Где применяются токи высокой частоты. Глава шестая Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты. Режимы работы трансформатора

06.04.2024

Режимы работы трансформатора

· Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.

· Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

· Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

28) Колебательный контур - осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока и напряжения.

Принцип действия

Пусть конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения . Энергия, запасённая в конденсаторе составляет

При соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток , что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.

Затем результирующий ток в цепи будет возрастать, а энергия из конденсатора будет переходить в катушку до полного разряда конденсатора. В этот момент электрическая энергия конденсатора . Магнитная же энергия, сосредоточенная в катушке, напротив, максимальна и равна , где - индуктивность катушки,

Максимальное значение тока.

После этого начнётся перезарядка конденсатора, то есть заряд конденсатора напряжением другой полярности. Перезарядка будет проходить до тех пор, пока магнитная энергия катушки не перейдёт в электрическую энергию конденсатора. Конденсатор, в этом случае, снова будет заряжен до напряжения .

В результате в цепи возникают колебания, длительность которых будет обратно пропорциональна потерям энергии в контуре.

В общем, описанные выше процессы в параллельном колебательном контуре называются резонанс токов, что означает, что через индуктивность и ёмкость протекают токи, больше тока проходящего через весь контур, причем эти токи больше в определённое число раз, которое называется добротностью. Эти большие токи не покидают пределов контура, так как они противофазны и сами себя компенсируют. Стоит также заметить, что сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте стремится к бесконечности (в отличие от последовательного колебательного контура, сопротивление которого на резонансной частоте стремится к нулю), а это делает его незаменимым фильтром.

Стоит заметить, что помимо простого колебательного контура, есть ещё колебательные контуры первого, второго и третьего рода, что учитывают потери и имеют другие особенности.

29) Индукционный генератор переменного тока - В отличие от остальных генераторов, в основе работы индукционного генератора лежит не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее, иначе говоря поле изменяется не в функции перемещения, а в функции времени, что в конечном счёте (наведение ЭДС) даёт такой же результат.

Конструкция индукционных генераторов предполагает размещение и постоянного поля и катушек для наведения ЭДС на статоре, ротор же остаётся свободным от обмоток, но обязательно имеет зубцовую форму, так как вся работа генератора основана на зубцовых гармониках ротора.

Токи высокой частоты и их применение.

Токи высокой частоты представляют собой такие токи, частота которых, то есть число колебаний, достигает в одну секунду одного миллиона. Данный вид токов нашел свое применение в машиностроении, где он необходим для сварки и термообработки поверхностей деталей, и в металлургии, где он используется для плавки различных металлов.

Использование токов высокой частоты вывело такие отрасли как машиностроение и металлургию на новый уровень. Термообработка деталей, проведенная при помощи токов высокого напряжения, увеличивает срок их эксплуатации, увеличивает износостойкость, прочность и твердость металла. Работа с токами высокой частоты не только делает работу более эффективной, но и значительно улучшает уровень качества получаемых изделий.

Постулаты Максвелла

Первый постулат : вокруг всякого переменного магнитного поля существует вихревое электрическое поле.

Направление вихревого электрического поля определяют по правилу левого винта, если магнитное поле возрастает.

Если магнитное поле убывает, то сначала направление вихревого электрического поля определяют по правилу левого винта. Затем его меняют на противоположное - это и будет направление вихревого электрического поля для убывающего магнитного поля.

Второй постулат : вокруг всякого переменного электрического поля существует магнитное поле.

Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта, если напряженность электрического поля возрастает.

Если напряженность электрического поля убывает, то сначала направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта. Затем его меняют на противоположное - это и будет направление линий магнитной индукции для убывающего электрического поля.

33) Опыт Франка - Герца - опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем.

На рисунке приведена схема опыта. К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны, и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе.

В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 В, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эВ испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 В (и кратных ему значениях 9,8 В, 14,7 В) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.

34) Изобретение радиосвязи – одно из самых выдающихся достижений человеческой мысли и научно-технического прогресса. Потребность в совершенствовании средств связи, в частности установлении связи без проводов, особенно остро проявилась в конце XIX в., когда началось широкое внедрение электрической энергии в промышленность, сельское хозяйство, связь, на транспорте (в первую очередь морском) и т. д.
История науки и техники подтверждает, что все выдающиеся открытия и изобретения были, во-первых, исторически обусловленными, во-вторых, результатом творческих усилий ученых и инженеров разных стран.

Радиотелеграфная связь - электросвязь, при которой посредством радиоволн передаются дискретные сообщения - буквенные, цифровые и знаковые. На передающей станции электрические колебания, модулированные телеграфным сообщением, поступают в линию радиотелеграфной связи и из нее - на приемную станцию. После детектирования и усиления телеграфное сообщение принимается на слух или записывается приемным буквопечатающим телеграфным аппаратом.

35) Радиотелефонная связь- электросвязь, при которой посредством радиоволн передаются телефонные (речевые) сообщения. Информация поступает в линию радиотелефонной связи через микрофон, а из нее - обычно через телефон. Микрофон и телефон подключают к радиостанциям непосредственно либо связывают с ними телефонные линии.

