Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 21 страниц)

Эймишен Жан-Поль
«Электроника?.. Нет ничего проще!»
_{Издание второе, переработанное
Массовая радиобиблиотека. Вып.885}

Предисловие к русскому изданию

Предлагаемая читателю книга Ж.-П. Эймишена «Электроника?.. Нет ничего проще!» является удачной попыткой популяризации одной из наиболее обширных областей науки и техники. Автор описал основные принципы электроники в виде беседы двух друзей – Любознайкина и Незнайкина, известных советскому читателю по книгам Е. Айсберга, переведенным на русский язык и изданным Массовой радиобиблиотекой издательства «Энергия». Достоинство книги заключается в многообразии рассматриваемых устройств, сочетающемся с простотой и доступностью изложения, большое внимание в котором уделено объяснению физического смысла описываемых явлений.

Само собой разумеется, что в одной книге невозможно охватить все без исключения разделы электроники, но автор и не ставил перед собой такую задачу. Его цель – заинтересовать читателя наукой, которая так глубоко проникла в нашу жизнь.

Насколько это автору удалось, будут судить читатели, начиная от школьников, знакомых с основами физики, и кончая техниками и даже инженерами, работающими в смежных с электроникой областях.

Редактор

От автора

Первоначально эта книга была всего лишь тем, что парижские студенты называют «канюларом» (испытанием для новичка).

После усвоения основных понятий радиотехники по книге Е. Айсберга «Радио?.. Это очень просто!», чувство восхищения которой автор этих строк сохранил навсегда, в один прекрасный день нам пришла в голову идея воспользоваться стилем этой книги, чтобы объяснить одному из наших друзей принцип работы следящей системы. От этого до подражания ради забавы оставался лишь один шаг, который мы с легким сердцем и сделали.

Было очень занятно заставлять Любознайкина и Незнайкина вести почти подпольную жизнь в тайне от их духовного отца.

В процессе написания различных бесед, постоянно руководствуясь ценными советами настоящего отца Незнайкина и Любознайкина, автор обнаружил, что он не мог «как ему угодно» распоряжаться нашими приятелями. Незнайкин и Любознайкин, оставаясь всегда молодыми, имеют уже свою историю, на протяжении многих лет которой они так блестяще подготовили более двух поколений радиотехников, а затем и специалистов по радиоэлектронике. При этом прочно сформировалась их индивидуальность.

Следовательно, автор оказался в положении режиссера, который может дать занятым в его фильме или пьесе звездам указания, но не может заставить их мыслить по-своему. Впрочем, такое явление не ново: многие авторы романов неоднократно чувствовали, как ими руководят их собственные персонажи, абсолютными хозяевами которых они себя считали.

В этих условиях единственным возможным для автора решением было предоставление нашим обоим приятелям максимально возможной свободы действий, и тогда написание различных бесед стало значительно легче. Автор почувствовал себя моложе более чем на 20 лет и вновь пережил то время, когда Незнайкин и Любознайкин учили его основам радиотехники. Именно по этой причине иллюстрации на полях книги сделаны так, как будто наши два приятеля находятся точно в том же возрасте, в каком они были в книге «Радио»?.. Это очень просто!», ибо эти персонажи вечно сохраняют свою молодость.

Автор старался как можно внимательнее выслушать указания, которые Незнайкин и Любознайкин давали ему во время его работы. Если ему удалось сохранить особенности столь знакомых всем специалистам по радиоэлектронике действующих лиц, то он будет считать себя полностью удовлетворенным, ибо эти два персонажа еще раз облегчат тысячам молодых людей (всех возрастов!) приобщение к чудесному новому миру, каким является Электроника.

Ж.-П. Эймишен

Беседа первая
ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

Попытка Незнайкина сделать электронное устройство сигнализации тревоги для обнаружения воров наполовину провалилась. Любознайкин указывает на недостатки его схемы и подсказывает лучшее решение. Но, чтобы воспользоваться этим решением, Незнайкин должен пополнить свои познания в области электроники. Сформулировав определение электроники, Любознайкин советует ему повторить все, что он знает по радиотехнике, чтобы подготовиться к последующим беседам.

