Инж. А. Н. Попов.
В предыдущей беседе1) мы познакомились с процессом колебаний в простейшей антенне, состоящей из заземленного вертикального провода. Оказалось, что в нашей антенне будет стоячая волна тока и напряжения, при чем по длине провода уложится почти 1/4 длины волны. Это — так называемая собственная длина волны антенны.
где l — длина вертикального провода. Мы уже оговорились, что рассмотренный случай чисто теоретический. Подойдем теперь ближе к действительности.
Совершенно очевидно, что нам необходимо как-то подвести к антенне энергию высокой частоты. Этим передающим звеном служит обычно катушка самоиндукции. Ее включают в низ антенны, у заземления, как показано на рис. 1, и связывают посредством взаимоиндукции (см. «Р. В.» № 2, стр. 33) с последней цепью передатчика. На том же рисунке показано распределение силы тока (I) и напряжения (Е) вдоль провода.
Как всегда, сила тока у вершины нуль и постепенно (по синусоиде) возрастает книзу до точки А, которая соответствует началу катушки. Далее сила тока постоянна (конечно, по амплитуде только) вплоть до земли. Это объясняется тем, что в катушке (не говоря уже о том, что ее длина ничтожна по сравнению с длиной антенны) самоиндукция сосредоточена, а распределенной емкости и вовсе нет2). Поэтому в катушке не образуется стоячей волны.
Напряжение достигает наибольшей величины у вершины, затем по синусоиде уменьшается до точки А1 и прямолинейно опускается до нуля в точке В1 (конец катушки и земля). Возрастание напряжения по прямой линии от В1 до А1 объясняется тем, что самоиндукция возрастает с увеличением длины катушки именно по такому закону3).
Повлияет ли включение катушки на длину волны, с которой будет колебаться антенна? Да. В этом случае мы получаем увеличение длины волны. Ближе мы осветим этот вопрос, когда будем говорить о колебательных контурах и вернемся к антенне с несколько иной точки зрения. Однако и сейчас мы можем составить себе некоторое представление о том, что здесь происходит.
Как уже говорилось, провод, будь то горизонтальный или вертикальный, обладает распределенной самоиндукцией. Включение катушки добавляет к нему еще самоиндукции, на ней, правда, стоячей волны не будет, но на колебания в проводе она оказывает свое действие. Получается так, как будто удлинили провод, лишивши его, однако, емкости. Наглядно это показано на рис. 2. На длине провода l укладывается не 1/4 длины волны, а меньше, в зависимости от величины приключенной самоиндукции. Чтобы уложить полную λ/4 , нужно мысленно продолжить провод. (Стоячая волна тока продолжена до пучности пунктиром).
Теперь мы можем объяснить назначение катушки в антенне еще с другой стороны. Геометрические высоты передающих антенн в большинстве случаев бывают меньше 1/4 рабочей длины волны. Самые высокие мачты передающих станций не превосходят 250 метров; как будет указано ниже, сюда прибавляется еще горизонтальная часть в Г и Т-образных антеннах. Со всем этим собственная длина волны не может превосходить даже в лучшем случае 600—700 м. Между тем коммерческие станции работают на длинах волн в 10 000 и 12 000 м. Во всех этих случаях волна удлиняется приключением катушки, которая поэтому обычно называется удлинительной.
В редких случаях приходится укорачивать длину волны антенны. Тогда для этой цели служит конденсатор. Его включают, как показано на рис. 3. Мы видим, что узел напряжения передвигается кверху, так же, как и пучность тока. Нужно заметить, что ко включению конденсатора прибегают лишь в исключительных случаях, главным образом потому, что его трудно осуществить так, чтобы он не вносил значительных потерь в антенну.
Когда антенна кроме вертикальной части имеет и горизонтальную, то стоячая волна тока и напряжения укладывается на обеих частях, как показано на рис. 4 для Г-образной антенны. Картина получается такой, что будто бы мы просто перегибаем вертикальный проводник с его током и напряжением. Конечно, все предыдущие рассуждения об удлинительной катушке остаются в силе (см. рис. 5).
При работе с короткими волнами (от 10 до 100 м) применяют антенны и порядка 1/4 длины волны и значительно более длинные. Так как в этой области мы имеем пока только опыты, то говорить о каком-нибудь правиле не приходится. Здесь иногда осуществляют передачу, напр., при длине антенны l = 2λ, 3,2λ и т. п. В этом случае имеется в виду заставить энергию уходить в определенном направлении от антенны. Подробнее мы остановимся на этом несколько ниже.
