С. Э. Рексин.
Передающая радиостанция работает. Электромагнитные волны, посылаемые ею в пространство достигают нашей с вами, читатель, приемной антенны и мы сидя у приемника с одетыми головными телефонами, слушаем передачу оперы из Большого театра.
Невольно напрашивается естественный вопрос, что же происходит в нашем приемнике, каким образом электрическая энергия радиоволны превращается в звуковую энергию, слышимую в наших телефонах.
Для ответа на этот вопрос нам придется познакомиться сначала с некоторыми понятиями, которые помогут нам разобраться в явлениях, происходящих в нашем приемнике.
Если мы с вами, читатель, вскроем приемник, то ничего «чудесного» в нем не заметим.
Центральное место в нашем приемнике занимает так называемая катушка самоиндукции. Она заполняет почти весь приемник и внешним своим видом вполне оправдывает свое название катушки. Как и на обыкновенной катушке, так и на этой что-то намотано. Но вместо ниток на нашей катушке намотана медная проволока, медь которой защищена (изолирована) оплеткой из хлопчато-бумажной пряжи.
Эта катушка изображена на чертеже 1, и на этом же чертеже рядом показано условное (схематическое) изображение этой же катушки, как ее обычно принято изображать на условных чертежах (схемах) приемников. Далее мы видим следующую деталь приемника, показанную на чертеже 2. Это так называемый, конденсатор. Если мы разберем его, то увидим, что и его устройство крайне просто и материал, из которого он сделан, также очень обыкновенный. Он состоит из нескольких листочков станиоля (серебристая фольга, в которую обертывают шоколад), проложенных пропарафинированной бумагой. Простейший вид конденсатора состоит из двух пластинок станиоля, проложенных листком парафинированной бумагой, так что листки станиоля друг друга не касаются (черт. 2 (II). На этом же чертеже (III) показано и условное изображение конденсатора, в виде двух параллельных черточек. Катушка в нашем приемнике обладает самоиндукцией, конденсатор — емкостью.
Вот собственно два понятия, которые должны быть нами выяснены. Не будем сейчас касаться остальных частей приемника, расположенных на внешней панели (крышке) приемника, а именно детектора, и телефона, и выясним сперва, какую роль играет в нашем приемнике емкость и самоиндукция.
Лучше всего с физическими явлениями знакомиться на опыте, так как только опыт может дать ясное и наглядное представленпе о характере наблюдаемого явления.
Для наших опытов воспользуемся деталями нашего приемника, конденсатором, телефоном (высокоомным) и карманным электрическим фонариком.
Если наш конденсатор исправен, т.-е. листочки его не касаются друг друга, то постоянный электрический ток от батарейки не пройдет через конденсатор.
В этом мы можем убедиться, соединив конденсатор, лампочку электрического фонарика и его батарейку последовательно (соединение показанное на черт. 3), составив из этих частей замкнутую цепь.
Осуществив такое соединение мы увидим, что лампочка не загорается — это убеждает нас, что в цепи тока нет.
Теперь проделаем такой опыт: присоединим латунные зажимы (концы) нашего конденсатора на несколько секунд к полюсам батарейки карманного фонарика (черт. 4), а затем отключим ее и коснемся зажимов конденсатора концами телефонного шнура — в телефоне в этот момент мы услышим довольно ясный щелчок, это показывает нам, что каким-то образом через телефон прошел электрический ток.
С одной стороны мы убедились, что конденсатор постоянного тока не пропускает, с другой стороны опыт же нам показал, что каким-то образом мы от нашего конденсатора электрический ток получили, обнаружив прохождение тока через телефон (в момент щелчка).
Если бы мы в нашем последнем опыте воспользовались конденсатором больших размеров, с большим числом пластин, то явление наблюдалось бы еще яснее и щелчок в телефоне получился бы более резким.
Какое же заключение можем мы вывести из нашего опыта.
Прежде всего мы можем сказать, что электричество, электрическая энергия от источника ее — карманной батарейки, передалась каким-то образом конденсатору, а от него была получена обратно в виде тока, прошедшего через телефон.
