П. Н. Беликов.
Всякий знает, что сила проходящего по проводу тока зависит от длины и толщины провода и еще от вещества, из какого он изготовлен. Сопротивление провода, создаваемое этими тремя причинами; называется омическим сопротивлением, и им обуславливается частичная потеря энергии, переносимой током — превращение ее в теплоту. Нет таких проводников, которые были бы свободны от омического сопротивления, и всегда ток, будет ли он постоянный или переменный, проходя по проводнику, ослабляется, благодаря именно этому омическому сопротивлению.
Из статьи "Что надо знать о переменном токе", помешенной в № 5 "Радио Всем", читатель мог узнать, что переменный ток, проходя через катушку самоиндукции, ослабляется независимо от того, как велико омическое сопротивление проводов, составляющих катушку. Это ослабление совершается не за счет омического сопротивления. Посмотрим, чем же он вызывается.
Об'яснение этого факта надо искать в том явлении, о котором постоянно приходится думать — в переменном магнитном поле: им создается электро-движущая сила самоиндукции, всегда препятствующая совершающемуся изменению.
Когда ток в проводниках усиливается, то э. д. с. самоиндукции стремится его ослабить: наоборот, когда он ослабляется, то она старается его усилить. Так как прохожденне через катушку переменного тока в том и состоит, что ток периодически усиливается и ослабляется, идя в одну сторону, а затем снова усиливается и ослабляется, идя уже в другую сторону, то и видно, что самоиндукция мешает току изменяться так, как он мог бы, если бы самоиндукции не было. Она мешает току, усиливаясь, доходить до его максимальной возможной величины. Очевидно, что это "мешание" и должно иметь следствием ослабление тока.
Итак, самоиндукция ослабляет переменный ток так же, как будто бы в контур включено какое-то сопротивление; может показаться, что в цепь тока введен какой-либо реостат; поэтому сопротивление такого рода на- зывают кажущимся индуктивным сопротивлением. Само собой очевидно, что "мешание" току со стороны самоиндукции тем значительнее, чем сильнее она себя проявляет, т. е. чем больше коэффициент самоиндукции. И в то же время препятствие к прохождению тока, очевидно, будет тем значительнее, чем чаще это "мешание" совершается, т.-е. чем больше частота тока1).
Очень легко проверить правильность этого на опыте. Можно сделать так: пропустить постоянный ток через обмотку с большой самоиндукцией и на пути тока поставить лампочку (черт. 1). Она будет гореть достаточно ярко. Но если через ту же катушку пропустить переменный ток того же напряжения, то лампочка даст не полный накал. Ток ослабляется вследствие индуктивного сопротивления.
Если опять под тем же напряжением через ту же цепь пропустить ток высокой частоты, то лампочка засветится еле-еле, а может быть и вовсе не загорится: индуктивное сопротивление катушки для этого тока может оказаться слишком большим. Стоит только из катушки вынуть сердечник, как лампочка загорится гораздо ярче: это случается из-за того, что самоиндукция катушки уменьшается.
Самоиндукция, мешая переменному току проходить по виткам катушки, оказывает на него и еще одно действие. Ток идет, разумеется, побуждаемый к этому электродвижущей силой псточника тока. Если он встретит препятствие к своему прохождению со стороны другой — противодействующей э. д. с. самоиндукции, то он не сможет уже в точности подчиняться велениям побуждающей его э. д. с. и будет отставать от нее, запаздывать по отношению к ее изменениям. Такой случай изображен на черт. 2. В момент времени, отмеченный пунктиром, э. д. с. достигла своего максимума, а ток до своего максимума еще не дошел, он еще только усиливается. Наибольшее отставание тока от э. д. с. может доходить до четверти периода. Коротко это называется — отставание тока от э. д. с. "по фазе".
Чтобы избежать, при переменном токе, наличия индуктивного сопротивления, применяют проводники, лишенные самоиндукции ("безиндукционное сопротивление"). К числу их относятся: жидкости, уголь, графит и катушки, намотанные бифилярно, т.-е. из сложенной вдвое проволоки (черт. 3). В такой катушке рядом лежат витки, по которым токи идут в разные стороны. Значит, один провод создает магнитное поле одного направления, другой — другого, т.-е. магнитные поля взаимно уничтожаются и явления самоиндукции здесь не будет.
Теперь обратимся к вопросу о прохождении тока через другой основной прибор — через конденсатор. Механизм прохождения через него переменного тока таков. Когда генератор посылает порцию электричества (хотя бы отрицательного) на нижнюю обкладку (черт. 4), то на верхней появляются индуктированные положительные заряды; отрицательные же, стремясь оттолкнуться как можно дальше от верхней обкдадки, текут вдоль по проводу. При переменах направления тока происходит обратное явление.
