Г. Покровский - Физика в технике

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.

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.

Вещества, которые по своей электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками.

В отличие от проводников тока, где свободных электронов очень много, в полупроводниках их гораздо меньше.

Особенно интересные физические явления происходят в пограничном слое между двумя полупроводниками. Обычно, говоря о свойствах полупроводниковых устройств, имеют в виду свойства такого пограничного слоя.