В прошлом занятии мы рассмотрели один из методов возбуждения затухающих электрических колебаний, именно метод искрового колебательного разряда. В современной радиотехнике обычно применяются незатухающие колебания и в соответствии с этим и другие методы получения электрических колебаний. Но метод искрового разряда, помимо того, что он не потерял еще своего практического значения, наиболее удобен по своей наглядности и простоте для изучения электрических колебаний. Поэтому именно на этом методе мы остановились при рассмотрении вопроса об электрических колебаниях. С методами получения незатухающих колебаний мы познакомимся в дальнейших занятиях, а сейчас, не останавливаясь на них, перейдем к вопросу о возникновении и распространении электромагнитных волн.
В свое время мы познакомились с электрическими и магнитными полями и основными их свойствами. Мы уже знаем, что причиной, вызывающей электрическое поле, являются электрические заряды, а причиной, создающей магнитное поле, являются или постоянные магниты, или электрический ток. Но мы рассматривали только такие электрические и магнитные поля, которые существуют отдельно и независимо друг от друга. Однако часто встречаются такие случаи, когда электрическое и магнитное поля не независимы друг от друга, а существуют вместе как одно целое и созданы одними и теми же явлениями. Представим себе, например, провод, по которому течет переменный электрический ток. Находящиеся в этом проводе заряды вызывают вокруг него электрическое поле, но так как заряды эти все время двигаются то в ту, то в другую сторону, то окружающее провод электрическое поле будет не постоянным, а переменным. Но помимо электрического поля эти движущиеся заряды в проводе, представляющие собой электрический ток, будут создавать вокруг провода также переменное магнитное поле. Ясно, что так как оба эти поля, и электрическое и магнитное, созданы одними и теми же движущимися электрическими зарядами, то они не будут независимы друг от друга — между ними будет существовать определенная связь.
Прежде всего оба эти поля, и электрическое и магнитное, будут иметь одну и ту же частоту, и изменения их будут происходить по одному и тому же закону. Затем амплитуды электрического и магнитного полей будут определенным образом связаны между собой. Они будут пропорциональны одна другой и если, например, увеличив силу тока в проводе, увеличим этим амплитуду магнитного поля, то во столько же раз увеличится и амплитуда электрического поля. И, наконец, направления электрического и магнитного полей будут не произвольны, а определенным образом связаны друг с другом. Таким образом мы фактически будем иметь одно общее поле, обладающее свойствами как электрического, так и магнитного поля. Такое поле называется электромагнитным полем.
Такое электромагнитное поле возникает вокруг каждого провода, по которому течет переменный электрический ток. Одной из наиболее существенных особенностей электромагнитного поля является то, что оно не остается сосредоточенным вокруг проводника, по которому течет ток, а распространяется вокруг проводника во все стороны. Скорость, с которой электромагнитное поле распространяется в пространстве, очень велика — она составляет, примерно, 300 000 километров в секунду. С такой огромной скоростью распространяются все электромагнитные поля, независимо от их характера и от того, какими причинами они созданы. Между прочим, с этой же скоростью распространяются в пространстве и лучи света (ниже будет объяснено, почему скорость распространения электромагнитного поля и световых лучей одна и та же). Поэтому скорость в 300 000 километров в секунду называется «скоростью света». Распространение электромагнитного поля во все стороны от проводника, вокруг которого оно возникло, можно сравнить с распространением звуковых колебаний (акустических волн) во все стороны от источника звука или волн в воде во все стороны от предмета, брошенного в воду. Вследствие этого сходства распространяющееся от проводника электромагнитное поле принято называть электромагнитными волнами. И между этими электромагнитными волнами, с одной стороны, и акустическими или водяными волнами, с другой, существует очень большая разница. В то время как последние (акустические или водяные волны) могут распространяться только по какой-либо определенной физической среде (например, воздух или вода), электромагнитные волны для своего распространения не нуждаются ни в какой среде. Правда, учеными уже давно выдвинута гипотеза (предположение) о существовании особой среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Эта среда была названа «мировым эфиром». Но, во-первых, существование такой среды является только догадкой, не только никем не доказанной, но даже оспариваемой многими научными теориями А, во-вторых, для нас предположение о существовании мирового эфира является вообще не обязательным. Будет вполне достаточно для наших целей, если мы предположим, что электромагнитные волны для своего распространения не требуют никакой среды, и могут распространяться в пустоте.
Электромагнитные волны не только не требуют никакой среды для своего распространения, но, даже более того, распространяются в пустоте лучше, чем в какой бы то ни было среде. И происходит это вот почему.
