Рис. 2. Зависимость от энергии фотона Е? в лабораторной системе полного сечения ? (?p) поглощения фотонов протонами, приводящего к образованию адронов. Максимумы соответствуют возбуждению фотонами нуклонных резонансов.
Рис. 3. Поведение сечений s (в произвольных единицах) процессов е ++ е -® m ++ m -(а) и е ++ е -® К ++ К -(б) в окрестности порога рождения j-мезона. По оси абсцисс отложена разность Е - Мс 2, где Е- полная энергия в системе центра масс, М- масса покоя j-мезона ( Мс 2= 1019,5 Мэв). Пунктирная кривая на рис. а - предсказание квантовой электродинамики. Сплошные кривые - результаты расчётов с учётом превращения виртуального фотона в j-мезон и его последующего распада на пару m +m -через виртуальный фотон или на К ++ К -. Экспериментальные точки получены на установке со встречными пучками е +е -.
Электромагнитные волны
Электромагни'тные во'лны, ,распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. в 1832. Дж. в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со сво все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. ,что сыграло решающую роль для её утверждения.
Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию ,света, и .Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Еи магнитного Нполей связана с длиной волны l соотношением: l =2p с/w .Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение находят своё место в единой шкале Э. в. ( рис. ), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.
Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются .Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды еи токи I,то изменение их со временем tприводит к Э. в. На скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в которой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место волн, вблизи неоднородностей наблюдаются волн, волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E( t) и H( t) ,определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. ) и другие особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой - свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям:
;
,
описывающим распространение плоских монохроматических Э. в.:
Е = E 0cos ( kr -w t+ j)
Н = H 0cos ( kr -w t+ j).
Здесь e - ,mС - магнитная проницаемость среды, E 0и H 0 -амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w -частота этих колебаний, j - произвольный сдвиг фазы, k -волновой вектор, r -радиус-вектор точки; С 2- .
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. , , ) .
Характер изменения во времени Еи Нопределяется законом изменения тока Iи зарядов e, возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует I( t) или e( t) .Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и Э. в. распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Еи Н) .Простейший случай -возбуждение и распространение Э. в. в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l <<l ,по которому протекает ток I = I 0sin w t). На расстоянии от диполя много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические Э. в. Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации (см. ) .
В изотропном пространстве скорость распространения гармонических Э. в., т. e. фазовая скорость
. При наличии дисперсии скорость переноса энергии
с(
) может отличаться от
v.Плотность потока энергии S, переносимой Э. в., определяется
: S =(с/4p) [
ЕН]
.Т
.к. в изотропной среде векторы
Е и Н иволновой вектор образуют правовинтовую систему, то
Sсовпадает с направлением распространения Э. в. В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей)
Sможет не совпадать с направлением распространения Э. в.
Появление квантовых генераторов, в частности ,позволило достичь напряжённости электрического поля в Э. в., сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде (e и m зависят от Еи Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ,характеризующаяся резкими изменениями Еи Н(разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная Э. в. далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых Э. в. распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких смдо .При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. , ) .
Э. в. различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных волн до достаточно полно описываются соотношениями .На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.
внесла существенные дополнения и в само представление об Э. в. Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматических Э. в. с частотой w и волновым вектором
k,а как поток квазичастиц -
с энергией
и импульсом
(
-
)
.Волновые свойства проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные - в
и
.
Лит.:Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976.
В. В. Мигулин.
Шкала электромагнитных волн.
Электромагнитные колебания
Электромагни'тные колеба'ния,взаимосвязанные колебания электрического ( Е) и магнитного ( Н) полей, составляющих единое .Распространение Э. к. происходит в виде ,скорость которых в вакууме равна скорости света с,а длина волны l связана с периодом Ти частотой w соотношением: l = cT = 2p с/w .По своей природе Э. к. представляют собой совокупность фотонов, и только при большом числе фотонов их можно рассматривать как непрерывный процесс.
Различают вынужденные Э. к., поддерживаемые внешними источниками, и собственные Э. к., существующие и без них. В неограниченном пространстве или в системах с потерями энергии (диссипативных) возможны собственные Э. к. с непрерывным спектром частот. Пространственно ограниченные консервативные (без потерь энергии) системы имеют дискретный спектр собственных частот, причём каждой частоте соответствует одно или несколько независимых колебаний ( ) . Например, между двумя отражающими плоскостями, отстоящими друг от друга на расстояние l, возможны только синусоидальные Э. к. с частотами w n= пp с/l,где п -целое число. Собственно моды имеют вид синусоидальных ,в которых колебания векторов Еи Нсдвинуты во времени на T/4, а пространственные распределения их амплитуд смещены на l/4, так что максимумы (пучности) Есовпадают с нулями (узлами) Ни наоборот. В таких Э. к. энергия в среднем не переносится в пространстве, но внутри каждого четвертьволнового участка между узлами полей происходит независимая периодическая перекачка электрической энергии в магнитную и обратно.
