Б. А. Остроумов.
Вопрос об измерении силы тока и разности потенциалов, представляющий доныне значительные трудности даже при длинных (около 1000 метров) волнах, в случае коротких волн порядка 10—20 метров становится еще труднее, а при ультра-коротких волнах около 1 метра длиной оказывается для радиолюбителя пока почти неразрешимым. Правда, даже самые частые электрические колебания представляют собою все тот же хорошо знакомый переменный ток, но с увеличением частоты выдвигаются и приобретают исключительное значение такие свойства его, которые при низких частотах почти незаметны и которыми мы, обычно, пренебрегаем.
Прежде всего мы должны вспомнить, что с увеличением частоты возрастает индуктивное действие переменного тока, т. е. величина электродвижущей силы индукции, а следовательно, и силы индуктированного тока, появляющегося по закону Фарадея во всех замкнутых проводниках по соседству с источником коротких волн. По той же причине с увеличением частоты особенно ярко обнаруживается влияние самоиндукции проводников, т. к. их индуктивное сопротивление сильно возрастает (1). Мало того, кажущееся сопротивление на самом деле оказывается даже больше того, которое получается вычислением. Чем выше частота, тем сильнее сказывается т. н. «скин-эффект» — уплотнение тока у поверхности проводника и уменьшение его в средине. Площадь сечения, по которой в действительности проходит ток, оказывается значительно меньше всей площади сечения, и проводник для высоких частот оказывается как будто бы тоньше. При самых высоких частотах почти весь ток проходит лишь по самой поверхности проволоки, не проникая во внутрь ее.
С другой стороны, с увеличением частоты возрастает емкостная проводимость конденсаторов. Даже через небольшие емкости при коротких волнах может протекать весьма сильный переменный ток (2).
Если подсчитать, например, кажущееся сопротивление для 3-метровой волны проволоки длиною в 1 метр, а радиусом в 0,01 мм и конденсатора емкостью в 0,001 микрофарады (около 1 000 см), окажется, что проволока имеет кажущееся сопротивление 1350 Ω, a конденсатор 15 Ω приблизительно. Между тем при токе в 50 периодов оно будет у проволоки 0,0007 Ω, а у конденсатора — 30 000 000 Ω.
Если, приняв это во внимание, мы посмотрим, как устроены обычные измерительные инструменты, то убедиться в малой пригодности их для коротких волн будет нетрудно. Не забудем, что в этом случае мы будем к тому же иметь дело лишь с слабыми источниками энергии, обычно, всего в несколько ваттов.
Ясно само собой, что о приборах, основанных на электромагнитном действии тока, содержащих целые катушки проволоки, не может быть и речи. Однако и тепловые приборы, получившие в радиотехнике широкое распространение, оказываются для измерений с короткими волнами малопригодными. Рассмотрим, например, тепловой ваттметр, которым обычно пользуются при работах с волномером, и который на первый взгляд кажется наиболее подходящим измерителем силы тока для нужд любителя, работающего с генератором коротких волн длиною 3 метра.
Как известно, главную часть его составляет нагреваемая измеряемым током тонкая проволочка, длиною около 10 см и диаметром 0,05—0,04 мм. Ее омическое сопротивление обычно бывает около 10—20 Ω. Подсчет немедленно убедит нас, что кажущееся реактивное сопротивление ее при длинных волнах ничтожное, при волне в 3 метра делается приблизительно 100 Ω. Это значит, что будучи включена последовательно, она начинает действовать как дроссель и требует на концах большей разности потенциалов, чтобы пропустить электрические колебания этой частоты, чем при низких частотах. Взять проволочку короче и толще нельзя — прибор потеряет чувствительность. Зашунтировать параллельным проводником нельзя — тогда получится своебразный автотрансформатор, состоящий всего из одного замкнутого витка проволоки. При громадном индуктивном действии коротких волн распределение энергии в ней, а следовательно, и нагревание, в зависимости от размеров и формы витка, а также от толщины проволок, из которых он состоит, может оказаться самым причудливым, и показания прибора не будут соответствовать величине измеряемого тока. Каждый любитель, имеющий в своем распоряжении тепловой ваттметр, вероятно, не раз имел случай убедиться в этом на собственном опыте. При неудачном шунтировании можно даже сжечь прибор неожиданно для себя.
