные генераторы на пятьсот, шестьсот
киловатт.
/1 Где нужна высокая, а где и низкая частота
Чем выше частота тока, тем тоньше тот поверхност-
ный слой, в котором он выделяет основное тепло. При
частоте тока в сто тысяч периодов в секунду в нагретс/i
стали основное тепло выделяется в слое толщиной около
полутора миллиметров. Для получения тонких закален-
ных слоев в изделиях небольших размеров, имеющих вы-
ступы и впадины, применяются токи с частотой до двух-
сот-трехсот тысяч периодов в секунду. Ламповые гене-
раторы легко и с высоким коэффициентом полезного
действия могут вырабатывать еще более высокочастот-
ные токи (в миллионы и даже миллиарды периодов в
секунду), но такие токи для закалки не применяются.
При них получаются слишком высокие напряжения на
нагревательных индукторах. Между индуктором и
сталью могут проскакивать искры. Нагрев получается
неустойчивый. Поэтому для нагрева под закалку обычно
применяют токи с частотой не выше полумиллиона пе-
риодов в секунду.
Для нагрева толстых слоев в изделиях простой формы
иногда применяются токи с частотой всего лишь в не-
сколько тысяч или далее сотен периодов в секунду. На-
— 92 —
Рис. 38. Потери (в процентах) в различных частях закалочной уста-
новки с ламповым генератором.
пример, для нагрева под закалку шеек коленчатых валов
двигателей внутреннего сгорания (автомобильных, танко-
вых, тракторных) часто берут ток с частотой 2 000 пе-
риодов в секунду. Такой ток получают от машинных ге-
нераторов.
Любопытный, правда весьма редко используемый, при-
ем—'это подводный нагрев. Стальное изделие погружа-
ется в жидкость (вода, эмульсия, масло), а индуктор
или окружает сосуд с жидкостью и изделием, или также
погружается в жидкость. При включении в индуктор
тока достаточно большой силы поверхность* изделия
нагревается до каления, а после выключения тока
жидкость сразу льнет к стали и быстро охлаждает ее.
Таким образом можно получать очень тонкие закален-
ные слои.
- 93 —
3
Рис. 39. Схема устройства для нагрева под закалку с питанием от
машинного генератора.
/—закаливаемый предмет, помещенный внутрь нагревателя 2. Ток высокой
частоты вырабатывается генератором 3. Генератор приводится во вращение
электродвигателем. Из генератора высокочастотный ток поступает в понижающий
трансформатор 4. Для компенсации реактивной мощности к трансформатору
подключается еще конденсатор 5. В последнее время получают распространение
установки, в которых в. ч. генератор и его приводной двигатель объединяются в
виде одной двухподшипниковой машины.
Одновременно с развитием поверхностной закалки на-
чали распространяться и другие применения высокоча-
стотного индукционного нагрева металлов.
Еще до первой мировой 'войны были известны индук-
ционные высокочастотные плавильные печи. Они имеют
много ценных свойств: дают чистый и однородный ме-
талл, позволяют 'вести плавку в высоком вакууме и та-
ким образом получать совершенно свободные от окислов
слитки.
Но индукционные печи были мало распространены в
производстве из-за отсутствия хороших высокочастот-
ных генераторов. Эти печи прятались по лабораториям.
Развитие поверхностной закалки вызвало развитие
производства! высокочастотных генераторов. Закалочные
генераторы оказалось очень легко приспособить для
плавки. Стало расширяться промышленное применение
индукционных плавильных печей. Для печи емкостью в
10—20 килограммов достаточен генератор на мощность
меньше 50 киловатт. Меньше, чем за час, в такой печи
можно произвести плавку специального сорта стали,
магнитного сплава, сплава цветных металлов.
— 94 —
Рис. 40. Распределение потерь в закалочной установке с машинным
генератором.
Во многих случаях высокочастотный индукционный
напрев оказался удобен для нагрева под ковку и штам-
повку.
Хорош высокочастотный напрев для пайки. На мно-
гих заводах стали напаивать победитовые и из других
сверхтвердых сплавов пластинки на резцы, фрезеры,
развертки. Завод «Красногвардеец» стал паять при высо-
кочастотном нагреве медицинский инструмент. На авиа-
ционных заводах индукторами спаивали полые лопа-
сти металлических пропеллеров.
Металлообрабатывающая промышленность предъяви-
ла большой спрос на ламповые генераторы для высоко-
частотного нагрева. Уже во время Великой Отечествен-
ной войны было развернуто производство 'этих генерато-
ров. Понадобилось много ламп, много газотронов.
— 95 —
/z Снова о запасителях электрических зарядов
И -как ни удивительно, труднее всего оказалось снаб-
дить все установки высокочастотного ‘нагрева конденса-
торами.
Всякая высокочастотная нагревательная установка
имеет колебательный контур. Мощность, которая колеб-
лется в этом контуре между нагревательным индуктором
и конденсаторной батареей — реактивная мощность —
в несколько раз превышает полезную мощность, пере-
даваемую в нагреваемый металл. Если, к примеру, мощ-
ность, передаваемая из нагревателя в сталь, 50 кило-
ватт, то реактивная мощность может быть 1 000 кило-
ватт— коэффициент мощности 1/20, и никакими ухищ-
рениями такой низкий коэффициент мощности не повы-
сить, в самом лучшем случае при высокочастотном на-
греве коэффициент мощности может быть равен 0,1, а
часто он бывает равен 0,01. И, следовательно, в по-
следнем случае мощность конденсаторов должна в 100
раз превышать полезную мощность, передаваемую в
металл Ч
Мощность конденсатора пропорциональна площади
его обкладок и толщине слоя изолятора между ними.
Короче говоря, мощность конденсатора пропорциональна
количеству заложенного в него изолятора. Хороший изо-
лятор для высокочастотных конденсаторов—это слюда.
Она выдерживает высокие напряжения. С одним кило-
граммом слюды можно сделать высокочастотный кон-
денсатор на мощность больше 100 киловольтампер, но
слюда дорога, свыше 1 000 руб. за килограмм. А во
время войны она стала совсем дефицитной—много слю-
ды понадобилось для радиолокационных установок и для
радиостанций.
Можно делать конденсаторы с воздушной* изоляцией,
отделять пластины воздушным промежутком. Но такие
конденсаторы весьма громоздки, так как воздух не вы-
1 Этот низкий коэффициент мощности в цепи высокочастотного
нагревателя не имеет ничего общего с коэффициентом мощности
в сети 50-периодного тока, питающей установку. В современных
схемах ламповых генераторов, работающих с газотронными вы-
прямителями, этот коэффициент мощности очень высок — часто он
составляет 0,9.
— 96 —
держивает высоких напряжений и приходится брать боль-
шие зазоры между пластинами.
Потом были разработаны конденсаторы с керамиче-
ской изоляцией. Этим конденсаторам придается форма
маленьких тарелочек или горшочков, посеребренных
с обеих сторон.
Много затруднений было с удалением выделяющегося
в конденсаторах при их работе тепла. В конденсаторах
с воздушной изоляцией вовсе нет потерь на нагревание
изоляции.
В хороших современных конденсаторах потери на на-
гревание изоляции должны составлять не более не-
скольких десятитысячных от мощности конденсатора.
Таким образом, даже при таком низком коэффициен-
те мощности нагревательного контура, как 0,001, потери
в конденсаторах будут составлять не более нескольких
процентов от полезной мощности.
Велика и могуча теперь семья потомков лейденской
банки, и все они теперь несгно работают в промышлен-
ности.
/<5 В. Ч. нагрев внедрен в промышленность
Высокочастотный нагрев действительно оказался но-
вым полезным орудием для металлопромышленности.
В металлорежущих станках, в автомобилях, в текстиль-
ных, сельскохозяйственных и иных машинах успешно
работают детали, обработанные током высокой частоты.
Во время Великой Отечественной войны обработанные
высокочастотным методом детали блестяще показали
себя в танках.
При преобразовании электроэнергии в высокочастот-
ных генераторах неизбежны потери. Теряется энергия,
кроме того, и в высокочастотном трансформаторе, и з
нагревательнолМ индукторе. Обычно в обрабатываемом
стальном изделии выделяется не больше трети-четзерти
от забираемой из питающей сети мощности. Но так как
нагреву подвергается лишь тонкий поверхностный слой,
и весь нагрев длится несколько секунд, то при стоимости
электроэнергии, скажем, 10 копеек за один киловаттчас
стоимость нагрева одного квадратного сантиметра по-
верхности изделия составляет 0,1 копейки.
Для массового производства существуют теперь спе-
7 Г. И. Бабат. — 97 —
циальные закалочные станки-автоматы. Они вводят зака-
ливаемое изделие в индуктор, автоматически дают тре-
буемую выдержку нагрева, а затем переносят изделие в
охлаждающую жидкость (воду, масло, эмульсию) или же
охлаждающая жадность выбрызгивается на нагретое из-
делие через отверстия в нагревателыном индукторе. Та-
кие закалочные автоматы могут быть включены в общую
линию станков механической обработки. При этом отпа-
дает иногда необходимость в 'Специальном термическом
цехе.
Высокочастотный напрев удешевляет производство,
оздоровляет условия труда, повышает живучесть меха-
низмов.
Не так уж много времени прошло с тех пор, как в
лаборатории завода «Светлана» были сделаны первые
попытки 'закаливать пушечные стволы, а ныне мощность
высокочастотных установок, применяемых для поверхно-
стного нагрева в промышленности Советского Союза, в
несколько раз превышает мощность радиостанций.
Методы высокочастотного нагрева все совершен-
ствуются, область его применений все расширяется. Но
интересно заметить, слово радио исчезает ив терминоло-
гии этой области. Первое (время еще говорили «радиона-
г,рев», «радио-термическая обработка», «радио-термиче-
ская установка», но теперь эти термины забыты. И, по-
жалуй, это правильно. Начав с приспособления радио-
технических устройств, высокочастотная термия вызвала
затем к жизни новые схемы и конструкции—это высоко-
частотная сильноточная электротехника', новая все со-
вершенствующаяся, быстро развивающаяся область.
4. Сто миллионов перемен в секунду
Зимой 1939 г. после того, как мы успешно закончили
закажу пальцев для траков танковых гусениц, мы реши-
ли' перестроить нашу высокочастотную установку, под-
ключить параллельно еще несколько генераторных ламп
и тем повысить мощность.
Как раз к моменту пуска нашей наново перемонтиро-
ванной установки к нам в закалочную лабораторию за-
шел начальник машиностроительного цеха.
— Внимание, включаем!—и я нажал кнопку пуска.
Щелкнул контактор, заколебались стрелки ампер-
метров; судя по их показаниям, генератор брал от пи-
тающей сети не менее трехсот киловатт, но стальная
болванка в нагреваемом индукторе оставалась совер-
шенно холодной. В контуре не возбуждалось требуемых
колебаний.
74 Паразиты в ламповых генераторах
И вдруг запрыгали и защежали искры среди пучка
ни к чему не присоединенных трубок, стоявших в даль-
нем! углу лаборатории.
— Это еще что за чудеса?—спросил начальник ма-
шиностроительного цеха.
— Паразиты,—с грустью отозвался наш монтер.
— Паразиты—это уже новое научное открытие.
Но ирония машиностроителя объяснялась его неве-
жеством В1 радиотехнике.
«Паразиты», как говорят для краткости, или «.пара-
зитные колебания», если говорить точнее, — это вели-
чайшее зло для тех, кто работает с ламповыми гене-
раторами.
7*
— 99 —
Электронная лампа может Вызывать колебания в са*
мых различных контурах. Подключите к лампе контур,
состоящий из катушки с многими сотнями или даже ты-
сячами витков и ив конденсатора с большой емкостью,
и лампа будет раскачивать этот контур в соответствии
с его низкой резонансной частотой. Можно построить,
например, колебательный контур с частотой несколько
периодов в секунду или даже один период в несколько
секунд. Но можно присоединить к. лампе контур, кото-
рый, наоборот, состоит из совсем малой индуктивности
и емкости, и лампа возбудит в этом контуре его резо-
нансную частоту в миллионы периодов в секунду.
Всякий кусок провода, присоединенный к электронной
лампе, может явиться колебательным контуром. Шины,
которые подводят ток накала к катоду лампы, шины, ко-
торые идут от сетки лампы, от ее анода,—все эти про-
водники могут совершать электрические колебания со
своей, им присущей, резонансной частотой.
Нам кажется, что мы подключили к лампе один толь-
ко нагревательный контур, а на самом деле мы к ней
подключили множество разнообразных контуров. Кроме
нагревательного, все эти контуры являются «паразитны-
ми», потому что колебания, которые возникнут в них,
не произведут полезной работы. Но лампа не способна
анализировать, что полезно, а что вредно. Она раскачи-
вает всякий контур.
Чем короче период колебаний какого-нибудь контура,
чем выше частота, тем быстрее развиваются колебания
до своей полной силы. А колебания, которые развились
в каком-нибудь одном контуре, уже лишают лампу воз-
можности производить колебания в других контурах. Бы-
вает так, что паразитный контур раскачивается быстрее,
нежели основной контур, и паразитные колебания заби-
вают основные колебания.
При конструировании и затем ори монтаже лампового
генератора трудно заранее учесть, какой проводник, ка-
кой завиток может оказаться паразитным контуром.
Чем большее число ламп одновременно работает в ге-
нераторе, чем он мощнее, тем больше вероятность воз-
никновения паразитов.
