Принцип работы и устройство магнетрона. Магнетронный двигатель
Двигатель будущего | Журнал Популярная Механика
Реактивные двигатели имеют свои ограничения. С их помощью можно добраться лишь до ближайших планет Солнечной системы — Марса, Венеры, и то крайне медленно, но о достижении других систем даже в пределах нашей Галактики речи не идет. Тому причиной и бешеное количество топлива, необходимое для маневрирования, и износ, и сложность управления. Впрочем, есть другой путь. Очень спорный. Очень подозрительный. Но… вдруг?
Тим Скоренко
20 июня 2016 20:00
Новость, всколыхнувшая научную общественность, прозвучала в конце июля 2014 года. Как утверждали многочисленные таблоиды, NASA одобрило и по итогам испытаний признало работающим двигатель, который совсем не использовал топлива и создавал тягу за счет генерируемых магнетроном микроволн.
Тут же посыпались опровержения и пояснения. Споры о странном силовом агрегате не утихают до сих пор и, видимо, не утихнут до создания полностью рабочей модели или до появления доказательств того, что устройство является мошенничеством. Так или иначе, налицо два факта: нет, специалисты NASA не объявили «волновой» двигатель работающим и не подтвердили, что с его помощью человечество полетит в дальний космос; да, специалисты NASA протестировали устройство и назначили даты новых испытаний. Значит, есть о чем поговорить.
Двигатель на микроволнах
Двигатель EmDrive британский инженер Роджер Шоуэр задумал еще в начале 2000-х годов и создал под его разработку небольшую компанию. Первое явление странного аппарата миру произошло шестью годами позже.
EmDrive представляет собой конусообразный резонатор, на более узком конце которого установлен мощный магнетрон — электронная лампа, генерирующая микроволны. Когда магнетрон работает, микроволны, отражаясь от тщательно рассчитанной формы резонатора, усиливаются от одного конца устройства к другому. По утверждению создателя, благодаря этому возникает едва заметный дисбаланс давлений, который и создает тягу — пусть крошечную, но зато не требующую огромного количества топлива и совершенно безотходную. Иначе концепт называется «резонансным двигателем» (а не «релятивистским», конечно, как не слишком метко обозвала его пресса).
Электромагнитный двигатель Шоуэра По утверждению Шоуэра, магнитные волны, попавшие в резонатор, создают внешнюю тягу. Ни доказать, ни опровергнуть это экспериментально пока не получается.
А вот дальше начинается фантастика. Шоуэр утверждает, что благодаря непосредственному преобразованию электричества в тягу не происходит потери момента импульса, каковая неизбежно имела бы место при наличии промежуточных звеньев. И при этом двигатель будто бы не нарушает законов Ньютона. Звучит странно. Вообще-то любые электромагнитные волны имеют момент, и построить на этом принципе ракету можно, только вот сделано это задолго до Шоуэра, и эффективность такой системы практически равна нулю.
Волны Шоуэра заперты внутри резонатора — как он может передавать энергию внешнему устройству? Представьте себе радиоуправляемый вертолетик, к которому прикреплена коробка. Он взлетит и поднимет коробку. А теперь закрепите его внутри коробки, запустите и закройте крышку. Никакого полета не будет. Или другой вариант: представьте, что вы толкаете автомобиль, сидя внутри. Примерно так выглядит идея Шоуэра. Но британский департамент торговли и промышленности выделил инженеру грант, а NASA провела испытания как EmDrive Шоуэра, так и аналогичной системы, разработанной американским инженером Гвидо Феттой. Происходит что-то странное, но что?
Русская «Гравицапа»
Попытки построить движитель без расходования рабочего тела, то есть, по сути, без топлива, предпринимались и раньше. Известной псевдонаучной историей было создание и испытание четыре года назад устройства, прозванного в научных кругах «гравицапой», а полуофициально называвшегося гравитационным двигателем. Инициатором его создания стал физик Спартак Поляков, а разработчиком — заместитель генерального директора ГКЦ имени М.В. Хруничева Валерий Меньшиков.В прессе в связи с появлением «гравицапы» поднялся значительный шум, а Меньшиков получил средства не только на разработку бестопливного движителя (о принципе работы которого не распространялся вообще), но и на испытательный запуск его в космос. Испытания состоялись на борту спутника «Юбилейный» в 2010 году — планировалось включить «гравицапу» суммарно на 207 секунд и отклонить спутник на 1 км. Но результат, как и следовало ожидать, оказался отрицательным. Комиссия РАН по борьбе с лженаукой по итогам испытаний добилась остановки финансирования псевдонаучного проекта, и о «гравицапе» с тех пор ничего не слышно.
Подозрительные испытания
Первая «ласточка», обозначившая научный интерес к EmDrive, пролетела в 2012 году, когда китайская команда, заинтересовавшаяся разработкой Шоуэра, построила собственный двигатель по такому же принципу и объявила, что в ходе испытаний получена тяга порядка 72 г. Этого, к слову, достаточно, чтобы приводить в движение небольшой испытательный спутник.
Первый полноразмерный экземпляр EmDrive был изготовлен в мае 2010 года. Выглядит он как деталь парохода из романа в стиле стимпанк — эта ассоциация возникает из-за использования меди в качестве основного материала.
