Текст книги "Радио на службе у человека"
Автор книги: Н. Малов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
3. ОТКРЫТИЕ МАКСВЕЛЛА
После смерти Фарадея учёный Максвелл, изучая электрические и магнитные явления, пришёл в 1867 r. к важному заключению. Он доказал, что если где-нибудь меняются электрические силы, то по соседству обязательно возникнут магнитные силы; изменения же магнитных сил в свою очередь создадут по соседству новые электрические силы, и так далее. Начавшись в одном месте, это явление передаётся в «окрестности», оттуда – опять в соседние места и таким образом распространяется всё дальше и дальше, подобно тому как волна, возникшая на воде, распространяется по её поверхности.
Если первоначальные изменения (колебания) электрических и магнитных сил повторялись с определённым периодом, то и изменения электрических и магнитных сил в окружающем пространстве будут происходить также с определённым периодом. В пространстве образуется «электромагнитная волна». Она распространяется, как показали расчёты Максвелла, с громадной скоростью – 300000 километров в секунду. Эта скорость равна скорости распространения света.
Такая скорость удивительно велика. От Москвы до Ленинграда волна проходит только за одну пятисотую долю секунды! Расстояние от Земли до Луны электромагнитная волна проходит в 11⁄4, секунды, а от Земли до Солнца – около 8 минут.
Так как электрические и магнитные силы могут существовать в воздухе и даже в безвоздушном пространстве, то никаких проволок для передачи электромагнитных волн на расстояние не требуется.
В 1887 г. работавший в Германии физик Генрих Герц (потомки которого были изгнаны Гитлером из Германии за своё не чисто немецкое происхождение) научился получать электромагнитные волны и наблюдать их в окружающем пространстве на расстоянии нескольких метров от их источника – от проволоки.
Так как электромагнитные волны не действуют на наши органы чувств, то для обнаружения их приходилось пользоваться специальными приборами. Период колебаний этих волн был поразительно мал: он составлял всего лишь стомиллионные доли секунды (следовательно, длина волны измерялась десятками сантиметров).
4. ПЕРВАЯ РАДИОГРАММА
52 года назад, 7 мая 1895 г. русский учёный Александр Степанович Попов впервые показал на научном заседании в Петербурге (теперь Ленинграде) свой замечательный прибор, который отмечал на расстоянии до 40 километров электромагнитные волны, создаваемые в воздухе электрическими грозовыми разрядами – молнией. Этот прибор (рис. 6) был первым приёмником электромагнитных волн, или, как их теперь чаще называют, радиоволн. Попов назвал его грозоотметчиком.
Показывая учёным свой грозоотметчик, Попов сказал: «Если удастся изобрести достаточно мощные источники электромагнитных волн, то станет возможна связь без каких бы то ни было проводов на значительных расстояниях».
И уже меньше чем через год, 24 марта 1896 г. Попов вместе со своим помощником, ныне здравствующим П. Н. Рыбкиным, передал первую в мире радиограмму. Источник волн, т. е. передатчик, был расположен в 200 метрах от усовершенствованного грозоотметчика – приёмника. Рыбкин вёл передачу, а Галопов вместе с крупнейшими русскими учёными следил за тем, как обычный телеграфный аппарат, присоединённый к грозоотметчику, букву за буквой записывал слова первой радиограммы: «Генрих Герц».
Рис. 6. Грозоотметчик Попова.
После этого Попов начал добиваться увеличения дальности действия своего «беспроволочного телеграфа», в настоящее время называемого радиотелеграфом. Спустя четыре года, в 1899 г., в военно – морском флоте России уже действовал радиотелеграф, который позволял поддерживать связь на расстояниях до 30 километров.
«Радио» означает по-русски «луч». Так как радиопередатчик «излучает» в пространство волны, то беспроволочную телеграфию и назвали «радиотелеграфией», т. е. телеграфией при помощи излучения. Постепенно это слово вошло в обиход и потеряло своё окончание, люди стали говорить просто «радио».
III. КАК ПЕРЕДАЮТСЯ И ПРИНИМАЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ
1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РАДИОВОЛН
Для телеграфирования без проводов нужно осуществить следующие основные операции:
1. Создать электромагнитные колебания.
2. Послать возбуждаемую этими колебаниями электромагнитную волну в пространство, т. е. послать сигнал.
3. Произвести приём сигнала.