Электромагнитное поле, как мы уже говорили, представляет собой одновременно два поля — электрическое и магнитное, причем оба эти поля переменные. Если в той среде, по которой движется электромагнитное поле, существуют свободные электрические заряды (например электроны), то электрическое поле, действуя на эти заряды, заставит их двигаться то в ту, то в другую сторону и, следовательно, вызовет в этой среде переменные электрические токи. Точно так же, если на пути распространения электромагнитной волны окажутся проводники, то переменное магнитное поле этой волны, действуя на проводники, создаст в них также переменные электрические токи. Но всякая среда, в большей или меньшей степени, обладает электрическими зарядами и проводимостью. И, значит, во всякой среде электромагнитная волна вызовет появление более или менее сильных электрических токов. На создание этих токов неизбежно тратится некоторое количество энергии и берется эта энергия из того запаса энергии, которым обладает электромагнитная волна. Значит, при распространении электромагнитной волны в какой-либо среде часть энергии затрачивается в этой среде, и вследствие этого электромагнитная волна ослабляется — амплитуда ее уменьшается. Только абсолютная пустота не обладает электрическими зарядами и поэтому, только распространяясь в пустоте, электромагнитная волна не создает никаких токов и не теряет части своей энергии. Правда, и воздух в нормальном состоянии обладает очень малым количеством электрических зарядов и не является проводником. При этих условиях электромагнитная волна и в воздухе распространяется почти без потери энергии. Но очень часто под влиянием различных причин, например солнечного света, воздух становится более проводящим («ионизируется»), и тогда распространение электромагнитной энергии в воздухе сопровождается довольно большими потерями.
Чтобы закончить рассмотрение вопроса о распространении электромагнитных волн, мы укажем еще на одно обстоятельство. Как мы уже сказали, электромагнитные волны распространяются во все стороны от провода, по которому течет переменный электрический ток. Но, распространяясь во все стороны, волны захватывают все большие и большие области, и поэтому энергия этих волн распределяется на все больший и больший объем. Ясно, поэтому, что, чем дальше от провода, тем меньше энергии будет приходиться на каждую данную часть объема, тем меньше будет энергия, а вместе с тем и амплитуда электромагнитной волны.
Между электромагнитными волнами и волнами механическими, распространяющимися в какой-либо среде (акустические волны в воздухе, волны в воде и т. д.), существует не только внешнее сходство, но и более глубокая внутренняя аналогия. Особенно ярко сказывается эта аналогия при установлении понятия о длине волны.
Рассмотрим, например, картину распространения акустических волн (звука), изображенную на рис. 1. Если источником звука служит, например, телефон, то колеблющаяся мембрана телефона будет периодически создавать сгущения и разрежения воздуха у отверстия телефона. Эти сгущения и разрежения не будут оставаться на месте, а будут передаваться окружающему воздуху и распространяться от телефона. В какой-то определенный момент мы будем иметь картину, изображенную на рис. 1. По направлению распространения акустической волны сгущения (С) и разрежения (Р) будут чередоваться, причем расстояние между двумя соседними сгущениями и разрежениями будет оставаться всегда одно и то же. Это расстояние между соседними сгущениями или разрежениями называется длиной акустической волны. Попробуем выяснить, какими обстоятельствами длина волны определяется. Если одно из сгущений вызвано каким-либо определенным отклонением мембраны вправо, то следующее сгущение вызвано, очевидно, следующим отклонением мембраны в ту же сторону, т. е. появление этих сгущений у отверстия телефона отдельно промежутком времени, равным одному периоду колебаний мембраны. Так как акустическая волна распространяется с вполне определенной скоростью (330 метров в секунду), то значит за время одного периода первое сгущение успеет отойти от мембраны на некоторое определенное расстояние. Это расстояние и будет как раз то, что мы назвали длиной акустической волны. Другими словами, длиной акустической волны называется то расстояние, на которое акустическая волна успеет распространиться за время одного периода.
Ясно, что длина акустической волны будет тем больше, чем больше период колебаний мембраны (чем медленнее она колеблется), так как тогда за время одного периода акустическая волна успеет распространиться на большее расстояние.
Например, если мембрана телефона совершает тысячу колебаний в секунду, то период ее колебаний будет равен ¹/₁₀₀₀ секунды. И за это время, при скорости распространения в 330 метров в секунду, акустическая волна успеет распространиться на 0,33 метра и, следовательно, длина акустической волны будет составлять 33 сантиметра. Если период колебаний мембраны будет, например, в 10 раз больше (100 колебаний в секунду), то и длина акустической волны будет в десять раз больше (3,3 метра).
Точно то же определение, какое мы ввели для длины акустической волны, можно ввести и для длины электромагнитной волны. Длиной электромагнитной волны мы назовем то расстояние, на которое она успеет распространиться в течение одного периода колебания. Например, если мы имеем в проводе переменный ток с частотой в 100 000 колебаний в секунду, то за один период, т. е. за ¹/₁₀₀₀₀₀ секунды, электромагнитная волна, при скорости распространения в 300 000 километров в секунду, успеет пройти 3 километра, и, следовательно, длина электромагнитной волны будет равна 3 километрам, т. е. 3 000 метрам.