Параллельно аналогичное устройство представил американский разработчик Гвидо Фетта. Но после тестирования обеих систем специалисты NASA во главе с Гарольдом Уайтом выпустили официальный документ — тот самый, что поверг мировую общественность в шок. Озаглавлен он так: «Аномальное создание тяги с помощью опытного резонансного устройства». Да, в заголовке действительно есть слово «аномальный». Испытания показали следующие результаты: для CannaeDrive при частоте микроволн примерно 935 МГц была получена тяга около 30−50 мН (3−5 г), а для EmDrive при частоте 1933 МГц и напряжении 17 В тяга составила 91 мН. Испытания заняли восемь дней, шесть из них ушли на настройку и проверку оборудования, а два — непосредственно на замеры. Прибором для измерения послужил крутильный маятник, точнейшее из возможных устройств для подобных исследований, а проводили замеры в вакуумной камере, в которой обычно рассчитывают тягу ионных двигателей. Теоретическая мощность космического двигателя, основанного на этой технологии, может составлять до 0,4 Н на 1 кВт. Это позволяет в будущем построить корабль для полета на Марс — при наличии 2-мегаваттного реактора двигатель может создавать тягу в 800 Н, приводя в движение 90-тонный космический корабль, причем вся миссия с учетом 70-дневного пребывания на Красной планете займет всего восемь месяцев. Будущее уже здесь? Видимо, пока нет.
www.popmech.ru
Двигатель EmDrive - научный прорыв или просто ведро с магнетроном? | Блог
Обычная ракета приводится в движение за счет реактивной тяги, возникающей вследствие потери аппаратом части своей массы. Однако двигатель EmDrive создает тягу, но не производит выбросов каких-либо частиц. Это означает, что он нарушает закон сохранения импульса.
Пустое ведро
Двигатель EmDrive представляет собой устройство из магнетрона (генерирующего микроволны) и резонатора (накапливающего энергию их колебаний). Внешне агрегат напоминает положенное на бок ведро. Такая конструкция позволяет, по словам создателей, преобразовывать излучение в тягу. Развиваемая EmDrive тяга имеет порядок долей микроньютона или миллиньютона. Из резонатора двигателя при его работе не зафиксированы выбросы фотонов или других частиц — то, что объяснило бы возможное появление тяги и выполнение закона сохранения импульса.
Прототип силовой установки впервые продемонстрировал в 2002 году инженер Роджер Шойер. С тех пор EmDrive привлек внимание многих ученых, инженеров и энтузиастов. Большинство экспериментов обнаружило небольшую тягу и не смогло подтвердить или опровергнуть работоспособность агрегата. Это связано с предельной точностью измерений тяги и недостаточным учетом флуктуаций (в том числе тепловых).
Массивный фотон
Cвою версию объяснения работы двигателя EmDrive предложил физик Майкл Маккалош из Плимутского университета (Великобритания). Ученый предположил существование модифицированной массы фотона, обусловленной эффектом Унру — появлении теплового излучения в ускоренно движущейся системе отсчета при его отсутствии в инерциальной (то есть движущейся равномерно и прямолинейно, в частности, покоящейся). Это явление носит квантовый характер, связано с перестройкой физического вакуума и является, по-видимому, единственным приемлемым объяснением механизма излучения черных дыр, впервые описанного Хокингом.
У основания резонатора излучение Унру имеет меньшую длину волны, а у вершины — большую. Эта разница обусловлена различием эффективных масс фотонов. К движению полости EmDrive в направлении ее вершины, по мнению Маккалоша, приводит именно закон сохранения импульса. Физик привел расчеты тяги, которую способен развивать EmDrive согласно представленной им теории. Предсказываемые ею значения тяги составляют 3.8, 149, 7.3, 0.23, 0.57, 0.11, 0.64 и 0.02 миллиньютона. По порядку это совпадает со значениями, измеренным ранее другими специалистами в ходе экспериментов с EmDrive (16, 147, 9, 0.09, 0.05, 0.06, 0.03, и 0.02 миллиньютона).
Кроме того, что работа Маккалоша позволяет получить порядки значений тяги EmDrive, она предполагает два опыта, позволяющие проверить справедливость теории ученого. Во-первых, в случае, если длина оси полости равна диаметру малого основания (вершины), то развиваемая EmDrive тяга будет иметь противоположное направление. Во-вторых, введение диэлектрика в полость повышает тягу.
Демонстрационный образец EmDrive развивает тягу 96 миллиньютонов при входной мощности 334 ватт
Гипотеза Маккалоша использует собственную теорию о ненулевой инертной (то есть обусловленной не тяготением, а движением) массе фотона. Кроме того, в работе ученого предполагается, что скорость света внутри полости меняется (по крайней мере, эффективно). Эти предположения противоречат современной физике и, вероятно, с трудом найдут понимание ученых.
Фотоны без волн
Другое объяснение работы EmDrive предложили финские физики. Возникновение тяги в двигателе они объяснили деструктивной интерференцией микроволн (то есть их гашением — наложением колебаний с противоположными фазами). Это приводит к выделению из множества всех частиц в резонаторе EmDrive пар фотонов, находящихся в противофазе друг с другом. Они, по мнению ученых, и уносят импульс в сторону, обратную к наблюдаемому в экспериментах движению агрегата.
Взаимодействие таких фотонов приводит к появлению электромагнитной волны с нулевой поляризацией, которая тем не менее переносит импульс. Природу явления удобно пояснить на примере деструктивной интерференции волн на поверхности воды. В этом случае минимум одной волны накладывается на максимум другой, и, несмотря на наличие волн, на поверхности воды их не заметно. В случае, рассматриваемом финнами, возникает ситуация, когда в полости как будто нет электромагнитных волн (они гасят друг друга), но есть движение фотонов (а значит, и перенос импульса).