И вот мы включили генератор, и электронные лампы
начали вырабатывать вовсе не те колебания, которые мы
рассчитывали получить.
— ЮО —
С изменением частоты тока отдельные детали, из ко-
торых составляется схема высокочастотного генератора,
могут менять свои электрические свойства и характери-
стики. Дроссельная катушка, например, гари той частоте,
на которую спроектирован нагревательный контур, явля-
ется индуктивностью—она запирает путь высокочастот-
ному току в цепь питания, в городскую сеть. При весь-
ма высоких частотах, которые соответствуют паразитным
колебаниям, этот же дроссель начинает вести себя уже
не как индуктивность, а как емкость и, следовательно,
при этих высоких частотах дроссель уже не запирает ко-
лебания, а пропускает их. Наоборот, конденсатор, кото-
рый при нормальной частоте вел себя как емкость и, сле-
довательно, пропускал колебания, при высокой паразит-
ной частоте вдруг начинает играть роль дроссельной ка-
тушки и преграждает путь высокочастотному току.
75 Борьба с паразитами
Паразитные колебания вызывают высокие напряжения
в самых неожиданных местах схемы лампового генера-
тора, они вызывают повреждения изоляции, пробои.
Требуется определенное чутье, чтобы догадаться, от
какой именно части схемы лампового генератора зави-
сят паразитные колебания и как эту схему надо видоиз-
менить, чтобы не дать возбудиться паразитам.
Чтобы избавиться от «паразитов», включают рео-
статы в цепь сетки генераторных ламп, включают кон-
денсаторы между сеткой лампы и ее катодом, включают
дроссели в цепь ее анода. Но иногда такими антипара-
зитными мероприятиями можно загасить и основные
колебания или заменить один вид «паразитов» на
другой.
Умелая борьба с «паразитами» в ламповых генерато-
рах относится к высотам инженерного искусства. Этому
трудно научить на школьной скамье, здесь нужен боль-
шой практический опыт.
Объяснив все это машиностроителю, мы добавили,
что паразитные колебания, как колебания более высо-
ких частот, легче отрываются от породившего их гене-
ратора, легче излучаются в пространство, чем более
медленные колебания, которые получаются в нормаль-
ном контуре, применяемом для нагрева под закалку.
— 101 —
□gggi
□□ggi
ggggi
ggggi
ggggi
□□□g
ggggi
□ggggggggggggggggggi
□ggggggggggggggggggi
Г§ТППППППттПППП1
II II II II II II II II IIJI
ИйтаВП
Итмии,.^.- , ..........
«gguuuguuugggggggggggggc
KgggggggggggggggggggggggE
jgggggggggggggggggggggggc
fjgggggggggggggggggggggggr:
rinn^i^fennnnnnnnnnnnnnnnn
□□□□□□□□□□□□□□□С
^^ffigsagggggggc
^gsMBHggggggggr
:g
1
Фидер к еенератор<
Провод Электровзрывоипель
Рис. 41. Простейшая излучающая ультракоротковолновая антенна.
Она имеет вид металлического стержня, длина которого равна половине
длины излучаемой электромагнитной волны. Такую антенну называют вполу~.
волновым диполем*. Против нее расположен электрический взрыватель от мины
Расплавленные в виде усов проводники его являются приемной антенной.
А легко излучающиеся высокочастотные колебания
способны наводить напряжения и вызывать искрение
в контактах даже в относительно удаленных от генера-
тора предметах.
— И эти сверхвысокочастотные колебания можно по-
лучать только нечаянно?—осведомился наш гость.
— Нет, отчего же. Можно специально построить ге-
нератор для таких сверхвысокочастотных колебаний.
Они, например, применяются для передачи телевиде-
ния, — ответил монтер.
76 Злободневное изобретение
Машиностроитель вдруг хлопнул себя ладонью по
лбу и сказал:
— Ну теперь у меня есть идея почище вашей закалки.
И он выбежал из лаборатории.
- 102 —
О сущности идеи, навеянной паразитами, мы узнали
уже на специальном совещании, которое созвал дирек-
тор завода.
В те дни самым злободневным вопросом была борь-
ба с минами. Отступая, перед нашей армией, финские
войска расставляли тысячи мин: противотанковые, про-
тивопехотные, замедленного действия. Все они делались
либо с механическим, либо с электрическим взрывателем.
Наш машиностроитель предложил взрывать при
помощи ультракоротких волн (ультравысокочастотных
колебаний) мины на расстоянии.
— Ультракороткие волны вызывают искрение трубок,
эти волны обладают способностью наводить напряжение
в проводниках.
— Представьте, себе, — говори^ он на совещании, —
легкую передвижную установку. Смонтируйте установку
на танке, вперед выведите направленную антенну. Запу-
скаете установку в ход, танк движется, во всех минах
в радиусе скажем, 100 метров возникает искрение, и
все эти мины без малейшего вреда для танка и для уста-
новки взлетают на воздух-
Мнения специалистов разделились.
Кто-то вспомнил о нашумевших опытах оказавшегося
жуликом и аферистом Риндель Мэтьюза, — английского
изобретателя, который якобы нарушал работу двигателя
внутреннего сгорания высокочастотными лучами.
Главный конструктор завода хранил глубокомыслен-
ное молчание, а когда увлеченный идеей В. Ч. взрыва-
теля директор заставил его в конце концов высказаться,
то он повел уклончивую речь: «Мины с механическим
взрывателем — те, возможно, на высокочастотные коле-
бания не отзовутся совсем, ну а мины с электрическим
взрывателем, те, быть может, и да, а, быть может,
и нет...».
В конце концов, после жарких дебатов решили, что
надо произвести опыты. Быть может, решающую роль
сыграли здесь не доводы рассудка, а свойственная лю-
дям вера в чудесное: от того, что мало знакомо, свой-
ственно ожидать чего-то необычного. Ультравысокие ча-
стоты для многих —г это было нечто загадочное, почти
сказочное, и трезвое прохладное отношение не нашло
сочувствия.
— 103 —
/ I «Совершенно секретно»
В глухом углу заводского двора был немедленно
отгорожен высоким забором участок. Туда подвели ка-
бель для питания лампового генератора. Лучшие мон-
теры завода были поставлены на эту работу. Всего за
двое суток смонтировали генератор мощностью в 20 ки-
ловатт при частоте тока около 100 миллионов периодов
в секунду.
Машиностроитель достал электрозапалы, и опыты
начались.
Здесь надо пояснить, что представляли эти электро-
запалы или, как их еще называли, электровзрыватели
для мин. Тонкая проволочка обмазывается специальным
сильно взрывчатым, как его называют, «инициирующим
взрывчатым веществом». От проволочки этой идут два
вывода из более толстых медных изолированных провод-
ников. Обмазанная проволочка помещается в металличе-
ский колпачок, вроде наконечника от карандаша. Во-
круг нее набивается еще взрывчатое вещество и затем
открытый конец колпачка заделывается мастикой. В та-
ком виде колпачок помещается в мину. Если по про-
водникам, идущим из колпачка, пропустить ток от галь-
ванической батареи или от маленькой динамомашины, то
проволочка, обмазанная инициирующим взрывчатым
веществом, нагревается. Инициирующее вещество взры-
вается и вызывает взрыв всего запала, а тот взрывает
мину.
Проводники от электровзрывателя можно делать дли-
ной в несколько сотен метров и более, чтобы издали уп-
равлять взрывом.
Машиностроитель обрезал эти выводы от взрывате-
лей так, чтобы длина проводников была около метра,
расправлял и разводил их на две стороны, как усы,
и затем раскладывал перед генератором. Концы выводов
ни к чему не присоединялись, оставались свободными.
Но вот включается генератор, и запалы с грохотом
взрывались.
После этой демонстрации никто уже не осмелился
вслух сомневаться в успехе. О результатах первых ис-
пытаний было доложено штабу командования. На завод
пригнали большой танк, чтобы установить на нем ультра-
— 104 —
Рис. 42. Современная ультракоротковолновая направленная антенна.
Она состоит из большого числа полуволновых вибраторов-диполей, укреплен-
ных на общей раме. Все диполи расположены параллельно один другому и токи
во всех них одновременно текут в одном направлении. Электрические и магнит-
ные силовые линии, возбуждаемые отдельными диполями, складываются и об-
разуют своей совокупностью узкий остро направленный луч. Ось этого луча
перпендикулярна к плоскости, в которой расположены диполи. Такие антенны
применялись во время второй мировой войны для обнаружения (родиолокации)
самолетов. При помощи такой же антенны мощный импульс был впервые направ-
лен на луну и было получено обратное отражение.
105 —
высокочастотный генератор. В цехах завода строились
генераторные лампы нового типа — особо коротковолно-
вые и мощные «танковые лампы», как их называли то-
потом на ухо.
Была сооружена специальная мощная и малогабарит-
ная электростанция с высоковольтной динамомашиной
морского типа. Она должна была разместиться внутри
танка для питания ультравысокочастотного генера-
тора.
На кронштейнах впереди танка была укреплена пере-
дающая антенна. Ее конструкция заставляла вспомнить
о первоначальном значении этого слова- Задолго до воз-
никновения радиотехники слово антенна применялось для
обозначения усиков — в виде торчащих на две стороны
сяжек у насекомых. И эта танковая антенна действи-
тельно делала танк похожим на огромного жука.
Но все эти усилия наши оказались, как это видно из
последующего, бесплодными...
78 Апофеоз У. В. Ч.
Наступило время испытания.
’Машиностроитель послал монтера за взрывателями:
—Я держу наши взрыватели в помещении, которое
находится на расстоянии четверти километра от этого
нашего генератора,— пояснял машиностроитель. Само
помещение заэкранировано железной сеткой, которая
проложена во всех стенах, в полу и в потолке. И взры-
ватели лежат в толстостенном железном шкафу, в сейфе.
Пока машиностроитель все это объяснял, монтер
разложил на расстоянии метров пяти от антенны три
взрывателя, расправил проводнички—усы, которые шли
от взрывателей, чтобы они лучше торчали по обе стороны
от каждого взрывателя.
Затем он нажимает кнопку пуска генератора, и все
взрыватели с грохотом взлетают.
Монтер побежал за следующей партией взрывателей.
Их уложили уже на расстоянии десяти метров от антен-
ны. И так же безотказно они взлетели на воздух при но-
вом включении высокочастотного генератора.
— 106 —
Испытания продолжались с блестящим успехом.
Взрыватели были положены теперь на расстоянии двад-
цати метров от антенны.
Включение. Грохот- Все взрыватели рвутся без.
отказно.
Вдруг один инженер, который стоял у самой антен-
ны, в том месге, где по расчету нашего заводского тео-
ретика должно существовать электромагнитное поле
самой высокой интенсивности, отчаянно кричит:
— Выключайте немедленно генератор!
Стоит этот инженер побледневший и хватается за
грудь. Оказывается, у него в карманах лежало несколь-
ко штук взрывателей, о которых он совершенно забыл.
Вынул он эти взрыватели, все столпились вокруг.
Почему эти взрыватели не взлетели при первых включе-
ниях генератора? Кто-то говорит, что это вероятно бра-
кованные взрыватели. Другой возражает, что это он сам
своим телом поглотил всю высокочастотную энергию.
Инженер, державший взрыватели в кармане, берет
один из своих взрывателей, расправляет проводники, ко-
торые от этого взрывателя идут, разводит эти проводни-
ки, как усы, и кладет этот взрыватель метрах в двад-
цати от антенны.
Потом он нажимает кнопку пуска, и взрыватель
рвется.
Оставшиеся взрыватели со окрученными выводами он
раскладывает перед антенной на разных расстояниях, а
один из взрывателей с такими скрученными проводами
кладет на ладонь и подносит к самой антенне и реши-
тельно приказывает:
— Включайте!
Теперь побледнел машиностроитель. Но инженер на-
жимает кнопку.
Все взрыватели лежат неподвижно. Высокая частота
на них не действует.
Увы, подтвердилась старая истина: чудес не бывает.
Высокочастотная энергия могла попасть во взрыва-
тель лишь в том случае, когда вывода от взрывателя
были расправлены и разведены на манер приемной ан-
тенны. Вывода в виде усов могли воспринять достаточно
— 107 —
энергии, чтобы вызвать взрыв. Но в своем обычном виде,
плотно скрученные, эти вывода не способны извлечь
энергию из электромагнитного поля и подвести ее к ини-
циирующему составу.
Наш мощный ультравысокочастотный генератор ока-
зался совершенно бесполезным для борьбы с минами.
После провала минновзрывательной высокочастотной
затеи я уговорил передать этот «танковый генератор»
и построенные для него мощные ультравысокочастотные
лампы в мое распоряжение, чтобы попробовать приме-
нить ультравысокие частоты для промышленного на-
грева.
/ У Греть не катушкой, а пластинкой
С ультравысокочастотным генератором мы хотели
испытать иной метод нагрева, нежели тот, что был раз-
работан для металлов: для плавки, поверхностной за-
калки.
Для нагрева металлов мы помещали их в индуктор,
направляли на подлежащий нагреву участок быстропере-
менный магнитный поток. И этот магнитный поток вы-
зывал движение электронов. Таким методом можно на-
гревать только хорошие проводники. Кроме металлов
хорошим проводником электрического тока является еще
графит.
В других материалах — в плохих проводниках и в
изоляторах — быстропеременный магнитный поток не
способен вызывать значительного выделения тепла.