Рассмотрим эти операции поочерёдно.
Подобно тому, как для создания звуковых волн в воз – духе применяют тела, способные совершать колебания (камертон, струна) и отдающие (излучающие) в воздух часть своей энергии в виде звуковых волн, в радиотехнике для возбуждения электромагнитных волн в пространстве применяют так называемый «электрический колебательный контур». Он состоит из проволочной катушки и конденсатора. Если по катушке пропускать электрический ток, то внутри неё создаются значительные магнитные силы. Конденсатор (рис. 7) представляет собой две металлические пластины, разделённые каким-либо непроводником, например, воздухом или слюдой. В пространстве между этими пластинами могут возникать большие электрические силы.
Вспомните, как возникают звуковые колебания. Если вы ударите камертон о что-либо твёрдое, то его ножки придут в движение. Это движение состоит в том, что ножки камертона изгибаются; благодаря этому возникают силы, стремящиеся вернуть ножки камертона обратно. Когда силы станут наибольшими, ножки на мгновение останавливаются, а затем движутся к своему обычному положению, постепенно набирая скорость. Как только ножки приходят в обычное положение, изгиб исчезает; перестают действовать и силы, возвращавшие ножки обратно. Но ножки камертона не останавливаются, так как всякое движущееся тело не может само по себе остановиться. Они проскакивают через нормальное положение снова, изгибаясь при этом, но в обратную сторону; благодаря изгибу снова возникают силы, тормозящие движение ножек, и всё описанное явление возобновляется. Понятно, что уследить глазами за движением ножек камертона трудно, так как он колеблется очень быстро.
Движение ножек камертона происходит, повторяясь через равные промежутки времени, но довольно быстро прекращается благодаря отдаче звука в окружающее пространство. Чтобы долгое время поддерживать это движение, нужно давать камертону толчки со стороны.
Рис. 7. Конденсатор колебательного контура.
Для создания электромагнитных колебаний, как уже было сказано, применяют электрический колебательный контур (рис. 8,а). Контур также можно «подтолкнуть», если послать на конденсатор электрические заряды (рис. 8,б). В этом случае на нижней металлической пластине конденсатора создаётся избыток электронов. Избыток этот будет стремиться равномерно распределиться между обеими пластинами – к верхней пластине двинется поток электронов. Но, не имея возможности двигаться в воздухе, отделяющем пластины друг от друга, так как воздух – непроводник, они придут в движение по проволокам и катушке. Возникает ток. Электрический ток создаст магнитные силы (это показано на рис. 8,в). Через очень короткое время избыточные заряды на конденсаторе исчезнут, но движение зарядов в катушке будет продолжаться (подобно тому, как ножка камертона не останавливается в положении равновесия, а проскакивает через него). Постепенно и магнитные силы, и ток ослабевают, так как на верхней пластине конденсатора скопляются заряды, препятствующие дальнейшему течению тока (срав – ните с силами изгиба, постепенно останавливающими ножку камертона). В конце концов ток и магнитные силы исчезают, а конденсатор вновь оказывается заряженным (рис. 8,г). Но теперь избыток электронов имеется уже не на нижней, а на верхней пластине. Затем конденсатор снова начинает разряжаться, но теперь ток уже идёт в обратном направлении (рис. 8, д). Снова произойдёт перезарядка конденсатора, и этот процесс будет размеренно повторяться. Но так как катушка сделана из проволоки, а ток, текущий по проволоке, нагревает её, то при описанных электрических колебаниях будет выделяться тепло; благодаря этому колебания будут ослабевать и вскоре прекратятся совсем.
Рис. 8. Схема электромагнитных колебаний в контуре.
Период этих колебаний зависит от свойств и размеров катушки и конденсатора. В радиотехнических установках периоды колебаний не превышают обычно миллионных долей секунды, а весь колебательный процесс, если его не «подталкивать» извне, способен длиться только десятитысячные доли секунды.
Чтобы поддерживать колебания камертона долгое время, его нужно подталкивать сравнительно редко, так как он может колебаться от одного толчка много секунд. Это нетрудно осуществить разными механическими способами. Но как быть в случае электромагнитных колебаний контура, где колебания существуют только десятитысячные доли секунды? Где найти способ, позволяющий «подталкивать» контур достаточно часто?
