С.Кин
В первой части статьи1) мы пришли к заключению, что в объяснении работы детектора существенную роль должны играть свойства кристалла. При помощи этих свойств нужно попытаться объяснить тот факт, что сопротивление контакта между кристаллом и металлом не постоянно и зависит от величины напряжения, подводимого к детектору. Но прежде чем привести это объяснение, мы должны познакомить наших читателей с одним новым фактом из области электрических явлений.
Мы знаем, что электрические заряды одноименные отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются друг к другу. Значит, если мы возьмем какое-нибудь тело, например пластинку, и зарядим его так, чтобы на одной стороне пластинки находился положительный заряд, а на другой отрицательный, то эти заряды будут притягиваться друг к другу. Если эти заряды связаны с телом (например в случае пластинки из диэлектрического материала), то в результате притяжения зарядов друг к другу пластинка немного сожмется. И чем больше будут заряды на сторонах пластинки, тем сильнее она будет сжиматься. Вот это явление — изменение формы заряженного тела в результате взаимодействия электрических зарядов, появившихся в теле под действием внешнего электрического поля, и называется электрострикцией. В том случае, когда явление электрострикции происходит в кристаллах, его очень часто называют также «обратным пьезоэлектрическим эффектом».
Пьезоэлектрический эффект можно наблюдать не во всех кристаллах, но все же большинство кристаллов обладает пьезоэлектрическими свойствами. И если мы поместим один из таких кристаллов в электрическое поле, то под влиянием этого электрического поля он изменит свою форму.
Характер изменения формы кристалла зависит не только от свойств самого кристалла и его расположения в электрическом поле, но и (что для нас особенно существенно) от направления электрического поля. Если при каком-либо определенном направлении электрического поля пьезоэлектрический эффект выражается в том, что кристалл вытягивается, то при изменении направления поля на обратное кристалл будет сжиматься. Эти пьезоэлектрические свойства кристалла дают возможность объяснить действия кристаллического детектора вот каким образом.
Подводимое к детектору напряжение изменяет форму кристалла, а вместе с тем изменяет и сопротивление детектора, так как во-первых при изменении формы кристалла, как и при изменении формы всякого проводника, изменяется и его сопротивление, а во-вторых изменяется нажим металла на кристаллы, а значит и сопротивление контакта между ними. При этом, так как при одном направлении подводимого напряжения кристалл растягивается, а при другом сжимается, то очевидно, что и сопротивление детектора при разных направлениях подводимого напряжения будут изменяться по разному. Для одного направления внешнего напряжения это сопротивление будет уменьшаться при возрастании внешнего напряжения, а для другого направления оно будет увеличиваться при возрастании внешнего напряжения. Значит, характеристика такого детектора будет в одном направлении от точки О (рис. 7) подыматься все круче и круче (сопротивление уменьшается), а в другом направлении опускаться все более и более полого (сопротивление возрастает). Мы, таким образом, получим изображенную на рис. 7. нормальную характеристику кристаллического детектора.
Значит, при помощи пьезоэлектрических свойств можно объяснить основное свойство кристаллического детектора — его переменное и несимметричное относительно подводимых напряжений сопротивление. Ясно также, почему не все кристаллы могут служить детектором. Хороший кристалл для детектора должен обладать двумя качествами — во-первых, быть проводником электричества и, во-вторых, отличаться заметными пьезоэлектрическими свойствами. Этим двум требованиям одновременно удовлетворяют сравнительно немногие кристаллы. Большинство кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, не являются проводниками электричества, и поэтому только немногие кристаллы могут быть с успехом применены в детекторах.
Но излагая новую теорию кристаллического детектора, нельзя ограничиться только объяснением основных его свойств. Нужно проверить эту теорию на всех известных нам о кристаллическом детекторе фактах, и посмотреть, насколько удачно она справляется с объяснением этих фактов.
Мы уже говорили в первой части статьи, что геометрическая форма контакта также играет роль в явлении детектирования. Электроны легче переходят из острия на поверхность, чем в обратном направлении, и, следовательно, сопротивление контакта в направлении от острия к поверхности должно быть меньше, чем в обратном направлении. Очевидно, что действие детектора будет наилучшим в том случае, когда результат пьезоэлектрического эффекта и геометрические условия действуют в одном и том же смысле и помогают друг другу; если же оба эти эффекта будут направлены в противоположные стороны и будут компенсировать друг друга, то детектор будет работать плохо. Например, если мы в галеновом детекторе попали на такую грань кристалла (рис. 8), что при напряжении «+» на кристалле и «—» на острие, сопротивление кристалла уменьшается, то обе причины действуют согласно (так как электроны легче переходят с острия на кристалл, то и геометрические условия также обусловливают меньшее сопротивление электрическому току при напряжении «+» на кристалле и «—» на острие). Если бы мы попали на другую грань, так, что при напряжении «+» на кристалле и «—» на острие сопротивление кристалла увеличилось бы, то обе причины действовали бы в разные стороны и частично компенсировали бы друг друга. В первом случае мы имели бы хорошую «точку» на детекторе, а во втором случае плохую. Словом, только там, где «геометрия» помогает «физике», мы имеем хорошие точки на детекторе, а там, где они друг другу мешают, детектор работает плохо или вовсе отказывается детектировать. И так как физические и геометрические причины друг от друга совершенно не зависят, то их совпадение является делом чистой случайности, и поэтому часто приходится так много времени тратить на поиски хорошей точки.
