Текст книги "Приключения радиолуча"
Автор книги: Валерий Родиков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 23 страниц)
КАК ВЫПУСТИТЬ ДЖИННА ИЗ БУТЫЛКИ
Великие открытия требуют ученых особого склада. Такой исследователь должен обладать, можно сказать, особым экспериментальным инстинктом. Его мысль должна непрестанно интенсивно работать в исследуемой области. Без этих качеств можно пройти мимо нового явления, не заметив его, ведь подчас так невзрачны и незначительны его проявления.
Такие физики вскоре нашлись. Электромагнитные волны получил Генрих Герц, а давление света измерил Петр Николаевич Лебедев. Интересно, что знаменитый физик лорд Кельвин, изумленный изяществом опытов Лебедева, сказал К. А. Тимирязеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами…»
Довольно тонкий опыт провел американский физик Генри Роуланд за десять лет до экспериментов Герца. Результат его хотя и не был столь убедительно явным, как у Герца, но тоже сработал в пользу теории Максвелла.
До Максвелла не было полной ясности в том, будет ли механическое перемещение электрически заряженного тела так же вызывать магнитное поле, как и в случае постоянного тока. Экспериментально доказать этот факт было чрезвычайно трудно даже по современным меркам. Ведь ожидаемая величина магнитного поля составляла примерно стотысячную долю от магнитного поля Земли. Роуланд превосходно справился с задачей. Он зафиксировал магнитное поле, создаваемое при движении наэлектризованной поверхности. Его возникновение предвидел Максвелл в своем «Трактате».
Сорок восемь лет прожил человек, предсказавший существование электромагнитных волн. Еще меньше времени судьба отпустила тому, кто получил их экспериментально, – всего 37 лет. Но столь короткой жизни Генриху Герцу оказалось достаточно, чтобы обессмертить свое имя.
Более двух лет охотился Герц за электромагнитными волнами, но отнюдь не для того, чтобы подтвердить теорию Максвелла. В ее правильности ему довелось невольно убедиться, когда он ставил свои бесчисленные опыты. Незамысловатыми были его приборы. Еще одно подтверждение изречения «до гениального просто». Возможные направления поиска были ограничены. На первый взгляд напрашивался самый простой путь – каким пошел Роуланд – получить переменное магнитное или электрическое поле, а, следовательно, и излучение, осуществляя механические колебания магнита или электрического заряда. Но здесь возникли непреодолимые в то время трудности, и главная из них состояла в том, чтобы заставить магнит или заряженное тело механически колебаться очень быстро – сотни тысяч раз в секунду. Даже трепетные камертоны не могли дрожать чаще десятка тысяч раз в секунду. А мы помним, что длина волны равна скорости ее распространения, разделенной на частоту. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн равна 300 тысячам километров в секунду, а частота возможных в то время вращательных и колебательных механизмов была порядка десяти тысяч колебаний в секунду, то и длина волны получалась равной 30 километрам – слишком большой, что бы исследовать ее в лабораторных условиях.
Нужно было изыскать какой-то иной способ. Задел в этом направлении уже имелся. Еще в 1826 году заметили, что если разрядить известную нам со школы лейденскую банку через проволоку, свитую в катушку, или, иначе, через индуктивность, то ток в цепи имел колебательный характер, то есть с определенной частотой он менял свое направление. В 1842 году Генри повторил опыт и дал ему объяснение. Впоследствии переходными процессами, в том числе и разрядом, занялся Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Что происходит в ничтожную долю секунды между моментом подключения батареи к цепи и моментом, когда ток достигает своей полной величины? – задал он себе вопрос. В 50-х годах прошлого века экспериментально исследовать эти явления было не так-то просто. А в наши дни мы встречаемся с ними ежедневно в быту. Включая, например, в сеть электрический прибор, мы одновременно слышим щелчок в радиоприемнике. Так проявляет себя процесс установления тока в сети.
