"Радиолюбитель", №3-4, февраль, 1926 год, стр. 63-64
Приходилось ли вам когда-нибудь видеть, чтобы камень, неподвижно лежащий у подножья горы, сам собой покатился вверх в гору, или чтобы в безветреную погоду сами собой завертелись крылья ветряной мельницы. Нет, отвечаете вы, это невозможно. Для этого необходимо воздействие некоторых сил. Ну, а вот пластинка в телефоне: она-то во время приема звучит, колеблется и как будто без посторонней помощи. Но ведь не может она "задаром", так, сама по себе, двигаться. Нужно какое-то усилие, какая-то посторонняя сила, может быть, и очень слабая, которая приводила бы ее в колебание. Откуда же берется эта сила, энергия, благодаря которой колеблется пластинка? Если мы это поймем, мы поймем в радиотехнике многое, а чтобы это понять, нам надо познакомиться с тем, что такое энергия.
Подымаем ли груз, тащим ли тележку, качаем ли воду и т.д., мы прилагаем известное усилие, чтобы преодолеть некоторое сопротивление. Во всех этих случаях мы совершаем работу.
Чтобы смолоть зерно в муку, надо затратить работу на то, чтобы приводить во вращение мельничные жернова. В древности человек совершал эту работу сам, силой своих мускулов. Теперь ручных мельниц нет. Эту работу сейчас совершает текущая вода (на водяной мельнице), движущийся воздух (ветряная мельница), нагретый пар (мельница с паровым двигателем), электричество или вспыхивающий горючий материал, например, бензин, нефть (в двигателе внутреннего сгорания 1).
Работу может совершать также заведенная заранее пружина: такие пружинные двигатели имеются, например, в часах, граммофонах и т. п.
Итак одна и та же работа может быть получена от самых разнообразных источников. Из указанных примеров видно, что натянутая пружина, нагретый пар, движущаяся вода, бензин, электричество — заключают в себе нечто такое, что может превратиться в работу или, как говорят, они обладают энергией. Все то, что может превратиться в работу, мы называем энергией. В каждом из указанных примеров энергия имеет другой вид. Познакомимся с некоторыми видами энергии.
Мы не можем заметить энергии в заведенной пружине: она находится в ней в скрытом, дремлющем состоянии. Но стоит отпустить пружину (напр., в граммофоне), как эта скрытая энергия проявит себя: завертятся колеса; пружина будет постепенно расправляться, и, когда вся энергия израсходуется, колеса остановятся. Пружина осталась пружиной, но больше работать она не может: нет в ней больше энергии, ибо вся она израсходована. Такая скрытая энергия называется потенциальной.
В случае ветряной или водяной мельницы мы имеем дело с энергией кинетической, т.-е. энергией, которой обладает всякий движущийся предмет. Вода в озере не отличается от речной воды, но первая находится в покое, а вторая движется, следовательно — обладает кинетической энергией, которую она и отдает лопастям колеса водяной мельницы.
В случае парового двигателя мы имеем дело с тепловой энергией. В машину поступает из котла нагретый пар, теряет там свою теплоту, которая превращается в работу, и наружу пар выходит уже охлажденный. Следовательно, теплота есть энергия.
Нам остается рассмотреть еще вид энергии — химической, — которая заложена внутри самого вещества и проявляется тогда, когда вещество претерпевает химические изменения (напр., при взрыве пороха, при вспышке бензина в автомобильном двигателе и т. д.).
Всякий житель города встречается на каждом шагу с электрической энергией, движущей трамваи, моторы, под‘емники и т. н.
Интересно, что энергия никогда не исчезает бесследно. Она только меняет свой вид и в конце концов превращается в тепло, т.-е. опять в энергию.
На электрической трамвайной станции в топке под котлом с водой горят дрова, — вода нагревается: химическая энергия превращается в тепловую. Нагретый пар поступает в паровую машину и приводит ее в движение: тепловая энергия превращается в кинетическую. Помощью ремня она передается шкиву (колесу) электрической машины и здесь превращается в энергию электрическую. Отсюда она мчится по проводам и где-нибудь на улице поступает в электрический двигатель трамвая. Завертелись колеса, помчался трамвай — электрическая энергия превратилась опять в кинетическую. Для того, чтобы трамвай остановился, нужно забрать от него полученную им кинетическую энергию. Нужно эту энергию превратить в другой вид и проще всего в тепло; надо для этого затормозить трамвай, прижать к колесам колодки; от трения колес о колодки разовьется теплота. Трамвай остановится только тогда, когда вся его кинетическая энергия перейдет в тепло. Итак, химическая энергия дров после ряда превращений превратилась в тепловую. А дальше? Дальше это тепло перейдет от колес к рельсам, камням, воздуху и т. д. — энергия расползется. Она не исчезнет, она останется в природе, хотя для нас она уже бесполезна.