В этих материалах нет свободных электронов, которые
могли бы создавать вихревые токи. В магнитном поле
такие материалы слабо нагреваются. Но если направить
на эти материалы не магнитное, а электрическое поле,
то можно заставить вибрировать в такт изменению этого
поля сами молекулы материала, а движение молекул —
это и есть нагрев-
Электрическое поле создается между обкладками кон.
денсатора. Между этими обкладками и помещается то
изделие из полупроводника или изолятора, которое тре-
буется нагреть.
Такой нагрев принято теперь называть конденсатор-
ным нагревом или диэлектрическим нагревом.
— 108 —
же генератор давал ток с ча-
Те генераторы, которые применялись для нагрева Иод
закалку, вырабатывали ток с частотой 200—300 тысяч
периодов в секунду. Эта частота была слишком низка,
чтобы получить хороший нагрев в электрическом поле
конденсатора. «Танковый»
стопой до ста миллионов
периодов в секунду. При
такой частоте можно
было рассчитывать полу-
чить интенсивный нагрев
самых разнообразных
плохо электропроводных
или даже изолирующих
материалов.
Мы помещали все, что
только подвернется под
руку, между обкладками
конденсатора подключен-
ного к нашему сто мил-
лионов-периодному гене-
ратору.
Положили в конденса-
тор картошку—она испек-
лась, ввели в конденса-
тор сосиски—они там из-
жарились. В бумажную
коробку положили не-
много теста и поставили
эту коробку с тестом так-
же между пластинами
конденсатора. За несколь-
ко минут у нас испекся за-
мечательный хлебец: пышный, ароматный, ноздрястый,
но только без корочки, получился один мякиш. Это пото-
му, что конденсаторное электрическое поле заставляет
тепло равномерно выделяться во всем объеме, а уходит
тепло с поверхности. Поэтому в конденсаторе внутрен-
ние части нагреваемого тела имеют более высокую тем-
пературу, нежели его поверхность. Это обратно тому, что
происходит в печи, где нагрев идет с поверхности. Там
поверхность имеет более высокую температуру, нежели
сердцевина, и поэтому на тесте запекается корка.
Рис. 43. Ультракоротковолновой
ламповый генератор для нагрева
диэлектриков и полупроводников
в конденсаторном поле.
Генераторные лампы, их цепи питания
и все вспомогательные детали заключены
внутри шкафа. Сбоку этого шкафа видны
электроды — конденсаторные пластины»
между которыми помещаются нагревае-
мые объекты.
— 109 —
OU Изоляторы нагреваются, а металлы нет
Зато металлы очень слабо нагреваются в высокочас-
тотном электрическом поле конденсатора. И сами пласти-
ны конденсатора не разогреваются при работе высоко-
частотного генератора. Нет надобности охлаждать эти
пластины водой, как это делается с индуктором для на-
грева металлов.
Но если поместить между пластинами конденсатор-
ного нагревателя бревно, в которое заколочены гвозди,
то хотя в самих гвоздях тепла не выделяется, но дерево
вокруг них будет перегреваться, может даже обуглиться.
Это потому, что такое металлическое тело создает вблизи
себя сгущение силовых линий электрического поля, и
изоляционный материал, находящийся в таком сгущении,
нагревается более интенсивно, чем в остальной части
пространства.
Надо оговориться, что диэлектрический конденсатор-
ный нагрев изучался во многих лабораториях Советского
Союза и за рубежом еще задолго до того, как на
«Светлане» начались опыты по взрыванию мин.
Одно из наиболее старых применений диэлектриче-
ского нагрева—это сушка древесины. Строились уста-
новки, в которых бревна и доски при помощи конвейер-
ной ленты протаскивались между конденсаторными пла-
стинами. В других установках применялась периодиче-
ская загрузка: древесина выкладывалась в штабель,
с двух сторон его помещались решетчатые металлические
обкладки, к которым подводилось напряжение высокой
частоты.
Мы с увлечением принялись конструировать усовер-
шенствованные высокочастотные сушила, но надо честно
признаться, ни наши эти сушила, ни сушила других ла-
бораторий, которые работают над высокочастотным про-
гревом древесины, вплоть до настоящего времени не по-
лучили еще такого большого успеха, как закалочные
установки.
Это объясняется тем, что древесина — весьма дешевый
материал и применение электрического нагрева для суш-
ки значительно повышает ее стоимость. (Надо указать,
что даже в самых совершенных установках диэлектриче-
ского нагрева в полезное тепло превращается меньше
половины потребляемой от сети электроэнергии.)
— ПО —
В тех отраслях промышленности, где древесина не
является основным сырьем, которое определяет стои-
мость всей продукции, но где из-за древесины может за-
держаться весь производственный процесс, там ускоре-
ние сушки при высокочастотном нагреве может окупить
связанное с этим и удорожание древесины. На обувном
заводе «Скороход», где древесина используется для из-
готовления колодок, высокочастотная сушильная уста-
новка завоевала признание.
В тех же производствах, где стоимость готовой про-
дукции в значительной мере определяется именно стои-
мостью древесины, там до сих лор предпочитают выдер-
живать древесину на складе вместо ускоренной искус-
ственной сушки.
81
У. В. Ч. согревает человека
Рис. 44. Медицинский аппарат для
высокочастотного нагревания с
лечебными целями.
Первое «промышленное» применение высокочастотные
конденсаторные нагреватели получили в госпиталях,
здесь объектом воздей-
ствия были люди.
Начало наших опытов
с конденсаторными нагре-
вателями совпало с раз-
гаром войны с белофина-
ми. Стояла необычайно
суровая зима и в госпи-
талях было много обмо-
роженных. Первым, ка-
жется, доктор Любезный
установил, что ультравы-
сокочастотный нагрев при-*
носит большую пользу
при разного рода воспа-
лениях и, в частности при
обморожениях. При рано
начатом лечении удается
предотвратить возникно-
вение гангрены, а когда она уже началась, высокоча-
стотный нагрев предотвращает ее дальнейшее распро-
странение.
Для медицинских целей требуется весьма осторож-
ный, неинтенсивный нагрев. Здесь достаточна установка
— 111 —
на мощность не выше сотни ватт. Мы построили на за-
воде «Светлана» несколько таких медицинских устано-
вок. Они умещались в ящике размером с радиоприемник
и все питание получали от осветительной сети. Теперь
такие установки имеются во многих физиотерапевтиче-
ских институтах и поликлиниках.
Нагревательные электроды медицинских высокоча-
стотных установок выполняются обычно в виде метал-
лических дисков, которые заключаются в легко стерили-
зуемые изоляционные оболочки. Эти электроды укреп-
ляются на шарнирных держателях таким образом, что-
бы удобно было подвергать быстропеременному элек-
трическому полю любой участок человеческого орга-
низма.
82 Можно согреть и землю
В марте 1940 г. в нашу лабораторию пришли пред-
ставители ленинградского водопровода. Они ожидали,
что после необычайно суровой зимы 1939/1940 г. весной
начнут замерзать и лопаться водопроводные трубы. Эти
трубы уложены в Ленинграде на глубине двух-трех мет-
ров. На такой глубине земля бывает холоднее всего
в мае месяце. В обычные зимы эта минимальная майская
(наиниэшая гбдовая) температура бывает выше нуля.
В эту же зиму, судя по количеству холода на поверхно-
сти земли, можно было ожидать замерзания на уровне
прокладки водопроводных труб.
Для производства ремонтных работ землю необхо-
димо оттаивать- До того оттаивание производилось при
помощи костров. Разожгут поленья, политые мазутом,
потом разбросают их, снимут лопатами тонкий слой от-
таявшей земли, снова разведут на этом месте костер,
снова черев несколько часов перенесут его на другое ме-
сто. Чтобы добраться до уровня труб, иногда требова-
лось больше суток.
Водопроводчики попросили нас устроить высокоча-
стотный нагреватель.
Через месяц мы уже производили испытание установ-
ки. На автомобильном прицепе был смонтирован высоко-
частотный ламповый генератор. На землю мы клали два
коврика из железной сетки (такие применяются часто
— 112 —
как половички, чтобы ноги от грязи вытирать). К коври-
кам подвели высокое напряжение высокой частоты, так
что эти коврики служили как обкладки конденсатора-
Между ковриками возникают силовые линии быстропе-
ременного электрического поля, они проникают вглубь
грунта и прогревают и размораживают его сразу по всей
толщине. В течение двух часов мы смогли разогрет^
грунт на глубину, необходимую для производства ре-
монтных работ.
Мы тогда мечтали, что такие установки будут ши-
роко применяться для всех зимних строительных работ.
Но опять пришлось учесть, что высокочастотная энергия
дорога.
Во многих случаях выгоднее применять нефтяные или
газовые форсунки. А если уже применять электричество,
то в простой форме, раскаливая спирали.
Но есть области, где конденсаторный нагрев завое-
вал прочные позиции.
ОО Нагрев перед прессовкой
Генераторы с электронными лампами, работающие
при частоте тока 10—30 миллионов периодов в секунду
(длина волны 30—10 метров) и мощности до 5 киловатт
широко применяются для нагрева пластмасс -перед прес-
совкой- Один из- весьма распространенных видов пласт-
масс — это фенольная смола. Она получается в виде жел.
того порошка. Порошок этот засыпают в стальную фор-
му, прессуют под большим давлением при одновременном
нагреве до температуры выше 100° С. В смоле -происхо-
дит процесс, который называется полимеризацией —
укрупнением и уплотнением ее молекул, и после этого
изделие из полимеризованной смолы становится очень
прочным, нерастворимым ни в воде, ни в спирту, ни
в бензине, не «боится» ни кислот, ни щелочей.
Таким путехМ изготавливаются самые разнообразные
вещи: посуда, коробки, футляры, кожухи электротехни-
ческих приборов и аппаратов, детали механизмов.
Чтобы иметь хорошее качество изделия, надо точно
отмерить порцию порошка для прессовки. Эту порцию
предварительно слегка припрессовывают в виде таблетки
(кубика, цилиндра). И в мощный пресс, который фор-
8 Г. И. Бабат. ИЗ
Верхняя плита
Зэвьтрод под I пресса |
высоким напряжением Чд-1
Пакеты прессуемых
и прогреваемых
пластан
<zz>€z:
Линия передачи
высокочастотной I J НшНняя плита I
Энергии “ пресса
Рис. 45. Схема нагрева пластмассовых пластин во время их прес^
совки.
Такое расположение электродов, когда оба крайних заземлены, а средний нахо-
дится под высоким напряжением, иногда называют „бутербродное расположение
электродов".
мует изделие, такая таблетка закладывается в подогре-
том виде-
Высокочастотный нагреватель ставится рядом с прес-
сом. Конденсатор нагревателя выполняется с нижним
электродом в виде выдвижного металлического листа
(как лист для печения в духовке), который скользит по
боковым направляющим пазам. На этот лист уклады-
ваются разогреваемые таблетки.
Верхний электрод конденсаторного нагревателя рас-
полагается достаточно высоко, чтобы между ним и верх-
ним краем пластмассовых таблеток оставался небольшой
зазор, так чтобы разогретая и распухшая пластмассо-
вая таблетка не могла прилипнуть к верхнему электроду.
Через минуту после включения высокочастотного токе
пластмассовая лепешка размягчается до тестообразного
состояния. Тогда нижний электрод выдвигают и пласт-
масса перекладывается в пресс.
Благодаря равномерному выделению тепла по всей
толще пластмассовой таблетки высокочастотный нагрев
протекает быстрее, нежели простой нагрев в печке. При
высокочастотном нагреве можно лучше размягчить пласт-
Рис. 46. Влияние различного расположения электродов на выделе-
ние тепла при высокочастотном конденсаторном нагревании объек-
тов неоднородного сечения.
— 114 —
Массовую заготовку, без риска, что процесс полимериза-
ции продвинется в самом нагревателе. В высокочастот-
ном нагревателе таблетки не успевают «засохнуть», «за-
скорузнуть» снаружи, как это часто происходит в про-
стых ‘печах- При высокочастотном нагреве можно полу-
чать более тонкостенные изделия и запрессовывать
в пластмассу более деликатные металлические части,
нежели при нагреве заготовок в печи.
84 Нагрев в прессах
Высокочастотный нагрев применяют не только для
подготовки к прессовке, но и в процессе самой прессов-
ки при изготовлении листовых материалов из бумаги,
ткани или древесины, пропитанных фенольными смо-
лами.
Мощные прессы с большой поверхностью зажимных
плит и с большим удельным давлением — это дорогое
оборудование. Очень важно повысить их производитель-
ность, сократить время, потребное для прессовки.
При старых способах прессовки нагрев материала
производился пропусканием пара через каналы в за-
жимных плитах пресса. Тепло проникало в прессуемый
материал с поверхности и для полного прогрева прес-
суемого пакета, который обычно имеет толщину в не-
сколько десятков сантиметров, требовалось длительное
время.
Если же к плитам пресса подвести высокую частоту,
то выделение тепла будет происходить сразу во всей
толще прессуемого материала, длительность нагрева зна-
чительно сокращается, производительность пресса много
повышается. При нагреве листов с площадью до двух
квадратных метров требуется мощность высокочастот-
ного генератора до 50 киловатт. •
Так как и верхняя и нижняя нажимные плиты прес-
са должны быть заземлены, то конденсаторная пласти-
на, находящаяся под высоким напряжением, помещается
посредине между плитами пресса между двумя паке-
тами загрузки. Такой нагреватель называют часто «бу-
тербродным нагревателем».. Он одновременно греет два
пакета: верхний и нижний.
