Атом.
В прошлый раз1) я рассказал читателям, как устроена катодная лампа, теперь же рассмотрим более подробно, что каждая из ее частей делает, как работает вся лампа и для чего применяется в радиоприемниках. Вам уже известно, что такое электрон, и вы знаете, что все тела в природе состоят из атомов, которые в свою очередь составлены из ядра и вращающихся вокруг него электронов, связанных с ядром его притяжением, и некоторого количества свободных электронов, двигающихся между атомами2). Электроны имеют некоторые весьма важные для нас свойства. Во-первых, они отталкиваются друг от друга и, если их движения ничем не связаны, они стремятся, разойтись в разные стороны. Если близ них находится какое-нибудь заряженное отрицательно тело, то-есть такое тело, в котором имеется избыток электронов, то это тело будет отталкивать от себя свободные электроны, и они не смогут в это тело проникнуть. Наоборот, положительно заряженное, то-есть имеющее недостаток электронов, тело будет притягивать к себе, и свободные электроны будут к нему стремиться. Во-вторых, электроны находятся в постоянном движении, при чем оказывается, что если мы начнём нагревать тело, то скорости движения электронов в нем будут увеличиваться, и при сильном нагревании эти скорости настолько сделаются большими, что электроны начнут выскакивать из тела в окружающее пространство. Тело начнет как бы испарять электроны, подобно тому, как кипящая вода испаряет мельчайшие водяные частицы в виде пара. Вылетевшим таким образом из тела электронам недолго удается побыть на свободе. Едва вылетев из тела, они начинают натыкаться на частицы окружающего тело воздуха. Электроны так малы и легки, что от таких столкновений они начинают быстро терять свою скорость. Для сравнения бросьте изо всех сил камень, а потом попробуйте так же бросить маковое зерно: камень улетит далеко, а маковое зерно упадет в нескольких шагах от вас. Кроме того, вылетевших электронов ждет еще и другая неприятность. Испарившее их накаленное тело, благодаря происходящей таким путем потере его электронов, делается положительно заряженным, а такое тело, как мы видели раньше, приобретает способность притягивать к себе электроны. И вот вылетевшие на свободу электроны не только задерживаются столкновениями с частицами воздуха, но начинают еще притягиваться обратно к испарившему их телу, и в конце концов большинству из них приходится вернуться назад в тело. Избегают этой участи только немногие счастливцы, которые вылетели из тела с наибольшими скоростями и успели достаточно далеко отлететь от его влияния или же встретили на своем пути другое положительно заряженное тело, притяжение которого оказалось сильнее. Усвоив себе ясно эти свойства электронов, проделаем с вами такой опыт. Возьмем очень тоненькую проволочку и раскалим ее, а чтобы частицы воздуха нам не мешали, поместим проволочку в стеклянный баллон, подобный описанному в радиолампе, из которого выкачаем воздух. Для нагревания проволочки нам придется пропустить через нее электрический ток. В том же баллоне вблизи от проволочки поместим небольшую металлическую пластинку с проводником, выходящим из баллона наружу. Все это наше устройство показано на черт. 1: НН — проволочка; БН — батарея электрических элементов, которая будет нагревать нашу проволочку; А — металлическая пластинка с проводом. Если мы теперь пропустим через проволочку достаточный электрический ток, то она накалится подобно тому, как накаляется волосок в лампочках электрического освещения. При этом проволочка начнет испарять из себя во все стороны электроны. Одного из их врагов — частицы воздуха — мы убрали, выкачав воздух, но, вместо него, у электронов появятся теперь новые враги из своего же брата — электронов. Дело в том, что, не встречая на своем пути помехи со стороны воздушных частиц, вылетевшие электроны смогут теперь полететь гораздо дальше и некоторые из них долетят до внутренних стенок баллона и до пластинки и сообщат им отрицательный заряд, от чего стекло и пластинка, как мы уже знаем, начнут отталкивать от себя новые партии подлетающих к ним электронов, и им придется волей или неволей поворачивать назад. Тут их встретит новая беда — навстречу им мчатся только-что испаренные новые электроны, которые тоже их будут отталкивать. Притяжение нити (как мы будем теперь называть нашу проволочку) будет притягивать к себе недалеко улетевшие и часть оттолкнутых от пластинки и стенок электронов, которые и вернутся обратно в нить, остальные же электроны, попав в такую переделку, будут тесниться вокруг нити между стенками лампы и пластинкой, то возвращаясь, то выскакивая из нити. Такая электронная сутолока создаст в баллоне как бы постоянный отрицательный заряд, называемый пространственным зарядом лампы.
Черт. 1.
