Текст книги "Радио?.. Это очень просто!"
Автор книги: Евгений Айсберг
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 19 страниц)
Беседа третья
Продолжая изучение явления индукции, Любознайкин подведет Незнайкина к «открытию» самоиндукции, влияние которой создает препятствие прохождению переменных токов. Затем, прибегая к очень выразительным аналогиям, наши два друга изучают свойства конденсаторов. Анализируя различные факторы, от которых зависит емкость, Незнайкин оценит «емкость» своего собственного понимания.
ИНДУКЦИЯ РАВНОСИЛЬНА ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ
Незнайкин. – Я много думал о том, что ты рассказал об индукции. Я хорошо понял, что изменение тока в одной катушке ведет к возникновению индуктированного тока в другой. Но каковы направление и сила индуктированного тока?
Любознайкин. – Индуктированный ток, надо тебе сказать, обладает очень плохим «характером»: он находится всегда в противоречии с индуктирующим током. Если последний течет, увеличиваясь в одном направлении, то индуктированный ток потечет в противоположном направлении (рис. 8).
Рис. 8. Направление тока индукции.
а – увеличение тока в катушке I вызывает в катушке II ток противоположного направления;
б – уменьшение тока в катушке I вызывает в катушке II ток того же направления.
Н. – Можно ли сказать, что если в индуктирующей катушке ток течет в направлении часовой стрелки, то индуктированный ток потечет в противоположном направлении?
Л. – Точно! А когда индуктирующий ток уменьшается, индуктированный ток идет в том же направлении, стараясь воспрепятствовать уменьшению первого.
Н. – Это как собака моего дядюшки.
Л. – Еще одна выдумка!
Н. – Совсем нет. Собака, о которой пойдет речь, упряма, как осел… Каждое утро, когда мой дядюшка занимается гимнастикой, он бегает вокруг сада со своей собакой, держа ее на поводке. Вначале, когда он ускоряет бег, собака тянет ею назад и сдерживает движение. Затем, когда он, устав, хочет замедлить свой бег, животное заставляет его ставить рекорды.
Л. – Мне кажется, эту историю ты только что выдумал. Тем не менее она доказывает, что ты понял явление индукции. Ты мог бы также добавить, что чем быстрее твой дядюшка ускорял или замедлял бег, тем сильнее была реакция его собаки, так как величина индуктированного тока пропорциональна скорости изменения индуктирующего тока, а также его величине.
Н. – Может быть, это и глупо то, что я скажу, но мне кажется, что если одна катушка индуктирует ток в витках другой, более или менее удаленной, то тем более она должна индуктировать ток в своих собственных витках.
Л. – Мой дорогой Незнайка, ты только что заново открыл явление самоиндукции. Поздравляю! Действительно, индуктированный ток появляется также и в той катушке, по которой течет индуктирующий ток. В этой катушке индуктированный ток сосуществует с индуктирующим и противодействует его изменениям в силу своего «духа противоречия».
Н. – Это совсем как в «психологических» романах, в которых «внутренний голос» постоянно противопоставляет свои доводы сентиментальным движениям героя.
Л. – Лучше бы ты прочел хорошую книжку по электричеству. Ты бы увидел, что самоиндукцию лучше сравнить с механической инерцией. Так же, как инерция всегда противодействует началу движения какого-либо тела и стремится удержать его в этом состоянии движения, так и самоиндукция противодействует появлению тока в обмотке (возрастающий ток вызывав! индуктированный ток противоположного направления) и стремится поддержать существующий ток, когда он начинает уменьшаться (ток, который уменьшается, индуктирует ток того же направления).
Н. – Так значит переменный ток, постоянно меняющий свою величину и направление, испытывает затруднения при прохождении через катушку?
Л. – Конечно, так как самоиндукция противодействует его изменениям (рис. 9). Сопротивление, которое появляется в результате явления самоиндукции, называется индуктивным сопротивлением. Не надо его путать с простым активным сопротивлением проводника. Индуктивное сопротивление зависит от коэффициента самоиндукции катушки, т. е. от индуктивного действия каждого витка на другие, а также от частоты тока.
Рис. 9. Иллюстрация явления индукции.
а – переменный ток, б – кривая индуктированного тока.