Высокочастотный нагрев в прессах может применять-
ся для изготовления небьющегося стекла—триплекса,
8* — 115 —
Рис. 47. Нагрев высокочастотным полем фанеры в процессе ее прес-
совки.
а также многослойных стекол (авиационной брони).
'Между листами стекла прокладываются листы прозрач-
ной размягчающейся при нагревании пластмассы, и весь
пакет загружается в пресс. Можно так подобрать часто-
ту тока, чтобы равномерно прогревались и пластмасса,
и стекло.
В резиновой промышленности при помощи токов вы-
сокой частоты можно производить вулканизацию. Так
иногда вырабатывается, например, губчатая резина.
В абразивной промышленности можно .при помощи
электрического поля высокочастотного конденсатора осу-
ществлять спекание брусков и кругов, производить суш-
ку абразивных покрытий, наносимых на бумагу или
ткань.
Высокочастотный конденсаторный нагрев применяется
в производстве фабрикатов из пластических пленок и
— 116 —
пропитанных тканей. Так можно вырабатывать: водоне-
проницаемые чехлы, медицинские подушки (кислородные,
воздухонадувные), грелки, дождевые плащи и т. д.
85 Высокочастотная швейная машина
При сшивании пластические пленки и пропитанные
ткани легко рвутся в месте шва. Кроме того, при сши-
вании не получается герметичности шва. Если зажать
эти пленки или ткани между электродами, к которым
подведено напряжение в несколько сот вольт при часто-
те около 30 миллионов периодов в секунду, то происхо-
дят разогрев и склеивание пленок. Прочность получен-
ного шва превышает прочность целого материала.
Выпускаются специальные машинки с полосовыми
кольцевыми или роликовыми электродами. Для питания
такой «швейной машины» достаточен генератор на- мощ-
ность не выше одного киловатта.
* *
*
В большинстве изоляционных и полупроводящих ма-
териалов поглощение мощности из электрического поля
конденсатора растет с повышением температуры.
При заданных частоте тока и напряжении на конден-
саторе, чем выше температура нагреваемого материала,
тем больше мощности в нем выделяется. Если при на-
греве крупных размеров изделия из изолятора или полу-
проводника какой-нибудь из участков обогнал по своей
температуре соседние места, то в этом участке будет вы-
деляться повышенная мощность, и он еще больше пере-
греется по сравнению с остальными участками.
Выравнивание температур между отдельными частя-
ми нагреваемого изделия может происходить лишь за
счет теплопроводности, т. е. при не слишком быстром
нагреве при небольших удельных мощностях.
То, что поглощение мощности меняется с температу-
рой, заставляет в генераторах для конденсаторного на-
грева применять регулировку частоты или напряжения на
конденсаторе или того и другого вместе.
5. Семимильные сапоги
... Когда людоед заснул, мальчик-с-пальчик тихонько
стащил с него сапоги, надел и побежал. В минуту он
умчался за тридевять земель в тридесятое царство...
Эту сказку я любил в детстве больше всех остальных.
Долгие века люди мечтали о крылатых сандалиях,
о коврё-самолете, о семимильных сапогах. К давним
временам восходят и первые попытки постройки механи-
ческих экипажей.
В архивных делах правительствующего Сената ва
1740 г. сохранились сведения о механике Леонтие Шам-
шуренкове, который был заключен в острог и там объя-
вил начальству, что он придумал «самобеглую коляску»-
Через 12 лет после подачи заявления в 1752 г. Шам-
шуренков получил свободу и деньги на постройку изо-
бретенной им повозки, которая должна была приводить-
ся в движение ездоками при помощи рычагов и педа-
лей. «Самобеглая коляска» Шамшуренкова на пробеге
действовала вполне удовлетворительно, но практиче-
ского применения и распространения это изобретение не
получило. Оно слишком опередило свое время.
Колесницу с пружинным приводом проектировал Лео-
нардо да Винчи, парусные повозки изобретал голланд-
ский ученый Стевин, но все эти предложения не имели
успеха. Только с появлением парового двигателя стало
возможным создание практически полезного механиче-
ского транспорта.
В 1763 г. замечательный русский изобретатель Иван
Ползунов создает свой проект универсального парового
двигателя. И в этом же году французский военный ин-
женер Жозеф Кюньо предлагает самодвижущуюся по-
возку с паровым двигателем.
- 118 -
Шесть лет спустя в Парижском арсенале в присут-
ствии высших чинов военного министерства происходило
испытание «паровой телеги». На грубой деревянной ра-
ме, опирающейся на три колеса, было установлено два
цилиндра и котел вроде кухонного с коышкой. Выбра-
сывая клубы пара и дыма, телега тронулась с места и
развила скорость около пяти километров в час. Через
несколько поездок Кюньо налетел на кирпичную стену
двора и разбил свою машину.
Первую в истории человечества попытку применить
механический двигатель для транспорта нельзя назвать
удачной. В течение нескольких десятилетий Кюньо не
удалось возобновить свои работы- Только в начале XIX
века уже после смерти Кюньо появляются первые па-
ровозы.
В ту же эпоху стремительно развивается наука об
электричестве, и появляется электрический транспорт.
В 1838 г. русский академик Борис Семенович Якоби
(изобретатель гальванопластики) испытывает на Неве
первую в мире лодку с электрическим двигателем. В раз-
ных странах строятся рельсовые и безрельсовые элект-
рические повозки, сначала игрушечные, а потом полу-
чившие и практическое применение.
У электрического двигателя много ценных свойств. Он
дешев, надежен, долговечен; в работе он не выделяет
никаких вредных газов, скорость его легко и просто ре-
гулируется. Но, к сожалению, «запасители» электриче-
ской энергии громоздки и тяжеловесны. Можно питать
электродвигатель от аккумуляторов, установленных на
экипаже. Но трудно запасти в аккумуляторах энергию
более чем на 100 километров езды. А практически строят
аккумуляторные экипажи с запасом энергии на 40—
50 километров, и то они получаются тихоходными и тя-
желовесными. Если же строить более легкие аккумуля-
торы, то они оказываются менее долговечными, их ча-
сто надо заменять.
Поэтому в настоящее время больше распространен
электротранспорт с централизованным питанием: энергия
передается транспорту по проводам. Такой транспорт не
должен возить с собой своих источников энергии, и это
очень выгодно. Много сотен километров может пройти
электропоезд, не нуждаясь в заправке горючим. Но зато
транспорт с централизованным энергопитанием привязан
- 119 -
к проводам и у него нет той свободы перемещения, ко-
торая присуща автомобилям с тепловыми двигателями.
С первых же лет развития промышленной электротех-
ники смелые мечтатели начали искать способы передачи
электрической энергии без проводов. В конце прошлого
века известный изобретатель серб Никола Тесла пост-
роил в Лонг-Айленде, недалеко от Нью-Йорка, грандиоз-
ную башню. Он хотел посредством этой башни насытить
электрической энергией огромные пространства над по-
верхностью земли, чтобы этой энергией можно было поль-
зоваться и кораблю в океане, и дирижаблю в воздухе-
Но ему не удалось получить практических результатов.
Лет через двадцать после опытов Тесла проекты бес-
проволочной передачи энергии при помощи токов высо-
кой частоты разрабатывал французский ученый Леблан.
Я был начинающим радиолюбителем, четырнадцатилет-
ним мальчишкой, когда впервые увидел в журнале «Мир
приключений» рисунки транспорта будущего, каким
представлял его себе Леблан. По широким проспектам
мчались странного вида автомобили и мотоциклы. К ним
были приделаны приспособления вроде рыболовных се-
тей—черпаки электромагнитной высокочастотной энер-
гии—так значилось в пояснительном тексте. Других объ-
яснений к рисунку не было, но он запомнился мне на
всю жизнь-
В 1938 году, советский ученый профессор Пистоль-
корс, вместе с бригадой ленинградских специалистов, ра-
ботал над проектом передачи энергии безрельсовому
транспорту посредством Т. В. Ч. Но этот проект че был
осуществлен.
...Наступила ленинградская зима 1941/1942 г. От
дома до завода, где я работал, приходилось итти пеш-
ком двенадцать километров. Узкая тропинка среди ог-
ромных сугробов вела мимо неподвижных, примерзших
к дороге трамваев, автобусов. Мертвая, местами обор-
ванная сеть проводов казалась мне особенно безобраз-
ной. Как хорошо бы пустить вдоль главных улиц незри-
мые электрические реки! А провода снять, очистить небо
над .городом.
И чем мрачнее становилась действительность, тем
сильнее манили мечты о будущем, о передаче движущей
силы на расстояние без проводов.
В последние годы перед войной в лаборатории наше-
— 120 —
го завода мы разрабатывали методы поверхностной за-
калки стальных изделий при помощи токов высокой ча-
стоты. Мы подбирали наилучшие режимы нагрева, чтобы
получить максимально твердую закаленную корку, плав-
ный переходной слой, вязкую сердцевину, не боящуюся
толчков и ударов...
Теперь я смотрел на раскаленную сталь совсем ины-
ми глазами. Стальная деталь удалена от нагревательного
витка на два сантиметра. Электромагнитная энергия из
витка к стали доходит с малыми потерями. А если уда-
лить сталь на пятьдесят сантиметров от витка, можно ли
тогда передавать энергию без больших потерь?
Но ведь массивная стальная деталь—не лучший при-
емник энергии. Если же сделать приемный виток из ме-
ди, подключить к нему конденсаторы для настройки в ре-
зонанс, для уменьшения потерь, то энергию, наверное,
можно будет передать на расстояние до одного метра.
А это вполне достаточно для наземного транспорта, ко-
торый всегда опирается своими колесами на дорогу.
Под дорогой, в земле, можно спрятать провода, не-
сущие высокочастотный ток, и дорога станет своеоб-
разной рекой энергии,—думал я. Пространство вблизи
подземных проводников, над дорогой окажется насыщен-
ным электромагнитной энергией. Экипажи будут прини-
мать эту энергию, если их снабдить витками.
Подземные провода не будут рассеивать электромаг-
нитную волну, как антенны радиостанций. Подземные
проводники должны отдавать лишь ту часть энергии,
которую потребляют экипажи и впитывает в себя окру-
жающая земля.
Все это я обдумывал в зимние месяцы ленинград-
ской блокады. В комнатке на заводе, где тускло горела
свеча, я рисовал схемы дороги, насыщенной электроэнер-
гией. Я видеД ее в своих мечтах. Вот он широкий, пря-
мой и гладкий великий высокочастотный путь! Нескон-
чаемым потоком, с быстротой ветра проносятся по нему
машины. Плоский медный виток окружает каждый эки-
паж, подобно кольцу Сатурна. Чем больше площадь
приемного витка, тем большую мощность он получит от
подземных проводников.
Можно сделать моторные ролики с очень небольши-
ми приемными витками, и эти ’ролики понесут своего
- 121 -
владельца по высокочастотной дороге не хуже семи-
мильных сапог из старинной сказки.
Теоретические соображения показывали, что на рас-
стоянии до одного метра можно передать электроэнер-
гию с потерями лишь немногим большими, а быть может,
даже и меньшими, чем прч передаче по проводам, как
у троллейбусов и трамваев.
86 Первый рейс
В конце 1942 г. я приехал в Москву и здесь дирек-
тор Исследовательского института электропромышлен-
ности проф. А. Г. Иосифян помог провести первые
опыты.
Июньским вечером 1943 г. по двору Института по-
полз автомобиль, на крыше которого была укреплена
большая катушка из медной ленты, намотанной на дере-
вянном каркасе — энергоприемник. На высоте около
метра над катушкой были натянуты вдоль двора медные
ленты, по которым проходил ток высокой частоты. Бен-
зиновый двигатель автомобиля был заменен электродви-
гателем.
Наш автомобиль именно полз, а не ехал, и рейс его
был еще, пожалуй, короче, нежели рейс паровой тележ-
ки Кюньо. Но это была первая практическая демон-
страция бесконтактной передачи электрической энергии
наземному транспорту. Одно дело теоретические расче-
ты, а другое, когда машина с пассажирами хоть мед-
ленно, но едет.
Сразу же после этого я решил строить опытную ли-
нию высокочастотного транспорта, но уже с подземной
бесконтактной тяговой сетью.
Именно возможность применить подземную тяговую
сеть вместо воздушной представлялась наиболее заман-
чивой особенностью высокочастотного транспорта.
Известный русский электротехник М. О. Доливо-До-
бровольский в своем знаменитом докладе «О пределах
передачи энергии переменным током» писал в 1919 г.=
«Вся история электротехники сильных и слабых то-
ков отчетливо показывает, что наивысшая безопасность,
безаварийная эксплоатация могут быть достигнуты толь-
ко за счет устранения и ограничения воздушных линий
путем прокладки проводов под землей. Воздушная про-
— 122 —
водка всегда применялась на (первой стадии развития
каждой системы. Раньше города могли себя обеспечить
электрическим светом только в том случае, если он по-
ступал по воздушной проводке. При кабельной сети это
было экономически невозможно. Но разыщите теперь
в городах провода на изоляторах на столбах. Повсюду
возникли кабельные сети, и посмотрите, ток не стал до-
роже, число потребителей многократно возросло, значи-
тельно больше, чем число жителей».
