П. Н. Беликов
Телефонисты и радисты в этом году праздновали полувековое существование верного друга радиолюбителей — телефонной трубки. Через 6 лет предстоит еще более славный юбилей: в 1932 г. исполнится 100 лет со дня изобретения телеграфного аппарата, первого из всех приборов, работающих электрическим током. В сущности говоря, мы будем справлять тогда столетие существования всей электротехники.
Современное ее состояние свидетельствует о той быстроте, с какой она развивалась. Слабый постоянный ток, которым работал первый прибор, не остановил на себе внимания техников. Этот ток не выгоден во многих отношениях. Очень скоро электротехника перешла к переменному току, т.-е. к такому, который идет по проводу попеременно то в ту, то в другую сторону.
Вся электротехника создана именно переменным током. В радиотехнике переменные токи имеют исключительно важное значение. Радисту всегда приходится меть дело с особенным типом токов — с быстро-переменными токами или, иначе говоря, с токами высокой частоты. Цель этой статьи — обратить внимание читателей нашего журнала как начинающих, так и уже «искушенных», на те особенности, которые свойственны переменному току вообще и токам высокой частоты в частности.
Когда только что создавались первые динамо-машины переменного тока, электронная теория не была еще разработана; теперь же даже начинающий любитель знает, что когда по проволоке передается переменный ток, то это значит, что свободные, не сцепленные с материей электроны то устремляются в одну сторону, то бросаются обратно — чаще или реже, смотря по тому, как много раз за секунду меняется направление тока.
Известно, что вокруг тока всегда действуют магнитные силы1) — т. наз. «магнитное поле». Само собою разумеется, что когда меняется направление тока, то изменяется и направление магнитных сил; вокруг переменного тока создается и переменное магнитное поле. Нашим читателям уже известно, что под действием переменного магнитного поля в проводниках могут возникать индукционные — и тоже переменные по направлению токи. На этом основано устройство трансформатора. Когда по катушке (черт. 1) с небольшим числом витков (I) идет переменный ток значительной силы, но небольшого напряжения, то в соседней катушке, содержащей много витков (II), индуктируется переменный ток большого напряжения, хотя и малой силы. Такой «трансформированный» ток выгоден для передачи его на далекие расстояния, потому что потери энергии при таком способе передачи сравнительно ничтожны. Постоянный ток трансформировать, разумеется, нельзя. Возможность трансформации, а благодаря этому и передачи на далекое расстояние — вот в чем главные преимущества переменного тока, и вот из-за чего постоянный ток отошел в практических применениях электричества на второй план.
Что же надо знать о переменном токе для правильного и рационального использования доставляемой им энергии? Чтобы составить суждение о постоянном токе, достаточно иметь два прибора — амперметр и вольтметр, которые показывают силу тока и его напряжение. С переменным током дело обстоит сложнее. Надо знать, прежде всего, как происходит изменение тока. Переменный ток обычно характеризуют таким графиком, какой вы видите на черт. 2. Кверху отложена сила тока (в амперах), идущего в одну сторону, вниз — сила тока, текущего обратно; по горизонтальному направлению отмечается время (в долях секунды). Кривая показывает как ток последовательно усиливается, ослабляется, меняет направление и т. д. Наибольшая достигаемая сила тока называется его амплитудой. Время, за которое ток успевает пройти в ту и в другую сторону, — это период тока. Часто вместо того, чтобы говорить, какую долю секунды составляет период тока, говорят — сколько периодов совершается в секунду; это — частота тока.
Возникает вопрос — как судить о силе переменного тока? Конечно, можно было бы судить по наибольшей достигаемой силе тока (т.-е. по его амплитуде), но полезнее знать среднее значение, т. наз. «действующую (или эфективную) силу тока». Для измерения этой величины переменный ток сравнивают с постоянным. Если он оказывает такое же действие (эффект), что и постоянный ток (напр., так же сильно нагревает проволочку, по которой проходит), то считают, что его действующая сила такая же, как сила постоянного тока. Амплитуда тока больше, чем его действующая сила в 1,41 раза. Напр., при действующей силе тока в 2 ампера его амплитуда равна 2,82 ампера.
Не всегда, однако, сила тока изменяется по такому правильному закону, как это изображено на черт. 2. Нередко случается, что сила тока изменяется вовсе неправильно, напр., так, как это показано на черт. 3. Для определения «кривой тока» существуют очень деликатные и точные приборы — «осциллографы»; при их помощи можно определить не только закон изменения тока, но также и его амплитуду и период.
Обычно в технике пользуются током частотою в 50 периодов за секунду (период = 1/50 сек.). Когда такой ток проходит через телефон, то слышится низкий басовой тон — гудение. Если же частота тока делается больше, то звук в телефоне сталовится все выше и выше и наконец совсем исчезает. Это будет тогда, когда частота тока превысит 10.000—12.000. Тут мы подходим к области высоких частот. Конечно, нельзя установить точной грани между высокой и низкой частотой. Но обычно эти области разделяют так: токи, дающие звук в телефоне — это токи низкой (или звуковой) частоты. Токи с большим числом периодов за секунду — токи высокой частоты. Можно, примерно, считать, что быстро-переменные токи — это токи с частотою более 10.0002).