Плохо продуманная защита

Незнайкин – А! Здравствуй, Любознайкин! Наконец-то ты пришел!

Любознайкин – Здравствуй, Незнайкин. Почему ты говоришь «наконец», ведь я не опоздал?

Н. – Нет, но я с нетерпением ждал тебя. Лишь ты можешь дать мне полезный совет. Я очень огорчен: мое устройство не работает, но это увлекает и…

Л. – Не можешь ли ты выражаться хоть чуточку яснее. Я абсолютно не понимаю, о чем идет речь.

Н. – Ну так вот. Несколько дней тому назад один из моих друзей, ювелир, попросил меня сделать ему небольшое устройство защиты от взломщиков. О! Он совершенно не хотел ничего сверхестественного; по его словам, требуется простенькое устройство, которое позволило бы ему немного уменьшить риск оказаться обокраденным. Те небольшие ценности, которые он хранит в своем сейфе, не оправдывают установки сложной и дорогой системы, и он спросил меня, не соглашусь ли я заняться этой проблемой.

Л. – Это увлекательно. Надеюсь, ты принял предложение?

Н. – Естественно. Но нужно было найти приспособление для обнаружения возможного вора. Я подумал использовать для этой цели микрофон…

Л. – Эх!

Н. – Ты, кажется, не очень одобряешь мое решение.

Действительно, прежде чем приступить к опыту, мне надлежало проконсультироваться с тобой. Около сейфа моего друга я поставил микрофон и соединил его со своим усилителем, к выходу которого вместо громкоговорителя через выпрямитель подключил реле (рис. 1), включающее звонок в комнате моего друга, проживающего тремя этажами выше.

Рис. 1. Попадающий в микрофон звук преобразуется в электрический сигнал, усиливается, затем детектируется и замыкает реле и тем самым предупреждает ювелира о присутствии злоумышленника, взламывающего сейф (или увы! сообщает о любом шуме-помехе).

Л. – Идея сама по себе неглупа, но я совершенно не верю в эффективность устройства, построенного на ее основе. Ты опробовал ее на практике?

Н. – Конечно. Сначала я изобразил, что взламывают сейф; реле сработало. Я был очень доволен, все казалось мне прекрасным. Вечером я привел систему в боевую готовность, и… мой друг всю ночь не спал.

Л. – О! Я очень живо представляю себе. Много раз за ночь вооруженный до зубов он, крадучись, спускался в свой магазин…. потому что какой-нибудь автомобиль резко затормозил перед его домом или потому что он запер в своей лавочке кошку.

Н. – Примерно так, во всяком случае в том, что касается юмористической стороны этой истории, особенно, когда я вспоминаю, что мой друг говорил утром о моих способностях, о моей изобретательности и о моем будущем в радиотехнике…

Л. – Я очень хорошо представляю себе это, мой бедный Незнайкин. Впрочем я должен тебе сказать, что твоя система, так часто понапрасну подающая сигнал тревоги, в случае настоящего ограбления могла преспокойно не сработать.

Н. – Ну нет! Невозможно, ведь я лично ее проверил.

Л. – Но ведь ты, Незнайкин, не взломщик. Представь себе на минуту, что делает вор, проникающий ночью в магазин: он старается производить как можно меньше шума. Подойдя к сейфу, он ищет систему сигнализации и не может не увидеть твой микрофон. Он поспешит накрыть его чем-нибудь, чтобы сделать глухим.

Нет, поверь мне, ты неудачно выбрал первичный преобразователь.

От радио к электронике

Н. – Что ты называешь первичным преобразователем?