Амплитудная модуляция - вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда

Амплитудный модулятор - называется устройство, огибающая высокочастотного сигнала на выходе которого пропорциональна низкочастотному модулирующему колебанию. Рассмотрим случай простейшего гармонического модулирующего колебания:,

На входе модулятора действует сигнал:

где глубина амплитудной модуляции М должна быть пропорциональна амплитуде .

В результате воздействия входного сигнала на нелинейный элемент с кусочно-линейной аппроксимацией в токе последнего появляются гармоники и комбинационные составляющие входных сигналов, а именно составляющие с частотами: Cоставляющие с частотами и образуют требуемое амплитудно-модулированное колебание. Оно должно быть выделено полосовым фильтром со средней частотой, равной несущей, и полосой пропускания, достаточной для выделения составляющих с частотами .

36) Детектирование - Преобразование электромагнитного колебания для получения напряжения или тока, величина которого определяется параметрами колебания, с целью извлечения информации, содержащейся в изменениях этих параметров

Устройство и действие простейших детекторных приемников - самый простой, базовый, вид радиоприёмника. Состоит из колебательного контура, к которому подключены антенна и заземление, и диодного (в более раннем варианте кристаллического) детектора, выполняющего демодуляцию амплитудно-модулированного сигнала. Сигнал звуковой частоты с выхода детектора, как правило, воспроизводится высокоомными наушниками.

Даже для приёма мощных радиостанций детекторный приёмник требует как можно более длинной и высоко подвешенной антенны (желательно десятки метров), а также правильного заземления. Немногие важные достоинства детекторного приёмника - он не требует источника питания, очень дешев и может быть собран из подручных средств. Подключив к выходу приемника любой внешний усилитель низкой частоты, можно получить приемник прямого усиления с гораздо лучшими параметрами. Благодаря этим преимуществам детекторные приемники широко применялись не только в первые десятилетия радиовещания

37) Распостранение радиоволн - явление переноса энергии электромагнитных колебаний в диапазоне радиочастот (см. Радиоизлучение). Разные аспекты этого явления изучаются различными техническими дисциплинами, являющимися разделами радиотехники. Наиболее общие вопросы и задачи рассматривает радиофизика. Распространение радиоволн в специальных технических объектах таких, как кабели, волноводы антенны, рассматривают специалисты по прикладной электродинамике, или специалисты по технике антенн и фидеров. Техническая дисциплина распространение радиоволн рассматривает только те задачи радиоизлучения, которые связаны с распространением радиоволн в естественных средах, то есть влияние на радиоволны поверхности Земли атмосферы и околоземного пространства, распространение радиоволн в природных водоемах, а также в техногенных ландшафтах

Виды радиоволн -

Свойства радиоволн - Распространение радиоволн в земном пространстве зависит от свойств поверхности земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Подобно другим волнам радиоволнам свойственна дифракция, т.е. явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными радиоволнами.

Применение радиоволн - Для передачи различных данных, сигналов и др. информации посредством источника и приемника радиоволн. Например сотовая связь разные её стандарты работают на разных частотах радиосвязи, также WI-FI, радио ethernet и много др.

38) краткая история развития взглядов на природу света - Во второй половине XVII века были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открывает явление дифракции света (огибание светом препятствий т.е. отклонение его от прямолинейного распространения) и высказывает предположение о волновой природе света. В опубликованном в 1690 г. "Трактате о свете" Х.Гюйгенсом был сформирован принцип, согласно которому каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн, и на его основе вывел законы отражения и преломления света. Гюйгенсом было установлено явление поляризации света - явление, происходящее с лучом света при его отражении, преломлении (особенно при двойном преломлении) и заключающееся в том, что колебательное движение во всех точках луча происходит лишь в одной плоскости, проходящей через направление луча, тогда как в неполяризованном луче колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно к лучу. Гюйгенс, разработав идею Гримальди о том, что свет распространяется не только прямолинейно с преломлением и отражением, а и с разбиением (дифракция), дал объяснение всем известным оптическим явлениям. Он утверждает, что световые волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающую все тела тонкую материю.

39) Ско́рость све́та в вакууме - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c » (произносится как [це]). Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме - предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Скорость света в прозрачной среде - скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ = c /ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c . Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c . Однако в неравновесных средах она может превышать c . При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.

40) Интерференция света - перераспределение интенсивности света в результате наложения(суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Кольца ньютона

Другим методом получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светомобразуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами .

41) Законы отражения:

1.Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр, восставленный к границе двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2.Угол отражения равен углу падения:

42) Законы преломления

Чем меньше скорость света в среде, тем более оптически плотной её считают. Среду с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотной.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (например, из воздуха в воду или стекло), то угол падения больше угла преломления .