«Повсеместно электрический ток внедрился сперва
посредством воздушного провода, но всюду воздушная
проводка являлась лишь переходной ступенью».
Но управиться с подземной тяговой сетью высокоча-
стотного транспорта оказалось много сложнее, чем с воз-
душной.
Осенью 1943 г. на одном московском заводе мы вме-
сте с инженером Киселевым начали строить опытный
участок высокочастотного транспорта.
В узком проходе между цехами на песчаную под-
сыпку были уложены без всякой изоляции медные труб-
ки толщиной с палец и залиты сверху цементом и
асфальтом. В помещении рядом установили ламповый
генератор, вырабатывающий высокочастотный ток.
О/ Под новый год
31 декабря в полдень мы закончили монтаж под-
земной тяговой сети и высокочастотной установки. Под-
тянув последнюю гайку, я положил на верстак развод-
ной ключ и посмотрел на строителя опытного участка
П. И. Киселева.
— Все. Можно включать!
Киселев нажимает кнопку автоматического пуска...
Кряк, кряк, бум, бум! На щите управления вспыхи-
вают, как ракеты, сигнальные лампы: зеленые, красные,
оранжевые. Несколько мгновений |мы смотрим друг на
друга: есть высокочастотный ток в подземной линии или
нет?
Я хватаю виток провода, простого медного провода
с прикрученной к его концам лампочкой накаливания, и
выбегаю из генераторного помещения на дорогу- Пово-
— 123 —
Рис. 48. Схема энергопи-
тания высокочастотного
транспорта.
Электрический ток от
городской сети / поступает в
трансформатор 2, затем в газо-
тронный выпрямитель 3, а
оттуда в ламповый генеза-
тор 4. На рисунке показана
простейшая схема лампового
генератора —такая же, как та,
что применяется для нагрева
под поверхностную закалку
(см. рис. 31). Практически же
для транспорта могут быть ис-
пользованы более сложные
схемы: многофазные генерато-
ры с независимым ^возбуж-
дением.
Из генератора ток высо-
кой частоты поступает в бес-
контактную тяговую сеть 5.
Для уменьшения потерь с
сетью соединяются конденса-
торы 6. Вокруг проводников
•бесконтактной сети возникает
быстропеременное электро-
магнитное поле. Оно возбуж-
дает токи высокой частоты в
приемных витках 7 подвиж-
ного состава. Батарея конден-
саторов 8 усиливает ток в
приемной цепи. Для регули-
ровки мощности служит ка-
тушка с переменной самоин-
дукцией 9. Она управляется
от ножной педали или от ма-
ленького рычажка на руле.
К приемному витку подклю-
чается выпрямитель 10. Он
превращает высокочастотный
ток приемного витка в по-
стоянный. Этот ток филь-
труется, освобождается от
остатков тока высокой часто-
ты конденсатором 11 и посту-
пает в тяговый мотор /2.
рачиваю виток с лампочкой параллельно поверхности
дороги.
Ура! Лампочка горит! Горит полным накалом! Есть
ток в подземной тяговой сети! Незримые силовые линии
высокочастотного электромагнитного поля колеблются
над дорогой. Силовые - линии пересекают виток и вли-
вают в него энергию. Все пространство над дорогой на-
сыщено энергией.
Поворачиваю виток так, чтобы его плоскость была
перпендикулярна земле и направлена вдоль дороги. На-
кал лампочки меняется, но она продолжает гореть. Бегу
вдоль всей дороги. Лампочка на витке горит всюду.
Поворачиваю виток поперек дороги, и лампочка гаснет-
Все происходит так, как предсказано теорией.
Окружающее кажется мне прекрасным. Вокруг меня
не заводской цех, а праадничный зал. Выстроившиеся
вдоль высокочастотной дороги станки излучают свет и
тепло. Девушки, ученицы-слесаря, — все сказочные кра-
савицы. Они с удивлением следят из-за своих верстаков
за моей странной лампочкой на витке...
Чтобы не портить себе встречу нового года, мы
в этот день не производили больше никаких опытов-
88 Лампочка горит, а телега не едет
Через день, 2 января 1944 г., мы вывели на доро-
гу грузовую тележку, к которой был приделан приемный
виток площадью около одного квадратного метра. Де-
сятиваттная лампочка накаливания, присоединенная
к этому витку, великолепно горела. Но, чтобы хоть сдви-
нуть с места полуторатонную тележку, нужно было под-
вести к ее двигателю самое меньшее полкиловатта. Ви-
ток столько не давал, а я не смог сразу сообразить, как
этого добиться.
Непрошенные советники доказывали, что так и долж-
но быть, что одно дело — зажечь лампочку, но никак не
удастся получить мощность, достаточную, чтобы заста-
вить двигаться тележку. Раз нигде в мире высокоча-
стотный транспорт не осуществлен, говорили они, то и
у нас ничего не получится.
Опыты доставляли мало радости. В проходе, где про-
ложена высокочастотная дорога, температура была ниже
нуля. Производить в проходе измерения с точными чув-
— 125 —
ствительными приборами трудно. Услужливое подсозна-
ние толкало на путь наименьшего сопротивления. Время
военное. Есть у меня помимо высокочастотного транс-
порта и другие более насущные (и, в этом я не призна-
вался себе, более легкие) задания. Правильно будет
отложить эту возню с подземной ‘сетью и приемными вит-
ками до лучших времен. Я отправлялся эксперименти-
ровать на завод с тяжелым чувством. В конце концов
все оказалось очень просто: чуть повысили силу тока
в подземных проводниках, подключили побольше кон-
денсаторов к приемному витку, и он стал получать боль-
ше киловатта мощности.
Но тут (возникли новые затруднения.
Приемный виток получал высокочастотную энергию,
а для тягового мотора тележки необходим постоянный
ток. Ртутный выпрямитель, на который мы возлагали
такие большие надежды, упорно отказывался работать.
В нем никак не удавалось возбудить светлое пятно. Мы
поставили на тележку пару газотронов. Двигатель дрог-
нул, тележка сдвинулась с места и... газотроны перего-
рели. И снова хотелось все отложить и забросить.
Я начал рыться в учебниках, справочниках, в ста-
ринных журналах. И вот в отчетах Французской акаде-
мии наук за 1892 г. я отыскал сообщение о том, что
парижский физик Блондель выпрямлял переменный ток
вольтовой дугой, которая горела между медным и уголь-
ным электродами.
Я взял угольную палочку. Она повезет нашу
тележку!
89 Наконец, поехали
На этот раз нам действительно сразу повезло.
Мы укрепили угольную палочку на винте над медной
пластиной. С шипеньем вспыхнула высокочастотная
дуга между углем и медью. Яркий, как от прожектора
свет, залил полутемный проход, в котором была проло-
жена высокочастотная дорога. С грохотом помчалась
по ней наша тележка.
Был поздний час, но «болельщики» высокочастотного
транспорта собрались со всех концов завода. Мы езди-
ли взад и вперед по нашей коротенькой трассе и до по-
луночи катали всех желающих. Но когда мы успокои-
— 126 —
лись, то увидели, что радоваться, собственно говоря,
еще нечему.
Полезная мощность двигателя тележки не превыша-
ла двух киловатт. Чтобы обеспечить эту мощность, не-
обходимо было подвести к подземной высокочастотной
сети почти 50 киловатт. Потери энергии были огромны—
48 киловатт в дороге, длина которой была всего
50 метров.
Теория подсказывала, что воздушная прослойка во-
круг проводников подземной сети может намного умень-
шить потери энергии. Мы разломали всю опытную до-
рогу и вновь проложили медные трубки на изоляторах
в желобах, сколоченных из досок. Прослойка воздуха
всего лишь в два сантиметра толщиной уменьшила по-
тери энергии более чем в десять раз!
Но вот беда: тележка наша могла ездить только
вдоль проводников. Стоило ей чуть отклониться от оси
дороги, и двигатель переставал получать энергию. Чтобы
обеспечить тележке возможность ездить и поперек про-
водов и в любом другом направлении, пришлось заново
переделать и тележку, и подземную тяговую сеть, и вы-
сокочастотный ламповый генератор.
Высокочастотный транспорт—это новый вид транс-
порта, но он основан на давно известных физических
явлениях и законах. Для осуществления отдельных
звеньев мы пользовались в значительной мере обшир-
ным арсеналом уже известных электротехнических схем
и конструкций. Но мы применили их в новых, непривыч-
ных доселе сочетаниях, размерах и формах. И ушло два
года на вычисления и опыты, прежде чем были найде-
ны, в сущности, очень простые, можно даже сказать
примитивные, формы первой опытной линии высокоча-
стотного транспорта или, как мы его сокращенно назы-
ваем, ВЧТ.
у и Круги на воде
Маленькая установка ВЧТ на Станкозаводе им. Серго
Орджоникидзе возбудила большой интерес. Во многих
советских журналах и газетах появились сообщения о
работах по высокочастотному транспорту. Слово ВЧТ
получило популярность. В ряде иностранных журналов
- 127 -
Также появились статьи о советских опытах, воспроизво*
дились чертежи и схемы установки.
В журнале «Транспорт Ворльд» писали, что этими
работами занимаются повидимому не какие-нибудь
«дикие коты-изобретатели», что научные и технические
основания ВЧТ весьма интересны. Слова: русский «вет-
шемобиль», советский «ветшетранспорт» получили
известность и в специальных технических и в общепопу-
лярных зарубежных журналах. В «Меканикс Иллюстрэ-
тэд» были помещены красочные картины, представляю-
щие московские улицы после «вечизации».
91 Немного теории
Передача энергии от подземной сети повозкам про-
исходит в ВЧТ в сущности точно так же, как и в обыч-
ных трансформаторах, с помощью которых питаются
электрической энергией фабрики, заводы, жилые дома.
ВЧТ — это прямой потомок «фарадеевского коль-
ца» — железной баранки с двумя изолированными одна
от другой катушками, прибора, с помощью которого
был доказан сам принцип электромагнитной индукции.
В ВЧТ — «первичная обмотка трансформатора» — это
проводники, укрытые под асфальтом дороги, а «вторич-
ная обмотка» — приемные витки, установленные на по-
возках.
Но все соотношения в этом «трансформаторе» резко
отличны от тех, к которым привыкли электрики в транс-
форматорах для силовых и осветительных сетей-
В ВЧТ нет железного сердечника, направляющего
магнитный поток. Напряженность магнитного поля вы-
сокочастотной дороги в десятки тысяч раз меньше, не-
жели напряженность поля в сердечниках обычных сило-
вых и осветительных трансформаторов.
Магнитное поле земли имеет напряженность, выра-
жаемую в долях эрстеда. Поле бесконтактной тяговой
сети может иметь не намного бдлыпую величину.
Первая забота — это найти частоту тока, наиболее
выгодную для передачи энергии от подземной сети при-
емным виткам. 'Мощность, передаваемая от бесконтакт-
ной сети, пропорциональна произведению частоты тока
на квадрат его силы. Чем выше частота тока, тем мень-
ше может быть его сила, необходимая для передачи за-
— 128 -
Дайной величины мощности. Тем, следовательно, тоньше
могут быть медные проводники бесконтактной сети, тем
меньше будут потери в меди. Но быстропеременное поле
бесконтактной сети вызывает вихревые токи в основа-
нии дороги. Чем выше электрическая проводимость
грунта, чем выше частота тока, тем интенсивнее эти ви-
хревые токи, тем больше мощности они поглощают.
Итак, с повышением частоты тока падают «медные по-
чаиоыеоанеиша*
частоте
Рис. 49. Зависимость потерь , энергии от
частоты тока при передаче от подземной
сети.
терн», йо растут «земляные». Существует самая выгод-
ная частота, при которой суммарные потери имеют наи-
меньшее значение. Величина этой «самой выгодной»
частоты зависит от многих причин: чем больше меди мы
решили тратить в проводниках бесконтактной сети, тем
более низкую частоту выгоднее выбирать. Чем меньше
проводимость грунта в основании дороги ВЧТ, чем луч-
ще электроизоляционные свойства этого основания, чем
больше в основании воздушных пустот, каналов (воз-
дух — наилучший изолятор), тем более высокая частота
выгодна.
Экономичной затратой меди можно считать несколь-
ко сотен килограммов на каждый километр высокоча-
9 г. И. Бабат. — 129 —
стогной дороги. При этом оказалось, что наиболее выгод-
ная частота тока—примерно 50 000 периодов в секунду,
т. е. в тысячу раз более высокая частота, чем та, что
применяется в городских осветительных и силовых
электросетях.
Но вместе с тем с радиотехнической точки зрения
это еще низкая частота — ей соответствует электромаг-
нитная волна длиной в 6 000 метров. Такие длинные
волны теперь не применяются на радиопередающих
станциях.
Поэтому ВЧТ не может создавать помех радиовеща-
нию. Современный электротранспорт с контактной сетью
(трамваи, троллейбусы, электропоезда) создает доволь-
но значительные радиопомехи: контакт между тяговой
сетью и токоприемником часто нарушается, возникают
искры. А эти искры возбуждают затухающие колебания
(как в искровых передатчиках) и мешают радиоприему
на всех волнах—и на длинных и на коротких. Замена
контактного транспорта на ВЧТ должна ликвидировать
эти помехи.
У трамвая есть еще один недостаток. Он может по-
рождать в земле блуждающие токи, которые разъедают
и разрушают подземные сооружения. Бесконтактные же
сети ВЧТ таких блуждающих токов создавать не могут.
