ПРИРУЧЕННЫЕ НЕВИДИМКИ. ВСЕ О МИКРОВОЛНОВЫХ ПЕЧАХ
В. КОЛЯДА. Материал подготовлен редакцией "Покупаем от А до Я" по просьбе журнала "Наука и жизнь".
Во второй половине ХХ века в наш обиход вошли печи, нагрев пищи в которых производится невидимыми лучами — микроволнами.
Подобно многим другим открытиям, существенно повлиявшим на повседневную жизнь людей, открытие теплового воздействия микроволн произошло случайно. В 1942 году американский физик Перси Спенсер работал в лаборатории компании «Райтеон» с устройством, излучавшим сверхвысокочастотные волны. Разные источники по-разному описывают события, случившиеся в тот день в лаборатории. По одной версии, Спенсер положил на устройство свой бутерброд, а сняв его через несколько минут, обнаружил, что бутерброд прогрелся до середины. По другой версии, разогрелся и растаял шоколад, который был у Спенсера в кармане, когда он работал возле своей установки, и, осененный счастливой догадкой, изобретатель кинулся в буфет за сырыми кукурузными зернами. Поднесенный к установке попкорн вскоре с треском начал лопаться…
Так или иначе эффект был обнаружен. В 1945 году Спенсер получил патент на использование микроволн для приготовления пищи, а в 1947-м на кухнях госпиталей и военных столовых, где требования к качеству пищи были не столь высоки, появились первые приборы для приготовления пищи с помощью микроволн. Эти изделия фирмы «Райтеон» высотой в человеческий рост весили 340 кг и стоили 3000 долларов за штуку.
Понадобилось полтора десятилетия, чтобы «довести до ума» печь, в которой пища готовится с помощью невидимых волн. В 1962 году японская фирма «Sharp» выпустила в продажу первую серийную микроволновую печь, которая, впрочем, поначалу не вызвала потребительского ажиотажа. Этой же фирмой в 1966 году был разработан вращающийся стол, в 1979-м впервые применена микропроцессорная система управления печью, а в 1999-м разработана первая микроволновая печь с выходом в Интернет.
Сегодня десятки фирм выпускают бытовые микроволновки. Только в США в 2000 году продали 12,6 млн микроволновых печей, не считая комбинированных духовок со встроенным источником микроволн.
Опыт применения миллионов микроволновых печей во многих странах в течение последних десятилетий доказал неоспоримые удобства этого способа приготовления пищи — быстроту, экономичность, простоту пользования. Сам механизм приготовления пищи с помощью микроволн, с которым мы познакомим вас ниже, предопределяет сохранение молекулярной структуры, а значит, и вкусовых качеств продуктов.
Что такое микроволны
Микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение — это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра, которые используются не только в микроволновых печах, но и в радиолокации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой телефонии и т.д. Микроволны существуют в природе, их испускает Солнце.
Место микроволн на шкале электромагнитного излучения показано на рис. 1.
В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.
Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с , равной 300 000 км/с, нетрудно подсчитать, чему равна длина волны L микроволнового излучения данной частоты:
L = c / f = 12,25 см.
Чтобы понять принцип работы микроволновой печи, нужно вспомнить еще один факт из школьного курса физики: волна представляет собой сочетание переменных полей — электрического и магнитного. Продукты, употребляемые нами в пищу, магнитными свойствами не обладают, поэтому о магнитном поле мы можем забыть. А вот изменения электрического поля, которые несет с собой волна, для нас очень кстати.
Как микроволны нагревают пищу?
В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом — отрицательный. К счастью, подобных молекул в пище предостаточно — это молекулы и жиров и сахаров, но главное, что диполем является молекула воды — самого распространенного в природе вещества.
Каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит миллионы дипольных молекул.
В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически (рис. 2,а).
В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180 о (рис. 2,б).
А теперь вспомним, что частота микроволн 2450 Мгц. Один герц — это одно колебание в секунду, мегагерц — один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды: был «плюс», стал «минус», и снова вернулся исходный «плюс». Значит, поле, в котором находятся наши молекулы, меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду! Под действием микроволнового излучения молекулы кувыркаются с бешеной частотой и в буквальном смысле трутся одна о другую при переворотах (рис. 2,в). Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи.
Продукты нагреваются под действием микроволн примерно так же, как нагреваются наши ладони, когда мы быстро трем их друг о друга. Сходство состоит и еще в одном: когда мы трем кожу одной руки о кожу другой, тепло проникает в глубь мышечной ткани. Так и микроволны: они работают только в относительно небольшом поверхностном слое пищи, не проникая внутрь глубже, чем на 1-3 см (рис. 3). Поэтому нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов — прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину продукта за счет теплопроводности.
Отсюда сразу следует рекомендация: если нужно приготовить в микроволновке, например, большой кусок мяса, лучше не включать печь на полную мощность, а работать на средней мощности, но зато увеличить время пребывания куска в печи. Тогда тепло из наружного слоя успеет проникнуть в глубь мяса и хорошо пропечет внутреннюю часть куска, а снаружи кусок не подгорит.
Из тех же соображений жидкие продукты, например супы, лучше периодически помешивать, вынимая время от времени кастрюльку из печи. Этим вы поможете проникновению тепла в глубь емкости с супом.
Посуда для микроволновки
Разные материалы по-разному ведут себя по отношению к микроволнам, и для СВЧ-печи годится не всякая посуда. Металл отражает микроволновое излучение, поэтому внутренние стенки полости печи делают из металла, чтобы он отражал волны к пище. Соответственно, металлическая посуда для микроволновок не годится.
Исключением является низкая открытая металлическая посуда (например, алюминиевые лотки для продуктов). Такую посуду можно помещать в микроволновую печь, но, во-первых, только вниз, на самое дно, а не на второй по высоте уровень (некоторые микроволновки допускают «двухэтажное» размещение лотков); во-вторых, нужно, чтобы печь работала не на максимальной мощности (лучше увеличить время работы), а края лотка отстояли от стенок камеры не менее, чем на 2 см, чтобы не образовался электрический разряд.
Стекло, фарфор, сухие картон и бумага пропускают микроволны сквозь себя (влажный картон начнет разогреваться и не пропустит микроволны, пока не высохнет). Посуду из стекла можно применять в микроволновке, но только при условии, что она выдержит высокую температуру нагрева. Для СВЧ-печей выпускается посуда из специального стекла (например, Pyrex) с низким коэффициентом теплового расширения, стойкая к нагреву.