Наоборот, если свет проходит из воды или из стекла в воздух, то он преломляется от перпендикуляра: угол падения меньше угла преломления

Погрузите палку в пруд. Уровень воды должен повыситься. Но это повышение настолько ничтожно, что обнаружить его трудно. А если попеременно погружать палку в воду и вытаскивать ее, то по воде побегут волны. Они заметны на значительном расстоянии от места возникновения. Такое механическое движение воды можно сравнить с электромагнитными явлениями. Вокруг проводника с постоянным током возникает постоянное электромагнитное поле. Обнаружить его вдали от токонесущего проводника трудно.

Но если по проводнику пропускать переменный электрический ток, то и электромагнитные силы вокруг проводника будут все время меняться, т. е. электромагнитное поле вокруг него будет волноваться. От проводника с переменным током бегут электромагнитные волны.

Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн на пруду - это длина волны. Ее обозначают греческой буквой λ (ламбда). Время, за которое какой-либо участок волнующейся поверхности воды поднимается, опускается и вновь возвращается к своему начальному положению - это период колебания - Т . Обратную величину называют частотой колебаний и обозначают буквой f . Частоту колебаний измеряют в периодах в секунду. Единица измерения частоты колебаний, соответствующая одному периоду в секунду, названа герц (гц) - в честь Генриха Рудольфа Герца (1857 - 1894), знаменитого исследователя колебаний и волн (1 тыс. герц=1 килогерц, 1 млн. герц= 1 мегагерц).

Скорость волн (с ) - то расстояние, на которое волны распространяются за одну секунду. За время одного периода Т волновое движение успевает распространиться как раз на длину одной волны X. Для волнового движения справедливы следующие соотношения:

с Т = λ; с / f = λ

Эти соотношения между частотой колебаний, длиной волны и скоростью движения волн верны не только для волн на воде, но и для любых колебаний и волн.

Необходимо сразу же подчеркнуть одно свойство электромагнитных колебаний. Когда они распространяются в пустом пространстве, то, какова бы ни была их частота, какова бы ни была длина волны, скорость их распространения всегда одна и та же -300 тыс. км/сек. Видимый свет - это один из видов электромагнитных колебаний (с длиной волны от 0,4 до 0,7 миллимикрона и частотой 10 14 - 10 15 гц). Скорость распространения электромагнитных волн - это скорость света (3 10 10 см/сек).

В воздухе и в других газах скорость распространения электромагнитных колебаний лишь немного меньше, чем в пустоте. А в различных жидких и твердых средах она может быть в несколько раз меньше, чем в пустоте; кроме того, здесь она зависит от частоты колебаний.

Самая маленькая и самая большая Есть много единиц измерения энергии: эрг, джоуль, калория и др. Самая маленькая из них - электронвольт: электрон, разогнанный в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 в, будет обладать энергией в 1 электронвольт. Самую большую единицу энергии предложил недавно для подсчетов мировых запасов энергии индийский ученый Хоми Баба. Его единица равна тепловой энергии, которая выделяется при сжигании 33 млрд. Т каменного угля. Такое количество угля ученый взял потому, что за последние 20 лет, в течение которых особенно много добывалось и сжигалось угля, его было извлечено из земных недр именно 33 млрд. Т.

Излучение и излучатели

Мы живем в мире электромагнитных колебаний. И солнечный свет, и загадочные потоки космических лучей, падающих на Землю из межзвездных пространств, и тепло, испускаемое жарко натопленной печью, и электрический ток, циркулирующий в силовых сетях, - все это электромагнитные колебания. Все они распространяются в виде волн, в виде лучей.

Всякий предмет, всякое тело, порождающее волны, называют излучателем. Палка, которой болтают в пруду, - это излучатель водяных волн. Вода оказывает сопротивление ее движению. Чтобы двигать палку, надо затрачивать мощность. Эта передаваемая воде мощность численно равна произведению квадрата скорости движения палки на сопротивление движению. Частично эта мощность превращается в тепло - идет на нагревание воды, а частично идет на образование волн.

Можно сказать, что полное сопротивление, испытываемое палкой, - это сумма двух сопротивлений: одно из них - сопротивление теплообразования, а другое - сопротивление волнообразования - сопротивление излучения, как его принято называть.

Такие же закономерности и у электромагнитных явлений. Мощность, которую расходует в проводнике электрический ток, равна произведению сопротивления проводника на квадрат тока в нем. Если взять ток в амперах, а сопротивление в омах, то мощность получится в ваттах.

В электрическом сопротивлении любого проводника (как и в механическом сопротивлении воды движению палки) можно различить две составляющие: сопротивление теплообразования - омическое сопротивление и сопротивление излучения - сопротивление, вызванное образованием вокруг проводника электромагнитных волн, уносящих с собой энергию.

Возьмем, например, электрическую нагревательную плитку, для которой омическое сопротивление равно 20 ом, а ток - 5 а. Мощность, превращаемая в этой плитке в тепло, будет равна 500 вт (0,5 кВт). Чтобы вычислить мощность волн, бегущих от излучателя, надо помножить квадрат тока в проводнике на сопротивление излучения этого проводника.