Л. – Видишь ли, Незнайкин, во всяком электронном устройстве имеется часть, именуемая первичным преобразователем (рис. 2), которая улавливает или, как говорят, преобразует явление, которое предстоит обнаружить и измерить или использовать. Другая часть получает от первичного преобразователя электрический сигнал и изменяет его, придавая ему нужные характеристики; эту часть называют «промежуточным преобразователем». И, наконец, существует последняя часть «исполнительный элемент», которая получает сформированный электрический сигнал и по нему выполняет действие, которое ожидают от всего устройства.

Рис. 2. Любое измерительное радиоэлектронное устройство содержит первичный преобразователь, превращающий исследуемое явление в электрический сигнал, пригодный для использования вторичным преобразователем; последний подает сигнал на исполнительный элемент, который служит для выполнения нужного действия или измерения.

Н. – Это все дьявольски сложно. Я предпочел бы один хороший конкретный пример.

Л. – Хорошо, в твоем устройстве первичным преобразователем является микрофон, «переводящий» подлежащее обнаружению явление (шум) в электрический сигнал. Роль промежуточного преобразователя у тебя выполняет усилитель, повышающий мощность выработанного микрофоном сигнала. Исполнительным элементом является реле и приспособление, подающее сигнал тревоги.

Н. – Но чем, кроме микрофона, мог я (если пользоваться твоим выражением) уловить шум?

Л. – В этом случае следовало бы использовать не шум, а какие-либо другие признаки присутствия вора, например, попадание его в луч света. Лучше воспользоваться инфракрасным лучом, чтобы злоумышленник ничего не видел и не чувствовал себя обнаруженным, тогда с помощью фотоэлемента…

Н. – Сжалься, Любознайкин! Ведь я ничего этого не знаю.

Инфракрасные лучи, фотоэлементы и все прочее чрезмерно сложно для меня! И мне придется по крайней мере сдать экзамены на диплом по общей физике, чтобы суметь понять кое-что… но до этого, поверь мне, пройдет не одна бессонная ночь!

Л. – Перестань заблуждаться, Незнайкин. Ты можешь прекрасно разобраться в электронике и без капитального университетского теоретического курса; твои познания в области радиотехники тебе очень помогут. Я скажу даже больше: ты не только можешь, но и должен понять электронику. Ты молод и, тебе необходимо идти в ногу со временем. В эпоху искусственных спутников, радиолокации далеких планет, электронных вычислительных машин со сложными программами, ядерной, техники и промышленной электроники ты уже не можешь довольствоваться лишь знанием радиоприемника. Тебе нужно расширять свой кругозор…

Н. – О, какое красноречие! Можно подумать, что я нахожусь в Бурбонском дворце[1]1
  Дворец в Париже, в котором проводятся заседания Национального собрания Франции. (Прим. перев.)


[Закрыть]. Но в одном отношении ты несомненно прав: я полностью согласен, как ты говоришь, «расширить свой кругозор». С чего следует начать? Я надеюсь, что ты не будешь говорить мне о математике…

Л. – Успокойся. Некоторые дополнительные сведения по математике (а они-то, как мне кажется, уж не столь обширны), позволят лучше описать явления; но, на мой взгляд, формула или уравнение еще никогда не объясняли принцип действия. Поэтому, прежде чем обращаться к алгебре, нужно понять физическую сторону явления.

И возвращаясь к твоему вопросу, я советую тебе начать с… начала, т. е. с различных первичных преобразователей.

Н. – Ну, так приступим к делу! Объясни мне, как работает фотоэлемент: и я узнаю все о первичных преобразователях.

Л. – Ты просто воплощение скромности, рядом с тобой бледнеет даже фиалка[2]2
  Во Франции фиалка служит символом скромности. (Прим. перев.)


[Закрыть]. Когда ты поймешь, как работает фотоэлемент (впрочем, это не единственный используемый в электронике светочувствительный прибор), ты все же не сможешь считать, что знаешь «все» о первичных преобразователях, ибо существует такое множество разнообразных преобразователей…

Н. – А что могут воспринимать первичные преобразователи, кроме света и звука?

