Физика в технике - Г. Покровский

Современная квантовая механика является такой наукой, которая позволяет не только качественно объяснять те или иные процессы, протекающие в микромире, но и количественно их рассчитывать. С помощью квантовой механики могут быть объяснены строение атомов, связи атомов в молекуле, строение и свойства атомных ядер, рассчитываться процессы взаимодействия элементарных частиц и света с веществом, распад и устойчивость атомных ядер и др.

Наиболее полное и точное представление о молекулах некоторых простейших химических соединений также может быть получено с помощью квантовой механики.

В настоящее время методами квантовой механики еще нельзя точно исследовать сложные химические соединения, такие, как, например, органические молекулы. Это объясняется чрезвычайной трудностью решения уравнений, которые описывают взаимодействие элементов тех или иных молекул. Однако с развитием науки, и в частности математики, ученые, безусловно, получат возможность не только описывать свойства и строение различных молекул, но и на основе теоретического предвидения получать такие вещества, которые обладали бы всеми необходимыми свойствами.

Радиотехника

Открытие радио А. С. Поповым привело к возникновению радиотехники — науки об электромагнитных колебаниях высокой частоты (радиоволнах), отрасли техники, осуществляющей их применение для связи, вещания, радиолокации, навигации, управления, астрономии и др. К основным областям радиотехники относятся: получение (генерирование) и усиление электромагнитных колебаний высокой частоты, а также управление ими; излучение, распространение и прием радиоволн, избирательное выделение электромагнитных колебаний заданной частоты; восстановление и усиление переданных сигналов; воспроизведение переданных сигналов управления и регулирования, телеграфного текста, речи, музыки и изображений.

Каким же образом происходит излучение радиоволн?

Если проводник, являющийся антенной радиостанции, излучает электромагнитные волны, это значит, что по антенне движутся электрические заряды то в одном направлении, то в другом. Иными словами, в антенне радиопередатчика возбуждается переменный электрический ток. Ток вызывает появление электрических и магнитных полей в окружающем пространстве, которые распространяются со скоростью света.

Электромагнитные волны бывают различной длины.

В радиотехнике применяют волны, имеющие длину от нескольких миллиметров до нескольких километров.

Длинные волны отражаются от верхних слоев атмосферы и движутся в сравнительно (с размерами Земли) тонком слое атмосферы, слабо поглощаясь поверхностью Земли и хорошо огибая препятствия. Говорят, что в этом случае радиоволны распространяются «поверхностным лучом».

Короткие волны распространяются по ломаной траектории, многократно преломляясь в ионосфере и отражаясь от поверхности Земли. Эти волны являются более «жесткими». Они плохо огибают препятствия, а поэтому распространяются преимущественно пространственным лучом.

Очень короткие волны могут концентрироваться в узкие пучки небольшими зеркалами, сделанными из сплошных листов металла или из металлических сеток и решеток с достаточно малыми отверстиями.

Используя вогнутые зеркала в качестве антенн, излучающих очень короткие волны, можно создавать направленные потоки радиоволн, напоминающие лучи прожекторов, но свободно проходящие через дым, туман, облака. С помощью таких систем из радиоволн могут быть созданы различные «конструкции».

Имеет ли смысл вообще говорить о конструкциях из электромагнитных волн? Ведь конструкция — нечто зримое и осязаемое. Конечно, в случае с электромагнитными волнами понятие «конструкция» следует расширить. Электромагнитные волны, имеющие длину, равную одной двухтысячной доле миллиметра, видимы глазом. Их можно зарегистрировать при помощи прибора, называемого фотоэлементом. Электромагнитные волны других длин невидимы, но и их молено обнаружить различными приборами.

Представим себе множество прожекторов, лучи которых образуют гигантский шатер. Такой шатер вполне можно назвать «конструкцией» из световых лучей или из электромагнитных волн.

Однако такая конструкция из световых лучей сама по себе не имеет практического смысла. Она приведена лишь для пояснения. Но могут быть конструкции из электромагнитных волн, имеющие огромное значение в науке и технике. Чтобы пояснить это, рассмотрим следующий характерный пример.

Последние годы весь мир был свидетелем крупных успехов советской космической ракетной техники. Создание самых мощных космических ракет и ракетных реактивных двигателей является выдающейся победой науки и техники.

