Текст книги "КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто!"
Автор книги: Александр Кульский
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 23 страниц)
Глава 3. Индуктивность… Добротность… Резонанс…
«Аматор»: Заходи-заходи, дружище!
«Незнайкин»: У тебя, как ты мне признался по телефону, есть время, а у меня и время, и желание продолжить разговор на тему электромагнитной индукции!
«А»: «Я очень счастлив и рад за вас!». Полагаю, что продолжить разговор об электромагнитной индукции просто необходимо, поскольку с ее характером следует познакомиться поближе. А характер у нее весьма упрямый!
«Н»: В каком смысле – «упрямый»?
«А»: Да в самом, что ни на есть, прямом! Дело в том, что наведенный во вторичной обмотке, иначе говоря, ИНДУЦИРОВАННЫЙ ТОК I2 ВСЕГДА находится в противофазе с индуцирующим током I,! Если индуцирующий ток увеличивается в одном направлении, то индуцированный ток – течет в противоположном направлении, как бы препятствуя увеличению первого! А когда индуцирующий ток уменьшается, индуцированный ток течет В ТОМ ЖЕ НАПРАВЛЕНИИ, как бы препятствуя уменьшению первого! Взгляни на рис. 2.8.
«Н»: И ты считаешь, что эту головоломку я запомню и пойму?
«А»: Выше голову! Ведь сказанное ранее можно сформулировать и более кратко. Например, так:
ИНДУЦИРОВАННЫЙ ТОК ВСЕГДА ИМЕЕТ ТАКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ, КОТОРОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ ЛЮБЫМ ИЗМЕНЕНИЯМ ИНДУЦИРУЮЩЕГО ТОКА!
Я скажу даже больше, чем БЫСТРЕЕ происходит изменение величины тока в первичной обмотке, тем сильнее реакция вторичной обмотки!
«Н»: То есть ВЕЛИЧИНА ИНДУЦИРОВАННОГО ТОКА ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ИНДУЦИРУЮЩЕГО ТОКА, а также его ВЕЛИЧИНЕ?
«А»: Правильно совершенно!
«Н»: Вот тебе и «простой медный провод»! Удивительный эффект!
«А»: Но и это еще не все!.. Как ты думаешь, что произойдет в такой вот простенькой схемке (рис. 3.1)?
«Н»: Сейчас-сейчас, только график набросаю… Готово! Теперь будем рассуждать, как на эпюру напряжения на индуктивности L наложится эпюра тока.
«А»: В момент А изменение напряжения во времени (т. е. ΔU/Δt) минимально. Поэтому ток равен НУЛЮ! Затем напряжение на участке АВ падает до НУЛЯ. Но при этом отношение ΔU/Δt – ВОЗРАСТАЕТ! Поэтому генерируемый электромагнитным полем индуктивности L ток I имеет такое направление, чтобы не дать напряжению на выводах индуктивности L упасть до нуля! То есть в этом случае в точке В ток максимален, а его полярность положительна!
Но вот напряжение генератора становится отрицательным. И отношение ΔU/Δt – уменьшается! Ток I по-прежнему положителен, но его величина падает, становясь равной нулю в точке С. В тоже время в этой точке амплитуда отрицательной полуволны напряжения максимальна! Но когда на участке CD амплитуда напряжения падает, генерируемый электромагнитным полем индуктивности ток I возрастает, но теперь этот ток имеет отрицательную полярность, поскольку он препятствует спаданию напряжения на индуктивности до нуля!
«Н»: Если я правильно понял, электромагнитная индукция может индуцировать ток даже в своих собственных витках?
«А»: Ну конечно. В этом случае это явление именуется как САМОИНДУКЦИЯ!
«Н»: Я вспоминаю твой рассказ о временах Пунических войн! Помнишь, ты рассказывал о римском сенаторе, который свои выступления в сенате на тему о проблемах римского плебса, на тему об улучшении торговли, благоустройстве дорог и так далее, заканчивал всегда одной и той же фразой!..
«А»: «Карфаген должен быть разрушен!»? То есть ты снова намекаешь на то, какое отношение все наши рассуждения об удивительных свойствах индуктивностей и емкостей имеют к электронике?
«Н»: Ты прав, о высокочтительный друг мой!
