Юный радиолюбитель [7-изд]

Беседа 1 ИСТОКИ РАДИО

Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад.

… Еще в те времена в окрестностях дневнегреческого города Магнезия люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их называли «магнитами» (вот откуда пришло к нам слово магнит!). Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки сухого дерева, травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем янтарем. Древние греки янтарь называли электроном. Отсюда и образовалось впоследствии слово электричество.

Это интересное явление природы, называемое электризацией тел трением, ты можешь наблюдать, не отправляясь к морю на поиски кусочков окаменевшей смолы ископаемых растений — янтаря. Натри пластмассовую расческу шерстяной тряпочкой и поднеси ее к мелким кусочкам тонкой бумаги (рис. 1, а): они мгновенно прилипнут к наэлектризованной расческе, а через некоторое время опадут на стол. Поднеси наэлектризованную расческу к волосам. Волосы тоже притянутся к расческе, что иногда может сопровождаться даже появлением искр — сверхминиатюрных молний.

Проведи еще один опыт. На два сухих спичечных коробка положи насухо протертое стекло, а под него — те же кусочки тонкой бумаги. Сложи шерстяную тряпочку тампоном и натирай им стекло сверху (рис. 1, б). Ты увидишь, как запрыгают, запляшут под стеклом кусочки бумаги! Хотя и выглядит это как фокус, ничего загадочного здесь нет: натертые шерстяной тряпочкой расческа или стекло приобретают электрический заряд, благодаря которому они, подобно магниту, притягивают легкие кусочки бумаги, волосинки.

Рис. 1. Наэлектризованная расческа притягивает пушинки, волоски, кусочки бумаги (а); под электризующимся стеклом кусочки бумаги «танцуют» (б)

Но ни древние греки, ни другие мыслители и философы на протяжение многих столетий не могли объяснить это свойство янтаря и стекла. В XVII в. немецкому ученому Отто Герике удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако разгадка тайн «электрической жидкости», как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена.

В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была «лейденская банка» (по названию университета) — стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой (рис. 2).

Рис. 2. Лейденская банка-конденсатор

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, т. е. перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электрически заряженная лейденская банка.

Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами (слово «конденсатор» означает «сгуститель»), а их не соединяющиеся между собой полоски фольги — обкладками конденсаторов.

Более совершенный, а главное почти непрерывный источник электрического тока изобрел в конце XVIII в. итальянский физик Александр Вольта. Между небольшими дисками из меди и цинка он помещал суконку, смоченную раствором кислоты (рис. 3).

Рис. 3. Элемент Вольта

Пока прокладка влажная, между дисками и раствором происходит химическая реакция, создавая в проводнике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли «вольтовыми столбами». Они-то и положили начало электротехнике.

Подобный источник тока мы называем гальваническим элементом — по имени Луиджи Гальвани, открывшего явление электрического тока, а соединенные параллельно или последовательно элементы — батареями гальванических элементов.

Практика показала, что существуют два вида электричества. Один из них, соответствующий электрическому заряду медной пластины, стали условно считать положительным, а второй, соответствующий заряду цинковой пластины — отрицательным. В соответствии с этим первую пластину — полюс источника тока — стали называть положительным и обозначать знаком «+», а второй полюс — отрицательным и обозначать знаком «—». Условно стали также считать, что ток течет от положительного к отрицательному полюсу элемента или батареи.

Здесь я вынужден забежать немного вперед, чтобы ответить на вопрос, который, вероятно, у тебя уже возник: что такое электрический ток?

Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Чтобы разобраться в этом явлении природы, нам придется мысленно проникнуть в микромир вещества.

Веществом, или материей, называют все то, из чего состоят все существующие в природе предметы, тела: твердые, жидкие, газообразные. Все они образуются из атомов. Атомы чрезвычайно малы. Единица длины миллиметр совершенно непригодна для их измерения, так как она слишком велика. Не годится для таких измерений ни тысячная доля миллиметра — микрон, ни миллимикрон, который в тысячу раз меньше микрона. Подходит только десятая доля миллимикрона. Диаметр атомов различных веществ составляет от 0,1 до 0,4 нм (10^-10 м = 0,1 нм). Другими словами, на участке длиной 1 см могут свободно разместиться от 25 до 100 млн. атомов.

Некогда предполагали, что атом — мельчайшая неделимая частица вещества. Слово «атом» и означает «неделимый». Но впоследствии ученые узнали, что и атом состоит из более мелких частиц. В центре атома любого вещества находится ядро, размеры которого примерно в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома. А потом оказалось, что и ядро состоит из еще более мелких частиц, которые были названы протонами и нейтронами. В настоящее время ученые успешно разрушают, или, как говорят, расщепляют ядра атомов и получают огромную скрытую в них энергию — атомную. На атомных электростанциях эта энергия превращается в энергию электрического тока. Атомная энергия приводит в движение морские корабли, например ледоколы, подводные лодки.

