XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магнетронный способ управления электронами
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Магнетрон – это электронно-вакуумная лампа, в которой управление током происходит с помощью магнитного поля. История магнетрона началась более ста лет назад, но особенное развитие этого направления произошло с появлением высокочастотной техники [1]. В настоящее время исследования продолжаются, в том числе в поиске новых форм электронных пучков, например, не лучевых, а плоских. Это нужно для развития сверхвысокочастотной техники, в том числе бытовых СВЧ-печей. Цель этой работы заключается не в создании нового прибора, а в оценке скрытых свойств созданных и выпускаемых промышленностью радиоламп. Практическое применение результатов позволит ввести новые каналы управления в электронные схемы. Дополнительно решается задача лабораторного обеспечения учебного процесса при изучении электродинамики. Работа началась с простого опыта с радиолампами ГУ-81М и 6С7Б-В. Были созданы лабораторные установки с электромагнитами вокруг радиоламп. Для обеих радиоламп доказаны новые возможности управления приборами.
Введение
Работа соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Идея работы появилась при наблюдении горячей резки пенопласта. Раскалённая нить применяется не только в таком станке. Например, лампа накаливания тоже имеет такую деталь, но только из вольфрама. Вокруг раскалённого металла есть облако электронов. Электронами научились управлять в радиолампах. Управление электронами происходит с помощью электрического поля и магнитного поля. Созданы специальные радиолампы, в которых управление электронами происходит с помощью магнитного поля – это лампы-магнетроны. В бытовой технике магнетроны применяются в микроволновых печках. Появилось новое предложение и вопрос для исследования. Нельзя ли управлять электронами с помощью магнитного поля не только в магнетронах, но и в обычных радиолампах?
Установка с мощной лампой-пентодом ГУ-81М была изготовлена Анастасией Андреевной Молочной, но с другой целью [1]. В то время школьница изучала плавный разогрев катода и защиту дорогой радиолампы от слабого разогрева или перегрева катода. Установка состоит из мощной радиолампы, трансформатора для разогрева катода и диммера для плавного разогрева катода. Анод и три сетки лампы в этой установке не подключались.
Плавный разогрев и защита катода в этой работе не изучаются. Теперь цель другая – изучить реакцию электронов на магнитное поле для практического применения.
Первый простой опыт с радиолампой и магнитом
Первый опыт самый простой. На созданной установке был разогрет катод. В отличие от цитированной работы [2,3,4], на анод было подано напряжение. Высокое рабочее напряжение, до 3000 Вольт, для первого опыта не нужно. Было подано анодное напряжение всего 15 Вольт, достаточно для регистрации эффекта. Для получения такого напряжения вполне достаточно безопасного школьного лабораторного источника питания ИПС-1, позволяющего регулировать напряжение от 0 В до 15 В при силе тока до 0,9 А. Магнитное поле создавалось двумя способами: сильным неодимовым магнитом или соленоидом вокруг лампы. В обоих случаях магнитное поле изменяло анодный ток. В первом опыте, самом простом, магнитное поле создавалось небольшим, но сильным неодимовым магнитом. Его надо просто поднести к стеклянному баллону радиолампы с нагретым катодом. Методика опыта очень простая. Надо приближать и удалять магнит, глядя на показания амперметра. В качестве амперметра применялся аналоговый стрелочный прибор-мультиметр Ц4311 Эффект есть, магнитное поле уменьшало анодный ток на 200 мкА. Конечно, магнетронный эффект слабый, но надо учесть, что радиолампа ГУ-81М не является магнетроном. После первого опыта был сделан вывод о наличии магнетронных возможностей в обычных радиолампах. Преимущество первого опыта заключается в простоте и экспериментальном доказательстве эффекта. Недостатком является слабый эффект, изменение анодного тока всего на 200 мкА. Для усиления эффекта нужно увеличить индукцию магнитного поля. Для этого был задуман второй опыт.