Л. – По правде говоря, очень немногие явления: скорость, ускорение, давление, вибрацию, силу, вращающий момент, радиоактивное излучение, температуру, проводимость, кислотность, влажность…

Н. – Сжалься, Любознайкин! Не кидай в меня больше этими названиями! Это ужасно, но мне никогда не удастся ознакомиться со всеми существующими преобразователями. Я предпочитаю немедленно же отказаться от своей затеи освоить электронику.

Методичность изучения

Л. – Ты абсолютно не прав. Разве шесть месяцев тому назад, занявшись английским языком, ты не пришел в отчаяние, узнав, что, даже выучив четыре тысячи слов, не будешь знать всего языка Шекспира. В твоем возрасте вполне естественно желание знать «все» в том или ином вопросе, но было бы очень хорошо (и очень полезно), если бы тебе удалось изучить несколько преобразователей и способы их использования.

Н. – Все ясно. Ты заставишь меня заниматься электроникой попусту…

Л. – Но, Незнайкин, когда ты, наконец, освободишься от своей боязни математики? Разве ты считаешь, что я заставлял тебя «попусту заниматься радио?» Конечно, нет. Поверь: я могу научить тебя многому интересному из электроники, после чего ты сможешь пополнять свои знания чтением книг, журналов и особенно практическими занятиями. Тебе не так уж трудно будет следовать за мною в начале, но после нескольких наших бесед ты удивишься, какое множество статей, которые сейчас могут тебя обескуражить, станут тебе понятными.

Н. – В принципе ты несомненно прав. Ты расскажешь мне некоторые подробности об устройстве преобразователей, и я познаю электронику, потому что по своей сути электроника – то же самое радио.

Проблема определения

Л. – Абсолютно с тобой не согласен. Если хочешь, скажи, что радио – это электроника, потому что с радио началась электроника. Я знаю многих специалистов по электронике, которые за десять лет практической работы ни разу не прикасались к антенне, громкоговорителю или микрофону.

Н. – Но тогда, прежде чем идти дальше, скажи мне, что ты понимаешь под электроникой?

Л. – Наконец-то мы добрались! Нужно сказать, что я долго искал подходящее определение… Видишь ли, Незнайкин, ты задаешь довольно сложный вопрос. Я постараюсь ответить тебе, сказав, что электроника – это область техники, использующая движение электрических зарядов во многих средах, кроме металлов (в вакууме, ионизированных газах, полупроводниках), и которая, имея дело с электричеством в почти «чистом виде», практически не знает инерции. Для замыкания или разрыва электрической цепи обычными средствами требуется переместить два проводника, обладающих определенной массой, чтобы соединить их или отодвинуть один от другого. На это требуется некоторое время. Если же воздействовать на заряды, практически не имеющие массы, то все происходит значительно быстрее. Время в электронике исчисляется в микросекундах (мксек), т. е. в миллионных долях секунды; здесь в качестве единицы измерения времени также используются даже миллиардные доли секунды – наносекунды (нсек). И, наконец, по-моему, можно сказать, что электроника начинается там, где кончается закон Ома.

Н. – Но это совсем не годится. В усилителе (а это – электронное устройство) имеются порядочные резисторы, которые полностью подчиняются закону Ома!

Л. – Не обвиняй меня в том, чего я не сказал! Электроника опирается на «неомические» элементы, но она использует также классические электротехнические элементы и именно по этой причине знание общей электротехники необходимо для электроники еще в большей степени, чем для более ограниченной области радио.

Н. – Хорошо, допустим. Но тогда, как нам охватить все гигантское поле знаний, каким является электроника? (Как ты видишь, твое красноречие явно заразительно.)