Задачу эту позволила разрешить так называемая электронная лампа, изобретённая в начале нашего столетия и победоносно завоевавшая в настоящее время все области радиосвязи, так как возможности применения этой лампы оказались поистине неисчислимыми.
2. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА
Простейшая электронная лампа (рис. 9) представляет собой стеклянный пузырь, или, как его называют, баллон, из которого тщательно удалён воздух. В баллон впаяны три электрода: 1) сплошной металлический цилиндр; 2) цилиндр из спиральной сетки, расположенный внутри металлического цилиндра, и 3) металлическая нить, которая протянута по оси, общей для обоих цилиндров.
Рис. 9. Схема лампового источника электромагнитных колебаний.
От каждого из электродов сделаны металлические выводы наружу баллона, причём у нити имеются два вывода. Нить нагревается током от электрической батареи; благодаря этому с поверхности нити вылетают электроны. Снаружи лампы металлический цилиндр и нить через катушку и конденсатор электрического контура соединены с другой электрической батареей (см. рис. 9). Под действием этой батареи между металлическим цилиндром и нитью внутри лампы возникают электрические силы, увлекающие к цилиндру электроны. В результате во всей цепи, т. е. внутри лампы и в металлических проводах снаружи, возникает электрический ток. Сеточный цилиндр соединён, кроме того, со вспомогательной катушкой; она находится рядом с главной катушкой.
Теперь представьте себе, что по какой-либо причине электрический ток в главной катушке изменился. Тогда изменятся и магнитные силы вокруг неё, а следовательно, и в расположенной рядом вспомогательной катушке. Но вы уже знаете, что при изменении магнитных сил возникают электрические силы. Возникнут они, конечно, и в этом случае. Значит, между сетчатым цилиндром и нитью, которая служит источником электронов, создадутся добавочные электрические силы; они будут или способствовать движению электронов внутри лампы, или тормозить это движение. В результате будет изменяться ток, отдаваемый электрической батареей, соединённой с металлическим цилиндром, и конденсатор контура будет попеременно заряжаться и разряжаться. Так благодаря лампе возникают электрические колебания.
Рис. 10. стеклянная электронная лампа.
Если ток в главной катушке меняется ритмично, то ритмично будут меняться и электрические силы на сетчатом цилиндре; поэтому же ритмично будет изменяться и ток, отдаваемый батареей. Эта батарея и играет роль «подталкивателя» колебаний. Если схема отрегулирована правильно, то колебания будут «сами себя регулировать» и смогут длительно существовать, причём размах колебаний будет всё время одинаков.
Подобные «ламповые» источники колебаний, названные «незатухающими», так как они происходят без ослабления (затухания), широко применяются в настоящее время не только в радиотехнике, но и во многих других областях техники и науки.
В последние годы стали делать лампы с металлическими баллонами.
3. НАЗНАЧЕНИЕ АНТЕННЫ
Для «излучения» электромагнитных волн в пространство применяется так называемая антенна. В самом простом виде – это длинный прямолинейный провод, находящийся в пространстве. С этим проводом и соединяют источник электромагнитных колебаний – колебательный контур. Таким образом, возникающие в колебательном контуре быстро меняющиеся электрические силы пере – даются на антенну. В антенне образуется быстро меняющийся ток. Вокруг неё возникают меняющиеся магнитные и электрические силы. Так рождаются электромагнитные волны в пространстве. Как уже было сказано, они распространяются в нём с громадной скоростью – 300000 километров в секунду.
С помощью антенны можно уже легко производить передачу условных телеграфных сигналов (по азбуке Морзе). Для этого достаточно приключать антенну к колебательному контуру лишь на отдельные промежутки времени – короткие и длинные. В результате в пространство будут «излучаться» короткие и длинные электрические сигналы.
Простейшая прямолинейная антенна была изобретена А. С. Поповым. Это было его важнейшей заслугой. В последующие годы антенна была значительно усовершенствована. Антенны современных радиостанций представляют собой весьма сложные сооружения; примером может служить антенна сверхмощной, наиболее современной радиостанции, построенной в СССР в годы войны (рис. 11). Эта антенна обеспечивает бесперебойную радио – связь Советского Союза с Соединёнными Штатами Америки.
Рис. 11. Антенна сверхмощной радиостанции.
