Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа шестая ОТ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ К ЭЛЕКТРОВАКУУМНОМУ ДИОДУ

Любознайкин. — Теперь, дорогой Незнайкин, благодаря объяснениям моего дядюшки ты имеешь достаточно ясное представление о том, каким образом осуществляется радиотелефонная связь. И мы можем перейти к изучению основных устройств, которые используются для этой цели. Начну я с электронных ламп.

Незнайкин. — Повремени немного. Есть один вопрос, вызывающий у меня беспокойство. Как сказал твой дядюшка, волны наводят слабые токи в приемной антенне. Я предполагаю, что антенна представляет собой провод определенной длины. Однако мой портативный транзисторный приемник очень хорошо работает совсем без антенны. Для того чтобы услышать передачу, достаточно сориентировать его в том или ином направлении, которое изменяется в зависимости от того, какой передатчик я хочу принять. Как это происходит без антенны?

Л. — Ты ошибаешься, говоря об отсутствии антенны. В твоем приемнике имеется превосходная антенна. Но это не наружная, а рамочная антенна.

Н. — До сих пор я знал только рамки у картин… Что же это за рамка, которая принимает волны?

Л. — Это просто катушка, в которой переменные магнитные поля радиоволн наводят токи (рис. 56).

Рис. 56. Рамочная антенна для приема электромагнитных волн.

Раньше пользовались рамочными антеннами, расположенными вне ящика, содержащего электрические блоки приемника. Рамочную антенну делали из нескольких витков проволоки, намотанных на соединенные крестообразно две деревянные рамки. Таким образом получали катушку квадратной формы. Одна из двух рамок устанавливалась вертикально и служила осью вращения, позволяющей ориентировать катушку в любом направлении.

Электромагнитные волны, как говорит само их название, одновременно имеют электрические и магнитные силовые линии.

Н. — Я даже думаю, что они взаимно перпендикулярны. Электрические силовые линии направлены вдоль распространения волн (рис. 57). Они образуют своеобразные радиусы окружностей, которые образуют магнитные силовые линии. Можно сказать, что радиус окружности перпендикулярен участку окружности, которого он касается.

Рис. 57. Направление электрических и магнитных силовых линий. Передающая антенна находится в центре. Электрические силовые линии показаны стрелками, а магнитные силовые линии — пунктирными окружностями.

Л. — Учитель геометрии поправил бы тебя, сказав, что радиус перпендикулярен касательной, проходящей через данную точку окружности. Но то, что ты сказал, верно. Теперь ты легко можешь понять, что для того чтобы магнитные силовые линии радиоволн навели токи в катушке рамочной антенны, необходимо, чтобы ее ось совпадала с направлением этих силовых линий. А так как они направлены перпендикулярно направлению на передатчик, нужно плоскость витков рамочной антенны сориентировать в этом направлении. Следовательно, для приема того или иного передатчика нужно сориентировать на него рамочную антенну. Это явление, позволяющее точно определить, откуда приходят волны, легло в основу радиопеленгации.

Ты знаешь, какую пользу приносит этот метод в морской и воздушной навигации? С помощью двух радиопеленгаторов, расположенных достаточно далеко друг от друга, точно определяют направление на излучающий радиоволны корабль или самолет (рис. 58). Затем, вычертив на карте соответствующие прямые, легко устанавливают место, где этот корабль или самолет находится. Движущийся объект находится в точке пересечения этих линий.

Рис. 58. Сориентировав две рамочные антенны на передатчик, определяют его местонахождение (а), а направив рамочную антенну на два передатчика, определяют местонахождение приемника (б).

Н. — Скажи, пожалуйста, а нельзя ли поступить наоборот: с корабля или самолета определить направления на два стационарных передатчика, местонахождение которых точно известно?

Л. — Такой метод радиопеленгации действительно применяется. Однако в наши дни радиопеленгаторы постепенно исчезают: их очень удачно заменяют радиолокаторы, о которых я тебе расскажу позднее.

Н. — Но вернемся к вопросу, который я задал тебе в начале нашей беседы. Должен ли я предположить, что внутри футляра моего портативного приемника имеется рамочная антенна?

Л. — Это не вызывает сомнения, но используемая в твоем приемнике рамочная антенна представляет собой катушку на ферритовом сердечнике.

Н. — Что ты так называешь?

Л. — Это магнитный сердечник с высокой проницаемостью, сделанный в виде стержня и состоящий из ферромагнитных окислов, крупинки которых изолированы друг от друга.