Л. – Я полагаю, что указал тебе на самое главное. Мы будем говорить о первичных преобразователях, об электронной части, которая заменяет поступающий с первичного преобразователя сигнал, и затем об исполнительном элементе, который производит нужное действие. С целью пополнения твоих знаний о некоторых электронных схемах, которые будут нам полезны, мы займемся изучением электронного счета и его использования в электронных вычислительных машинах. И, наконец, используя воздействие исполнительного элемента на первичный преобразователь (рис. 3), т. е. сделав «замкнутую систему», мы создадим сервомеханизмы (следящие системы) и аналоговые счетные электрические системы.

Если после этого ты почувствуешь себя еще в форме, то мы поговорим также о широко используемом измерении времени, а затем посмотрим, что электроника может дать биологии, астрономии…

Рис. 3. В замкнутой системе исполнительный элемент воздействует непосредственно на первичный преобразователь.

Н. – Пожалей меня, иначе я не выйду отсюда живым!

Л. – Ты преувеличиваешь опасность. Желаешь ли ты начать наши занятия завтра?

Н. – Лучше послезавтра. А я тем временем перечитаю все то, что ты рассказал мне в свое время о радио.

Л. – Превосходная идея. Это будет тебе исключительно полезно. Но особое внимание обрати не на подробности из области радио, а на разделы, посвященные общей электротехнике, электронным лампам и транзисторам.

Беседа вторая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Наши друзья говорят о «преобразователях» – средствах измерений, которые преобразуют изучаемые физические явления в электрический сигнал. Даже если исходное явление само по себе имеет электрическую природу (постоянное или слишком высокое напряжение), иногда тем не менее нужен преобразователь. Существуют преобразователи магнитных величин. При изучении механических усилий в качестве преобразователя можно использовать специальные резисторы, сопротивление которых изменяется, например, вследствие их удлинения под воздействием силы; при этом сопротивление обычно измеряют мостом Уитстона. И, наконец, вибрирующие струны и пьезоэлектрические элементы также могут использоваться в качестве преобразователей, превращающих механические воздействия в электрические сигналы.

Любознайкин. – Ну как, Незнайкин, ты сегодня в форме?

Незнайкин. – Да, все в порядке. Правда, я недостаточно хорошо понимаю некоторые формулы, но в целом довольно легко перечитал свои записи, сделанные во время наших первых бесед. И раз уж сегодня мы решили говорить о преобразователях, расскажи мне, как работают знаменитые фотоэлементы.

Л. – Пока еще рано, Незнайкин. Мы начнем с преобразователей, чувствительных к воздействию электричества.

От электричества… к электричеству

Н. – Любознайкин, да ты смеешься надо мной! Ты сказал мне, что преобразователь преобразует изучаемые физические явления в электрический сигнал. Если же физическое явление – уже само по себе электрическое, то преобразовывать нечего – работа преобразователя уже выполнена!

Л. – Должен признать, что в некоторых случаях ты прав, но не во всех. Может случиться так, что «электрическое явление» непосредственно использовать нельзя. Тогда, чтобы сделать его пригодным к использованию, нужно модифицировать его с помощью преобразователя. И вот первый пример: предположим, что мы имеем дело с очень небольшим постоянным напряжением, что ты сделаешь?

Н. – Для начала я подам это напряжение на усилитель…

Л. – Именно этого я и ожидал! Но, Незнайкин, усилители, которые ты знаешь, усиливают лишь переменные напряжения. Правда, вскоре мы будем говорить и об устройствах, способных усиливать также и постоянные напряжения, но, как ты увидишь, эти аппараты явно предпочитают использовать достаточное входное напряжение, в противном случае приходится чрезмерно повышать их коэффициент усиления, «уход» которого может оказаться для нас серьезной помехой. Нет, несомненно лучше преобразовать наше небольшое постоянное напряжение в переменное…

Н. – Ну, здесь-то я могу сказать, что в этом случае ты не воспользуешься трансформатором, потому что он пригоден только для преобразования переменных напряжений.