Следовательно, при ВЧТ нет надобности в специальной
защите газовых, водопроводных, канализационных труб,
оболочек силовых и телефонных кабелей.
По высокочастотным дорогам может беспрепятствен-
но двигаться любой другой транспо|рт. Экипаж, не снаб-
женный приемным витком,—обычный автомобиль, авто-
бус, мотоцикл,—может отсасывать от подземной сети
лишь совершенно ничтожные количества энергии (ватты
или даже доли ватта). Совершенно исключена возмож-
ность, чтобы в конструкции не высокочастотного экипа-
жа какие-нибудь тяги, пружины, проводники и т. п. впа-
ли в резонанс с частотой тока в подземной сети и нача-
ли бы отсасывать сколько-нибудь существенную величи-
ну мощности. Только специальный приемный виток, снаб-
женный конденсаторами для настройки его в резонанс
с частотой тока в подземной сети, может отсасывать до-
статочно большую мощность.
— 130 —
Рытвины и ухабы
Итак, мы выбрали для питания подземных бескон-
тактных сетей ток с частотой 50 000 периодов в се-
кунду, ток, которому соответствует электромагнитная
волна 6 километров. Если такой ток пустить по длинной
линии, то через каждые три километра на линии будет
находиться гребень волны или, как еще говорят, ее пуч-
ность — участок, на котором ток будет иметь большую
силу. 'А посредине между гребнями будут узлы электро-
магнитной волны — участки, на которых ток слаб. На
узлах нельзя будет получить достаточно мощности, что-
бы привести в движение тележку. Для равномерного
энергопитания надо ликвидировать узлы и пучности то-
ка вдоль линии бесконтактной тяги.
С похожей задачей электрики столкнулись уже давно
при передаче электроэнергии от удаленных гидро-
станций.
Здесь применяется ток с частотой 50 периодов в се-
кунду—длина волны. 6 000 километров. Расстояние меж-
ду ближайшими пучностью и узлом будет 1 500 километ-
ров. И уже при длине передачи 200—300 километров
неравномерность в силе тока вдоль линии очень замет-
на- 500 километров — это в настоящее время считают
пределом для таких линий передач.
Делались предложения применять в длинных линиях
передачи компенсацию — включать в линию приборы,
которые выравнивали бы неоднородность тока и напря-
жения вдоль линии. Но многочисленные опыты и рас-
четы показывали, что при частоте тока 50 периодов
в секунду все компенсационные устройства получаются
дорогими, сложными и неудобными. И, таким образом,
постепенно сложилось мнение, что компенсация длинных
линий вообще неосуществимая проблема. Когда подни-
мался, например, вопрос о передаче электроэнергии на
расстояние 1 000 и более километров, то предлагалось
вовсе отказаться от переменного тока в линии, а приме-
нить ток постоянный сверхвысокого напряжения.
Но при высокой частоте, той, что пригодна для ВЧТ,
оказалось возможным создать простую и удобную ком-
пенсацию линий. Вся линия ВЧТ разбивается на отдель-
ные отрезки, каждый из которых меньше четверти дли-
ны волны. Между концами отрезков включаются емко-
9* — 131 —
Потери в бесконтактной тяеовой сети
Заны для случая, к о ед а произведение
коэфициента покрытия & на качество
дороги У дает: Нуs 4
Например О* 0,01 "у-оОО
6 . у*100
33 к 6т потери 10 кбт потери 6
в подстанции бесконтактной сети
2кбт потери 2кбт Юкбт потери Юкбт !вкбт 12кбтоопрот1£л
6приемном потери в моторах потери сопротиб воздуха
контуре 6выпрямителе ^передаче качению
54квт потери Чкбт 52кбт потери
на охлаикд. потери 6 передаче
О моторе
2,5квт потера 1вквт 12 квпГсопротив воздуха
в рессорах сопротивление
качению
Якдт потери бкбт потери
6 подптинц б контакт н. сети
9к бт потери 10к бт потери !вкбт 12кбт сопротиб
в моторе б передаче сопротиб. боздуха
качению
Рис. 50. На рисунке приведено распределение потерь энергии в разных видах транспорта при одинаковой
вместимости экипажей (40 пассажиров) и при одинаковой их скорости (в среднем 40 километров в час).
«Полезная мощность** которая затрачивается на преодоление сопротивления воздуха и сопротивления качению, принята для
всех трех сравниваемых видов транспорта одинаковой — рав юй 30 киловатт.
Рис. 51. Первая грузовая
тележка с высокочастот-
ным энергопитанием от
подземной бесконтакт-
ной тяговой сети, по-
строенная в 1943 г. на
Московском станкостро-
ительном заводе им.
Орджоникидзе.
Вокруг колес тележки —
энерго приемник в виде одного
витка медной трубки.
ста точно подобранной величины, а параллельно про-
водникам линии подключаются катушки самоиндукции.
Емкости компенсируют падение напряжения вдоль про-
водников линии, а катушки самоиндукции поглощают
емкостный ток между проводниками линии- При такой
продольной и поперечной компенсации полная длина
высокочастотной линии может быть сделана сколь угод-
но большой, и нигде в такой линии не будет пучностей
или узлов.
Всюду повозка ВЧТ сможет получить потребную ей
энергию, а расстояние между двумя питающими под-
станциями может быть сделано в несколько десятков
километров. И вместе с тем применение такой емкост-
ной и индуктивной компенсации лишь незначительно
удорожает ВЧТ.
93 Специально для мнительных
Часто задается вопрос: не будет ли ВЧТ вредно дей-
ствовать на человеческий организм? (чаще этот вопрос
задают люди, далекие от медицины).
— 134 —
Во-первых, надо указать, что интенсивность электро-
магнитного поля, которое создается высокочастотной
тяговой сетью, очень быстро уменьшается при удалении
от проводников этой сети. На расстоянии 10—20 мет-
ров от проводников тяговой сети ВЧТ ее электромагнит-
ное поле такое же, что и поле средней мощности ра-
диопередатчика на расстоянии многих десятков километ-
ров от ее антенны.
Следовательно, надо рассматривать воздействие тя-
говых сетей только на лиц, находящихся непосредствен-
— 135 —
Ий в Пределах энергизованной зоны, например, Пересе-
кающих высокочастотную дорогу. Пассажиры в экипа-
жах ВЧТ могут быть полностью заэкранированы от бы-
стропеременного электромагнитного поля.
Но даже в самой центральной части энергизованной
зоны дороги ВЧТ напряженность электромагнитного по-
ля невелика. Вихревое напряжение обычно бывает в не-
сколько десятков вольт на каждый квадратный мегр
площади приемного витка. Чтобы обеспечить эту вели-
чину при частоте 50 000 периодов в секунду, достаточно
иметь напряженность электромагнитного поля, измеряе-
мую несколькими эрстедами ’или, иногда даже долями
эрстеда. Это не намного превышает напряженность есте-
ственного магнитного поля земли.
Правда, есть люди, которые утверждают, что они
чувствуют , магнитное поле земли и могут спокойно
спать, лишь когда их кровать стоит вдоль магнитного
хмеридиана, а при других положениях они испытывают
угнетение и беспокойство, но это следует отнести
к субъективным особенностям их психики, а отнюдь не
к объективным свойствам магнитного поля.
Уже ряд лет в промышленности эксплоатируются
установки поверхностной закалки стали. Операторы этих
установок находятся в более интенсивных и более вы-
сокочастотных полях, нежели поля ВЧТ, и до сих пор
не отмечено ни одного случая вредного воздействия
высокочастотных закалочных установок на человече-
ский организм.
94 Еще немного теории
Отношение полезной мощности, которую приемный
контур экипажа ВЧТ может зачерпнуть с каждого ква-
дратного метра поверхности высокочастотной дороги,
к мощности, теряемой с этого же квадратного метра,
можно назвать «добротностью дороги».
Коэффициент полезного действия ВЧТ будет зави-
сеть ог этой «добротности дороги» и от коэффициента
ее покрытия, т. е. от отношения площади, покрытой
экипажами (полезно нагруженной площади), ко всей
площади дороги- Если, к примеру, взять «добротность
дороги» 200 (добротность дороги определяется не
именованным числом, а отвлеченным) и коэффициент
— 136 —
Рис. 53. Высокочастотный трехфазный воздушный трансформатор,
который применялся на установке станкозавода им. Орджоникидзе
для передачи энерг>*“ от лампового генератора к подземной бес-
контактной сети.
покрытия 0,1, то к. п. д. будет 95%. При том же каче-
стве, но при коэффициенте покрытия 0,01, к. п. д. будет
равен 66%. Одна треть энергии уйдет в проводники бес-
контактной сети и в окружающий их грунт. А как же
быть при еще более редком, неинтенсивном движении,
когда один экипаж будет приходиться на несколько ки-
лометров пути?
В этом случае высокий к. п. д. можно обеспечить,
применяя принцип «дремлющей сети». Вся дорога ВЧТ
— 137 -
разбивается на короткие участки, которые подключают-
ся к питающей линии при помощи реле. Пока над уча-
стком нет экипажа, через проводники этого участка те-
чет лишь слабый ток (одна десятая, а то и одна двадца-
тая от полного рабочего тока) — участок дремлет
и потери в нем составляют лишь доли процента от по-
терь при полной нагрузке. Но стоит над этим участком
появиться экипажу ВЧТ с включенными двигателями,
как реле это сразу почувствуют и пошлют в линию пол-
ный ток, экипаж получит столько мощности, сколько
ему требуется. Но как только экипаж съедет с этого
участка или водитель выключит двигатели, так реле
вновь снизят ток, возвратят участок к дреме. Когда кот
бежит по клавишам рояля, то звучат лишь те, на кото-
рых в данный момент находятся его лапы. Так в линии
ВЧТ, выполненной по принципу «дремлющей сети»,
оживлены током лишь те участки, над которыми нахо-
дятся потребляющие энергию экипажи. Во всех осталь-
ных участках ток мал, потери ничтожны.
ЛК Внешний облик транспорта определяется движущей его
силой
Конный экипаж характерен своими оглоблями, огром-
ные паруса отмечают несомую ветром яхту, мощный
котел — первое, что бросается в глаза в паровозе.
Основной тон всей конструкции экипажа ВЧТ опре-
деляет приемный контур, черпающий энергию из элек-
тромагнитного поля бесконтактной сети. Приемный кон-
тур должен быть расположен возможно ниже, чтобы
быть поближе к проводникам подземной сети. Площадь
приемного витка должна быть возможно больше. Внеш-
ние контуры экипажей ВЧТ должны быть очерчены
именно приемным витком.
Экипаж ВЧТ значительно проще, чем современный
автомобиль. Регулятор, плавно меняющий скорость и
руль — вот и все органы управления вечемобилем.
Предстоит большая работа, чтобы довести ВЧТ до
степени технического совершенства. В нашей первой
опытной установке мы пользовались тем, что было
у нас под рукой. Нам важно было продемонстрировать
сам принцип, показать, что вообще можно ездить с бес-
контактной передачей энергии.
— 138 —
Но для настоящих промышленных установок долж-
ны (быть разработаны специальные детали.
Для тележки Станкозавода им. Орджоникидзе мы
применяли выпрямитель из угольной палочки и медной
пластинки. Теперь разрабатываются дли ВЧТ специаль-
ные выпрямители. Они будут иметь к. п. д- почти 99%'
и срок службы в несколько тысяч часов. Пока такой
выпрямитель износится, экипаж сделает несколько де-
сятков тысяч километров.
Создаются теперь и специальные двигатели для пита-
ния от цепей высокочастотного тока через выпрямители.
Эти двигатели не будут иметь коллектора, они будут бо-
лее легкими и более быстроходными, чем современные
тяговые двигатели.
Для дорог ВЧТ возможен специальный кабель. Так
как энергия передается при помощи магнитного пол®,
то такой кабель не должен создавать никаких препят-
ствий для распространения магнитного потока от своих
проводников. Но помимо магнитного, проводники кабе-
ля создают еще и электрическое поле. А это электриче-
ское поле не участвует в полезной передаче энергии
экипажам. Оно способно только вызвать дополнитель-
ные потери в среде, окружающей кабель. Поэтому ка-
бель должен быть так сконструирован, чтобы не пропу-
стить это электрическое поле.
До сих пор такие кабели — испускающие магнитное
поле, но не испускающие электрического, — не применя-
лись еще в промышленности. Теперь созданы первые
образцы кабеля ВЧТ. Поверх изоляции они снабжены
экраном из тонких медных проволочек, навитых спи-
ралью, нигде не замыкающихся и не касающихся одна
другой. Такой экран перехватывает почти все силовые
линии электрического поля и совсем не нарушает рас-
пространения магнитного поля.
Изоляция этого кабеля выполнена из нового синте-
тического материала — полиэтилена, политена, как его
еще называют. При толщине в мизинец такой кабель
выдерживает напряжение в десять тысяч вольт и может
передавать мощность до согни киловатт. Дюжина или
две таких кабелей, залитых под асфальтовое покрытие
дороги, могут обеспечить энергопитание в несколько ты-
сяч киловатт, достаточное для магистрали с самым на-
пряженным движением.
