Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа пятая КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Любознайкин. — Хорошо ли ты усвоил объяснения моего дядюшки Радиоля о резонансе?

Незнайкин. — Проблемы различных соединений резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов достаточно сложны. Для того, чтобы их лучше понять, я второй раз прослушал магнитную ленту, записанную твоим дядюшкой. И теперь я легко представляю себе поведение цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки и конденсатора.

По мере того как частота переменного напряжения, питающего эту цепь, приближается к частоте резонанса, полное сопротивление схемы снижается. На частоте резонанса оно становится близким к нулю, так как реактивное сопротивление падает до нуля и остается лишь активное сопротивление, которое может быть совершенно ничтожным. Когда частота превысит резонансную, реактивное сопротивление вновь возрастает (рис. 39).

Рис. 39. Полное сопротивление колебательного контура изменяется в зависимости от частоты тока и становится практически равным нулю на резонансной частоте.

Л. — Я с удовольствием отмечаю, что ты хорошо понял явление резонанса, которое делает полное сопротивление почти равным нулю и тем самым до максимума повышает ток в цепи.

А можешь ли ты теперь догадаться, как разрядится заряженный конденсатор, если к нему подключить не активное сопротивление (что мы рассмотрели в ходе нашей предыдущей беседы), а катушку индуктивности?

Н. — Я думаю, что самоиндукция катушки воспрепятствует разрядному току мгновенно достичь большой величины. Он, следовательно, будет нарастать постепенно и достигнет максимума, когда конденсатор уже будет разряжен. Из-за самоиндукции ток не упадет мгновенно до нуля, а будет снижаться, заряжая в это время конденсатор, но заряд будет при этом иметь противоположную по сравнению с исходной полярность. Когда ток, наконец, станет равным нулю, конденсатор будет вновь заряжен. И все начнется сначала в обратном направлении. Итак, ток будет бесконечно переходить, заряжая конденсатор то в одном направлении, то в другом. И все это будет происходить в силу инерции, которая характерна для самоиндукции.

Л. — Я спрашиваю тебя, Незнайкин, не подсмотрел ли ты в учебнике по электричеству, насколько правилен твой ответ…

В самом деле, ток совершает колебания в цепи, которая по этой причине называется колебательным контуром (рис. 40). И ты, несомненно, можешь догадаться, какова частота этих колебаний.

Рис. 40. В колебательном контуре токи имеют синусоидальную форму.

Н. — Это, без сомнения, частота резонанса. Ведь именно для этой частоты наш колебательный контур имеет полное сопротивление, равное нулю или по крайней мере уменьшенное до значения его активного сопротивления.

Л. — Очень верно. И как ты думаешь, будут ли эти колебания продолжаться вечно?

Н. — Увы, ничто не вечно под луной. Как бы ни было мало активное сопротивление, оно при каждом полупериоде будет вызывать небольшую потерю энергии. Поэтому колебания постепенно ослабляются и вскоре полностью прекращаются (рис. 41).

Рис. 41. Колебания, создаваемые разрядом конденсатора через катушку индуктивности, затухают из-за потерь энергии на активном сопротивлении.

Л. — Да, говорят, что они затухают. Затухание колебаний в контуре происходит в основном из-за его активного сопротивления.

Ты, Незнайкин, без малейшей ошибки сделал столько правильных выводов, что я не могу не поздравить тебя.

Н. — Мне помогло то, что мой мозг нашел аналогию между колебательным контуром и маятником наших старых настенных часов. Даже в том случае, когда часы не заведены, достаточно отвести маятник в конечную точку его траектории, чтобы он пришел в колебательное движение. Но размах этих колебаний из-за сопротивления воздуха постепенно уменьшается. Частота же колебаний маятника туда и обратно — своего рода частота резонанса. Она зависит от его длины и массы.

Л. — Превосходное сравнение!.. Теперь ты знаешь, как достигается непрерывный ход маятника. Для этой цели заводят механизм часов, пружина которого становится как бы консервной банкой, наполненной некоторым количеством энергии. И при каждом колебании маятника пружина сообщает ему небольшой импульс, который только восполняет потерю энергии, вызываемую сопротивлением воздуха. Таким образом, твои часы идут безостановочно. А теперь скажи мне, что нужно сделать в нашем колебательном контуре, чтобы ток мог без ослабления продолжать свои прогулки туда и обратно?

