С. КИН.
Кристаллический детектор — «ветеран» радиотехники. Он почти вдвое старше своего «молодого соперника» — электронной лампы. Но, несмотря на это, кристаллический детектор изучен в гораздо меньшей степени, чем лампа. Все свойства электронной лампы и явления, в ней происходящие, мы можем об'яснить теоретически, и эта теория, конечно, вполне согласуется с практикой. Гораздо хуже обстоит дело с кристаллическим детектором. Те теории, которые до сего времени были выдвинуты для об'яснения действия кристаллического детектора, обладают одним «маленьким недостатком» — противоречат тем практическим данным о работе кристаллического детектора, которыми мы располагаем. А теории, которые не согласуются с практикой, это — только ненужный балласт. Таким образом, до последнего времени, мы в сущности вообще не располагаем теорией, правильно об'ясняющей работу кристаллического детектора. И только недавно, благодаря новым работам немецких физиков, немного рассеялся «мрак», окружавший кристаллический детектор. Этими физиками предложена новая теория кристаллического детектора, может быть и не вполне исчерпывающая, но очень правдоподобная и хорошо об'ясняющая все известные нам факты, относящиеся к работе кристаллического детектора. С этой работой мы и хотим познакомить наших читателей. Но прежде мы приведем те сведения о работе детектора, на которых эта новая теория основана, а также изложим вкратце те теории, которые были предложены раньше. Правда, эти теории не представляют самостоятельного интереса, так как они явно не пригодны, но сопоставить их с новой теорией кристаллического детектора все же имеет смысл. Чтобы не разбрасываться, мы будем в дальнейшем говорить только о тех детекторах, которые состоят из кристалла и металла, т.-е. как раз о тех, которые имеют наибольшее распространение среди радиолюбителей (гален, карборунд).
Прежде всего, мы выясним вопрос, какими вообще свойствами должен обладать детектор для того, чтобы выполнять свою роль, то-есть детектировать. Но для этого мы должны начать издалека — от передающей станции.
Передающая станция незатухающих колебаний, если их не модулируют (т.-е. если на микрофон передатчика звуки не попадают) излучает в пространство волну определенной длины, соответствующую колебаниям вполне определенной частоты. Например, станция, работающая на волне в 1000 метров, создает колебания с частотой 300.000 колебаний в секунду1). В передатчике, пока он не модулирован, а следовательно, и в приемнике, который эту станцию принимает, существует только одно колебание с частотой 300.000 кол./сек.
Но что произойдет, если мы начнем модулировать передатчик, то-есть воздействуем на его микрофон каким-либо звуковым колебанием, например, имеюшим одну вполне определенную частоту в 1.000 кол./сек.? (звуковое колебание с частотой в 1.000 кол./сек. соответствует примерно ноте «до» 3-й октавы). Оказывается, что вследствие модуляции в передатчике вместо одной частоты, появляется уже несколько, правда, близких друг к другу, но все же различных частот. Вследствие модуляции частота передатчика как бы расщепляется на три различных частоты. Закон, по которому происходит это расщепление, очень прост. Кроме основной «несущей» частоты, мы получаем при модуляции еще добавочные частоты, так называемые «боковые полосы», которые больше или меньше основной частоты как раз на частоту модулирующего тона. Значит, в нашем случае (основная частота 300.000 кол./сек. и частота модулирующего тона 1.000 кол./сек.), мы, кроме прежней основной частоты 300.000 кол./сек., получим еще дополнительные частоты (300.000 — 1.000) = 299.000 кол./сек. и (300.000 + 1.000) = 301.000 кол./сек. Схематически строение модулированной частоты можно изобразить так, как это сделано на рис. 1, где изображены все три частоты, получившиеся в результате модуляции передатчика тоном в 1.000 кол./сек. Очевидно, что все эти три частоты появятся и в приемнике, который нашу модулированную станцию принимает, конечно, при условии, что приемник не обладает слишком острой настройкой и примет все три частоты, так мало (меньше чем на 1%) отличающихся друг от друга2).
После того, как мы рассмотрели вкратце процесс модуляции, попытаемся ответить на вопрос — в чем же заключается роль детектора при приеме модулированных колебаний?
Очевидно, что, когда станция не модулируется, в приемнике ничего не должно быть слышно. Следовательно, и от детектора в этом случае ничего не требуется. Пока в приемнике есть только одна несущая частота немодулированной передающей станции, детектор никаких колебаний звуковой частоты создавать не должен. Но если станция модулируется и в приемник попадает не одна частота, а три (несущая и две боковых), то детектор уже не должен оставаться «бесчувственным». Он должен как-то преобразовать эти три частоты и выделить из них частоту модуляции, чтобы в телефоне приемника получился тот же звук, который действуег на микрофон передатчика. Но, как мы знаем, боковые полосы отличаются от несущей частоты как раз на частоту модулирующего тона. С другой стороны, если мы имеем два колебания разной частоты, то частота биений между этими колебаниями как раз равна разности частот обоих колебаний. Значит, задача детектора заключается в том, чтобы выделить частоту тех биений, которые получаются в приемнике между несущей частотой и боковыми полосами.
