Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 23 страниц)

Особенности колебательного разряда

В любом современном радиоприемнике можно найти проволочную катушку, соединенную с конденсатором, то есть тот самый прибор, с помощью которого Савар намагничивал иголки разрядом лейденской банки. Оказывается, что пользуясь приемником, мы слышим радиопередачу в силу той самой причины, какая мешала Савару выполнить задуманное им исследование.

Электрические явления, совершающиеся в катушке, которая присоединена к конденсатору, весьма своеобразны.

Отрицательно заряженная обкладка конденсатора представляет собой как бы вокзальный зал ожидания, в котором толпятся вечные странники – электроны, ожидающие, когда им разрешат отправиться в путь.

Положительный заряд противоположной пластины конденсатора притягивает к себе электроны, но попасть туда они не могут – мешает перегородка-диэлектрик, и они скучиваются у ее поверхности.

Но вот к обкладкам конденсатора присоединила концы проводников от проволочной катушки. Для электронов образовался проход в другую обкладку. В проводе, который намотан на катушку, возникло электрическое поле. Оно привело в движение все электроны, находившиеся в катушке. Они сорвались с места и устремились в катушку.

И вот тут-то происходит нечто неожиданное, пробег по виткам катушки для электронов оказывается далеко не таким простым делом, как этого можно было ожидать.

В тот момент, когда конденсатор начинает разряжаться, электрический ток в катушке возникает не сразу, не мгновенно. Ему мешает самоиндукция. Току приходится преодолевать ее сопротивление, и он нарастает постепенно, словно берет разбег.

Достигнув наибольшей силы, ток начинает ослабевать. «Передовые отряды» электронов добрались до противоположной обкладки конденсатора, заряды обеих пластин выравнялись и, казалось бы, на этом разряд должен оборваться. Но нет! Тут опять вмешивается самоиндукция. Магнитное поле катушки вместе с током достигает наибольшей напряженности, и оно не может исчезнуть внезапно и бесследно.

Ослабевая вместе с током, магнитное поле создает вдоль проволоки электрическое поле, которое продолжает гнать электроны в уже зарядившуюся обкладку. Ток, постепенно возраставший, и ослабевает тоже постепенно, заставляя электроны в избытке скапливаться на той обкладке, которая раньше была заряжена положительно.

Конденсатор не просто разряжается, а перезаряжается. Положительно заряженная обкладка становится отрицательной, отрицательно заряженная – положительной; в конденсаторе вновь образуется электрическое поле обратного направления.

Разряд утихает, но только на одно мгновение. Электроны, увлекаемые электрическим полем уже в обратном направлении, опять устремляются через катушку в положительно заряженную обкладку, и все происходит в прежнем порядке. Самоиндукция сначала тормозит бег электронов, потом ускоряет его и загоняет их в другую обкладку. Обкладки снова меняются знаками, а затем все начинается сначала. Электроны носятся взад и вперед, от одной обкладки конденсатора до другой, как на качелях (рис. 52).

Рис. 52. Самоиндукция катушки загоняет электроны поочередно то в одну обкладку конденсатора, то в другую – получается колебательный разряд.

Катушка, присоединенная к конденсатору, поддерживающая своим магнитным полем это колебательное движение, получила название катушки самоиндукции.

Контур – электрический маятник

Теперь должно быть понятно, почему Савару не удавалось намагничивать иголки так, как он рассчитывал. Электроны, пробегая в одном направлении, намагничивали иголку, а пробегая обратно – перемагничивали ее. Угадать, в каком направлении они пробегут в последний раз, перед разрывом цепи в искровом промежутке, невозможно.

Разряд конденсатора не создает тока, текущего в одном направлении, как от гальванической батареи. В этом случае возникает колебательный разряд, в котором электроны быстро меняют направление своего движения, то есть образуют не постоянный, а переменный ток, который постепенно угасает, вследствие сопротивления проводника.

Прибор, состоящий из конденсатора и катушки самоиндукции, называется колебательным контуром (рис. 53).

Рис. 53. Колебательный контур, составленный из катушки самоиндукции и конденсатора переменной емкости; рядом условное обозначение контура.

Колебательный контур представляет собой не что иное, как электрический маятник. Каждый маятник совершает определенное число качаний в секунду.

Частота качаний маятника зависит от его длины. Чем короче маятник, тем быстрее он качается.

Электрические колебания в контуре тоже совершаются со своей определенной частотой, которая зависит от величины самоиндукции катушки и емкости конденсатора, составляющих колебательный контур. Чем меньше самоиндукция катушки и чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее протекает его перезарядка и тем больше частота колебаний тока в катушке.