Сопротивление излучения находится в сложной зависимости от формы проводника, от его размеров, от длины излучаемой электромагнитной волны. Но для одиночного прямолинейного проводника, во всех точках которого идет ток одного и того же направления и одинаковой силы, сопротивление излучения (в омах) выражается относительно простой формулой:

R изл =3200(l/λ) 2

Здесь l - длина проводника, а λ - длина электромагнитной волны (эта формула справедлива при l значительно меньших, чем λ ).

При ориентировочных прикидках эту формулу можно применять для любых электротехнических конструкций, любых машин и аппаратов, например для нагревательной плитки, в которой провод не прямолинеен, а свернут в спираль, уложенную зигзагом. Но в качестве l в формулу сопротивления излучения надо подставлять не полную длину проводника, а один из приведенных размеров рассматриваемой конструкции. Для нагревательной плитки l приблизительно равно поперечнику плитки.

На центральных электростанциях вырабатывается переменный ток с частотой 50 гц. Этому току соответствует электромагнитная волна длиной в 6 тыс. км. Не только электрическая плитка, но и самые крупные электрические машины и аппараты и даже дальние линии электропередачи имеют размеры l во много раз меньшие, нежели длина этой электромагнитной волны. Сопротивление излучения самых крупных электрических машин и аппаратов для тока с частотой 50 гц измеряется ничтожными долями ома. Даже при токах в тысячи ампер излучаются мощности меньше одного ватта.

Поэтому в практике при применении промышленного тока с частотой 50 гц не приходится учитывать его волновые свойства. Энергия этого тока крепко «привязана» к проводам. Для подключения потребителя (ламп, печей, двигателей и т. д.) необходим непосредственный контакт с токонесущими проводами.

С повышением частоты тока длина электромагнитной волны уменьшается. Например, для тока с частотой 50 Мгц она равна 3 м. При такой волне даже проводник небольших размеров может иметь значительное сопротивление излучения и при относительно небольших токах излучать значительные количества энергии.

По уточненным расчетам проводник длиной в полволны (l=λ/2) имеет сопротивление излучения R изл. около 73 ом. При токе, скажем, 10 а излучаемая мощность будет 7,3 кВт. Проводник, способный излучать электромагнитную энергию, называют антенной. Этот термин был заимствован электриками в конце прошлого века из энтомологии, - антенной называется усик-щупальце у насекомых.

У истоков радиотехники

Электромагнитные колебания, совершающиеся с частотой в миллион миллиардов герц, наше зрение ощущает как свет. В тысячу раз более медленные колебания могут ощущаться кожей как тепловые лучи.

Электромагнитные колебания, частота которых находится в пределах от нескольких килогерц до тысяч мегагерц, не воспринимаются органами чувств, но они имеют большое значение в нашей жизни. Эти колебания способны распространяться, как и свет и тепло, в виде лучей. По-латыни слово «луч» - «радиус». От этого корня и образовано слово «радиоволны». Это колебания, порождаемые токами высокой частоты. Основное, важнейшее их применение - беспроволочная телеграфная и телефонная связь. Впервые в мире беспроволочную передачу сигналов радиоволнами практически осуществил русский ученый Александр Степанович Попов. 7 мая (25 апреля) 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества он продемонстрировал прием радиоволн.

В наше время с помощью радио можно установить беспроволочную связь между любыми точками земного шара. Возникли новые отрасли высокочастотной техники - радиолокация, телевидение. Радиотехника стала применяться в различных отраслях промышленности.

Обзор высокочастотной техники правильно начинать с методов получения переменных токов высокой частоты.

Самый старый и наиболее простой способ получения высокочастотных электромагнитных колебаний - это разряд конденсатора через искру. Первые радиопередатчики А. С. Попова имели искровые генераторы с такими простейшими разрядниками в виде двух шаров, разделенных воздушным промежутком.

Машинный генератор тока повышенной частоты.

В начале нашего столетия появились усовершенствованные искровые разрядники, которые давали высокочастотные колебания мощностью до 100 кВт. Но в них были велики потери энергии. В настоящее время есть более совершенные источники токов высокой частоты (ТВЧ).

Для получения токов с частотой до нескольких килогерц обычно применяют машинные генераторы. Такой генератор состоит из двух основных частей - неподвижного статора и вращающегося ротора. Обращенные друг к ДРУГУ поверхности ротора и статора зубчатые. При вращении ротора взаимное перемещение этих зубцов вызывает пульсацию магнитного потока. В рабочей обмотке генератора, уложенной на статоре, возникает переменная электродвижущая сила (э.д.с.). Частота тока равна произведению числа зубцов ротора на число его оборотов в секунду. Например, при 50 зубцах на роторе и скорости его вращения в 50 об/сек получается ток-частотой 2500 гц.

В настоящее время выпускаются машинные генераторы ТВЧ мощностью до нескольких сотен киловатт. Они дают частоты от нескольких сотен герц до 10 кгц.

Один из наиболее распространенных современных способов получения ТВЧ - это применение колебательных контуров, соединенных с электрическими управляемыми вентилями.

Токи высокой частоты находят в настоящее время широкое применение в промышленности, связи, радиовещании, на транспорте, а также в медицине (высокочастотная терапия). Различают токи сверхвысокой частоты (СВЧ), ультравысокой частоты (УВЧ) и высокой частоты (ВЧ).