В последнее время многие производители снабжают посуду маркировкой, указывающей на допустимость применения в микроволновой печи (рис. 4). Прежде чем пользоваться посудой, обратите внимание на ее маркировку.
Учтите, что, например, пластиковые термостойкие контейнеры для пищи прекрасно пропускают микроволны, но и они могут не выдержать высокой температуры, если дополнительно к микроволнам включить еще и гриль.
Продукты питания поглощают микроволны. Так же ведут себя глина и пористая керамика, применять которые в микроволновках не рекомендуется. Посуда из пористых материалов задерживает влагу и нагревается сама вместо того, чтобы пропускать микроволны к продуктам. В результате продуктам достается меньше микроволновой энергии, а вы рискуете обжечься, вынимая посуду из печи.
Приведем три главных правила на тему: что нельзя помещать в микроволновку.
1. Нельзя помещать в микроволновку посуду с золотыми или иными металлическими ободками. Дело в том, что переменное электрическое поле микроволнового излучения приводит к появлению в металлических предметах наведенных токов. Сами по себе эти токи ничего страшного не представляют, но в тонком проводящем слое, каким является слой декоративного металлического покрытия на посуде, плотность наведенных токов может оказаться столь высокой, что ободок, а с ним и посуда, перегреется и разрушится.
Вообще в микроволновке не место металлическим предметам с острыми кромками, заостренны ми концами (например, вилкам): высокая плотность наведенного тока на острых кромках проводника может стать причиной оплавления металла или появления электрического разряда.
2. Ни в коем случае не следует ставить в микроволновку плотно закрытые емкости: бутылки, консервные банки, контейнеры с продуктами и т.д., а также яйца (неважно, сырые или вареные). Все перечисленные предметы при нагреве могут разорваться и привести печь в негодность.
К предметам, которые могут разорваться при нагреве, относятся и продукты питания, имеющие кожицу или оболочку, например помидоры, сосиски, сардельки, колбаски и т.д. Чтобы избежать взрывного расширения подобных продуктов, проколите оболочку или кожицу вилкой перед тем, как помещать их в печь. Тогда пар, образующийся внутри при нагреве, сможет спокойно выйти наружу и не разорвет помидор или сосиску.
3. И последнее: нельзя, чтобы в микроволновк е была… пустота. Иными словами, нельзя включать пустую печь, без единого предмета, который поглощал бы микроволны. В качестве минимальной загрузки печи при любом ее включении (например, при проверке работоспособности) принята простая и всем понятная единица: стакан воды (200 мл).
Включение пустой микроволновой печи чревато ее серьезным повреждением. Не встречая на своем пути никаких препятствий, микроволны будут многократно отражаться от внутренних стенок полости печи, а сконцентрированная энергия излучения может вывести печь из строя.
Кстати, если вы хотите довести воду в стакане или ином высоком узком сосуде до кипения, не забудьте опустить в него чайную ложечку перед тем, как поставить стакан в печь. Дело в том, что закипание воды под действием микроволн происходит не так, как, например, в чайнике, где тепло подводится к воде только снизу, со стороны дна. Микроволновый нагрев идет со всех сторон, а если стакан узкий — практически по всему объему воды. В чайнике вода при закипании бурлит, поскольку со дна поднимаются пузырьки растворенного в воде воздуха. В микроволновке вода дойдет до температуры кипения, но пузырьков не будет — это называется эффектом задержки кипения. Зато когда вы достанете стакан из печи, всколыхнув его при этом, — вода в стакане запоздало забурлит, и кипяток может ошпарить вам руки.
Если вы не знаете, из какого материала изготовлена посуда, проделайте простой опыт, который позволит вам определить, годится она для этой цели или нет. Понятное дело, речь не идет о металле: опознать его несложно. Поставьте порожнюю посуду в печь рядом со стаканом, наполненным водой (не забудьте про ложечку!). Включите печь и дайте ей поработать в течение одной минуты на максимальной мощности. Если после этого посуда осталась холодной, значит, она изготовлена из прозрачного для микроволн материала и ею можно пользоваться. Если же посуда нагрелась, значит, она изготовлена из поглощающего микроволны материала и вам вряд ли удастся приготовить в ней пищу.
Опасны ли микроволны?
С микроволновыми печами связан ряд заблуждений, которые объясняются непониманием характера этого вида электромагнитных волн и механизма микроволнового нагрева. Надеемся, что наш рассказ поможет преодолеть такие предубеждения.
Микроволны радиоактивны или делают продукты радиоактивными. Это неверно: микроволны относятся к категории неионизирующих излучений. Они не оказывают никакого радиоактивного воздействия на вещества, биологические ткани и продукты питания.
Микроволны изменяют молекулярную структуру продуктов питания или делают продукты канцерогенными.
Это тоже неверно. Принцип действия микроволн иной, чем у рентгеновских лучей или у ионизирующих излучений, и сделать продукты канцерогенными они не могут. Напротив, поскольку приготовление пищи при помощи микроволн требует очень небольшого количества жиров, готовое блюдо содержит меньше перегоревшего жира с измененной при тепловой обработке молекулярной структурой. Поэтому приготовление пищи с помощью микроволн полезнее для здоровья и не представляет для человека никакой опасности.
Микроволновые печи испускают опасное излучение.
Это не соответствует действительности. Хотя непосредственное воздействие микроволн может вызвать тепловое поражение тканей, риск при пользовании исправной микроволновой печью полностью отсутствует. Конструкцией печи предусмотрены жесткие меры для предотвращения выхода излучения наружу: имеются продублированные устройства блокировки источника микроволн при открывании дверцы печи, а сама дверца исключает выход микроволн за пределы полости. Ни корпус, ни любая иная часть печи, ни помещенные в печь продукты питания не накапливают электромагнитное излучение микроволнового диапазона. Как только печь выключается, излучение микроволн прекращается.
Тем, кто опасается даже близко подходить к микроволновой печи, нужно знать, что микроволны очень быстро затухают в атмосфере. Для иллюстрации приведем такой пример: допустимая западными стандартами мощность СВЧ-излучения на расстоянии 5 см от новой, только что купленной печи составляет 5 милливатт на квадратный сантиметр. Уже на расстоянии полуметра от микроволновки излучение становится в 100 раз слабее (см. рис. 5).