Если бы мы теперь сообщили пластинке больший отрицательный заряд, то пластинка начала бы сильнее отталкивать электроны, и они группировались бы ближе к нити. Но для нас интереснее сообщить пластинке положительный заряд. Для этого возьмем другую батарею и присоединим ее положительный полюс к проводнику, идущему к пластинке, а отрицательный полюс соединим с одним из концов нити, как это показано на черт. 2. Представим себе на минуту, что наша нить не накалена и электронов не испаряет. Как только мы включим нашу вторую батарею БА, электроны пластинки под влиянием электродвижущей силы батареи бросятся через нее в нить; но так как между нитью и пластинкой внутри баллона пути для электронов нет, то этот ток электронов очень быстро остановится, а перешедшим из пластинки в нить электронам придется остаться в нити, благодаря чему у ней окажется избыток электронов, и она сделается отрицательно заряженной. Пластинка, наоборот, благодаря потери части своих электронов, переправленных по приказанию батареи в нить, сделается положительно заряженной. Таким образом, пластинка и нить станут как бы маленьким заряженным конденсатором. Такое положение будет, пока наша нить холодная и сама электронов не испаряет. Теперь пустим из батареи БН ток в нить и накалим ее этим током. Нить сейчас же возобновит остановленное нами на минуту испарение электронов. Положение внутри баллона теперь резко изменится. Во-первых, толкаемые со всех сторон и бывшие раньше бездомными и безработными вылетевшие из нити электроны найдут теперь гостеприимный прием на пластинке, потому что пластинка, потеряв часть своих электронов, отвлеченных батареей БА к нити, будет терпеть в них недостаток и как положительно, поэтому, заряженная станет теперь притягивать эти электроны к себе. Во-вторых, нить, имеющая теперь избыток электронов, переведенных к ней той же батареей БА из пластинки, и сделавшись отрицательно заряженной, не будет так, как раньше, притягивать к себе вылетающие электроны, и они получат возможность свободно лететь к притягивающей их пластинке. Если бы не было батареи БА, то избыток электронов на пластинке быстро израсходовался бы; они перелетели бы на пластинку и покрыли бы ее недостаток в электронах, и положение снова вернулось бы к старому, и для вылетающих из нити электронов начались бы знакомые уже нам неприятности. Но к их благополучию мы батарею БА не выключили, и едва только созданное ею распределение электронов на пластинке и нити начнет меняться, — батарея сейчас же властно потребует восстановления порядка и снова погонит из пластинки электроны к нити. Таким образом, расход нити на испарение электронов будет сейчас же пополняться заботами батареи БА за счет притянутых в лампе пластинкой испаренных электронов. А так как мы продолжаем накаливать нить и заставляем ее испарять электроны, то от пластинки к нити по проводу через батарею БА установится непрерывный поток электронов, посылаемых этой батареей из пластинки на пополнение расхода нити. Таким образом мы получили круговорот электронов; испаренные из нити и притягиваемые пластинкой, они будут двигаться внутри лампы от нити к пластинке; попав на пластинку, они по приказанию батареи БА принуждены будут перекочевывать по внешним проводам и через эту батарею обратно в нить и так далее. Но ведь, как мы знаем, движение электронов в одну сторону определяет собою электрический ток, и, следовательно, по нашей анодной цепи (так мы будем называть путь электронов вне лампы в нашем опыте) при созданных нами условиях потечет электрический ток. Действительно, если бы мы включили в анодную цепь миллиамперметр (так называется прибор для измерения электрического тока), то он показал бы нам присутствие и силу протекающего тока. Ученые условились определять направление электрического тока по внешней цепи от полюса батареи с большим потенциалом (т.-е. положительного) к полюсу с меньшим потенциалом (т.е. отрицательному). На нашем чертеже (черт. 2) направление электрического тока по этому определению показано стрелками, и, как вы можете видеть, направление тока условно считается в обратную сторону движению электронов.
Черт. 2.
Попробуем теперь заставить возникший в анодной цепи ток итти в обратном направлении. Для этого нам нужно было бы переменить полюсы батареи БА, т.-е. присоединить к нити, вместо отрицательного, положительный полюс батареи (+), а к пластинке, вместо положительного, — отрицательный (—).Сделав это, мы увидели бы, что тока в анодной цепи не будет. Это и понятно. Переменив полюса, мы тем самым сделали пластинку отрицательной, и она начала отталкивать долетающие до нее электроны, а нить, наоборот, стала положительной и начала сильно притягивать вылетающие электроны к себе обратно. Так как анод (будем так называть теперь нашу пластинку) мы не нагреваем и он сам электронов не испаряет и, будучи отрицательно заряженным, имеет их избыток, — перемещения электронов с пластинки на нить тоже не будет, и значит, и току в анодной цепи нет причины появиться, и его не будет.