1 – индуктирующий ток увеличивается очень быстро, индуктированный ток имеет противоположное направление;
2 – индуктирующий ток не меняется в течение короткого промежутка времени, индуктированный ток равен нулю;
3 – индуктирующий ток уменьшается, индуктированный ток течет в том же направлении;
4 – индуктирующий ток не меняется в течение короткого промежутка времени, индуктированный ток равен нулю;
5 и 6 —тоже, что 1 и 2.
Н. – Почему же?
Л. – Ведь это очень просто? Чем больше частота, тем изменения тока происходят быстрее, следовательно, тем сильнее и индуктированные токи, которые противодействуют этим изменениям.
Н. – Таким образом, для высоких частот индуктивное сопротивление катушки больше, чем для низких? Это нужно знать, так как я вижу, что чем дальше, тем сложнее.
Л. – Однако я тебе еще ничего не говорил о конденсаторах.
ПОГОВОРИМ НЕМНОГО О КОНДЕНСАТОРАХ
Н. – Я очень хорошо знаю, что это такое. Я их видел в радиоприемниках. Можно сказать, что это прибор с круглыми пластинами, одни из которых могут вращаться, а другие остаются неподвижными.
Л. – Да. Это конденсаторы переменной емкости. Имеются также конденсаторы постоянной емкости, пластины которых всегда неподвижны, так что их емкость постоянна.
Н. – Емкость? Вероятно, еще один термин, который надо понять и выучить?
Л. – Знаешь, дружище, конденсатор – вещь очень простая. Это система из двух взаимно изолированных электродов, к которым прикладывается некоторое напряжение.
Н. – Я не знаю, почему два изолированных друг от друга электрода заслуживают наименования конденсатора.
Л. – Конденсатор можно сравнить с двумя резервуарами, разделенными эластичной резиновой мембраной (рис. 10). Насос,
Рис. 10. Два резервуара, разделенные эластичной перегородкой, похожи на электрический конденсатор. Насос, создающий разность давлений, аналогичен электрическому элементу, который создает разность потенциалов.
Л. – Да Это свойство называется емкостью конденсатора. Как ты думаешь, отчего зависит ее величина?
Н. – Я думаю, что емкость зависит от толщины мембраны. Чем она тоньше, тем больше она может изогнуться и, следовательно, оставить больше места для молекул газа в резервуаре 2.
Л. – Правильно. Применительно к конденсатору мы скажем, что его емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Но возвратимся к нашим резервуарам; как ты думаешь, зависит ли емкость также от свойств эластичной мембраны?
Н. – Конечно, Гибкость резиновой мембраны, например, больше, чем жестяной.
Л. – Следовательно, емкость конденсатора зависит также от свойств диэлектрика, разделяющего пластины. Числовой коэффициент, который характеризует способность диэлектрика увеличивать емкость, называется его диэлектрической проницаемостью. Для воздуха она равна 1, а для слюды – 8. Таким образом, если в конденсаторе с воздушным диэлектриком емкостью 10 пикофарад поместить между пластинами листок слюды, то емкость увеличится до 80 пикофарад.
Н. – Разве емкость измеряют в пикофарадах?
Л. – Единицей измерения емкости является фарада (ф) Однако практически это очень большая емкость. Поэтому пользуются ее производными: микрофарадой (мкф), составляющей миллионную долю фарады, или пикофарадой (пф), составляющей миллионную долю микрофарады{4}.
Н. – Эта система единиц дьявольски сложна. Однако вернемся к тему, от чего зависит емкость. Мне кажется, что она зависит еще от площади мембраны: чем она больше, тем больше сфера действия положительных атомов на электроны{5}.
Л. – Действительно, емкость пропорциональна площади пластин.
Н. – Я полагаю, что емкость зависит также и от толщины пластин, ибо при большем объеме они могут содержать большее число электронов.
Л. – Вот тут ты ошибаешься, друг мой. Здесь имеет значение не объем, а площадь пластин, на которых накапливаются положительные и отрицательные заряды.
Н. – Словом, чтобы увеличить емкость конденсатора, можно или увеличить площадь пластин, или приблизить их друг к другу. Таким образом, даже при очень маленьких пластинах можно, я думаю, получить большую емкость, если сильно сблизить их.
Л. – Это очень опасно! Если слишком уменьшить толщину мембраны, то наступит момент, когда вследствие давления она лопнет. Между двумя же сильно сближенными пластинами напряжение вызовет появление искры. Электроны при слишком сильном притяжении могут пробить диэлектрик.
