Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 23 страниц)

Машины с «высшим образованием»

В некоторых машинах и станках-автоматах, которые выпускает наша советская промышленность, применены «читающие» фотоэлементы. Первые опытные экземпляры «зрячих» станков были изготовлены еще в 1934—35 году в Москве (рис. 113).

Рис. 113. Один из первых советских «видящих» станков.

Эти станки, созданные советскими инженерами и учеными представляют собой подлинное чудо техники.

Приступая к работе на станке с «читающим» прибором, станочник заготавливает материал, устанавливает инструмент, заправляет станок охлаждающей жидкостью, проверяет смазку, а затем – вручает станку чертеж той детали, которую надлежит изготовить. Под «читающим» прибором укрепляется лист бумаги с изображением контуров будущего изделия.

Если станку будет что-либо «непонятно» в чертеже, или возникнет какое-либо препятствие, – затупится инструмент, не хватит материала, недостанет смазки, – он остановится и звонком или сигнальной лампочкой подзовет к себе мастера, чтобы тот «объяснил» ему, что и как следует делать, или устранил неполадки.

Устройство прибора, читающего чертежи, не так уж сложно. Маленький фонарик укреплен в одном корпусе с фотоэлементом. Луч света от фонарика падает крошечным круглым пятнышком на линию чертежа, а небольшое зеркальце отражает изображение этого пятнышка – светлой точки – в фотоэлемент. Таким образом, электрический глаз «видит» только светлое пятнышко и ничего больше.

В начале работы станочник наводит «читающий» прибор на одну из линий чертежа так, чтобы ровно половина светлого пятнышка от фонарика приходилась на белую бумагу, а половина – на черную линию. Край черной линии должен делить светлое пятнышко точно пополам.

Установив пятнышко, мастер включает станок. И с этого момента станок начинает работать самостоятельно.

Фотоэлемент воспринимает свет, отраженный той половиной пятнышка, которая лежит на белой бумаге. Другая половина пятнышка, падающая на черную линию, света почти не отражает и, следовательно, на фотоэлемент не действует. В фотоэлементе возникает электрический ток определенной силы. Ток идет в усилители. Из усилителей он поступает в приборы, управляющие движением фотоэлемента с фонариком и связанного с ними резца.

Луч света скользит вдоль края черной линии, а резец повторяет движение «читающего» прибора – режет металл. Линия на чертеже поворачивается направо – луч и резец поворачивают направо. Линия изгибается дугой – луч послушно следует за ней. Линия описывает зубцы, и луч делает то же самое. Резец, неразрывно связанный с «читающим» прибором, придает металлу ту форму, какая изображена на чертеже.

Луч света все время падает на черную линию так, чтобы ее край делил светлое пятнышко строго пополам. Чуть только луч сойдет с черной линии на белую бумагу, фотоэлемент получит больше отраженного света и даст более сильный ток. Приборы, управляющие движениями фотоэлемента с фонариком и резца, воспримут усиление тока как приказ возвратить луч света обратно на черную линию.

Если же «читающий» прибор слишком надвигается на черную линию, количество света, отраженного от бумаги, уменьшится, ток, текущий через фотоэлемент, ослабеет. Это послужит приказом для регуляторов – пододвинуть луч света так, чтобы он вновь сошел с черной линии на половину своего сечения (рис. 114).

Рис. 114. Круглое пятнышко светового луча на читающем фрезерном станке падает на самый край линии чертежа.

Светлое пятнышко автоматически движется по краю черной линии, как по тропинке. Куда отклоняется линия-тропинка, туда же отходит и луч света. А резец, связанный с «читающим» прибором, следует за ним, как слепой за поводырем.

Такие станки могут «выкраивать» из листовой стали пластины сложнейшей формы, фрезеровать фигурные пазы, выполнять токарные работы.

Станки, снабженные электронной автоматикой, образно называют «станками с высшим образованием». В них вложены последние достижения советской науки и техники – фотоэлементы, электронные лампы, электроискровой инструмент – ряд сложнейших и точных приборов.

Советские «станки с высшим образованием» возвещают могучее развитие техники в коммунистическом обществе, когда заводы будут оборудованы «видящими», «читающими», «слушающими» станками; машинами, способными производить математические вычисления; станками, которыми можно управлять на расстоянии с центрального поста. Множество подобных станков уже работает на советских предприятиях.