Проверить наличие волн в EmDrive, по мнению физиков, можно, однако это потребует слишком тонких экспериментов все с той же интерференцией. По мнению ученых, тягу производят волны, длина которых не кратна расстоянию между стенками полости. Направление тяги определяется асимметричной геометрией полости EmDrive. Если бы она была симметричной (например, строго цилиндрической, а не конусообразной), тяги бы не возникло. Ученые отмечают, что любая асимметричная полость EmDrive способна воспроизвести тягу. В этом смысле работа финских физиков подтверждает выводы Маккалоша о важности геометрии резонатора для создания тяги двигателя.
Ее величина не может превышать значения, определяемого разностью объемной плотности энергий микроволн внутри полости и вакуума вне ее. КПД двигателя зависит нелинейным образом от мощности микроволнового источника, а также формы и материала полости EmDrive. Ученые осторожно отмечают, что их объяснение работы EmDrive наверняка не является окончательным и следует из переосмысления представлений о физическом вакууме (все том же эффекте Унру), правда, не столь радикального, как у Маккалоша.
Пришло время положить конец спорам
С одной стороны, этот двигатель вроде бы нарушает закон сохранения импульса, на что указывают многие физики. С другой стороны, британский изобретатель Роджер Шойер (Roger Shawyer) свято верит в работоспособность своего EmDrive — и у него много сторонников.
Несмотря на ничтожно малую тягу, двигатель EmDrive позволил бы небольшому космическому кораблю достигнуть края Солнечной системы не за несколько десятилетий, а за несколько месяцев. В случае работоспособности агрегата он бы позволил за короткое время и небольшие деньги детально исследовать все планеты и их спутники.
Экспериментальные проверки EmDrive не позволяют сделать однозначных выводов о работоспособности двигателя. Окончательную точку в спорах намерен поставить Гвидо Петта (Guido Fetta) — единомышленник Шойера и конструктор ещё одного гипотетического двигателя Cannae Drive, который работает на том же принципе: генерация микроволн и создание тяги в замкнутом контуре без выхлопа.
17 августа 2016 года Гвидо Петта объявил, что намерен запустить экспериментальный образец Cannae Drive на орбиту — и проверить его в действии. Гвидо Петта является исполнительным директором компании Cannae Inc. Сейчас компания Cannae Inc. лицензировала технологию электромагнитного двигателя фирме Theseus Space Inc., которая выведет на низкую околоземную орбиту спутник CubeSat.
Дата запуска пока не объявлена. Возможно, энтузиастам удастся собрать деньги и построить экспериментальный аппарат в 2017 году. Единственная задача этого спутника — испытания двигателя Cannae Drive в течение шести месяцев. Спутник попробует передвинуться с помощью электромагнитной тяги Cannae Drive. Разработчики Cannae Drive заявляют, что их двигатель способен генерировать тягу до нескольких ньютонов и «более высоких уровней», что лучше всего подходит для использования в маленьких спутниках. Двигателю не требуется топлива, у него нет выхлопа. Объём двигателя на спутнике CubeSat — не более 1,5 юнитов, то есть 10×10×15 см. Источник питания — менее 10 Вт. Сам спутник будет состоять из шести юнитов.
Спутник компании Cannae из шести юнитов CubeSat. Рендер: Cannae Inc.
Сразу после успешной демонстрации на орбите компания Theseus Space намерена предложить новый двигатель сторонним производителям для использования на других спутниках. По расчётам Cannae, более массивная версия электромагнитного двигателя весом 3500 кг способна доставить груз массой 2000 кг на расстояние 0,1 светового года за 15 лет. Общая масса такого аппарата вместе с системами охлаждения и другими деталями составит 10 тонн.
Если работоспособность двигателя подтвердится в результате надёжного повторяемого научного эксперимента, то учёным придётся найти объяснение этому феномену. Сам Роджер Шойер предполагает, что принцип работы двигателя основан на специальной теории относительности. Двигатель преобразовывает электричество в микроволновое излучение, которое испускается внутри закрытой конической полости, что приводит к тому, что микроволновые частицы прилагают к большей, плоской части поверхности полости, большее усилие, чем в более узком конце конуса, и тем самым создают тягу. Шойер уверен, что такая система не противоречит закону сохранения импульса.
Исследователи НАСА, которые испытывают EmDrive, предполагают, что тяга создаётся благодаря «квантовому вакууму виртуальной плазмы» частиц, которые появляются и исчезают в замкнутом контуре пространства-времени. То есть система на самом деле не изолированная, поэтому она не нарушает закон сохранения импульса благодаря эффектам квантовой физики.
EmDrive
Разработка EmDrive в целом игнорируется научным сообществом, хотя некоторые эксперименты всё-таки проводятся. Энтузиасты уверены: если EmDrive работает, то в перспективе станет возможным создание не только эффективных космических двигателей, но и летающих автомобилей, а также кораблей, самолётов — любого транспорта на электромагнитной тяге. Компания Cannae — не единственная, кто хочет проверить работу электромагнитного двигателя в космосе. Немецкий инженер Пол Коцыла (Paul Kocyla) сконструировал маленький карманный EmDrive, а сейчас собирает деньги в рамках краудфандинговой кампании. Чтобы запустить прототип в космос на мини-спутнике PocketQube, требуется 24 200 евро. За три месяца удалось собрать 585 евро.