Второй опыт – радиолампа в соленоиде
Второй опыт предполагал усиление магнитного поля. Для этого изготовили соленоид, намотали на стеклянный баллон лампы ГУ-81М. Диаметр соленоида 12 см. Это уже далеко не школьный учебный электромагнит диаметром 2 см с тонким проводом в лаковой изоляции. При таком большом диаметре соленоида нужна большая сила тока, десятки ампер. В школьной лаборатории таких источников питания нет. Но даже без них можно обойтись, если воспользоваться свинцовым аккумулятором с напряжением 12 В. Автомобильный аккумулятор может дать силу тока сотни ампер, но для первых опытов вполне достаточно оказалось применить аккумулятор от электродрели. Провод соленоида толстый, осветительный, как говорят электрики, 3 квадрата, то есть с площадью поперечного сечения 3 кв. мм. Сила тока большая, потому что это ток короткого замыкания свинцового аккумулятора. Силу тока в соленоиде не измеряли, потому что амперметр с пределом измерения 20 А зашкалило, а других в лаборатории пока нет. Общий вид первой лабораторной установки показан на рис.1. Слева светится нагретый катод радиолампы ГУ-81М, вокруг лампы намотан толстый провод в белой полиэтиленовой изоляции, рядом лежит чёрный свинцовый аккумулятор от электродрели, посередине расположен лабораторный источник питания ИПС-1 с напряжением для анода +15 В, справа комбинированный стрелочный прибор Ц4311, включённый в режиме миллиамперметра.
Рис. 1. Общий вид первой лабораторной установки
Методика эксперимента прежняя. Надо разогреть катод и подать на анод напряжение +15 В от источника питания ИПС-1, вполне безопасного. Потом надо измерить силу анодного тока без включения соленоида, то есть без магнитного поля в радиолампе. Затем надо подключить соленоид к аккумулятору. Долго держать нельзя, провод соленоида нагревается от короткого замыкания, но зато магнитное поле в лампе получается сильным и во всём объёме, а не в части лампы, как от маленького постоянного магнита. Достаточно 2-3 секунды, чтобы измерить анодный ток с магнитным полем внутри радиолампы. Магнитное поле закручивает движение электронов, поэтому они не все долетят от катода до анода. Значит, сила тока станет меньше. Так и получилось. Во втором опыте сила тока уменьшилась на 50 мА, то есть магнетронный эффект стал в 250 раз сильнее, чем в первом опыте.
Третий опыт с маломощным триодом
Третий опыт. Было бы идеально провести следующий опыт с диодом. Но сначала был найден очень удобный для опыта триод 6С7Б-В. Это маленькая радиолампа в миниатюрном исполнении. Триод был включен в режим диода, сетка соединена с анодом. Делать это нельзя, рабочее напряжение сетки отрицательное, но лампа была переведена в режим генераторного триода с малым анодным напряжением, всего +15 Вольт, что вполне допустимо. Общий вид лампы для второй лабораторной установки показан на рис.2
Рис. 2. Маломощный триод для второй лабораторной установки
Триод был включен в режим диода, сетка соединена с анодом. Делать это нельзя, рабочее напряжение сетки отрицательное, Но лампа была переведена в режим генераторного триода с малым анодным напряжением, всего 15 Вольт вместо допустимых 300 Вольт. Электромагнит стандартный школьный, ток короткого замыкания от свинцового аккумулятора с напряжением 12 Вольт. На рис.3 показана вторая лабораторная установка с маломощным триодом. Слева общий вид установки, справа школьный электромагнит с помещённым в него ламповым триодом 6С7Б-В, нить накала катода светится.
Рис. 3. Общий вид второй лабораторной установки
На второй установке были проведены измерения. Методика измерений более сложная, чем в первых опытах. Если в первых опытах было только по одному измерению, то теперь было решено построить вольт-амперную характеристику лампового триода 6С7Б-В при напряжениях между анодом и катодом от 0 В до +15 В. Таких характеристик нужно две. Первая строится в обычном режиме, а вторая с подключённым соленоидом, то есть с магнитным полем внутри радиолампы. Сильное магнитное поле внутри радиолампы и соленоида достигалось тем же свинцовым аккумулятором, выдающим большую силу тока короткого замыкания. Измерения проводились быстро, не более двух секунд на одно измерение, но электромагнит всё равно нагревался очень сильно. На рис.4 показаны вольт-амперные характеристики радиолампы 6С7Б-В в обычном режиме работы (верхняя) и с магнитным полем (нижняя). По горизонтальной оси отложено напряжение на аноде относительно катода (В, Вольты), по вертикальной – сила анодного тока (мА, миллиАмперы). Большая сила тока, до 140 мА, по сравнению с мощной радиолампой ГУ-81М, получилась из-за соединения управляющей сетки с анодом. Фактически сетка стала анодом.
Рис. 4. Воль-амперные характеристики и магнетронный эффект
Рис. 5. Оценка величины магнетронного эффекта
На рис.5 приведена оценка величины магнетронного эффекта. Казалось бы, абсолютная величина уменьшения анодного тока увеличивается при возрастании анодного напряжения, как показано на левом графике. Но относительная величина уменьшается, как показано на правом графике. Это связано с увеличением скоростей электронов. Быстрым электронам труднее отклониться, поэтому для них магнетронный эффект слабее. Напротив, медленным электронам легко отклониться от движения к аноду, поэтому ток анода в магнитном поле уменьшается значительнее. На рис.6 показан общий вил лабораторной установки с маломощным триодом 6С7Б-В, работа с которым продолжается.