«А»: А вот ты, Незнайкин, не совсем! Только теперь мы подошли к самому интересному. Как ты думаешь… А впрочем, я виноват в том что мы еще ничего не сказали о том, что является основной единицей индуктивности. Так вот, в качестве таковой принят ОДИН ГЕНРИ.
1 ГЕНРИ – это такая индуктивность, при которой изменение напряжение на ее выводах на 1 вольт в течении 1 секунды вызывает появление противодействующего такому изменению тока, равного 1 амперу. Заметим, что вообще 1 генри – это исключительно большая индуктивность, которая нигде не встречается. Поэтому в ходу более мелкие единицы:
1 генри = 1000 миллигенри = 1000000 микрогенри.
А теперь – последнее, Незнайкин! Как мы ранее уже могли убедиться, поскольку при приложении напряжения к индуктивности (из-за присущей ей инерции) происходит отставание тока от напряжения, то говорят, что ток отстает по фазе. Любопытно, что для емкости, ток опережает по фазе напряжение! А теперь – вопросы.
«Н»: Ты как-то употребил в разговоре выражение – реактивное сопротивление! Что же это такое и присуще ли оно только емкости?
«А»: Нет, не только! Индуктивность тоже характеризуется реактивным сопротивлением. В самом общем смысле этот термин означает, что реактивная мощность, равная произведению мгновенного значения емкостного (или индуктивного) тока на напряжение не преобразуется в тепло! Поскольку она затрачивается не на увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки, как в случае активного сопротивления, а на изменение интенсивности электромагнитного поля (в индуктивности) или на поляризацию диполей изолятора (в конденсаторе). А это, практически, не носит теплового характера…
«Н»: Все это дьявольски интересно!
«А»: Еще бы!.. Но в мире слишком много интересного, поверь! А потому не хочешь ли немного пожонглировать?
«Н»: Соскучился по цирку? Что предпочитаешь?… Шары, мячи… Может тарелки?…
«А»: Расслабься! Посуда останется целой, ручаюсь… И жонглировать мы будем не тарелками или шарами, а… резисторами, конденсаторами и индуктивностями! Причем на бумаге!..
«Н»: Как это… как это… как это?..
«А»: Очень просто. Мы «разрисуем» целый ряд «простеньких» схемок, состоящих из различных комбинаций R, L и С. После чего ознакомимся с их свойствами… Итак, начнем вот с чего (см. рис. 3.2)… По глазам твоим вижу, Незнайкин, что ты хочешь меня о чем-то спросить!
«Н»: А то нет?! Ты мне столько рассказывал, что электрические цепи должны быть замкнуты… А что нарисовал?
«А»: Тебя смущает, что точки А и В не соединены между собой? Не сомневайся – превосходно соединены! Эти вот значки, напоминающие «перекладины», «гребешки» и «щеточки», символизируют, ласкающий слух радистов, термин – ЗАЗЕМЛЕНИЕ или КОРПУС!
Реально эти точки всегда располагаются на обшей металлической шине или массивном проводнике. Поэтому, чтобы не загромождать принципиальные электрические схемы, условились общий проводник (провод) или корпус не изображать, а пользоваться особыми условными обозначениями. Один из вариантов таких обозначений ты и наблюдаешь!
А теперь, маэстро, ваш выход! Прошу зарисовать АЧХ как для схемы рис. 3.2, а, так и для схемы рис. 3.2, б.
«Н»: «Извольте, я готов…, но я в большой надежде, что термин АЧХ… мне разъясните прежде?»
«А»: Вот ты уже, Незнайкин, стихами заговорил!.. АЧХ – это аббревиатура, которая расшифровывается как АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА! Ее смысл – наглядно показать, как изменяется напряжение в какой-либо точке в зависимости от частоты генератора переменного напряжения.
«Н»: Так частота генератора переменного напряжения НЕПОСТОЯННАЯ величина?
«А»: Ну конечно!.. А то чего ради мы потратили столько времени и усилий, вникая в суть индуктивностей и емкостей?
«Н»: Будет лучше, если ты изобразишь это графически!
«А»: Ладно!.. Я рисую график! Ординате присваиваю обозначение А, тогда абсциссе – f. По английски f – friquensi – (частота) (см. рис. 3.3)! Тогда А, соответственно, амплитуда.