При работе с токами высокой частоты имеет место воздействие на организм радиочастотного излучения.

У генераторов высоких и ультравысоких частот человек подвергается воздействию электрических и магнитных полей, которые периодически сменяют друг друга. При работах у генераторов сверхвысоких частот человек подвергается облучению потока энергии волн.

Патологические изменения в организме, вызванные высокочастотными токами

При работе с токами высокой частоты в неблагоприятных условиях могут развиться патологические изменения в организме.

В этих случаях работающие жалуются на головную боль, головокружение, повышенную утомляемость, ослабление памяти, раздражительность, бессонницу ночью, сонливость днем, парестезии, боли в конечностях, снижение аппетита, жажду, боли в эпигастральной области, неприятные ощущения в области сердца в ряде случаев с иррадиацией в левую руку, понижение работоспособности. У женщин отмечается нарушение менструального цикла, мужчины иногда страдают импотенцией. Чаще всего, однако, отмечаются жалобы на слабость, головную боль, нарушение сна (сонливость днем и бессонница ночью), повышенную утомляемость, боли в области сердца.

Более выраженные субъективные расстройства имеют место у лиц со значительным стажем работы. Среди них относительно чаще отмечаются и жалобы сердечного характера.

Наиболее характерное клиническое проявление длительного воздействия радиочастотного излучения на организм в неблагоприятных производственных условиях представляет собой функциональное расстройство центральной нервной системы в форме вегетативной дистонии, нередко на астеническом фоне. Отмечается нарушение терморегуляции, потливость, стойкий красный дермографизм, повышенная возбудимость вестибулярного аппарата, легкий тремор вытянутых рук. У некоторых лиц наблюдается цианоз дистальных отделов конечностей с понижением кожной чувствительности по полиневритическому типу. Иногда имеют место нарушения трофики: выпадение волос, ломкость ногтей, похудание.

Физиологическими исследованиями, проведенными на производстве у лиц, имеющих дело с токами высокой частоты, установлено, что у них наблюдаются изменения высшей нервной деятельности, выражающиеся в нарушении равновесия между процессами возбуждения и торможения.

У работающих с токами высокой частоты также отмечаются изменения со стороны внутренних органов. Прежде всего обращает на себя внимание лабильность сердечно-сосудистой системы, наклонность к брадикардии, артериальной гипотензии, особенно в отношении систолического давления.

При длительном воздействии радиоволн, в особенности диапазонов сверхвысоких частот значительной интенсивности, отмечаются явные изменения со стороны сердца. На электрокардиограмме нередко выявляется синусовая аритмия, удлинение внутрипредсердной и внутрижелудочковой проводимости, снижение вольтажа зубцов R и T в стандартных и грудных отведениях). Таким образом, наряду с явными экстракардиальными влияниями ваготонического типа обычно отмечаются и определенные изменения со стороны сердечной мышцы типа миокардиодистрофии.

Могут наблюдаться и коронарные нарушения.

В ряде случаев у лиц, подвергавшихся воздействию радиоволн, выявляются эндокринные нарушения, в частности гиперфункция щитовидной железы у женщин.

Не совсем выясненным представляется характер изменений крови у работающих с токами высокой частоты. Во всяком случае можно считать, что изменения со стороны крови в разбираемых случаях носят неспецифический, маловыраженный и нестойкий характер. Отмечается тенденция к эритроцитозу и ретикулоцитозу.

При работах с токами сверхвысоких частот в условиях значительной интенсивности облучения наблюдаются сдвиги со стороны белой крови (лейкопения, или лейкоцитоз, лимфопения, эозинофилия, повышенное содержание нейтрофилов с патологической зернистостью протоплазмы).

Для работающих с токами высокой частоты характерна неустойчивость отдельных показателей белой крови. Чаще отмечается лейкопения, наблюдается и тромбопения.

Изменения со стороны крови, отмечаемые у лиц, работающих с токами высокой частоты, скорее являются выражением нейрорегуляторных нарушений, чем расстройств кроветворных органов. Есть указания на наличие у соответствующих лиц некоторых сдвигов биохимического характера: повышение РОЭ, содержания сахара и гистамина в крови, снижение альбумин-глобулинового коэффициента за счет повышения глобулиновых фракций.

По имеющимся клиническим наблюдениям, при работах с сантиметровыми волнами могут развиться изменения в хрусталике. В литературе имеются единичные указания, что женщины более чувствительны к воздействию радиоволн.

У работающих в условиях воздействия СВЧ отмечаются изменения в состоянии здоровья, которые характеризуются астеническим симптомокомплексом, рядом ваготонических реакций, нарушениями эндокринно-гуморальных процессов. Отмечаются изменения возбудимости обонятельного анализатора, незначительные и нестойкие отклонения в составе периферической крови, изменения в хрусталике.