Как следствие столь сильного затухания, вклад микроволн в общий фон окружающего нас электромагнитного излучения не выше, чем, скажем, от телевизора, перед которым мы готовы сидеть часами без всякого опасения, или мобильного телефона, который мы так часто держим у виска. Просто не стоит опираться локтем на работающую микроволновую печь или прислоняться лицом к дверце, пытаясь разглядеть, что происходит в полости. Достаточно отойти от печи на расстояние вытянутой руки, и можно чувствовать себя в полной безопасности.
Откуда берутся микроволны
Источником микроволнового излучения является высоковольтный вакуумный прибор — магнетрон . Чтобы антенна магнетрона излучала микроволны, к нити накала магнетрона необходимо подать высокое напряжение (порядка 3-4 КВт). Поэтому сетевого напряжения питания (220 В) магнетрону недостаточно, и питается он через специальный высоковольтный трансформатор (рис. 6).
Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет 700-850 Вт. Этого достаточно, чтобы за несколько минут довести до кипения воду в 200-граммовом стакане. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом.
Порожденные магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу — каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. В одних микроволновках волны входят в полость только через одно отверстие (как правило, под «потолком» полости), в других — через два отверстия: у «потолка» и у «дна». Если заглянуть в полость печи, то можно увидеть слюдяные пластинки, которые закрывают отверстия для ввода микроволн. Пластинки не позволяют попадать в волновод брызгам жира, а проходу микроволн они совершенно не мешают, поскольку слюда прозрачна для излучения. Слюдяные пластинки со временем пропитываются жиром, становятся рыхлыми, и их нужно менять на новые. Можно вырезать новую пластинку из листка слюды самому по форме старой, но лучше купить новую пластинку в сервисном центре, который обслуживает технику данной торговой марки, благо стоит она недорого.
Полость микроволновки изготавливается из металла, который может иметь то или иное покрытие. В самых дешевых моделях СВЧ-печей внутренняя поверхность стенок полости покрыта краской «под эмаль». Такое покрытие не отличается стойкостью к воздействию высоких температур, поэтому не применяется в моделях, где дополнительно к микроволнам пища подогревается грилем.
Более стойким является покрытие стенок полости эмалью или специальной керамикой. Стенки с таким покрытием легко моются и выдерживают высокие температуры. Недостатком эмали и керамики является их хрупкость по отношению к ударам. Ставя посуду в полость микроволновки, нетрудно случайно задеть стенку, а это может повредить нанесенное на нее покрытие. Поэтому, если вы приобрели СВЧ-печь с эмалевым или керамическим покрытием стенок, обращайтесь с ней осторожно.
Наиболее прочными и стойкими в отношении ударов являются стенки из нержавеющей стали. Плюс этого материала — прекрасное отражение микроволн. Минус — то, что если хозяйка уделяет не слишком много внимания очистке внутренней полости СВЧ-печи, то не удаленные вовремя брызги жира и пищи могут оставить следы на нержавеющей поверхности.
Объем полости микроволновой печи служит одной из важных потребительских характеристик. Компактные печи с объемом полости 8,5-15 л служат для размораживания или приготовления малых порций пищи. Они идеально подходят для одиноких людей либо для выполнения специальных задач, например для разогрева бутылочки с детским питанием. Печи с полостью объемом 16-19 л годятся для семейной пары. В такую печь можно поместить небольшую курицу. Печи средних габаритов имеют объем полости 20-35 л и подходят для семьи из трех-четырех человек. Наконец, для большой семьи (пять-шесть человек) нужна СВ-печь с полостью объемом 36-45 л, позволяющая испечь гуся, индейку или большой пирог.
Очень важным элементом микроволновой печи является дверца. Она должна дать возможность видеть, что происходит в полости, и при этом исключить выход микроволн наружу. Дверца представляет собой многослойный пирог из стеклянных или пластмассовых пластин (рис. 7).
Кроме того, между пластинами обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а отверстия перфорации, которые делают его прозрачным для обзора, имеют диаметр не более 3 мм. Вспомним, что длина волны СВЧ-излучения равна 12,25 см. Ясно, что через трехмиллиметровые отверстия такой волне не пройти.
Чтобы излучение не нашло лазейки там, где дверца прилегает к срезу полости, по периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала. Он плотно прилегает к переднему торцу корпуса СВЧ-печи при закрытии дверцы. Толщина уплотнителя составляет порядка четверти длины волны СВЧ-излучения. Здесь используется расчет, основанный на физике волн: как известно, волны в противофазе гасят друг друга. Благодаря точно подобранной толщине уплотнителя обеспечивается так называемая отрицательная интерференция волны, проникшей внутрь материала уплотнителя, и отраженной волны, выходящей из уплотнителя наружу. Благодаря этому уплотнитель служит ловушкой, надежно гасящей излучение.
Чтобы полностью исключить возможность генерации микроволн при открытой дверце камеры, используется набор нескольких дублирующих друг друга независимых выключателей. Эти выключатели замыкаются контактными штырями на дверце печи и разрывают цепь питания магнетрона даже при небольшой неплотности закрытия дверцы.
Присмотревшись к микроволновым печам, выставленным в торговом зале крупного магазина бытовой техники, вы сможете заметить, что они различаются по направлению открытия дверцы: у одних печей дверца открывается в сторону (обычно влево), а у других откидывается к вам, образуя небольшую полочку. Последний вариант хоть и встречается реже, но дает дополнительное удобство при пользовании печью: горизонтальная плоскость открытой дверцы служит опорой при загрузке посуды в полость печи или при извлечении готового блюда. Нужно только не перегружать дверцу излишним грузом и не опираться на нее.
Как «перемешать» микроволны
Микроволны, вошедшие по волноводу в полость печи, хаотично отражаются от стенок и рано или поздно попадают на помещенные в печь продукты. При этом на каждую точку, скажем, куриной тушки, которую мы хотим разморозить либо поджарить, приходят волны с самых разных направлений. Неприятность состоит в том, что уже упомянутая нами интерференция может сработать как в «плюс», так и в «минус»: пришедшие в фазе волны усилят одна другую и прогреют участок, на который они попали, а пришедшие в противофазе — погасят друг друга, и проку от них не будет никакого.
Чтобы волны проникали в продукты равномерно, их надо как бы «перемешать» в полости печи. Самим же продуктам лучше в буквальном смысле повертеться в полости, подставляя под поток излучения разные бока. Так в микроволновых печах появился поворотный стол — блюдо, опирающееся на небольшие ролики и приводимое в движение электромотором (рис. 8,б).