Л. – Ты совершенно прав. Я воспользуюсь специальным вибропреобразователем, именуемым «прерывателем». Это очень тщательно сделанное и, к сожалению, весьма дорогое реле, которое заставляют очень быстро вибрировать. Если ты посмотришь на изображенную ниже схему (рис. 4), то увидишь, что напряжение е на входе схемы равно напряжению на входе усилителя U, когда контакт К вибропреобразователя разомкнут (мы предполагаем, что входное сопротивление усилителя по сравнению с R велико). Но когда контакт К замкнут, напряжение U почти равно нулю, естественно, при условии, что сопротивление контакта К по сравнению с R мало. Следовательно, напряжение U переменное, а точнее оно представляет собой переменную составляющую, которую усилитель усиливает без искажений и которую мы после этого детектируем.

Рис. 4. Периодически замыкающийся и размыкающийся контакт К преобразует постоянное напряжение е в переменное U, которое легче усилить (маленький прямоугольник обозначает катушку с магнитным сердечником).

Н. – Эта система очень хитрая. Но как ты заставишь контакт К вибрировать?

Л. – Посмотри внимательно на схему: я посылаю в катушку переменный ток, например с частотой 50 гц. В этой катушке имеется магнит, который заставляет реле замыкаться только 50 раз в 1 сек, а не 100…

Н. – Я знаю, в чем заключается эта хитрость: именно такой метод применяется в головных телефонах или в старых магнитных громкоговорителях. Но скажи мне, нельзя ли здесь использовать тот же метод, что и в динамических громкоговорителях, и заставить подвижную катушку приводить в действие контакт?

Л. – Это не только возможно, но уже начинает применяться на практике, и я думаю, что этому методу принадлежит будущее.

Н. – Хорошо, это мне больше нравится. Но почему ты сказал, что эти специальные реле так дороги? Ведь скорость его срабатывания не так уж велика.

Л. – Подумай сначала о количестве срабатываний, которое должен выдержать контакт. При 50 замыканиях и размыканиях в секунду это составит 180 000 в час или 4 300 000 в сутки.

Н. – Сжалься и не говори мне, сколько это составит в месяц, я и без этого уже чувствую себя уставшим!

Л. – Реле устанет раньше тебя: модели хорошего качества выдерживают не более 100 ч работы. А, кроме того, необходимо также, чтобы катушка не наводила никаких напряжений в образованной контактом цепи, не говоря уже о возможных остаточных напряжениях, которые могут возникнуть, когда контакт реле замыкается.

Н. – Ну, с этим-то я не согласен! Когда два металлических элемента соприкасаются, цепь замыкается накоротко, разве не так?

Л. – Да, если эти два металла идентичны. Но когда начинают измерять напряжения в милливольтах, все оказывается не так просто. И, наконец, запомни, что такие вибропреобразователи сложны в изготовлении… и весьма дороги.

Н. – И, следовательно, мы завершили главу о преобразователях, которые ты называешь преобразователями электрических величин.

Очень высокие напряжения

Л. – Ну, до этого еще далеко. Правда, при всем желании мы не сможем рассмотреть всего, но я хотел бы спросить тебя, как думаешь ты использовать высокое переменное напряжение, например 30 000 в?

Н. – Прежде всего я буду очень осторожен.

Л. – И ты несомненно прав. Но этого недостаточно, ибо это напряжение все же нужно использовать. Я надеюсь, ты не станешь подавать это напряжение непосредственно на вход усилителя?

Н. – Оставь, пожалуйста, свой сарказм: я уже наговорил немало глупостей, но все же не дошел до такого абсурда. Для начала я приложу это напряжение к потенциометру…

Л. – Ой, ой! Если ты возьмешь обычный потенциометр, то он просто взорвется. Не следует все же забывать, что напряжение 30 000 в может дать искру в воздухе более 40 мм. В случае необходимости ты можешь сделать специальный делитель напряжения, показанный на рис. 5.

Рис. 5. Делитель высокого напряжения U_вх; сопротивление R состоит из большого количества резисторов, благодаря чему напряжение на каждом резисторе не слишком высокое.