Н. – Словом, плохой конденсатор может явиться хорошей «электрической зажигалкой».
Беседа четветрая
Незнайкин поражен, что переменный ток проходит через конденсаторы, которые представляют переменному току некоторое емкостное сопротивление. Он начинает путаться в различных видах сопротивлений. Однако читатель не должен следовать такому плохому примеру и легко поймет рассуждения Любознайкина.
ТОК ПРОХОДИТ!..
Незнайкин – Прошлый раз ты говорил о конденсаторах, и, если я хорошо понял, когда присоединяют две пластины конденсатора к электрической батарее, на этих пластинах накапливаются заряды.
Любознайкин. – Это правильно. В таком случае говорят, что конденсатор заряжен.
Н. – Значит, когда мы подключаем конденсатор к источнику тока, в цепи проходит некоторый зарядный ток. Но продолжает ли проходить ток, когда конденсатор заряжен?
Л. – Нет, все прекращается. С другой стороны, подключив к конденсатору вместо батареи сопротивление, можно произвести разряд конденсатора.
Н. – Как это?
Л. – Очень просто. Надо только дать возможность электронам, находящимся в избытке на отрицательной пластине, восполнить недостаток их в атомах положительно заряженной пластины. Ток небольшой длительности, который пойдет при этом через сопротивление, называется током разряда.
Н. – Значит, конденсатор – это вид пружины, которую можно натянуть и которая затем при отпускании ослабевает, отдавая запасенную энергию.
Л. – Я тебе напомню, что прошлый раз мы использовали пример, сравнивая конденсатор с двумя резервуарами, разделенными эластичной мембраной. Разряд конденсатора через сопротивление можно сравнить с выпрямлением мембраны, которая при этом гонит воду через узкую трубу (рис. 11).
Рис. 11. Разряд конденсатора через резистор.
Н. – Может быть, это и очень забавно заряжать и разряжать конденсатор, но, по правде говоря, я не вижу пользы от этого занятия. Раз произошел разряд, то это уже конец. Не правда ли?
Л. – Да – если имеется источник постоянного тока, нет – если используется генератор переменного тока. В нашем примере эта машина может быть представлена в виде поршня, движущегося взад и вперед (рис. 12).
Рис. 12. Прохождение переменного тока через конденсатор.
Н. – Я понимаю. Перемещаясь к правому или левому концу цилиндра, поршень заряжает конденсатор, т.е. искривляет мембрану, возвращаясь в среднее положение, он ослабляет мембрану, т.е. разряжает конденсатор.
Л. – Ты видишь, что при этом в нашей цепи происходит непрерывное переменное движение электронов, т.е. получается настоящий переменный ток.
Н. – И это, несмотря на присутствие в цепи конденсатора, который в некотором роде разрывает цепь.
РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Л. – Электрики даже говорят, что переменный ток проходит через конденсатор. Это вовсе не значит, что электроны проходят через диэлектрик (мембрану, см. рис. 12). Наличие конденсатора лишь не препятствует движению взад и вперед электронов, т.е. прохождению переменного тока в цепи.
Н. – Нужно некоторое время, чтобы я привык к этому понятию, так как все-таки, по моему мнению, какой бы эластичной мембрана ни была, она является препятствием.
Л. – Конечно! Емкостным сопротивлением и назвали то сопротивление, которое конденсатор оказывает переменному току.
Н. – Ну вот еще один термин, да к тому же опять страшно сложный.
Л. – Наоборот, все это в сущности очень просто. Ты легко догадаешься сам, от чего зависит емкостное сопротивление.
Н. – Я полагаю, что оно зависит от емкости. Чем эластичнее мембрана, тем она больше изгибается и тем самым дает возможность большему количеству электронов входить с одной стороны и выходить с другой.
Л. – Итак, чем больше емкость, тем переменный ток легче проходит через конденсатор, и тогда мы говорим, что емкостное сопротивление меньше.
Н. – Как раз противоположно тому, что, происходит при индуктивном сопротивлении, которое возрастает с увеличением индуктивности катушек. Ну, а в действительности разве емкостное сопротивление, так же как и индуктивное, не зависит от частоты тока?
