Б. П. Асеев.
Большинство читателей вероятно знает, что как собранный ими ламповый генератор, так и ламповые радиостанции работают так наз. «незатухающими» колебаниями. Но не все, надо думать, отчетливо представляют, что такое незатухающие колебания и каким образом они могут быть получены.
В силу этого, прежде чем рассматривать процессы, происходящие в ламповом генераторе, остановимся на вопросе о незатухающих колебаниях.
Для более простого усвоения основных понятий воспользуемся аналогией. Возьмем два маятника — один состоящий из груза подвешенного на нити (рис. 1), а другой — от часов, снабженный соответствующим механизмом (рис. 2).
Если первый маятник (рис. 1) отклонить несколько в сторону и затем отпустить, то маятник начнет качаться (колебаться) в ту и другую сторону относительно своего положения покоя (А рис. 1). Наблюдая за колебаниями маятника, мы заметим, что его розмахи (амплитуды) постепенно уменьшаются и, по истечении некоторого времени, маятник остановится. Процесс колебаний маятника можно показать на рисунке (рис. 3), откладывая по горизонтальной оси время, а по вертикальной вверх — отклонения маятника вправо, а вниз — его отклонения влево. Полученный рисунок подтверждает сказанное раньше, — розмахи маятника постепенно уменьшаются. Колебания, у которых розмахи (амплитуды) уменьшаются, носят название затухающих.
Итак, маятник (рис. 1), отклоненный в сторону, будет совершать затухающие колебания.
Перейдем к вопросу: что же является причиной прекращения (затухания) колебаний. Для этого сначала установим, что является причиной колебаний маятника. Нетрудно сообразить, что причиной колебаний служит поднятие груза маятника на некоторую высоту h (рис. 1) относительно его положения покоя (точка А рис. 1). Физика учит, что всякое тело, поднятое на некоторую высоту, обладает определенной, запасенной в нем, энергией. Эта энергия называется потенциальной. Так, например, вода в реке, поднятая плотиной на некоторую высоту, запасает потенциальную энергию.
Если говорят, что в каком-то теле запасена потенциальная энергия, то подразумевают, что эта энергия может как-то проявить себя — произвести какую-то работу. Действительно, если заставить поднятую плотиной воду падать на мельничное колесо, то потенциальная энергия воды произведет работу — будет вращать жернова мельницы.
В нашем примере с маятником, запасенная в его грузе потенциальная энергия также производит работу — качает маятник. Очевидно запас энергии в маятнике может хватить только на определенное время — т. е. колебания маятника будут существовать до тех пор, пока запас потенциальной энергии маятника не израсходуется.
Куда же девается запасенная в грузе маятника потенциальная энергия? Эта энергия расходуется на преодоление ряда препятствий при колебаниях — трение маятника о воздух, трение в точке подвеса С и т.п.
Таким образом выяснено, что затухание колебаний обуславливается потерями энергии. Понятно, что чем меньше потери, тем слабее затухание колебаний, и, казалось бы, можно достигнуть незатухающих колебаний сведением потерь к нулю. Однако таким путем создать незатухающие колебания маятника невозможно, так как практически потери можно свести к весьма малой величине, но совершенно устранить их нельзя. При весьма малых потерях колебания маятника будут соответственно дольше продолжаться, но все-таки, в конечном счете, они прекратятся.
Обратимся теперь к часовому маятнику (рис. 2). Отклонив его в сторону, мы заставим маятник колебаться, причем заметим, что его розмахи (амплитуды) не уменьшаются. Неослабевающие — незатухающие колебания часового маятника также не могут продолжаться бесконечно долго: колебания существуют до тех пор, пока не вышел весь «завод» часов, т. е. не израсходовалась вся энергия, запасенная в закрученной пружине часов или в грузе Р (рис. 2).
В силу какой же причины колебания часового маятника не уменьшают своей амплитуды? Рассматривая механизм рис. 2, нетрудно заметить, что маятник периодически (при каждом качании вправо) получает толчки от храпового (зубчатого) колеса Х через собачку С; таким образом маятнику периодически добавляется энергия за счет энергии, запасенной в грузе Р (рис. 2) или часовой пружине.
Таким образом незатухающие колебания часового маятника поддерживаются искусственными мерами — периодическим подталкиванием.
Понятно, пружина должна при подталкивании доставлять маятнику ровно столько энергии, сколько он расходует на потери при колебаниях. Это периодическое пополнение энергии как бы уничтожает потери. Необходимо твердо помнить, что при незатухающих колебаниях потери существуют, но их действие компенсируется (уравновешивается) периодическим пополнением энергии.