Пусть амплитуда переменного напряжения, генерируемого источником, постоянна и равна U для любой из генерируемых частот. При f = 0, то есть в нашем случае U просто некоторое постоянное напряжение. Соответственно, в точке D (рис. 3.2, а) установится напряжение, равное U. Эта точка на графике обозначена, как «а».
Повысим частоту генератора до f1. Естественно, что это приведет к заряду (или разряду в зависимости от полупериода) конденсатора С. Но в этом случае зарядно-разрядный ток, проходя по резистору R, создает на нем соответствующее падение напряжения. Поэтому теперь напряжение в точке D будет меньше, чем U. На графике это соответствует точке «б».
Увеличим частоту генератора и приравняем ее f2. Напряжение на выходе стало еще меньше. Это и отображает точка «в». Так будет продолжаться до тех пор. пока частота не станет равной частоте среза fср. На этой частоте уже ВСЕ напряжение источника падает на активном сопротивлении!
«Н»: Выходит, что дальнейшее увеличение частоты генератора уже бессмысленно?
«А»: В точности так! А теперь, Незнайкин, раздраконь мне так же схемку на рис. 3.2,б.
«Н»: С нашим удовольствием… Вот график (рис. 3.4)! Все верно?
«А»: Мне остается только (и с полным на то правом) повторить слова «великого кормчего» Мао-цзе-дуна к его приемнику Хуа-го-фену: «Если дело в твоих руках, я спокоен!» Тем более, что ты предъявил реальный график, а не утопию!
«Н»: Но ты обратил внимание, что в точках графика «д» и «е» амплитуда одна и та же?
«А»: Поверь, я от всей души рад, что ты это подметил! А что ты скажешь по поводу вот этих двух схемок (рис. 3.5)?
«Н»: Вот, прошу. И для случая а и для случая б. Возражения есть (рис. 3.6)?
«А»: Пока – никаких! Но я проявлю известную толерантность и не стану вот так, с места в карьер требовать, чтобы ты нарисовал мне АЧХ вот такой «скромной» схемки (рис. 3.7).
«Н»: Да что в ней особенного-то! Сейчас-сейчас. Нет, знаешь, что-то не выходит!..
«А»: Остынь, дружище! И, чтобы не тратить время напрасно, послушай, что в действительности представляет из себя вышепредложенная схема! Ты уже знаешь, что с возрастанием частоты индуктивное сопротивление (XL) увеличивается, а емкостное сопротивление (ХС) – уменьшается! Но отсюда следует, что при некоторой частоте f0 – индуктивное и емкостное сопротивления становятся равными. И в этот момент общее реактивное сопротивление цепи СТРЕМИТСЯ К НУЛЮ! Вспомним о сдвигах по фазе!
Так вот, когда частота генератора равна никакого сдвига по фазе между напряжением и током – НЕ БУДЕТ! Эта ситуация получила название – РЕЗОНАНС!
«Н»: Я знал, что есть механический резонанс…
«А»: Ну, примеры потрясающих случаев механического резонанса можно найти даже в Библии. Например, Иерихонские трубы!
«Н»: Действительно…
«А»: Итак, мы видим, что электрическая цепь, состоящая из емкости С и индуктивности L, обладает собственной резонансной частотой f0! При этом общее сопротивление цепи становится очень малым, а амплитуда колебаний тока в ней – очень большой!
«Н»: Но почему ты говоришь «очень малым», а не говоришь – «нулевым»?
«А»: Ты прав, мой милый граф! Это только из-за того, что индуктивность L – это ведь изолированный провод, намотанный на сердечник. А провод, как известно, имеет еще и активное сопротивление, хотя и очень небольшое. Поэтому, в реальном случае, предыдущая схема выглядит так (рис. 3.8).
«Н»: А я готов нарисовать АЧХ этой схемы! Смотри, я даже учел тот факт, что из-за наличия активного сопротивления R «провал» АЧХ не имеет общей точки с осью абсцисс!
«А»: Я начинаю думать, что если дело и дальше пойдет так же успешно, то не только я, но и Спец запишется на цикл твоих лекций по электронике! Ну, а теперь я прошу тебя подумать, что будет в таком случае (рис. 3.9)…
Да, учти следующее обстоятельство. То, о чем мы сейчас говорим, я имею в виду электрический резонанс, – это «святая святых» радиотехники вообще и техники радиоприема, в частности!