Представление Э. к. в виде суперпозиции мод с дискретным или непрерывным спектром допустимо для любой сложной системы проводников и диэлектриков (см. , , ) ,если поля, токи, заряды в них связаны между собой линейными соотношениями. В квазистационарных системах, размеры которых значительно меньше длины волны, области, где преобладают электрические или магнитные поля, могут быть пространственно разделены и сосредоточены в отдельных элементах: Е -в ёмкостях С, Н -в индуктивностях L.Типичный пример такой системы с сосредоточенными параметрами - ,где происходят колебания зарядов на обкладках конденсаторов и токов в катушках самоиндукции. Э. к. в системах с распределёнными параметрами Lи С, имеющие дискретный спектр собственных частот, могут быть представлены как Э. к. в связанных колебательных контурах (электромагнитных осцилляторах), число которых равно числу мод.
В средах Э. к. взаимодействуют со свободными и связанными заряженными частицами (электронами, ионами), создавая индуцированные токи. Токи проводимости обусловливают потери энергии и затухание Э. к.; токи, обусловленные поляризацией и намагниченностью среды, определяют значения её и ,а также скорость распространения в ней электромагнитных волн и спектр собственных частот Э. к. Если индуцированные токи зависят от Еи Ннелинейно, то период, форма и другие характеристики Э. к. зависят от их амплитуд (см. ) ;при этом принцип суперпозиции недействителен, и может происходить перекачка энергии Э. к. от одних частот к другим. На этом основаны принципы работы большинства генераторов, усилителей и преобразователей частоты Э. к. (см. , ) .Возбуждение Э. к. в устройствах с сосредоточенными параметрами, как правило, осуществляется путем прямого подключения к ним генераторов, в высокочастотных устройствах с распределёнными параметрами - путём возбуждения Э. к. при помощи различных элементов связи (вибраторов, петель связи, рамок, отверстий и др.), в оптических устройствах - с применением линз, призм, отражающих полупрозрачных зеркал и т. д.
Лит.:Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Андронов А. А, Витт А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Парселл Э., Электричество и магнетизм, пер. с англ., 2 изд., М., 1975 (Берклеевский курс физики, т. 2); Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ., 2 изд., М., 1976 (Берклеевский курс физики, т. 3).
М. А. Миллер, Л. А. Островский.
Электромагнитный выключатель
Электромагни'тный выключа'тель, ,служащий для отключения высоковольтных цепей под нагрузкой в нормальных и вынужденных режимах работы; принципиально отличается от выключателей других систем тем, что гашение электрической дуги, возникающей между расходящимися в процессе отключения цепи контактами выключателя, осуществляется непосредственно в воздушной среде т. н. электромагнитным дутьём в .Дуга затягивается в камеру дугогасительного устройства мощным магнитным полем, создаваемым электромагнитами, в обмотках которых протекает отключаемый ток. Обмотки электромагнитов имеют такую полярность, при которой создаваемое магнитное поле затягивает дугу в дугогасительную камеру (камеры), где дуга растягивается и охлаждается, её сопротивление резко увеличивается и она гаснет. Дугогасительные камеры выполняются из жаростойких материалов, обладающих высокой диэлектрической прочностью, теплопроводностью и теплоёмкостью. В Э. в. переменного тока для повышения надёжности работы обычно предусматривается воздушный поддув, который ускоряет перемещение дуги в камеру. Э. в. применяют обычно в сетях на напряжение 6-10 кв.
Лит.:Вабиков М. А., Электрические аппараты, ч. 3, М. - Л., 1963; Бронштейн А. М., Курицын В. П., Улиссова И. Н., Электромагнитные выключатели и опыт их эксплуатации, «Электричество», 1971, № 4; Быков Е. И., Колузаев А. М., Электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10, М., 1973.
Р. Р. Мамошин.
Электромагнитный насос
Электромагни'тный насо'с,
1) насос поршневого типа или диафрагмовый насос, у которого поступательно-возвратное движение рабочего органа осуществляется стальным сердечником, вставленным в соленоид, подключенный к источнику электроэнергии.
2) То же, что .
