"Радио Всем", №20, октябрь 1928 год, стр. 529-530

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОТЕХНИКИ.

Инж. А. Н. Попов.

До сих пор¹) мы разбирали колебательный контур в значительно упрощенном виде: мы говорили о трех его составляющих: самоиндукции, емкости и сопротивлении, не вдаваясь в вопрос о том, из чего складываются эти элементы в действительности. Сейчас мы остановимся подробнее на тех явлениях, с которыми приходится иметь дело при практическом выполнении замкнутой колебательной цепи. Наиболее просто обстоит дело с самоинудкцией; с нее мы и начнем.

Рис. 1.

Самоиндукция контура сосредоточена в катушке. Расчетные формулы для катушек различного типа можно найти в справочниках и предыдущих №№ этого журнала; поэтому здесь мы их приводить не будем. Мы постараемся только разобрать, какие элементы нашего контура могут изменить его самоиндукцию, т. е. увеличить или уменьшить по сравнению с той, которая заключена в катушке. Прежде всего обратим внимание на подводящие провода. О том, что каждый даже одиночный провод обладает самоиндукцией, мы говорили не раз. Без дальнейшего ясно, что два провода, подходящие к катушке (см. рис. 1), можно рассматривать как один виток, длина которого равна длине одного провода (по изгибам), а ширина — расстоянию «в» между ними. В этом расчете мы представляем себе, что подводящие провода у зажимов катушки и конденсатора замкнуты накоротко. Уменьшить эту добавочную самоиндукцию можно сближением проводов; например, — взять витой шнур. Конечно, укоротивши провода, мы достигнем той же цели. Вполне понятно, что самоиндукция подобных проводов будет сказываться тем заметнее, чем выше частота колебаний. Даже конденсатор, в особенности при больших размерах его, может дать маленькую самоиндукцию. Правда, она так ничтожна по сравнению с величинами других самоиндукций, что ее никогда не принимают во внимание.

Рис. 2.

Заметим еще, что находящиеся вблизи катушки металлические предметы (например, экраны, большие металлические пластины и т. п.) могут уменьшить ее самоиндукцию. Подробнее мы остановимся на этом дальше, когда будем разбирать взаимодействие двух контуров.

Емкость, входящая в колебательный контур, также заключена не в одном только конденсаторе; ею обладают подводящие провода. Проводники рис. 1 нужно рассматривать и как конденсатор. Уменьшение емкостного действия мы получим, если раздвинем провода возможно дальше, т. е. здесь приходится применять средство как раз обратное тому, которое нужно для уничтожения самоиндукции. На практике приходится искать такое расположение проводов, которое оказывается удовлетворительным с обеих точек зрения. Где возможно, хорошо располагать провода под прямым углом друг к другу.

Рис. 3.

Однако гораздо большее значение, чем емкости всех проводов, имеет емкость катушки. Дело в том, что между всякими двумя проводами, между которыми существует разность напряжении, появляется ток смещения; иными словами — они обладают емкостным действием. В катушке эта емкость будет существовать между каждой парой витков. Примерную электрическую схему катушки можно представить рис. 2. Одного взгляда на эту схему достаточно, чтобы понять, насколько сложно вести какие бы то ни было расчеты по ней. Поэтому схему катушки рис. 2 заменяют более простой; именно действие емкости между витками заменяют одним конденсатором, приключенным к зажимам катушки (рис. 3).

Рис. 4.

Конечно, эта схема только грубое приближение к действительности, но все же она помогает оглядеться и учесть явления, с которыми все время приходится сталкиваться. Из предыдущего ясно, что в колебательном контуре собственную емкость катушки нужно прибавить к емкости конденсатора. Величины собственных емкостей некоторых типов катушек можно найти в справочниках. Заметим лишь, что наименьшей собственной емкостью обладают однослойные цилиндрические катушки. Особенно велика собственная емкость в многослойных катушках, намотанных обычным способом, т. е. слой за слоем. Поэтому, если приходится делать многослойную катушку, то ее или разделяют на отдельные части (секции), как показано на рис. 4, или мотают особым способом («в перекидку»), понятным из рис. 5. И тот и другой способ имеют одну цель, — возможно удалить друг от друга провода, находящиеся под большой разностью напряжений.

Рис. 5.

Кроме этих емкостей заключенных, так сказать, в самом контуре, к емкости конденсатора может присоединяться еще целый ряд внешних емкостей. Положим (см. рис. 6-а), что к обоим зажимам конденсатора С приключены металлические пластины А и В, которые находятся недалеко от большого металлического листа Е. Очевидно, что между А и Е будет некоторая емкость С₁ и между В и Е — емкость С₂. Равноценная схема дана на рис. 6-б. Конденсаторы С₁ и С₂ соединены последовательно и вместе с тем присоединены в зажимам С. Очевидно, что они изменяют условия в нашем контуре. Схема рис. 6 может очень легко получиться на практике. Положим, что две аккумуляторные батареи присоединены (конечно, одним полюсом) к обкладкам конденсатора и, кроме того, стоят на одном латунном листе. Тогда все пластины одного знака, которые приключены к верхней обкладке, составят пластину А, те же, которые присоединены к нижней — пластину В. Такая схема может получиться в каждом генераторе. Анодная батарея даст емкость С₁, а батарея накала емкость С₂. Роль металлического листа может сыграть также и земля, которая ведет себя как проводящая поверхность.

