Проф. В. В. Шулейкин
В статье, помещенной в предыдущем номере, мы познакомились с причинами возникновения электрических колебаний в простейшем контуре, состоящем из конденсатора и катушки самоиндукции, соединенных последовательно. В одном месте этот контур, носящий название Томсоновского, был разомкнут и в месте разрыва, как вы помните, проскакивала искра между двумя шариками.
Рассмотрим теперь электромагнитные колебания, протекающие в несколько более сложных условиях. Поднесем к нашему контуру другой такой же и расположим их рядом так, чтобы катушки их лежали как можно ближе одна к другой. Первый контур попрежнему будем питать от источника электричества, а второй предоставим самому себе.
Если катушки контуров находятся на достаточно малом расстоянии друг от друга, чтобы магнитное поле первой отчасти пронизывало вторую, и если длина искрового промежутка во втором контуре не слишком велика, то мы можем заметить, как в последнем будут проскакивать искры в те же моменты, в какие они проскакивают в искровом промежутке первого.
Вы не удивитесь этому новому явлению, если вспомните статьи, помещавшиеся ранее на страницах журнала "Радио Всем"1). Вы должны знать, что переменный электрический ток создает вокруг себя переменное магнитное поле и, что, наоборот, переменное магнитное поле индуцирует в проводнике переменную же электродвижущую силу.
В рассматриваемом случае переменное магнитное поле, создаваемое первой катушкой, охватывает отчасти и вторую, индуцируя в ее витках переменную электродвижущую силу. При достаточной величине последней воздушный промежуток второго контура может быть пробитым и мы увидим искру. Было бы ошибочным, однако, думать, что явление протекает здесь по тому же закону, как в обыкновенном трансформаторе, описанном в одной из упомянутых статей: в трансформаторе сила тока первичного и вторичного колеблется по тому закону, который задается машиной, питающей первичную сеть если машина дает 50 периодов в секунду, то ровно столько же периодов будет характеризовать ток в трансформаторе.
Не так обстоит дело с нашими колебательными контурами. Если мы для простоты будем заряжать конденсатор от машины постоянного тока, то период колебания первого контура в отдельности определится формулой Томсона (2). Если мы будем заряжать от той же машины конденсатор второго контура, взяв его также совершенно независимо от первого, то получим и для второго контура некоторый совершенно определенный период, вычисляемый тем же простым способом. Но стоит нам возбудить колебания во втором контуре, посредством колебаний в первом, как тотчас же картина резко изменится: и период колебаний во втором, и даже период колебаний в первом не будут уже соответствовать нашим прежним расчетам.
Мало того, сам характер колебаний также изменится: помимо обычного затухания будет иметь место периодическое ослабевание и усиление колебаний. Чтобы лучше разобраться в новых явлениях, прибегнем к механической аналогии: проследим за колебаниями двух маятников — свободных и связанных между собой.
Теория показывает, что период колебаний всякого свободного маятника зависит от длины его и пропорционален корню квадратному из нее. Снабдим наши маятники таким приспособлением, чтобы можно было плавно изменять их длину: для этого достаточно лишь проделать в их грузах отверстие, через которое будет проходить стержень маятника и закреплять на стержне груз при помощи нажимного винта. Поднимая или опуская грузы, мы можем заставить маятники колебаться с тем или иным периодом.
Подвесим теперь их рядом и соединим их между собою тонким шнуром так, как это показано на чертеже 5. К шнуру будем подвешивать грузики того или иного веса (Г).
Приведем в колебание один из маятников. Мы заметим, что второй не останется безучастным к его движениям: соединяющий их шнурок будет как бы "подстегивать" второй маятник и, в конце концов, его раскачает. Но по мере того, как он будет раскачиваться, вы заметите, как будут ослабевать колебания первого маятника, — будут заметно ослабевать, несмотря на то, что оба маятника колеблются с небольшим затуханием — их слегка тормозит только сопротивление воздуха.
Нетрудно сообразить, почему это происходит. В самом деле, ведь раскачав наш первый маятник, мы затратили на это некоторую энергию, сообщив ее ему. Теперь, когда начинает раскачиваться второй маятник, — он приходит в движение помимо нашего воздействия и единственным источником энергии для него может служить только первый маятник. Вот почему, раскачиваясь все сильнее и сильнее, он истощает запас энергии, накопленный в первом, и заставит его, наконец, совсем остановиться.
Затем наступает новая стадия явления: второй маятник начинает воздействовать на первый, висящий неподвижно, и постепенно его раскачивает, непрерывно отдавая ему похищенную у него энергию. С течением времени энергия эта снова окажется переданной первому маятнику, второй снова остановится — и весь процесс начнется с самого начала.
Помимо обычного затухания колебаний, вы будете наблюдать периодические изменения их амплитуды, — будете наблюдать так называемые биения.
На черт. 6 графически изображено описанное явление: по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — отклонение маятников от положения равновесия. В рассмотренном примере периоды собственных колебаний маятников были одинаковы; мы можем их сделать различными, если изменим длину одного из них. Тогда первый маятник будет "подстегивать" второй уже не в такт с его колебаниями иной раз, когда второй маятник будет склонен двигаться в одну сторону, первый будет толкать его в противоположную, не только не помогая ему, но даже мешая.
В этом случае колебания второго маятника никогда не достигнут такой силы, как в случае, описанном выше и называемом случаем резонанса. Теперь, изменив длину одного из маятников, мы, как говорят, вывели систему из состояния резонанса.