Л. – Конечно, чем больше частота, тем больше зарядов и разрядов конденсатора происходит в секунду и, следовательно, больше электронов проходит через поперечное сечение цепи в секунду.
Н. – Значит, ток возрастает с увеличением частоты; имение это и доказывает, что емкостное сопротивление увеличивается. Но, дорогой Любознайкин, много ли еще у тебя в запасе всяких сопротивлений? Я чувствую, что мое сильно уменьшается.
Л. – Успокойся, теперь ты уже знаешь три вида сопротивлений, имеющихся в электрорадиотехнике. Чтобы лучше понять их свойства, позволь привести тебе маленькую табличку.
Н. – Со свойствами различных видов сопротивлений, положим, я разберусь, но мне бы хотелось увидеть их в том наборе деталей, которые ты уже начал приобретать для приемника.
Л. – Желание законное, хотя оно свидетельствует о том, что ты еще не все понял. В отличие от активного сопротивления, присущего тому или иному конкретному материалу проводника, индуктивное и емкостное сопротивления называют реактивными. Эти как бы кажущиеся сопротивления катушек или конденсаторов появляются только тогда, когда через них проходит переменный ток. Активное же сопротивление существует в виде детали. Посмотри на эти цилиндрики с выводами для припайки. Это – активные сопротивления. Они называются резисторами.
Н. – А можно ли комбинировать различные виды сопротивлений?
Л. – Конечно. Впрочем, по правде говоря, мы довольно редко имеем дело с сопротивлением только одного вида. Так, например, катушка, кроме индуктивного, обладает также некоторым активным сопротивлением, которое зависит от длины, диаметра и материала проволоки. Катушка имеет также «распределенную емкость», образующуюся между соседними витками, которые как бы образуют пластины конденсатора.
СЕМЕЙНАЯ ЖИЗНЬ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Л. – В радиотехнике встречается большое количество различных соединений активного, емкостного и индуктивного сопротивлений.
Н. – В этом случае их величины складываются?
Л. – Увы. Не так все просто. Существует два основных способа включать различные сопротивления в электрическую цепь. Рассмотрим это на примере соединения резисторов. Первый способ (рис. 13,а) состоит в том, что резисторы (на схемах они обозначаются узким прямоугольником и буквой R) соединяют последовательно таким образом, чтобы ток проходил через них поочередно.
Второй способ предполагает параллельное соединение (рис. 13,б). При этом ток от источника разделяется на столько токов, сколько ветвей в разветвлении; в каждой ветви ток будет тем больше, чем меньше сопротивление резистора.
Рис. 13. Схемы соединения резисторов.
а – последовательная; б – параллельная.
Н. – Подобно этому, если течение реки разделить на две ветви островом, то в ветви с большим руслом потечет больше воды.
Л. – Ты понимаешь, что два соединенных последовательно резистора…
Н. – … соответствуют сопротивлению, равному сумме сопротивлений этих резисторов.
Л. – Верно. А если они соединены параллельно?
Н. – Ну и что же! Я думаю, что в этом случае электронам будет легче проходить. Как если бы имелся проводник, у которого сечение равно сумме сечений разветвленных проводников. А раз так, то сопротивление этого участка уменьшится. Я думаю, что то же будет и для емкостного и индуктивного сопротивлений.
Л. – Ты не ошибаешься.
Н. – Следовательно, при последовательном соединении сопротивления резисторов, индуктивности и емкости складываются, а при параллельном общая величина, наоборот, будет меньше, чем каждая из величин, взятая в отдельности.
Л. – Ты забегаешь вперед, приписывая катушкам и конденсаторам те же свойства, что и их кажущимся сопротивлениям. Это справедливо, если ты говоришь о резисторах и катушках, для которых индуктивное сопротивление пропорционально их индуктивности. Но для конденсаторов это не так, так как емкостное сопротивление обратно пропорционально емкости. Значит, если при последовательном соединении емкостные сопротивления складываются, то общая емкость, наоборот, уменьшается.
Н. – Вот это да!