«Перемешивать» микроволны можно разными способами. Наиболее простое и прямолинейное решение — подвесить под «потолком» полости мешалку: вращающуюся крыльчатку с металлическими лопастями, которые отражают микроволны. Такая мешалка называется диссектор (рис. 8,а). Он хорош своей простотой и, как следствие, низкой стоимостью. Но, к сожалению, высокой равномерностью волнового поля СВЧ-печи с механическим отражателем микроволн не отличаются.
Сочетание вращающегося диссектора и поворотного стола для продуктов иногда носит специальное название. Так, в микроволновых печах Mielе это называется системой Duplomatic.
В некоторых микроволновках (например, модели Y82, Y87, ET6 от «Moulinex») сделаны два поворотных стола, расположенных один над другим. Такая система называется DUO и позволяет готовить два блюда одновременно. Каждый стол имеет отдельный привод через гнездо на задней стенке полости печи.
Более тонким, но зато и эффективным способом достижения равномерного волнового поля является тщательная работа над геометрией внутренней полости печи и создание оптимальных условий для отражения волн от ее стенок. Такие «продвинутые» системы распределения микроволн у каждого производителя печей имеют свое «фирменное» название.
Расписание работы магнетрона
Любая микроволновая печь позволяет владельцу задать мощность, необходимую для выполнения той или иной функции: от минимальной мощности, достаточной для поддержания пищи подогретой, до полной мощности, которая нужна для приготовления пищи в загруженной продуктами печи.
Особенностью магнетронов, применяемых в большинстве микроволновых печей, является то, что они не могут «гореть вполнакала». Поэтому, чтобы печь работала не на полной, а на уменьшенной мощности, можно лишь периодически выключать магнетрон, прекращая на какое-то время генерацию микроволн.
Когда печь работает на минимальной мощности (пусть это будет 90 Вт, при этом пища в полости печи поддерживается в подогретом состоянии), магнетрон включается на 4 с, затем отключается на 17 с, и эти циклы включения-выключения все время чередуются.
Увеличим мощность, скажем, до 160 Вт, если нам нужно разморозить продукты. Теперь магнетрон включается на 6 с, а отключается на 15 с. Прибавим мощность: при 360 Вт длительность циклов включения и выключения почти сравнялась — это 10 с и 11 с соответственно.
Заметим, что суммарная длительность циклов включения и выключения магнетрона остается постоянной (4 + 17, 6 + 15, 10 + 11) и составляет 21 с.
Наконец, если печь включена на полную мощность (в нашем примере это 1000 Вт), магнетрон работает постоянно, не отключаясь.
В последние годы на отечественном рынке появились модели микроволновых печей, в которых питание магнетрона осуществляется через устройство под названием «инвертор». Производители этих печей («Panasonic», «Siemens») подчеркивают такие преимущества инверторной схемы, как компактность узла излучения микроволн, позволяющего увеличить объем полости при неизменных внешних габаритах печи и более эффективное преобразование потребляемой электроэнергии в энергию микроволн.
Инверторные системы питания широко применяются, например, в кондиционерах воздуха и позволяют плавно менять их мощность. В СВЧ-печах инверторные системы питания дают возможность плавно менять мощность источника излучения, вместо того чтобы отключать его каждые несколько секунд.
Благодаря плавному изменению мощности излучателя микроволн в печах с инвертором температура также меняется плавно, в отличие от традиционных печей, где из-за периодического выключения магнетрона время от времени прекращается подвод излучения. Впрочем, будем справедливы к традиционным печам: эти колебания температуры не столь уж сильны и вряд ли сказываются на качестве приготовленной пищи.
Так же, как в случае кондиционеров, микроволновки с инверторной системой питания стоят дороже, чем с традиционной.
Знаете ли вы …
что в микроволновой печи можно разогревать любое молоко без всякого ущерба для его питательных свойств? Единственное исключение — свежесцеженное грудное молоко: под воздействием микроволн оно утрачивает содержащиеся в нем компоненты, жизненно необходимые младенцу.
что иногда вращение стола лучше отменить. Это позволит готовить большие по объему блюда (лосось, индейку и т. д.), которым просто не повернуться в полости, не задев ее стенок. Воспользуйтесь функцией отмена вращения, если она имеется в вашей микроволновке.
Что такое микроволны?
В современной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Взгляните на ваш сотовый телефон – он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.
Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, 3G, 4G, LTE (Long Term Evolution), радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.
СВЧ нашли применение в промышленности и медицине. По-другому СВЧ волны ещё называют микроволнами. Работа бытовой микроволновой печи также основана на применении СВЧ излучения.
Микроволны – это те же самые радиоволны, но длина волны у таких волн составляет от десятков сантиметров до миллиметра. Микроволны занимают промежуточное место между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона. Такое промежуточное положение оказывает влияние и на свойства микроволн. Микроволновое излучение обладает свойствами, как радиоволн, так и световых волн. Например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.
Станция мобильной сети стандарта LTE
Микроволны, длина волны которых составляет сантиметры, при высоких уровнях излучения способны оказывать биологическое воздействие. Кроме этого сантиметровые волны хуже проходят через здания, чем дециметровые.
СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в диапазоне СВЧ. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный сигнал, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.
Микроволны подобно свету распространяются по прямой и перекрываются твёрдыми объектами, наподобие того, как свет не проходит сквозь непрозрачные тела. Так, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок или перекрытий, сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.
Излучение от базовых станций сотовой связи GSM довольно сильно ослабляют сосновые леса, так как размеры и длина иголок приблизительно равны половине длины волны, и иголки служат своеобразными приёмными антеннами, тем самым ослабляя электромагнитное поле. Также на ослабление сигнала станций влияют и густые тропические леса. С ростом частоты увеличивается затухание СВЧ–излучения при перекрытии его естественными препятствиями.
Аппаратуру сотовой связи можно обнаружить даже на столбах электроснабжения
Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.
Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обслуживания делиться на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы рядом расположенные станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот.
Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономиться полоса радиочастот, используемая сетью связи.
Антенны базовых станций GSM
Радиочастотный спектр является природным, ограниченным ресурсом, наподобие нефти или газа. Распределением частот в России занимается государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ. Чтобы получить разрешение на развёртывание сетей беспроводного доступа порой ведутся настоящие «корпоративные войны» между операторами мобильных сетей связи.
