Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Хотя Спенсер почти не учился в школе, так как воспитывался без родителей, он с детства слыл сметливым парнем. Благодаря природному уму и трудолюбию он выбился в люди, и еще в 1925 году стал контролером завода этой компании.
Размышляя над произошедшим, Спенсер пришел к выводу, что причиной увиденных явлений служит нагрев продуктов за счет поглощения волн, излучаемых магнетроном. Теперь-то любая домохозяйка знает, что перед тем как варить яйца в СВЧ-печке, их надо проколоть, а еще лучше сразу приготовить оригинальную яичницу — в стеклянном стакане или вазочке.
В нашем дорогом отечестве в эти времена также проводились самые разнообразные эксперименты в области применения электромагнитных волн СВЧ-диапазона. В основном, как и до войны, так и после нее, они были связаны с разработкой радиолокационной техники (занимались этим, конечно, и американцы, и англичане). Правда, физики занимались и другими проблемами: мазерами (а потом и лазерами), радиоастрономией и т. п. Академик П. Л. Капица (позже ставший лауреатом Нобелевской премии), отстраненный тогда от руководства созданного им института «Физпроблем» вследствие отказа заниматься атомным проектом, курируемого Берией, организовал научную лабораторию в избушке, рядом со своей дачей. Физики тут же окрестили ее «Избой Физпроблем». Одна из проблем, которой Петр Леонидович начал заниматься еще перед войной, касалась физики шаровых молний. Другой наш академик — Я. И. Френкель выдвинул «химическую» теорию шаровой молнии, но П. Л. Капица подверг ее критике, так как в этой теории не сходился энергетический баланс.
Гипотеза Капицы заключалась в том, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится извне энергия радиоизлучений в метровом и дециметровом диапазонах, производимых обычными (линейными) молниями. Сгусток плазмы возникает, по его гипотезе, в месте сложения этих волн и ведет себя как сложный открытый объемный резонатор.
Эти исследования привели его к созданию нового научного направления: «Электроника больших мощностей». П. Л. Капица полагал, что именно на этом пути лежит решение задач электроэнергетики по канализации и передаче электроэнергии на большие расстояния. В частности, был создан специальный генератор, названный «ниготроном», позволявший излучать до 8 кВт в дециметровом диапазоне спектра электромагнитных волн. В первых опытах излучение направлялось в открытое окно. Затем, по словам Петра Леонидовича, «мы поставили на пути излучения яйцо, которое мгновенно сварилось вкрутую, а присутствующий при этом академик Фок моментально съел его». Для следующего опыта был взят тонкостенный кварцевый шар диаметром 10 см, наполненный гелием при давлении 10 см ртутного столба. При облучении яркая вспышка внутри шара продолжалась несколько секунд, после чего кварцевая оболочка, несмотря на высокую температуру плавления, расплавилась…
Танцуем от печки
Цыпленок жареный,
Цыпленок пареный…
Песня
Изобретение Спенсера привело к тому, что в США появились опытные партии печей, использующих СВЧ электромагнитные колебания или микроволны (отсюда обиходное название «микроволновка») и поскольку, они родились из устройства военного назначения, то вначале их стали использовать маркитанты для быстрого разогрева солдатских пайков в многочисленной армии, рассеянной после Второй мировой войны по всему свету. Массовое производство бытовых микроволновок было налажено в Японии в 1962 году.
Основу СВЧ-печи составляет преобразователь электрической энергии, получаемой от электросети промышленной частоты (50/60 Гц) в энергию электромагнитного поля СВЧ-диапазона (например, 2,45 ГГц), локализуемую внутри специального закрытого объемного резонатора (камеры). На радиотехническом языке это устройство, в зависимости от выбранного классификационного признака, можно отнести к генератору, преобразователю частоты или активному согласующему устройству. Обычно его просто считают генератором.
Действительно, как следует из уравнений Максвелла, электромагнитная энергия, в которую на электростанциях преобразуют другие виды энергии, распространяется в виде поля на частоте 50/60 Гц в среде, окружающей провода, возбуждая ток в этих проводах, играющих роль направляющей системы. Часть энергии проникает в глубь проводников и приводит к потерям на нагрев (дополнительные потери возникают также в промежуточных преобразователях: трансформаторах и т. п.).