Н. — По аналогии с часами я предполагаю, что при каждом периоде нужно вводить небольшое количество электрической энергии, компенсирующей потери, вносимые активным сопротивлением. Но я не вижу, как практически можно осуществить этот ввод энергии.

Л. — Такой ввод энергии можно выполнить методом индукции, пропуская ток резонансной частоты через катушку, индуктивно связанную с катушкой нашего колебательного контура. Можно также непосредственно соединить соответствующий источник напряжения с обкладками конденсатора (рис. 42).

Рис. 42. Ввод энергии в колебательный контур с помощью взаимной индукции (а) или путем непосредственного включения контура (б).

Н. — Я предполагаю, что этот источник будет отдавать очень мало энергии, так как требуется лишь восполнить небольшие потери на активном сопротивлении.

Л. — Действительно, ток, который пойдет от источника в колебательный контур, исключительно мал. Можно, следовательно, сказать, что по отношению к внешней цепи колебательный контур обладает высоким входным сопротивлением.

Н. — Я счастлив узнать это заключение, так как твой дядюшка ничего не говорил мне о параллельном соединении катушки и конденсатора.

Л. — Следовательно, если полное сопротивление соединенных последовательно катушки и конденсатора на частоте резонанса становится почти равным нулю, то при их параллельном соединении оно на этой же частоте резонанса становится почти бесконечным.

Н. — И колебания в контуре больше не затухают?

Л. — Нет, они сохраняют постоянную амплитуду при отсутствии активных потерь.

Н. — …А что произойдет, если мы изменим частоту внешнего источника напряжения, сделав ее выше или ниже частоты резонанса?

Л. — В обоих случаях реактивное сопротивление колебательного контура снизится.

Н. — А где на практике используются незатухающие колебания?

Л. — Именно они используются в радиотехнике. Они служат для создания электромагнитных волн, а при приеме они наводятся в колебательных контурах.

Н. — А как создают эти волны?

Л. — Очень просто, пропуская колебания переменного тока высокой частоты в передающую антенну. Последняя состоит из проводника, соединенного с колебательным контуром и обладающего металлической массой с определенной емкостью. Благодаря такому устройству при каждом полупериоде электрические заряды устремляются к этой емкости или возвращаются от нее к колебательному контуру. Таким образом создается переменный ток, протекающий по антенне. Этот ток создает вокруг антенны магнитное поле, направление силовых линий которого при каждом полупериоде изменяется. Так рождаются электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света, т. е. со скоростью 300000 км/с.

Н. — А в каком направлении они идут?

Л. — Если передающая антенна расположена вертикально, то волны равномерно распространяются по всем направлениям (рис. 43).

Рис. 43. Электромагнитные волны (показаны пунктиром), излучаемые передающей антенной.

Сам радиус каждой такой круговой волны растет со скоростью света. Но можно также сделать и направленные антенны, где, например, проводник-отражатель отражает волны и концентрирует их в луч.

Н. — Одним словом, здесь поступают, как при конструировании осветительных приборов. Бывают лампы, равномерно распространяющие свет во все стороны; но можно и ориентировать освещение в одном заданном направлении, как это, в частности, сделано в автомобильных фарах.

Л. — В этой аналогии нет ничего удивительного, потому что радиоволны и световые волны имеют одну и ту же электромагнитную природу. Единственная разница заключается в их частоте. А что касается частоты, то запомни, что для ее измерения пользуются единицей период в секунду, которая называется герц. Сокращенное написание этой единицы Гц. В радиотехнике обычно имеют дело с тысячами герц — килогерцами (кГц), миллионами герц — мегагерцами (МГц) и даже миллиардами герц — гигагерцами (ГГц).

Частоты электромагнитных волн видимого света занимают полосу (385–790)·10⁶ Мгц. В радиотехнике пользуются менее высокими частотами: от 30000 Гц до 3000 МГц. Можешь ли ты рассчитать длину соответствующих этим частотам волн?

Н. — Я предполагаю, что так называют расстояние между двумя последовательно отделившимися от антенны волнами. Так как они распространяются со скоростью 300 000 000 м/с, то расстояние, пройденное одной волной до момента отделения следующей, равно этой скорости, умноженной на время, протекающее между двумя соседними волнами. Это время представляет собой период переменного тока, порождающего волны, причем он обратно пропорционален частоте.

Л. — Совершенно верно, Незнайкин. Если мы обозначим период буквой T, тогда Т = 1/f. Следовательно, длина волны λ в метрах равна:

Н. — Таким образом, если частота 30000 Гц, длина волны равна 10000 м. А максимальной частоте 3000 МГц соответствует волна длиной всего 10 см.

