Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 23 страниц)

Лампа становится генератором

Если от приемника отключить антенну, то электроны, перебегавшие в колебательном контуре по виткам катушки от одной обкладки конденсатора до другой и не подгоняемые более сигналами, приходящими извне, постепенно успокоятся, утихнут. Электрические колебания в контуре быстро затухнут – сетка перестанет влиять на анодный ток, анодный ток перестанет пульсировать.

Словом, все произойдет как в часах, у которых тяжесть гири или сила пружины окажутся недостаточными, чтобы поддерживать качание маятника. Маятник, не получая от пружины возмещения потерь на трение, качается все медленнее и медленнее и затем останавливается совсем. Его колебания затухают.

Если усилить пружину или увеличить все гири, то маятник сможет качаться долго: пока гиря не опустится до полу или не раскрутится пружина.

Все дело, следовательно, в том: получает ли маятник, все равно какой – механический или электрический, возмещение своих потерь энергии или нет. Получает – качается, не получает – затихает.

Электрические колебания контура также можно сделать непрерывными – незатухающими. Для этого надо дать контуру дополнительный источник энергии. Сделать это просто: катушку обратной связи придвинуть поближе к катушке колебательного контура.

Колебания анодного тока, текущего в катушке обратной связи, начнут подталкивать электроны контура, а контур через сетку лампы будет поддерживать колебания анодного тока, и все это будет продолжаться до тех пор, пока не иссякнет анодная батарея.

При сближенных катушках колебательный контур подобен маятнику часов с пружиной, имеющей достаточную силу, чтобы поддерживать его качания. Возмещение потерь колебательного контура происходит за счет анодного тока.

Если к приемнику, у которого сильно сближены обе катушки, присоединить антенну, то электроны контура и антенны в этом случае поменяются ролями. До сближения катушек тон «задавали» антенные электроны. Они командовали электронами в катушке, заставляли их раскачиваться в такт принимаемым сигналам.

Теперь на стороне электронов контура оказался могучий союзник – анодный ток, и они начинают подталкивать электроны антенны, заставляя их раскачиваться в такт колебаниям контура. В антенне разыгрывается уже знакомое нам явление, – колеблющиеся в ней электроны начинают излучать энергию в пространство.

Все радиослушатели в ближайших домах и квартирах от всего сердца выбранят «свинью в эфире» и будут, разумеется, совершенно правы. Их приемники захрюкают, завизжат, так как они примут, кроме передачи широковещательной станции, еще «сверхпрограммное излучение» приемника, который благодаря сближению катушек превратился в передатчик.

Усилительная лампа при большой обратной связи становится генератором электрических колебаний.

Для того, чтобы получить электромагнитные волны, перекрывающие обширные пространства, нужны мощные колебания в антенне – маленькая лампочка не может их давать. Нужны лампы больших размеров, питаемые не батареей, а мощным источником тока высокого напряжения.

И действительно, генераторные лампы больше чем приемно-усилительные, их катоды и аноды – прочнее, массивнее.

Таким образом, электронные лампы могут служить не только для приема, но и для посылки радиосигналов. Генераторная электронная лампа давно уже стала сердцем современной передающей радиостанции. Лампе мощного радиопередатчика приходится выполнять работу несравненно более тяжелую, чем лампе в приемнике.

Электронный поток между катодом и анодом генераторной лампы силен, количество электронов, бомбардирующих анод, и их скорость велики. Удары быстро летящих электронов разогревают анод до температуры плавления большинства металлов.

В первых генераторных лампах, которые строил в Нижегородской радиолаборатории Бонч-Бруевич, металлические аноды плавились, как восковые, и лампы выходили из строя. Надо было – так утверждали иностранные специалисты – делать аноды из какого-либо особого тугоплавкого металла: тантала, вольфрама или молибдена.

Советская власть унаследовала от царской России отсталую, убогую промышленность. Войска интервентов окружили молодую Советскую республику сплошным кольцом. Капиталистические страны хотели задушить Советскую Россию войной и блокадой. У нас тогда не было производства тугоплавких металлов: тантала, вольфрама и др. Работники Нижегородской радиолаборатории имели в своем распоряжении только красную медь, никель и алюминий.