Будущего лорда от науки (знатным титулом были отмечены его научно-технические заслуги) разряд конденсатора (кстати, лейденская банка – это первый в мире простейший конденсатор) через индуктивность особенно заинтересовал. Томсон нашел удачную аналогию для иллюстрации переходных процессов в электрических цепях – маятник, погруженный в какую-либо вязкую среду, создающую сопротивление. Если трение велико, маятник будет медленно опускаться и не перейдет за точку покоя. Наоборот, если трение незначительно, маятник, прежде чем перейти в состояние покоя, проделает ряд колебаний с затухающей амплитудой. В гипотетическом случае, когда трение отсутствует, колебания будут продолжаться бесконечно. Именно так поведет себя и электрический ток в цепи, содержащей заряженный конденсатор и индуктивность, когда цепь замкнута. За способность хранить электричество конденсатор также называют емкостью, которая, как и емкость бутылки, имеет свою, только электрическую единицу измерения, названную в честь Фарадея. Фарада – очень большая емкость. Если вообразить металлическую сферу размером с земной шар, то ее емкость составила бы всего лишь семь десятитысячных от фарады. Поэтому обычно пользуются единицами, в миллион раз и миллион миллионов раз меньшими – микрофарадами и микромикрофарадами.
Если вернуться к аналогии с маятником, то в момент замыкания цепи ему соответствует крайнее положение. Далее через катушку потечет постепенно увеличивающийся ток. Вокруг катушки появляется нарастающее магнитное поле, в которое переходит электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторе. Сила тока достигнет максимального значения, когда конденсатор полностью разрядится и энергия сосредоточится в магнитном поле катушки. На нашей модели этому моменту соответствует нижнее положение маятника – кинетическая энергия его максимальна. Между прочим, энергию магнитного поля часто уподобляют кинетической энергии механической системы, а энергию электрического поля – потенциальной. Хотя электрическая энергия в конденсаторе оказалась исчерпанной, ток в цепи не прекращается. Он продолжает течь в том же направлении, поддерживаемый энергией магнитного поля, запасенной в индуктивности. Ток снова заряжает конденсатор, только полярность зарядов на обкладках конденсатора меняется. Пластина конденсатора, которая была заряжена положительно, заряжается отрицательно, и наоборот. Таким образом, в цепи из емкости и индуктивности возникают колебания, сопровождающиеся превращением электрической энергии в магнитную и обратно. Недаром такую цепь назвали колебательным контуром.
Сколь долго длятся колебания? Все зависит от потерь в контуре. Если вернуться к аналогии с маятником, то роль трения здесь играет активное сопротивление (то есть сопротивление проводника, из которого сделана катушка) электрическому току. На нагревание проводника теряется часть энергии. Есть и другие составляющие потерь, на которых мы не будем останавливаться. Это уже, можно сказать, специальные тонкости. В частности, в конденсаторе потери вызываются и током смещения в изолирующем друг от друга пластины диэлектрике. Если потери в контуре велики, то в нем произойдет плавный всплеск тока и конденсатор не перезарядится. Если потери не очень велики, то амплитуда тока будет с каждым периодом уменьшаться, пока рано или поздно колебания не затухнут. Если же потерь нет, то перекачка энергии из электрического поля в магнитное и наоборот будет продолжаться вечно. Именно для этого случая в 1853 году Томсон вывел знаменитую формулу
где L – величина индуктивности, которая измеряется в особых единицах, носящих имя «генри» в честь уже знакомого нам американского ученого Генри, а С – значение емкости в фарадах. Формула подходит для большинства практических случаев, поскольку в радиотехнике обычно используются контуры с малыми потерями, которыми можно пренебречь при расчетах частоты колебаний.
Итак, возможность получить электромагнитные колебания была. Но недаром такой колебательный контур назвали «закрытым» – энергия электрического и магнитного полей перекачивалась друг в друга внутри контура: из емкости в индуктивность и обратно. Как раскрыть контур, как проторить электромагнитным колебаниям дорожку из него наружу?
И была еще одна трудность. Дело в том, что в лабораторных условиях можно было изучать только довольно короткие электромагнитные волны, длина которых была бы в несколько раз меньше размеров помещения. Как мы видим из формулы Томсона, чтобы уменьшить частоту, а следовательно, и длину волны, надо уменьшить и индуктивность и емкость. Правда, здесь такая закономерность: если уменьшить емкость и индуктивность одновременно, то падает амплитуда колебаний. Она зависит от отношения индуктивности к емкости, Чем меньше отношение, тем слабее колебания. Так что для получения колебаний высоких частот такие контуры с сосредоточенными индуктивностью и емкостью не очень подходили.