Л. — Ты правильно рассчитал. Запомни, что используются длинные волны (1000 м и более), средние волны (от 100 до 1000 м) и, наконец, короткие волны (меньше 100 м). Используются также ультракороткие волны, длина волны которых меньше метра; к ним относятся дециметровые и сантиметровые волны. В некоторых особых случаях используются даже миллиметровые волны.

Для того чтобы получить направленное распространение волн с помощью рефлекторов, необходимо применять короткие и ультракороткие волны, так как для длинных и средних волн требуются рефлекторы диаметром несколько километров, сделать которые невозможно.

Н. — А как принимают радиоволны?

Л. — С помощью приемной антенны, представляющей собой проводник, находящийся на пути распространения волн, проходя по которому, электромагнитные волны наводят в нем токи высокой частоты. Эти волны без какого бы то ни было ослабления проходят через диэлектрики. Однако, наводя токи в проводниках, они теряют часть своей энергии.

Н. — Ты меня пугаешь, Любознайкин. Человеческое тело — проводник электричества. Следовательно, волны всех радио- и телевизионных передатчиков наводят в моем теле токи?

Л. — Несомненно, но успокойся: эти токи чрезвычайно малы и никоим образом не могут причинить тебе вреда.

Н. — Тем лучше. А как они ведут себя в радио- или телевизионных приемниках?

Л. — Здесь наводимые ими токи тоже очень малы. Антенна непосредственно или индуктивно соединена с входным колебательным контуром приемника. Если контур настроен на частоту принимаемых волн, то благодаря явлению резонанса в контуре возникает относительно большой ток. Антенна через катушку должна быть заземлена. Если колебательный контур включен непосредственно между антенной и заземлением (рис. 44) и если он точно настроен на частоту принимаемых волн, его сопротивление большое, поэтому падение напряжения, создаваемое токами антенны на выводах контура, относительно высокое.

Рис. 44. В приемнике контур настройки может включаться непосредственно между антенной и заземлением (а) или же индуктивно связываться с катушкой, по которой протекают токи, наводимые принимаемыми сигналами (б).

Н. — А что произойдет, если контур окажется не в резонансе с принимаемыми волнами?

Л. — В этом случае его полное сопротивление станет меньше, что приведет к снижению напряжения на выводах контура. Это то самое явление, которое лежит в основе избирательности контура, его способности наилучшим образом принимать частоты, на которые он настроен.

Измеряя напряжение на выводах контура для различных частот, можно вычертить кривую избирательности, показывающую, как изменяется напряжение в зависимости от частоты (рис. 45).

Рис. 45. Кривые, показывающие, как изменяется напряжение U на колебательном контуре в зависимости от частоты сигнала f. Кривые представлены для контура с низкой (а) и высокой (б) избирательностью.

Н. — А что определяет форму этой кривой? Я имею в виду прежде всего ее большую или меньшую ширину, так как чем уже эта кривая, тем выше, на мой взгляд, избирательность контура.

Л. — И ты не ошибаешься. Избирательность определяется коэффициентом затухания контура. Этот коэффициент в основном зависит от активного сопротивления катушки, вносящего в контур потери.

Н. — А каким образом удается установить колебательный контур в резонанс с частотой передачи, которую желают принять?

Л. — Для этого настраивают контур на требуемую частоту соответствующим изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Если использовать конденсатор переменной емкости, настройку можно осуществить плавно. Что же касается индуктивности, то ее обычно меняют скачками для переключения диапазонов, например чтобы перейти с длинных волн на короткие. Для этой цели служит переключатель, позволяющий заменить одну катушку другой или использовать часть витков одной катушки, имеющей специальные отводы (рис. 46). Раньше использовали также катушки с плавным изменением индуктивности. Примером такого устройства может служить вариометр, состоящий из двух последовательно соединенных катушек, одну из которых можно было вращать внутри другой и, таким образом, изменять их взаимную индукцию.

Рис. 46. Переключение с одного диапазона волн на другой осуществляется переключением катушек (а) или части витков одной катушки (б).

Н. — Хорошо. Я понял, как излучают волны и как их принимают. Но каким образом заставляют волны передавать звук или изображение? И как при приеме удается их воспроизводить?

Л. — Все это потребует немало объяснений. Мой дядюшка и я сам сможем теперь приступить к этим вопросам, так как ты постиг основы общей электротехники.