Соединив конденсатор с батарейкой, мы как говорят, зарядили конденсатор электричеством, сообщили ему электрический заряд.
С точки зрения современной физики сущность всех электрических явлений объясняется существованием мельчайших невесомых электрических телец — электронов.
Эти электроны незримые и невесомые, являются носителями самых малых электрических зарядов, являются частицами отрицательного электричества.
Все тела окружающей нас природы, все живое и мертвое, все химические элементы, в конечном итоге состоят из различных комбинаций электронов.
Всюду и во всем несметные полчища электронов, находящихся в постоянном движении, они образуют всю материю, они являются носителями электрической энергии, и, наконец, они являются тем пределом, далее которого не проникла еще человеческая мысль, изучающая строение вещества.
Вернемся теперь к объяснению нашего опыта.
Наша батарейка обладает электродвижущей силой или напряжением в 4,5 вольта, как помечено на ней. Электродвижущая сила батарейки заcтавляет электроны ее скопляться на ее отрицательном полюсе (минус). На отрицательном полюсе избыток электронов, они теснятся на нем огромной армией, готовой ринуться в бой, как только представится им эта возможность.
Но в то же время на положительном полюсе (плюс) наблюдается недостаток в электронах.
Такая картина наблюдается у свежей, хорошей батарейки. Когда же батарейка испорчена и перестает действовать, тогда на обоих ее полюсах окажется одинаковое количество электронов, которые не обнаружат ни малейшего желания покинуть свое местопребывание. Такое равнодушное поведение электронов показывает, что батарейка потеряла свою электродвижущую силу, перестала давать напряжение.
Когда мы присоединяем к батарейке электрическую лампочку, электроны мгновенно бросаются с невероятной быстротой через нить лампочки к положительному полюсу, создавая своим движением электрический ток, накаливающий нить лампы.
Таким образом движение электронов по замкнутой цепи мы называем электрическим током.
В нашем опыте, когда мы заряжали конденсатор, присоединением его к батарейке, мы получали на зажимах конденсатора некоторое новое распределение электронов, чем то которое было до заряда. На пластину конденсатора, присоединенную к отрицательному полюсу, перешли электроны, теснившиеся на нем и расположились на ней. В то же время электроны, которые были на другой пластинке конденсатора, перекочевали на положительный полюс, где как им казалось, они совершенно свободно могли бы устроиться. Однако они ошиблись в своих расчетах, электродвижущая сила батарейки мгновенно перебросила их на отрицательный полюс и на соединенную с ней пластинку конденсатора. Таким образом пластинка конденсатора соединенная с отрицательным полюсом оказалась заполненной электронами, пластинка соединенная с положительным полюсом — более свободной от них.
Как мы видим, конденсатор стал напоминать такую же картину, какую мы наблюдали у батарейки. Конденсатор наш оказался заряженным. Когда мы присоединили к нему телефон, то через него бросились электроны на свободную пластинку (пройти через парафинированную бумагу они не смогли — она их не пропускает, так как является изолятором), и через телефон прошел электрический ток, который очень скоро прекратился, так как, грубо говоря, весь заряд конденсатора вышел, а пополнить его больше неоткуда. Электроны мирно расположились в равном количестве на обеих пластинках конденсатора, конденсатор разрядился, потеряв свой заряд.
Выше мы с вами, читатель, выяснили, что конденсатор способен заряжаться электричеством, что он обладает свойством скапливать электрические заряды на своих пластинках. Это свойство конденсатора обусловлено его электрической емкостью, величина которой зависит от размеров металлических пластин (обкладок) конденсатора, от расстояния между ними и от материала, разделяющего пластины его друг от друга.
Короче говоря, емкость тем больше, чем больше поверхность станиолевых пластин конденсатора, и чем теснее, ближе друг к другу эти пластины расположены, т.-е. чем меньше расстояние между ними.