Электроника помогает математике

Чем больше развивается наука и техника, тем сложнее становятся математические вычисления, связанные с научными исследованиями и техническими расчетами. Правда, многие вычисления давно уже упрощены такими приборами, как логарифмическая линейка, арифмометр и т. п. Но все они позволяют решать только простые задачи: делить, множить, возводить в степень и т. д. А проектирование современных машин и разных ответственных сооружений требует применения высшей математики, которая в свою очередь все более усложняется. Приходится решать дифференциальные уравнения и производить множество разных трудоемких и сложных расчетов. Счетно-решающие машины работают недостаточно проворно. Чтобы автоматизировать такие вычисления, механических счетных машин недостаточно. Здесь могут помочь сложные быстродействующие электрические и радиотехнические схемы. Снова на смену выступает электроника – электроны получают новые поручения, очень сложные и ответственные.

В 1947 году инженеры Н. В. Корольков, В. П. Лебедев, Б. А. Волынский, под руководством профессора Л. И. Гутенмахера, построили прибор для решения сложных математических задач, возникающих при конструировании машин и при исследовании технологических процессов. Новый прибор получил название электроинтегратора. Его создатели удостоены в 1948 году Сталинской премии.

Развивающаяся наука все более усложняет труд ученых. Но она же дает способы для облегчения умственного труда.

Тайна булатной стали

Хороши были старинные клинки! В прошлые века их ценили на вес золота. Любого скакуна мог отдать казак за настоящую булатную саблю. Булатным клинком можно было рубить железо, и лезвие клинка не зазубривалось. Да что железо! Легкий шелковый платок, подброшенный в воздух, толедская и дамасская сабля рассекала надвое. То была чудо-сталь, но никто в мире не знал, как ее варили и закаливали. Производство клинков из знаменитой стали прекратилось много сотен лет назад. Оружейники, ревниво оберегавшие секрет изготовления булата, унесли его с собой в могилу.

Ученые разных стран пытались раскрыть секрет изготовления дамасской стали или индийского харасана. Они перечитывали старинные рукописи, собирали рассказы людей, которые хоть что-нибудь слыхали о закалке стали от своих дедов и прадедов.

Много фантастических рассказов было записано об утраченном секрете. Говорили, что якобы всадник на всем скаку выхватывал раскаленный клинок из кузнечного горна и мчался во весь опор, бешено вращая шашкой над головой. Остывая в воздушных струях, клинок приобретал замечательную твердость и прочность. Рассказывали также, что толедские оружейники раскаленным клинком протыкали жирного барана, и сталь закаливалась, остывая в сале…

Но все это оказалось легендами. Секрет оставался нераскрытым:

 
Отделкой золотой блистает мой кинжал;
Клинок надежный, без порока;
Булат его хранит таинственный закал —
Наследье бранного востока…
 

писал М. Ю. Лермонтов об этих кинжалах.

Лишь в прошлом столетии знаменитый уральский металлург Π. П. Аносов научился варить все сорта булата. Он раскрыл секрет изготовления и дамасской стали, и индийского харасана. Аносов разработал и обосновал научные методы закалки. Он доказал, что сталь нельзя закаливать целиком, – от такой закалки она становится не только твердой, но и хрупкой – «сухой». «Насухо» закаленный клинок от резкого удара может разлететься на куски так, как будто он не стальной, а стеклянный.

Стальное изделие следует закаливать только с поверхности, одевая его панцырной «корочкой». Сталь внутри изделия должна оставаться мягкой. Именно такая закалка придает стали прочность.

Секрет закаливания стали, открытый русским ученым, оказался очень важным не только для изготовления холодного оружия; современные станки и машины строятся по высоким классам точности. Коленчатые валы моторов, шестерни, оси, разнообразные детали станков, инструменты требуют умелой, поверхностной закалки.

Однако закалить изделие только по поверхности – дело нелегкое. Ведь в горне изделие нагревается все целиком, а не только снаружи. Способы закалки поверхностного слоя изделий разрабатывались, но они были сложны и не всегда давали надежные результаты.

Эта трудная задача была наконец решена с помощью электроники.