Н. — Зачем?

Л. — Чтобы до минимума уменьшить токи Фуко, т. е. токи, которые переменное магнитное поле катушки наводит в любом помещенном в него проводнике. Благодаря изоляции магнитных зерен активное сопротивление магнитного сердечника так велико, что его практически можно рассматривать как диэлектрик. В результате токи Фуко равны нулю и наша катушка, служащая внутренней антенной, не растрачивает энергию понапрасну. Такие антенны носят название ферритовых или магнитных.

Н. — Но для какой цели служит этот сердечник?

Л. — Принимая во внимание очень малые размеры ферритовой антенны, установленной в футляре радиоприемника, необходимо использовать сердечник, позволяющий повысить индуктивность и, что самое главное, дающий возможность более эффективно принимать радиоволны. Благодаря своей высокой магнитной проницаемости эти сердечники, облегчая прохождение магнитных силовых линий, концентрируют волны в ферритовых антеннах.

Н. — А как такие антенны соединяются с входом приемной схемы?

Л. — Обычно ферритовая антенна является индуктивностью входного колебательного контура и поэтому соединяется с обкладками настроечного конденсатора переменной емкости (рис. 59).

Рис. 59. Колебательный контур, содержащий рамочную антенну с ферритовым сердечником.

Н. — Понятно. И последний вопрос относительно антенны. Никакого труда не вызывает ориентация в нужном направлении портативного радиоприемника. Но ведь нельзя же крутить громоздкий и тяжелый приемник, стоящий в углу комнаты. Как поступают в этом случае?

Л. — В этом случае вращают только ферритовую антенну, установленную внутри футляра, с помощью специальной ручки, находящейся на передней панели радиоприемника.

Л. — До сих пор мы говорили лишь о пассивных компонентах — конденсаторах, катушках индуктивности и резисторах. Теперь подошло время заняться активными компонентами.

Н. — А как в них протекает ток?

Л. — Через вакуум или полупроводник.

Н. — У меня такое впечатление, Любознайкин, что ты надо мною смеешься. Как можно себе представить прохождение тока через вакуум, если он еще в большей степени, чем сухой воздух, представляет собой идеальный диэлектрик?

Л. — И тем не менее электроны свободно проходят через вакуум при условии, что их туда выбрасывают. Для этой цели проводник нужно нагреть до высокой температуры. Знаешь ли ты, что происходит в нагретом веществе?

Н. — Конечно. Молекулы вещества приходят в беспорядочные колебательные движения, скорость которых по мере повышения температуры возрастает.

Л. — Совершенно верно. И наступает такой момент, когда молекулы настолько раскачиваются, что электроны, находящиеся на внешних орбитах и потому слабее притягиваемые ядрами, отрываются и, покидая вещество, вылетают наружу.

Н. — Мне это напоминает наполненный фруктами поднос, который трясут до такой степени, что некоторые фрукты падают.

Л. — Аналогия справедлива. Но ты не спросил меня, как нагревают вещество, чтобы вызвать эмиссию электронов. Это, конечно, можно сделать с помощью пламени горящего угля, бензина или газа. Но если я скажу тебе, что в электронике предпочитают пользоваться электрической энергией, то ты мне поверишь на слово.

На практике пользуются небольшой спиралью, которую протекающий ток накаляет наподобие нити осветительной лампы. Электрическая энергия при прохождении по спирали превращается в тепло. А так как нить накала очень тонкая, ее сопротивление высокое, а масса ничтожная, выделяющиеся на ней калории доводят ее до высокой температуры.

Н. — Таким образом, как я понял, и происходит эмиссия электронов с нити накала в окружающее пространство?

Л. — Да, по крайней мере в лампах с непосредственным накалом, в которых накаленная нить накала эмиттирует электроны (рис. 60).

Рис. 60. Эмиссия электронов катодом с прямым накалом.

Но чаще пользуются лампами с косвенным накалом, в которых нить накала закрыта тонким слоем диэлектрика, на этот диэлектрик надета никелевая трубочка, покрытая эмиссионным слоем, состоящим из различных окислов, способных испускать электроны при не очень высокой температуре, чаще всего здесь используют окислы бария и стронция (рис. 61).

Рис. 61. Эмиссия электронов катодом с косвенным накалом.

Н. — А какой смысл так усложнять устройство, испускающее электроны?

Л. — Благодаря косвенному накалу нить накала электрически изолирована от слоя, испускающего электроны. Это, в частности, позволяет нагревать ее как постоянным, так и переменным током. Ток накала в данном случае играет лишь второстепенную роль.

