пользовать, каковы его характеристики и присущие ему ограни чения.
1.1. МАГНИТОПРЕОБРАЗОВАНИЕ
Фундаментальное понятие электропреобразования (полезного электрического явления при взаимодействии между веществом и энергией) служит удобной отправной точкой для феноменоло гического рассмотрения тех процессов, которые представляют интерес для специалистов в области техники с электронным уклоном.
Запишем следующее определение:
электропреобразователь — это устройство, способное созда вать электрическое напряжение, обусловленное некоторым «ини циирующим» явлением, причем электрическим аналогом этого явления может служить частота, амплитуда, фаза или длитель ность сигнала.
Это определение побуждает нас к обсуждению явлений, ко торые по крайней мере в принципе могут выступать в качестве фактора активизации в различных приборах, тогда как сами «инициирующие явления» выступают в виде определенных форм энергии. Хотя все формы энергии можно свести к некоторому одному «общему знаменателю», рассмотрим здесь отдельно сле дующие конкретные формы: химическую, тепловую, механиче скую, электрическую и лучистую (электромагнитную). Каждая из этих форм энергии может быть преобразована в электриче ский эквивалент определенным процессом электропреобразова ния.
Далее, поскольку между электрическим и магнитным полями существует взаимосвязь, характеристики чувствительности про цесса электропреобразования зависят от магнитного поля. Учи
тывая это, введем следующее определение: |
|
|
магнитопреобразователь — это |
специализированный |
вид |
электропреобразователя, выполняющий свою функцию в присутст вии магнитного поля.
В этой книге рассматриваются магнитные явления, обуслов ливающие различные электронные процессы и поэтому представ ляющие интерес для инженеров по электронике.
Высказываемые в книге соображения, однако, выходят да леко за пределы простого перечисления известных явлений. Действительно, хотя само по себе электропреобразование сво дится к процессу превращения некоторого интересующего нас явления в его электрический аналог, современные методы анало го-цифрового преобразования позволяют легко получить инфор мацию в цифровом виде, если имеется подходящий ее аналог.
В книге дано общее изложение некоторых фундаментальных принципов, позволяющих использовать основные рассматривае-
мые физические явления для того, чтобы быстро и точно полу чить нужную информацию.
1.2. УРОВЕНЬ СТРОГОСТИ И ПРЕДЕЛЫ ОБСУЖДЕНИЯ
Проведенное здесь обсуждение является феноменологическим. Принципы преобразования представлены, насколько это практи чески целесообразно, при помощи определенных упрощенных опи саний в рамках определенной логической классификации. Меха нические устройства, которые часто входят в состав преобразо вателя, описаны лишь с той степенью подробности, которая не обходима для облегчения понимания исходных принципов, по скольку строгое и исчерпывающее изложение их теории можно найти в специальных публикациях.
Понятие преобразования, которое по определению очерчи вает круг вопросов этой книги, включает по крайней мере один из следующих процессов: генерацию электрического напряжения; изменение тока, обусловленное изменениями параметров цепей; изменение связи между двумя цепями и введение определенных временных задержек.
Изучение принципов преобразования предусматривает об суждение различных «эффектов». Эти эффекты часто связывают с именами ученых, которые их открывали в процессе историче ского развития науки и познания человеком окружающего мира. Удачная конструкция полезного прибора рождается в резуль тате относительной изоляции какого-либо одного из этих эффек тов от всех остальных, тогда как точность преобразования от части ограничивается эффектами второго порядка, влияние ко торых удается уменьшить лишь до некоторого допустимого ми нимума.
Задача состоит в том, чтобы дать простое и доступное объяс нение определенных явлений. Таким образом, приведенное рас смотрение не может устареть, как устаревают, например, теоре тические диссертационные работы, описания конкретных конст рукций датчиков или современные рекомендации по конкретным измерительным процедурам. Как интерпретация, так и способ использования явления могут со временем изменяться, однако сам факт существования данного явления остается непрелож ным. Хотя нет сомнений в том, что предстоит открытие новых явлений, представленные здесь описания не должны утратить своего значения, по крайней мере в этом состоял замысел автора. Были приложены определенные усилия к тому, чтобы избежать необходимости в дополнительных редакционных замечаниях. С этой целью не использовались определения такого рода, как «хороший», «полезный», «значительный», «эффективный» и т. п., или другие выражения, оценивающие степень значимости, ко торые подвержены изменениям во времени и применение кото
рых вообще характеризуется некоторой ограниченностью при описании сложных физических процессов.
На самом деле материал книги все же подчинен некоторым ограничениям, которые являлись прямым результатом редак ционного решения. Было признано целесообразным из очень большого числа наблюдаемых явлений отобрать для описания только те, которые обеспечивают возможность преобразования. Разумеется, это не соответствует первоначально поставленной цели. Хотя любой излом передаточной функции может при опре деленных условиях обеспечить преобразование, в окончательный текст книги, подготовленный к публикации, были включены лишь явления, представляющие интерес для самого автора.
1.3.МОДЕЛЬ
Свозрастанием сложности специальных отраслей техники они становятся все менее доступными для лиц, не специализи рующихся в этих отраслях. К сожалению, многие специалисты
усугубляют эту ситуацию, культивируя узко специальный язык и публикуя работы, в которых могут разобраться только посвя щенные. В частности, многие страницы, сплошь заполненные сложными формулами с непостижимыми обозначениями, способ ны обескуражить каждого, за исключением лишь наиболее эрудированных в данной области специалистов.