Почему микроволновое излучение используется в системах радиосвязи, если оно не обладает такой дальностью распространения, как, например, длинные волны?
Причина в том, что чем выше частота излучения, тем больше информации можно передавать с его помощью. К примеру, многие знают, что оптоволоконный кабель обладает чрезвычайно высокой скоростью передачи информации исчисляемой терабитами в секунду.
Все высокоскоростные телекоммуникационные магистрали используют оптоволокно. В качестве переносчика информации здесь служит свет, частота электромагнитной волны которого несоизмеримо выше, чем у микроволн. Микроволны в свою очередь имеют свойства радиоволн и беспрепятственно распространяются в пространстве. Световой и лазерные лучи сильно рассеиваются в атмосфере и поэтому не могут быть использованы в мобильных системах связи.
У многих дома на кухне есть СВЧ–печь (микроволновка), с помощью которой разогревают пищу. Работа данного устройства основана на поляризационных эффектах микроволнового излучения. Следует отметить, что разогрев объектов, с помощью СВЧ–волн происходит в большей степени изнутри, в отличие от инфракрасного излучения, которое разогревает объект снаружи внутрь. Поэтому нужно понимать, что разогрев в обычной и СВЧ–печи происходит по-разному. Также микроволновое излучение, например, на частоте 2,45 ГГц способно проникать внутрь тела на несколько сантиметров, а производимый нагрев ощущается при плотности мощности в 20 – 50 мВт/см 2 при действии излучения в течение нескольких секунд. Понятно, что мощное СВЧ–излучение может вызывать внутренние ожоги, так как разогрев происходит изнутри.
На частоте работы микроволновки, равной 2,45 Гигагерцам, обычная вода способна максимально поглощать энергию сверхвысокочастотных волн и преобразовывать её в тепло, что, собственно, и происходит в микроволновке.
В то время пока идут неутихающие споры о вреде СВЧ-излучения военные уже имеют возможность проверить на деле так называемую «лучевую пушку». Так в Соединённых штатах разработана установка, которая «стреляет» узконаправленным СВЧ-лучом.
Установка на вид представляет собой что-то вроде параболической антенны, только невогнутой, а плоской. Диаметр антенны довольно большой – это и понятно, ведь необходимо сконцентрировать СВЧ-излучение в узконаправленный луч на большое расстояние. СВЧ-пушка работает на частоте 95 Гигагерц, а её эффективная дальность «стрельбы» составляет около 1 километра. По заявлениям создателей – это не предел. Вся установка базируется на армейском хаммере.
По словам разработчиков, данное устройство не представляет смертельной угрозы и будет применяться для разгона демонстраций. Мощность излучения такова, что при попадании человека в фокус луча, у него возникает сильное жжение кожи. По словам тех, кто попадал под такой луч, кожа будто бы разогревается очень горячим воздухом. При этом возникает естественное желание укрыться, сбежать от такого эффекта.
Действие данного устройства основано на том, что микроволновое излучение частотой 95 ГГц проникает на пол миллиметра в слой кожи и вызывает локальный нагрев за доли секунды. Этого достаточно, чтобы человек, оказавшийся под прицелом, ощутил боль и жжение поверхности кожи. Аналогичный принцип используется и для разогрева пищи в микроволновой печи, только в микроволновке СВЧ-излучение поглощается разогреваемой пищей и практически не выходит за пределы камеры.
На данный момент биологическое воздействие микроволнового излучения до конца не изучено. Поэтому, чтобы не говорили создатели о том, что СВЧ-пушка не вредна для здоровья, она может причинить вред органам и тканям человеческого тела.
Стоит отметить, что СВЧ-излучение наиболее вредно для органов с медленной циркуляцией тепла – это ткани головного мозга и глаз. Ткани мозга не имеют болевых рецепторов, и почувствовать явное воздействие излучения не удастся. Также с трудом вериться, что на разработку «отпугивателя демонстрантов» будут отпускаться немалые деньги – 120 миллионов долларов. Естественно, это военная разработка. Кроме этого нет особых преград, чтобы увеличить мощность высокочастотного излучения пушки до такого уровня, когда его уже можно использовать в качестве поражающего оружия. Также при желании её можно сделать и более компактной.
В планах военных создать летающую версию СВЧ-пушки. Наверняка её установят на какой-нибудь беспилотник и будут управлять им удалённо.
Вред микроволнового излучения
В документах на любой электронный прибор, который способен излучать СВЧ-волны упоминается так называемый SAR. SAR – это удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии. Простым языком – это мощность излучения, которая поглощается живыми тканями тела. Измеряется SAR в ваттах на килограмм. Так вот, для США определён допустимый уровень в 1,6 Вт/кг. Для Европы он чуть больше. Для головы 2 Вт/кг, для остальных частей тела и вовсе 4 Вт/кг. В России действуют более строгие ограничения, а допустимое излучение меряется уже в Вт/см 2 . Норма составляет 10 мкВт/см 2 .
Несмотря на то, что СВЧ излучение принято считать неионизирующим, стоит отметить, что оно в любом случае оказывает влияние на любые живые организмы. Например, в книге «Мозг в электромагнитных полях» (Ю. А. Холодов) приводятся результаты множества экспериментов, а также тернистая история внедрения норм на облучение электромагнитными полями. Результаты весьма любопытны. Микроволновое излучение влияет на многие процессы, протекающие в живых организмах. Если интересно, почитайте.
Из всего этого следует несколько простых правил. Как можно меньше болтать по мобильному телефону. Держать его подальше от головы и важных частей тела. Не спать со смартфоном в обнимку. По возможности использовать гарнитуру. Держаться подальше от базовых станций сотовой связи (речь идёт о жилых и рабочих помещениях). Не секрет, что антенны подвижной связи ставят на крышах жилых домов.
Также стоит «швырнуть камень в огород» мобильного интернета при использовании смартфона или планшета. Если вы «сидите в интернете», то устройство постоянно передаёт данные базовой станции. Даже если излучение по мощности небольшое (всё зависит от качества связи, помех и удалённости базовой станции), то при длительном использовании негативный эффект обеспечен. Нет, вы не облысеете и не начнёте светиться. В мозгу нет болевых рецепторов. Поэтому он будет устранять «проблемы» по «мере сил и возможностей». Просто будет сложнее сконцентрироваться, усилится усталость и пр. Это как пить яд малыми дозами.