При случайном контакте с проводниками тока высокой частоты (100 килоциклов и выше) могут иметь место ожоги кожи. Ожоги эти обычно бывают глубокими и болезненными, но вначале они менее болезненны, чем ожоги от огня. Иногда такие ожоги развиваются под кожей или под одеждой, которая остается неизмененной. В области эпифизов костей, например на концевых фалангах пальцев, ожоги носят более выраженный характер, чем на участках с развитыми мягкими тканями.

Механизм действия радиочастотного излучения на организм

Механизм действия радиочастотного излучения на организм еще не может считаться окончательно выясненным. Несомненно, они оказывают термическое действие вследствие поглощения тканями высокочастотной энергии и превращения ее в тепло.

Наряду с термическим действием радиоволны, очевидно, оказывают на организм и специфическое влияние, сущность которого еще не выяснена.

Характер изменений, которые отмечаются в организме при воздействии электромагнитных полей различных частотных диапазонов, одинаков, однако выраженность их действия возрастает с увеличением мощности электромагнитного поля, длительности воздействия и укорочения длины волны.

Наряду с общими признаками воздействия радиоволн отмечаются и некоторые особенности, характерные для различных диапазонов волн. Так, например, у работающих с миллиметровыми волнами изменения со стороны сердечно-сосудистой системы являются наиболее выраженными.

Как показывают экспериментальные данные, при воздействии СВЧ на организм животных развиваются умеренные дегенеративные и пролиферативные процессы в нервной системе и внутренних органах, нарастающие с увеличением интенсивности облучения.

Экспериментальные данные свидетельствуют также об изменениях обмена веществ под влиянием облучения СВЧ (углеводный обмен).

В современных производственных условиях встречаются технологические процессы, при которых работающие с генераторами токов высокой частоты подвергаются облучению не только электромагнитных полей радиочастот, но и рентгеновыми лучами. В этих случаях у работающих отмечаются более выраженные функциональные нарушения со стороны центральной нервной системы и более демонстративные изменения со стороны крови (лейкопения, тромбопения, анемия, качественные изменения белой и красной крови).

Сложный характер действия электромагнитных полей на организм дает возможность при определенных условиях успешно использовать их для терапевтических целей. Токи УВЧ оказывают противовоспалительное и болеутоляющее действие. Болеутоляющий эффект особенно выражен при воспалительных процессах. Установлено также сосудорасширяющее действие УВЧ терапии. Наибольший эффект отмечается при использовании УВЧ при острых гнойных процессах (фурункулы и т. д.), остеомиелитах, инфицированных ранах и отморожениях. УВЧ терапия показана при ангиоспастических явлениях, бронхиальной астме, облитерирующем эндартериите и болезни Рейно.

Противопоказаниями являются злокачественные опухоли, гипотония, активный туберкулез.

Лечебно-профилактические мероприятия

С учетом характера клинических явлений, развивающихся при длительном воздействии радиоволн, проводится курс вливаний раствора глюкозы с витамином В1 и аскорбиновой кислотой в сочетании с приемом небольших доз брома и кофеина, назначается глутаминова я кислота (1 г 3 раза в день), гидротерапия, в дальнейшем - общее санаторно-курортное лечение.

Важным лечебно-профилактическим мероприятием является перерыв в работе, продолжительность которого зависит от состояния больного.

Изменения, развивающиеся при воздействии радиоволн, обычно носят нестойкий функциональный характер и чаще всего ликвидируются после временного перевода на другую работу и соответствующего лечения. Однако обращает на себя внимание отмечаемая иногда стойкость изменений со стороны сердечно-сосудистой системы, в некоторых случаях склонных даже к прогрессированию после прекращения воздействия. В подобных случаях, а также при наличии других отягощающих обстоятельств, в особенности, если не проведены необходимые оздоровительные мероприятия на производстве, возвращение на прежнюю работу нужно считать противопоказанным. В случае если перевод на другую работу связан со значительным понижением квалификации, больной должен быть направлен на ВТЭК. для определения группы инвалидности (профессиональной). Лица с изменениями, вызванными воздействием радиоволн, нуждаются в длительном наблюдении. Все поступающие на работу с токами высокой частоты подлежат предварительному медицинскому осмотру, а работающие - периодическому осмотру один раз в год.

Из лабораторных исследований обязательными являются анализы крови на гемоглобин, лейкоциты и РОЭ. По показаниям проводится электрокардиография.

Противопоказаниями к приему на работу с токами высокой являются:

1) все болезни крови и выраженное вторичное малокровие (гемоглобин ниже 60%);

2) органические заболевания нервной системы;

3) выраженные эндокринно-вегетативные заболевания;

4) эпилепсия;

5) выраженные астенические состояния;

6) выраженные неврозы;

7) катаракта;

8) общие хронические заболевания.

Выраженные изменения со стороны сердечно-сосудистой системы также должны служить противопоказанием. Эти же изменения являются противопоказанием к продолжению работы с ТВЧ.

Эффективным методом защиты работающих является экранировка установок - генераторов токов высокой частоты, а также некоторые методы индивидуальной профилактики - защитные очки из мелкой латунной сетки или из металлической решетки. При высоких интенсивностях ТВЧ рекомендуется применение защитного шлема из латунной сетки.