Конечно, для описания окружающего мира со всеми извест ными в настоящее время подробностями нельзя обойтись без математических методов. Однако эти методы не являются необ ходимыми для достижения ожидаемого уровня понимания мате риала книги у предполагаемого круга ее читателей. Тем не менее, чтобы наше обсуждение вышло за рамки простого перечисления явлений, должны быть изложены некоторые принципы строения вещества. Для эффективности изложения представленные прин ципы должны соответствовать принятым сегодня физическим теориям и служить первой вехой на пути, по которому будут продвигаться те, кто в большей степени заинтересуется данным вопросом.
Такие выдающиеся ученые, как Эйнштейн и Инфельд, счита ли этот подход разумным, о чем свидетельствует следующее высказывание: «Цель любой физической теории — объяснить как можно более широкий круг явлений. Она оправдана лишь в той степени, в какой делает явления понятными».
Очевидно, эти авторы не возражали бы против добавления «...для конкретного контингента лиц». Таким образом, задача заключается в выборе достаточно совершенной модели, подхо дящей для выбранной категории читателей.
На самом деле число возможных вариантов в этом вопросе очень мало. Подавляющее большинство людей воспринимает
предметы как таковые и наиболее легко усваивает модели, сконструированные из конкретных предметов, или объектов. Среди этой аудитории признается существование энергетических уровней, квантованных волн и других подобных понятий, однако их связывают с объектами как нечто вторичное, лишенное собст венной сущности.
Рассуждения в этой книге концентрируются вокруг взаимо действия между веществом и энергией — рассматриваются раз ные виды энергии, разные виды вещества и разные виды взаимо действия. Основное внимание направлено на носители электри ческого заряда: обсуждаются их возникновение, формы энергии, обусловливающие их движение, и силы, ограничивающие это движение. В итоге получается удобная модель из электронов и ядер различных типов. В этой модели электроны вращаются вокруг своей оси, движутся по орбитам вокруг ядер, проходят через кристаллические «лабиринты», стенки которых состоят из беспорядочно колеблющихся ядер, и т. д. Как электроны, так и ядра представляют собой составные части различных структур вещества, так что характеристики направленности и магнитных, и электрических диполей оказывают влияние на взаимное про странственное расположение ядер в газах и в кристаллах.
Логическая последовательность построения любой модели состоит из четырех фаз: постулирования, проверки, корректиров ки и, наконец, определения недостатков модели.
Желательно, хотя совсем необязательно, чтобы модель была способна выдержать испытание на строгость. Конечно, строгость является краеугольным камнем в основании любой науки, и мы не собираемся здесь игнорировать этот факт. Тем не менее ясное понимание предмета может быть легко утрачено среди нагромож дения несущественных подробностей и уточняющих объяснений. Во всяком случае, каждый из факторов, обусловивших возникно вение определенного явления, совсем не обязательно должен использоваться для объяснения существа этого явления.
Одна из поставленных нами целей — упрощенное объясне ние рассматриваемых явлений и процессов, при этом чрезмерное упрощение предмета может привести к путанице и даже утрате правильного представления о его сущности. Такое положение вещей требует от редакционной обработки большой точности и ясности. Мы попытались отыскать доступный способ изложе ния, лежащий где-то между двумя абсурдными крайностями. Насколько удалось достичь успеха на этом пути, пусть судят читатели.
1.4. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ КРУГ ЧИТАТЕЛЕЙ
Эта книга задумана как справочное пособие для инженеров по электронике, однако она будет полезной и для значительно более широкой аудитории.
Студенты, впервые приступающие к изучению магнитных явлений, найдут здесь простое и всестороннее графическое пред ставление этих явлений, дополняющее книги с более теоретиче ским уклоном. Для каждого рассматриваемого явления предла гается такая иллюстрация, которая ускоряет процесс обучения, поскольку изображение воспринимается с минимальными уси лиями. Если эти иллюстрации помогут донести до сознания чи тателя удивительную простоту, которой характеризуется строе ние вещества (а не его сложность), то поставленная цель будет достигнута.
Специалисты в области техники, занимающиеся установкой преобразователей определенных типов и поэтому обязанные по нимать принципы их работы, чтобы учитывать присущие им огра ничения; инженеры других специальностей, применяющие стан дартные измерительные приборы, работники управленческого звена — для каждого из них представленная информация будет полезной.
По сути дела, любая категория заинтересованных читателей сможет найти здесь ряд ответов на основной вопрос — как ра ботает данное устройство? Более того, поскольку в книге упомя нуто множество явлений, до сих пор не собранных воедино в какой-либо одной публикации, конструкторы и другие высоко квалифицированные специалисты смогут использовать книгу как источник сведений, который подскажет им путь удовлетворения любознательности и усвоения более подробной и глубокой в тео ретическом плане информации, необходимой для их деятельно сти.
1.5. ОБЩАЯ ЦЕЛЬ
Чарлз Литтон как-то сказал: «Если вы хотите понять, как работает некий электронный прибор, сделайтесь очень малень ким, войдите в прибор и осмотритесь вокруг себя. Если вы доста точно наблюдательны, то вы увидите, что заставляет его функ ционировать».
Предлагаемая книга призвана способствовать развитию «ра зумной интуиции», на которую обращает внимание это замеча ние Литтона.