Отношение напряжения на выходе к напряжению на входе делителя равно:

Н. – Хорошо. На мой взгляд, все это правильно, но почему сопротивление R состоит из нескольких последовательно соединенных резисторов?

Л. – Я нарисовал всего лишь четыре резистора, а на самом деле их придется поставить более ста, чтобы на выводах каждого из них было не более 300 в. За исключением специальных моделей резисторы не выдерживают большего напряжения. Но обрати внимание, что, несмотря на деление, полученное напряжение все еще относительно велико. Не забывай, что наше напряжение переменное и, следовательно, неизбежно проявляется паразитная емкость С, параллельная резистору r; это емкость соединительных проводов и емкость входа твоего электронного устройства, на которое ты подашь снятое с r напряжение.

Н. – Ну и что же? Мне от этого не жарко и не холодно.

Л. – Да от этого у тебя должны мурашки по спине бежать. На данной частоте твой конденсатор С может иметь не бесконечное сопротивление по сравнению с сопротивлением резистора r, тогда кратность твоего делителя напряжения упадет.

Н. – Транзистор меня побери! Об этом-то я не подумал! Неужели ничего нельзя сделать? А, вот и придумал: нужно уменьшить R и r!

Л. – Осторожно, иначе ты чрезмерно увеличишь расход энергии от источника U_вх. Может случиться так, что источник будет не в состоянии дать требуемую энергию, а кроме того, это привело бы к рассеянию на резисторах R чрезмерного количества энергии.

Н. – Мне пришла идея! Раз все наши неприятности происходят из-за паразитной емкости на выводах резистора r, то положение, вероятно, можно исправить, если поместить на выводах резисторов R соответствующий конденсатор.

Л. – Очень хорошо. Незнайкин, превосходная идея. Так действительно и делают, при этом компенсация будет безукоризненной, если (рис. 6) RC₁ = rС₂, где С₂ – паразитная емкость.

Рис. 6. Для создания апериодического делителя напряжения R – r (чтобы отношение U_вх/U_вых не зависело от частоты) необходимо сделать RC₁ = rС₂.

Можно еще упростить схему, если ограничить ее применение не слишком низкими частотами; тогда получим емкостный делитель напряжения, схему которого я изобразил на рис. 7.

Рис. 7. В тех случаях, когда приходится иметь дело только с переменными напряжениями, делитель напряжения можно сделать на двух конденсаторах.

Я предполагаю, что входное сопротивление R_вх прибора, на который подается уменьшенное делителем напряжение U_вых, почти бесконечно по сравнению с реактивным сопротивлением С₂; я могу сказать, что в каждый полупериод через С₁ и С₂ проходят одинаковые заряды. Отсюда можно вывести, что U_вых·С₂ = (U_вх– U_вых)·С₁ откуда получаем…

Н. – Нужный результат; я полностью тебе в этом доверяю.

Л. – Одной строки расчетов достаточно, чтобы установить, что

Н. – Это почти такая же формула, что и для делителя напряжения на резисторах. И я уже догадываюсь, сейчас ты скажешь, что паразитная емкость не имеет значения, что достаточно уменьшить С₂…

Л. – Совершенно верно. Незнайкин, ты делаешь успехи, прими мои поздравления.

Н. – Прошу тебя, не надо лишнего, я всегда такой. Но Несомненно здесь нас ожидают такие же неприятности с конденсатором С₁, какие мы испытали минуту тому назад с резистором R. На этот конденсатор обрушивается все напряжение U_вх, и ты наверное предложишь включить последовательно целую сотню?

Л. – Совсем нет, и именно в этом заключается основное достоинство делителя напряжения этого типа: конденсатор С₁ имеет очень малую емкость, и поэтому очень легко сделать, чтобы он выдерживал все напряжение U_вх. Например, можно воспользоваться куском высоковольтного кабеля с внешней медной оплеткой и с полиэтиленовой изоляцией, как в коаксиальном кабеле. Используя в качестве обкладок конденсатора центральную жилу и металлическую оплетку, можно легко получить емкость С₁ в несколько пикофарад.