Прототип EmDrive немецкого инженера Пола Коцылы
Недавно научные работы Шойера были опубликованы в открытом доступе. «По всему миру люди измеряли тягу. Одни строили двигатели у себя в гаражах, другие — в крупных организациях. Все они выдают тягу, тут нет великой тайны. Кто-то думает, что здесь некая чёрная магия, но это не так. Любой нормальный физик должен понять, как оно работает. Если кто не понимает, ему пора менять работу», — категорично заявил британский инженер.
Источники: lenta.ru geektimes.ru
ineednews.ru
Магнетроны. Устройство. Работа. Виды. Применение. Как выбрать
Магнетроны называются электронные приборы, в которых образуются колебания сверхвысокой частоты при помощи модуляции потока электронов. Магнитные и электрические поля в нем действуют с большой силой.
Наиболее распространенная модификация магнетрона – это многорезонаторный магнетрон, в котором на электроны воздействуют три вида поля:
- Магнитное.
- Электрическое.
- Высокочастотное.
Впервые магнетрон был создан в Америке в 1921 году. С течением времени эксперименты с ним продолжались. В результате появилось множество видов магнетронов, использующихся в радиоэлектронике. В 1960 году приборы стали использоваться в печах сверхвысокой частоты для домашнего применения. Менее распространены клистроны, платинотроны, которые основаны на этом же принципе действия.
Устройство и принцип работы
1 — Анод2 — Катод3 — Накал4 — Резонансная полость5 — Антенна
Магнетроны резонансного типа состоят из:
• Анодный блок. Представляет собой толстостенный металлический цилиндр с полостями в стенках. Эти полости являются объемными резонаторами, которые создают колебательную кольцевую систему.• Катод. Он имеет цилиндрическую форму. Внутри него размещен подогреватель.• Внешние электромагниты или постоянные магниты. Они создают магнитное поле, которое параллельно оси прибора.• Проволочная петля. Она применяется для вывода сверхвысоких частот, и закреплена в резонаторе.
Резонаторы создают кольцевую систему колебаний. Возле них пучки электронов воздействуют на электромагнитные волны. Так как эта система выполнена замкнутой, то она способна возбудиться только на определенных частотах колебаний. При нахождении рядом с рабочей частотой других частот, случается перескакивание частоты и нарушается стабильность работы устройства.
Чтобы исключить такие отрицательные эффекты магнетроны с одинаковыми резонаторами оснащаются разными связками, либо используются магнетроны с отличающимися размерами резонаторов.
Модели магнетронов разделяют по виду резонаторов:
- Лопаточные.
- Щель-отверстие.
- Щелевые.
В магнетронах применяется движение электронов в перпендикулярных магнитных и электрических полях, созданных в зазоре кольца между анодом и катодом. Между ними подается напряжение (анодное), которое образует радиальное электрическое поле. Под воздействием этого поля электроны вырываются из нагретого катода и устремляются к аноду.
Анодный блок находится между полюсов магнита, образующего магнитное поле, которое направлено вдоль оси магнетрона. Магнитное поле действует на электрон и отклоняет его на спиральную траекторию. В промежутке между анодом и катодом создается вращательное облако, похожее на колесо со спицами. Электроны возбуждают в объемных резонаторах колебания высокой частоты.
Отдельно каждый резонатор является колебательной системой. Магнитное поле концентрируется внутри полости, а электрическое поле сосредоточено у щелей. Энергия выводится из магнетрона с помощью индуктивной петли. Она размещена в соседних резонаторах. Электроэнергия подключается к нагрузке коаксиальным кабелем.
Нагревание токами высокой частоты производится в волноводах различного сечения, либо в объемных резонаторах. Также нагревание может производиться электромагнитными волнами.
Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.
Устройство магнетрона довольно простое. Его стоимость невысока. Поэтому такие качества в сочетании с повышенной эффективностью нагревания и разнообразным использованием высокочастотных токов открывают большие возможности использования в разных сферах жизни.
Основные виды магнетронов
• Многорезонаторные устройства. Они содержат анодные блоки с несколькими резонаторами. Блоки состоят из различного вида резонаторов. В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%. Выход излучения высокой частоты осуществляется сбоку в щель резонатора.• Обращенные устройства. Они бывают двух исполнений: коаксиальные и обычные. Такие магнетроны способны выдать импульсы высокой частоты 700 наносекунд с энергией 250 джоулей. Коаксиальный вид магнетрона содержит стабилизирующий резонатор. В нем имеются отверстия во внешней стенке, а также ферритовые стержни с подмагничивающими катушками.
Сфера использования магнетронов
• В устройствах радаров антенна подключена к волноводу. Она, по сути, является щелевым волноводом, или рупорным коническим облучателем вместе с отражателем в виде параболы (тарелка). Управление магнетрона осуществляется с помощью коротких мощных импульсов напряжения. В итоге образуется короткий импульс энергии с малой длиной волны. Малая часть такой энергии поступает снова на антенну и волновод, и далее к чувствительному приемнику. Сигнал обрабатывается и поступает на электронно-лучевую трубку на экран радара.• В бытовых микроволновых печах волновод имеет отверстие, которое не создает препятствие радиочастотным волнам в рабочей камере. Важным условием работы микроволновки является условие, чтобы при работе печи в камере находились какие-либо продукты. При этом микроволны поглощаются продуктами, и не возвращаются на волновод. Стоячие волны в микроволновой печи могут искрить. При долгом искрении магнетрон может выйти из строя. Если в микроволновке мало продуктов для приготовления, то лучше дополнительно поместить в камеру стакан с водой для лучшего поглощения волн.