И тут Герцу улыбнулась удача. «Счастливый случай, – пишет Герц, – представился мне осенью 1886 года». Именно тогда он подметил, что в «коротких металлических проводниках могут быть возбуждены колебания, свойственные этим проводникам». Свойственные – значит, их длина определяет частоту возбуждаемых в них колебаний.
Гениальная интуиция Герца привела к новому виду контура – открытому колебательному контуру, где индуктивность и емкость не сосредоточены в одном месте, а распределены по каждому элементику контура.
Вид открытие имело простецкий: разрезанный посередине металлический стержень, обе части которого раздвинуты на небольшой промежуток. Впоследствии его назвали вибратором Герца. Лет тридцать назад, когда еще не было телевизионных антенн коллективного пользования, каждый владелец телевизора устанавливал на крыше свою антенну, именно вибратор Герца. Крыши были усеяны вибраторами и издали напоминали кладбище. Две горизонтальные металлические трубки, симметрично прикрепленные к вертикальному держателю – тот же крест, только со срезанной верхушкой.
Герцу пришла в голову мысль: а нельзя ли зарядить стержни зарядами противоположного знака, как конденсатор, а затем разрядить, то есть как-то замкнуть стержни. Он надеялся, что в них начнется колебательный процесс. Как осуществить это? Решение родилось как бы само собой во время демонстрации опыта с индукционными катушками в физическом кабинете технической школы.
И до Герца многие исследователи наблюдали искорки при работе с индукционной катушкой, сконструированной в 1852 году известным парижским мастером физических приборов Генрихом Румкорфом. Но, как по обыкновению бывает, лишь единицам дано извлечь из обыденного новую истину.
Почти без каких-либо принципиальных изменений дошла до наших дней индукционная катушка. Один из ее примеров – известная всем автолюбителям бобина в системе зажигания автомобиля. Ее устройство довольно просто: катушка с двумя обмотками. Одна обмотка с толстым проводом и небольшим числом витков, вторая – с тонким проводом и очень большим числом витков.
С помощью бобины постоянное напряжение аккумулятора преобразуется в высоковольтные импульсы, для чего ток в первичной низковольтной обмотке прерывается и в результате во вторичной обмотке наводится высокое напряжение, которое и пробивает воздушный промежуток в свече зажигания. Сейчас мы знаем, что любой искровой разряд тоже источник радиоволн и в довольно широком диапазоне частот. Они подчас воспринимаются как помехи в радиоприемниках и телевизорах. В те времена такой чувствительной аппаратуры еще не создали. А для Герца искра была нужна как своего рода сверхбыстродействующая перемычка через воздушный промежуток, соединяющая стержни, чтобы разрядить их.
Итак, Герц подсоединил к своему вибратору вторичную обмотку катушки Румкорфа и получил простейший передатчик. Стоило прервать ток в первичной обмотке, как во вторичной возникало высокое напряжение, в результате стержни вибратора заряжались, через воздушный промежуток проскакивала искра. На время ее действия в вибраторе возникал колебательный процесс, такой же, как в закрытом колебательном контуре, с той лишь разницей, что электрическое и магнитное поля вырывались из мест своего заточения, из сосредоточенных емкости и индуктивности, в окружающее вибратор пространство и соединялись вместе.
Читатель вправе спросить: а где же в вибраторе, в этих двух кусках металлического стержня, индуктивности и емкости? А везде, в каждом их кусочке. Ведь что такое индуктивность? Это способность создавать магнитное поле. Если два стержня замкнуть и пропустить через них электрический ток, то вокруг возникнет магнитное поле. Вспомним опыт Эрстеда. Причем свой вклад будет вносить каждый маленький кусочек стержня. Значит, индуктивность распределена равномерно вдоль стержня. И каждый маленький кусочек одной половины стержня вместе со своим собратом, расположенным симметрично на другой половине, образуют конденсатор.