Рис. 6. Лабораторная установка с маломощным триодом
Четвёртый опыт – термоэмиссия электронов
Четвёртый опыт вызвал наибольший интерес [4]. Что будет, если в мощной радиолампе ГУ-81М анодное напряжение полностью убрать? Термоэлектронов вокруг катода много. Среди них есть очень быстрые, способные долететь до анода даже без анодного напряжения. Тогда должен появиться анодный ток. Это электрический ток термоэмиссии. Так и получилось. Светодиод АЛ-307 засветился от тока термоэмиссии 3 мА, при рабочем токе 10 мА. Значит радиолампа ГУ-81М является термоэмиссионным преобразователем тепловой энергии в электрическую (рис.7).
Рис. 7. Термоэмиссионный ток зажигает светодиод
После первого опыта термоэмиссионного преобразователя энергии был выполнен расчёт коэффициента полезного действия такого устройства. Затраченная мощность предполагалась взятой из сети для разогрева катода. Напряжение накала катода равно 12 В, ток накала 10 А. Значит, для разогрева катода, в том числе для создания облака термоэлектронов, требуется мощность Вт. Светодиод потребляет ток силой 3 мА при напряжении питания 7 В, конечно, с учётом внутреннего сопротивления электрической схемы. Значит, мощность светодиода равна Вт. Коэффициент полезного действия термоэмиссионного преобразователя равен
, то есть менее 0,002%.
Эффект очень слабый, коэффициент полезного действия оказался 0,02%. Но надо помнить, что радиолампа – это не термоэмиссионный преобразователь, у неё другое назначение. В этом опыте не преследовалась цель создания термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую. Зато именно радиолампа ГУ-81М позволила показать опыт по термоэмиссионному электричеству. В школах такие опыты обычно не показывают. Радиолампа позволила создать учебную школьную установку для демонстрации быстрых («шальных») электронов в распределении Максвелла-Больцмана, показанного на рис.8.
Рис. 8. Опыт по термоэмиссионному электричеству
Пятый опыт – управляемая термоэмиссия электронов
В ходе первых исследований и опытов с радиолампами и магнитными полями внутри них появилось предложение управлять термоэмиссионным током. Такое управление можно выполнить тоже с помощью магнитного поля. Была выдвинута следующая гипотеза. Вокруг раскалённого катода есть облако термоэлектронов. Скорости электронов в этом облаке распределены по закону Максвелла-Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана является фундаментальным законом физики. Например, оно утверждает, что не существует частиц с нулевой скоростью, то есть частицы, в том числе электроны всегда должны двигаться. Остановка частиц означает отсутствие скорости и кинетической энергии движения, то есть достижение абсолютного нуля по температуре, что запрещено вторым законом термодинамики. В школьных задачах обычно предлагают рассчитать среднюю скорость частиц по заданной температуре, но при этом предполагают, что все частицы имеют скорость, указанную под пиком кривой распределения Максвелла-Больцмана. Про быстрые частицы обычно даже не упоминают, утверждая, что их мало. При нагревании тела пик распределения смещается вправо, то есть скорость частиц увеличивается, но высота пика уменьшается. Это основные свойства распределения Максвелла-Больцмана.
В процессе исследовательской работы было предложено изучить быстрые электроны в термоэмиссионном облаке вокруг катода, которых не очень много. Однако именно эти электроны могут создать термоэмиссионный ток, пусть даже небольшой. Такой электрический ток был получен, но сразу же появилась новая задача – управлять термоэмиссионным током. Казалось бы, управлять движением электронов не нужно. Чем больше частиц и чем быстрее они летят, тем больше сила тока. Такое утверждение справедливо для термоэмиссионных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Но поток заряженных частиц представляет собой излучение. В частности, поток быстрых электронов называется бета-лучами. Как защититься от бета-лучей, а также от потоков других заряженных частиц? Была выдвинута гипотеза, что магнитное поле может стать защитой для людей и аппаратуры, например, в условиях космоса. От потоков заряженных частиц можно защищаться не только толстыми слоями специальных материалов, в основном, свинца, но и магнитным полем. Конечно, для создания магнитного поля нужна энергия, но зато не требуется тяжёлая защита. Появилось противоречие, которое требует научного исследования. Что лучше, защищаться от заряженных частиц магнитным полем, расходуя энергию, или постоянно перевозить тяжёлую защиту?
