В прошлых занятиях мы выяснили, какую роль играют емкость и самоиндукция в электрической цепи. Посмотрим теперь, какими свойствами будет обладать электрическая цепь, в которую входят емкость и самоиндукция одновременно. Схема такой замкнутой цепи (электрического контура), в которую входят одновременно и емкость и самоиндукция, изображена на рис. 1. Пока на этот контур не действует никакая внешняя электродвижущая сила, электрического тока в этом контуре не будет, так как в самом контуре никаких электродвижущих сил нет.
Присоединим теперь к нашему контуру какой-либо источник постоянной электродвижущей силы, например батарею «Е» (рис. 2) таким образом, чтобы напряжение батареи было подведено к обкладкам конденсатора С, а самый контур на это время разомкнем, т. е. поставим переключатель П в левое положение. Очевидно, что при этом положении переключателя конденсатор С зарядится до напряжения батареи Е, и после того, как он будет заряжен, ток в цепи батареи снова прекратится. Переставим теперь переключатель П в правое положение. Заряд, накопившийся в конденсаторе С, будет стремиться уйти с его обкладок, и конденсатор начнет разряжаться через самоиндукцию L. В нашем контуре появится электрический ток.
Если бы мы замкнули заряженный конденсатор не на самоиндукцию, а прямо накоротко, то он мгновенно разрядился бы и этим дело бы кончилось. Но как мы знаем, самоиндукция препятствует резким изменениям электрического тока в цепи, а следовательно и мгновенному возникновению сильного тока, то есть мгновенному разряду конденсатора, поэтому разряд конденсатора будет происходить постепенно и постепенно же будет возрастать сила разрядного тока — сила тока в нашем контуре. Сила тока будет возрастать все время, пока остается еще некоторое напряжение на обкладках конденсатора, и возрастание это прекратится только в тот момент Т1, когда конденсатор полностью разрядится.
Рассмотренную нами часть процесса, от того момента Т0, когда мы замкнули контур и начался разряд конденсатора, до того момента Т1, когда конденсатор полностью разрядился, графически можно изобразить так, как эти сделано на рис. 3. Кривая V на этом рисунке изображает изменения напряжения на обкладках конденсатора, а кривая J — изменения силы тока в контуре. Вместе обе эти кривые изображают как раз все те изменения в контуре, которые мы только что проследили.
В тот момент Т1, когда конденсатор полностью разрядился, электрический ток в контуре должен был бы сразу прекратиться, если бы в контуре не было самоиндукции. Но как раз к этому моменту ток в контуре, постепенно увеличиваясь, достигнет большой величины, и самоиндукция контура будет препятствовать его быстрому уменьшению. Ток в контуре будет продолжать течь в том же направлении, но сила его будет постепенно уменьшаться. Так как конденсатор уже полностью разрядился, то этот ток будет вновь его заряжать, но в обратном направлении и в течение рассматриваемой нами части процесса ток будет постепенно уменьшаться, а напряжение на обкладках конденсатора, противоположное по знаку напряжению в начальный момент, будет постепенно возрастать. В конце концов, в момент Т2 ток в контуре прекратится, но зато конденсатор окажется заряженным до того же напряжения, как вначале, но с обратным знаком.
Графически эта часть процесса в контуре может быть изображена так, как указано на рис. 4. Состояние в контуре в момент Т2 будет совершенно то же, как и в момент Т0, с той только разницей, что напряжение на обкладках конденсатора будет обратного знака. Очевидно, что все те явления, которые произошли в контуре за время от Т0 до Т2, повторятся вновь, но в обратном направлении, и в конце концов в момент Т4 контур придет в то же состояние, в котором он был в начальный момент Т0 (рис. 5).
Ясно, что в этом состоянии контур не останется в покое, конденсатор вновь начнет разряжаться, а сила тока постепенно возрастать, — словом, в контуре повторятся все те явления, которые произошли за время от Т0 до Т4. После этого контур опять окажется в том же положении, как и в начальный момент, и весь процесс будет повторяться снова и снова (рис. 6). Напряжение на обкладках конденсатора и сила тока в нем все время будут изменяться, в контуре будут происходить электрические колебания. Те пределы V0 и J0 на рис. 6, в которых будут изменяться напряжение V и сила тока J в контуре во время колебаний, называются соответственно амплитудами напряжения и тока.