КАК УСТРОЕНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
За период колебаний тока в вибраторе вокруг него формируется и от него «отрывается» сгусток двух взаимно-перпендикулярно сцепленных вихрей, электрического и магнитного, и отправляется путешествовать. Это и есть электромагнитная волна. Причем электрические силовые линии лежат во всевозможных плоскостях, параллельных вибратору, а магнитные – в перпендикулярных. Картина излучения, представленная в силовых линиях, довольно сложная. Когда она мне попадается в каком-либо радиотехническом учебнике, то вспоминается одно остроумное высказывание видного специалиста-физика. На просьбу студента: «Профессор, дайте мне, пожалуйста, приближенное описание электромагнитных волн, пусть даже слегка неточное, но такое, чтобы я смог увидеть их, и я видоизменю эту картину до нужной абстракции», – американский ученым Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике за 1955 год за работы в области квантовой электродинамики, ответил: «Увы, я не могу этого сделать для вас… У меня нет картины электромагнитного поля, которая была бы хоть в какой-то степени точной. Я узнал об электромагнитном поле давным-давно, 25 лет тому назад, когда я был на вашем месте, и у меня на 25 лет больше опыта размышлений об этих колеблющихся волнах. Когда я начинаю описывать магнитное поле, движущееся через пространство, то говорю о полях Е и В (векторные величины, характеризующие соответственно электрическое и магнитное поля. – В. Р.), делаю руками волнистые движения, и вы можете подумать, что я способен их видеть. А на самом деле что я вижу? Вижу какие-то смутные, туманные, волнистые линии, на них там и сям написано Е и В, а у других линий имеются словно какие-то стрелки… которые исчезают, едва в них вглядишься. Когда я рассказываю о полях, проносящихся сквозь пространство, в моей голове катастрофически перепутываются символы, нужные для описания объектов, и сами объекты. Я не в состоянии дать картину, хотя бы приблизительно похожую на настоящие волны. Так что если вы сталкиваетесь с такими же затруднениями при попытках представить поле, не терзайтесь, дело обычное. Наша наука предъявляет воображению немыслимые требования. Степень воображения, которая теперь нужна науке, несравненно превосходит ту, что была необходима для некоторых прежних идей.
Нынешние идеи намного труднее вообразить. Правда, мы используем для этого множество средств. В ход пускаются математические уравнения и правила, рисуются различные картинки. Вот сейчас я ясно осознаю, что всегда, когда я завожу речь об электромагнитном поле в пространстве, фактически перед моим взором встает своего рода суперпозиция всех тех диаграмм на эту тему, которые я когда-либо видывал. Я не воображаю маленьких пучков линий поля, снующих туда и сюда; они не нравятся мне потому, что если бы я двигался с иной скоростью, то они бы исчезли. Я не всегда вижу и электрические, и магнитные поля, потому что временами мне кажется, что гораздо правильнее была бы картина, включающая векторные и скалярные потенциалы, ибо последние, пожалуй, имеют больший физический смысл, чем колебания полей.
Быть может, вы считаете, что остается единственная надежда на математическую точку зрения? Но что такое математическая точка зрения? С математической точки зрения в каждом месте пространства существует вектор электрического поля и вектор магнитного поля, то есть с каждой точкой связаны шесть чисел. Способны ли вы вообразить шесть чисел, связанных с каждой точкой пространства? Это слишком трудно. А можете вы вообразить хотя бы одно число, связанное с каждой точкой пространства? Я лично не могу! Я способен себе представить такую вещь, как температура в каждой точке пространства: имеется теплота и холод, меняющиеся от места к месту. Но, честное слово, я не способен представить себе число в каждой точке.