«Н»: Что я вижу!? Ты заменил генератор переменного тока на батарейку? К чему бы это?
«А»: Мы подключили батарейку к нашей схеме посредством выключателя, а затем отключили ее! Вот с этого момента мы и начнем анализ…
«Н»: А что же тут анализировать? Конденсатор просто разрядится через резистор R и индуктивность L! И все дела!..
«А»: Да, кроме шуток?
«Н»: Нет-нет, прости! Не совсем… Что-то еще здесь произойдет… Но я пока не врубился – что!..
«А»: Вспомни, Незнайкин, что индуктивность L обладает некоторой инерцией. Образно говоря, из-за нее электронам так же трудно начать упорядоченное движение, как и прекратить это движение!
Ток разряда, проходя по виткам индуктивности L, порождает магнитное поле, в котором запасается некоторая энергия! Таким образом, в тот момент, когда конденсатор С уже разрядится, магнитное поле будет поддерживать упорядоченное движение электронов в том же направлении! Это значит, что до того момента, как энергия магнитного поля иссякнет, конденсатор успеет перезарядиться почти до первоначального напряжения! Хотя и ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ ПОЛЯРНОСТИ! Затем снова наступит цикл перезаряда. И так будет продолжаться до того момента, пока на активном сопротивлении R (а оно в неявном виде ВСЕГДА присутствует в рассматриваемой системе) постепенно не перейдет в тепло ВСЯ первоначально запасенная в конденсаторе энергия!
«Н»: А рассмотренная система, состоящая из L, С и R, не имеет имени собственного?
«А»: Обязательно! И отныне мы будем употреблять только его – КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР!
«Н»: А как долго будет продолжаться подобная циркуляция тока в контуре? От чего это зависит?
«А»: Есть такой удивительный параметр – ДОБРОТНОСТЬ! Вот он то и, определяет, как долго в контуре будут продолжаться колебания.
«Н»: А почему ты назвал этот параметр – «удивительным»?
«А»: Да хотя бы потому, что он как бы един в трех лицах!
«Н»: А это как?
«А»: Да вот, посмотри на рисунок! На рис. 3.10,а изображены незатухающие электромагнитные колебания, которые имели бы место в контуре без потерь. На рис. 3.10,б изображены реальные, ЗАТУХАЮЩИЕ колебания в контуре.
Так вот, численно, количество полных циклов заряд – разряд до, практически, полного затухания РАВНО ДОБРОТНОСТИ! Т. е. добротность Q = n, где n – количество полных циклов. А теперь от амплитудно-временных характеристик перейдем к АЧХ (рис. 3.11).
Вот эта, колоколообразная кривая (мы к ее рассмотрению вернемся в дальнейшем еще не раз) дает вторую, практически очень важную характеристику для Q:
Q = f0/2Δf,
где Δf – полоса пропускания по уровню 0,707.
И, кроме того, вот третья ипостась добротности, численно равная:
И если первая ипостась очень понятна, но не очень наглядна, поскольку кто успеет подсчитать точное число колебаний за очень малый промежуток времени, то вторая ипостась – может прямо выводиться на экран специальных анализаторов АЧХ! С ней удобно работать!
«Н»: Ну, а третья?
«А»: Третья ипостась – для реальных расчетов! Но любой колебательный контур характеризуется еще и частотой резонанса, или, что адекватно, частотой собственных колебаний:
Любопытно, что для получения одной и той же f0, можно взять различное соотношение L и С. Но формула для определения добротности показывает, каким именно должно быть соотношение L и С для получения требующейся нам ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА! Она обозначена как df = 2Δf
«Н»: А какого порядка эта величина должна быть?
«А»: Смотря для чего! А вообще получение высоких добротностей – это сложная техническая задача! Но, в общем, вполне решаемая! Сейчас нам осталось рассмотреть еще одну важную физическую, а равно и техническую особенность колебательных контуров!
«Н»: Ты снова рисуешь схему?
«А»: А куда деваться (см. рис. 3.12)?