Теперь, зная задачу, которая перед детектором ставится, мы можем сообразить, какими свойствами детектор должен обладать, чтобы с этой задачей справиться. И вот, оказывается, что детектором может служить всякий проводник, сопротивление которого не постоянно, а зависит от напряжения, приложенного к детектору. При этом необходимо, чтобы его сопротивление было различно в разных направлениях. Другими словами, детектор должен обладать не постоянным, а переменным (зависящим от подводимого напряжения) сопротивлением, при чем это сопротивление должно изменяться в обе стороны от нуля неодинаково — несимметрично. (И чем больше несимметрия сопротивления, тем лучше работает детектор). Этим свойством, как мы убедились на практике, обладает и кристаллический детектор (если бы он этим свойством не обладал, то им нельзя было бы пользоваться как детектором). Значит задача всякой теории кристаллического детектора заключается прежде всего в том, чтобы об'яснить, почему сопротивление детектора непостоянно и зависит от напряжения, и каковы причины того, что эта зависимость несимметрична.
Свойства кристаллического детектора, как и всякого проводника, очень удобно характеризовать графически, при помощи специальных кривых, которые носят название «характеристик» детектора.
Очевидно, что при изучении всякого проводника нужно исследовать, какая сила тока проходит через этот проводник, если к концам его мы приложим некоторое определенное напряжение. Мы возьмем две оси — горизонтальную, на которой отложим в определенном масштабе напряжения, подводимые к проводнику, и вертикальную, на который нанесем силы токов, проходящих через этот проводник (рис. 2). Тогда каждая точка нашего графика будет соответствовать определенному напряжению и определенной силе тока. Изучая свойства проводника, мы будем наносить на наш график те точки, которые получаются при измерениях. Например, если мы имеем простой проводник с омическим сопротивлением в 2 ома, то при напряжении в 1 и 3 вольта мы получим соответственно силы тока в ½ и 1½ ампера, и при напряжении в (—2) вольта, т.-е. при напряжении, приложенном в обратном направлении, сила тока будет (—1) ампер, так как ток также будет направлен в другую сторону. Этим трем измерениям соответствуют три точки нашего графика А, Б и В, и характеристикой проводника будет служить прямая, проведенная через эти три точки. Очевидно, что наклон характеристики будет тем больше, чем больше сопротивление проводника. Но во всяком случае, если проводник будет обладать постоянным сопротивлением, то его характеристика будет прямой линией, так как наклон характеристики во всех точках должен быть одинаковый.
Если же сопротивление проводника не постоянно и изменяется в зависимости от напряжения на его концах, то характеристика детектора будет уже не прямолинейной, а криволинейной (рис. 3). Кроме того, если сопротивление проводника в обе стороны неодинаково (несимметрично), то, значит, наклон характеристики в левой и правой части графика будет неодинаков. Например, характеристика проводника, имеющего в обе стороны неодинаковое, но постоянное сопротивление, будет иметь вид, изображенный на рис. 4. Характеристика же проводника, имеющего в обе стороны неодинаковое и вместе с тем переменное сопротивление, имеет вид, изображенный на рис. 5.
Именно такого типа характеристиками обладают кристаллические детекторы, применяемые на практике. Значит, теория кристаллического детектора должна об'яснить, какие причины обусловливают такой вид характеристики кристаллического детектора. Но, давая эти об'яснения, нельзя впасть в противоречия с тем хорошо известным фактом, который служил камнем преткновения для старых теорий кристаллического детектора, именно, что детектор сплошь да рядом «оборачивает» свою проводимость.
Это «обращение» проводимости заключается в следующем: детектор, оставаясь несимметричным проводником, иногда лучше проводит (то-есть имеет меньшее сопротивление) в направлении от металла к кристаллу и хуже проводит (т.-е. обладает большим сопротивлением) в обратном направлении, а иногда, наоборот, обладает большим сопротивлением именно в направлении от металла к кристаллу, то-есть, не меняя направления включения детектора, мы можем получить на двух разных точках одного и того же детектора две разные характеристики, изображенные на рис. 6. Конечно, для того, чтобы детектор справлялся со своей задачей, совершенно безразлично, в какую именно сторону он проводит лучше, важно только, чтобы его проводимость в различные стороны была бы различна.