Электромагнитный прибор
Электромагни'тный прибо'р, ,принцип действия которого основан на взаимодействии магнитного поля, пропорционального измеряемой величине, с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала. Основные элементы Э. п.: измерительная схема, преобразующая измеряемую величину в постоянный или переменный ток, и измерит, механизм электромагнитной системы ( рис. ). Электрический ток в катушке электромагнитной системы создаёт электромагнитное поле, втягивающее сердечник в катушку, что приводит к возникновению на оси вращающего момента, пропорционального квадрату силы тока, протекающего по катушке. В результате действия на ось пружины создаётся момент, противодействующий вращающему моменту и пропорциональный углу поворота оси. При взаимодействии моментов ось и связанная с ней стрелка поворачиваются на угол, пропорциональный квадрату измеряемой величины. При равенстве моментов стрелка останавливается. Выпускаются электромагнитные и для измерений главным образом в цепях переменного тока частотой 50 гц.В электромагнитном амперметре катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока, в вольтметре параллельно. Электромагнитные измерит, механизмы применяют также в .Наиболее распространены щитовые приборы классов точности 1,5 и 2,5, хотя существуют приборы классов 0,5 и даже 0,1 с рабочей частотой до 800 гц.
Лит.:Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке, 14 изд., Л., 1973.
Н. Н. Вострокнутов.
Электромагнитный измерительный прибор: 1 - катушка; 2 - сердечник; 3 - ось; 4 - стрелка; 5 - шкала; 6 - пружина.
Электромагнитный ракетный двигатель
Электромагни'тный раке'тный дви'гатель,см. .
Электромашинный динамометр
Электромаши'нный динамо'метр,устройство для измерения вращающих моментов электродвигателей. Э. д. используют при стендовых испытаниях двигателей для снятия механических или электромеханических характеристик. Э. д. представляет собой ,работающую в генераторном режиме и механически связанную с испытуемым двигателем. Наиболее часто в качестве Э. д. используют генератор постоянного тока. Момент, развиваемый электродвигателем, находят по формуле:
нЧ
м
где U -напряжение на зажимах генератора в в; I -ток в обмотке возбуждения в а; n- частота вращения в об/мин;h - кпд генератора. Изменение момента достигается регулированием нагрузочного сопротивления и тока в обмотке возбуждения генератора. Э. д. применяют при испытании мощных тяговых машин. Моменты электродвигателей малой мощности иногда определяют на более простом Э. д., представляющем собой диск из ферромагнитного материала, который насаживают на вал электродвигателя, и электромагнит постоянного тока с противовесом. При вращении диска создаётся тормозной момент в результате взаимодействия вихревых токов в диске с магнитным полем электромагнита. Угол поворота электромагнита с противовесом пропорционален измеряемому моменту.
М. И. Озеров.
Электромашинный усилитель
Электромаши'нный усили'тель(ЭМУ), ,предназначенная для усиления мощности подаваемого на обмотку возбуждения сигнала за счёт энергии первичного двигателя (обычно электрического). ЭМУ применяют в системах автоматического управления и регулирования; выпускаются на мощности от долей втдо десятков квтс коэффициентом усиления (отношение мощности на выходе к мощности на входе) 10 4-10 5Небольшое изменение мощности, подводимой в цепь возбуждения, вызывает во много раз большее изменение мощности, отдаваемой ЭМУ. Различают ЭМУ продольного поля (с одной ступенью усиления) и ЭМУ поперечного поля (с двумя ступенями). Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля ( рис. ). Такой ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока, обычно двухполюсный с двумя парами щёток на коллекторе. На полюсах статора расположены одна или несколько обмоток возбуждения, чаще называемые обмотками управления (ОУ). При подаче в ОУ сигнала, подлежащего усилению, она создаёт магнитный поток Ф 1, направленный вдоль оси d-d.В обмотке якоря наводится эдс, которая достигает наибольшего значения на щётках а-аи равна нулю на щётках b-b.Т. к. якорь замкнут накоротко щётками а-а,то даже при незначительной эдс в цепи (обмотке) якоря возникает достаточно большой ток I a,обусловливающий увеличение мощности сигнала (первая ступень усиления). Этот ток создаёт сильное поперечное магнитное поле (магнитный поток Ф аq) .При вращении якоря в поперечном поле на щётках b-b,связанных с внешней цепью, появляется напряжение U 2 .В результате этого во внешней цепи возникает большой ток I 2, обусловливающий большую выходную мощность (вторая ступень усиления). Дополнительная обмотка, называется компенсационной, создаёт намагничивающую силу F ko ,равную F ad,устраняя искажение сигнала.
Лит.:Горяинов Ф. А., Электромашинные усилители, М. - Л., 1962,
М. Д. Находкин.