Задача нагрева некоторого объема вещества связана с поглощением (желательно равномерным) электромагнитной энергии и, соответственно, выделением тепла в этом объеме. Существуют три физических механизма теплопередачи: кондуктивный — теплопроводностью, конвективный — потоками вещества (например, теплого воздуха или радиоактивных частиц) и излучением (инфракрасным, СВЧ и т. п.).
Для большинства продуктов конвекцию можно отбросить или ее придется организовывать специальным образом. Теплопроводность — процесс весьма длительный, зависящий от свойств вещества и градиента температуры. Увеличить этот градиент при прочих равных условиях можно только в очень ограниченных пределах, да и то за счет специальных мер (вспомните искусство поджаривания блинов или приготовления шашлыка). В этом смысле для объемного разогрева электромагнитное поле находится вне конкуренции. Однако величина поглощения поля веществами сильно зависит от частоты и напряженности поля. Последняя имеет верхнее ограничение, связанное с электрическим пробоем воздуха. Продукты или блюда, подлежащие нагреванию, содержат в большом количестве воду и поэтому ее электрофизические свойства являются определяющими при выборе характера воздействия. Конечно, если необходимо нагреть некий сплошной объем воды, то задача решается просто кондуктивно-конвективным нагревом ТЭНами или прямым (контактным) джоуль-ленцовским нагревом за счет токов через погруженные в нее электроды. Правда, при использовании прямой проводимости появляется еще электролиз, да и вопросы электробезопасности обостряются. Но все же курицу этими способами, увы, не приготовишь, а все контактные методы по многим параметрам уступают бесконтактным в принципе за счет явлений на границах раздела.
Ограничимся рассмотрением нагрева диэлектриков. Тогда, при создании бесконтактных (волновых) нагревательных устройств исходят из следующего общего соотношения, которое связывает величину плотности потока энергии электромагнитных волн Р (Вт/м3), поглощаемых в единице объема вещества с его свойствами и характеристиками поля
где Е — напряженность электрического поля. В/м; f — частота, Гц; εо= 8.85·10-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества; δ — угол диэлектрических потерь.
Из приведенной формулы видно, что при прочих равных условиях выгоднее всего использовать поля с большой частотой в диапазоне, где диэлектрические потери максимальны. При этом следует иметь в виду, что с ростом этих величин происходит также уменьшение глубины проникновения поля в материал.
Характеристики интересующих нас материалов таковы, что если бы мы сделали подходящие соленоид или конденсатор, работающие на промышленной частоте, и с помощью их поля попытались бы с утра приготовить блюдо, то вряд ли нам удалось бы вовремя не только позавтракать, но и поужинать. Дело в том, что электромагнитные потери на частоте 50 Гц в воде ничтожно малы.
Вот если нам не очень к спеху, то ввиду простоты реализации эти способы годятся и их применяли в промышленности для сушки лесоматериалов, а также при производстве железобетонных изделий.
Учитывая частотную зависимость фактора поглощения, инженеры пошли по частоте вверх — к ВЧ, благо этот диапазон в радиотехнике был уже давно освоен, но в быту подобные установки не применялись за исключением физиотерапии, так как некий барьер эффективности преодолен не был. Случай со Спенсером привлек внимание инженеров и ученых к более детальному анализу СВЧ-нагрева. Из этого анализа следовало, что максимальное количество энергии поля будет поглощаться на той частоте, на которой находится максимум отклика молекул воды.
Отдельные молекулы воды, например в ее парах, представляют собой диполи, с двумя ионами водорода Н+ и одним дважды ионизированным атомом кислорода О2-, образующие равнобедренный треугольник с ионом кислорода при вершине с углом 105° и боковыми сторонами, равными 0,96 А°. В твердой фазе молекулы воды образуют кристаллическую решетку, ячейки которой напоминают тетраэдры для упаковки молока.
В жидкости, благодаря тепловому движению молекул, их коллективы случайным образом занимают изменяющиеся разнообразные промежуточные состояния. По образному выражению акад. Я. И. Френкеля, молекулы жидкости ведут себя подобно кочевникам: оседлый образ жизни в узлах временной местной кристаллической решетки (где они совершают колебательные движения) сопровождается их периодическими перескоками в другие положения.