Здесь колебательный контур включен непосредственно в состав некоторой внешней цепи. Обрати внимание, Незнайкин, что в этом случае, когда частота внешнего генератора f1 совпадает с собственной частотой контура, последний представляет собой ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ для ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ!
«Н»: Но при этом ВНУТРИ контура LC реактивное сопротивление МАЛО!?
«А»: Да, конечно!.. Дело в том, что за каждый период собственных колебаний контур LC теряет МАЛУЮ часть запасенной в нем энергии! Следовательно, этот контур будет потреблять из ВНЕШНЕЙ цепи ТОЛЬКО такую часть энергии, которая идет на компенсацию потерь за этот период! А это – очень незначительная величина! И она тем меньше, чем больше добротность контура Q!
«Н»: То есть, если я верно понял, на резонансной частоте по отношению ко ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ контур является БОЛЬШИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, причем тем большим, чем больше его добротность?
«А»: Абсолютно точно! Но есть и еще одно исключительно важное следствие! Не догадываешься, какое именно?
«Н»: Может быть (см. рис. 3.12) что мы можем написать:
I2 = I1Q
Так или нет?
«А»: Замечательно! Ну а что ты скажешь относительно напряжения?
«Н»: У меня создалось впечатление, что напряжение на зажимах А и Б контура… может превысить напряжение генератора!
«А»: И ты не ошибся! Оно превышает на частоте собственного резонанса подводимые извне колебания по амплитуде в Q раз!
«Н»: То есть колебательный контур УСИЛИВАЕТ частоту, равную его резонансной в Q раз?
«А»: Да! Но если во внешней цепи будут протекать токи, частоты которых не совпадают с резонансной, то они не создадут на зажимах контура сколько-нибудь заметного напряжения! Поэтому РЕЗОНАНСНЫЙ КОНТУР ОБЛАДАЕТ ЧАСТОТНОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ!
«Н»: Я уже дошел до кондиции, как того и хотел герой «Бриллиантовой руки». Всю впитанную (с кровью) информацию я должен осмыслить. В общем «принять ванну и выпить чашечку кофе»…
«А»: Мы кое-что успели сегодня, дружище!
Глава 4. Устремленные в пространство
«Незнайкин»: Наконец-то ты вновь удостоил меня аудиенции!..
«Аматор»: О милорд, какой изысканный стиль! Ты случайно не перечитал «Трех мушкетеров», пока мы не виделись?
«Н»: Ты почти угадал – «Одиссею капитана Блада»!
«А»: Я так и понял по твоему высокому слогу! Кстати, я тоже очень уважаю книги о капитане Бладе! Но благородный и великолепный пират жил в буколическую эпоху! Когда медленное считалось быстрым!
«Н»: Что ты хочешь сказать?
«А»: В те времена новости из Америки в Европу шли, вернее плыли, месяцами! Скорость доставки информации была равна скорости хода каравеллы или галеона!..
«Н»: В то время как сейчас для этого достаточно секунд!
«А»: Долей секунды, дружище, долей секунды! И все благодаря свойствам… открытого колебательного контура!
«Н»: Какого это – открытого? Простите, сэр! Следующий раз захвачу словарь, сэр!
«А»: Хороший (в буколические времена говорили – добрый) учебник или пособие по радиотехнике помогло бы тебе больше! ОТКРЫТЫЙ КОНТУР – это просто техническое название для ПЕРЕДАЮЩЕЙ и ПРИЕМНОЙ антенн!
«Н»: То есть мы сейчас вплотную подошли к вопросу о возникновении, распространении и возможности ПРИЕМА РАДИОВОЛН!?
«А»: Да пора уж! Представь себе, что мы преобразовали колебательный контур таким образом, что он принял следующий вид (см. рис. 4.1).
Здесь, фактически, мы имеем не один, а два колебательных контура. Первый – это контур, образованный С и L1, резонансная частота которого f0 равна частоте генератора Uсигн. Обмотки L1 и L2 связаны индуктивно. Поэтому во втором контуре также возникают колебания с частотой f0…
«Н»: Относительно первого контура вопросов не имеется. Но вот где ты увидал второй контур? Я лично вижу только обмотку L2!
«А»: Но ты не можешь не видеть, что верхний конец L2 переходит в некий проводник, который оканчивается точкой А?
«Н»: Вижу… Но что дальше?