1 — Магнетрон2 — Высоковольтный конденсатор3 — Высоковольтный диод4 — Защита5 — Высоковольтный трансформатор• В радиолокационных станциях используются коаксиальные магнетроны с быстрым изменением частоты. Это позволяет расширить тактико-технические свойства локаторов.
Выбор и приобретение магнетрона
Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры.
Наиболее малую мощность имеет магнетрон 2М 213. Его мощность составляет 700 ватт при нагрузке и 600 ватт номинальная.
Приборы средней мощности в основном изготавливают на 1000 ватт. Марка такого магнетрона – 2М 214.
Наибольшая мощность магнетрона у модели 2М 246.
Показатель мощности у них равен 1150 ватт. Перед приобретением необходимо сопоставить цену магнетрона со стоимостью всей печи, и не забыть о стоимости работ по ремонту. Возможно, что не будет смысла в ремонте.
Можно ли магнетрон заменить самостоятельно?
Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.
Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.
Работа микроволновки
Пища имеет в составе воду, которая состоит из заряженных частиц. Продукты в микроволновой печи разогреваются посредством воздействия на них волн высокой частоты. Молекулы воды выступают в качестве диполя, так как проводят волны электрического поля.
Похожие темы:
electrosam.ru
Как работает магнетрон | yourmicrowell.ru
Принцип действия магнетрона основан на влиянии электрического и магнитного полей на траекторию движения электронов. По своей сути, магнетрон является электровакуумным диодом. Другими словами «электронной лампой» с двумя электродами. В основе работы электровакуумных приборов лежит явление термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия возникает при разогреве поверхности эмиттера (катода), в следствии чего увеличивается количество электронов, способных совершить работу выхода. Для того, что бы выяснить, как электроны ведут себя в электрическом поле, рассмотрим принцип действия обычного электровакуумного диода.
На рисунке выше изображена схема работы электровакуумного диода. На части «А» рисунка, составлена электрическая цепь состоящая из диода, батареи питания «В», и ключа «К». Ключ «К» разомкнут – следовательно, напряжение на аноде отсутствует «Ua = 0». Если нет напряжения, то ток анода тоже будет равен нулю «Ia = 0». На нить накала подано напряжение «Un» следовательно, катод диода разогрет, и самые активные электроны уже готовы покинуть его. Но своей энергии им для этого не хватает, поэтому они все еще находятся возле катода.
Перейдем ко второй части рисунка. На части «Б» данного рисунка все та же схема, но ключ «К» на ней замкнут. Следовательно — на аноде появилось напряжение «Ua = x», поданное с положительного полюса батареи питания «В» через ключ «К». В результате чего, между электродами диода возникло электрическое поле. Под действием силы этого поля электроны начали покидать катод и устремились к аноду. Таким образом, цепь замкнулась и по цепи начал протекать ток анода определенной величины «Ia = y». Из выше изложенного можно сделать вывод, что электрическое поле заставляет электроны двигаться по прямой вдоль, своих силовых линий.
Магнитное поле ни как не действует на не подвижный электрон. Но если электрон, движущийся по прямой траектории под действием электрического поля, попадает в магнитное поле, то последнее влияет на траекторию движения электрона, отклоняя ее вдоль своих силовых линий. Таким образом, электрон двигавшийся по прямой, под действием магнитного поля начинает двигаться по дуге.
Теперь рассмотрим внутренности магнетрона. Отличительной особенностью конструкции магнетрона – является конструкция анода. Анод магнетрона представляет собой толстостенный медный цилиндр с системой резонаторов внутри. В поперечном сечении, вид конструкции анода напоминает колесо телеги со спицами. Каждая «спица» — является резонатором. В центре анода расположен катод с подогревателем. По краям анодного блока находятся два кольцевых магнита, которые образуют магнитную систему, между полюсами которой и располагается анод. Если бы данная магнитная система отсутствовала, то не было бы и магнитного поля и в этом случае, при подаче напряжения накала и анодного напряжения, электроны двигались бы по прямой, от катода — к аноду т. е. вдоль силовых линий электрического поля.
На рисунке сверху изображена очень упрощенная схема работы магнетрона. На ней голубым цветом выделена приблизительная форма траектории движения одного электрона покинувшего катод и стремящегося к аноду. На рисунке видно, что благодаря наличию магнитного поля, траектория движения электрона изменяется таким образом, что покинувший катод электрон достигает анода, далеко не сразу. Из-за такого влияния магнитного поля на движение электрона, в рабочей области образуется своеобразное «электронное облако», которое вращается вокруг катода – внутри анода. Пролетая мимо резонаторов, электроны отдают им часть своей энергии и наводят в них токи высокой частоты которые в свою очередь, создают сильное СВЧ поле в полостях резонаторов. В одну из таких полостей помещена петля связи (на схеме не показана), посредством которой энергия СВЧ поля выводится наружу.
Это очень краткое описание работы магнетрона. Для тех, кто хотел бы познакомиться с принципом его действия поближе, даю ссылки на более подробные описания.