Однако этим дело не исчерпывается; ведь с концами нагреваемой проволоки в ваттметре соединен целый ряд металлических частей, а весь прибор обычно помещают в металлический футляр. Роль всех этих кусков металла сводится в конце концов к тому, что их можно рассматривать, как маленький конденсатор, шунтирующий нагреваемую проволочку. Правда, емкость его редко превышает 10—20 см, и мы обычно имеем полное право пренебрегать утечкой тока через него до тех пор, пока мы имеем дело с волнами не короче 500 метров, но при переходе к коротким волнам дело совершенно меняется. Емкостная проводимость прибора оказывается соизмеримой с его омической проводимостью, и емкостное сопротивление оказывается порядка 70 Ω.
Таким образом и индуктивное сопротивление, с одной стороны, и емкостная проводимость — с другой, заставляют при коротких волнах большую часть энергии миновать нагреваемую проволочку, и только часть измеряемого тока вызывает отклонение прибора. Судить же о силе тока по показаниям прибора и сравнивать ее с силой тока низкой частоты, а тем более с силой постоянного тока невозможно. Для этой цели нужны приборы особой конструкции, еще слабо разработанные техникой, достать их на рынке нельзя, и любителю можно рекомендовать самому испытать свои силы в постройке хотя бы грубых самодельных приборов, учитывая указанные выше свойства коротких волн.
Если измерение силы тока при коротких волнах оказывается затруднительным, то еще труднее в этом случае измерять разность потенциалов. Дело в том, что напряжения, с которыми приходится иметь дело, оказываются относительно весьма высокими — они бывают, обычно, от нескольких сотен вольт до 1 000 вольт и выше. Построить тепловой вольтметр с нагреваемой проволочкой на такие напряжения совершенно невозможно. Пришлось бы брать проволоку слишком большой длины, соизмеримой с длиной волны, распределение энергии по ней приняло бы такие причудливые формы, что показания прибора совершенно не соответствовали бы разности потенциалов на его зажимах. Единственным выходом из этого положения является применение вольтметров электростатических. К сожалению, применяемые в технике модели электростатических вольтметров со стрелками обладают таким тяжелым и грубым механизмом для приведения стрелки в движение, что на это необходимо затратить значительную энергию.
Все электростатические вольтметры основаны на притяжении пластинок конденсатора, которые по закону Кулона прямо пропорциональны квадрату разности их потенциалов и емкости конденсатора. Очевидно, что для получения достаточной силы притяжения, чтобы сдвинуть стрелку, необходимо брать конденсаторы большой емкости. Емкость продажных вольтметров обычно колеблется от нескольких десятков сантиметров, для высоких напряжений порядка тысяч вольт, до нескольких сот сантиметров для низковольтных. Ясно, что для волн длиною в несколько метров такие приборы будут представлять собою прямо короткое замыкание и совершенно непригодны для измерений. Только приборы лабораторного типа с малой емкостью — вроде струнных электрометров — могли бы пригодиться для этой цели, но они дороги и малодоступны.
Американские любители с успехом применяют электроскопы Брауна, но наружные размеры этих приборов все же слишком велики. Таким образом, и в вопросе об измерении напряжений при коротких волнах современная техника не располагает необходимыми приборами — и радио-любителю, желающему точнее контролировать свою аппаратуру, приходится снова рекомендовать самодельные электроскопы, более приспособленные к особенностям ультрачастых электрических колебаний, чем продажные приборы.
1) Оно выражается, как известно, формулой
2) Кажущееся сопротивление конденсатора переменному току выражается формулой
