Проф. В. В. Шулейкин
Нет ни одного радиолюбителя, который не знал бы, как надо составлять контуры для приемников и как надо их настраивать. Но многие ли отдают себе ясный отчет в том, что происходит в этих контурах, почему надо вращать ручки и катушки, почему надо изменять величину емкости и самоиндукции?
Настоящий очерк предназначается как раз для тех радиолюбителей, которые хотели бы ближе познакомиться с процессами, имеющими место в приемных и передающих контурах, не ограничиваясь одними формальными сведениями о том, какую кнопку надо нажимать и какую ручку вертеть.
Теперь, когда поверхность земного шара покрылась густой сетью радиостанций, не проходит ни одной секунды, чтобы пространство вокруг нас не бороздили электромагнитные волны.
Они идут по всевозможным направлениям: они пересекаются, сплетаются между собою и только послушные радиоприемники улавливают из них именно те, которые хочет уловить человек, управляющий им. В конце этого очерка мы поговорим о самих волнах и о их получении, а теперь начнем нашу беседу с рассмотрения причин, вызывающих их.
Но электромагнитные волны невидимы: нам более понятны волны другого рода, например, волны на поверхности воды. Вы хорошо знаете, как они возникают. Вспомните только, как, сидя на берегу пруда, вы наблюдаете за поплавком удочки: начинает клевать рыба, дергает за крючок, поплавок приходит в колебание и во все стороны от него начинают расходиться кольцами мелкие волны. Итак, для получения их, достаточно вызвать колебание воды в одной какой-нибудь точке.
Быть может, для получения электромагнитных волн также достаточно вызвать где-нибудь в пространстве электромагнитные колебания?
Да, это так. Посмотрим же что такое представляют собою эти новые для нас колебания и как они возникают.
Для получения их возьмем две части, входящие в состав всех радиоприемников: конденсатор (C) и катушку самоиндукции (L). Соединим их проводами так, как показано на черт. 1, оставив промежуток между двумя небольшими шариками А и В.
Станем заряжать конденсатор от какого-нибудь источника электричества. При этом, как вы знаете, будет непрерывно возрастать разность потенциалов между его обкладками, а следовательно и между шариками, соединенными с ними. Но возрастание разности потенциалов может, очевидно, продолжаться лишь до известного предела, зависящего от расстояния между шариками: рано или поздно между ними проскочит искра, воздушный промежуток не выдержит возникающих в нем электрических сил, воздух сделается проводником электричества и заряды внезапно будут перенесены с одного шарика на другой, с одной обкладки конденсатора на другую. Конденсатор разрядится.
На первый взгляд может показаться, что тем и ограничится явление в нашем контуре: конденсатор разрядится, между его обкладками нет более никакой разности потенциалов — каких же еще явлений мы можем ожидать?
Однако, такое заключение — в корне ошибочно. Для того, чтобы лучше уяснить себе сущность дела, обратимся снова к "водяной" аналогии. Возьмем стеклянную трубку, изогнутую так, как это изображено на черт. 2. Закроем кран, который вы видите посредине трубки и нальем в оба колена воды, причем в левое колено нальем ее больше, а в правое — меньше.
Такая трубка будет изображать собою наш контур: роль разности потенциалов здесь будет играть разность высот воды в обоих коленах. Чтобы вызвать "искровой разряд" в этой модели контура, надо только открыть кран, отделяющий одно колено от другого. Открыв его, мы заметим, что вода тотчас же устремится из левого колена в правое, под действием разности напоров слева и справа.
Переливаясь из левого колена в правое, вода будет стремиться уравнять высоты стояния в обеих частях трубки, точно так же, как протекая от одной обкладки конденсатора к другой, электрические заряды стремились уничтожить разность потенциалов между ними.
Но посмотрите скорее на нашу стеклянную трубку. Вы видите, что уровни воды в обоих ее коленах, наконец, сравнялись. Казалось бы на этом и должно было бы закончиться явление. Однако, теперь вы воочию можете убедиться, что это не так. После того, как уровни сравнялись, вода попрежнему продолжает перетекать из левого колена в правое, все более и более повышая уровень в последнем.