В.И. Коробейников. «Вечный двигатель в вопросах и ответах. Магнетрон»
Г.С. Сапунов «Магнетроны»
yourmicrowell.ru
Принцип работы и устройство магнетрона
Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.
Конструкция многорезонаторного магнетрона
Его о
сновой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.
В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.
Принцип действия магнетрона
Весь анодный блок устанавливается в сильное магнитное поле, которое создаётся постоянными магнитами. Между катодом и анодом устанавливается высокое электрическое напряжение, при этом положительный полюс прикладывается к аноду. Электроны, которые вылетают из катода под действием электрического поля, двигаются в радиальном направлении к аноду, однако под влиянием магнитного поля меняют траекторию движения.
При определённых величинах магнитного и электрического полей удаётся добиться такого состояния, когда электроны, описывая окружность, в итоге пройдя рядом с анодом, вновь возвращаются на катод, а на анод попадает только незначительная часть вылетевших электронов. Большая часть их возвращается обратно в область катода.
При некоторых условиях динамического равновесия, возвращающиеся в область катода электроны заменяются вылетевшими вновь. Поскольку электроны постоянно перемещаются от катода к аноду, возле последнего рядом со щелями объёмных резонаторов устанавливается постоянно вращающийся заряд кольцеобразной формы. По мере движения по окружности центральной полости анодного блока электроны возбуждают в каждом резонаторе незатухающие высокочастотные колебания.
Выводятся эти колебания посредством витка проводов, расположенного в полости одного из резонаторов, которые затем передаются в коаксиальную линию или волновод.
pue8.ru
Магнетрон - "вечный двигатель"
«ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ» В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ ИЛИ «ВНОВЬ О МАГНЕТРОНЕ»
В.И. Коробейников. Россия [email protected]
Прошел практически год со дня публикации статьи «Как правильно рассчитывать КПД «вечных двигателей». Статья вызвала очень много откликов. В них много удивления и нет достаточного понимания происходящего. Одним из самых главных «козырей» у оппонентов было то, что в типовых и очень популярных бытовых микроволновых печах магнетрон никак не демонстрирует того, что он является «вечным двигателем». Счетчик электроэнергии «видит» работающий магнетрон в микроволновых печах и очень хорошо «видит», показывая это своим быстрым вращением. Все это правильно. Именно так все и происходит. Вот отсюда и начинаются наиболее интересные и довольно непонятные вещи для оппонентов. Почему же магнетрон в бытовых микроволновых печках не демонстрирует того, что он является одним из самых древних РАБОТАЮЩИХ (с 1937 года) представителей «вечных двигателей» в официальной науке?
Для дальнейшего изложения материала необходимо вновь напомнить об основных принципах работы магнетрона.В работе магнетрона используется важный случай движения электронов при наличии двух полей — магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу или диод, содержащий накаливаемый катод и холодный анод и помещаемый во внешнее магнитное поле. Отметим, что анод (анодный блок) магнетрона имеет довольно сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов. Магнитное поле создается либо катушками с током (электромагнит), либо постоянным магнитом, между полюсами которого помещается магнетрон. Если бы магнитного поля не было, то электроны, вылетающие из катода практически без начальной скорости, двигались бы в электрическом поле вдоль прямых линий, перпендикулярных к катоду, и все попадали бы на анод. При наличии магнитного поля траектории электронов искривляются силой Лоренца. Если магнитное поле достаточно велико, то траектории электронов не пересекают плоскости анода. В этом случае ни один электрон не достигает анода. Траектории движения электронов в магнетроне изображены на Рис.1.
Траектория электрона есть циклоида, описываемая точкой, лежащей на окружности круга, равномерно катящегося по катоду. При прохождении циклоидного потока электронов мимо щелей резонаторов анодного блока, в них возбуждаются мощные электромагнитные СВЧ колебания. Высокочастотная энергия из прибора обычно выводится с помощью петли или отверстия связи, помещенных в периферийной части одного из резонаторов анодного блока. Отметим, что магнетрон разрабатывался как мощный генератор электромагнитных колебаний СВЧ диапазона. Вышеизложенное является лишь очень кратким напоминанием полной теории магнетрона, которая включает в себя практически всю электрофизику.
Итак, что же вызвало непонимание и недоверие к тому, что магнетрон является «вечным двигателем»? Наибольшее непонимание исходило от некоторых «профессионалов», эксплуатирующих магнетроны в радиолокационных станциях (РЛС). Это же относится и к большинству массовых пользователей бытовых СВЧ печей. При каких условиях магнетрон становится «вечным двигателем»? В том случае, когда выполняется равенство
U / B2 = q . ?2 / 2m .
Это равенство = очень важно. Оно означает условия, когда электроны, вылетевшие из катода, не могут попасть на анод и, соответственно, замкнуть цепь анодного источника. Процесс идет, а закон Ома не работает (анодная цепь разомкнута). В большинстве приборов магнетроны работают в импульсном режиме. Что это значит? Это означает, что анодное напряжение на магнетроне импульсное, с определенным периодом, меняется от 0 до максимального значения и обратно. В бытовых СВЧ печках импульсное напряжение меняется от 0 до 2000-3000 вольт и обратно до 0. Импульсы идут с частотой 50 Герц. Будет равенство U / B2 = q . ?2 / 2m выполняться? Нет, за исключением одной (двух) точек во время действия импульса.