Значит, для возбуждения очень быстрых, вернее, частых электрических колебаний следует иметь маленький конденсатор и небольшую катушку из 1–2 витков проволоки.

На заре радиотехники, когда в приемных и передающих радиостанциях использовались сравнительно медленные (редкие) колебания, приходилось применять огромные катушки и «пудовые» конденсаторы. Такие «первобытные» приемники весили по 16–20 килограммов.

Изменяя длину маятника, можно изменить частоту (период) его качаний; в этом нетрудно убедиться – стоит удлинить маятник часов-ходиков, он начнет качаться реже, а часы будут отставать.

Точно так же, изменяя самоиндукцию катушки или емкость конденсатора, можно по желанию увеличивать и уменьшать частоту колебаний в контуре, то есть настраивать его на ту частоту, какая нужна.

Чтобы привести маятник в движение, не требуется большого усилия, достаточно толкнуть его, и он начнет качаться. Но заставить маятник совершать вынужденные колебания, то есть раскачиваться чаще или реже, чем ему свойственно, весьма трудно. В этом случае приходится раскачивать его, не выпуская из рук.

И электрический маятник тоже легко воспринимает колебания, происходящие с его собственной частотой, но остается почти нечувствителен ко всем остальным колебаниям.

Колебания обычного маятника, если его не подталкивать, постепенно затихают, потому что энергия, полученная от толчка, расходуется на преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке подвеса.

И в электрическом маятнике колебания затухают, потому что электронам приходится преодолевать сопротивление проводника. Но, кроме того, в колебательном контуре есть еще одна важная статья расхода энергии: излучение – создание в окружающем пространстве меняющихся электрического и магнитного полей – так называемых электромагнитных волн, бегущих от колебательного контура во все стороны и уносящих энергию его колебаний.

Сопротивление проводников и потери энергии на излучение приводят к тому, что электрические колебания в контуре быстро прекращаются.

Именно за счет энергии, тратящейся на излучение, осуществляется передача радиосигналов.

Электромагнитные волны, встречая на своем пути проводники, вызывают в них движение электронов. С этого начинается прием сигналов – радиоприем.

Открытый колебательный контур

В приемнике потери энергии на излучение вредны, поэтому конструкторы делают катушки самоиндукции и конденсаторы так, чтобы эти потери были наименьшими.

Зато в передатчике радиоволн нужен колебательный контур, который должен как можно больше излучать энергии – создавать мощные электромагнитные волны. Ведь главная задача передатчика – это посылать энергию приемникам. Поэтому и устройство передающего контура должно отличаться от устройства приемного контура.

Заряд образует вокруг себя электрическое поле; движущийся заряд создает кроме того еще и магнитное поле.

Электроны, колеблющиеся в контуре, порождают одновременно и электрическое и магнитное поля. Эти поля зависят друг от друга. Они неразрывно связаны друг с другом. Поэтому их обычно объединяют под одним названием: электромагнитное поле.

В контуре, состоящем из обыкновенного конденсатора и катушки, оба поля почти полностью заключены в промежутке между обкладками конденсатора и внутри катушки. Во внешнее пространство они почти не распространяются. Такой контур подобен фонарю, у которого светильник заслонен со всех сторон крышками. Его излучение ничтожно мало. Чтобы фонарь стал светить, а контур излучать, – их надо раскрыть: раздвинуть и развести в стороны обкладки конденсатора, заменить катушку длинным и прямым проводником.

Вокруг открытого контура образуется электромагнитное поле, которое распространяется во все стороны и, постепенно ослабевая, уходит в бесконечность (рис. 54).

Рис. 54. Три вида колебательных контуров: закрытый, полуоткрытый и открытый, иначе называемый антенной.

Когда рыба клюет и подергивает поплавок, от поплавка по поверхности воды концентрическими кругами разбегаются волны; когда колеблются стенки колокола или ножки камертона, от них в воздухе во все стороны распространяются звуковые волны. Точно также каждое колебание в контуре вызывает соответствующие колебания (волны) в электромагнитном поле. Однако надо помнить, что эти электромагнитные волны представляют собой колебания не частиц какого-то вещества, – воды или воздуха, а колебания самого электромагнитного поля. Поэтому они могут распространяться не только в воздухе, но и в безвоздушном пространстве. Скорость их распространения много больше скорости распространения волн на поверхности воды и звуковых волн. Радиоволны распространяются со скоростью света, то есть около 300 000 километров в секунду.