На них основывается вся радиотехника; начало ее было положено известными опытами Герца, который пользовался токами частотою около 500 миллионов; затем радиотехника переходила ко все меньшим частотам (до 13.000; этой частоте соответствует длина волны в 23½ клм.), и лишь в самые последние годы наметился поворот в сторону высоких частот, даже до 100.000.000 (что соответствует длине волны в 3 мтр.). Частоты более 6.000.000 (длина волны 50 метров) называют сверхрадиочастотами.
Различие между токами высокой и низкой частоты видно уже из того, что вся радиотехника стала развиваться лишь после овладения быстро-переменными токами: токами высокой частоты создается интенсивное излучение электро-магнитных волн. Но быстро-переменные токи обладают и еще многими особенностями.
Переменный ток распространяется по проводу не так, как постоянный: постоянный ток идет по всей толще провода, а переменный только по наружному его слою. Чем больше частота тока, тем меньше он проникает вглубь провода. На черт. 4 показано, примерно, насколько заполняется током сечение провода диаметром в 1 мм.3) (заштриховано), когда по нему проходят разные токи. Это явление называется скин-эфект; причина, его все та же — переменное магнитное поле кругом провода.
Когда быстро-переменный ток протекает по катушке с железным сердечником, то железо, по той же причине, подвергается очень частому перемагничиванию. А так как на это тратится много энергии, то потери на перемагничивание при быстро-переменных токах бывают очень велики. Из-за этого в контурах высокой частоты приходится избегать присутствия железа.
То же самое случается и тогда, когда ток высокой частоты проходит через конденсатор. В изолирующем слое конденсатора, при очень частых переменах тока, энергия тоже тратится непроизводительно. Наиболее экономичным изолятором в этом отношении оказывается воздух.
Но это далеко не все: высокая частота отличается от низкой не только в отношении потерь. Всякая катушка самоиндукции представляет из себя сопротивление для прохождения переменного тока совсем иное, чем для постоянного. Более того, одна и та же катушка оказывает разное сопротивление различным токам, смотря по их частоте. Чем выше частота тока и чем больше самоиндукция катушки, тем больше и ее сопротивление. Напр., катушка с самоиндукцией в 0,1 генри представляет для тока в 50 периодов сопротивление в 31,4 ома, а для тока с частотою в 100.000 она равносильна 62.800 омам. Этот вид сопротивления называется индуктивным. Значит, катушками с большой самоиндукцией можно пользоваться, чтобы преградить в какой-либо контур доступ токам высокой частоты.
То же самое относится и к прохождению переменных токов через конденсатор. Постоянный ток через него не проходит вовсе. Переменный же проходит, и тем легче, чем выше его частота. Чем выше частота тока и чем больше емкость конденсатора, тем меньше его сопротивление. Поэтому конденсатор можно употреблять для противоположной цели: чтобы не допустить в какой-либо контур постоянный ток или же токи низкой частоты.
Комбинируя катушки и конденсаторы, строят специальные приборы — электрические фильтры, находящие сейчас широкое применение. Фильтр может быть так рассчитан, что он может пропускать через себя или только высокую частоту (не меньше какой-либо определенной), или же, наоборот, только низкую, или же наконец лишь токи в определенном участке частот.
Даже проходя через человеческое тело, токи высоких и низких частот оказывают различные действия. Обыкновенный переменный ток, проходя через тело, дает сильные толчки, а при большом напряжении убивает. Но быстро-переменные токи, даже при высоких напряжениях, или вовсе не действуют на организм или же действуют слабо. Можно, напр., заставить искры длиною в ½ мт. бить прямо в руку, и при этом не чувствуется боли. В медицине быстро-переменными токами пользуются для прогревания внутренних органов. Такой лечебный метод называется «диатермией».
Для определения частоты тока употребляются специальные приборы — частотомеры. Устройство одного из них, предназначенного для низкой частоты, поясняется черт. 5 и 6. Он состоит из ряда катушек, по которым идет переменный ток. Около катушек поставлены упругие пластинки — магнитики, из которых каждая может вибрировать только своею собственной частотой. Когда по катушкам идет ток, то пластинки притягиваются к ним в такт с переменами тока, и всего сильнее раскачается лишь одна, частота которой совпадает с частотой тока. Тогда ее конец, видный снаружи прибора, покажется растянутым (черт. 6).
Для быстро-переменных токов такой прибор слишком груб. По большей части тут приходится прибегать к более деликатному явлению — к потоку электронов, которые не имеют инерции и потому могут отзываться на сколь угодно быстрые изменения токов. Пучок электронов внутри трубки (катодный луч) заставляют пройти в магнитном поле быстро-переменного тока (или между пластинками конденсатора, включенного в контур высокой частоты). Тогда пучок несущихся электронов будет совершать ритмические отклонения, точно копирующие все те изменения силы тока, которые происходят в цепи высокой частоты. След от смещающегося катодного луча позволяет глазами увидеть то таинственное явление, которое совершается в проводах быстро-переменного тока и произвести все нужные измерения. Черт. 7 показывает схему, применяемую при такого рода наблюдениях.
Само собою разумеется, что чем выше частота тока, тем труднее все манипулирование с ним: но, как уже показала жизнь, область сверхрадиочастот вместе с трудностями несет и ряд очень широких практических возможностей.
1) См. статью «Магнитные действия тока» в № 2 «Радио Всем».
2) Частоту в 1.000 периодов за секунду для краткости называют килоциклом. Так что токи высокой частоты имеют частоту 10 и более килоциклов.
3) На чертеже все размеры увеличены в 10 раз.