Переходя от системы двух связанно-колеблющихся маятников к оставленным нами контурам, мы можем обнаружить между ними очень много общего, совершенно так же в колебательных контурах возникают "биения", причем чертеж 6 может прекрасно изображать изменение разности потенциалов между обкладками конденсатора, с течением времени, или же аналогичные изменения силы тока. Попрежнему здесь будет иметь место "переливание" энергии из одного контура в другой.
Что касается связи между контурами, то она в данном случае характеризуется так называемым коэффициентом связи, квадрат которого равняется частному от деления квадрата так называемого коэффициента "взаимной индукции" на произведение коэффициентов самоиндукции первого и второго контуров. Физически связь характеризуется тем, какая часть всего магнитного поля катушек пронизывает их обе.
Явление резонанса также имеет место в колебательных контурах, как это должно быть известно каждому радиолюбителю: читая в газетах "на какой волне" работает та или иная станция, он "настраивает" свой приемник на определенное число периодов (число периодов равно тремстам тысячам, деленным на длину волны, выраженную в километрах). Если настройка будет плохая, звуки в телефонной трубке будут едва слышны или совсем не слышны: станция передающая не будет в состоянии достаточно "раскачать" колебательный контур приемника. В чем заключается сам процесс настройки, читатель знает уже из первой части заметки, а потому здесь мы приведем еще только, так называемую, резонансную кривую (черт. 7). Она изображает мощность тока в приемнике, в зависимости от числа колебаний, на которое он настроен (числа эти отложены по горизонтальной оси диаграммы).
Вы видите, как быстро наростает мощность по мере приближения к числу колебаний, равному 150.000 в секунду. Это число, очевидно, соответствует резонансу. При дальнейшем увеличении частоты сила тока в приемнике, как вы видите, падает - контур опять выходит из резонанса. Заметим, что резонансная кривая бывает всегда тем острее, чем связь между контурами слабее.
Но вы мне можете задать совершенно естественный вопрос: "Как можно сравнивать резонанс в приемном контуре с резонансом в системе двух связанных контуров, лежащих по соседству друг с другом?" Ведь все наши радиоприемники находятся так далеко от станций отправления, что ни о каком прямом сцеплении между ними речи быть не может - магнитное поле катушек отправительной станции даже краем не захватывает витков приемных катушек.
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны напомнить о тех явлениях, которые происходят в промежуточном пространстве, между обеими станциями. Ведь в этом пространстве от передатчика к приемнику бегут электромагнитные волны. Эти-то волны и переносят к приемнику энергию, посланную станцией отправления. Но как они возникают? Почему мы ничего о них не говорили, когда исследовали обыкновенный, Томсоновский, колебательный контур?
Потому, что он не излучает или почти не излучает волн. Для того, чтобы посылать энергию вдаль, необходимо видоизменить устройство контура, надо присоединить к искровому промежутку линейные провода, помеченные буквами А и П на чертеже 8. Когда в таком новом контуре возникнут электромагнитные колебания, они охватят и провода А и П, по которым также будут двигаться электрические заряды.
Но, двигаясь взад и вперед по этим длинным проводам, они будут вызывать в окружающем пространстве сильные электромагнитные возмущения, которых не могли вызвать провода Томсоновского контура, замкнутые сами на себя.
Согласно представлениям теории электромагнитного поля, между концами проводов А и П будут возникать натяжения в окружающей среде, охватывающие довольно отдаленные области, — от одного провода к другому словно протянутся какие-то упругие нити ("силовые линии").
При движении электрических зарядов от концов проводов к середине (к разрядному промежутку) будут двигаться и концы таких упругих нитей, опирающиеся на провода. Но в это время отдаленные части их не будут поспевать стянуться к середине — нить словно будет "захлестываться" петлей, которой к концу разряда останется только оторваться от создавших ее проводов. На чертеже 8-м пунктирными линиями схематически изображен вид таких воображаемых упругих линий в различных стадиях: первая натянута между концами А и П, вторая начала стягиваться к средине, третья захлестнулась петлей, а четвертая совсем отделилась (как говорят "отшнуровалась") от проводов.
Вместе с такими оторвавшимися "упругими нитями" в окружающее пространство излучается электромагнитная энергия. В пространство бегут от проводов А и П ряды электромагнитных волн, распространяющиеся со скоростью 300.000 километров в секунду.
Там и сям, на пути волн, попадаются приемники, снабженные такими же вытянутыми проводами А и П и тогда в них возбуждаются электромагнитные колебания. Часть энергии, излученной станцией отправления, перехватывается ими — перехватывается проводами А и П, в которых радиолюбитель узнает, конечно, антенну и противовес. Остается только хорошенько настроить приемный контур, чтобы отвоевать себе побольше несущейся мимо энергии.
Отметим в заключение, что схема, изображенная на черт. 8, является самой простой, но крайне несовершенной: благодаря большому омическому сопротивлению искрового промежутка, колебания в отправляющем контуре быстро затухают. Поэтому обычно передающую антенну присоединяют не прямо к разрядному промежутку, а соединяют с некоторым вторичным контуром, связанным с первым. В этом случае искровой разряд вызывает быстро затухающие колебания в первичном контуре, которые возбуждают, в свою очередь, во вторичном слабо затухающие колебания, передающиеся антенне. Такой способ возбуждения называется ударным.
1) Например, "Магнитные действия тока" в № 2 — статья С. Рексина и "Что надо знать о переменном токе", в № 5 за этот год, статья П. Н. Беликова.
2) T = 2π√CL
где:
Т — период.
С — емкость контура.
L — самоиндукция контура.