Об'ясняется это тем, что частицы воды, придя в движение, не могут остановиться моментально: нужна какая-то сила, которая бы их постепенно затормозила. Такая сила и возникает, когда уровень в правой трубке делается выше, чем в левой, она нарастает постепенно, по мере увеличения разности уровней. Наблюдая за движением воды, вы заметите, что жидкость в правом колене поднимется ровно до того же самого уровня, на котором она находилась в левом, в начале опыта. После этого движение остановится, но остановится только на один миг: теперь снгова в коленах трубки окажется разность уровней, которая навсегда сохраниться не может, если только, разумеется, мы не закроем кран.
Под действием новой разности уровней вода снова придет в движение, но только направление тока ее будет теперь прямо противоположное: из правого колена в левое. Придет время и уровни снова временно сравняются, но частицы воды не могут замереть на своих местах, получив скорость. Они будут продолжать свое движение, повышая уровень в левом колене, пока последний не достигнет своего начального положения.
Теперь в трубке окажется все по-старому, как в тот момент, когда мы открыли соединительный кран, а потому и все явление перетекания воды начнется снова в прежнем порядке.
Наблюдая движение воды в таком простом приборе, вы познакомились с явлением, которое в той или иной форме протекает в природе на каждом шагу — с явлением колебаний. Потревожив покой воды, запертой краном, вы надеялись, вероятно, сразу уравнять высоты, на которых стоит вода в обоих коленах, однако, вместо этого, вы привели жидкость в состояние колебаний.
Присмотревшись к порядку в котором протекает вызванное вами явление, вы можете заметить в нем два особенно характерных состояния: 1) вода спокойна: уровень ее в одном колене отличается от уровня в другом на наибольшую высоту; 2) уровни сравнялись: вода течет с наибольшей скоростью из одного колена в другое.
Физики говорят, что в первом случае система обладает наибольшим запасом скрытой (потенциальной) энергии, зависящей от разности высот. Во втором случае вся энергия превращена в энергию движения.
Если бы ничто не мешало движению воды в трубке, то можно быпо бы вечно наблюдать такие переходы одного вида энергии в другой: в трубке вечно продолжались бы раз возникшие колебания. В действительности течение воды всегда тормозится трением о стенки. Следовательно, часть энергии непрерывно должна тратиться на преодолевание сил трения, а потому, как бы ни была велика начальная разность уровней, создавшая колебания, — рано или поздно вся соответствующая ей энергия будет нацело поглащена силами сопротивления.
Вы легко убедитесь в этом, если проследите за колебаниями и сравните каждый последующий "размах" колебаний с каждым предыдущим. Вы заметите, что размахи будут непрерывно и довольно быстро уменьшаться. Колебания будут, как говорят, "затухать".
Теперь, запасшись такими сведениями из области самых простых колебаний, вспомним оставленный нами контур, состоящий из заряженного конденсатора и катушки самоиндукции, последовательно с которыми включен разрядный промежуток. Как вы помните, между шариками последнего проскочила искра. Это значит, что в воздухе и в проводах пришли в движение электрические заряды, под действием разности потенциалов между обкладками конденсатора.
Но даже и тогда, когда эта разность потенциалов будет исчерпана, движущиеся заряды не могут мгновенно остановиться: проходя по виткам катушки самоиндукции, они ведь создали вокруг себя магнитное поле, на что было затрачено совершенно определенное количество энергии.
Исчезнуть бесследно эта энергия не может, как не могла, в рассмотренном примере, исчезнуть энергия движения водяных частиц. Там энергия движения превращалась в потенциальную, по мере увеличения разности уровней, — здесь же энергия магнитного поля должна превращаться в энергию электростатического поля между обкладками конденсатора, из которой она первоначально и возникла. Вот почему электрический ток в нашем контуре не только не прекратится в момент падения разности потенциалов до нуля, но, напротив, достигнет в этот момент своей наибольшей силы. Он будет итти в прежнем направлении — от обкладки, бывшей положительно заряженной, к обкладке, на которой был отрицательный заряд.