Однако для успешного запуска ракет необходимо было обеспечить исключительную точность движения ракеты. Эта точность была наглядно продемонстрирована при испытаниях ракет, пущенных в район Тихого океана на расстояние 12 500 километров (по поверхности земли). Ракеты точно прибыли в намеченное место. Наибольшее отклонение не превышало нескольких километров.

Как же была достигнута такая точность? Не рассматривая подробно все стороны управления ракетами, остановимся только на одном примере.

Путь ракеты состоит из двух участков: активного, который ракета проходит с работающим двигателем, и пассивного, когда ракета движется по законам небесной механики в космическом пространстве. Чтобы ракета на пассивном участке двигалась точно в соответствии с заданием, необходимо очень тщательно направлять полет ракеты во время работы ее двигателей. Другими словами, нужно, запуская ракету в космос, очень точно прицеливаться. Правда, задача несколько упрощается благодаря тому, что после старта ракеты имеется возможность исправить некоторые ошибки прицеливания, корректируя скорость и положение ракеты.

Наиболее удобно прицеливание и коррекцию производить при помощи радиоволн.

Можно, например, поступить так. В районе пуска ракеты устанавливаются четыре радиопередатчика с антеннами направленного излучения (рис. 15). Антенны излучают четыре узких направленных пучка радиоволн, частично входящих друг в друга и образующих как бы трубку, полую изнутри.

В средней части трубки остается канал, в котором интенсивность радиоволн меньше, чем по краям. Ось этого канала направляется точно по направлению заданного движения ракеты. При пуске ракета входит снизу в канал и летит в так называемой равносигнальной зоне, т. е. в зоне, где сигналы, поступающие на вход системы управления от каждого передатчика, равны между собой. Если она случайно отклоняется от заданного пути, то сразу же происходит изменение входных сигналов, которое моментально воспринимается соответствующим радиоприемником на ракете. Радиоприемник передает сигнал автомату, управляющему рулями, находящимися в потоке газов реактивного двигателя. Рули изменяют направление потока реактивных газов. В результате этого ракета поворачивается и возвращается на заданный курс.

Таким образом можно очень точно управлять движением ракеты.

Указанным способом можно также решать многие другие задачи. Например, создав широкую «воронку» из радиолучей, можно обеспечить возвращение космических кораблей точно в заданное место.

Конструкции из радиоволн, едва успев возникнуть, оказываются послушным и могущественным средством в руках человека, позволяющим успешно решать такие задачи, о которых нельзя было даже думать несколько десятилетий тому назад.

Другим важным применением высокочастотных электрических колебаний в технике является нагревание обрабатываемых изделий с помощью ультразвуковых паяльников и электромагнитных печей. Помещая обрабатываемую деталь в мощное электромагнитное поле, можно равномерно пропреть ее по всей толщине.

Приведем для пояснения хотя бы такой пример. Чтобы напреть до высокой температуры конец стального стержня, его вводят внутрь катушки (рис. 16), по обмотке которой пропускают переменный ток высокой частоты. Индукционные токи, возникающие в стержне, быстро нагревают до высокой температуры соответствующую часть стержня.

Таким образом, электромагнитные устройства могут не только управлять различными машинами, но и переносить энергию.

В настоящее время в промышленности применяют электромагнитные ускорители электронов и атомных ядер.

Рис. 15. Управление ракетой с помощью радиолучей

Электромагнитные ускорители преобразуют энергию электрического поля в энергию движения частиц почти без потерь. Это дает основание предполагать, что в будущем, при создании космических ракет, предназначенных для полетов за пределы солнечной системы, вместо тепловых ракетных двигателей будут применяться электромагнитные или электрические ускорители. Вещество, предназначенное для образования реактивной струи, например водород, будет сначала ионизироваться. Потом электроны и протоны будут ускоряться в двух отдельных, самостоятельно действующих ускорителях и выбрасываться в космическое пространство. Так как скорости выбрасывания частиц очень велики и могут достигать значений, близких к скорости света, то такие ракеты смогут набирать большие скорости, имея на борту небольшое количество отбрасываемой массы, заменяющей топливо. Таким образом, использование в технике современных достижений радиофизики и электроники открывает большие возможности.