Все старые теории не могли удовлетворительно справиться с этим фактом, и это удалось только новой теории кристаллического детектора, которую мы изложим ниже. Но прежде мы вкратце изложим старые теории кристаллического детектора и отметим те слабые их места, которые, в конце концов, заставили от этих теорий совершенно отказаться.
Старые теории кристаллического детектора пытались об'яснить несимметричную проводимость между кристаллом и металлом явлением термоэлектрического эффекта или электро-химическими явлениями в кристалле и металле. Первая из этих теорий (тепловая) была основана на том, что всякий контакт, составленный из двух неодинаковых проводников, при нагревании дает электродвижущую силу, направленную всегда в одну и ту же сторону, например, от металла к кристаллу. Так как токи высокой частоты должны хоть немного нагревать контакт, по которому они проходят, и нагревание это должно быть тем больше, чем сильнее ток, то, следовательно, в контакте должна появиться электродвижущая сила постоянного направления, величина которой изменяется вместе с изменением силы тока, а следовательно, и напряжения, приложенного к контакту. Такой контакт должен обладать несимметричной проводимостью, а следовательно, может служить детектором.
Но против этой тепловой теории можно привести много существенных возражений. Очевидно, что проводимость детектора должна быть больше в ту сторону, в которую направлена электродвижущая сила термоэффекта, так как в этом направлении термоэлектродвижущая сила совпадает с приходящим переменным напряжением, а в обратном направлении ему противодействует. Но в действительности оказывается, что очень часто направление термоэлектродвижущей силы и лучшей проводимости не совпадает между собой, т.-е. контакт дает большую проводимость как раз в направлении, обратном термоэлектродвижущей силе. Этого одного факта совершенно достаточно, чтобы отказаться от тепловой теории, поэтому на других фактах, противоречащих этой теории, мы останавливаться не будем. Отметим только, что тепловая теория никак не может об'яснить оборачиваемости детектора, так как термоэлектродвижущая сила для каких-либо двух определенных материалов всегда направлена в одну и ту же сторону.
В непригодности электрохимической теории пришлось убедиться благодаря следующему опыту. Строение поверхности контактов детектора и их химический состав были тщательно исследованы, и после этого детектор в течение нескольких дней находился под током высокой частоты и сравнительно большой силы. Затем он был вновь подвергнут исследованию, но никаких изменений ни в строении поверхности, ни в ее химическом составе обнаружить не удалось. Очевидно, что если бы работа детектора сопровождалась какими-либо химическими процессами, то после длительного пребывания детектора под током, следы этих процессов должны бы быть заметны.
Наконец, третья из старых теорий пыталась об'яснить свойство детектора тем, что движение электронов легче происходит от острия к поверхности и труднее в обратном направлении. Следовательно, всякий детектор должен обладать большей. проводимостью от острия к поверхности и меньшей — в обратном направлении. Но и эта теория оказывается несостоятельной. Она хотя и об'ясняет несимметричную проводимость детектора, но ничего не говорит о том, почему проводимость детектора изменяется при изменении приложенного к нему напряжения. Значит, при помощи этой теории, пожалуй, можно было бы об'яснить такую характеристику детектора, которая приведена на рис. 4. (постоянная, но не симметричная проводимость), но никак нельзя об'яснить криволинейную характеристику, которой всякий детектор обладает (рис. 5) и которая говорит не только о несимметричной, но и переменной проводимости.
Есть и еще одно возражение против такой «геометрической» теории детектора, которое особенно интересно потому, что оно послужило толчком к развитию новой, удовлетворительной, теории кристаллического детектора. Ведь если все дело в геометрической форме контактов, то почему же для детектора применяются всегда разные материалы, и какое значение имеет в этом случае кристалл? Приняв эту теорию, нужно признатъ, что контакт между острием и пластинкой, сделанными из одного и того же материала, должен детектировать также, как и контакт между острием и кристаллом (если все дело здесь в «геометрии»). Для опыта был устроен детектор из платинового острия и платиновой пластинки. Оказалось, что этот контакт действительно детектирует. но во много раз хуже, чем контакт между тем же острием и поверхностью кристалла галена. Значит, хотя геометрические формы контактов и играют некоторую роль, но все же не в «геометрии» здесь суть. «Собака зарыта» где-то в другом месте — очевидно, в кристалле, так как не форма контактов, а кристалл и его свойства играют решающую роль в детекторе. Вот это заключение и привело к созданию новой «пьезоэлектрической» теории кристаллического детектора, о которой мы расскажем во второй части нашей статьи.
1) Для простоты при рассмотрении всего процесса модуляции и детектирования ограничимся одним числовым примером. (стр. 424)
2) О связи между остротой настройки и приемом радиотелефонной, т.-е. модулированной станции, которая излучает не одну частоту, а целую группу («спектр») близких частот, мы поговорим как-нибудь в отдельной статье. (стр. 424)