— 139 —
Много других специальных вопросов должно быть
решено в связи с ВЧТ. Он требует новых более совер-
шенных высокочастотных генераторов, новых типов вы-
сокочастотных реле. Меняется при ВЧТ сам подход
к конструированию и строительству дорог. Дорога) ведь
теперь не просто пассивная спора для колес 'экипажей,
дорога ВЧТ — это русло энергетической реки, из кото-
рой экипажи черпают свою движущую силу.
ВЧТ — это техника новой более высокой культуры,
он должен потянуть за собой и многие другие отрасли
техники. Новые моторы, ка|бели, выпрямители, генера-
торы, реле, конденсаторы, разработанные для ВЧТ, най-
дут применение не только для транспортных целей: они
откроют новые возможности и для электропривода, и
для электротермии, и для связи, дадут толчок к усовер-
шенствованию этих областей.
96 Взгляд в будущее
Успехи ядерной физики обещают промышленное
использование энергии, освобожденной при делении
ядер урана и искусственно приготовленных из урана эле-
ментов с более высоким атомным номером.
Быть может, в более отдаленном будущем будут
разработаны конструкции ядерных микротопок, которые
позволят применить для транспорта, как рельсового,
так и безрельсового, неистощимые тепловые двигатели
или, быть может, будут созданы специальные ядерные
микродвигатели. Тогда транспорт с централизованным
электропитанием отомрет- Но пока маломощные энерго-
установки с ядерными реакциями — это лишь мечта.
Все то, что известно в настоящее время об уране
и трансурановых элементах (нептуний, плутоний, амери-
ций, кюрий), показывает, что реакции высвобождения
из них энергии могут итти лишь в больших масштабах—
критические массы этих элементов велики.
Ядерные реакции можно вести на крупных центра-
лях и распределять затем полученную энергию электри-
ческим путем.
ВЧТ—это наилучший вид электрического транспорта
и первый транспорт эры атомной энергетики.
Представьте себе зеркально-гладкие трассы, бегущие
среди цветущих садов Украины, по берегу Черного мо-
— 140 —
ря, в горах Памира или Урала. Не забогясь о горючем,
час за часом, день за днем можно будет катить, на-
слаждаясь природой и быстротой езды.
В сказочном мире была известна одна пара семи-
мильных сапог, один ковер-самолет. Эти волшебные ве-
щи могли принадлежать одному единственному избран-
нику. Токи высокой частоты сделают движущую силу
в социалистическом обществе доступной каждому так
же, как воздух, как солнечный свет.
ВЧТ чудеснее всех магических вещей старинных-
сказок.
6. Много ла энергии позволительно расплескать
по дороге?
В 1831 г. Михаил Фарадей изготовил из медной про-
волоки две катушки и соединил их концы между собой.
В одной катушке он подвесил на шелковинке магнит-
ную стрелку. Когда он быстро двигал вблизи другой
катушки магнит, то стрелка на шелковинке внутри пер-
вой катушки вздрагивала и отклонялась.
97 Прообраз современной электропередачи
Перемещение магнита вблизи катушки наводит ток
в ее проводниках. Этот ток проходит во вторую катуш-
ку и там создает магнитное поле, отклоняющее стрелку.
Так объяснил Фарадей свой опыт. И в этом опыте была
в зародыше представлена вся современная система
электропередачи. Катушка, ® которой перемещение маг-
нита возбуждало ток — это прообраз генераторов на
центральных электростанциях. Соединительные провод-
ники — это линии передачи, длина которых в наше вре-
мя часто достигает сотен километров. Стрелка, вздра-
гивавшая на шелковинке, — далекий предок современ-
ных электродвигателей.
В проволочной линии передачи электромагнитная
энергия движется вдоль проводов, являющихся как бы
направляющими рельсами. Сотни тысяч киловатт можно
передать по медным или алюминиевым проводам, по-
теряв по дороге длиной в десятки километров не более
нескольких процентов энергии.
98 Беспроволочная передача электроэнергии
Но электромагнитная энергия может ведь двигаться
не только вдоль токонесущих проводников, она может и
— 142 —
отрываться от них, свободно распространяться сквозь
изоляторы: воздух, фарфор, стекло, камни, пластмассы.
Такая беспроволочная! передача электромагнитной
энергии применяется) во всех областях электротехники
для решения самых разнообразных задач. В одних слу-
чаях требуется перебросить энергию на сотни километ-
ров, в других достаточна передача на доли сантиметра.
В предыдущих рассказах мы коснулись только несколь-
ких случаев беспроволочной передачи электромагнит-
ной энергии. На прилагаемом графике (см. рис. 54 в
конце книги), сопоставлены основные наиболее типич-
ные случаи беспроволочной передачи энергии.
По вертикальной оси графика отложена та мощ-
ность, которая теряется при передаче одного ватта по-
лезной мощности. По горизонтальной оси графика отло-
жено число электромагнитных волн, укладывающихся
поперек потока электромагнитной энергии.
На этом графике показаны примеры, когда потери
энергии при передаче не превышают одного процента от
полевной мощности, а также примеры, когда потери
энергии превышают полезную мощность в тысячи и мил-
лионы раз.
При любой передаче, даже если мы, скажем, пере-
даем сжатый воздух, газ или нефть по трубам, потери
на передачу тем больше, чем больше расстояние пере-
дачи (обозначим его d) по сравнению с поперечным се-
чением канала передачи ($) .
Так и при беспроволочной передаче электромагнит-
ной энергии — чем больше длина энергетического пото-
ка d по сравнению с его поперечным сечением s, тем
больше возможностей для электромагнитной энергии
распылиться в пути, не дойти до приемника.
Это, вообще говоря, довольно условное понятие «по-
перечное сечение потока энергии». Его можно четко
установить только в некоторых случаях, скажем, в па-
раллельном пучке световых или тепловых лучей.
Часто энергетический поток бывает расходящимся
во все стороны, и трудно сказать, чго считать сечением
этого потока. Можно условиться, что сечение энерго-
потока — это площадь излучателя, можно считать се-
чением—площадь приемника, среднее между площадью
приемника и излучателя. Ввиду этой условности толко-
вания понятия «сечение потока электромагнитной энер.
- 143 -
гии» и приложенный к этой главе график, и все рас-
суждения то его поводу имеют не строго количествен-
ный, а только качественный характер.
Важно отметить, что распыление электромагнитной
энергии зависит от частоты тока. Постоянный ток, как
мы знаем, вообще не способен отрываться от проводни-
ков и вовсе неприменим для беспроволочной передачи
энергии- А переменный ток тем легче вызывает излуче-
ние энергии от проводников в пространство, чем выше
частота его перемен, чем короче длина его волны, рав-
ная, как мы указали в первой главе, скорости света, по-
деленной на частоту тока.
Когда электромагнитная энергия распространяется
свободным потоком, го ее тем легче сконцентрировать
в одном направлении, избежать его распыления в сторо-
ны, чем больше отношение поперечника потока энергии
к длине электромагнитной волны, примененной для пе-
редачи.
99 Длинные и короткие энергопотоки
Поэтому, если отвлечься от прочих условий, харак-
теризующих беспроволочную передачу электромагнитной
энергии, потери при этой передаче должны быть тем
меньше, чем большее число электромагнитных волн
укладывается поперек потока передачи. Это и показано
на графике.
На графике нанесены жирные линии, идущие наклон-
но из верхней левой части графика в нижнюю правую.
Эти линии соединяют случаи передачи с одинаковым
отношением поперечника энергетического потока к его
длине (чтобы иметь безразмерное* отношение, взято не
отношение площади s к расстоянию передачи d, а от-
ношение Vs, т. е. поперечника потока к расстоянию
передачи).
Есть примеры, когда расстояние передачи во много
раз превышает поперечное сечение потока энергии (так.
например, работают радиолокационные установки). Но
очень часты и такие случаи передачи, когда поперечное
сечение потока энергии много больше, чем само рас-
стояние передачи. Последнее имеет место в трансформа.
горах для токов низкой частоты, во всех тех трансфор-
маторах, которые питают дальние передачи, города, зд-
—- 144
воды, осветительные сети домов. В этих трансформа-
торах энергия должна переходить с первичных катушек
на вторичные, и поверхность этих кагушек велика по
сравнению с расстоянием передачи — зазором между
катушками (последний не превышает нескольких санти-
метров).
100 Передача индукцией и передача лучом
При таких соотношениях поперечника и длины пере-
дачи можно обеспечить малые потери, даже когда попе-
речник передачи во много раз меньше, нежели длина
электромагнитной волны. Переменный ток в наших си-
ловых сетях имеет частоту 50 герц, что соответствует
длине волны 6 000 километров, а размеры самых мощ-
ных силовых трансформаторов не превышают нескольких
метров- Изменение силы тока и магнитного потока и наи
пряжения происходит совершенно одновременно во всех
частях обмоток трансформатора. Поэтому в этих слу-
чаях нечего и толковать о волнах. Когда длина электро,
магнитной волны X , примененной для передачи, значи-
тельно больше и расстояния передачи, и поперечника
энергетического потока, то говорят, что передача про-
изводится электромагнитной индукцией.
Поверхностная закалка стали относится к тем слу-
чаям передачи электромагнитной энергии, когда рас-
стояние передачи одного порядка с поперечным сече>-
нием потока. И здесь еще можно обеспечить потери,
меньшие, нежели полезная передаваемая мощность, при-
меняя волны, длина которых больше, нежели сечение
потока энергии. Поэтому и при поверхностной завалке
говорят, что передача энергии производится электромаг-
нитной индукцией.
Если еще увеличить расстояние передачи по сравне-
нию с поперечником энергетического потока, как это
имеет место, например, при нагреве тонких проволок
или в ряде случаев «диэлектрического нагрева, то для
сохранения небольших потерь приходится повышать ча-
стоту тока, и мы приходим к случаям, когда и вдоль и
поперек электромагнитного потока может уложиться
несколько длин волн. Такую передачу называют вол-
новой. Но резкой границы между волновой переда-
чей и передачей индукцией провести нельзя. Одно важ-
10 Г. И. Бабат. — 145 —
но заметить, при волновой передаче токи и напряжения
неодинаково, неодновременно меняются во всех частях
установки. В какой-то момент времени в одних частях
установки ток равен нулю, а в других он имеет макси-
мальное значение.
На стыке областей передачи энергии электромагнит-
ной индукцией и волновой передачи должен быть поме-
щен ВЧТ. Расстояние между высокочастотной бескон-
тактной тяговой сетью, которая натягивается! вдоль до-
роги, и между приемными витками, которые помещают-
ся на экипажах, обычно меньше поперечного размера
приемного витка. Поэтому в ВЧТ можно получить ма-
лые потери при передаче (несколько процентов), приме-
няя волны, длина которых больше, нежели размеры
приемного витка- Например, в нашей первой опытной
установке ВЧТ применялась электромагнитная волна
длиной 6 километров (частота тока 50000 герц). Таким
образом, приемный виток на экипаже можно рассмат-
ривать как вторичную обмотку самого обыкновенного
трансформатора.
Зато длина всей линии ВЧТ может в несколько раз
превышать длину электромагнитной волны, и при рас-
смотрении процессов в этой линии надо учитывать вол-
новые явления.
*
Когда расстояние передачи во много раз больше, не-
жели поперечное сечение электромагнитного потока,
можно говорить о передаче электромагнитным лучом.
В этом случае справедливо правило, что для обеспече-
ния малых потерь произведение расстояния передачи
на длину электромагнитной волны, примененной для пе-
редачи, должно быть меньше, нежели площадь попереч-
ного сечения энергопотока. К примеру, если желательно
передать энергию на расстояние 40 километров при пло-
щади приемной и передающей антенн каждая по 100
квадратных метров, то необходимо применить для такой
передачи электромагнитные волны не длиннее одного
сантиметра, т. е. ток с частотой не ниже тридцати мил-
лиардов периодов в секунду, если требуется, чтобы по-
тери в пути были не более 10%('.
— 146 —
1U1 Что такое потери?
Но вот вопрос: всегда ли нужно экономить энергию,
всегда ли нужно бороться с потерями и что вообще
надо называть потерями, а что полезной мощностью?
В радиовещательных станциях намеренно стараются
распространить излучаемую энергию по всему простран-
ству, чтобы каждый мог ее принять. Энергия, получае-
мая радиоприемником, в миллиарды раз меньше, нежели
энергия, излучаемая радиопередатчиком. Но неверно бу-
дет всю эту излученную передающей антенной энергию
считать потерями. Цель радиопередачи донести изве-
стие, сигнал, а не энергию. Энергию радиоприемник по-
лучает от местной сети. При помощи этой энергии он
усиливает принятый сигнал, доводит его до величины,
способной заставить звучать громкоговоритель.
Мощность обычного радиоприемника бывает порядка
100 ватт. Представим себе, что всего лишь один мил-
лион приемников слушает какую-нибудь Московскую
радиостанцию, мощность которой 1 000 киловатт. Тогда
окажется, что мощность, расходуемая самими радиопри-
емниками, будет в 100 раз превышать мощность, пот-
ребляемую передающей радиостанцией. Экономии энер-
гии надо добиваться, улучшая качество самих прием-
ников.
Для радиовещательных станций расстояние переда-
чи (расстояние между приемной и передающей антен-
нами) обычно в несколько тысяч раз превышает длину
применяемой для передачи электромагнитной волны.
Размеры же самих антенн широковещательных пере-
дающих станций обычно меньше длины волны.