На Рис.2 показана схема включения магнетрона в бытовой СВЧ печи. На высоковольтном диоде пульсирующее (импульсное) напряжение, которое и подводится к магнетрону. Что при этом происходит? За время действия импульса напряжения происходит формирование электронно-плазменного облака-ротора в магнетроне и перезаряд высоковольтного конденсатора. Цепь анодного источника оказывается замкнутой (переходные процессы) и работает закон Ома. В бытовых импульсных СВЧ печах анодный ток достигает значений 0,3-0,5 Ампера.
Рис. 2. Схема включения магнетрона в бытовой СВЧ печке
Вот эти импульсные (переходные) процессы очень хорошо «видит» счетчик электроэнергии.Что надо сделать, чтобы равенство U / B2 = q . ?2 / 2m постоянно выполнялось? Необходимо перевести работу магнетрона в режим непрерывной генерации. На аноде должно быть не пульсирующее напряжение, а постоянное и такой величины, чтобы равенство U / B2 = q . ?2 / 2m выполнялось всегда. В этом случае цепь анодного источника окажется разомкнутой, (анодный ток отсутствует), и закон Ома перестанет выполняться. Очень интересная ситуация. Анодный источник работает на холостом ходу, а на выходе магнетрона генерируется СВЧ мощность. Поскольку закон Ома не работает, то счетчик электроэнергии перестает «видеть» работающий и выдающий на выход мощность (энергию) магнетрон. К примеру, у типовых магнетронов со штатными кольцевыми постоянными магнитами, применяемых в бытовых СВЧ печах, анодный ток (2-3 микроампера) появляется при постоянном (не пульсирующем) анодном напряжении 60-65 вольт. При таком значении анодного напряжения говорить о значительной величине «лишней» энергии на выходе неуместно. Такой анодный ток (2-3 мкА) должен появляться при анодном напряжениях в сотни и тысячи вольт. В этом случае на выходе будет мощность в сотни и более ватт. Магнитное поле, и очень большое, должно быть от постоянных магнитов. Электрическое поле - от внешнего источника, а он работает на «холостом ходу». Вот он, «вечный двигатель»!
Как все просто, да не простенько! Необходимо предостеречь читателей от дилетантского подхода в понимании происходящих процессов.Электронно-плазменное облако-ротор между анодом и катодом очень трудно рассасывается при отключении анодного источника напряжения. Что произойдет в электронно-плазменном роторе магнетрона при отключении анодного напряжения? Именно то, что и происходит в магнетроне при работе в импульсном режиме. Произойдут довольно большие изменения в электронно-плазменном роторе. Какие? Здесь предлагается самим читателям вспомнить или вновь изучить «Теорию движения заряженных частиц в электромагнитных полях». Еще раз напомним, что равенство (рабочая точка)
U / B2 = q . ?2 / 2m
очень важное на функции-характеристике (Рис.1) магнетрона. Именно эта точка на функции и является для многих непреодолимым барьером в сознании, когда происходит перевод магнетрона из режима подчинения закону Ома в режим не подчинения закону Ома («вечный двигатель»). Усилению непреодолимости этого барьера часто помогает изложение материала и практические занятия по магнетрону в технических университетах. К примеру, в СпбГУ на кафедре «Радиофизики» есть прекрасная лабораторная работа №9 -«Исследование работы магнетронного генератора». В этой лабораторной работе магнетрон работает в импульсном режиме. Для получения (изменения) необходимых выходных параметров выставляется (изменяется) анодный ток магнетрона. Соответственно, изменяют и магнитное поле. Все прекрасно работает и не вызывает недоразумений. Как видим, вольно или невольно, но упор в лабораторной работе сделан на режим работы в положении левее точки равенства U / B2 = q . ?2 / 2m. В лабораторной работе никак не акцентируется, что можно находиться и справа от этой точки равенства в режиме непрерывной генерации. Нахождение справа от этой точки равенства приведет к совершенно другой лабораторной работе: по исследованию магнетрона как «вечного двигателя». Уже этого одного примера достаточно, чтобы понять какую пропасть в сознании технических специалистов заложило равенство (рабочая точка)
U / B2 = q . ?2 / 2m.
У большинства авторитетнейших ученых мужей само понятие «вечный двигатель» вызывает в сознании гнев и отторжение как лженаучное понятие. Что это означает? Это означает, что они сами не очень глубоко разобрались с возможностями магнетрона, который может работать как «вечный двигатель».
С 1937 года практически уже третье поколение технических специалистов эксплуатирует магнетроны, а «лженаучная» ситуация в сознании так и не разрешилась. Здесь следует сделать сравнение магнетрона еще с одним «вечным двигателем» -генератор Серла, работающим с 1946 года. Двигающийся по циклоиде электрон здесь является элементарным магнитом, как виток-петля с током или магнитный ролик генератора Серла. Магнитные ролики в генераторе Серла имеют слишком много балласта по массе и габаритам. Это приводит к тому, что генераторы Серла (механический магнетрон) слишком громоздкие и тяжелые. Магнетрон избавлен от балласта в виде тяжелых и больших молекул магнитного материала, поскольку работает на «голых» электронах. Это очень удобно и выгодно. Равенство (точка) U / B2 = q . ?2 / 2m косвенно связано и с генератором Серла. У магнетрона двигающийся по циклоиде электрон как магнит не должен нарушать указанное равенство. У генератора Серла уже готовые магниты (ролики) должны соблюдать такое же аналогичное электромагнитное равенство. Поэтому невозможно сделать миниатюрный «карманный» генератор Серла на современных магнитах, чтобы выполнялось это конструктивное равенство… но вернемся снова к магнетрону.