Что значит СВЧ: расшифровка аббревиатуры
Многие не раз слышали выражение СВЧ, видели эти буквы на разных приборах или инструкциях к ним. Однако далеко не все знают, что обозначает эта аббревиатура. Подробная расшифровка СВЧ поможет лучше понять суть этого термина и узнать, в каких областях он применяется чаще всего.
Сверхвысокая частота
Дословно сокращённое выражение расшифровывается как сверхвысокая частота. Для обывателя эти слова могут показаться непонятными. Чтобы лучше понять, что значит СВЧ, необходимо иметь хотя бы минимум знаний из области физики. Эта наука изучает разные типы электромагнитного излучения:
- сверхдлинное (радиоволны);
- терагерцевое;
- инфракрасное;
- оптическое;
- ультрафиолетовое;
- жёсткое и рентгеновское.
Волны сверхвысокой частоты занимают место между частотой инфракрасной дальней области и ультравысокими частотами. Их длина образует широкий диапазон от одного миллиметра до тридцати сантиметров. В сравнении со сверхдлинными радиоволнами, длина которых измеряется сотнями метров, размер СВЧ-волн чрезвычайно мал, поэтому их ещё называют сантиметровым или дециметровым диапазоном. В зарубежной литературе излучение сверхвысокой частоты принято называть микроволновым.
Особенность волн со сверхвысокой частотой заключается в том, что они объединяют в себе свойства, присущие как световому излучению, так и радиоволнам. К примеру, так же как и лучи света, СВЧ-волны способны отражаться, фокусироваться, распространяться по прямой.
Спутниковая связь и радиолокация
Ещё одно сходство такого излучения со световыми лучами заключается в способности передавать информацию в режиме повышенной плотности. Т. е. один луч сверхвысокой частоты может транслировать до тысячи телефонных разговоров. Это свойство позволило с успехом применить СВЧ-излучение:
- В радиолокации. Суть использования СВЧ в радиолокационном оборудовании заключается в том, что запущенные в пространство короткие и интенсивные импульсы частично отражаются от удалённых предметов, возвращаются и регистрируются специальными приборами. Интерес к такой технике обнаружения предметов возник ещё во время Второй Мировой войны, когда чрезвычайно остро стоял вопрос поиска.
- В коммерческих линиях связи. Преимущество использования лучей сверхвысокой частоты в этой области заключается в траектории их распространения. В отличие от других волн, используемых для обеспечения связи, СВЧ проходят не по линии поверхности земли, имеющей множество неровностей, а по прямой от одной ретрансляционной станции к другой. Чтобы сигнал передавался быстро и качественно, такие станции располагают на большой высоте через каждые 50 км. Обустройство коммерческих линий обходится достаточно дорого, но цена полностью компенсируется низким потреблением электроэнергии и высокой информационной ёмкостью каналов связи.
Ещё одна сфера, где эффективно используются СВЧ-волны — это спутниковая связь. На суше она обеспечивается с помощью системы радиобашен, транслирующих сигналы на большие расстояния. В случае с межконтинентальными переговорами роль ретрансляторов выполняют искусственные спутники, располагающиеся на геостационарной орбите Земли. В каждом спутнике сосредотачиваются тысячи каналов связи, гарантирующих одновременную передачу высококачественных телефонных и телевизионных сигналов пользователям современных устройств.
Применение в быту
Наверняка каждый, кто хоть раз задумывался, что значит СВЧ, как расшифровывается это выражение, сразу же вспоминал про микроволновую печь. Этот устройство является, пожалуй, самым известным примером использования волн сверхвысокой частоты в быту. В его основе заложено тепловое воздействие СВЧ-волн.
Это свойство было случайно обнаружено американским учёным-физиком Перси Спенсером в далёком 1942 году. В результате, спустя три года, учёный получил патент на применение излучения в процессе приготовления пищи. Уже через пару лет в военных госпиталях и столовых появилось устройство весом более 300 кг, являющееся прототипом современной микроволновки. За несколько десятилетий прибор существенно изменился. В него была встроена микропроцессорная система управления, появился вращающийся стол. Современные модели имеют возможность соединения с интернетом.
Несмотря на все модернизации и видоизменения, главным достоинством микроволновой печи была и остаётся скорость разогрева и приготовления пищи. Эта скорость обеспечивается благодаря тепловому воздействию микроволн не только на поверхность, а на весь объём продукта.
Устройство и принцип работы микроволновки
Устройство микроволновой печи нельзя назвать чересчур сложным. Её конструкция состоит из:
- Металлической камеры. В неё помещают продукты для приготовления.
- СВЧ-излучателя (магнетрона).
- Трансформатора. Он обеспечивает магнетрон высоковольтным питанием.
- Волновода. По нему излучение от магнетрона передаётся к камере.
Равномерный разогрев пищи в печи обеспечивается за счёт вращения специального столика. Встроенный внутрь вентилятор помогает избежать перегрева в процессе работы, электронные схемы делают управление микроволновкой максимально удобным и безопасным.
Разогрев продуктов, помещённых в металлическую камеру, происходит за счёт воздействия на них мощных лучей частотой 2450 МГц. Проникая внутрь на глубину порядка 3 см, эти лучи приводят в движение полярные молекулы, в большом количестве присутствующие во всех продуктах питания. В результате интенсивного движения молекул пища быстро разогревается.
Во время работы микроволновки температура внутри камеры достигает очень больших значений, поэтому в конструкции предусмотрен специальный элемент, предохраняющий прибор от перегрева — термопредохранитель (термореле). Основной деталью термореле является биметаллическая пластина, способная изменять форму под влиянием температуры.
Когда уровень нагрева достигает предельных значений, пластина меняет форму и заставляет действовать толкатель, который размыкает соединение пластин контактной группы и останавливает работу СВЧ-печи. По мере снижения температуры пластина регулятора возвращается в первоначальное положение, контакты замыкаются, устройство снова начинает свою работу.
Помимо бытового использования, печи, работающие на основе СВЧ-излучения, нашли применение в промышленности. Их используют для обработки стройматериалов, размягчения горных пород, рекультивации нефти и др.
Что такое микроволны
Микроволновое или, иначе, сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра. Сфера применения микроволновой техники в настоящее время достаточно широка и по мере развития науки и технологии все больше внедряется в нашу повседневную жизнь. Кроме рассматриваемых микроволновых печей можно отметить такие области применения, как радиолокация, радионавигация, системы спутникового телевидения, телефонная сотовая связь и многое другое. В последнее время идут интенсивные и небезуспешные исследования по использованию микроволн в медицине и биологии.