Волшебство высоких частот

Лет сорок назад в цирках показывали забавный фокус. На арену выходил «факир» и ставил на простой деревянный стол обыкновенную сковородку. Кто-нибудь из зрителей осматривал сковородку и убеждался, что она совершенно холодная, а стол действительно деревянный.

Фокусник бросал на сковородку кусочек масла, оно начинало шипеть, – фокусник жарил на «холодной» сковородке яичницу и на глазах изумленной публики съедал ее.

Зрители придирчиво проверяли все манипуляции фокусника и видели, что сковорода, поставленная на деревянный стол, от какой-то неведомой причины раскалялась до того, что на ней жарилась яичница.

Объясняется фокус просто. Под крышкой стола был скрыт электромагнит. В обмотку этого электромагнита пропустили сильный переменный ток. В свои права вступила электромагнитная индукция. Под влиянием переменного тока, протекавшего по обмоткам электромагнита, в металле, из которого сделана сковорода, возникли индуктивные токи. Они-то и разогрели ее.

Индуктивный нагрев металла был достаточно хорошо известен электротехникам. Он считался вредным явлением, так как возникавшие индуктивные токи вызывали перегревание электрических машин и бесполезную трату энергии.

До 1920 года никому из техников не приходило в голову, что индуктивный нагрев металла можно использовать для производственных целей. Эта идея впервые родилась в Нижегородской радиолаборатории. М. А. Бонч-Бруевичу, изготовлявшему генераторные лампы, понадобилось прогреть анод одной из ламп. Но как нагреть анод, если он заключен внутри стеклянного баллона? Извлечь анод из баллона нельзя – погибнет лампа, да и нагревать анод надо было именно в безвоздушном пространстве. Задача казалась совершенно неразрешимой. Проникнуть в лампу нельзя, а не проникнув, – не нагреешь анода.

Бонч-Бруевич нашел выход из положения. Он изготовил проволочную катушку и надел ее на баллон в том месте, где находится анод. Затем он пропустил по катушке переменный ток высокой частоты. Стекло – плохой проводник тока – осталось совершенно холодным, а анод, под влиянием возникших в нем индуктивных токов, раскалился докрасна, – цель была достигнута.

В. П. Вологдин заимствовал этот опыт и начал применять индуктивные токи для нагрева анодов ртутных выпрямителей, которыми он тогда занимался. Но так как в лаборатории шла напряженная работа по созданию первых советских радиостанций, то В. П. Вологдин на время отложил исследования по высокочастотному нагреву.

Несколько лет спустя, когда В. П. Вологдин вернулся к прерванным исследованиям, он установил, что токи высокой частоты, если их включать на короткое время, прогревают металл, не проникая в глубь его; раскаляется только поверхностный слой, сердцевина же остается холодной.

Далее было найдено, что глубина прогреваемого поверхностного слоя зависит от частоты колебаний тока. Городской осветительный ток, имеющий частоту 50 периодов в секунду, прогревает металл на глубину в несколько сантиметров. Если же включить на короткий срок переменный ток частотой 50 тысяч периодов в секунду, то он нагреет изделие на глубину всего лишь в один миллиметр. Чем выше частота, тем меньше глубина прогреваемого слоя.

И это было именно то, о чем мечтали русские инженеры со времен Π. П. Аносова. Именно такой поверхностный нагрев требовался для безупречно правильной закалки стальных изделий.

С помощью токов высокой частоты удалось разрешить задачу, над которой ученые и инженеры тщетно бились несколько десятилетий.

Лучше толедских мастеров

Первые опыты по высокочастотной закалке были поставлены В. П. Вологдиным в 1925 году на Кировском заводе в Ленинграде. Здесь применили токи высокой частоты для закалки фрез. Затем техническую новинку ввел у себя один из самых передовых заводов нашей страны – автомобильный завод имени Сталина, для быстрой и надежной закалки шеек коленчатых валов автомобильных двигателей.

Был построен закалочный станок. На шейку вала надели петлю из тонкой медной трубки. По этой петле пропустили ток высокой частоты. Прошло 2–3 минуты – поверхность шейки вала нагрелась. Со стороны торна вала было видно, что наружные слои металла раскалились до соломенно-желтого цвета, а сердцевина шейки вала осталась темной и холодной.

Ток выключили, шейку вала быстро охладили. Закалка, длившаяся всего лишь несколько минут, закончилась. Поверхность шейки осталась чистой и гладкой, как и до закалки. Никакой окалины не образовалось.

