С. Кин.
Среди всех врагов радиолюбителя самый опасный и самый упорный — это атмосферное электричество. До сего времени, несмотря на все попытки, радиотехника не смогла справиться с этим врагом, и мы принуждены мириться с существующим положением вещей, при котором сплошь да рядом радиосвязь становится невозможной вследствие очень сильных атмосферных помех. Для успешной борьбы с атмосферными помехами прежде всего, конечно, необходимо выяснить природу атмосферного электричества и характер электрических явлений в атмосфере. Однако изучение атмосферных электрических явлений связано не только с целым рядом трудностей, но и с значительной опасностью. Вспомним хотя бы смерть ученого Рихмана, который одним из первых начал изучение атмосферного электричества и погиб от удара молнии в Петербурге в 1753 году. Но, несмотря на все трудности и опасности, ученые все время упорно занимаются изучением атмосферных электрических явлений, и сейчас мы уже не только располагаем подробными сведениями об этих явлениях, но можем даже все эти явления более или менее правдоподобно объяснить и хотя бы частично решить вопрос о природе атмосферного электричества.
Для радиолюбителей эти вопросы представляют интерес не только потому, что атмосферные электрические явления являются источником сильнейших помех радиоприему. Атмосферное электричество является до некоторой степени угрозой целости всякой радиоустановки. И, изучая эти явления, можно сделать много очень полезных выводов о том, какие опасности несет с собой атмосферное электричество и как с этими опасностями бороться.
Прежде всего интересно выяснить величины, которых достигают электрические заряды и напряжения в атмосфере и силы токов в грозовых разрядах. Цифры эти поистине поразительны.
Продолжительные наблюдения показали, что все осадки, падающие из облаков на землю (дождевые капли, снежинки и крупинки града), бывают в большой или меньшей степени заряжены электричеством. Заряд этот бывает в одних случаях положительный, в других отрицательный. Например, дождевые капли несут слабый положительный заряд. В грозовых каплях преобладают отрицательные заряды; в снежинках также, причем заряд снежинок бывает всегда много сильнее, чем заряд дождевых капель. Заряды эти достигают часто очень большой величины — в кубическом сантиметре осадков может содержаться до 1.1012(до тысячи миллиардов) электронов — то-есть примерно до десяти миллиардов электронов в одной дождевой капле. Чтобы стало ясно, как велик этот заряд, мы приведем такой пример. Если такая капля попадет на антенну емкостью в 300 см и отдаст ей свой заряд, то потенциал антенны от этого заряда повысится на 2 вольта. От одной единственной капли! Значит, если на антенну упадет 1 000 капель, то антенна зарядится до потенциала в 2 000 вольт.
Эти цифры поразительны на первый взгляд. Но если радиолюбитель сопоставит их со своими опытами и наблюдениями, он легко убедится в том, что неоднократно наблюдал именно такую картину, которую мы описали. Ведь если во время снега или дождя оставить антенну незаземленной и отсоединить от нее приемник, то часто можно наблюдать, как между антенной и поднесенным к ней предметом проскакивают искорки длиной в несколько миллиметров. А искра такой длины может получиться только в том случае, если антенна заряжена до большого напряжения — порядка 1 000 вольт.
Вот почему никогда не следует антенну оставлять надолго незаземленной и отсоединенной от приемника. Всегда, даже тогда, когда нет никаких признаков грозы, и даже зимой может случиться, что она зарядится до высоких потенциалов и пробьет изоляцию приемника, или же при прикосновении к ней заряд из антенны в землю уйдет через тело радиолюбителя. Ощущение получится не из приятных!
Огромные заряды, которые скопляются в разных слоях атмосферы, вызывают соответственно большие напряжения между этими точками атмосферы и землей. Правда, электрическое поле в земной атмосфере существует всегда, даже в совершенно ясные и безоблачные дни. Измерения силы поля земной атмосферы производились уже давно, причем оказалось, что в ясные солнечные дни сила поля в нижних слоях атмосферы составляет, в зависимости от условий и времени года, от 100 до 200 вольт на метр1), в редких случаях удавалось при совершенно безоблачном небе наблюдать поля в 500—800 вольт на метр. Во всяком случае в ясную погоду напряжение электрического поля земной атмосферы не превышает 1 000 вольт на метр. Но во время грозовых явлений сила электрического поля земной атмосферы чрезвычайно возрастает и достигает нескольких десятков и даже сотни тысяч вольт на метр. Когда же напряжения электрического поля достигают 200—400 тысяч вольт на метр — происходит электрический разряд в атмосфере — мы видим молнию. Количество электричества, которое протекает в момент разряда через молнию, также чрезвычайно велико — оно достигает сотни кулон. И так как продолжительность грозового разряда очень мала — всего несколько тысячных долей секунды, то значит силы токов при разряде молнии достигают нескольких десятков и даже сотни тысяч ампер. Эти фантастические цифры получены не только из приведенного выше расчета. Сила тока в молнии была измерена и непосредственно. Конечно, на пути молнии нельзя просто поставить амперметр на 100 000 ампер. Но ток в молнии все же можно приблизительно измерить, если вблизи громоотвода поместить стержень из намагничивающегося материала (для опытов применялся стержень из базальта). Тогда ток молнии, протекающий через громоотвод, намагнитит базальтовый стержень, и по величине этого намагниченья можно вычислить силу тока в громоотводе. Эти измерения дали цифру в 20 000 ампер, то-есть того же порядка, как и цифра, полученная из приведенных выше расчетов.