Иностранные фирмы со злорадством ожидали, что советские инженеры не смогут обойтись без тантала. Однако чаяния врагов не оправдались.

17 сентября 1922 года московская радиостанция передала первый концерт, и его слышали во всей Европе. Англия и Франция смогли транслировать первый концерт двумя месяцами позднее, а Германия– только в октябре 1923 года.

За границей недоумевали – откуда в Советском Союзе добыли тантал для анодов?

Но тантала у Нижегородской радиолаборатории не было, да он и не понадобился ей. Аноды первых советских генераторных ламп изготовили из красной меди. Красная медь вследствие своей исключительной теплопроводности оказалась прекрасным материалом для анодов.

М. А. Бонч-Бруевич поместил аноды не целиком внутри баллонов, а вывел их наружу и снабдил водяным охлаждением. Снаружи аноды омывались потоками воды, которая уносила излишнее тепло. Лампе стало не опасно выделение теплоты, потому что вода быстро отводила ее прочь.

Никакой тантал не в состоянии выдержать электронной бомбардировки, которой подвергается анод в лампах, мощностью в несколько киловатт, а медные аноды с водяным охлаждением служили Нижегородской радиолаборатории хорошо, давая до 25–50 и даже 100 киловатт мощности. Иностранным специалистам пришлось спешно заимствовать замечательное достижение Нижегородской радиолаборатории.

Теперь во всем мире делают генераторные лампы с медным анодом и охлаждают их проточной водой или сильной струей воздуха. Аноды ламп, рассчитанные на воздушное охлаждение, имеют ребристые стенки, под лампами непрерывно работают вентиляторы, которые обдувают анод и отводят от него теплоту.

Генераторные лампы, посылающие энергию непосредственно в антенны крупнейших советских радиостанций, имеют большую мощность. Например, лампа типа Г-880 вдвое мощнее двигателя автомобиля «Москвич», а лампа Г-443 почти втрое мощнее двигателя «Победы». Наиболее мощные генераторные лампы обладают мощностями, превышающими тысячу лошадиных сил.

На анодах всех ламп современной радиостанции выделяется так много тепла, что его хватает для отопления станций, – систему водяного охлаждения анодов соединяют с трубами отопительных радиаторов.

Благодаря усовершенствованию генераторных ламп и огромному увеличению их мощности дальность радиопередач возросла в колоссальной степени. Наша планета давно уж стала тесна для установления рекорда дальности радиопередач. Излучение наших мощных коротковолновых станций обходит вокруг земли несколько раз.

Каждое слово, сказанное в микрофон московского радиоцентра, разносится по всему земному шару. Оно преодолевает горные хребты и безбрежную ширь океана. Его слышат десятки и сотни миллионов людей на всех материках нашей планеты.

Гениальное изобретение А. С. Попова дало новый вид связи – радио! Радио вызвало бурный расцвет электроники, и она в кратчайший срок сделала радио могучим рупором живой человеческой речи. Перед человеческим голосом рухнула преграда расстояния.

Шестнадцать разговоров

Успехи радио повлекли за собой усовершенствование проволочных линий связи. Старик-телефон, который раньше обеспечивал надежную связь всего лишь километров на 30–40, с помощью электроники (усилительных электронных ламп) шагнул на тысячи километров.

В СССР по проекту лауреатов Сталинской премии инженеров П. К. Акульшина, А. Н. Гумеля, В. 3. Малышева и П. А. Фролова построена самая длинная в мире, безукоризненно работающая телефонная линия, протяжением в 10 тысяч километров.

Эта линия связывает Москву с Дальним Востоком, и абоненты слышат друг друга так, как будто находятся в разных концах Москвы. Прекрасную слышимость на огромном расстоянии поддерживают мощные усилители. Они дают общее усиление до 30 миллионов раз.