В гидромеханических системах, устройствах и узлах чаще всего используются детали, которые работают на трение, сдавливание, скрутку. Именно поэтому основное требование к ним – достаточная твердость их поверхности. Для получения необходимых характеристик детали, поверхность закаляется током высокой частоты (ТВЧ).

В процессе применения закалка ТВЧ показала себя как экономный и высокоэффективный способ термической обработки поверхности металлических деталей, который придает дополнительную износостойкость и высокое качество обработанным элементам.

Нагрев токами ВЧ основан на явлении, при котором вследствие прохождения переменного высокочастотного тока по индуктору (спиральный элемент, выполненный из медных трубок) вокруг него формируется магнитное поле, создающее в металлической детали вихревые токи, которые и вызывают нагрев закаливаемого изделия. Находясь исключительно на поверхности детали, они позволяют нагреть ее на определенную регулируемую глубину.

Закалка ТВЧ металлических поверхностей имеет отличие от стандартной полной закалки, которое заключается в повышенной температуре нагрева. Это объясняется двумя факторами. Первый из них – при высокой скорости нагрева (когда перлит переходит в аустенит) уровень температуры критических точек повышается. А второй – чем быстрее проходит переход температур, тем быстрее совершается превращение металлической поверхности, ведь оно должно произойти за минимальное время.

Стоит сказать, несмотря на то, что при использовании высокочастотной закалки вызывается нагрев больше обычного, перегрева металла не случается. Такое явление объясняется тем, что зерно в стальной детали не успевает увеличиться, благодаря минимальному времени высокочастотного нагрева. К тому же, из-за того, что уровень нагрева выше и охлаждение интенсивнее, твердость заготовки после ее закалки ТВЧ вырастает приблизительно на 2-3 HRC. А это гарантирует высочайшую прочность и надежность поверхности детали.

Вместе с тем, есть дополнительный немаловажный фактор, который обеспечивает повышение износостойкости деталей при эксплуатации. Благодаря созданию мартенситной структуры, на верхней части детали образовываются сжимающие напряжения. Действие таких напряжений проявляется в высшей мере при небольшой глубине закаленного слоя.

Применяемые для закалки ТВЧ установки, материалы и вспомогательные средства

Полностью автоматический комплекс высокочастотной закалки включает в себя закалочный станок и ТВЧ установки (крепежные системы механического типа, узлы поворота детали вокруг своей оси, движения индуктора по направлению заготовки, насосов, подающих и откачивающих жидкость или газ для охлаждения, электромагнитных клапанов переключения рабочих жидкостей или газов (вода/эмульсия/газ)).

ТВЧ станок позволяет перемещать индуктор по всей высоте заготовки, а также вращать заготовку на разных уровнях скорости, регулировать выходной ток на индукторе, а это дает возможность выбрать правильный режим процесса закалки и получить равномерно твердую поверхность заготовки.

Принципиальная схема индукционной установки ТВЧ для самостоятельной сборки была приведена .

Индукционную высокочастотную закалку можно охарактеризовать двумя основными параметрами: степенью твердости и глубиной закалки поверхности. Технические параметры выпускаемых на производстве индукционных установок определяются мощностью и частотой работы. Для создания закаленного слоя применяют индукционные нагревающие устройства мощностью 40-300 кВА при показателях частоты в 20-40 килогерц либо 40-70 килогерц. Если необходимо провести закалку слоев, которые находятся глубже, стоит применять показатели частот от 6 до 20 килогерц.

Диапазон частот выбирается, исходя из номенклатуры марок стали, а также уровня глубины закаленной поверхности изделия. Существует огромный ассортимент комплектаций индукционных установок, что помогает выбрать рациональный вариант для конкретного технологического процесса.

Технические параметры автоматических станков для закалки определяются габаритными размерами используемых деталей для закалки по высоте (от 50 до 250 сантиметров), по диаметру (от 1 до 50 сантиметров) и массе (до 0,5 т, до 1т, до 2т). Комплексы для закалки, высота которых составляет 1500 мм и больше, оснащены электронно-механической системой зажима детали с определенным усилием.

Высокочастотная закалка деталей осуществляется в двух режимах. В первом каждое устройство индивидуально подключается оператором, а во втором – происходит без его вмешательств. В качестве среды закалки обычно выбирают воду, инертные газы или полимерные составы, обладающие свойствами по теплопроводности, близкими к маслу. Среда закалки выбирается в зависимости от требуемых параметров готового изделия.

Технология закалки ТВЧ

Для деталей или поверхностей плоской формы маленького диаметра используется высокочастотная закалка стационарного типа. Для успешной работы расположение нагревателя и детали не меняется.

При применении непрерывно-последовательной ТВЧ закалки, которая чаще всего используется при обработке плоских или цилиндрообразных деталей и поверхностей, одна из составляющих системы должна перемещаться. В таком случае либо нагревающее устройство перемещается по направлению к детали, либо деталь движется под нагревающим аппаратом.