Из вышеприведенных примеров мы видели, что энергию можно передавать с одного места на другое: с колеса на колесо помощью ремня, от пружины часов к стрелке помощью зубчатых колес, от электрической станции до трамвая помощью неподвижных проводов, по которым течет электрический ток. Но интереснее всего то, что энергия сама стремится перейти с одного места в другое. Для этого перехода ей не нужно никаких искусственных приспособлений: колес, ремней, проводов и т. п. В самом деле: нагретый предмет сам собой остывает, т.-е. передает свое тепло окружающим предметам, воздуху и т.д., он рассеивает свою тепловую энергию.
Или другой пример: бросим камень в спокойную поверхность пруда. От места падения камня разойдутся по воде волны — водяные круги. Если по близости на воде плыла веточка, то она под влиянием этих волн начнет качаться, то взбираясь на гребни волн, то опускаясь во впадины между ними. Что тут произошло? Камень, возмутив покой воды, передал ей свою энергию. Эта энергия разносится во все стороны водяными волнами. Часть ее дошла и до веточки — веточка закачалась. Наконец, еще пример: зазвенел колокольчик — вы услыхали его звон. Что это значит? Дрожания колокольчика нарушили спокойное состояние воздуха, вызвав в нем воздушные волны. Эти волны в своем движении дошли до вашего уха и привели в дрожание барабанную перепонку. Воздушные волны перенесли часть энергии от дрожащего колокольчика до вашего уха.
Во всех этих случаях энергия сама переходит от одного тела к другому; нужно только, чтобы была среда (например, вода между камнем и веткой, воздух между колокольчиком и барабанной перепонкой), — по которой энергия могла бы перетекать.
Но вот что непонятно: каким образом доходит до нас энергия (тепло и свет) солнца? Ведь не по воздуху, ибо между солнцем и землей безвоздушное пространство. Очевидно, должна существовать какая-то среда, какое-то вещество, которое непрерывно заполняет пространство между солнцем и землей. Наука предполагает, что такая среда действительно существует — так называемый мировой эфир 2).
Мировой эфир обладает в высшей степени странными свойствами и резко отличается от всех известных нам веществ. Поэтому представить его себе очень трудно. Он невидим, невесом. Своими частицами он непрерывно заполняет весь наш мир, проникая даже внутрь тел; в частности, он находится и между частицами воздуха. Все планеты и земные тела погружены в него, как в каком-то газе или как губки в воде. Только вода или воздух выходят из состояния покоя при передвижении тел, которые в них находятся, эфир же может быть выведен из состояния покоя только электрическими и магнитными силами. Электрические колебания в передающей антенне, а также всякое нагретое или светящееся тело нарушают покой эфира и приводят его частицы в волнообразное движение. Эти волны эфира, распространяясь во все стороны, уносят с собой энергию подобно тому, как водяные волны, вызванные падением камня, уносят с собой его кинетическую энергию. Эти волны эфира переносят к нам тепло и свет от солнца, они же переносят электрическую энергию от передающей антенны к приемной; энергия, без которой не могла бы колебаться пластинка телефона, переносится с передающей станции этими волнами.
И человек и лошадь могут проделать одну и ту же работу, но человеку понадобится для этого больше времени, чем лошади. Таким образом, о работоспособности можно судить не по той работе, которая проделана вообще, а по той работе, которая проделана за одну единицу времени. Та работа, которую машина может производить за одну секунду, называется ее мощностью. В электротехнике за единицу мощности принята единица, которая называется ваттом. Ток, проходящий по проводу, нагревает его и, следовательно, выделяет на этом проводе энергию. Та энергия, которая за каждую секунду выделяется током силой в один ампер при напряжении в 1 вольт, называется ваттом. Ватт — это очень маленькая единица мощности. Когда у вас в комнате горит так называемая полуваттная лампочка в 50 свечей, то она пожирает 25 ватт (полватта на свечу). В технике обыкновенно пользуются более крупной единицей, так называемой лошадиной силой. Одна лошадиная сила равна 736 ваттам. 1000 ватт носит название киловатта.
Какую же энергию должна излучать за каждую секунду передающая станция, для того, чтобы эта энергия была в состоянии привести в колебание пластинку телефона в приемнике? Другими словами, какова должна быть мощность, излучаемая передающей радиостанции?
Какой-то досужий американец подсчитал, что муха, поднявшаяся по стенке на 2½ см, развивает столько энергии, сколько попало бы в рамку приемника за 35 лет при непрерывной работе принимаемой им радиовещательной станции, и что в приемник таким образом поступала доля мощности мухи. Каков бы ни был этот подсчет, но приемник действует при ничтожных долях ватта; это однако не значит, что такой ничтожной мощностью должна обладать и передающая станция. Дело в том, что, какую машину мы бы ни взяли, мы всегда в ней имеем ненужные, но неизбежные потери энергии. Так, если горящие под котлом паровоза дрова выделяют известное количество энергии, то очень значительная часть этой энергии теряется на трение, рассеивается в виде тепла, и только часть всей энергии идет на полезную работу — на приведение в движение поезда. Чем меньше энергии напрасно тратится на ненужные потери в машине, тем машина лучше, тем больше ее коэффициент полезного действия. Так, если из всей затраченной энергии машина с пользой отдает только ¾ этой энергии, а четверть теряет на потери, то говорят, что коэффициент полезного действия машины равен ¾ или 75%.