Отечественная промышленность получила новый, исключительно быстрый, дешевый и надежный способ закалки стальных изделий. Регулируя частоту и мощность тока, можно прогревать изделия на любую глубину и создавать закаленный «панцырный» слой толщиной в 1 миллиметр, а если нужно – и в несколько сантиметров (рис. 115).

Рис. 115. Схема закалки токами высокой частоты.

Резко изменился даже – внешний вид закалочного цеха. На смену старым «калилкам» с их дымом, жарой и чадом пришли сверкающие чистотой высокочастотные установки – ТВЧ. Не черный фартук кузнеца, а синий комбинезон электрика носит теперь мастер закалки.

Многие металлообрабатывающие предприятия Советского Союза ввели высокочастотную закалку. На заводах теперь имеются либо машинные генераторы высокой частоты, либо ламповые генераторы.

Электрон оказался неплохим «толедским кузнецом».

С неменьшим успехом токи высокой частоты служат и для плавки металлов.

Некоторые сплавы можно готовить только с помощью токов высокой частоты. При обычной тигельной плавке на огне расплавленный металл впитывает в себя газы и загрязняется, качество сплава значительно ухудшается. Токи высокой частоты позволяют плавить металл в вакууме, без доступа воздуха и, таким образом, дают идеально чистые сплавы. При этом плавка 100 килограммов металла длится не более 15 минут.

За разработку и внедрение в производство нового метода закалки поверхностей стальных изделий член-корреспондент Академии наук СССР В. П. Вологдин удостоен Сталинской премии, и в апреле 1948 года В. П. Вологдину, первому из ученых, была присуждена золотая медаль имени А. С. Попова.

За создание нового типа кузнечного цеха В. П. Вологдин был вторично удостоен Сталинской премии – настолько ценны оказались его работы по электронике.

Искусственная электрическая лихорадка

Для разогрева неметаллических изделий применяется не индукционная катушка, а конденсатор. Такие конденсаторы промышленных установок напоминают своим видом большие книжные полки.

К пластинам конденсатора подводится напряжение высокой частоты, и между ними возникает быстропеременное электрическое поле, которое воздействует на материал, помещенный в пространстве между пластинами.

Воздействие высококачественного электрического поля на неметаллические изделия своеобразно. В них так же как в металлах получается выделение тепла за счет энергии высокочастотного поля, но нагрев распространяется не по поверхности изделия, а по всей его толще. Колебания электрического поля между пластинами конденсатора высокочастотной установки, проникая в глубь материала, устраивают его частицам, особенно частицам воды, содержащимся в изделии, весьма основательную встряску.

Объятые такой «электрической лихорадкой», частицы воды быстро превращаются в пар и улетучиваются. Высокочастотные установки прекрасно сушат фарфор, фаянс, древесину.

Сырую древесину пускать в дело нельзя. Изделия из непросушенного материала неминуемо рассохнутся, растрескаются и покоробятся. Для изготовления мебели, фанеры, оконных рам, деревянных частей самолетов или музыкальных инструментов древесину приходится подолгу сушить. Чтобы высушить дубовый брусок квадратного сечения размером 10х10 сантиметров, его приходится выдерживать в сушилке 100 дней.

Обычная сушка березы в печах занимает примерно 350 часов. Расход топлива при этом весьма велик: чтобы высушить одно полено, другое полено надо сжечь. Качество сушки невысоко: от нагревания дерево коробится и растрескивается. Из двух досок – одна идет в брак. При обычной сушке под влиянием теплоты влага прежде всего испаряется из наружных слоев. Внутри древесина остается сырой, сохраняет свой объем. Наружные слои, подсыхая, съеживаются и, встречая сопротивление внутренних слоев, трескаются. Поэтому сушку ведут нарочито медленно, так, чтобы внутренние и наружные слои, по возможности, подсыхали бы одновременно. И на это уходят годы!

В сушильных цехах деревообрабатывающих заводов электроника произвела такой же переворот, как и в закалке стали.

Совершенно сырые доски, только что вышедшие из лесопильной рамы, укладывают на полки высокочастотной «этажерки». Включают ток. Минута, и доски окутываются паром. Еще несколько минут, и доски перестают парить: «электрическая лихорадка» полностью выгнала из них всю влагу.