Различные виды электромагнитных колебаний отличаются друг от друга своей частотой, то есть числом колебаний в секунду. От числа колебаний в секунду зависит «длина волны», то есть расстояние, которое успевает пробежать волна за время одного колебания. Чем больше частоты, тем короче волна, и наоборот.

Длину волны любого вида излучения можно получить, разделив скорость его распространения на число колебаний в секунду. Обычные радиоволны, на которых передают концерты и информацию, имеют длины от 400 метров до 1–2 километров. Диктор ежедневно объявляет, на какой волне ведется передача.

Наиболее жесткий вид излучения – гамма– лучи имеют частоту, превышающую 3∙10²⁰ колебаний в секунду, то есть свыше трехсот миллиардов миллиардов. Длина волны гамма-лучей, следовательно, измеряется миллионными долями микрона.

У остальных видов излучения длины волн больше: они образуют как бы лестницу со множеством ступеней, на которой в порядке возрастания длины волны располагаются рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, лучи видимого света, инфракрасные лучи, лучи открытые и изученные известным советским физиком А. А. Глагольевой-Аркадьевой, ультракороткие радиоволны и, наконец, на последних, нижних, ступенях этой лестницы находятся радиоволны, применяемые широковещательными станциями. В самом низу этой «лестницы» электрических колебаний оказывается колебание звуковой частоты в телефонных проводах и наш городской осветительный ток, он ведь тоже представляет собой колебания электронов, совершающиеся всего лишь 50 раз в секунду.

Существование электромагнитного излучения, имеющего сравнительно небольшие частоты, было доказано немецким физиком Генрихом Герцем.

Работа Герца была опубликована 10 декабря 1887 года. Основой исследований Герца послужили труды Фарадея, продолженные другим замечательным ученым – Максвеллом. Все, что сделал Герц, было предсказано теорией электромагнитных колебаний, которую математически разработал Максвелл. Герц выступил в науке как искусный строитель, который воздвиг здание по чертежам, полученным от архитектора. Он на опыте обнаружил явление, ранее предсказанное теорией. Но практического применения своему открытию Герц не нашел.

Великое русское изобретение

Огромное значение радиоволн понял и по-настоящему оценил русский ученый, преподаватель физики Минных офицерских классов в Кронштадте – Александр Степанович Попов.

Мысль об использовании радиоволн для телеграфирования без проводов зародилась у А. С. Попова еще в 1891 году. Четыре года ушло на обдумывание изобретения и на первые опыты.

7 мая 1895 года, на заседании Русского физико-химического общества, А. С. Попов сделал доклад о своем изобретении и тут же показал присутствовавшим ученым первый в мире приемник электромагнитных волн. Попов назвал прибор «грозоотметчиком», так как он улавливал «сигналы гроз», то есть принимал электромагнитные колебания, рожденные молнией (рис. 55).

Рис. 55. Первый в мире радиоприемник – «грозоотметчик» А. С. Попова.

Свой исторический доклад А. С. Попов закончил вещими словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний».

В память этого события мы отмечаем ежегодно 7 мая как «День радио».

И вскоре – менее чем через год – 24 марта 1896 года А. С. Попов демонстрировал новые радиоприборы – передатчик и приемник. Передатчик был установлен в другом здании, на расстоянии примерно 250 метров от приемника. У передатчика находился верный и бессменный помощник Попова – Π. Н. Рыбкин, у приемника – сам Попов.

В глубоком молчании, охваченные волнением, прислушивались ученые к тихому постукиванию приемного аппарата, из которого ползла узкая телеграфная лента.

Расшифровывая точки и тире, старейший из присутствующих, русский физик Ф. Ф. Петрушевский, писал мелом на доске текст первой в мире радиограммы. Она состояла только из двух слов: «Генрих Герц», – это была дань уважения выдающемуся ученому.

Летом 1897 года А. С. Попов, мечтавший внедрить свое изобретение на флоте, испытывал радиоаппаратуру в открытом море. Радиостанции были установлены на кораблях Учебно-минного отряда, и А. С. Попов, совместно с Π. Н. Рыбкиным, успешно передавал на расстояние около 5 километров донесения о ходе учебных стрельб.

Два года спустя радио доказало, что оно является могущественным и незаменимым средством связи. Глубокой осенью 1899 года возле острова Гогланд сел на подводные камни броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Для руководства спасательными работами требовалась надежная связь, и А. С. Попову было предложено соорудить на острове Гогланде и в Котке две радиостанции (рис. 56).