Но вот наступит момент, когда между обкладками окажется разность потенциалов, по величине равная начальной, а по знаку — ей противоположная (то-есть высший потенциал окажется на обкладке, которая прежде обладала потенциалом низшим).
В этот момент между шариками должна проскочить такая же искра, как и в самом начале явления, но только, разумеется, направление тока будет противоположным. Снова сила тока станет быстро возрастать по мере уменьшения разности потенциалов между разряжающимися обкладками конденсатора: энергия электростатического поля станет переходить в энергию поля магнитного, которое создает катушка. Затем, пройдя через наибольшие свое значение, ток начнет ослабевать, пока не упадет до нуля в момент, соответствующий полному заряду конденсатора.
Этот момент, как нетрудно видеть, ничем не отличается от начального, а потому все явление повторится снова. В нашем контуре будут происходить электромагнитные колебания. Они продолжались бы вечно, если бы ничто не мешало электрическим зарядам двигаться в металлических проводниках и в воздушном промежутке. В действительности всякий провод, как вы знаете, обладает некоторым омическим сопротивлением, сопротивление же воздушного промежутка в особенности велико.
Благодаря такому сопротивлению, энергия, запасенная первоначально в заряженном конденсаторе, будет постепенно иссякать, колебания в контуре будут затухать, как затухали и рассмотренные нами колебания воды в трубке.
Через некоторое время конденсатор будет заряжаться, в процессе колебаний, до такой низкой разности потенциалов, что под действием ее воздушный промежуток перестанет приобиваться. Искра погаснет.
Физик Феддерсен впервые наблюдал такое затухание искрового разряда, рассматривая искру особым способом во вращающемся зеркале. Он обнаружил, что действительно видимая нами всякая искра состоит из целого ряда искр, следуюших одна за другой и постепенно ослабевающих.
Нетрудно видеть, что скорость, с которой будут затухать колебания в контуре, должна быть самым тесным образом связана с омическим сопротивлением как воздушного промежутка, так и проводов. Для суждения о затухании, обычно, сравнивают между собою последовательные два значения разностей потенциалов, соответствующих окончательной зарядке конденсатора: с течением времени значения эти будут непрерывно уменьшаться.
Если мы возьмем отношение таких двух последовательных значений, то получим так называемый декремент колебания, который может его характеризовать. Впрочем, чаще пользуются так называемым логарифмическим декрементом затухания, вычисление которого мы не можем, к сожалению, раз'яснить читателям, не обладающим математической подготовкой.
На чертеже 3 графически представлены изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора (кривая "V") и силы тока в контуре (кривая "J") с течением времени, — в идеальном случае, когда полное омическое сопротивление контура равно нулю и когда поэтому колебания происходят без затухания.
Чертеж 4 изображает то же явление, но в иной обстановке: когда контур обладает некоторым омическим сопротивлением и колебания постепенно затухают.
Выяснив причину затухания колебаний, рассмотрим еще, отчего должен зависеть период колебаний, возникающих в нашем контуре.
Совершенно ясно, что решающую роль здесь должны играть величины емкости конденсатора и самоиндукции катушки. В самом деле, ведь чем больше емкость, тем дольше должен заряжаться конденсатор, при всех прочих равных условиях. Но, ведь, помимо процесса зарядки и разряда конденсатора, в контуре происходит еще один процесс: возникновение и исчезновение магнитного поля катушки. Чем больше величина самоиндукции последней, тем медленнее пойдет процесс создания такого поля (или процесс его уничтожения).
Итак, период колебаний в контуре должен быть тем больше, чем больше емкость конденсатора и самоиндукции катушки, включенных в цепь. Точное исследование, сделанное впервые Томсоном, показывает, что период колебания прямо пропорционален корню квадратному из произведения чисел, выражающих емкость и самоиндукцию: так, для увеличения периода вдвое, надо увеличить это произведение вчетверо, для увеличения втрое — в девять раз; вчетверо — в шестнадцать раз и так далее. Омическое сопротивление также влияет на период колебаний, но весьма слабо (если оно не слишком велико, а самоиндукция и емкость достаточно значительны).