То же самое о взаимодействии «физики» и «геометрии» можно повторить и относительно кристаллического детектора, в котором вместо острия применяется металлическая пластинка, например, относительно карборундового детектора (рис. 9). Роль острия в этом случае играет острая грань кристалла и опять-таки для хорошей работы детектора необходимо, чтобы «физика» и «геометрия» помогали друг другу.
Теперь посмотрим, как новая теория справляется с тем фактом, который служил камнем преткновения для старых теорий, сможет ли она объяснить факт «обратимости» детектора?
Оказывается, что для новой теории этот факт не представляет никаких затруднений. Нужно только правильно понимать определение «геометрические условия». Существенны в работе детектора не те внешние грубые формы контактов, которые мы видим простым глазом, а микроскопическая структура этих контактов. Например «острие», которое на глаз кажется нам очень острым, под микроскопом принимает совершенно другой вид (рис. 10). То же самое можно сказать и относительно «гладкой» поверхности кристалла, которая под микроскопом оказывается испещренной царапинами и бороздами. Совершенно ясно, что при двух различных положениях острия, указанных на рис. 10, мы будем иметь совершенно разные геометрические условия. Хотя на-глаз оба эти положения нам будут казаться одинаковыми, но в одном случае (положение «1») мы будем иметь фактически острие на пружинке, а в положении «2» острием будет служить не пружинка, а кристалл.
Ясно, что и в том и в другом положении детектор может работать хорошо. Нужно только, чтобы действительные, а не кажущиеся геометрические условия действовали бы согласно с пьезоэлектрическим эффектом в кристалле. Однако на поверхности кристалла обычно гладкие места составляют большую часть, чем борозды и царапины, и, значит чаще пружинка будет попадать в положение «1», а не в положение «2», т. е. будет служить в большинстве случаев острием. Поэтому в большинстве случаев детектор будет давать бо́льшую силу тока, именно в одном направлении — электроны будут итти от пружинки к кристаллу (а ток от кристалла к пружинке). И только иногда, когда пружинка попадает на хорошую точку, соответствующую положению «2», детектор будет давать ток в обратном направлении.
Есть и еще несколько фактов, которые известны нам о кристаллическом детекторе и объяснить которые с точки зрения старых теорий не удавалось. Новая же теория кристаллического детектора и эти факты объясняет без всякого труда. Прежде всего интересно объяснить тот факт, что детектор может говорить. «Говорящий детектор» или кристаллический телефон известны уже давно. Если включить детектор в приемник вместо телефона и поместить его на какую-либо резонирующую подставку, то этот детектор совершенно ясно и довольно громко воспроизводит передачу. Словом, он может заменить не только телефон, но до некоторой степени даже громкоговоритель.
Объяснить этот факт при помощи старых теорий нечего было даже пытаться. Из новой теории кристаллического детектора объяснение этого факта вытекает само собой. Если кристалл детектора сокращается под действием подводимых напряжений, то, следовательно, он превращает в механические колебания все те электрические колебания, которые к нему подводятся. Эти колебания кристалла в виде звуков и передаются в окружающее пространство.
В заключение мы применим новую теорию кристаллического детектора к объяснению еще одного, очень интересного и с точки зрения старых теорий очень загадочного факта. Мы, правда, не будем приводить подробного объяснении этого факта, так как это завело бы нас очень далеко, но все же изложим хотя вкратце это объяснение, так как оно представляет несомненный интерес.
Вероятно, многие радиолюбители, у которых приемники обладают достаточно острой настройкой, наблюдали такой факт. Если после того как приемник точно настроен на какую-либо станцию, мы в поисках лучшей «точки» переставили пружинку на детекторе, сплошь да рядом приходится опять немного подстраивать приемник. Другими словами — положение пружинки на кристалле как-то влияет на настройку приемника.
Объяснение этого загадочного, на первый взгляд, факта кроется в пьезоэлектрических свойствах детекторного кристалла. Дело в том, что всякий кристалл, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, дает не только обратный, но и прямой пьезоэлектрический эффект, который заключается в следующем. Если форма кристалла изменяется, то в результате этой деформации внутри кристалла появляются электрические заряды. И так как под действием переменного внешнего напряжения (принимаемых сигналов) форма кристалла все время изменяется, то значит внутри кристалла все время происходят перемещения электрических зарядов. Таким образом детекторный кристалл действует как какой-то электрический контур, в котором течет быстро переменный электрический ток. И так как он связан с колебательным контуром приемника, то значит электрические токи, проходящие в этом воображаемом электрическом контуре (кристалле), действуют обратно на приемник. Действие кристалла эквивалентно действию какого-то электрического контура, причем этот наш контур (кристалл) обладает некоторыми определенными самоиндукцией и емкостью, и вместе с тем он связаи с приемным контуром.
Величина этих кажущихся самоиндукции и емкости зависит от свойств детектора; при переходе на другую точку (так как свойства детектора меняются) могут изменяться и кажущиеся самоиндукция и емкость детектора. Но так как они связаны с приемным контуром, то совершенно ясно, что изменение их величины, то есть переход на другую точку детектора, может немного изменить настройку приемника.
Изложив пьезоэлектрическую теорию кристаллического детектора, мы считаем нужным отметить, что теорию эту, может быть, нельзя еще считать окончательной. Но во всяком случае эта новая теория не оставляет ни одного темного места среди всех тех фактов, которые нам известны о кристаллическом детекторе, и поэтому она заслуживает полного внимания, со стороны не только радиоспециалистов, но и радиолюбителей.
1 См. «Радио Всем» № 15 (стр. 458)