«А»: А то, что это и есть второй, открытый колебательный контур! Его емкость является распределенной. То есть она образована как бы из множества малых емкостей между различными точками антенны и землей!
«Н»: Выходит, что L2 входит в состав ЦЕПИ АНТЕННЫ?
«А»: Ну конечно! А упомянутый уже вертикальный проводник – это ни что иное, как антенный штырь! Его длина может варьироваться в разных случаях от нескольких сантиметров до сотен метров! Да и само устройство антенны в реальности может быть исключительно сложным по своей конструкции!
«Н»: Но если это и есть антенна, то она должна каким-то образом принимать близкие и далекие радиостанции. Разве нет?
«А»: Верно! Однако в данном случае она не принимающая, а передающая. Попробуем представить себе, что при этом происходит… Видишь, на рис. 4.2 я изобразил только непосредственно антенну и то в очень упрощенном виде?
«Н»: А что представляют из себя концентрические кольца, параллельные земле и названные тобой Н¯, а также «серпантин*, обозначенный, как Е¯? И почему, если я правильно понял, они носят ВЕКТОРНЫЙ ХАРАКТЕР!?
«А»:E¯ – это вектор напряженности электрического поля. Соответственно Н¯ – вектор напряженности магнитного поля. Знак вектора дает нам ясно понять, что эти поля могут быть ориентированы относительно поверхности земли под самыми различными углами.
Но вот между собой они ВСЕГДА взаимоперпендикулярны! Но на рисунке присутствуют еще и токи I1 и I2.Ты мне не скажешь, что они из себя представляют?
«Н»: Очевидно, под воздействием не показанного здесь первичного контура, вдоль по длине антенного штыря циркулируют токи I1 и I2, представляющие собой перемещение, посредством индукции, электрического заряда то в направлении ОТ земли к точке А, то в ОБРАТНОМ! Естественно, с частотой f0!
Выходит, в точке А то наблюдается «избыток» электронов, то их «недостаток»! В пользу моих слов говорит и тот факт, как при этом направлены силовые линии электрического поля…
«А»: Вот она – моя награда за потраченные труды! Совершенно верно!
Иначе говоря – антенна есть инструмент для преобразования переменных напряжения и тока в энергию электромагнитного поля, способную свободно распространяться в пространстве!
«Н»: А вот чего я, дружище, не могу понять… Все-таки, почему порождаемое вокруг антенны электромагнитное поле не просто циркулирует, а способно как-бы «оторваться» и унестись навсегда?
«А»: Браво, Незнайкин! Ты задал сейчас очень глубокий вопрос! Недавно мы беседовали на эту тему со Спецом! Это была интересная беседа. Действительно, ведь токи в той же антенне имеют вполне обратимый характер.
То вверх, то вниз, то они вообще равны нулю… Электромагнитное поле могло бы тоже циркулировать, то распространяясь в пространстве ОТ антенны в один из полупериодов, то стремясь К антенне в другой полупериод…
«Н»: А как думает Спец?
«А»: Он сказал, что категорического, строгого объяснения этому факту – не существует!
Но мы должны благодарить Бога и Природу за то, что электромагнитное поле в виде электромагнитных волн способно покидать антенну и уноситься в бесконечность!
Именно этот эффект, по большому счету, делает возможной не только радиосвязь, но и саму жизнь на Земле!
А возможно и вообще во Вселенной!
«Н»: Даже вот так вот!?
«А»: Даже вот так вот! Но продолжим наши игры! Ты, безусловно, слышал, что «покинув» передающую антенну, электромагнитные волны СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА распространяются в пространстве! Если передающая антенна является ИЗОТРОПНОЙ, то интенсивность электромагнитной энергии уменьшается ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТУ РАССТОЯНИЯ!
В случае, если антенна обладает направленностью, то есть является АНИЗОТРОПНОЙ, то эта зависимость может быть несколько иной. Но, в любом случае, чем дальше точка приема находится от передающей антенны, тем меньше интенсивность электромагнитного поля в ней! Наводимого этой передающей антенной, разумеется.
«Н»: Это понятно! Ну, а как устроена приемная антенна?
«А»: Подумай сам! Я подскажу тебе – это обратимое явление.