В ряде практических ситуаций от магнетрона как от «вечного двигателя» не всегда может требоваться большая СВЧ энергия. В таких случаях ее вообще можно не выводить из магнетрона за ненадобностью. А что же брать от магнетрона в таких случаях? Очень интересный «поворот». Практически любой магнетрон требует воздушного или водяного принудительного охлаждения анодного блока. Уже это указывает на то, какое огромное количество тепла выделяется на анодном блоке. Что мешает использовать это тепло для бытовых нужд? Мешает этому отсутствие на рынке таких магнетронных электронагревательных приборов. Что будет, если такой электронагревательный прибор включить в электрическую сеть? Электрическая сеть будет работать на холостом ходу, а счетчик электроэнергии не будет вращаться. Это только один из возможных вариантов использования магнетрона в непрерывном режиме («вечный двигатель») в качестве бытового электронагревательного прибора, который «отключает» счетчик электроэнергии.
В заключение вопросы ко всем читателям: «Появятся ли на рынке такие магнетронные электронагреватели и когда?» Кто в состоянии ответить на этот вопрос?
Автор ищет инвесторов и партнеров для развития экспериментов в данной области.
Комментарий:E-mail автора указан в начале статьи. К разработке данной темы мы не имеем отношения, поэтому вопросы, связанные с этим проектом нам присылать не следует. Мы безусловно попытаемся выйти на контакт с автором темы, особенно в свете последних событий, связанных с изменением климата, что особенно ярко проявилось нынешней зимой. Учитывая значительное подорожание электроэнергии в ближайшее время, вопрос отбора "бесплатного" тепла у магнетрона может стать очень актуальным на российском рынке. Вся дополнительная информация по этой теме будет публиковаться по мере поступления.
Вернуться на Главную страницу
ФОРУМ
Добавить комментарий
alternatefuel.ru
С давних пор многие ученые и изобретатели мечтали построить так называемый вечный двигатель. Работа над этим вопросом не прекращается и в настоящее время. Основным толчком к исследованиям в данной области послужил надвигающийся топливный и энергетический кризис, который вполне может стать реальностью. Поэтому, уже в течение длительного времени разрабатывается такой вариант, как магнитный двигатель, схема которого основана на индивидуальных свойствах постоянных магнитов. Здесь главной движущей силой выступает энергия магнитного поля. Все ученые, инженеры и конструкторы, занимающиеся этой проблемой, видят основную цель в получении электрической, механической и прочих видов энергии за счет использования магнитных свойств. Следует отметить, что все подобные изыскания проводятся, в основном, теоретически. На практике такой двигатель еще не создан, хотя определенные результаты уже имеются. Уже разработаны общие направления, позволяющие понять принцип работы этого устройства. Из чего состоит магнитный двигательКонструкция магнитного двигателя коренным образом отличается от обыкновенного электрического мотора, где главной движущей силой является электрический ток. Магнитный двигатель функционирует исключительно за счет постоянной энергии магнитов, приводящей в движение все части и детали механизма. Стандартная конструкция агрегата состоит из трех основных деталей. Кроме самого двигателя, здесь имеется статор, на который устанавливается электромагнит, а также, ротор, на котором размещается постоянный магнит. Вместе с двигателем, на один и тот же вал, производится установка электромеханического генератора. Кроме того, весь агрегат оборудован статическим электромагнитом. Он выполнен в виде кольцевого магнитопровода, в котором вырезается сегмент или дуга. Электромагнит дополнительно оборудован катушкой индуктивности. К ней производится подключение электронного коммутатора, с помощью которого обеспечивается реверсивный ток. Регулировка всех процессов осуществляется электронным коммутатором. Принцип работы магнитного двигателяВ первых моделях применялись железные части, на которые должен был оказывать влияние магнит. Однако, чтобы вернуть такую деталь в исходное положение, нужно затратить столько же энергии. Для решения этой проблемы был использован медный проводник с пропущенным по нему электрическим током, который мог притягиваться к магниту. При отключении тока, взаимодействие между проводником и магнитом прекращалось. В результате проведенных исследований была обнаружена прямая пропорциональная зависимость силы воздействия магнита от его мощности. Поэтому, при постоянном электрическом токе в проводнике и увеличивающейся силе магнита, воздействие этой силы на проводник также будет расти. С помощью повышенной силы будет вырабатываться ток, который, в свою очередь, будет проходить через проводник. На этом принципе был разработан более совершенный магнитный двигатель, схема которого включает все основные этапы его работы. Его пуск производится электротоком, поступающим в индуктивную катушку. При этом, расположение полюсов постоянного магнита перпендикулярно к вырезанному зазору в электромагните. Возникает полярность, в результате которой начинается вращение постоянного магнита, установленного на роторе. Его полюса начинают притягиваться к электромагнитным полюсам с противоположным значением. При совпадении разноименных полюсов, происходит выключение тока в катушке. Ротор, под действием собственного веса, вместе с постоянным магнитом проходит за счет инерции эту точку совпадения. Одновременно, в катушке изменяется направление тока, и полюса в очередном рабочем цикле принимают одноименное значение. Происходит отталкивание полюсов, заставляющее ротор дополнительно ускоряться. |
electric-220.ru