Прежде чем исследовать такую задачу, был выполнен опыт по управляемой защите от быстрых электронов, которые есть в распределении Максвелла-Больцмана. Суть опыта поясняется схемой, представленной на рис.9.
Рис. 9. Управляемая термоэмиссия электронов
Для проведения опыта как нельзя лучше подошла созданная лабораторная установка с мощной радиолампой ГУ-81М и электромагнитом вокруг её корпуса. Если магнитного поля нет, то быстрые электроны способны долететь от катода до анода, а потом по внешней цепи вернуться на катод. Так получается термоэмиссионный ток. Как только электрон вылетит из катода, в катоде возникнет положительный заряд, потому что отрицательный заряд унёс электрон. Когда электрон стукнется об анод, ему будет проще переместиться по замкнутой цепи, по проводнику, от анода опять к катоду, чем двигаться обратно в вакууме радиолампы. Значит, термоэмиссионный ток доказывает существование потока быстрых электронов от катода к аноду радиолампы. Это бета-излучение. Лабораторная установка позволяет начать исследование защиты от вета-лучей с помощью магнитного поля. Так как электроны имеют отрицательный заряд, то их отклонение в магнитном поле определяется правилом правой руки: линии магнитного поля входят в ладонь, четыре пальца расположены по скорости электрона, большой палец показывает отклонение электрона от прямолинейного движения, то есть закрутку его траектории.
Опыт не сложный, когда есть соответствующая лабораторная установка. Нагреваем катод и фиксируем термоэмиссионный ток и свечение светодиода АЛ307, то есть бета-лучи между катодом и анодом. Затем подключаем к электромагниту, намотанному вокруг корпуса радиолампы, аккумулятор для создания большой силы тока и сильного магнитного поля в радиолампе между катодом и анодом. Бета лучи отклоняются, электроны закручиваются, возвращаются обратно на катод, электрический ток между катодом и анодом прекращается, светодиод АЛ307 гаснет.
Значит, управляемое магнитное поле способно не только полезные свойства радиоламп обеспечивать, но ещё и от заряженных частиц защищать людей и аппаратуру, например, в условиях космического пространства, особенно на больших удалениях от Земли, выше её радиационных поясов.
Выводы
1. Магнетронный эффект управления электронами позволяет выявить новые, скрытые возможности созданных радиоламп.
2. Магнитное поле вокруг известных радиоламп может быть создано соленоидом, намотанным вокруг корпуса радиолампы. Расчёт соленоида требует отдельного исследования, потому что увеличение числа витков приводит к возрастанию электрического сопротивления и уменьшению силы тока, но малое количество витков требует большой силы тока.
3. Если управление радиолампой с помощью магнитного поля выполняется кратковременно, импульсно, то большую силу тока можно получить от аккумулятора.
4. Доказана возможность магнетронного управления на примере двух радиоламп: мощного пентода ГУ-81М и маломощного триода 6Б7Б-В.
5. Выполнены количественные оценки и построены вольт-амперные характеристики радиоламп для сравнительного анализа работы с магнитным полем и без него.
6. Начато изучение термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую с применением мощной радиолампы ГУ-81М.
7. Начато исследование и доказана возможность применения магнитного поля для защиты людей и аппаратуры от потоков заряженных частиц, например, в условиях открытого космического пространства.
Список литературы
1. Молочная А.А. Защита электрической цепи насыщением ферромагнитного материала трансформатора / Сборник тезисов III Международной школы-конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Материалы и технологии XXI века" 29-31 октября 2018. - Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2018. - 326 с. - Секция 1: "Медицина 21 века"". - С.59. - Электронный ресурс: http://www.mt21kpfu.com/
2. Глушкова В.С. Магнетронные свойства радиоламп / Сборник тезисов. V Всероссийская с международным участием школа-конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века». 30 ноября – 2 декабря 2022 г. - Отв. ред. А.В. Герасимов. [Электронный ресурс] – Казань.: КФУ, 2022. – С.275. - https://kpfu.ru/portal/docs/F2043986325/Book.of.abstracts.MT21_2022._1_.pdf
3. Глушкова В.С. Магнетронные возможности вакуумных радиоламп (определение направления научных исследований). – Фестиваль науки «Гении Подмосковья 2022. Осенняя сессия». – Город Королёв, Московская область 20 ноября 2022 г. - https://vk.com/geniemo2022?w=wall-199377489_656%2Fall
4. Глушкова Валерия, 8 класс. Термоэмиссионный генератор из радиолампы ГУ-81М (первый опыт). – 11.11.2022. – Электронный ресурс (видеоролик 3:29): https://youtu.be/pyOGuut2dsE