«Н»: Но если это явление обратимое, то тогда, поместив штырь (металлический) в точку, удаленную от передающей антенны на некоторое расстояние, мы вправе ожидать, что электромагнитное поле НАВЕДЕТ в этой ПРИЕМНОЙ АНТЕННЕ токи, имеющие туже частоту, что и породившие их электромагнитные волны!
«А»: Достойный ответ! Ты только не уточнил, что по своей величине эти ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ токи являются исключительно малыми! Их реальное амплитудное значение – не более нескольких десятков милливольт! И это еще исключительно много! Чаще всего – на порядок меньше. А то и два-три порядка.
«Н»: А почему ты употребил слово – высокочастотные? А низкочастотных разве нет?
«А»: Действительно! Давай определимся в понятиях! В Природе существуют электромагнитные колебания с самыми разнообразными длинами волн или, что адекватно, с самыми различными частотами!
Видимый свет – это ведь также электромагнитные волны длина, которых измеряется нанометрами! Например, красный цвет характеризуется длиной волны – 630 нм.
Или 2x1014 герц!
То есть ДВЕСТИ ТЫСЯЧ МИЛЛИАРДОВ полных периодов в секунду!
«Н»: Да это считать не пересчитать!
«А»: И то правда, Незнайкин! Ведь если представить себе некое существо, которое не ест, не спит, не развлекается, а только подсчитывает это число со скоростью одна единица в секунду, то ему потребовалось бы примерно ШЕСТЬ МИЛЛИОНОВ ЧЕТЫРЕСТА ТЫСЯЧ ЛЕТ! И все для того, чтобы зафиксировать – сколько раз в секунду изменяется направленность векторов магнитного и электрического!
«Н»: Но ведь это уже не радиодиапазон?
«А»: Что правда, то правда! Генерация и прием электромагнитных колебаний подобных частот осуществляются особыми, не радиотехническими методами! А собственно радиодиапазон ограничен сверху частотами порядка ДЕСЯТЬ В ДВЕНАДЦАТОЙ СТЕПЕНИ ГЕРЦ!
«Н»: Ну, а снизу?
«А»: Это очень сложный вопрос! Дело в том, что сверхнизкочастотные колебания имеют свои особенности. Представь, например, длину волны электромагнитного колебания 3х1013 километров!
Она соответствует частоте f = 10-8 герц! Это означает, что ОДИН ПОЛНЫЙ ПЕРИОД такого колебания – около ТРЕХ ЛЕТ! То есть длина волны составляет приблизительно ОДИН ПАРСЕК!
Ты ведь встречался с подобной единицей длины в фантастических романах?
«Н»: Было дело в Грибоедове… Неужели есть радиостанции, оперирующие с такими чудовищными волнами?
«А»: Расслабься, Незнайкин! Человечество еще не в состоянии оперировать не только с такими, но и в сотни раз большими длинами волн! Но кто сказал, что их не существует во Вселенной?
В семидесятых годах (нашего столетия, естественно) в США широко обсуждался проект, получивший наименование «САНГВИН». Речь шла о возможности осуществления связи с атомными подводными крейсерами. Для того, чтобы передать приказ на нанесение, в случае необходимости, ответного атомного удара по СССР!
При этом исходили из того, что подлодка находится на МАКСИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЕ в несколько сотен метров в ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ МИРОВОГО ОКЕАНА! Оказалось, что это возможно осуществить, если для подобной односторонней связи использовать СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ, частота которых несколько меньше СТА ГЕРЦ!
«Н»: …Это соответствует длине волны порядка… 3000 километров!
«А»: Совершенно верно! Но учти, Незнайкин, что мир устроен так, что передающая антенна, чтобы быть эффективной, не должна иметь размеры менее одной четверти излучаемой ею длины волны! Поэтому вопрос реализации проекта «САНГВИН» требовал сооружения системы антенн, занимающих площадь порядка ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ квадратных километров!
При этом для генерации «глобального» сигнала требовалась энергия порядка СОТЕН МЕГАВАТТ! После продолжительных и бурных дебатов в Сенате, от этого способа связи с погруженными подводными лодками отказались!
«Н»: Так вот что такое генерация подобных электромагнитных колебаний!?
Ну, а более высокие частоты?