Мы ознакомились с тем что представляет собой электромагнитная волна, и представляем себе процесс колебаний в антенне, которая возбуждает около себя эти волны Теперь нужно было бы разобрать, как образуются эти волны, как, они отделяются от антенны и уносят с собой часть ее энергии; иными словами — познакомиться с явлением излучения. Однако здесь возникают очень большие трудности. Дело в том, что простой физической картины излучения не существует. Это явление изучено математически и проверено опытами, участником которых является каждый радиослушатель. Поэтому мы ограничимся описательной стороной дела и дадим иллюстрации лишь там, где это будет возможно
Ранее мы говорили об энергии электромагнитного поля (см. "Р.В." №7), поток энергии, проходящей через 1 см2 поверхности в 1 секунду (другими словами мощность на единицу поверхности), равен произведению из напряжений электрического и магнитного полей, деленному на 12,56:
Это соотношение верно, когда Е и Н направлены под прямыми углами друг к другу (как раз то, что мы имеем в свободной волне)4).
Так как здесь идет речь о потоке энергии, то очевидно что этот поток должен иметь направление. Определяется оно таким образом. Представим себе (см. рис. 6), что Е и Н расположены под прямым углом друг к другу и сидят на гайке с правой нарезкой, а гайка ходит по болту. Будем поворачивать эту гайку по стрелке часов, так, чтобы Е нагоняло Н. Тогда направление, в котором она пойдет, покажет, куда течет энергия. Эта величина потока энергии S, как и всякая направленная величина (скорость, сила, Е, Н), может быть изображена отрезком со стрелкой, что и сделано на рис. 6. В физике подобные величины называются векторами. Наше S по имени ученого, который впервые ее ввел, называется вектором Пойнтинга.
Вектор Пойнтинга и является тем зондом, при помощи которого исследуется излучение. Подсчитать, определить математически электрическое и магнитное поле около антенны мы можем; значит можем в любом месте определить и вектор Пойнтинга, а по его направлению и величине мы можем судить о том, что у нас делается с энергией. Оказывается, что явления будут протекать совершенно различно в зависимости от того, находимся ли мы близко от антенны или далеко. На языке математики это «близко» и «далеко» означает, что в первом случае расстояние мало по сравнению с длиной волны, на которой работает антенна, во втором длина волны мала по сравнению с расстоянием. В первой области называемой соседней, вектор Пойнтинга меняет свое направление 4 раза за период колебания в антенне: 1/4 периода энергия течет от антенны в пространство, 1/4 периода наоборот — к антенне, затем опять в пространство и, наконец, снова к антенне. Таким образом здесь нет никакого отделения энергии. Явление аналогично тому, что происходит в конденсаторе или самоиндукции, включенных в цепь переменного тока. Там точно так же по четвертям периода происходит накопление энергии (электрического или магнитного поля), затем ее отдача в машину, потом снова накопление и опять отдача.
Иначе обстоит дело в области удаленной, называемой областью излучения. Там вектор Пойнтинга сохраняет свое направление неизменным, именно от антенны: энергия все время течет в пространство. Здесь мы имеем ужв отделившуюся от антенны энергию и свободную электромагнитную волну.
Несколько нагляднее можно нарисовать себе картину излучения при помощи силовых линий. Об этом в следующий раз.
1. Скорость звука в воздухе 330 м/сек. Какова длина волны ноты в 435 колеб. в сек. (ля 1-й октавы)?
2. Бывает переменный ток в 25 пер/сек. Какова длина его волны?
3. Один конец веревки закреплен, другой я беру в руку и колеблю в вертикальном направлении. По веревке бежит волна. Можно ли ее назвать поляризованной?
4. Антенна из вертикального заземленного провода длиной в 90 м колеблется с собственной длиной волны. Чему она равна?
5. Высота Г-образной антенны 162,5 метра. Какова должна быть длина горизонтальной части, чтобы ее собственная длина волны равнялась волне Коминтерна?
6. В определенный момент времени сила тока в пучности у земли нуль. Какова сила тока в середине провода?
7. В антенне есть удлинительная катушка. Амперметр можно включить внизу катушки (у земли) и вверху
(у провода). Куда
8. Горизонтальная часть Г-образной антенны подвешена к мачтам на изоляторах. Удлинительная катушка также стоит на изоляторах. Какие должны быть электрически крепче: первые или вторые?
Ответы в следующем номере.
2) В наших приближенных рассуждениях мы не принимаем во внимание емкость между витками; но и она не проявляет себя как распределенная емкость провода.
3) Напряжение на катушке по отношению к ее заземленному концу
Для однослойной катушки, например,
4) Полная формула
где sin(Е,Н) означает синус угла между Е и Н.