Попытаемся теперь выяснить, откуда берется энергия этих электрических колебаний. В начальный момент Т0 в нашем контуре находился некоторый запас энергии — в виде заряда конденсатора (эту энергию контур получил от батареи Е). В момент Т1 конденсатор разрядился, и, значит, запаса энергии в нем уже не осталось, но зато в этот момент сила тока в контуре наибольшая, и вокруг катушки самоиндукции существует сильное магнитное поле. В этом магнитном поле в момент T1 и сосредоточен весь запас энергии контура. Очевидно, что в течение времени от Т0 до T1 энергия контура постепенно превращалась из электрической энергии заряда конденсатора в магнитную энергию поля катушки самоиндукции. В течение времени от Т1 до Т2 будет происходить обратный процесс — энергия контура будет вновь из магнитной превращаться в электрическую и в момент Т2 вновь вся энергия контура будет сосредоточена в конденсаторе. В течение всего процесса колебаний энергия будет все время переходить то из электрической в магнитную, то, наоборот, из магнитной в электрическую.
Если бы во время этих превращений вся электрическая энергия полностью превращалась в магнитную и затем вся целиком вновь в электрическую, то, очевидно, колебания в нашем контуре могли бы происходить вечно. Напряжение на обкладках конденсатора и сила тока в контуре все время достигали бы тех же величин, как и в моменты Т0 и T1, и амплитуды колебаний оставались бы все время постоянными. Мы имели бы в контуре незатухающие колебания.
Но ведь всякий контур, кроме емкости и самоиндукции, неизбежно обладает еще и некоторым сопротивлением R (рис. 7). В этом сопротивлении R (мы будем считать, что в него включено сопротивление всех проводников контура) при прохождении электрического тока часть энергии затрачивается на нагревание проводника. Таким образом часть электрической энергии контура превращается не в магнитную энергию, а в тепловую, и эта тепловая энергия уже не может вновь превратиться в электрическую. Следовательно, не вся электрическая энергия контура, который обладает сопротивлением, превращается в магнитную, а только часть ее. Снова в электрическую энергию превратится опять-таки не вся магнитная энергия, а только часть, и в момент Т2 электрическая энергия контура, (а значит, и вся его энергия вообще) будет меньше, чем в момент Т0.
Так как энергия заряда данного конденсатора тем больше, чем больше напряжение на его обкладках, то, значит, напряжение на обкладках конденсатора в момент Т2 будет меньше, чем в момент Т0, в момент Т4 меньше, чем в момент Т2, и т. д., то есть амплитуды напряжений во время колебаний будут все время уменьшаться. То же будет происходить с амплитудами тока. Мы будем иметь колебания с постепенно уменьшающейся амплитудой, или так называемые затухающие колебания. Эти колебания графически должны быть изображены так, как это указано на рис. 8.
Итак, мы выяснили, что в электрическом контуре, состоящем из емкости, самоиндукции и сопротивления, вследствие того, что часть энергии затрачивается на нагревание сопротивления, могут происходить только затухающие колебания. Если мы дадим такому контуру какой-либо запас энергии (например от батареи) и затем предоставим его самому себе, то в нем будут происходить затухающие колебания, амплитуда которых будет постепенно уменьшаться до тех пор, пока вся энергия, запасенная контуром, не израсходуется на нагревание его проводников. Только в том случае, когда мы убыль энергии, идущей на нагревание проводников, сможем все время пополнять, нам удастся получить в контуре незатухающие колебания. Достичь этого можно, например, с помощью хорошо известной всем любителям электронной лампы, но об этом мы будем подробно говорить в дальнейшем.
Итак, в электрическом контуре, состоящем из емкости, самоиндукции и сопротивления, мы можем получить затухающие электрические колебания. Ясно, что затухание этих колебаний будет тем больше (амплитуды их будут уменьшаться тем быстрее), чем больше сопротивление контура, так как чем больше энергии тратится на нагревание этого сопротивления, тем больше будут потери энергии в контуре. Если сопротивление контура мало, то колебания в нем будут слабозатухающие (рис. 9—А), если же оно велико, то колебания будут сильнозатухающие (рис. 9—Б).
Кроме сопротивления потери энергии в контуре могут вызываться еще и другими причинами, например потерями в диэлектрике. Большинство диэлектриков, как мы уже говорили, под действием переменного электрического поля нагревается. Значит, энергия контура во время колебаний может тратиться не только на нагревание проводников, но и на нагревание диэлектрика (в конденсаторе). Ясно, что чем сильнее нагревается диэлектрик, тем больше потери энергии в нем и тем сильнее затухают колебания.
Чем больше будет сопротивление контура, тем большая часть энергии, в нем запасенной, будет затрачена в течение времени от момента Т0 до момента Т1 (рис. 9) на нагревание этого сопротивления. Если сопротивление это будет очень велико, то может случиться, что вся энергия, запасенная в конденсаторе, полностью израсходуется на нагревание этого сопротивления сразу за время первого разряда и в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, энергии в контуре вовсе не останется, так как вся энергия превратится в тепловую, а не в магнитную. Если это произойдет, то очевидно, что конденсатор не сможет зарядитъся вновь зарядом противоположного знака — неоткуда будет взяться энергии, которая могла бы превратиться вновь в энергию заряда конденсатора. В таком случае вместе c окончанием разряда конденсатора прекратится и ток в контуре, контур опять придет в состояние покоя.