Л. – Я вижу, что совершенно бесполезно взывать к твоей математической интуиции… Смотри же (рис. 14), вот два последовательно соединенных конденсатора С1 и С2. Заметь, что емкость у С2 меньше, чем у С1, так как мембрана у С2 меньше. Следовательно, общее количество жидкости, которое поршень может переместить, ограничено величиной конденсатора С2. Что же касается конденсатора С1, то хотя он и мог бы накопить большее количество жидкости, но получит ее столько, сколько пропустит конденсатор С2 или даже немного меньше из-за преодоления напряжения своей собственной мембраны. Значит, при последовательном включении конденсаторов общая емкость системы С1 и С2 будет меньше, чем емкость одного конденсатора С2.
Рис. 14. Последовательное соединение конденсаторов.
Н. – А при параллельном соединении емкости конденсаторов складываются, так как это соответствует как бы увеличению поверхности мембраны.
Л. – Правильно. Наконец-то ты понял.
Беседа пятая
Любознайкин вносит некоторую ясность в размышления Незнайкина, приводя таблицу, в которой показаны схемы последовательного и параллельного соединений резисторов, катушек и конденсаторов и даны значения активных, реактивных сопротивлений для этих случаев соединений. Затем два друга подходят к проблеме резонанса – основного явления в радиотехнике. Любознайкин обращает внимание Незнайкина на некоторые моменты, которые облегчат в дальнейшем изучение радиоцепей.
МАТЧ – ИНДУКТИВНОСТЬ ПРОТИВ ЕМКОСТИ
Незнайкин. – Я очень рад встретиться опять с тобой. Наша последняя беседа оставила в моей голове такой туман, что я меньше, чем когда-либо, осмеливаюсь приступить к конструированию радиоприемника для твоей тетушки.
Любознайкин. – Это можно было предвидеть. Поэтому я сейчас покажу тебе таблицу (рис. 15), в которой приведены схемы последовательного и параллельного соединений резисторов, конденсаторов, катушек и даны определения величин для указанных случаев соединений, а также значения суммарной величины активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.
Рис. 15. Схемы последовательного и параллельного соединения сопротивлений, индуктивностей и емкостей.
Н. – Спасибо Это, без сомнения, поможет мне навести порядок в мыслях, а то ведь я от наших занятий стал плохо спать и это начинает внушать мне беспокойство
Л. – Неужели это радио, которое…
Н. – Ну да! Целую ночь я думал о том, что может получиться в результате последовательного соединения конденсатора и катушки Но, увы, я ничего не придумал.
Л. – Это неудивительно, потому что я ничего не говорил тебе еще об одном важном явлении. Сущность этого явления состоит в том, что хотя индуктивность и емкость являются сопротивлениями. Для переменного тока, эти сопротивления имеют как бы противоположные свойства. Индуктивность со свойственной ей инерцией задерживает появление тока (рис. 16) при приложении напряжения (в этом случае говорят, что происходит сдвиг по фазе и ток отстает от напряжения). Емкость обладает противоположным свойством: ток будет наибольшим в момент, когда конденсатор разряжен и, следовательно, напряжение равно нулю, по мере того как конденсатор заряжается и напряжение на нем возрастает, ток уменьшается.
Рис. 16. Сдвиг фаз в цепи с индуктивностью: ток I отстает от напряжения U.
Н. – Да, ведь это верно! Когда мембрана выпрямлена, движется наибольшее количество воды (электронов), когда же она выгнута, движение прекращается.
Л. – Переводя на язык электротехники эту аналогию, можно сказать, что в цепи с емкостью ток смещен по фазе и опережает приложенное напряжение (рис. 17).
Рис. 17. Сдвиг фаз в цепи с емкостью: ток I опережает напряжение U.
Н. – Пусть так. Но что происходит, когда переменное напряжение приложено к емкости и индуктивности, соединенным последовательно? Я хотел бы все же уснуть сегодня ночью!
Л. – Ну, что же! В этом случае все зависит от соотношения между величинами индуктивного и емкостного сопротивлений. Если индуктивное сопротивление больше емкостного, то оно возьмет верх, и наоборот, так как емкостное сопротивление должно вычитаться из индуктивного. Ведь оно действует диаметрально противоположно.
Н. – Хорошо Позволь мне тогда задать тебе один из мучающих меня вопросов. Представь, что у меня есть конденсатор и катушка, включенные последовательно (рис. 18) Я прикладываю к ним переменное напряжение со все возрастающей частотой, что произойдет?
Рис. 18. Последовательное соединение емкости С и индуктивности L. На резонансной частоте сдвиг фаз и реактивное сопротивление уменьшаются до нуля.
