"Радио Всем", №13, май, 1930 год, стр. 312-313

Магнитная стабилизация

Н. Малов

При работе лампового генератора обычно наблюдаются незначительные изменения частоты его колебаний, вызываемые различными случайными обстоятельствами (изменение емкости контура при приближении с нему оператора, колебания анодного напряжения или тока накала и т. д.).

Применение пьезокварца позволяет почти полностью устранить эти изменения частоты; однако существует и другой способ поддержания постоянства частоты колебаний, основанный на применении магнитных стержней (из железа, никеля или их сплавов), изменяющих при намагничивании свою длину (так называемое явление магнитострикции).

Если в катушку колебательного контура поместить железный стержень, закрепленный посредине, то под влиянием переменного магнитного поля он будет сжиматься и растягиваться, т. е. будет совершать колебания, которые окажутся наиболее сильными, если частота действующего на стержень магнитного поля (т. е. частота электромагнитных колебаний) равна собственной частоте n механических колебаний стержня (так назыв. резонансные колебания), определяемой по формуле:

где v — скорость звука в стержне, l — длина, его.

Опыты, проделанные в 1928 г. американским ученым Пирсом, показали, что при соответствующем выборе схемы генератора (см. ниже) и возбуждении резонансных колебаний стержень оказывает на генератор стабилизующее действие, так что частота генератора не меняется даже при небольших изменениях емкости конденсатора колебательного контура и при значительных изменениях накала или анодного напряжения. На рисунке I кривая ABCDE дает зависимость длины волны от величины емкости контура в случае, когда стержень не колеблется (если зажать его концы); кривые ABCDE и EDCGB соответствуют стабилизации, получающейся при резонансных колебаниях стержня, — частота, возникшая в момент резонанса (точка С) между частотой стержня и частотой контура, сохраняется при дальнейшем изменении емкости, а затем меняется скачком (точки F и G). Стрелки показывают направление изменения емкости.

Рис. 1.

Если стержень немного подмагничивается в постоянном магнитном поле, то его стабилизующее действие оказывается еще более сильным.

Наиболее хорошая стабилизация (при которой изменения частоты не превосходят одной сотой процента) получается при применении стержней из инвара (сплав из 36 частей железа и 64 частей никеля) и нихрома (сплавы никеля с хромом в различных пропорциях). Сплавы эти достать очень трудно (инвар изготовляется Электросталью, а нихром у нас совсем не производится), но для радиолюбительской практики вполне достаточна стабилизация, создаваемая железным или стальным стержнем.

Рис. 2.

От железного или стального круглого стержня (диаметром 0,5—1,5 см) отрезается кусок, длина которого определяется по формуле 1, причем можно считать скорость звука в стали равной 500 000 см/сек. (лучше отрезать стержень немного длиннее, а затем точно подогнать его длину, измеряя частоту, при которой он начинает стабилизовать (см. ниже). Концы стержня рекомендуется сгладить напильником или наждачной бумагой. Размеры стержня для некоторых частот приводятся в таблице:

Для закрепления стержня посредине удобно воспользоваться металлическим зажимом (рис. 2) с винтом.

Рис. 3.

Схема генератора изображена на рисунке 3. Катушки L₁ и L₂, одинаковые по величине, в которые вставляется стержень Ст, рекомендуется намотать на картонную или деревянную основу (рис. 4), снабженную отверстием, размеры которого в 2—3 раза превосходят сечение стержня. Стержень ни в коем случае не должен касаться стенок катушек, так как касание ухудшает условия его колебаний. Длина катушек не играет особенной роли; лучше подобрать ее таким образом, чтобы концы стержня немного выходили наружу, а катушка получилась многослойной. Расстояние между катушками 2—3 см. Число витков определяется в зависимости от частоты колебаний, которые желательно получить. Катушки следует включать таким образом, чтобы ток обтекал их в одном и том же направлении. Постоянное намагничивание стержня происходит благодаря наличию постоянной составляющей анодного тока; можно также поместить около катушек постоянный магнит, расположив полюса его таким образом, чтобы поле, создаваемое им, складывалось с магнитным полем, даваемым постоянной частью анодного тока. С — переменный воздушный конденсатор емкостью в 500—700 см.

МА — миллиамперметр, по которому наблюдается возникновение резонансных колебаний стержня.

Рис. 4.

При включении генератора в анодной цепи возникает ток, отмечаемый миллиамперметром. Если начать медленно изменять емкость конденсатора, то в момент возникновения резонансных колебаний стержня сила тока даст заметный скачок; при дальнейшем изменении емкости ток сохраняет свое увеличенное значение все время, пока стержень стабилизирует частоту (части CF и CG на кривых рис. 1), а затем снова изменяется скачком до первоначальной величины.

Если стабилизуется низкая частота, лежащая в области звуковых частот (меньше 20 000 колеб. в сек.), то возникновение резонансных колебаний можно обнаружить на слух — стержень начинает издавать резкий звук.

Если к концу стержня поднести тонкую стеклянную пластинку, то можно слышать дребезжащий звук, обусловленный ударами о нее колеблющегося стержня.

Применение магнитострикционной стабилизации наиболее выгодно в области низких частот, где трудно пользоваться кварцевыми пластинками, которые должны были бы иметь слишком большие размеры. В высоких частотах, где стержень пришлось бы брать очень коротким, приходится применять пьезокварцевую стабилизацию, либо же видоизменять форму стержня.

Рис. 5.

Так, взяв круглый стержень с переменным сечением, изображенный на рис. 5, и поместив его части, помеченные цифрами 1 и 2, в катушки колебательного контура (по 200 витков), Пирс получал стабилизацию колебаний с частотой, равной 300 000 (длина электромагнитной волны — 1 000 метр.). Нужно иметь в виду, что подобный стержень должен быть изготовлен с очень большой тщательностью и получение стабилизации с ним довольно затруднительно.

Производство магнитострикционных стабилизаторов и эталонов низкой частоты уже поставлено за границей в заводском масштабе.

Магнитострикционные колебания применяются также для определения скорости звука в различных сплавах, содержащих магнитные вещества, для изучения упругих свойств этих сплавов, получения сильных звуков постоянной частоты и т. д.