Чем больше емкость конденсатора, тем больше зарядов того и другого знака может скопиться на обкладках, тем большее количество электричества может проходить ежесекундно через цепь; значит, тем больше сила тока, т.-е. тем меньше сопротивление со стороны конденсатора к прохождению тока. К тому же мы знаем, что постоянный ток через конденсатор пройти не может; но чем чаще меняется ток, чем быстрее сменяются заряды на обкладках, тем легче будет току проходить через провод, в который включена емкость.
Итак, всегда, когда в цепи имеется конденсатор, надо ждать некоторого ослабления тока. Из-за ослабления тока может показаться, что в контур включено некоторое сопротивление, какой-то реостат, тогда как на самом деле ослабление тока создается "кажущимся" емкостным сопротивлением2).
Конденсатор так же, как и катушка тоже создает в цепи переменного тока "сдвиг фазы" между силой тока и электродвижущей силой. В самом деле: по мере того, как ток от генератора заряжает конденсатор, на его обкладках, вместе с пополнением их зарядами, растет напряжение. Когда конденсатор окончательно пополнится зарядами, то напряжение на нем будет наибольшим, а ток, очевидно, должен будет совсем прекратиться.
После этого разность потенциалов на обкладках будет стремиться уменьшаться: это создаст движение электричества в обратную сторону. Значит выходит так, что разность потенциалов только что начала уменьшаться от своей максимальной величины, а ток уже пошел в другую сторону. Очевидно, ток в этом случае опередил напряжение. Это показано на черт. 5: в момент времени, отмеченный буквой J на горизонтальной оси, ток уже пошел в обратную сторону, а напряжение еще только что перешло через максимум.
Таким образом можно видеть, что самоиндукция и емкость не только равносильны некоторым сопротивлениям, но что они еще создают разность фаз между током и э. д. с. Если оба эти прибора включены в цепь последовательно, да к тому же в контуре имеется, как это всегда бывает, некоторое омическое сопротивление (черт. 6), то все эти причины, приводящие к ослаблению переменного тока, действуют одновременно3).
Так как индуктивное сопротивление заставляет ток отставать от э. д. с., а емкостное понуждает его опережать э. д. с., то при наличии в цепи и самоиндукции, и емкости, характер электрического процесса в проводе при прохождении по нему переменного тока (т.-е. сдвиг фазы тока в ту или другую сторону по сравнению с э. д. с.) будет зависеть от того, что пересиливает — емкостное или индуктивное сопротивление. И только при равенстве их (RZ = RC) ток вовсе не будет расходиться по фазе э. д. с., как-будто бы в цепи нет ни конденсатора, ни катушки (черт. 7). Это и есть тот случай, когда емкость и самоиндукция компенсируют друг друга.
Читатель, дошедший до этих строк, должен видеть, что частота тока оказывает существенное влияние на поведения катушек и конденсаторов в контуре. Поэтому пусть не забудет он о том, что когда ему случится конструировать приборы для высоких частот, и особенно для ультра-радиочастот (т.-е. для коротких волн), то надо обратить внимание на эти свойства главных частей каждого радиоконтура.
1) Несложные теоретические вычисления показывают, что индуктивное сопротивление может быть выражено так: Rz = 2πfL, где Rz — индуктивное сопротивление в омах; π = 3,14; f — частота и L — коэфф. самоиндукции, измеренный в генри. Так что закон Ома для случая, когда переменный ток идет через катушку (и если предположить, что эта катушка вовсе не обладает омическим сопротивлением), можно написать так:
где J — действующая сила тока в амперах, E — действующее напряжение в вольтах. Как видно из этих формул, при больших частотах катушка всегда оказывается большим сопротивлением.
2) Емкостное сопротивление, как показывают изложенные соображения, обратно пропорционально емкости контура и частоте тока. Оно выражается формулой
RC = 1/2πfC Здесь RC — емкостное сопротивл. в омах, С — емкость в фарадах. Закон Ома для случая, когда в цепь включен конденсатор (и когда совсем нет омического сопротивления), выражается так: J = Е6,28fC.
3) В этом случае "полное" сопротивление цепи перемен. току выражается формулой
где r — омическое сопротивление, или же
Закон Ома для этого случая пишется так:
Сила тока будет наибольшей тогда, когда емкостное и индуктивное сопротивления одинаковы, т.-е. RZ = RC. При этом RZ — RC = 0, а стало быть J = E/√r² или J = E/r. В этом случае емкостное и индуктивное сопротивления компенсируют друг друга.