Создание ламп с косвенным накалом позволило наладить производство приемников с питанием от осветительной сети. А раньше в приемниках на лампах с непосредственным накалом для получения стабильной эмиссии электронов нити накала нагревали с помощью энергии батарей напряжением 4 В.

В наши дни лампы с косвенным накалом питают переменным током напряжением 6,3 В, получаемым от сети с помощью понижающего трансформатора.

Н. — Я хорошо понял, как создают эмиссию электронов, но не вижу, для чего могут понадобиться рассеянные в пространстве электроны. Я даже спрашиваю себя, не будут ли они страдать, разбивая себе носы при столкновении с молекулами воздуха, которые они встретят на своем пути.

Л. — Никакой опасности нет, потому что эмиттер (излучатель электронов) помещается в вакууме, т. е. в стеклянной колбе, из которой откачали воздух, создав в ней почти абсолютную пустоту. Но мы не позволим электронам прохлаждаться в этой пустоте. Напротив нашего электрода, термического излучателя электронов, мы установим пластину из проводника и подведем к ней положительный относительно излучающего электрода потенциал (рис. 62). Что же тогда произойдет?

Рис. 62. В диоде с косвенным накалом на анод подается положительный относительно катода потенциал, что позволяет ему притягивать испускаемые катодом электроны.

Н. — Будучи положительной, пластина притянет к себе вылетающие электроны. И если источник постоянного напряжения включен между испускающим электроны электродом и притягивающей их пластиной, то потечет постоянный ток по цепи, одним из участков которой будет вакуум. Это, однако, потрясающе!

Л. — Так устроен электровакуумный диод. Он имеет два электрода: тот, который излучает электроны и обладает отрицательным потенциалом, называется катодом, а другой, обладающий положительным потенциалом, называется анодом.

В выпускаемых в настоящее время лампах (рис. 63) катод чаще всего располагают на вертикальной оси колбы, а анод, имеющий форму цилиндра, окружает катод со всех сторон.

Рис. 63. Устройство диода.

_{1 — нить накала; 2 — катод; 3 — анод.}

Н. — А для чего может служить диод?

Л. — Представь себе, что ты ошибся: перепутал полюсы при включении батареи для создания напряжения между катодом и анодом. Анод стал отрицательным по отношению к катоду. Что тогда произойдет?

Н. — Став отрицательным, анод вместо того, чтобы притягивать испускаемые катодом электроны, станет их отталкивать. Следовательно, через диод ток протекать не будет.

Л. — Верно, а теперь предположим, что вместо батареи ты включил между электродами диода источник переменного напряжения.

Н. — Хорошо. Я вижу, к чему ты хочешь меня подвести. В этом случае при полупериодах, делающих анод положительным, от катода к аноду будет протекать ток. А при полупериодах, делающих анод отрицательным, тока не будет.

Л. — Как ты видишь, наш диод пропускает ток лишь в одном направлении и позволяет выпрямлять переменный ток. Эта способность выпрямлять ток — очень ценное для радиотелефонии качество. Ты помнишь, какую форму имеет несущий высокочастотный ток, модулированный токами низкой частоты, полученными в результате преобразования звуков в электрические сигналы. Такой модулированный ток наводит во входном настроенном контуре приемника напряжение такой же формы.

Приложим это напряжение между анодом и катодом диода. Оно будет выпрямлено; через диод пройдут только те полупериоды, при которых анод становится положительным.

Пропустим полученный таким образом ток через телефон, включенный параллельно конденсатору (рис. 64). Емкость этого конденсатора примет на себя полупериоды высокой частоты и таким образом восстановит ток низкой частоты, содержащий передаваемые по радио звуки. Ты услышишь их в телефоне. Такой приемник называют детекторным. В этом случае диод детектирует ток высокой частоты. Благодаря такому детектированию из тока высокой частоты выделяется использовавшийся для его модуляции ток низкой частоты.

Рис. 64. Схема детекторного приемника (а) и формы токов (б).

_{1 — модулированный высокочастотный ток, наведенный в антенне; 2 — продетектированный диодом ток; 3 — ток низкой частоты, выделенный конденсатором С.}

Н. — Одним словом, если я правильно понял, основная роль диода заключается в выпрямлении тока, что позволяет детектировать токи, наведенные радиоволнами.

Л. — Да, и попутно отметь, что детектировать можно не только электровакуумным диодом, но и любым другим устройством, способным выпрямлять ток.