Рис. 56. Антенна радиостанции А. С. Попова.

24 января 1900 года первая в мире линия радиосвязи начала действовать на расстоянии в 47 километров. Первая радиограмма, полученная на Гогланде, гласила: «Командиру „Ермака“. Около Лавен-Сари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь».

Рис. 57. Текст радиограммы о спасении рыбаков.

«Ермак» вышел в море и на следующий день вернулся, доставив на берег 27 спасенных им рыбаков. Великое русское изобретение сразу же помогло спасти человеческие жизни. Этот факт был особо отмечен на Международной электротехнической конференции 1900 года.

А. С. Попов не переставал совершенствовать беспроволочный телеграф и в результате создал простой и удобный радиоприемник.

Иностранные фирмы предложили Попову переехать в Америку и работать там. Но он ответил им: «Я – русский человек, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения я имею право отдавать только моей Родине. Я горд тем, что родился русским. И если не современники, то, может быть, потомки наши поймут, сколь велика моя преданность нашей Родине и как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи».

С 1900 года аппаратами А. С. Попова стали оснащать корабли русского флота. К этому времени приборы Попова имели все части, хорошо известные ныне каждому радиолюбителю: антенну, колебательный контур, составленный из проволочной катушки и конденсатора, детектор, телефон или телеграфный аппарат и заземление.

Самые проворные почтальоны

Когда московская радиостанция транслирует оперу из Большого театра, то каждый звук, раздавшийся на сцене, владивостокский радиолюбитель в свои «наушники» (головной телефон) слышит раньше, чем зритель, сидящий в зале театра. Это объясняется тем, что скорость распространения радиоволн почти в миллион раз превышает скорость звука.

Пока звук долетит со сцены до середины зрительного зала, радиоволны успевают обнести его вокруг света. Это самые проворные в мире почтальоны. Они одинаково хорошо доставляют и отрывистые сигналы поверки времени, и человеческую речь, и пение, и музыку. Им можно поручить доставку любого известия.

На радиопередающей станции это делается примерно так: прибор, называемый генератором несущей частоты, вырабатывает мощные высокочастотные колебания. Каждое такое колебание ничем одно от другого не отличается, все они одинаковы и равномерны.

И вот эти-то равномерные колебания и служат почтальонами – разносчиками радиосигналов по всему свету. Они называются в радиотехнике несущей частотой.

Несущая частота поступает в другой прибор, который называется модулятором. В модуляторе «почтальон» принимает «почту», – одновременно с несущей частотой в модулятор попадают электрические колебания от микрофона. Эти колебания отличаются друг от друга и по силе и по частоте, они неодинаковы, потому что в точности соответствуют тем звуковым колебаниям, которые были восприняты микрофоном.

В модуляторе оба вида колебаний объединяются. Звуковые колебания накладываются на колебания высокой частоты, то усиливая, то уменьшая их интенсивность, они как бы отпечатываются на несущей частоте.

Из модулятора высокочастотные, колебания выходят уже неодинаковыми. Энергия колебаний становится то больше, то меньше, так как она изменяется в точном соответствии с теми звуковыми колебаниями, которые были посланы в модулятор микрофоном. Иначе говоря, высокая частота после модулятора уже несет на себе колебания звуковой частоты (рис. 58).

Рис. 58. На передающей радиостанции колебания звуковой частоты накладываются на несущую частоту, и такие модулированные колебания направляются в антенну.

В таком виде модулированные колебания несущей частоты поступают в антенны передающей радиостанции, отсюда «почтальоны» в виде радиоволн разлетаются по всему земному шару.

В мире радиоволн

Мы окружены сигналами всех радиостанций мира. Радиоволны самых различных частот пронизывают стены наших домов, проникают в нас самих, оставаясь совершенно незамеченными. Человек в мире радиоволн, как слепой в светлой комнате. Наши органы чувств не в состоянии их воспринимать. Даже стоя под мачтами радиовещательной станции, нельзя услышать музыку или речь, которую в этот момент передают по радио.

Чтобы воспринимать сигналы радиостанции, нам прежде всего нужна специальная сеть, которая улавливала бы радиоизлучение, нужно «ухо», способное «слышать» эти сигналы.

Таким электрическим «ухом» служит антенна радиоприемника. Она улавливает электромагнитные колебания, излучаемые радиостанциями.

Но если бы радиослушатель вздумал слушать все, что восприняла его антенна, то он, пожалуй, ничего не услышал бы, кроме сплошного рева. Ведь антенна принимает излучение всех радиостанций мира, а слушать всех сразу – невозможно!