Может быть, поэтому стоит поставить вопрос так: нельзя ли представить электрическое поле в виде чего-то, сходного с температурой, скажем, похожего на смещение куска студня? Сначала вообразим, что мир наполнен тонкой студенистой массой, а поля представляют собой какие-то искривления (скажем, растяжения или повороты) этой массы. Вот тогда можно было бы мысленно представить себе поле. А после того как мы «увидели», на что оно похоже, мы можем отвлечься от студня. Именно так многие и пытались делать довольно долгое время. Максвелл, Ампер, Фарадей и другие пробовали таким способом понять электромагнетизм. (Порой они называли абстрактный студень «эфиром».) Но оказалось, что попытка вообразить электромагнитное поле подобным образом на самом деле препятствует прогрессу. К сожалению, наши способности к абстракциям, к применению приборов для обнаружения поля, к использованию математических символов для его описания и т. д. ограничены. Однако поля в известном смысле – вещь вполне реальная, ибо, закончив возню с математическими уравнениями (все равно, с иллюстрациями или без, с чертежами или без них, пытаясь представить себе поле въяве или не делая таких попыток), мы все же можем создать приборы, которые поймают сигналы с космической ракеты или обнаружат в миллиарде световых лет от нас галактику и тому подобное».
Пусть простит меня читатель за то, что привел столь пространный ответ профессора. Высказывание его несомненно поучительно. Как мы видим, непросто вообразить электромагнитную волну, и вполне возможно, что ее истинная картина совсем не такая, какой она предстает перед нами в различных моделях. Самый лучший и правильный путь – абстрактное представление электромагнитного поля. Надо просто, не ломая себе голову по поводу действительной картины, рассматривать поле как математические функции координат и времени. Вспомним, что Максвелл для объяснения физического смысла тока смещения прибегал к эфиру, от которого потом отказались. А математическая сторона явления оказалась независимой от тех физических одежд, в которую ее пытались, и небезуспешно, одеть. Так и мы прибегнем к абстрактной модели электромагнитной волны.
Чтобы применить математику к исследованию какого-либо явления, надо его как-то измерить. Как же измерить электромагнитную волну – неразрывную комбинацию электрического и магнитного полей? Со школы мы знаем, что электрические и магнитные поля проявляют себя в виде сил, действующих на электрический заряд. Вот эти силы могут быть непосредственно измерены. Через них и придем к характеристикам электрического и магнитного полей. Электрическое поле задается его напряженностью Е – силой, которую оказывает поле на единичный электрический заряд. Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В. Она определяет силовое воздействие магнитного поля на движущийся заряд. (На неподвижный заряд магнитное поле не действует.) Е и В – величины векторные, то есть они определяют не только количественное значение электрической и магнитной сил, но и их направление.
А теперь рассмотрим одну из «конструкций» электромагнитной волны. Ее будет вполне достаточно и для радиолюбительской и даже для инженерной практики. Пример, можно сказать, классический – плоская электромагнитная волна. Ее «изобрел» еще Оливер Хейвисайд. Чтобы представить себе плоскую волну, обратимся опять к эксперименту с бросанием камня в пруд. Волна на поверхности воды от брошенного камня расходится в виде ряби – концентрическими кругами. Фронт ее, то есть самая передняя часть волны, – окружность. Плоская же волна распространяется всюду в одном направлении, и фронт ее передвигается словно огромная плоскость.
Строго говоря, такие плоские волны создать невозможно. Но на очень большом расстоянии от места возникновения волны ее фронт можно считать плоским, точно так же как во многих задачах плоской полагают поверхность Земли. Солнечный свет – тоже плоская волна: слишком далеко она ушла от своего источника.
А теперь представим себе две взаимно перпендикулярные плоскости: горизонтальную и вертикальную, и вообразим, что каждая из них – это водная гладь. Конечно, непривычно мыслить водную поверхность вертикальной, но и не так уж трудно. Предположим, что мы и окружающий нас мирок незаметно для нас сместились на 90 градусов. Все осталось как прежде, только стороннему наблюдателю видится, что пол вертикален, и мы ходим по нему как по вертикали. В общем, уподобимся фантастам: будем считать, что у нас два пространства. Одно обычное, другое – повернутое на 90 градусов.