Проделанный нами опыт привел нас к весьма важным результатам:
Черт. 3.
Теперь проделаем наш опыт дальше. Вместо анодной батареи БА включим между анодом и сеткой какой-нибудь источник переменного тока. Переменным током мы называем такой ток, который меняет свое направление. Например, ток для освещения в некоторых городах меняет свое направление сто раз в секунду. а токи, с которыми нам придется иметь дело в радио, меняют свое направление миллионы раз в секунду. В отличие от переменного тот ток, который идет все время только в одном направлении, будем называть постоянным током. Так вот предположим, что анод и нить, накаливаемую своей батареей БН, мы присоединили к источнику переменного тока. Если вы хорошо усвоили себе наш предыдущий опыт, вам нетрудно будет понять, что произойдет. Так как наша лампа способна пропускать ток во внешней цепи только в одном направлении от нити к аноду, то значит в анодной цепи ток будет появляться только тогда, когда меняющий свое направление переменный ток будет направлен в эту же сторону. В те же промежутки времени, когда направление переменного тока с этим направлением совпадать не будет, ток в нашей анодной цепи будет прекращаться. Положим, что переменный ток меняет свое направление сто раз в секунду. Это значит, что он 50 раз в секунду идет в одном направлении и 50 раз — в другом. В этом случае в анодной цепи ток будет появляться только 50 раз в секунду и 50 раз прерываться. Для наглядности изобразим это на чертеже (см. черт. 3). Проведем линию АБ длиною 10 см, и пусть вся она соответствует одной десятой секунды. Тогда каждый сантиметр будет представлять собою одну сотую часть секунды. Так мы ее и разметим на сантиметры, которые обозначим цифрами 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10. От начала этой линии вверх и вниз проведем еще две линии АВ и АГ, которые разделим на миллиметры. Этими миллиметрами условимся измерять величину нашего переменного тока, при чем, когда он будет итти по направлению, совпадающему с направлением нить—анод, мы будем откладывать его по миллиметрам линии АВ, а когда в обратном — линии АГ. Наш ток меняет свое направление сто раз в секунду, значит в одну десятую секунды он переменит его десять раз, то-есть пять раз будет итти в одном направлении и остальные пять раз — в другом. Положим, что в первую сотую долю секунды направление переменного тока совпадало с направлением нить—анод, и его сила достигала 5 миллиампер. В этом случае в анодной цепи появится ток, и мы его изобразим на чертеже дугою 0-а-1. Но к концу этой сотой доли секунды переменный ток изменит свое направление и вторую сотую долю секунды будет итти в обратном направлении. Если бы лампа могла его пропустить, то нам пришлось бы появившийся в анодной цепи ток обратного направления изобразить на чертеже дугою 1-б-2, обращенную уже вниз, но так как мы знаем, что в этом случае лампа тока не пропустит и в анодной цепи он появиться не может, то заштрихуем его изображение на чертеже, которое мы было сделали. В конце этой второй сотой доли секунды наш переменный ток снова переменит свое направление и в третью сотую долю секунды снова пойдет, как в первом случае, и значит опять появится в анодной цепи, а на чертеже изобразится снова вверх направленной дугой 2-в-3. В дальнейшем эти события будут повторяться, и за одну десятую часть секунды картина этих событий видна из чертежа. Рассматривая этот чертеж, мы видим, что все нижние дуги нам пришлось заштриховать и оставить только верхние, а это значит, что анодный ток шел только в одном направлении. Кроме того, мы видим, что этот анодный ток был не сплошным, а за одну десятую секунды пять раз прекращался и пять раз снова начинался, то-есть был прерывистым и, кроме того, был неровным — сначала увеличивался, потом уменьшался и, наконец, совсем пропадал, чтобы еще через сотую секунды вновь появиться. Такой ток мы называем постоянным пульсирующим током, потому что он, как кровь в жилах, пульсирует.
Из этого опыта мы познакомились еще с одним чрезвычайно важным свойством лампы: она может переменный ток обращать в постоянный пульсирующий ток.
Подобную лампу еще недавно употребляли в радиотехнике для выпрямления переменного тока в приемниках, как детектор, а для питания цепей выпрямленным током ее иногда употребляют и теперь. Такая лампа в настоящее время значительно усовершенствована, и ее применение расширилось, — о работе ее мы поговорим в следующем номере.
1) См. "Радио Всем", № 3, ст. Атома.
2) См. "Радио Всем", № 3, ст. Давыдова.