Удивительным является, однако, не протяженность линии, а то, что по каждой паре проводов в наше время ведется 16 разговоров одновременно, и никто из разговаривающих не мешает друг другу.

Идея многократного использования одного и того же провода для телефонных переговоров была осуществлена капитаном русской армии Игнатьевым еще в 1880 году. Он передавал по одному проводу одновременно телеграммы и телефонный разговор. Электрический фильтр, состоящий из катушки самоиндукции и конденсатора, отделял постоянный ток телеграфного аппарата от переменного тока телефонного аппарата, и телеграфист с телефонистом беспрепятственно пользовались одним и тем же проводом.

Теперешнюю телефонную линию обслуживают ламповые генераторы высокой частоты. Телефонная станция состоит из 16 передатчиков и 16 приемников, соединенных лишь одной парой проводов.

Каждый передатчик и соответствующий ему приемник настроены на определенную частоту. Для каждого разговора применяется своя, отдельная частота. В проволоке получается такое же смешение различных колебаний, какое принимает приемная антенна радиолюбителя. Но электрические фильтры из настроенных колебательных контуров строго сортируют частоты так, что разговоры не мешают один другому.

«Шепот» звезд

В 1947 году советская астрономическая экспедиция, под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР А. А. Михайлова, наблюдала солнечное затмение близ берегов Бразилии. Радиоприборы, приспособленные для астрономических целей и установленные на теплоходе «Грибоедов», позволили советским ученым слушать «голос» Солнца, то есть принимать радиоволны, излучаемые Солнцем.

Источником радиоизлучения Солнца, как показали исследования советских астрономов и физиков, являются самые верхние, самые разреженные слои солнечной атмосферы. По-видимому это радиоизлучение исходит от солнечной короны – жемчужно– серебристого сияния, окружающего Солнце, и хорошо заметного во время полных солнечных затмений.

Сила радиосигналов Солнца зависит от силы извержений или огненных бурь, разыгрывающихся время от времени на его светоносной поверхности. Особо мощные вспышки радиоизлучения обычно предшествуют огненным бурям и служат их предвестниками.

Невольно вспоминается первый радиоприемный аппарат – «грозоотметчик» А. С. Попова. Теперь мы отмечаем бури и «грозы» в атмосфере солнца!

Вслед за первыми опытами приема радиоизлучения Солнца астрономы попробовали «послушать» звезды. Они направляли антенну коротковолновой радиостанции на различные участки неба и записывали принимаемые шумы.

Установлено, что наиболее сильные источники радиоизлучения находятся в самой гуще Млечного пути по направлению к созвездию Стрельца. А именно в этом направлении расположена таинственная и труднодоступная для изучения центральная область Галактики: она закрыта от нас скоплениями пыли.

Но туман, пыль, облака прозрачны для радиоизлучения, и это дает нам возможность проникнуть в закрытую от нашего взора загадочную область Галактики. Радиотехника позволила ее «послушать».

Совсем недавно «слушающая» астрономия сделала чрезвычайно важное открытие – оказалось, что радиоизлучение приходит к нам из отдельных небольших участков неба. К сожалению точность наведения радиотелескопа еще не велика, нацелить его в одну точку, как обычный оптический телескоп, не удается, и это, конечно, затрудняет исследования. Но все же установлено, что источники радиоизлучения по своим размерам раз в десять меньше полной луны, то есть, если бы мы могли их увидеть, они казались бы нам «пятачками» диаметром в несколько угловых минут.

Эти участки неба, посылающие особо сильное радиоизлучение, получили название радиозвезд.

Исследование загадочных «пятачков» с помощью оптических телескопов никаких результатов не дало. Там виднеется несколько рядовых слабеньких звездочек, каких много и там, где радиозвезд нет и в помине. Не помогает их разглядеть и фотография. Радиозвезды – невидимки!

Московский астроном И. С. Шкловский считает, что некоторые радиозвезды находятся совсем недалеко от Солнца, может быть даже ближе, чем видимые нами звезды, и вообще во Вселенной радиозвезд в несколько раз больше, чем ярких само– светящихся звезд. Что же такое эти радиозвезды, – остается пока неизвестным.