Приемники, предназначенные для слушания веща-
тельных радиостанций, снабжаются совсем маленькими
антеннами. Увеличением высоты приемной антенны мож-
но было бы повысить количество принимаемой энергии,
но более выгодным оказывается повысить чувствитель-
ность радиоприемника. Большая антенна у приемника
может даже ухудшить иногда его работу — она будет
впитывать в себя больше вредных помех — отношение
мощности полезного сигнала к мощности помех упадет,
а самое важное для радиоприемника — иметь это отно-
шение большим.
— 147 —
Для радиостанций, которые предназначены работать
с каким-нибудь одним определенным корреспондентом,
применяют направленные антенны. Размеры таких ан-
тенн больше, чем длина электромагнитной волны. При
этом можно сосредоточить электромагнитное излучение
в одну сторону, уменьшить бесполевное рассеивание
энергии.
Увеличение размеров антенн вызывает повышение
коэффициента полезного действия, но за особо малыми
потерями при передаче здесь не гонятся- Построить ог-
ромную, остро направленную антенну может оказаться
дороже, нежели повысить мощность передатчика.
В радиолокационных установках (радарах) передат-
чик бросает электромагнитный луч, поперечный размер
которого в несколько десятков раз превышает длину
электромагнитной волны. Hoi длина этого луча в десят-
ки тысяч раз превышает размеры передающей антенны.
Отразившись от препятствия, скажем от вражеского
самолета или корабля, электромагнитная энергия рас-
сеивается в значительной части в стороны, а к прием-
нику локационной установки возвращаются миллиард-
ные доли от первоначально излученной энергии.
Во всех случаях электромагнитной передачи энер-
гии — и при передаче индукцией, и при волновой пере-
даче — чем выше частота тока, тем меньше могут быть
потери в пути. Но чем выше частота тока, тем все боль-
шие трудности возникают при его получении, тем боль-
шие потери получаются в самих генераторах.
С повышением частоты тока часто становится труд-
нее и использовать его энергию, превратить ее в какой-
нибудь другой вид энергии. Даже превратить энергию
высокочастотного тока в тепло оказывается не так про-
сто. Падая на металл, электромагнитные волны в зна-
чительной мере отражаются, очень трудно заставить по-
глотиться всю падающую энергию целиком.
Еще труднее превращать энергию электромагнитных
волн не в тепло, а в движущую силу.
* *
*
Множество (Применений беспроволочной передачи
электромагнитной энергии может быть отнесено к обла-
сти связи, контроля, регулироваиия, управления. Здесь
— 148 —
посланная энергия является лишь спусковым крючком,
который должен привести в действие местные источники.
В этих случаях допустимы потери, в тысячи, миллионы
и даже в миллиарды рае превышающие принятую полез-
ную мощность. Это—верхняя часть нашего графика.
В других случаях переданная беспроволочным спосо-
бом энергия сама должна произвести полезный эффект:
нагреть, расплавить, высушить, привести в действие дви-
гатель. Это — нижняя часть нашего графика. Здесь ста-
раются получить потери меньшие, нежели полезная мощ-
ность.
1UZ Энергия человеческая ценнее всего
Токи самых разнообразных частот—от единиц до
миллиардов герц—применяются в технике, и нельзя ска-
вать, какой из сортов тока ценнее и важнее: каждому
своя область, свое место.
Основная задача техники социалистического обще-
ства — беречь и экономить энергию человека, эту самую
ценную из всех энергий мира. Вернее, не экономить,
экономить — это не то слово. Задача техники — повысить
могущество человеческой энергии: перенести слабый че-
ловеческий голос на тысячи километров через конти-
ненты и океаны, дать силу хрупкой человеческой руке
рассечь горы, осушить моря, воздвигнуть плотины попе-
рек стремительных рек...
Задача техники социалистического общества — поста-
вить на службу человеку возможно больше энергии,
взятой от стихий, от мертвой природы. Всякое техник
ческое средство надо ценить прежде всего по его со-
циальному коэффициенту полезного действия, по его со-
циальному эффекту, по тому, насколько это средство
улучшает условия существования народных масс, повы-
шает производительные силы социалистического обще-
ства. И невелика беда, если при этом и распле-
скается несколько от взятой у природы тепловой,
электрической, атомной энергии. Это не значит, что
можно безрассудно разбрасываться энергетическими
богатствами. Где можно, там надо машинную энер-
гию экономить. Но всегда чисто энергетический
к п. д. стоит на втором месте после к. п. д. социаль-
— 149 —
кого. Экономия машинной энергии уместна и допусти-
ма, лишь когда это не повышает расхода энергии чело-
веческой. Те агрегаты и установки, которые экономят
энергию машинную, но расточают энергию человеческую,
будут сметены прогрессом.
Вся история развития техники—это непрестанное на-
растание расходования человечеством всех видов энер-
гии. Непрестанно нарастает число механических рабов
на службе у человека.
Токи высокой частоты еани'М'атот почетное место в
технике настоящего и займут еще большее место в тех-
нике будущего—технике ядерной энергетики и высоких
частот, и той технике высокоортани1зованньгх механиз-
мов и аппаратов, которая поможет социалистическому
обществу перейти из «царства необходимости в царство
свободы».
ввяоВные
^римеления
Усилите-
ли, генера-
торы
Выпрями-
тель низ-
кого на оря
>кения
Выпрями-
тель
Телеви-
зионные
передат-
чики
Выпрями-
тель на
малые
токи
Высоко -
частотн
генератор
Видение
8 темно-
те, тума-
не
Сверх
микроско
Превраще
ние света
в электро
энергию
Источник
света. |
Индикатор
Регулятор
напряжения
Осцилло-
графия,
телеви-
дение
Получение
рентгенов
ских
лучей
Мощные
выпрями-
тели
Управляе-
мый выпря-
митель
Мощные
управляе-
мые вы-
ппямители
Источнику
пульсируя
щего
света
Оптиче-
ской ин-
дикатор
настрой-
ки
Осцилло-
графия,
телеви
Эение
Управляе-
мые светом
приборы Bbi
сокой чув-
Индикато-
ры света I
в технике
и науке | —,
звук^кино звук^кино
Индикато
ры света
в технике
и науке |
Схематичес-
кое изобра-
жение
Наименова-
ние приборов
Что нахо- I
дшпея 6
приборе
*7* _ _ _ FZ_________ ________________ 7?.—.—.________ i/ггтн г)нпт> IMivnunrrinnii DmnmnuL Unni imr^fiii П^бш.ППОТ. 7nnf\Lf» HfVhitHnfyLiiii кмвЬ^пПлип ^nnltrrsnnun ^ляЬтплч. РтПЛ^Л- С^ЛТПЛ» ^И^^^ИТРв^в>ИИВИ
Тунгар
Газотрон
Кенотрон
Тиратрон
Катодная
лампа
Магнетрон
Ртутник
Игнитрон
Газо-свет- I Трубка
ная лампа 'Рентгена
/аз под вы
сак давле-
ние
Газподниз-.
ким дабле! Вакуум
наем I
/аз
или
пар
Вакуум
Вакуум
Пар
'Пар
Газ
Вакуум
Магический Злектронн. Электронн
лучевая микроскоп
трубка
Вакуум
глаз
Вакуум
Электронн Электрон-
______7 ная луче
—— вая трубка
Вакуум
вакуум
Стробо-
трон
Фото-
элемент
Фото-
элемент
Газ
Нет
Электро-
статическое
Электро
магнитное
Нет
Q»oirmnn ЗаЖига-
Электро-
статиче-
ское
Нот
Элкктро- Электро- Электро
статиче-
ское
магнит-
ное——
статиче-
ское—
Шапочник электронов ^НЛыемюю катод
Холод». катод
Жидкий катод
На выходе получа-
ется
электрическая энергия
На выходе полу-
чается
лучистая энергия
Накаленный
катод
Холодный
катод
Вакуум,
Электрон- Трубка с
ный умно- мозаичным
Житель экраном
Фото-зле- Электронно
мент с за- оптический
пирающим преобразодо
слоем тель
Металлик. I - •
Вакуум Вакуум
Лучистая
энергия
Фото-катод
!На выходе получа-
ется электрическая
[ энергия
металлич. в . .
контакт чу }
Нет
Фото -катод
На выходе получи
шея
лучистая энергия
На вход подается
лучистая
энергия
Рис. 28. Электровакуумные приборы.
Самое разнообразное назначение имеют приборы, в которых работают в
пустоте или в разреженных газах мельчайшие атомные частицы — электроны
и ионы.
На рисунке изображены только некоторые представители обширного, на-
считывающего сотни типов семейства электровакуумных приборов.
Существуют различные системы классификации электровакуумных при-
боров.
В зависимости от наполнения их делят на две обширные группы. Пер-
вая труппа: электронные приборы, у которых электроды находятся в баллоне
с возможно более высоким разрежением. В электронных приборах ток прово-
дят исключительно электроны. Вторая группа — ионные или газовые приборы.
У них пространство между электродами наполнено не слишком разреженным
газом или парами металлов. При прохождении тока в этом пространстве полу-
чаются возбужденные и заряженные атомы — ионы, которые вместе с электро-
нами, принимают участие в проведении тока.
Часто классифицируют электровакуумные приборы по числу электродов.
Стеклянные баллоны, в которых находится только разреженный газ и ни одного
электрода, называются нуледами. Они применяются, если надо воздействовать
на электромагнитные колебания, бегущие по волноводу. Нуледы применялись
иногда в радиолокационных установках, чтобы поглотить, отразить, замкнуть
волну от радиопередатчика, не допустить ее к приемнику.
Одноэлектродные приборы называются монодами, таковы, например, бар-
реторы— стабилизаторы тока.
Очень распространены двухэлектродные приборы — диоды. Они бывают с
•боими холодными электродами; таковы разрядники, лампы тлеющего разряда.
Один из электродов может быть накален, как в кенотронах, рентгеновских
*рубках. Газотроны — это также диоды. Диоды с двумя накаленными электро-
дами — газосветные лампы.
Приборы с тремя электродами — триоды — еще более разнообразны. Суще-
ствуют триоды, у которых все три электрода холодные, — это, например, ион-
ные реле. К триодам с одним накаленным электродом относятся все односеточ-
ные электронные лампы и усилительные, и генераторные
Двухсеточные лампы — это уже четырехэлектродные приборы — тетроды.
Затем идут пентоды. Бывают пентоды — генераторные электронные лампы, пен-
тоды — усилители высокой и низкой частоты, пентоды — высоковольтные игни-
троны.
Отличают электровакуумные приборы и по типу их оболочки. Для боль-
шинства электровакуумных приборов — это стеклянная колба. Но существуют
также и металлические и керамические оболочки. Бывают и комбинированные
оболочки. Помимо цельнометаллических применяются и стеклянно-металли-
ческие.
По тому, как отводятся потери, выделяющиеся в виде тепла в электрова-
куумных приборах, также производят их классификацию. Существуют электро-
вакуумные приборы с радиационным охлаждением; в них потери отводятся в
виде лучистого тепла. Более мощные приборы выполняются с конвекционным
охлаждением — они омываются проточной водой или обдуваются струей воздуха.
Классифицируют еще электровакуумные приборы по способу создания в них
пустоты. Подавляющее большинство электровакуумных приборов — это отпаян-
ные, в них вакуум создается на заводе при их изготовлении. Но существуют
также приборы с непрерывной откачкой. Они снабжаются насосами, которые
работают во время действия прибора и удаляют просачивающиеся газы. Такой
прибор можно разобрать, отремонтировать, затем снова откачать и пустить в ход.
Так выполняются мощные ртутные выпрямители и игнитроны, мощные генера-
торные лампы, электронные микроскопы.
По типу управления можно различать: управляемые светом, электриче-
скими полями, магнитными полями.
В •тдельиую группу выделяют электронно-лучевые приборы.
Г. И. Бабат—Рассказы о токах высокой частоты.
Рис. 54. Соотношение между потерями и полезной мощностью при разных случаях передачи электромагнитной энергии.
Потери зависят от соотношения между расстоянием передачи d (длиной энергетического потока), сечением энергопотока 5 и длиной электромагнитной
волны X, применяемой для передачи.
СОДЕРЖАНИЕ
»U ‘ о со
Предисловие ............................................. 3
1. Об удивительной банке, о колебаниях лампад и о проверке
одного уравнения .......................................
2. Электроны в пустоте..............................
3. Радио и сталь.......................................
4. Сто миллионов перемен в секунду.....................
5. Семимильные сапоги..................................
6. Много ли энергии позволительно расплескать по дороге . .
Цена 5 руб
Мы живем в мире электромагнитных колебаний. И за-
гадочные потоки космических лучей, падающих на зем-
лю из межзвездных пространств, и лучистое тепло, ис-
пускаемое жарко натопленной печью, и электрический
ток, циркулирующий в силовых сетях,— все это электро-
магнитные колебания. Все они способны распростра-
няться в виде лучей, в виде волн.
Здесь сверху представлены вдоль шкалы некото-
рые источники электромагнитных колебаний.
Колебания, совершающиеся с частотой в миллион
миллиардов перемен в секунду, наше зрение ощущает,
как свет. В тысячу раз болез медленные колебания мо-
гут ощущаться кожей, как тепловые лучи.
Колебания с частотой в сотни тысяч и миллионы пе-
ремен в секунду не воспринимаются ни зрением, ни
слухом, нп они имеют большое значение в современной
науке и технике. Это — радиоволны, токи высокой час-
тоты. О некоторых их свойствах и применениях идет
речь в этой книжке.
• • «