Для отсева ненужных колебаний служит колебательный контур, который обладает «своей», строго определенной частотой колебаний. Изменяя самоиндукцию катушки или емкость конденсатора, можно управлять по своему желанию частотой колебаний контура, то есть настраивать его на избранную частоту и принимать сигналы только той радиостанции, какую намечено слушать.

Колебательный контур, словно сито, просеивает «улов» антенны, – в нем появляются только те колебания, на которые он настроен, все остальные беспрепятственно уходят по проводу заземления (рис. 59).

Рис. 59. Антенна приемной станции улавливает колебания, излучаемые всеми радиостанциями мира. Колебательный контур отбирает из них только те колебания, на которые он настроен.

Но и эти колебания, которые отобрал для нас контур, «непонятны» для нашего уха, оно не в состоянии воспринимать электрические сигналы, и чтобы их услышать нужен «переводчик».

Обязанности электрического переводчика исполняет детектор, что значит «обнаруживатель». Так был назван при первых опытах А. С. Попова прибор, служивший для обнаруживания сигналов передатчика. Со временем детектор изменял и свое устройство и назначение. Название «детектор» сохранилось, но приобрело новый смысл. Детектировать – значит преобразовывать модулированный переменный ток высокой частоты в ток низких звуковых частот.

Рис. 60. Расположение частей детекторного радиоприемника и его схематическое изображение.

Простейший детектор состоит из так называемого «детектирующего» кристалла, чаще всего минерала галена (сернистый свинец), и стальной спиральки, касающейся своим острием одной из граней кристалла.

Кристалл в паре с металлическим острием работает, как дверца мышеловки или как клапан насоса. В одну сторону – проход электронам свободен, назад – им дороги нет.

Электроны, проскочившие с острия в грань кристалла, обратно уже не возвращаются. Им остается только одно – идти к телефону.

Без детектора в цепи телефона шел бы переменный ток высокой частоты, с детектором характер тока меняется, детектор словно разрубает колебания: ток проходит только в одном направлении в виде отдельных толчков. Эти толчки образуют так называемый пульсирующий ток (рис. 61).

Рис. 61. Детектор как бы «разрубает» колебания, преобразуя переменный ток в пульсирующий постоянный, а блокировочный конденсатор сглаживает эти пульсации так, что в телефон поступают только колебания звуковой частоты.

В цепь детектора включен телефон. Телефон преобразует недоступные непосредственно нашему восприятию колебания силы тока в звуки.

Однако телефон сам по себе с такой задачей справиться не может. Он способен превращать в звуки человеческой речи или в музыку только колебания низкой звуковой частоты, ограниченные пределами от 16 до 20 тысяч колебаний в секунду, которые получаются после детектирования высокой частоты.

Обмотка магнита в телефоне, благодаря самоиндукции, обладает огромным сопротивлением для тока с частотой в сотни тысяч периодов в секунду. Да и мембрана телефона слишком массивна, чтобы колебаться с такой частотой. И, наконец, если бы даже телефон мог воспроизвести такие колебания, мы бы их не услышали. Мы слышим звук только тогда, когда нашего уха достигают звуковые воздушные волны с частотой от 16 колебаний в секунду до 20 000 колебаний в секунду.

Но при наличии детектора ток, хоть и толчками, идет все же в одну сторону, и мембрана телефона может теперь отклоняться под его воздействием. Она прогибается то сильнее, то слабее, соответственно средней силе тока (средней силе толчков). А так как сила толчков меняется со звуковой частотой, именно так, как был модулирован ток в радиопередатчике, то телефон воспроизводит такие же колебания, которые воздействовали на микрофон передатчика. Из телефона несутся звуки речи или музыки.

Для сглаживания толчков, происходящих с высокой частотой, иногда параллельно телефону включают конденсатор небольшой емкости.

Конденсатор накапливает электрические заряды, когда сила тока в цепи нарастает, и освобождает их, когда сила тока падает. Это его основное назначение.

Ток через детектор проходит короткими отрывистыми толчками, – электроны проскакивают стайками. Когда в проводнике возникает электрический толчок, часть электронов попадает в конденсатор, – сила толчка ослабевает. Когда наступает промежуток между толчками, конденсатор освобождает электроны и их током заполняется промежуток между толчками. Толчки тока выравниваются. Ток, благодаря конденсатору, из пульсирующего становится волнистым, он плавно нарастает и также плавно спадает со звуковой частотой (с частотой модуляции). Телефон с конденсатором звучит лучше, чем без него.