Уловленные приборами сигналы далеких светил еще не поняты. Их смысл и значение пока еще не разгаданы. Но радиоастрономия – очень молодая отрасль науки! Ученые совершенствуют радиоастрономические приборы, и нет ничего невероятного в том, что электроника в недалеком будущем создаст «слушающие телескопы» или «видящие астрорадиоприемники» (рис. 68).

Рис. 68. Приемник, улавливающий радиоизлучение звезд.

Радиоастрономия – новое могущественное средство познания Вселенной.

И возможно, что когда-нибудь среди шумов, рождаемых звездными атмосферами, мы уловим ритмичные сигналы, посланные в межзвездное пространство обитателями других планетных систем. Гениальный ученый и философ Джордано Бруно, сожженный на костре инквизиции 17 февраля 1600 года, писал: «В безмерном лоне бесконечной Вселенной возникают, развиваются, уничтожаются и снова рождаются бесчисленные миры. Существуют бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц подобно тому, как наши семь планет кружатся вокруг нашего Солнца».

И мы убеждены, что в бесконечном пространстве Вселенной кроме нашей Земли есть и другие обитаемые планеты.

Хранитель неизменной секунды

Часы с маятником были изобретены Христианом Гюйгенсом в первой половине XVII века. Они верой и правдой служат людям уже свыше 300 лет. За это время механизм часов был доведен до большого совершенства, но все же самые лучшие современные часы с маятником уходят вперед или отстают на 3–4 тысячных доли секунды в сутки. Это – предел точности таких часов и большего от них добиться трудно.

Однако точность в 3–4 тысячных доли секунды уже не удовлетворяет ученых. Тысячная доля секунды – величина большая. Для тонких научных исследований нужны часы, отмеряющие время с ошибкой, которая не превышала бы стотысячной доли секунды. Именно столь высокая точность позволяет совершать важные открытия..

Наша секунда это 1/86400 доля суток, а сутки – время одного оборота земного шара вокруг его оси. Все наше измерение времени до сих пор было основано на определении скорости вращения Земли. Раньше думали, что земной шар вращается в высшей степени равномерно и сутки остаются неизменными, но это оказалось не так. Установлено, что великие часы природы – земной шар – отстают. Земля замедляет свое вращение, и вследствие этого сутки постепенно удлиняются.

Величина «погрешности» Земли невелика, она составляет примерно 1,5 тысячных доли секунды в столетие. Иначе говоря, через каждые 700 столетий сутки становятся длиннее на 1 секунду.

Кроме того, в итоге многолетних наблюдений у астрономов зародилось подозрение, что наша планета вращается не вполне равномерно.

В 1872 году известный русский астроном С. П. Глазенап решил проверить это предположение. Предпринятое им исследование подтвердило догадку.

Земля то чуть-чуть ускоряет вращение, то так же неожиданно и без видимой причины замедляет его. Небольшие изменения скорости вращения день ото дня накапливаются, а к концу года достигают величины, которая уже не ускользает от внимания астрономов.

В течение прошлого столетия Земля вращалась с ускорением – сутки укорачивались. За время с 1865 по 1898 год было «потеряно» почти тридцать пять секунд.

В конце прошлого века Земля перестала «спешить». Сутки снова начали удлиняться. Это продолжалось до 1920 года. Сейчас она вращается с небольшим ускорением.

Очевидно, что земной шар, который считался безупречным судьей всех наших часов, сам оказался не вполне надежными часами.

Так как сутки то удлиняются, то укорачиваются, следовательно, и секунда – наша основная единица измерения времени – тоже изменяется. Но как можно пользоваться мерой, которая не отличается постоянством? Куда годится гиря, сделанная из льда, кому нужен резиновый метр? Такие материалы непригодны для изготовления мер.

Наша секунда, вследствие неравномерности вращения земного шара, непостоянна. Время же надо измерять неизменной секундой. Если земной шар не может служить образцовыми часами, то, очевидно, надо создать прибор, который мог бы хранить и сообщать точную величину секунды.