Л. – Так ты же сам это знаешь очень хорошо.
Н. – Да, я знаю, что с возрастанием частоты индуктивное сопротивление увеличится, а емкостное – уменьшится. В этом случае неизбежно наступит момент, когда при некоторой частоте индуктивное и емкостное сопротивления будут одинаковыми. И так как одно должно вычитаться из другого, то общее реактивное сопротивление нашей цепи будет равно нулю?!
Л. – Ты рассуждаешь совсем неплохо. Однако ты забываешь, что простое активное сопротивление, не зависящее от частоты, останется все-таки в цепи. Но справедливо то, что при некоторой частоте емкостное и индуктивное сопротивления как бы взаимно компенсируются и в цепи в этот момент не будет сдвига фаз между напряжением и током.
КАПЛЯ, КОТОРАЯ РАЗБИВАЕТ РЕЛЬС
Н. – Значит, в этот момент сопротивление цепи достигнет минимума, а ток, следовательно, – максимума?
Л. – Конечно. Это состояние называется резонансом.
Н. – Правда, это похоже на историю с каплями воды, которые разбивают рельс?
Л. – Что ты еще выдумал?
Н. – Я где-то читал, что можно разбить стальной рельс, лежащий на двух опорах, если капать на его середину. Под ритмичным воздействием падающих капель рельс начинает вибрировать, и при определенной частоте падения капель вибрация становится такой сильной, что рельс может лопнуть.
Л. – Действительно, это пример механического резонанса. Точно так же цепь, состоящая из индуктивности и емкости, обладает собственной резонансной частотой, при которой сопротивление цепи становится очень малым, а колебания тока в ней – наибольшими. Это аналогично свойствам металлического бруска, который, обладая некоторой массой (эквивалент индуктивности) и некоторой упругостью (эквивалент емкости), имеет тоже резонансную частоту, для которой его вибрации становятся наибольшими. Первая капля создает очень слабое колебание в рельсе, вторая, попадая в нужный момент времени, увеличивает амплитуду колебаний и так далее.
Н. – Да, я теперь понимаю, что если капли падали бы немного быстрее или немного медленнее, то они не только не помогли бы колебаниям бруска, а даже помешали бы им. Но при резонансной частоте их действия складываются и брусок ломается, когда колебания становятся слишком сильными.
ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ?..
Л. – Вернемся теперь, если хочешь, к электричеству. Представь, что у тебя есть заряженный конденсатор и что к его выводам ты присоединяешь катушку индуктивности (рис. 19). Что произойдет?
Рис. 19. Колебательный контур.
Н. – Я это знаю очень хорошо. Еще в последней нашей беседе мы изучили разряд конденсатора через сопротивление, а ведь катушка это все равно, что сопротивление. Следовательно, конденсатор разрядится через индуктивность… и все!
Л. – Вот как опасны слишком поспешные умозаключения! Ты забываешь, мой дорогой, что индуктивное сопротивление катушки немного особое, оно аналогично инерции. Электронам также трудно начать двигаться, как^ и остановиться. Значит, в момент, когда конденсатор разрядится, поток электронов будет еще продолжаться в том же направлении и…
Н. – … конденсатор снова зарядится, вероятно, изменив полярность. Но когда он снова зарядится?…
Л. – Он снова разрядится и так далее (рис. 20).
Рис. 20. Движение электронов в колебательном контуре в течение одного периода. В случаях 1 и 3 ток равен нулю, а напряжение на конденсаторе С максимально; в случаях же 2 и 4, наоборот, ток максимален, а напряжение на конденсаторе С равно нулю.
Н. – Значит, этому не будет конца? Достаточно зарядить конденсатор один раз, чтобы он, разряжаясь на катушку индуктивности, заряжался и разряжался вечно. Это же вечное движение?!
Л. – Не увлекайся! Наша цепь имеет активное сопротивление, и поэтому ток будет ослабевать, преодолевая это сопротивление. Вследствие этого в течение каждого колебания ток будет все меньше и меньше и, наконец, прекратится совсем.
Н. – Это похоже на колебания маятника, который, будучи выведен из состояния равновесия, качается до тех пор, пока вся энергия его не иссякнет из-за сопротивления воздуха.