Физическая природа микроволнового излучения такая же, как у света или радиоволн. Отличие только в частоте, с которой происходят электромагнитные колебания, или в длине волны, чтото же самое, поскольку последняя связана с частотой соотношением:
λ — длина волны,
с — скорость распространения волны;
f — частота.
Частота, с которой происходят колебания электромагнитного поля, в значительной степени влияет на его внешние свойства. Все знают о существовании радиоволн, инфракрасного или теплового и ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучах и видимом свете. Но все это разные проявления одного и того же явления — электромагнитных волн.
Различие заключается только в одном — в частоте колебаний (рис. 1).
Рис. 1 Шкала электромагнитных волн
И, тем не менее, свойства перечисленных явлений могут отличаться как день от ночи. Причина заключается в соизмеримости длины волны с различными физическими объектами. Например, свет или рентгеновское излучение легко проходят через кристалл, у которого расстояние между атомами меньше длины волны и, наоборот, длинноволновое излучение не сможет проникнуть, допустим, в металлическую трубу даже очень большого диаметра.
Поэтому, попав каким-нибудь загадочным образом в цельнометаллический тоннель с транзисторным приемником, не пытайтесь его трясти и бить о стену в надежде извлечь звуки, отличные от треска и шипения.
Если в низкочастотной электронике принято оперировать понятиями токов и напряжений, то в микроволновом диапазоне в большинстве случаев используются величины, характеризующие электромагнитное поле. Главные из них — это напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н.
Для наглядности электрические и магнитные поля принято изображать в виде силовых линий. Силовые линии не являются реально существующими физическими величинами, а лишь помогают графически отобразить то, что не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Касательная к силовой линии указывает направление сипы, действующей на электрический заряд или магнитный диполь, а плотность расположения силовых линий — на величину напряженности поля.
Например, на рис. 2 показано магнитное поле вокруг проводника с током и электрическое поле, образованное двумя точечными зарядами.
Рис. 2. Силовые линии электрического поля Е, образованные двумя разноименными точечными зарядами и магнитные силовые линии вокруг проводника с током Н
Длина волны микроволнового поля — величина того же порядка, что и компоненты электрических схем, поэтому последние очень сильно влияют на его распределение. Если в СВЧ цепь включен резистор, то его ориентация в пространстве, размеры и длина выводов имеют такое же значение, как и номинал, а в некоторых случаях и более важное. Такие компоненты, как конденсаторы и индуктивности, вообще выполняются на СВЧ платах в виде утолщения или сужения токоведущего проводника. В этом есть некоторое преимущество, поскольку многие пассивные элементы технологически можно выполнить очень легко и с минимальными затратами.
Например, колебательная система магнетрона, используемого в микроволновых печах, представляет собой медную штампованную болванку со специальными отверстиями. Аналогичная конструкция на более низких частотах потребовала бы не одного десятка конденсаторов и индуктивностей. Но за все в жизни приходится платить. В данном случае некоторая простота в изготовлении с лихвой перекрывается сложностью на этапе расчета и конструирования. Это одна из причин, которые сдерживают широкое распространение микроволновой техники. Есть и другие, не менее важные.
Большую сложность представляет проведение измерений на сверхвысоких частотах. Например, волновое сопротивление, хотя оно и измеряется в омах, невозможно измерить омметром.
Электрические параметры элементов микроволновой техники носят распределенный характер. Если в радиотехническом колебательном контуре электрическая энергия сосредоточена в конденсаторе, а магнитная в катушке индуктивности, то в СВЧ резонаторе, выполняющем ту же функцию, электрические и магнитные поля переплетены между собой и отделить емкость от индуктивности, за исключением отдельных специфических случаев, не представляется возможным. Пирожок, подогреваемый в микроволновой печи и, соответственно, являющийся нагрузкой СВЧ цепи, вносит в нее дополнительную емкость, а также индуктивность и сопротивление. Переместив пирожок внутри камеры, мы поменяем соотношение между этими параметрами, поэтому бессмысленно измерять пирожки в микрофарадах, даже если бы они хорошо подходили для использования в СВЧ цепях по другим причинам.
Еще одно препятствие на пути микроволновой техники лежит в плоскости теории. В классической электротехнике существует ряд фундаментальных законов, таких, как закон Ома, законы Кирхгофа и др., с помощью которых можно рассчитать электрическую цепь. Иногда это просто, иногда очень просто, а иногда сверхсложно, но тем не менее можно.
Однако в СВЧ диапазоне применение этих законов в чистом виде, как правило, невозможно. Как, например, использовать закон Ома, устанавливающий соотношение между током и напряжением, если отсутствует само понятие напряжения? Все законы классической электротехники имеют ограниченный характер. Это вовсе не означает, что они неверны, но они справедливы только там, где отсутствует излучение.
Ранее отмечалось, что радиоволны и видимый свет имеют одну и ту же физическую природу. Но ведь никому не придет в голову измерять яркость солнечного света в вольтах или амперах. В свою очередь законы оптики тяжело использовать при конструировании электрического чайника. В ограниченном применении физических законов нет ничего необычного. В природе подобные явления встречаются на каждом шагу. К примеру, в механике в свое время было обнаружено, что при скоростях, близких к скорости света, не выполняются законы Ньютона, длительное время считавшиеся незыблемыми. И только после появления теории относительности Эйнштейна, дополнившей механику Ньютона, все стало на свои места. Оказалось, что существует более общий закон природы, включающий в себя закон Ньютона как составную часть.
Подобная же ситуация сложилась в электродинамике. Существуют уравнения Максвелла, более полно описывающие процессы, связанные с электромагнитным полем во всем спектре электромагнитных колебаний. Законы классической электротехники, как и законы оптики, можно считать частными случаями уравнений Максвелла.
В свою очередь, и уравнения Максвелла не являются универсальными. При электромагнитных взаимодействиях элементарных частиц вступают в силу законы квантовой механики, дополняющие уравнения Максвелла. Вполне возможно, что через некоторое время и законы квантовой механики также придется рассматривать как частный случай более общей теории.
Уже давно ученые пытаются вывести единую теорию поля, объединяющую все известные виды взаимодействий: гравитационное (описывающее силы притяжения), электромагнитное, сильное и слабое (последние проявляются на уровне атомного ядра). Может возникнуть резонный вопрос: зачем вообще использовать большое количество частных законов, не проще ли пользоваться одним универсальным?