Как мы видели уже, в нашем приемнике имеется кроме конденсатора и катушка самоиндукции. Вместе они составляют так называемый приемный контур. На чертеже 5 представлены два возможных соединения конденсатора и катушки в приемном контуре. Чертеж дан схематический, условный, на нем римской цифрой II отмечено последовательное соединение конденсатора и катушки самоиндукции, цифрой I — параллельное.
Левое соединение применяется при приеме длинных волн, второе — коротких волн.
Мы знаем уже, что конденсатор в нашем приемном контуре может заряжаться электричеством, это собственно говоря, его прямое назначение.
Какую же роль выполняет, однако, катушка самоиндукции и как действует вообще эта система, составленная из катушки и конденсатора. Положим, что мы сообщили заряд конденсатору, изображенному на схеме I (черт. 5), путем прикосновения к нему полюсов батарейки, отсоединив на один момент конец катушки. Мы знаем, что конденсатор получит заряд; теперь зажимы конденсатора замкнем катушкой, т.-е. получим цепь, по которой может течь электрический ток. Совершенно ясно, что замкнутый на катушку конденсатор разрядится, так как его обкладки теперь соединены и электроны накопленные на одной из обкладок конденсатора получают возможность перебраться по проволоке катушки на другую обкладку, где им значительно свободнее располагаться. Движение электронов вызывает электрический ток, который пройдет через катушку в момент разряда конденсатора. Вот здесь-то и выступает на сцену самоиндукция катушки, которая играет на первый взгляд несколько странную роль.
Как же поступает самоиндукция в ответ на действия нарушителей ее покоя?
В первый момент катушка сопротивляется натиску электронов и пробует их задержать, вызвав на своих концах электродвижущую силу (напряжение), направление которой таково, что, противодействует току, возникающему при разряде конденсатора. Однако, натиск электронов оказывается сильней и они ринувшись по катушке, преодолевают ее сопротивление, вызывая в ней ток, обусловленный разрядом конденсатора.
Вы думаете, читатель, что самоиндукция собирается препятствовать дальнейшему течению электронов, как это она делала в первый момент? Наоборот, как только по ней стали пробегать электроны, самоиндукция резко изменила свое к ним отношение.
Теперь она обнаруживает желание — удержать их как можно дольше. Ей теперь жаль расставаться с ними, и когда все электроны уже пробежали по ней, и ток готов прекратиться, самоиндукция лишь бы поддержать бег электронов, вызывает на концах катушки электродвижущую силу, направление которой теперь противоположно и таково, что поддерживает ток, вызванный разрядом конденсатора.
Этот, вызванный электродвижущей силой самоиндукции, ток вновь является зарядным током конденсатора, он вновь заряжает, разрядившийся через катушку конденсатор и явление разряда конденсатора в системе, состоящей из самоиндукции и емкости повторяется. Повторяемость этого явления заключается в том, что энергия, сосредоточившаяся в диэлектрике конденсатора — электрическое поле, в момент разряда конденсатора начинает постепенно переходить в поле катушки самоиндукции — магнитное поле катушки.
Когда разряд конденсатора закончится, вся энергия его поля перешла в магнитное поле катушки. Теперь она начнет возвращаться обратно в электрическое поле конденсатора и в катушке самоиндукции появляется тот ток, который вновь заряжает конденсатор. Казалось бы, что раз заряженный конденсатор, мог бы разряжаться и вновь заряжаться через самоиндукцию неограниченное число раз. Однако, это явление после нескольких таких зарядов и разрядов быстро прекращается. Такие колебания электрической энергии, ее переход из емкости в самоиндукцию и обратно в нашем контуре быстро прекращаются, так как существует целый ряд причин, в силу которых электрическая энергия в конце концов теряется. Однако, если приемный контур будет постоянно получать заряды извне, то в нем будут происходить электромагнитные колебания обусловленные емкостью и самоиндукцией, все время пока контур эти заряды получает. Такие постоянно возникающие заряды сообщает нашему приемному контуру работающая радиостанция, посредством волн принимаемых антенною.
В одном из ближайших номеров «Р. В.» мы расскажем о связи, которая существует между электрическим и магнитным полями.