Маятниковые механические часы для этой цели не подходят.

Изобретатели обратились к электронным приборам. Кандидатом в заместители механического маятника был выдвинут маятник электрический, то есть колебательный контур, соединенный с электронной генераторной лампой.

Правда, электрический маятник оказался тоже не совсем постоянным. Малейшее изменение тока накала лампы, легкое дрожание электродов, неравномерный выход электронов из катода и ряд других причин нарушают правильный ритм колебаний в контуре. Электрический маятник нуждается в надежном регуляторе.

Такой регулятор был найден. Кристаллы горного хрусталя – кварца – обладают весьма полезным свойством: кварцевая пластинка или кольцо, вырезанное из кристалла кварца, под воздействием токов высокой частоты начинают сжиматься и расширяться с частотой переменного тока (рис. 69).

Рис. 69. Кварцевое кольцо – эталон частоты.

Однако не на все частоты кварцевая пластинка отзывается одинаково. Как и камертон, когда его ударят, издает звук только одного, ему свойственного, тона, так и кварцевое кольцо обладает собственной и тоже строго определенной частотой колебаний, которая зависит от размеров и формы кольца. И если ударить кварцевое кольцо, оно начинает колебаться со свойственной ему частотой. Такое кольцо присоединяют к колебательному контуру, частота колебаний которого равна собственной частоте пластинки. В таком контуре пластинка будет служить регулятором, как маятник в стенных часах.

В сочетании с электронной лампой кварцевое кольцо (или пластинка) стало основой часов нового типа – электронно-кварцевых.

Разработка проекта первых советских часов без маятника, без пружин, без гирь или электромагнитов была начата Центральным научно-исследовательским институтом геодезии, аэрофотосъемки и картографии в 1936 году и закончена в 1940 году.

Главной частью точных часов является генераторная лампа, соединенная с кварцевым кольцом. Это кольцо, выточенное из цельного куска кварца, по своим размерам равно круглому карманному зеркальцу: диаметр – 61 миллиметр, а толщина – 10 миллиметров. Кольцо совершает 99 271,05 колебаний в секунду или 5 956 263 колебания в минуту.

Кварцевое кольцо нечувствительно к изменениям силы тяжести или к каким-либо толчкам и сотрясениям, то есть оно не боится как раз того, что больше всего нарушает равномерность качаний обычного маятника. Но и кварц имеет свои недостатки – он чувствителен к изменениям температуры и давления воздуха. Поэтому кварцевое кольцо заключают в плотно закупоренный сосуд. Его обогревает электрическая печь с автоматическим регулятором температуры, и весь механизм одет двойной рубашкой из теплоизолирующих материалов. Температура внутри рубашки постоянна, давление – неизменно. В таких оранжерейных условиях кварцевое кольцо служит прекрасно.

Частота, превышающая 99 тысяч колебаний в секунду, слишком велика, чтобы ею можно было пользоваться для измерений. Особые приборы – делители частоты – уменьшают ее. Они делят частоту сначала на 11, потом на 9, и частота, пониженная до 1002,7379 колебаний в секунду, подается к мотору, а он приводит в движение счетный механизм со стрелками, как у обычных часов.

Точность кварцевых часов пока еще одна тысячная секунды в сутки. Но это – не предел. Часы могут быть еще более усовершенствованы, и погрешность их уменьшится до десятитысячных долей секунды.

В настоящее время кварцевые часы являются главными хранителями точной величины секунды. Они занимают почетное место в подвалах Службы времени астрономических обсерваторий, института метрологии и института геодезии. Маятниковые часы уступили первенство кварцевым часам.

Но даже точность кварцевых часов порой бывает недостаточна для тончайших лабораторных исследований. Ученые работают над созданием электронно-молекулярных часов, в которых роль маятника будут исполнять колеблющиеся молекулы газа – аммиака или метана.

Электронно-молекулярные часы обещают дать точность, определяемую миллионными долями секунды!