Проведем мысленный эксперимент. Бросим камень на линию пересечения водных поверхностей. И побегут волны по воде наших прудов: вертикального и горизонтального. Нас будет интересовать совместная картина волн на пересечении водных поверхностей. В любой точке они будут синфазны (совпадать по фазе), то есть иметь одно и то же состояние, в нашем случае амплитуду. Если в вертикальном пруду гребень, то в горизонтальном – тоже, если в вертикальном – впадина, то соответственно в горизонтальном в таком же месте тоже впадина. Вот вам и аналог плоской электромагнитной волны. Линия пересечения водных поверхностей в спокойном состоянии – это линия распространения электромагнитной волны. Профиль волны горизонтального пруда в вертикальной плоскости – аналог распространения электрического поля, то есть вектора Е, а профиль вертикального пруда в горизонтальной плоскости – аналог магнитного поля, то есть вектора В.
Получается двумерная картина. Электрическая волна бежит в одной плоскости, а синфазная с ней магнитная – в другой, взаимно перпендикулярной.
Электромагнитные волны принадлежат к семейству поперечных волн. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. То есть электромагнитное состояние среды совершает колебания поперек движения. В продольных же волнах свойства среды, в которой бежит волна, изменяются вдоль движения. Такой волной, например, является звук в воздухе, в жидкости или в твердом теле. Сила, породившая звук, вызывает периодические изменения давления в среде вдоль направления распространения волны. Волны на поверхности воды, к примеру которых мы часто прибегали, являются более сложным видом волнового движения. Частицы на поверхности воды совершают не продольные и не поперечные колебания, а вращательное и чуть-чуть поступательное движение.
И чтобы закончить наше почти инженерное образование об электромагнитных волнах, расскажем о таком их параметре, как поляризация.
Поляризация – общее для всех волн понятие. Представление о ней дает такой простой опыт. Привяжем веревку к какому-либо предмету, скажем, к ручке от двери, и начнем дергать свободный ее конец вверх-вниз. По веревке побежит волна, то есть веревка придет в колебательное движение, причем происходить оно будет в вертикальной плоскости. Если же будем дергать верезку вправо-влево, то колебание ее будет совершаться в горизонтальной плоскости. В обоих случаях можно говорить, что получающиеся волны плоско или линейно поляризованы, поскольку волновое движение происходит в одной плоскости. В первом примере волна вертикально поляризована, во втором – горизонтально. Но можно конец веревки закрутить и по кругу, как будто вращая ручку швейной машины. Тогда веревка совьется в виде движущейся спирали. Проследив за ее тенью на стене, мы заметим, что она почти повторяет вертикально поляризованные волны, а ее тень на полу похожа на горизонтально поляризованные волны.
Получается, что спиральную волну можно рассматривать как комбинацию двух плоско поляризованных волн или же в виде плоско поляризованной волны с вращающейся плоскостью поляризации. Такой вид поляризации называется круговой.
Поляризацию электромагнитных волн принято определять по направлению колебаний вектора электрического поля Е. (Можно и по направлению колебаний вектора магнитной индукции, поскольку она связана с вектором Е, но это вопрос традиции.)
Для волн, излучаемых вибратором, плоскость поляризации определяется просто. Если вибратор горизонтален – поляризация горизонтальная, если вертикален, то вертикальная.
Высокие металлические башни – антенны радиовещательных станций – пример антенн, излучающих вертикально поляризованные волны. Металлическую башню можно рассматривать как половину вертикального диполя, а роль второй половины выполняет земля. Она – тоже проводник токов и зарядов. В СССР и США для телевидения применяют горизонтально поляризованные волны, а в Англии предпочитают вертикальную поляризацию. Поэтому у нас и в Америке приемные телевизионные антенны – горизонтальные вибраторы, а в Великобритании – вертикальные. Трудно однозначно сказать, какая поляризация лучше для телевидения. При вертикальной поляризации заводские трубы, столбы, шпили зданий и другие вертикальные объекты могут создавать помехи в виде переотраженных сигналов и мешать качественному приему. При горизонтальной поляризации сильнее сказываются помехи, вызванные переотражением сигналов от земли и от крыш домов.
Электромагнитные волны нетрудно сделать и с круговой поляризацией. Для этого надо два вибратора расположить крестообразно и подвести к ним высокочастотные колебания, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Такой вид поляризации применяется в радиолокации для подавления помех от дождя.