Совершенно очевидно, что, коль скоро пружина или груз Р перестанут пополнять расходующуюся при колебаниях энергию, эти колебания прекратятся (затухают).
Этим мы еще раз подчеркиваем, что незатухающие колебания создаются искусственным путем и существуют до тех пор, пока действует источник, пополняющий расход энергии при колебаниях. Графически незатухающие колебания представлены на рис. 4.
Теперь, располагая некоторым запасом знаний из области колебаний маятника, перейдем к электрическим колебаниям в контуре.
Колебательным контуром принято называть соединение катушки самоиндукции L и конденсатора С (рис. 5); к этому контуру приключим батарею В и переключатель П, позволяющий в точке А приключить конденсатор С к батарее В, а в точке D — дающий ему возможность разряжаться через катушку самоиндукции L.
Замкнув первоначально переключатель П на контакт А, зарядим конденсатор С от батареи В. Заряженный конденсатор запасает электрическую энергию, подобно тому, как отклоненный маятник (рис. 1) запасает механическую энергию.
Далее, перекладывая рубильник П на контакт D, даем возможность конденсатору С разряжаться через катушку самоиндукции L. Разряд конденсатора С, также как и колебания маятника (рис. 1) будет носить колебательный характер, т. е. конденсатор не только разрядится (маятник дойдет до точки А), но и зарядится обратными знаками (маятник отклонится в точку D), после чего опять разрядится и зарядится знаками обратными, (т. е. теми, которые он имел при зарядке от батареи В) и т. д.
Короче говоря, энергия, запасенная в конденсаторе С при его зарядке от батареи В, будет создавать электрические колебания в контуре, подобно току, как это делала энергия, запасенная в маятнике при отклонении его в точку В.
Очевидно, что полученные в схеме рис. 5 колебания будут иметь затухающий характер, так как энергия, запасенная в конденсаторе, будет расходоваться при колебаниях на преодоление сопротивления проводов.
Также очевидно, что уменьшением сопротивления проводов можно только ослабить затухание колебаний; получить же незатухающие колебания таким путем нельзя, так как полное устранение сопротивления проводов невозможно.
Чтобы вновь возбудить затухшие колебания в контуре LC (рис. 5), необходимо снова перекинуть рубильник П направо, зарядить конденсатор и после этого замкнуть рубильник П налево. В маятнике (рис. 1) также, для возбуждения прекратившихся колебаний, необходимо вновь отклонить маятник в точку В и отпустить его.
Итак, электрические колебания в контуре LC (рис. 5) аналогичны колебаниям маятника (рис. 1).
Идея получения незатухающих электрических колебаний подобна идее часового маятника: также необходимо периодически сообщать колебательному контуру порции энергии.
Каким же способом восполняется энергия, расходуемая в контуре при колебаниях? Для этого следует присоединить батарею В (рис. 5) к колебательному контуру по специальной схеме, названной ламповым генератором (рис. 6).
Рассмотрим работу лампового генератора: при зажигании лампы появляющийся анодный ток заряжает конденсатор колебательного контура С; далее — конденсатор начинает разряжаться через катушку L1. В процессе зарядки конденсатора С, зарядки противоположными знаками (перезарядки), последующей разрядки и т. д., через катушку L1 протекает переменный ток, который наведет в катушке L2 переменную электродвижущую силу. Эта электродвижущая сила будет подавать на сетку электронной лампы периодически то положительное, то отрицательное напряжение.
Допустим, что отрицательное напряжение на сетке совершенно прекращает анодный ток. Тогда, очевидно, всякий раз, как только сетке будет сообщен положительный потенциал, возникнет анодный ток, который и подает в контур некоторое количество энергии. Если при каждом положительном напряжении, возникающий анодный ток подведет в контуру LC (рис. 6) ровно столько энергии, сколько израсходовалось в ней на потери, колебания в контуре будут незатухающими.
Проводя сравнение между ламповым генератором (рис. 6) и часовым маятником (рис. 2), можно сказать, что груз Р в маятнике соответствует в ламповой генераторе анодной батарее В, так как она является источником для пополнения расходуемой в контуре энергии. Храповое колесо и собачку (рис. 2) следует уподобить электронной лампе (рис. 6), поскольку она позволяет осуществить периодическое подталкивание колебаний в контуре LC, током батареи В.
Этим закончим нашу статью. В следующей статье побеседуем о дальнейших вопросах, появившихся как следствие экспериментов со схемой лампового генератора.
