Велика область додатка варіаційних методів відкрилася у зв’язку з високочастотним нагрівом. З 1936 р я почав роботи по нагріванню сталевих виробів струмами високої частоти для поверхневої гарту. Таким методом ми збиралися обробляти найрізноманітніші деталі машин, ріжучий і міряльний інструмент. Для різних форм виробів треба було сконструювати нагрівачі – індуктори.

Принцип високочастотного нагріву, взагалі кажучи, простий.

Неспеціалістам нею пояснюють часто такими словами: навколо провідника зі струмом високої частоти пульсує електромагнітна енергія. Будь-яке металеве тіло, поміщене поблизу цією токонесущего провідника, поглинає електромагнітну енергію і нагрівається.

На час початку робіт по поверхневому загартуванню високочастотний нагрів вже ряд років застосовувався в плавильних печ! Ах. У цих печах нагрів йде не так вже швидко. У відносно маленькою печі на кілька кілограмів металу розплавлення триває до півгодини. За час плавки тепло, що виділяється струмами високої частоти, встигає абсолютно рівномірно розподілитися у всій розплавленої масі. Вирівнювання температур всередині розплавленого металу відбувається за рахунок його високій теплопровідності і за рахунок перемішування металу під дією магнітних сил.

Тим, хто працював з високочастотними печами, зовсім не потрібно знати в деталях, як саме розподіляється виділення тепла в розплавленому металі – коші печі. Для розрахунків часто приймали, що тепло виділяється рівномірно по всій бічній поверхні садки в той час, як насправді має місце більш сильне нагрівання самої верхньої і самої ніедней частини розплаву. «Пєчніков» цікавило лише загальне кількість тепла, або, як прийнято говорити, «інтегральний ефект нагрівання».

Зовсім інші, нові вимоги виникли, коли ми стали нагрівати під поверхневу загартування машинобудівні деталі складної форми. Тут нагрів повинен бути в більшості випадків тільки місцевий. Нагрівати потрібно тільки обмежені ділянки поверхні виробу, ті, що піддаються при роботі стирання. Інша частина сталевого виробу повинна залишатися холодною.

Нагрівання під загартування триває небагато секунди, а іноді й частки секунди. Хоча теплопровідність металу і висока, але час нагрівання так мало, що теплообмін між окремими ділянками мало змінює початкове розподіл тепла.

Тепло залишається там, де воно зароджується.

Живопис теплом

Постало завдання конструювати провідники, що несуть високочастотний струм – нагрівальні індуктори – так, щоб створювати саме необхідний розподіл тепла в поверхнево-гартувати сталевому виробі. Вимагалося навчитися діяти високочастотним індуктором так, як маляр діє пензлем, вміти накладати тепло, як наносять фарбу. Знати заздалегідь, до включення високочастотного струму, що тепло потрапить саме на цю ділянку вироби.

Жоден з опублікованих в літературі розрахунків індукційних печей не давав деталей розподілу тепла. Для поверхневого гарту треба було створювати нові розрахунки, нові інженерні теорії.

Потік електромагнітної енергії невидиме, не помітний. Про його дії можна судити лише за результатами.

Ми почали з того, що будували нагрівальні індуктори самих різних форм і розмірів, поміщали в них різні сталеві вироби і спостерігали, як ці вироби нагріваються при включенні струмів різної сили і частоти.

Потім кидали нагріті вироби в воду – гартували їх. Міряли твердість. Аллундовимі дисками розрізали розжарену сталь на скибочки. На розрізах можна було визначити товщину загартованого шару і, таким чином, уявити собі розподіл тепла.

Чим більш тонкий загартований шар потрібно було отримати, тим коротше доводилося давати час нагрівання, щоб не дати теплу піти, поширитися углиб металу. А щоб за короткий час встигнути нагріти сталь до температури гарту, ми застосовували всі великі питомі потужності, часто більш кіловата на кожний квадратний сантиметр нагрівається поверхні.

Западини гаряче виступів

Багато доповнень і уточнень довелося внести в той примітивне пояснення високочастотного нагріву, що давалося раніше.

Якщо вважати, що електромагнітна енергія виходить з провідників індуктора, то здавалося неначе б природним, що щільність цієї енергії, в просторі навколо індуктора тим вище, чим ближче до провідника. У самої поверхні міді щільність енергії буде найбільша, а в міру віддалення від поверхні провідника щільність енергії падає.