Какие же практические выводы можно сделать из этих грандиозных цифр? Конечно, ни одна любительская антенна не выдержит силы тока в 20 000 ампер. И если грозовой разряд попадет непосредственно в антенну, то она неизбежно расплавится и сгорит. Но, к счастью, такие непосредственные разряды в антенну происходят чрезвычайно редко, как и вообще разряды между атмосферой и землей. Подавляющее большинство всех разрядов (молний) ударяют не в землю, а из одного облака в другое. Поэтому непосредственного разряда молнии в антенну можно просто не опасаться, так как это совершенно исключительный случай. Но помимо непосредственного разряда атмосферные электрические явления могут воздействовать на антенну и косвенными путями.
Прежде всего, если антенна не заземлена, то ее потенциал должен быть примерно такой же, как и потенциал атмосферы на той высоте, на которой она подвешена. Это значит, что в незаземленной антенне, подвешенной на высоте десяти метров над землей, могут во время грозы, просто вследствие влияния электрического поля, возникать напряжения в десятки и даже сотни тысяч вольт. Конечно, такие высокие напряжения могут вызвать искру, пробить изоляцию приемника и причинить болезненные ощущения человеку. Правда, эти разряды не могут причинить серьезных повреждений, так как заряд антенны даже при таких больших напряжениях будет очень мал (ибо емкость антенны очень мала). Например, при напряжении в антенне в 50 000 вольт и при емкости антенны в 200 см заряд антенны составит только одну стотысячную долю кулона. И если считать, что продолжительность разряда составляет одну тысячную долю секунды, то сила тока при разряде будет составлять всего лишь 10 миллиампер. Так что эти высокие напряжения, вызываемые в антенне влиянием электрического поля, не так страшны, как может показаться на первый взгляд. Но все же лучше не допускать таких напряжений в антенне, тем более, что никаких специальных средств для этого не требуется. Если антенна заземлена, то потенциал ее всегда будет равен потенциалу земли. Все заряды, которые могут появляться в антенне при изменениях электрического поля атмосферы, будут постепенно стекать через грозовой переключатель в землю. Изменения электрического поля атмосферы даже во время грозы происходят сравнительно медленно — в одну тысячную долю секунды изменения силы поля не превышают 1 000—2 000 вольт на метр. Следовательно, в антенне высотой в 10 метров возможны изменения потенциала на 10 000—20 000 вольт в тысячную долю секунды и токи, возникающие при стекании таких наведенных зарядов в землю, не будут превышать 4—5 миллиампер. Конечно, такие слабые токи не смогут причинить никаких повреждений ни антенне, ни приемнику. Значит, и эту опасность целиком и полностью устраняет заземление антенны.
Но этим не исчерпываются все опасности, которыми грозят антенне атмосферные электрические явления. Ведь те огромные силы токов, которые протекают в молнии, очень быстро появляются и также быстро исчезают. Следовательно, молния представляет собой проводник, в котором происходят очень сильные и резкие изменения силы тока. А как известно, такой проводник, вследствие индукции, вызывает появление электрического тока во всех находящихся поблизости проводниках. Сила этого индуцированного тока будет тем больше, чем резче изменения силы действующего (индуктирующего) тока.
Многочисленные измерения, произведенные на специальном опытном поле в Германии, показали, что сила тока, возникающая вследствие индукции, достигает нескольких ампер, если разряд происходит достаточно близко от антенны. Конечно, ток такой силы может сжечь и испортить приемник. Если же он пройдет мимо приемника через нож грозового переключателя, то он не причинит никакого вреда, при условии, что сам грозовой переключатель выдержит ток такой силы и не сгорит. Именно поэтому грозовые переключатели принято делать так, чтобы они выдерживали токи по крайней мере до 5 ампер. Тогда установка будет защищена и от этой последней опасности — индукционного воздействия молнии на антенну. Еще лучше было бы устроить так антенну, заземление и переключатель, чтобы они выдерживали и 20 000 ампер, то-есть те токи, которые возникают при непосредственном разряде молнии. Но это, к сожалению, невозможно. Однако непосредственный разряд молнии в антенну — явление, повторяем, настолько редкое, что каждый радиолюбитель может даже во время самой сильной грозы спать с спокойным сердцем, если его антенна заземлена грозовым переключателем, выдерживающим токи силой до 5 ампер.
Итак, грозовой переключатель устраняет все опасности, которыми атмосферное электричество может угрожать всякой радиоустановке. Остается только одна опасность, но уже не электрического, а «психологического» характера — именно, что радиолюбитель просто забудет или не успеет во время заземлить свою антенну. Защитой от этой опасности и служит искровой промежуток, включаемый обычно между антенной и заземлением. Искровой промежуток пробивается искрой уже при напряжениях ниже тысячи вольт. И, следовательно, если в незаземленной антенне, по одной из приведенных нами выше причин, напряжение превысит пробивное напряжение, то через него проскочит искра, и все наведенные заряды из антенны уйдут в землю. Так что установка с грозовым переключателем и искровым промежутком защищена не только от воздействия атмосферного электричества, но и от халатности самого любителя.
Этим исчерпываются те сведения об атмосферных электрических явлениях, которые представляют практический интерес, так как позволяют выяснить вопрос о методах защиты приемной установки.
1) Электрическое поле в 100 вольт на метр — это поле такой силы, в которой две точки, находящиеся на расстоянии одного метра друг от друга и расположенные по направлению поля, обладают разностью потенциалов в 100 вольт, — точки, находящиеся на расстоянии двух метров, обладают разностью потенциалов в 200 вольт и т. д.