4. РАДИОПРИЁМ
Звуковые волны, посылаемые камертоном, можно воспринять ухом. Они же могут привести в заметные резонансные колебания другой камертон, если он будет иметь такой же период колебаний. Подобно этому, как вы пом – ните, при пении начинает колебаться струна.
Но как обнаружить электромагнитные волны, посылаемые радиостанциями? Ведь на наши органы чувств они не действуют. В этом случае приходится прибегать к помощи специальных аппаратов; их называют радиоприёмниками.
Одной из основных частей радиоприёмника является приёмная антенна. Что представляет собой антенна, вы уже знаете. На неё непосредственно и действует приходящая электромагнитная волна. Изменение магнитных и электрических сил, создаваемое волной, вызывает в антенне и соединённом с ней электрическом колебательном контуре быстро изменяющиеся электрические токи.
Для чего нужна антенна в радиоприёмнике? А вот для чего. Дело в том, что электромагнитная волна воз – действует на каждый сантиметр длины антенны. Таким образом, чем длиннее антенна, тем большие электрические колебания в ней возникают.
Но здесь возникает затруднение другого рода. Ведь вокруг радиоприёмника проходит очень большое число электромагнитных волн. Множество различных радиостанций работают в одно и то же время – посылают в пространство электромагнитные сигналы.
Каким же образом можно отличить, выделить сигналы нужной нам станции? Для этого приёмный электрический контур регулируется или, как говорят, «настраивается» на какую-либо одну определённую радиоволну.
Эта настройка заключается в том, что период колебаний приёмного контура делают одинаковым с периодом колебаний, создаваемых электрическим контуром передающей радиостанции. В этом случае резонансные колебания, возникающие в приёмном контуре, оказываются очень сильными по сравнению с колебаниями, вызываемыми другими радиостанциями, имеющими иной период. Таким образом, явление резонанса позволяет выделить желаемые сигналы.
Но сигналы нужно сделать ещё слышимыми. Это делают приборы – «детекторы», т. е. обнаружители. Все детекторы, несмотря на разнообразие их типов, выполняют одну и ту же роль – они превращают ритмичные изменения тока, т. е. чередующиеся возрастания и убывания его, в «толчки» тока одного направления – в пульсирующий ток. Этот ток поступает в катушку телефона, имеющегося в приёмнике. Толчки тока воздействуют на мембрану телефона; мембрана смещается, и в телефоне слышен щелчок – признак приёма сигнала.
Роль детектора успешно выполняется электронной лампой, похожей на ту лампу, которая используется для создания электромагнитных колебаний.
5. ТЕЛЕФОН БЕЗ ПРОВОДОВ
Если бы силу (размах) электромагнитных колебаний в радиопередатчике можно было изменять по своему желанию, то соответственным образом менялась бы и сила принимаемого сигнала. Но тогда на мембрану телефона в приёмнике действовали бы уже не постоянные по величине силы, она прогибалась бы различно, и, следовательно, создавала бы различные звуки.
Но как можно воздействовать на размах электромагнитных колебаний радиопередатчика?
Вспомните, что работа лампового источника электромагнитных колебаний зависит от величины быстро меняющихся электрических сил, возникающих на сетке его лампы. Поэтому можно ожидать, что если удастся создать на сетке электронной лампы добавочные электрические силы, меняющиеся сравнительно медленно, с частотой звуковых колебаний, то цель будет достигнута – размах колебаний будет изменяться нужным для нас образом.
Получение электрических токов, меняющихся при изменении какого-либо звука, осуществляется при помощи так называемых «микрофонов». Простейшим и широко распространённым является угольный микрофон. Основная часть его – угольная пластинка – мембрана. Эта пластинка касается слоя угольного порошка и более или менее сильно давит на него (в зависимости от её прогиба под влиянием звуковых волн). Чем сильнее сжимается порошок, тем большей силы ток через него протекает. Уменьшается сжатие – уменьшается сила тока. А изменения сжатия порошка мембраной зависят от звука, произносимого перед микрофоном. Таким образом, когда перед микрофоном произносятся какие-либо звуки, сила протекающего в нём тока постоянно меняется. Это изменение электрических сил вызывает изменение магнитных сил; последние, в свою очередь, сопровождаются изменением тех электрических сил, которые передаются на сетку лампы источника электромагнитных колебаний. Благодаря этому размах колебаний, создаваемых источником, не остаётся всё время постоянным – он меняется в соответствии с изменением звука, произносимого перед микрофоном.