Толстые дубовые брусья высыхают в течение нескольких часов, березовые – за 30 минут. Под действием токов высокой частоты древесина становится даже более прочной, чем после обычной сушки горячим воздухом.

Такая же техническая революция произошла и в сушильных цехах керамических заводов. Фарфоровые изоляторы для высоковольтных линий электропередач прежде выдерживались в сушилках неделями, так как размеры изоляторов велики, больше человеческого роста, и сушка велась осторожно, медленно, чтобы не получалось брака.

Высокочастотные установки ускорили сушку изоляторов в сотни раз.

Токи высокой частоты помогли спасти много ценнейших книг Государственной Публичной библиотеки им. Салтыкова-Щедрина. Во время блокады Ленинграда книги в нетопленых хранилищах отсырели. Разрушительная плесень поползла по переплетам и страницам. Высушить книги обычным способом было невозможно. Бумага сохнет плохо и, высыхая, коробится. Токи высокой частоты высушили книги без всякого вреда для бумаги, уничтожили плесень, а заодно и всех жучков-точильщиков, которые успели завестись в книгах.

Токами высокой частоты вытапливают жир из тресковой печени, сшивают без ниток ткани из различных сортов пластиката или искусственного волокна, нагревают пластмассы, вулканизируют автомобильные шины.

Применение токов высокой частоты в народном хозяйстве Советского Союза составляет важную часть той материально-технической базы коммунизма, которую создает советский народ в годы сталинских послевоенных пятилеток.

Глава тринадцатая. Впереди еще много открытий

Успехи электронной теории

Открытие электрона и обобщение сведений, накопленных о нем наукой, заставили ученых рассматривать во взаимной связи и отдельные электрические заряды, и электромагнитные поля, окружающие заряды.

Постепенно возводилось здание, электронной теории, установившей, что заряд и электромагнитное поле органически связаны друг с другом, зависят друг от друга, обусловливают друг друга.

Заряд всегда создает вокруг себя электрическое поле. Когда заряд движется, он создает, кроме того, и магнитное поле.

Внешнее электрическое или магнитное поле направляет движение электрона и изменяет его скорость. Оно может увеличивать и уменьшать энергию электрона.

При торможении электроны излучают электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн и, наоборот, электромагнитные волны могут отдавать свою энергию электрону.

В итоге почти 50-летних исканий мы узнали, что электроны образуют ободочку атома, располагаясь в ней на определенных уровнях.

Заряд электрона равен 1,6∙10^-19 кулона.

Масса электрона составляет 9,1∙10^-28 грамма.

Электрон в 1836,6 раза легче протона – ядра водородного атома.

Электрон в невозбужденном водородном атоме находится от ядра на расстоянии в 0,529∙10^-8 сантиметра.

Электронная теория объяснила и связала воедино разнообразнейшие проявления электрической энергии, осветила путь практической электронике.

Хотя увидеть электрон еще невозможно, но уже удается видеть след его в насыщенном водяном царе, – цепочку маленьких водяных капелек, прекрасно различимых при ярком освещении.

На рисунке 116 представлены сфотографированные следы того, как быстрая частица А в магнитном поле, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, движущийся со значительно меньшей скоростью и потому искрививший свой путь под действием магнитной силы, а сама пролетела дальше. Скорость А была столь велика, что магнитное поле могло лишь едва-едва искривить ее траекторию.

Рис. 116. Видеть электрон пока еще не удается, но можно видеть след, который он оставляет, пролетая в поле зрения прибора. На снимке: быстрая частица А, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, который летел медленно и потому описал в магнитном поле кривую линию.

Электроника стала одной из тех «волшебных палочек», с помощью которых человек творит чудеса, оставляющие далеко позади вымысел сказок.

Богатая фантазия русского народа, проникнутая глубокой верой во всемогущество творческого гения человека, позволяла героям наших сказок летать на ковре-самолете, разгуливать в семимильных сапогах, слушать, как растет трава и перешептываются звезды…

В наши дни, благодаря замечательным успехам науки и победам человека над природой, сказки становятся былью. У нас есть теперь и ковер-самолет, и семимильные сапоги – железные дороги, и послушный ветерок – радиосвязь, и волшебное зеркальце – телевизоры, и чудо-огонек – люминесцентная лампа.