И тут появился изобретатель

Заметьте, мы рассматриваем ответ на еще не возникшие задачи! Пройдут годы, потребуется увеличить точность действия установки, и только тогда появятся задачи, которые мы решили уже сейчас.

При работе методом проб и ошибок ответ на задачу обычно появляется значительно позже, чем сама задача. Мы же с вами теперь понимаем логику развития технических систем и можем предвидеть возникновение новых задач, заранее зная, как их надо будет решать.

«Коронный» номер коронного разряда

В учебниках физики эффекты и явления описаны, так сказать, нейтрально: при нагревании тела расширяются… и все. А если те же эффекты изложить «по-изобретательски»? Например: «При нагревании тела расширяются, следовательно, это явление можно использовать во всех случаях, когда требуется осуществить небольшие, но очень точные перемещения тел». Если проработать так все учебники физики с шестого по десятый класс, получится комплект очень сильных инструментов — справочник по применению физических эффектов и явлений.

Возьмем для примера описание коронного разряда в учебнике для 9-го класса: «При атмосферном давлении в сильно неоднородных электрических полях наблюдается разряд, светящаяся область которого часто напоминает корону. Поэтому его и назвали коронным. Плотность заряда на поверхности проводника тем больше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна. Поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле. Когда его напряженность превысит 3 · 10⁶ в/м, наступает разряд. При такой большой напряженности поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении. По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдается в ограниченной области пространства. С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд».

Итак, корона зависит от состава и давления газа, окружающего провод. Это значит, что мы нашли решение задачи 1 об измерении давления газа внутри электрической лампы. Если на нить накала подать высокое напряжение, возникает коронный разряд, яркость которого будет зависеть от давления газа.

Вернемся еще раз к учебнику. Коронный разряд вызывает ионизацию газа. Если в газе есть частицы порошка, пыли, мелкие капельки, ионы «прилипнут» к ним. Следовательно, коронный разряд позволяет заряжать частицы твердого и жидкого вещества. А заряженными частицами легко управлять. Коронный разряд можно использовать для очистки газов от пыли, для дозировки частиц, взвешенных в потоке газа, для перемещения различных порошков, для определения примесей в газе и т. д. Получение заряженных частиц — главный, «коронный» номер коронного разряда.

Как видите, простое, в общем, физическое явление таит богатые изобретательские возможности.

О чем размышлял начальник

До сих пор речь шла о простых физических эффектах, знакомых каждому школьнику. Существует физика более сложная, хотя бы та, которую изучают в высших учебных заведениях. Знание этой физики дает изобретателю более сильные инструменты.

Сейчас мы разберем задачу, для решения которой достаточно школьной физики. А потом я объясню, что можно получить сверх этого, если использовать хотя бы «кусочек» институтской физики.

Задача 27. Лед на проводах

Красивое зрелище — покрытые пушистым снегом провода линий электропередач. Но у электриков эта красота не вызывает восторга. Снег подтаивает, превращается в лед. Слой льда нарастает, провода растягиваются под его тяжестью и обрываются.

В одном северном районе работала электростанция, находящаяся в ста километрах от города. Зимой время от времени приходилось обогревать линию: подавали очень сильный ток, провода нагревались, лед подтаивал, падал. Пока обогревали линию, всех потребителей электростанции приходилось отключать. Стояла суровая зима, и начальник станции, опасаясь обледенения, приказал почаще отключать подачу энергии и обогревать линию. Останавливались заводы, гас свет в домах.

Посыпались жалобы, и начальник решил производить обогрев пореже. Провода стали рваться, город часто оставался без электроэнергии.

— Что же делать? — задумался начальник. — Техническое противоречие: часто греть линию — потребители то и дело будут оставаться без тока, редко греть линию — повысится опасность обледенения. Ну и ситуация…

И тут появился изобретатель.

— Раскрываем учебник физики для седьмого класса, — сказал он. — Достроим веполь и используем явление электромагнитной индукции…

Почему изобретатель упомянул о достройке веполя? Как использовать электромагнитную индукцию?

Даны провод (вещество) и электрический ток (поле). Льда на проводе не должно быть. Значит, у нас только одно вещество и поле. Чтобы достроить веполь, нужно ввести второе вещество. Это вещество под действием обычного электрического тока будет нагреваться и обогревать провод. В чем тут хитрость? Провод сделан из вещества с низким электрическим сопротивлением и не нагревается под действием идущего по нему тока. Сделать провод из металла с высоким сопротивлением нельзя — провод будет горячим, но потребители не получат энергию. Физическое противоречие: сопротивление провода должно быть большим и должно быть небольшим… Изобретатель предложил взять два вещества: провод остается обычным проводом, но через каждые пять метров на него надевают колечко из феррита — ферромагнитного вещества с высоким электрическим сопротивлением. Благодаря электромагнитной индукции в колечках возникает ток, колечки быстро нагреваются и предотвращают обледенение провода.

На это решение несколько лет назад выдано авторское свидетельство. Но задачу без особого труда решают десятиклассники, знающие основы вепольного анализа.

Казалось бы, с задачей все в порядке — получен хороший ответ. Однако ферритовые колечки нагревают линию круглый год. Представляете себе, сколько энергии расходуется напрасно? Даже зимой нет надобности нагревать всю линию, а только те участки, где температура ниже нуля. Возникает новая задача: как сделать, чтобы колечки сами включались при низкой температуре и выключались, если температура повышается?

Для решения этой задачи нужно знать, что ферритовые вещества остаются ферромагнитными только до определенной температуры, называемой точкой Кюри. У разных ферромагнитных веществ разная точка Кюри. Можно сделать колечки из вещества с точкой Кюри, скажем, около пяти градусов. Тогда колечки будут сами выключаться, если температура воздуха превысит пять градусов, и сами же будут включаться при температуре ниже пяти градусов.

Появление и исчезновение магнитных свойств при переходе через точку Кюри можно использовать и при решении других задач.