Но проблема в том, что чем более общий характер носит тот или иной закон природы, тем сложнее его практическое использование. К примеру, самый отпетый троечник, имея под рукой нужные формулы, без труда вычислит мощность, теряемую в резисторе при прохождении электрического тока. Но попробуйте решить ту же задачу с помощью уравнений Максвелла. Без всяких натяжек это предмет для докторской диссертации. Исключительно для иллюстрации ниже приведена система указанных уравнений для изотропной и однородной среды:
Что будет в случае анизотропной и неоднородной среды, читатель может домыслить сам. Если бы электротехникам, в своей работе, приходилось пользоваться исключительно данными уравнениями, мы, скорее всего, до сих пор читали бы при свечах.
К счастью, природа распорядилась иначе. Так в низкочастотной электронике, используются намного более простые физические законы, которые можно теоретически вывести из уравнений Максвелла, хотя ради справедливости следует отметить, что большинство из них были экспериментально открыты до того, как Максвелл создал свои уравнения. Такое упрощение возможно, когда размеры электронных компонентов намного меньше длины волны. В этом случае излучение радиоволн практически отсутствует и, поэтому, можно считать, что вся энергия передается вдоль проводников, в виде электрического тока.
Примечание.
На самом деле и в этом случае энергия передается посредством электромагнитного поля. Провода лишь указывают полю маршрут. В качестве доказательства можно привести простой пример: обычная телефонная связь между Санкт-Петербургом и Владивостоком осуществляется по проводам. Если бы энергия передавалась не полем, а носителями тока — электронами, скорость которых значительно меньше скорости света, то ответ на «Привет!» ждать пришлось бы часами.
В качестве примера, представим, что на пути проводника с током имеется резистор. Если излучение отсутствует, теряемую в нем мощность можно легко вычислить по простой формуле:
Но, если этот же резистор поставить на пути распространения электромагнитной волны, то результат будет не столь очевиден.
Как уже отмечалось, микроволновый диапазон — это та часть электромагнитного спектра, где классическая электротехника уже не работает, а относительно простые законы оптики еще не работают. Поэтому при решении электродинамических проблем в указанном диапазоне приходится либо изощряться, приспосабливая законы оптики и классической электротехники к СВЧ, либо пытаться решать уравнения Максвелла, что в некоторых случаях приносит свои плоды.
Смысл этих уравнений состоит в следующем:
Первое уравнение говорит нам о том, что источником магнитного поля могут служить либо протекающий ток, либо меняющееся во времени электрическое поле. В некотором смысле это сходные вещи, поскольку электрический ток представляет собой движение электрических зарядов, а каждый движущийся заряд меняет окружающее электрическое поле и тем самым создает вокруг себя магнитное поле.
Это объясняет существование магнитного поля вокруг проводников на постоянном токе. Оно создано совокупностью всех движущихся по проводнику зарядов.
Из второго уравнения следует, что меняющееся во времени магнитное поле порождает замкнутое электрическое поле. Остановимся на этом следствии более подробно.
В низкочастотной электронике принято считать, что источником электрического поля служат электрические заряды. В этом случае силовые линии поля исходят с поверхности заряда или сходятся на нем. Система уравнений Максвелла это не отвергает, указанное свойство отражено в третьем уравнении, однако помимо этого может существовать такая конфигурация электрического поля, когда его силовые линии замкнуты сами на себя, аналогично магнитным силовым линиям.
Подобное поле может существовать только в динамике, и чем быстрее происходит изменение магнитного лоля, тем благоприятнее условия для возникновения электрического. Именно поэтому на низких частотах полевые эффекты практически не проявляются и ими можно пренебречь. Наличие кольцевого электрического поля создает возможность для возникновения и распространения радиоволн.
Поясню это на следующем примере: допустим, у нас имеется проводник, по которому протекает высокочастотный ток. Вокруг этого проводника, следовательно, будет существовать быстро изменяющееся магнитное поле. Это, в свою очередь, приведет к возникновению кольцевого электрического поля, меняющегося с той же частотой. Последнее породит магнитное поле, и так до бесконечности. Исходный проводник с током, являющийся антенной, только инициирует процесс, а дальше все происходит само собой. Энергия электрического поля переходит в магнитную энергию, и наоборот. Причем весь этот процесс не стоит на месте, а распространяется с максимально допустимой скоростью — 300 000 км/сек.
И, наконец, последнее уравнение Максвелла указывает на отсутствие в природе одиночных магнитных зарядов. Последнее обстоятельство вносит некоторую асимметрию в систему уравнений.
Действительно, если в электростатике имеются положительные и отрицательные заряды, способные существовать независимо друг от друга, то магнитные полюса неразделимы, как сиамские близнецы. На какие бы мелкие части мы ни дробили постоянный магнит, мы никогда не получим отдельно S или N полюс. Подобная асимметрия, как бы демонстрирующая приоритет одного поля над другим, смущала многих физиков с момента появления рассматриваемых уравнений. Попытки обнаружить отдельный магнитный полюс никогда не прекращались и предпринимаются до сих пор. И не только из праздного научного любопытства. Если бы удалось на практике разделить магнитные полюса, это совершило бы такую революцию в технике, масштабы которой трудно даже представить.
Заканчивая с разбором уравнений Максвелла, совершим небольшой экскурс в историю. В середине прошлого века, когда были получены эти уравнения, о существовании электромагнитных волн еще никто не подозревал. Эти уравнения как бы обобщали и сводили воедино все, что было известно физикам того времени об электричестве и магнетизме. Лишь в результате анализа полученных уравнений Максвелл пришел к выводу о наличии в природе электромагнитных волн и о скорости их распространения, в точности совпадающей с известной к тому времени скоростью света.
На основании этого была высказана гипотеза об электромагнитной природе видимого света, подтвержденная дальнейшими исследованиями.
Примерно такая же ситуация возникла при открытии Менделеевым его Периодической таблицы, предсказавшей существование в природе многих химических элементов, до той поры неизвестных науке. Уместно в этой связи привести слова немецкого физика Генриха Герца, посвященные теории Максвелла: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено».
И действительно, мог ли предположить Максвелл, какой переворот в жизни людей совершит практическая реализация изобретений, в основе которых лежат четыре его уравнения.