Допустим, что перед микрофоном играет оркестр, поёт артист или просто произносится речь. Тогда изменения электрических сил в микрофоне будут происходить в соответствии с изменениями характера звука. Воздействуя на сетку лампы радиопередатчика, эти электрические силы изменяют размах колебаний радиопередатчика, излучающего электромагнитные волны. Эти же изменения будут получаться и в контуре приёмника, и телефон приёмника воспроизведёт те звуки, которые звучали перед микрофоном передатчика.
Таким путём и осуществляется радиотелефония. Однако радиосигналы, принимаемые от отдалённых станций, оказываются очень слабыми, и телефон звучит чуть слышно.
Чтобы сделать эти сигналы более мощными, радиотехника применяет так называемые усилители, которые позволяют увеличить громкость звука в сотни тысяч раз! Важнейшей частью усилителя является опять же электронная лампа, подобная той, которая была рассмотрена при описании лампового источника электромагнитных колебаний (стр. 22).
Лампа может быть изготовлена так, что очень незначительные колебания электрических сил на сетке лампы будут сильно изменять ток, текущий через лампу. При этом в электрических контурах, присоединённых к лампе, получаются очень сильные колебания электрических сил, которые снова подаются на сетку следующей лампы, где они снова усиливаются. Повторяя усиление несколько раз, можно в конечном счёте получить весьма значительные по размаху токи, под действием которых будет сильно колебаться не только маленькая мембрана обычного телефона, но и способная совершать механические колебания подвижная система мощного громкоговорителя.
Звук, даваемый обычным телефоном, слабее звука, который может издать человек. Современные же большие громкоговорители способны создавать звуки настолько мощные, что нужно было бы заставить несколько миллионов человек кричать одновременно, чтобы получить такой же сильный звук!
Применение усилителей позволяет обнаруживать весьма слабые и незаметные явления. Так, помимо бесчисленных других применений, усилители применяются для выслушивания шумов, создающихся при биениях сердца, хрипов в лёгких и других звуков, представляющих интерес для врачей. Усилители дают возможность людям, страдающим частичной глухотой, слушать обычный разговор (он усиливается в небольшом аппарате, который глухой носит с собой). Физики смогли услышать шумы, которые получаются в железе при постепенном его намагничивании; для этого понадобилось усиление почти в миллион раз!
IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЦЕЛЯХ СВЯЗИ
1. КАК ПЕРЕДАЮТ РАДИОГРАММЫ
Наиболее широкое применение электромагнитные волны нашли в области связи – радиотелеграфии и радиотелефонии. При радиотелеграфировании, как уже указывалось на стр. 24, передающая станция посылает в пространство серии длительных и коротких сигналов постоянной силы. Различные комбинации этих длинных и коротких сигналов (чёрточек и точек), как и в обычном телеграфировании по проводам, обозначают различные буквы алфавита (по азбуке Морзе). Так, буква а условно изображается точкой и чертой, т. е. одним коротким и одним длинным сигналами, буква н – чертой и точкой, цифра 7 – двумя чертами и тремя точками, и т. д. Слово «радио», записанное по азбуке Морзе, выглядит так, как показано на рис. 2.
B небольших радиопередатчиках передача телеграфных сигналов производится вручную: радиотелеграфист передаёт радиосигналы посредством телеграфного ключа нажимая и отжимая его головку (рис. 12). Скорость такой передачи невелика – несколько десятков букв в минуту.
Рис. 12. Ключ для телеграфирования (ключ Морзе).
Приём таких радиосигналов производится человеком на слух. Радиотелеграфист приёмной станции, слушая длинные и короткие звуки, которые создаются при приёме, соображает – каким буквам соответствуют комбинации принимаемых звуков, и записывает эти буквы на бумагу.
В крупных радиостанциях передача телеграфных сигналов производится автоматически специальными быстродействующими приспособлениями; они позволяют передавать более 300 слов в минуту. При такой быстрой передаче радиотелеграфный приём обычным способом – на слух, конечно, невозможен, так как человек не в состоянии принять за одну минуту такое большое число сигналов. Поэтому приёмные устройства мощных радиотелеграфных станций снабжаются быстродействующими приёмными аппаратами – автоматами, которые прямо печатают на телеграфной ленте текст принимаемой радиограммы.