Принципиальная схема включения электромашинного усилителя поперечного поля: 1 и 2 - щётки якоря; ОУ - обмотка управления; КО - компенсационная обмотка; Ф1 - магнитный поток по оси d - d; Фаq - магнитный поток поперечного поля; U1 и I1 - напряжение и ток в обмотке управления; U2 и I2 - напряжение и ток на выходе; Fad и Fko - намагничивающие силы якоря и компенсационной обмотки
Электромегафон
Электромегафо'н,электрический ; переносное устройство для .Содержит малочувствительный к акустическим шумам , (в большинстве случаев транзисторный) и с рукояткой, позволяющей держать его в руке. Микрофон (обычно укрепляемый на кожухе Э.) располагают так, чтобы со стороны громкоговорителя (в направлении излучения звука) он обладал наименьшей чувствительностью. С помощью удлинительного кабеля микрофон может быть отнесён от громкоговорителя на некоторое расстояние (например, когда громкоговоритель устанавливают на крыше автомобиля). Усилитель выполнен по схеме с отрицательной и содержит мощный двухтактный оконечный каскад. Питание усилителя производится от электрических аккумуляторов или от малогабаритных элементов. В некоторых Э. предусмотрена возможность перевода усилителя в режим генерации колебаний звуковой частоты, на основе которых вырабатываются тональные (звуковые) сигналы вызова. Масса Э. (включая устройство питания) около 1,5 кг;дальность действия 250 ми более.
М. А. Сапожков.
Электрометаллургия
Электрометаллу'рги'я,область ,охватывающая промышленные способы получения металлов и сплавов с помощью электрического тока. В Э. применяются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы используются для извлечения металлов из руд и концентратов, производства и рафинирования чёрных и цветных металлов и сплавов на их основе (см. ) .В этих процессах электрическая энергия является источником технологического тепла. Электрохимические процессы распространены в производстве чёрных и цветных металлов на основе водных растворов и расплавленных сред (см. ) .Здесь за счёт электрической энергии осуществляются окислительно-восстановительные реакции на границах раздела фаз при прохождении тока через электролиты. Особое место в этих процессах занимает ,в основе которой лежат электрохимические процессы осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий.
Электротермические процессы охватывают плавку стали в дуговых и индукционных печах (см. ) ,спецэлектрометаллургию, рудовосстановительную плавку, включающую производство и ,выплавку чугуна в шахтных электропечах, получение никеля, олова и других металлов.
Электродуговая плавка.Электросталь, предназначенная для дальнейшего передела, выплавляется главным образом в с основной футеровкой. Важные преимущества этих печей перед другими сталеплавильными агрегатами (возможность нагрева металла до высоких температур за счёт электрической дуги, восстановительная атмосфера в печи, меньший угар ,высокоосновные шлаки, обеспечивающие существ, снижение содержания серы) предопределили их использование для производства легированных высококачественных сталей - коррозионностойких, инструментальных (в т. ч. быстрорежущих), конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др., а также сплавов на никелевой основе. Мировая тенденция развития электродуговой плавки - увеличение ёмкости единичного агрегата до 200-400 т,удельной мощности трансформатора до 500-600 и более ква/т,специализация агрегатов (в одних - только расплавление, в других - рафинирование и легирование), высокий уровень автоматизации и применение ЭВМ для программного управления плавкой. В печах повышенной мощности экономически целесообразно плавить не только легированную, но и рядовую углеродистую сталь. В развитых капиталистических странах доля углеродистой стали от общего объёма электростали, выплавляемой в электропечах, составляет 50% и более. В СССР в электропечах выплавляется ~ 80% легированного металла.
Для выплавки специальных сталей и сплавов получают распространение плазменно-дуговые печи с основным керамическим тиглем (ёмкостью до 30 т) ,оборудованные плазмотронами постоянного и переменного тока (см. ) .Дуговые электропечи с кислой футеровкой используют для плавки металла, предназначенного для стального литья. Кислый процесс в целом более высокопроизводителен, чем основной, из-за кратковременности плавки благодаря меньшей продолжительности окислительного и восстановительного периодов. Кислая сталь дешевле основной вследствие меньшего расхода электроэнергии, электродов, лучшей стойкости футеровки, меньшего расхода раскислителей и возможности осуществления кремневосстановительного процесса. Дуговые печи ёмкостью до 100 тшироко применяются также для плавки чугуна в чугунолитейных цехах.
Индукционная плавка.Плавка стали в ,осуществляемая в основном методом переплава, сводится, как правило, к расплавлению шихты, раскислению металла и выпуску. Это обусловливает высокие требования к шихтовым материалам по содержанию вредных примесей (P, S). Выбор тигля (основной или кислый) определяется свойствами металла. Чтобы кремнезём футеровки не восстанавливался в процессе плавки, стали и сплавы с повышенным содержанием Mn, Ti, Al выплавляют в основном тигле. Существенный недостаток индукционной плавки - холодные шлаки, которые нагреваются только от металла. В ряде конструкций этот недостаток устраняется путём плазменного нагрева поверхности металл-шлак, что позволяет также значительно ускорить расплавление шихты. В вакуумных индукционных печах выплавляют чистые металлы, стали и сплавы ответственного назначения (см.