Следовательно, в контуре, сопротивленио которого очень велико, не может происходить электрических колебаний, хотя в этот контур входят и емкость и самоиндукция. Такие контура называются апериодическими. Те же контура, в которые входят емкость, самоиндукция и сопротивление, но в которых это последнее настолько мало, что в контуре могут происходить электрические колебания, называются колебательными контурами. Если мы такой контур выведем каким-нибудь способом из состояния электрического равновесия (например тем, что зарядим его конденсатор) и затем предоставим его самому себе, то в этом контуре возникнут затухающие электрические колебания. Эти колебания называются свободными колебаниями контура. Если же мы тем же способом нарушим состояние равновесия в апериодическом контуре, то в нем колебания не возникнут, контур без всяких колебаний постепенно возвратится в состояние электрического равновесия. В колебательном контуре мы будем иметь колебательный разряд, а в апериодическом контуре — апериодический разряд конденсатора.
Если мы один раз замкнем и разомкнем батарею в контуре, изображенном на рис. 2, то мы получим один единственный колебательный разряд, который скоро затухнет. Если же мы хотим получать много колебательных разрядов один за другим, так что следующий разряд начинался бы сразу после того, как затухнет предыдущий, то применять схему (рис. 2) было бы невозможно. Мы бы не успели так быстро, как нужно, производить все переключения. Для этой цели пользуются другим методом — применяют искровой разрядник.
Представим себе контур, состоящий из емкости С, самоиндукции L и искрового промежутка U (рис. 10). Что будет происходить в этом контуре, если мы к обкладкам конденсатора присоединим вторичную обмотку трансформатора Т, дающего переменное высокое напряжение? В тот момент, когда мы включим трансформатор, контур разомкнут, так как искровой промежуток (воздух) в нормальном состоянии не проводит электричества.
Трансформатор будет заряжать конденсатор, и так как напряжение переменного тока возрастает постепенно, то и напряжение на обкладках конденсатора будет постепенно повышаться. В некоторый момент это напряжение достигнет такой величины, что искровой промежуток будет пробит, в нем появится искра. Но искра представляет собой уже проводник электричества, значит, колебательный контур LC с заряженным конденсатором окажется замкнутым, и в контуре будет происходить колебательный разряд конденсатора. Разряд этот постепенно будет затухать, искра погаснет и контур вновь окажется разомкнутым. Когда напряжение на обкладках конденсатора (напряжение, даваемое трансформатором) вновь достигнет той величины, при которой пробивается искровой промежуток, опять проскочит искра и снова произойдет колебательный разряд. Так, отдельные разряды будут следовать друг за другом, и число этих разрядов будет вдвое больше числа периодов тока, которым заряжается конденсатор (так как в течение периода напряжение переменного тока два раза достигает наибольшего значения). И если число периодов питающего тока будет достаточно велико, то один разряд будет следовать за другим очень быстро, и следующий разряд будет начинаться почти сразу после того, как предыдущий затухнет.
Конечно, искровой промежуток представляет собой большое сопротивление, и, значит, колебания, получаемые таким способом, будут сильно затухающие. Но все же контур с искровым промежутком, в том случае, когда этот промежуток правильно устроен, это контур колебательный, а не апериодический.
Вместо трансформатора можно для того, чтобы заряжать конденсатор, воспользоваться любым источником, дающим высокое напряжение, например уже построенной нами катушкой Румкорфа. В этом случае искра будет также проскакивать всякий раз, когда напряжение, даваемое катушкой, будет достаточно велико, то есть когда разрывается первичная обмотка катушки Румкорфа. И если прерыватель в этой катушке работает достаточно быстро, то и разряды будут следовать друг за другом так быстро, что следующий разряд начнется почти сразу после того, как закончится предыдущий.
В качестве первой части практической работы к этим занятиям мы предлагаем построить один из искровых разрядников, описанных ниже. После того как эта работа будет закончена, мы будем располагать всем, что необходимо для получения искрового колебательного разряда. Следующей практической работой будет получение колебательного разряда.
Правда, затухающими колебаниями, которые при этом получаются, теперь уже не пользуются в радиолюбительской практике. Но, во-первых, изучение явления колебательного разряда очень полезно для понимания всех тех вопросов, с которыми радиолюбителю приходится сталкиваться, а во-вторых, затухающие колебания пока все-таки еще применяются в целом ряде случаев.