Рис. 6.

Чрезвычайно разнообразны, сложны и часто мало заметны те действия, которые определяют омическое или, вернее сказать, ваттное сопротивление контура. Мы знаем, что это сопротивление знаменует собою уход энергии из цепи. Поэтому всякую трату этой колебательной энергии можно изобразить добавочным ваттным сопротивлением. Например, как мы видим далее, если из одного контура энергия передается в другой, то это совершенно равноценно тому, что в первом контуре возросло его омическое сопротивление, причем величину этого приращения можно строго рассчитать. Главнейшие пути, по которым полезная электромагнитная энергия превращается в бесполезное тепло, иными словами, главнейшие составляющие ваттного сопротивления контура, следующие:

1. Сопротивление проводов контура (т. е. катушки и подводящих проводов).

2. Диэлектрические потери.

3. Потери от вихревых токов.

4. Потери от утечки.

О сопротивлении самих проводов контура мы лишь упомянем, так как и сопротивление постоянному току и сопротивление току высокой частоты было разобрано ранее в цикле электротехники. Там мы выяснили, что вследствие быстро меняющегося магнитного поля ток оттесняется к поверхности проводника и действующее, рабочее сечение его уменьшается, что влечет за собой увеличение сопротивления. Однако, если мы подсчитаем по формулам (с учетом поверхностного эффекта) сопротивление провода, из которого сделана катушка, и измерим ее действительное сопротивление, оно окажется всегда больше расчетного, причем это увеличение будет зависеть как от способа намотки, так и от выполнения каркаса, на котором катушка намотана.

Рис. 7.

На рис. 7 приведены опытные кривые сопротивления одной и той же катушки, но при различных каркасах, в зависимости от длины волны. Данные катушки таковы: однослойная, 46 витков, диаметр медного провода 0,9 мм, шаг обмотки (расстояние между витками) — 1,7 мм. Кривая 1 снята при отсутствии каркаса²); кривая 2 при каркасе из имитации кожи; отдельные слои ее склеены шеллаком и просушены; кривая 3 относится к картонному каркасу. Мы видим, как ухудшение качеств каркаса повышает сопротивление катушки. Это увеличение нужно отнести главным образом за счет так называемых диэлектрических потерь.

Дело в том, что в природе не существует идеальных диэлектриков, т. е. таких, которые были бы электрически совершенно упруги. Перемена знака напряжения в любом диэлектрике, т. е. передвижение упруго связанных электрических частиц, не проходит совершенно «гладко»; внутри вещества происходит трение, которое и вызывает потери энергии. Наименьшие потери дает воздух; плохие же (в этом отношении) — картон, пресшпан и т. п. — дают уже ощутимое приращение потерь. Эти диэлектрические потери дают себя знать как в конденсаторе, так и в катушке, потому что ее каркас также подвержен действию электрических полей между витками.

Нужно сказать, что подсчитать сопротивление катушки при высокой частоте невозможно, и единственное, на что можно опираться — это опытные исследования. И все же, если мы даже измерим сопротивление катушки, и примем его за полное споротивление контура, это будет неправильно. В контуре прибавляются еще диэлектрические потери в конденсаторе и, кроме того, потери от вихревых токов и утечек.

Происхождение вихревых токов нетрудно себе представить, если вспомнить, что магнитное поле наводит ток в любом проводнике. Если это будет листок, пластина или просто кусок металла, то наведенные токи замыкаются внутри самого материала наподобие колец. Поэтому они и называются вихревыми. Так же, как и всякий другой ток, они порождают тепло и потерю энергии. Проследить, где происходят подобного рода потери, часто весьма трудно. Во всяком случае всякие болты, стержни, листы (в экранах), которые находятся в магнитном поле контура, вносят в него дополнительное сопротивление. Количество подобных деталей нужно всегда по возможности уменьшать.

Наконец идут потери от утечек. Они понятны из самого названия. Это потери от тех, хотя и весьма малых, но все же существующих токов, которые находят свои пути по поверхности и в толще плохого изолятора.

Мы видим, как трудно не только учесть, но даже предугадать все потери, которые могут появиться в колебательном контуре. Единственное средство их узнать — это непосредственно смерить полное сопротивление контура в готовом виде, т. е. смонтированном до мельчайших подробностей, так, как он будет работать в действительности. Для приближенных подсчетов можно пользоваться практическим правилом, что коэффициент затухания, т. е. R/ωL приличного контура, для широковещательных частот равен одному проценту (одной сотой).

²) Т. е. при наименьшем количестве изолирующего материала; его употреблено ровно столько, сколько нужно для поддержания витков.