Преобразователи электрического поля

Н. – Мне в голову пришла одна занятная идея.

Л. – Вообще это довольно опасно, но тем не менее скажи, что тебя осенило.

Н. – Твоя шутка оказалась неудачной, моя идея как раз имеет целью устранить опасность. Речь пойдет об измерении напряжения на высоковольтных воздушных линиях, рассчитанных на 60 000 или 200 000 в. Внизу на расстоянии в несколько десятков метров от токонесущих проводников можно было бы расположить параллельно им провод, который будет выполнять роль второй обкладки конденсатора С₁ (рис. 8), вот и весь фокус!

Рис. 8. Емкостный делитель очень высоких напряжений: конденсатор С₁ образован высоковольтной линией и расположенным неподалеку от нее проводом.

Л. – Еще раз прими мои поздравления, дорогой Незнайкин. Твоя идея уже применяется. Однако ее практическое осуществление сопряжено с некоторыми трудностями (нужно всегда одинаково располагать вторую обкладку конденсатора C₁ относительно высоковольтного провода, учитывать наличие других высоковольтных проводников поблизости от интересующего нас провода). Своей идеей ты даешь мне повод рассказать тебе о преобразователях электрического поля. Описанное тобою устройство представляет собой один из таких преобразователей, но его можно применять лишь для переменных электрических полей.

Н. – А, да. Но прежде чем приступить к дальнейшему изложению, скажи мне все же, что ты подразумеваешь под «электрическим полем».

Л. – Очень просто – это состояние любого участка пространства поблизости от электрических зарядов, в результате чего на все помещенные в этот участок пространства электрические заряды воздействует определенная сила. Когда ты натираешь пластмассовую палочку, вокруг нее возникает электрическое поле, притягивающее легкие предметы. В электронной лампе между катодом и анодом существует электрическое поле, которое притягивает электроны к аноду.

Н. – Понимаю, но тогда моя система пригодна для всех полей. При измерении постоянного поля следует лишь воспользоваться одним из вибропреобразователей, о которых ты мне недавно говорил…

Л. – Какой ужас! Предположим, что мы сделаем предложенное тобой устройство (рис. 9). Я заменяю электрическое поле батареей с очень высоким напряжением U_вх, включенной последовательно с конденсатором С₁. При включении на некоторое время вибропреобразователя К конденсатор С₂ полностью разрядится и его заряд больше не восстановится; напряжение U_вых будет упорно оставаться равным нулю. Нет, вибропреобразователь для нашей цели совсем не годится; но ты прав, когда хочешь преобразовать нечто постоянное в нечто переменное, которое легче использовать; только преобразовывать в этом случае нужно не напряжение, а само электрическое поле.

Рис. 9. При получении напряжения с помощью емкостного делителя нельзя пользоваться методом замыкания – размыкания, изображенным на рис. 4.

Изнуряющая гимнастика

Н. – Это можно осуществить, если к заряженному проводнику, создающему поле, подносить и быстро отодвигать металлический предмет, соединенный с конденсатором С₁.

Л. – Идея хороша, но я не думаю, что тебе удастся осуществить движение этого металлического предмета туда сюда со значительной амплитудой и с частотой 50 колебаний в 1 сек; если же ты способен на такое, то тебе нужно выступать в цирке!

Лучше поместить соединенную с конденсатором С₁ металлическую деталь Р в металлический ящик В (рис. 10), а перед ним установить фигурный диск Д, приводимый в движение двигателем М. Диск то закрывает, то открывает отверстие О; деталь Р подвергается воздействию электрического поля, когда отверстие О открыто, и находится вне этого поля, когда отверстие перекрыто диском. На конденсаторе C₁ возникает переменное напряжение, и его остается лишь усилить с помощью усилителя, называемого электрометрическим, о котором мы еще поговорим.