В передающей радиостанции тоже имеется ряд ненужных, но неизбежных потерь энергии. Поступающая на передающую станцию энергия не вся излучается антенной, значительная часть этой энергии теряется (неизбежный нагрев проводов при прохождении через них тока, потери в лампах, диэлектрические потери, потери в земле и т. п.). Но было бы еще полбеды, если бы, по крайней мере, та энергия, которая после потерь на самой станции излучается антенной, если бы вся эта энергия попала в приемник. Тут-то начинается самое главное. Излучая энергию с передающей станции, антенна не передает ведь ее "прямым сообщением но назначению" к приемной станции, она эту энергию рассеивает во все стороны. Энергия, излученная антенной, распределяется на всем пространстве, окружающем ее, и чем дальше от передающей станции, тем на большей сфере распределяется эта энергия. Поэтому, чем дальше от передающей станции, тем меньше энергии приходится на каждую точку пространства. Вот почему, чем дальше приемная станция расположена от передающей, тем слабее получается прием. Вот почему при мощности передающих станций в несколько киловатт на долю вашей приемной станции приходится только незначительная доля ватта.
Мощность современных радиостанций в зависимости от назначения станций — различна. Любительские передающие станции обладают мощностью в несколько ватт или несколько десятков ватт. Мощность радиовещательных станций колеблется от ½ до нескольких киловатт. Мощность радиотелефонной станции в Давентри (Англия) — около 25 киловатт.
Для международной коммерческой радиотелеграфной связи служат станции мощностью в несколько десятков и даже сотен киловатт.
Роль передатчика на передающей станции сводится к тому, чтобы преобразовать поступающую энергию в энергию колебаний электронов. В ламповых передатчиках эту роль преобразователя играют катодные лампы. В зависимости от той мощности, на которую рассчитана лампа, меняются ее конструкция и размеры. Постройка мощных ламп встречает большие затруднения. Громадные успехи в смысле конструирования таких ламп оказала Нижегородская радиолаборатория им. Ленина. На обложке художником показана 25-киловаттная лампа проф. М. А. Бонч-Бруевича. Мощность больше, чем в 30 лошадиных сил развивает этот бесшумно работающий прибор — вот мысль, выраженная художником.
Как бы ни была ничтожна доходящая до антенны приемной станции энергия, на полезную работу (т.-е. на движение пластинки телефона) приходится только часть ее, остальная теряется в проводах, в конденсаторах и т. п. вашего приемника. Вот почему приемник нужно конструировать так, чтобы в нем было поменьше потерь (провода потолще, получше изоляция, воздушные конденсаторы и т. п.).
И несмотря на то ничтожное количество энергии, которое доходит до телефона, он все-таки на эту энергию реагирует. Действительно, телефон — это один из самых чувствительных приборов, которые знает современная техника. Бывает и так, что энергия, приходящая к приемнику, настолько незначительна, что она не в состоянии воздействовать на телефонную пластинку. Это бывает тогда, когда передающая радиостанция слишком маломощна, когда приемная станция находится далеко от передающей. В этих случаях применяются усилители. Здесь приемник питается местным источником энергии (батарея, питающая лампы усилителя). Энергия же, приходящая от передающей станции, в этом случае только управляет этой местной энергией. Эта "упраааяющая" энергия может быть совершенно ничтожной, как ничтожной является энергия, которую прикладывает вагоновожатый, управляя той большой энергией, которая движет трамвай, или возчик, управляющий лошадьми.
Можно ли при помощи радио передавать энергию так, чтобы на месте потребления она приводила в движение двигатели, накаляла лампы и т. п.? При теперешнем состоянии радиотехники, задача трудная — прежде всего потому, что энергия рассеивается и слишком ничтожное количество ее попадет к месту назначения. Правда, применение так называемых радиопрожекторов (см. "РЛ" № 1, стр. 4), позволяющих направлять узким пучком энергию передающей станции, несколько улучшает дело. Во всяком случае, работы в этом направлении ведутся, и трудно заранее огульно отрицать возможность передачи энергии по радио, ибо история прошлого показывает, что казавшееся еще вчера невозможным сегодня превращается в возможное.
1) Такой двигатель можно видеть на любом автомобиле.
(стр. 63.)
2) Существует взгляд, отрицающий существование эфира. Эта теория у нас будет освещена. Ред.
(стр. 63.)