Когда хотят характеризовать какие-либо электромагнитные волны, то обычно указывают длину волны. Тем самым, как ясно сказано выше, мы определяем и частоту колебаний, вызвавших появление этой волны. Чтобы определить это число колебаний, нужно только скорость распространения волн, т. е. 300 000 км/сек., разделить на длину волны. Но можно поступать и наоборот и указывать частоту колебаний, тогда длина волны определится простым расчетом. Для того чтобы ее вычислить, нужно скорость распространения волн, т. е. 300 000 км/сек. разделить на число колебаний в секунду. За границей теперь пользуются обычно этим вторым способом, указывая не длину волны, а число колебаний, «число циклов» в секунду того переменного тока, который эту волну создает. Но для удобства, чтобы не пришлось иметь дело с большими числами, введена величина «килоцикл», т. е. тысяча циклов (тысяча периодов).
Мы уже выяснили, что вокруг проводника, по которому течет переменный электрический ток, создается электромагнитное поле, которое распространяется во все стороны от этого проводника. Говорят, что проводник излучает электромагнитные волны, т. е. часть энергии в пространство в виде электромагнитной энергии. Но величина этой излучаемой части энергии зависит от размеров и формы провода. Излучение будет тем больше, чем длиннее провод. Но для того чтобы излучение электромагнитной энергии было вообще заметно, нужно, чтобы длина провода во всяком случае не была слишком мала по сравнению с длиной излучаемой волны. Если же длина провода очень мала по сравнению с длиной излучаемой волны, например если мы имеем колебания с частотой в 500 000 колебаний в секунду, что соответствует волне в 500 метров, то заметное излучение мы получим только в проводе, длина которого составляет по крайней мере несколько метров. Поэтому, когда перед нами стоит задача передать на расстояние сигналы без проводов, то для этого можно воспользоваться электромагнитными волнами. Но чтобы осуществить эту передачу, нам нужен не только источник быстрых электрических колебаний, но и специальное устройство, которое излучало бы энергию этих колебаний в виде электромагнитных волн. Таким устройством является передающая антенна.
После того, что сказано выше, уже должно быть ясно, каково устройство передающей антенны. Это должен быть длинный провод А, связанный с колебательным контуром LC, так, чтобы колебания, происходящие в контуре, передавались бы в антенну и из нее излучались бы в виде электромагнитных волн (рис. 2).
Эти электромагнитные волны будут распространяться во все стороны от передающей антенны. И если в каком-либо месте на своем пути они встретят какой-либо проводник, то в этом проводнике они вызовут переменный электрический ток той же частоты и того же характера, как и ток, протекающий по передающей антенне. Для того чтобы электромагнитная волна достаточно сильно воздействовала на этот провод, нужно то же условие, как и в случае передающей антенны. Длина провода должна быть не слишком мала по сравнению с длиной той электромагнитной волны, которая на этот провод действует. Такой длинный провод, установленный специально с той целью, чтобы на него действовали проходящие мимо электромагнитные волны, называется приемной антенной.
Токи, возникающие в приемной антенне под действием электромагнитных волн, можно обнаружить, как и всякие переменные токи, с помощью детектора. Каждую группу затухающих колебаний в приемной антенне детектор превратит в один толчок электрического тока. И каждому искровому разряду в передатчике будет соответствовать один толчок тока в цепи детектора, связанного с приемной антенной. Если мы включим в цепь детектора телефон, то толчки тока в этой цепи будут действовать на мембрану телефона. И пока в цепи передатчика будут проскакивать искры, телефон приемника будет все время звучать, причем число колебаний мембраны в секунду, как раз будет равно числу искр в секунду, даваемых передатчиком, и значит, в телефоне приемника мы услышим такой же тон, который дает зуммер передатчика. Пользуясь какими-либо условными сигналами, например азбукой Морзе, можно таким образом передавать сигналы без проводов.
Такова простейшая схема радиопередачи и приема. Мы нарочно привели эту простейшую схему и поставили ее практическое осуществление задачей очередной практической работы, так как, не заставляя отвлекаться на излишние подробности, эта схема позволяет выяснить основные принципы радиопередачи и получить некоторое представление о практических методах осуществления связи при помощи искровых передатчиков. А этот последний вопрос несомненно представляет определенный интерес, так как хотя область использования искровых радиостанций все время суживается, но до сих пор, и вероятно еще в течение довольно долгого срока, искровые станции все-таки будут применяться во многих специальных случаях связи.
Практическая работа к 17 и 18 занятиям: работа с искоровым передатчиком.