Для нагрева исключительно цилиндрообразных деталей небольшого размера, прокручивающихся единожды, применяют непрерывно-последовательную высокочастотную закалку тангенциального типа.

Структура металла зубца шестерни, после закалки ТВЧ методом

После совершения высокочастотна нагрева изделия совершают его низкий отпуск при температуре 160-200°С. Это позволяет увеличить износостойкость поверхности изделия. Отпуски совершаются в электропечах. Еще один вариант – совершение самоотпуска. Для этого необходимо чуть раньше отключить устройство, подающее воду, что способствует неполному охлаждению. Деталь сохраняет высокую температуру, которая нагревает закаленный слой до температуры низкого отпуска.

После совершения закалки также применяется электроотпуск, при котором нагрев осуществляется при помощи ВЧ установки. Для достижения желаемого результата нагрев производится с более низкой скоростью и более глубоко, чем при поверхностной закалке. Необходимый режим нагрева можно определить методом подбора.

Для улучшения механических параметров сердцевины и общего показателя износостойкости заготовки нужно провести нормализацию и объемную закалку с высоким отпуском непосредственно перед поверхностной закалкой ТВЧ.

Сферы применения закалки ТВЧ

Закалка ТВЧ используется в ряде технологических процессов изготовления следующих деталей:

валов, осей и пальцев;
шестеренок, зубчатых колес и венцов;
зубьев или впадин;
щелей и внутренних частей деталей;
крановых колес и шкивов.

Наиболее часто высокочастотную закалку применяют для деталей, которые состоят из углеродистой стали, содержащей полпроцента углерода. Подобные изделия приобретают высокую твердость после закалки. Если наличие углерода меньше вышеуказанного, подобная твердость уже недостижима, а при большем проценте скорее всего возникнут трещины при охлаждении водяным душем.

В большинстве ситуаций закалка токами высокой частоты позволяет заменить стали, прошедшие легирование, более недорогими – углеродистыми. Это можно пояснить тем, что такие достоинства сталей с легирующими добавками, как глубокая прокаливаемость и меньшее искажение поверхностного слоя, для некоторых изделий теряют значение. При высокочастотной закалке металл становится более прочным, а его износостойкость возрастает. Точно так же, как углеродистые используются хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и многие другие виды сталей с низким процентом легирующих добавок.

Преимущества и недостатки метода

Преимущества закалки токами ВЧ:

полностью автоматический процесс;
работа с изделиями любых форм;
отсутствие нагара;
минимальная деформация;
вариативность уровня глубины закаленной поверхности;
индивидуально определяемые параметры закаленного слоя.

Среди недостатков можно выделить:

потребность в создании специального индуктора для разных форм деталей;
трудности в накладке уровней нагрева и охлаждения;
высокая стоимость оборудования.

Возможность использования закалки токами ВЧ в индивидуальном производстве маловероятна, но в массовом потоке, например, при изготовлении коленчатых валов, шестеренок, втулок, шпинделей, валов холодной прокатки и др., закалка поверхностей ТВЧ приобретает все более широкое применение.

Токи с частотой выше 10000 гц называют токами высокой частоты (ТВЧ). Их получают с помощью электронных устройств.

Если поместить проводник внутрь катушки, по которой течет ток высокой частоты, то в проводнике возникнут . Вихревые токи нагревают проводник. Скорость нагрева и температуру легко регулировать, меняя ток в катушке.

В индукционной печи можно плавить самые тугоплавкие металлы. Для получения особо чистых веществ плавку можно вести в вакууме и даже без тигля, подвесив расплавленный металл в магнитном поле. Высокая скорость нагрева очень удобна при прокатке и ковке металла. Подбирая форму катушек, можно вести пайку и сварку деталей при наилучшем температурном режиме.

Ток i , текущий по проводнику, создает магнитное поле B. На очень высоких частотах становится заметным влияние вихревого электрического поля Е, порождаемого изменением поля В.

Влияние поля Е усиливает ток на поверхности проводника и ослабляет в середине. При достаточно большой частоте ток течет только в поверхностном слое проводника.

Метод поверхностной закалки стальных изделий придумал и предложил российский ученый В. П. Вологдин. На высокой частоте индукционный ток нагревает только поверхностный слой детали. После быстрого охлаждения получается нехрупкое изделие с твердой поверхностью.

Закалочный станок

Действие токов высокой частоты на диэлектрики

На диэлектрики действуют высокочастотным электрическим полем, помещая их между пластинами конденсатора. Часть энергии электрического поля расходуется при этом на нагрев диэлектрика. Нагрев с помощью ТВЧ особенно хорош, если теплопроводность вещества мала.

) широко применяется для сушки и склейки древесины, для производства резины и пластмасс.

УВЧ-терапия - это диэлектрический нагрев тканей тела. Смертельно опасен для человека постоянный и низкочастотный ток свыше нескольких миллиамперов. Ток высокой частоты (≈ 1 МГц), даже при силе 1 А, вызывает только разогрев тканей и используется для лечения.

"Электронож" - высокочастотный аппарат, широко применяется в медицине. Он разрезает ткани и "заваривает" кровеносные сосуды.