"Радио Всем", №8, апрель 1928 год

Элементы радиотехники.

Инж. А. Попов.

Теперь представим себе, что линия имеет конечную длину, равную 8 000 км. Волна 50-периодного тока достигнет конца в промежуток времени несколько меньший 0,03 сек. Очевидно, что на разомкнутом конце сила тока всегда должна быть нулем: ток проводимости не может существовать, так как дальше нет провода, а следовательно, не может существовать и ток смещения. Итак, с какой бы величиной тока волна ни подошла к концу, он сразу оборвется, а напряжение при этом поднимется до амплитуды. Что будет дальше после этого внезапного изменения тока и напряжения? Такого рода явление внезапного прекращения волны хорошо известно в физике и называется отражением. Мы можем его наблюдать, когда волны воды (в озере или море) набегают на твердый и отвесный берег: волна, внезапно прекращается и откатывается назад, т. е. отражается. Если разбирать математически это откатывание назад, оказывается, что оно совершенно равносильно тому, как если бы в месте отражения появилась новая волна, идущая навстречу набегающей. Тогда всюду между источником волн и местом отражения явления будут происходить так, как будто у нас накладываются друг на друга две волны, идущие в противоположные стороны — одна падающая и другая отраженная.

Итак, разобраться в вопросе мы можем, если будем складывать две синусоиды, продвигая их на одинаковое расстояние в противоположные стороны. Это выполнено графически на рис. 6. Тонкие линии обозначают различные положения двух волн, идущих в протиположные стороны — одна падающая представляет их сумму. Она-то и даст стоячую волну. Что же является ее характерным признаком? Мы видим, что получаются точки (на рис. они соединены пунктиром), для которых амплитуда всегда нуль (колебаний нет). Это так называемые узлы. Точки, находящиеся посредине между узлами, колеблются сильнее всего; они называются пучностями. Но узлы и пучности стоят на месте; поэтому и волна называется стоячей, в противоположность бегущей, движущейся.

Отдельно стоячая волна дана на рис. 7. Из него видна и длина стоячей волны.

Стоячие волны легко получить искусственно , если, напр., колебать один конец веревки, а другой крепко зажать. Далее мы имеем целый ряд примеров стоячих волн: колебания струн в музыкальных инструментах, воздуха в трубках органа, и т. п. представляют собою стоячие волны.

Такое же явление будет происходить и в нашей линии. От открытого конца пойдет назад отраженная волна с начальной силой тока, равной нулю, и амплитудным напряжением. Через полволны, т. е. через 3 000 км, будет узел тока и пучность напряжения и т. д.

До сих пор мы говорили о 50-периодном токе, для которого длина волны равна 6 000 км¹⁾. Поэтому получились такие неимоверные, несуществующие в природе, цифры. Однако если повысить частоту, напр. до 300 000 колебаний в секунду (λ = 1000 м), то на линии в 3 км уместится уже 3 длины волны.

Теперь мы выяснили явления на конце линии и знаем, что по направлению к началу нам надо откладывать стоячие волны. Но ведь вначале у нас стоит генератор, и он может, в зависимости от длины линии и своей частоты, попасть в любую точку стоячей волны. Что же будет происходить в начале линии? Положим, что амплитудное напряжение генератора равно V, а стоячая волна напряжения в открытой линии расположилась, как показано на рис. 8. Генератор «попал» не в пучность, а до нее. Тогда, очевидно, напряжение в начале будет равно V, а в пучностях оно будет выше, в зависимости от места включения генератора. Так, если он находится на расстоянии трети полуволны от пучности, то напряжение в ней будет в два раза больше V. Так как длины наших линий электропередач (ток в 50 пер.) не превышают 200—300 км, т. е. очень далеки от полуволны, то мы всегда имеем повышенное (по сравнению с генератором) напряжение на конце открытой линии. Напр., при «холостом ходе», т. е. открытой линии, напряжение в Москве будет выше, чем то, которое подают каширские трансформаторы.

Теперь весьма интересно выяснить, что будет, если генератор включить в узел напряжения. Казалось бы, что если он не будет давать даже никакого напряжения, все-таки в линии будет волна напряжения как ни в чем не бывало. С другой стороны, если генератор будет давать определенное напряжение, то в пучности оно станет расти неограниченно. Эту нелепость мы получили потому, что рассматривали линию без потерь. На самом деле, в ней всегда есть омическое сопротивление, которое поглощает энергию. Поэтому-то напряжение в пучности не станет расти безгранично. Но вполне верно то, что, если мы включим генератор в узел напряжения, в пучности получится наибольшее возможное напряжение.

После всего сказанного перейти к антенне не представляет никакого труда.

Антенна по существу и представляет собою разобранную линию, открытую с одного конца. Она также обладает распределенным сопротивлением, самоиндукцией и емкостью. Последние будут иметь здесь, правда, несколько иные значения, так как провод вертикальный, а не горизонтальный; но сути вещей это не меняет. На конце антенны всегда будет узел тока и пучность напряжения. Что же касается того, какое напряжение и сила тока будут внизу, у земли, — это зависит от частоты включенного генератора.

Положим, что высота антенны равна 1/₄ длины волны генератора.

h_A = λ_Г / 4,

тогда генератор попадет в узел напряжения, и мы получим максимальное напряжение и силу тока в их пучностях. Картина распределения напряжения и тока представится рис. 9. Длина волны λ₀ = 4h_A для нашей антенны (заземленный вертикальный провод) называется собственной длиной волны антенны²⁾, и говорят, что наибольший эффект получится тогда, когда антенна работает на собственной длине волны. Таким образом, для вертикального провода в 50 м λ₀ = 200 м. При работе с очень короткими волнами на антенну укладывают и больше 1/₄ волны. Так при h_A = 60 м и λ_Г = 40 м мы получим на антенне 3 полуволны.

Однако практически ни одна антенна не работает на собственной длине волны. Об этом в следующий раз.

2) Строго говоря, не в точности 4, однако для простоты мы будем считать так.