«А»: «Сверхдлинными» волнами для осуществления радиосвязи, представь себе, сейчас пользуются! Но самые длинные из них начинаются с ТРИДЦАТИ КИЛОГЕРЦ!
То есть длина волны равна «всего-навсего» 10 километрам! Но и эта «экзотика» в радиовещательной технике не используется.
«Н»: А какие длины волн и почему используются в международном радиовещании?
«А»: На этот твой вопрос отвечу совершенно конкретно! Все используемые в радиовещании длины волн разбиты на следующие диапазоны:
Длинные волны – 150–408 кГц (2000—735,3 м).
Средние волны – 525—1605 кГц (571,4—86,9 м).
Короткие волны – 3,5—30 МГц (80–10 м).
Ультракороткие волны – 87,5-104 МГц (Европа); 87,5 – 108 МГц (США); 76–90 МГц (Япония).
Кроме того, в последнее время получил тенденцию к расширению УКВ диапазон на территории Украины!
«Н»: Я как-то слышал, что каждый из приведенных выше диапазонов имеет чуть ли не свой собственный «характер»?
Это что, просто вариации на тему известных «Сказок братьев Гримм» или в этом действительно что-то есть?
«А»: Уже скоро сто лет, как трудами ученых, изобретателей и любителей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи! И теоретики начала века утверждали, что самые «дальнобойные» волны – это волны длинноволнового диапазона!
Они поясняли это ДИФРАКЦИЕЙ! Напомню, что дифракция – это огибание волной препятствий! Например, для сверхдлинных волн, длина которых измеряется километрами – даже выпуклость Земли помехой не является. И вот для дальней связи строятся гигантские антенны!
Сказано – сделано! И вот пришел успех! Осуществлена связь между Канадой и Южной Америкой! А поскольку (мы дальше коснемся этого вопроса) в начале двадцатого века считалось, что частоты различных станций должны быть различными и это различие должно составлять около 10 процентов, то американский ученый Фредериксон, например, утверждал, что в диапазоне 30—100 кГц можно разместить не более ДВЕНАДЦАТИ каналов!
«Н»: Он ошибся?…
«А»: Да нет, он был прав! На тот момент, естественно!
Но есть древняя восточная мудрость: «Время способно превратить самую чистую правду в отвратительную ложь!»
Дело в том, что техника начала века большего не позволяла! Это во-первых!
А, во-вторых, «есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам»!
«Н»: Я тоже очень уважаю Шекспира!..
«А»: Рад, что доставил тебе удовольствие! Однако, ближе к теме! Исследования по распространению электромагнитных волн на расстояние от нескольких десятков до 10000 километров уже не возможно было пояснить только дифракцией!
И потом, как можно было объяснить тот факт, что днем дальность связи намного меньше, чем ночью? Или известный сейчас курьез с радиодиапазоном коротких волн?
В свое время государственные службы, действуя по принципу «на тебе, боже, что нам не гоже», отдали в распоряжение радиолюбителей волны, короче 200 метров. И вдруг на тебе… в 1923 году два радиолюбителя на кустарных, маломощных радиостанциях установили связь между… Англией и Новой Зеландией!
«Н»: Это есть пример ПОБЕДЫ ТЕХНИКИ НАД НАУКОЙ!
«А»: Да, совершенно блестящий пример! Но, Незнайкин, далеко не единственный! «Тому в истории мы тьму примеров слышим, но мы истории не пишем…».
Но… будем же справедливы! Я имею в виду, по отношению к науке! Ее ведь тоже делают люди. А среди людей науки ВСЕГДА находятся гении и прозорливцы…
«Н»: И в этом случае тоже?
«А»: И в этом – тоже! В 1902 году физики Хевисайд и Конелли выдвинули смелую гипотезу: ВЕРХНИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ ДОЛЖНЫ СОСТОЯТЬ ИЗ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА! По причине того, что они подвергаются прямому воздействию жесткого космического излучения. И, безусловно, воздействию солнечного излучения! Но поскольку ионизированный газ является проводником, то радиоволны ДОЛЖНЫ ОТРАЖАТЬСЯ от верхних слоев атмосферы, как от зеркала! Споры на эту тему шли более 20 лет, пока, наконец в 1925 г., американские исследователи Туве и Брайт не дали этой гипотезе блестящее экспериментальное подтверждение!