Л. – Это самый классический пример, который приводится во всех учебниках по радиотехнике; может быть, ты легко догадаешься, какова же будет частота колебаний, образующихся в нашей цепи?
Н. – Я думаю, что электроны достаточно ленивы и будут следовать закону затраты наименьших усилий. Поэтому они будут колебаться на резонансной частоте – частоте, при которой кажущееся сопротивление цепи имеет наименьшее значение.
Л. – Все это именно так и происходит. В цепи, состоящей из индуктивности и емкости, называемой колебательным контуром, разряд конденсатора превращается в затухающие электрические колебания (переменный ток с уменьшающейся амплитудой), частота которых равна собственной или резонансной частоте колебаний контура (рис. 21).
Рис. 21. Виды колебаний.
а – затухающие колебания; б – незатухающие колебания.
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР И ВНЕШНЯЯ ЦЕПЬ
Н. – Существует ли способ постоянно поддерживать эти колебания?
Л. – Конечно. Можно получить колебания с постоянной амплитудой – незатухающие колебания, компенсируя потерю энергии за каждое колебание маленькой дозой энергии, добавленной от внешнего источника.
Н. – Я это понял и опять вспомнил часы. Ведь пружина или гири у стенных часов сообщают маятнику легкие толчки в такт с каждым колебанием.
Л. – Верно. Но в нашем случае надо колебательный контур LC связать с цепью, по которой проходит переменный ток, частота которого равна резонансной частоте колебательного контура. Связь может быть индуктивной (рис. 22, а) или же контур может быть включен непосредственно в цепь источника напряжения (рис. 22, б).
Рис. 22. Схемы питания колебательного контура LC.
а – индуктивное, б– непосредственное.
Н. – Я думаю, что в обоих случаях только ток резонансной частоты сможет усилить ток в колебательном контуре.
Л. – И ты не ошибаешься. Но вот, что еще важно – я прошу тебя обратить на это особое внимание! Когда колебательный контур включается в цепь (рис. 22,б), он представляет собой для тока на резонансной частоте значительное реактивное сопротивление.
Н. – Тогда… я больше ничего не понимаю! Ты же только что говорил, что для тока резонансной частоты реактивное сопротивление контура имеет наименьшую величину?!
Л. – Какой винегрет у тебя в голове!.. Пойми, наконец, что здесь мы имеем дело с двумя совершенно различными цепями. Одна, которую я рисую жирными линиями, это наш колебательный контур. Другая – это внешняя цепь, через которую проходит ток резонансной частоты.
Н. – Но откуда берется этот ток?
Л. – Ты это узнаешь позже – из антенны или цепи анода. В данный момент это несущественно… Внутри колебательного контура LC реактивное сопротивление действительно очень мало для тока с резонансной (собственной) частотой колебаний.
Рассмотрим теперь цепь, нарисованную тонкими линиями. Она служит для того, чтобы в течение каждого колебания тока передать в контур LC небольшое количество энергии, которое колебательный контур теряет за период каждого колебания. Таким образом, во внешней цепи может протекать только очень слабый ток. Отсюда следует, что колебательный контур по отношению к внешней цепи является большим сопротивлением.
Н. – Это очень сложно; однако мне кажется, что я понял.
Л. – И запомни еще очень важный вывод так как колебательный контур представляет собой большое сопротивление для резонансного тока внешней цепи, этот ток создаст (согласно закону Ома) очень большое переменное напряжение на зажимах А и Б колебательного контура (рис. 22, 6).
Н. – А что произойдет, если вместо тока резонансной частоты во внешней цепи будет протекать ток другой частоты?
Л. – В этом случае вынужденные колебания в колебательном контуре будут намного слабее, чем при резонансе. А сопротивление колебательного контура для нерезонансных частот будет значительно меньше. Таким образом, если во внешней цепи проходит одновременно много токов различной частоты, то только ток резонансной частоты создаст в колебательном контуре LC сильный ток, а на его зажимах – значительное напряжение. Таким способом ты можешь среди многих токов избрать один – ток резонансной частоты.
Н. – Я хотел бы спросить, от чего зависит резонансная частота, а также…
Л. – Я думаю, что на сегодня достаточно. Ты уже достиг насыщения и лучше остальное отложить на следующий раз. Мы сможем тогда покончить со всеми предварительными понятиями из электротехники и перейти непосредственно к радиотехнике.