Якщо всередину індуктора у вигляді простого круглого витка помістити сталеве виріб, забезпечене виступами і западинами, наприклад, зірочку від велосипедної передачі, то з висловленого припущення про розподіл енергії слід було б, що найінтенсивніше повинні нагріватися ті ділянки вироби, які найближче до поверхні провідника індуктора, т. е. вершини виступів. Більш віддалені від індуктора ділянки – в даному прикладі западини в велосипедної зірочці, здавалося б повинні були нагріватися слабкіше. Але коли ми дійсно помістили таку зірочку в індуктор і включили високочастотний струм великої сили, то вийшло інше. Спочатку стало нагріватися дно западини і там метал навіть оплавився. На вершинах виступавши нагрів став помітний пізніше. Виступи не дійшли навіть до світіння. Вони нагрілися тільки до квітів мінливості. Виступи були холодніше западин на кілька сотень градусів.

З цим фактом ще б можна було помиритися, адже і полум’я газового пальника (автогенної, наприклад) гаряче все не біля виходу газу з наконечника пальника, а на деякій відстані від нього.

Але ось помістили в цей же індуктор черв’ячний гвинт – це теж виріб з виступами і западинами. У гвинта розгорілися спочатку саме виступи. Тут вже аналогія з газовим полум’ям не допомагає. Відносна віддаленість виступів і западин була однаковою в обох прикладах, але один раз грілися сильніше западини, а інший – виступи.

Тут доведеться зробити невеличкий відступ, щоб простежити з самого початку ті міркування про закони виділення тепла, які врешті-решт допомогли точно пояснити всі особливості високочастотного нагрівання і дозволили точно передбачати хід нагріву тієї чи іншої деталі в тому чи іншому індукторі.

Мильні бульбашки

Ось рецепт гарної рідини для мильних бульбашок. Розчинити 1 г чистого сухого олеата натрію в чарці води (50 г) і додати до розчину 30-40 г гліцерину.

Якщо занурити в такий розчин невеликий дротяний каркас, то на ньому залишиться тонка і досить міцна плівка. Будова такої плівки було зображено на фіг. 6-12. Щоб плівка була досить довговічною, розміри каркаса не повинні перевищувати 10-15 см. Каркас може бути не тільки плоским, але і просторовим.

Мильна плівка завжди приймає форму мінімальної поверхні з найменшою площею. Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити плівку.

Мінімальні поверхні мають багато цікавих особливостей.

Ще в середині XVIII ст. член Петербурзької академії наук Ейлер встановив, що всяка мінімальна поверхня може бути тільки або плоскою, або сідловидної. У всіх випадках середня кривизна поверхні дорівнює нулю.

Якщо занурити в мильний розчин каркас куба, то виходить система поверхонь, що перетинають одна одну під кутом 120 °. Якщо куб виймати з розчину обережно, то можна нарахувати тринадцять майже плоских поверхонь.

Дуже повчально робити гнучкі дротяні каркаси і вивчати зміна форми поверхні плівки під впливом безперервної деформації каркаса. Зануривши в мильний розчин каркас з двох паралельних кіл, отримаємо структуру, що складається з трьох поверхонь, що змикаються під кутом 120 °. Одна з цих поверхонь – плоский кругової диск. Якщо знищити цей диск, то між дротяними кільцями мильна плівка утворює Катеноїд – поверхня обертання ланцюгової лінії. При раздвижении кілець Катеноїд зрештою лопається і виходять два окремих диска з мильної плівки.

Згинаючи дротове кільце, на якому натягнута мильна плівка, можна від диска перейти до односторонньої поверхні Мебіуса. Знову розправляючи кільце, можна знову перетворити односторонню поверхню в диск.

Гумові мембрани для дослідження електронних ламп

Мильні плівки – дуже неміцний матеріал. Тонка мембрана з хорошої, еластичної гуми має ті ж властивості, що й мильна плівка. Коли її розтягують – вона приймає форму мінімальної поверхні. За допомогою гумових мембран моделюють розподіл електричних сил в електронних лампах. На мембрану спирають стійки, відповідні за своїм розташуванням катода, анода, сеткам ламп, а по своїй висоті – Їх потенциалам. Під тиском цих стійок гума прогинається у вигляді пагорбів і западин. За гумовим гірках можна котити сталеві кульки, і сили тяжіння будуть діяти на ці кульки подібно до того, як електричні сили діють на електрони в цій лампі.

Щоб створити гарну конструкцію електронної лампи, недостатньо, звичайно, катати кульки по мембранами. У реальному лампі є ще багато ускладнюють процесів. Але ці мембрани – цінне підмога для конструктора і розраховувача. Вони полегшують розуміння процесів в лампі.

У сталевих виробах, пронизує, або, точніше кажучи, що омиваються бистропеременних магнітними потонемо, електрони рухаються, слідуючи законам більш складним, ніж руху куль по пагорбах ,. Але і цей рух електронів можна наочно представити і промоделювати простими засобами.

Джерело: Електрика працює Г.І.Бабат 1950-600M