Атом можно представить как мир микроскопических частиц, вращающихся вокруг своей оси и одна вокруг другой. А в центре этого микромира находится плотное, массивное ядро, вокруг которого обращаются во много раз еще более мелкие, чем ядро, частицы — электроны. Электроны образуют оболочку атома.

Каковы размеры электронов? Чрезвычайно малы. Если булавочную головку мысленно увеличить до размера нашей планеты Земли, то при этом каждый атом металла, из которого сделана булавка, увеличился бы до размера шара диаметром 1 м. И вот в центре такого фантастически увеличенного атома мы увидели бы его ядро — шарик размером в типографскую точку, вокруг которого вращались бы еле заметные пылинки — электроны.

Если ты захочешь узнать размеры электрона, раздели число 3 на единицу с 12 нулями. Получишь примерный диаметр электрона, выраженный в миллиметрах.

Электроны часто называют «частицами». Однако это не следует понимать в том смысле, что электрон представляет собой нечто вроде твердого комочка или шарика. По современным представлениям электроны можно уподобить облачкам, окружающим атомное ядро и обращающимся вокруг него. Электрон как бы «размазан» по оболочке атома. Однако для наглядности объяснения физических явлений природы электроны часто условно, как бы символически, изображают на рисунках в виде шариков, вращающихся вокруг атомного ядра подобно искусственным спутникам вокруг Земли. Этого будем придерживаться и мы.

В атоме каждого химического элемента число электронов строго определенно, но неодинаково для разных химических элементов. Самую простую конструкцию имеет атом газа водорода — его оболочка содержит всего один электрон (рис. 4, а). Оболочка атома гелия (этим газом наполняют трубки для светящихся красным светом вывесок, рекламных надписей) имеет два электрона (рис. 4, б). Атомы других химических элементов содержат больше электронов, причем их электронные оболочки многослойны. Атом кислорода, например, имеет восемь электронов, расположенных в двух слоях: в первом — внутреннем, ближнем к ядру, слое движутся два электрона, а во втором, внешнем, шесть (рис. 4, в). У каждого атома железа по 26 электронов, а у каждого атома меди по 29. У атомов железа и меди электронные оболочки четырехслойные: в первом слое — два электрона, во втором и третьем по восемь, а все остальные электроны во внешнем, четвертом слое.

Рис. 4. Схематическое устройство атома водорода (а), гелия (б) и кислорода (в). Орбиты электронов изображены в одной плоскости

Электроны, находящиеся во внешнем слое оболочки атома, называют валентными. Запомни: валентные. Мы не раз будем вспоминать о валентных электронах, особенно когда пойдет разговор о полупроводниковых приборах. О числе электронов в атомах различных веществ ты можешь узнать из таблицы химических элементов, составленной великим русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Эта таблица имеется в химическом и физическом кабинетах твоей школы. Пока же запомни: число протонов в ядре атома всегда равно тому числу электронов, которое должно быть в электронной оболочке атома данного вещества Каждый протон атомного ядра несет положительный (+) электрический заряд, а каждый электрон атомной оболочки — отрицательный (—) электрический заряд, равный заряду протона. Нейтроны, входящие в состав атомного ядра, не несут никакого заряда.

Ты, конечно, не раз забавлялся подковообразным магнитом. Ведь только существованием невидимого магнитного поля, пронизывающего пространство вокруг его полюсов, можно объяснить явление притягивания им железных предметов. Благодаря этому полю можно, например, заставить гвоздь держаться на столе вертикально, не касаясь его магнитом. А если попробовать соединить два магнита одноименными полюсами? Они будут отталкиваться! А разноименными? В этом случае полюсы магнитов притянутся и прилипнут друг к другу. Подобным образом ведут себя и электрические заряды: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Если электроны имеют заряд, противоположный по знаку заряду протонов, значит, между ними в атоме все время действуют электрические силы, удерживающие электроны возле своего ядра.

«А почему электроны не падают на ядро?» — спросишь ты. Потому, что они вращаются вокруг ядра с огромной скоростью. Не падает же на Землю Луна, хотя Земля и притягивает своего вечного спутника.

Поскольку в атоме суммарный отрицательный заряд всех электронов равен суммарному положительному заряду всех протонов, атом внешне не проявляет никаких электрических свойств. Говорят, что такой атом электрически нейтрален. Это внутриатомное свойство можно сравнить с таким явлением: если на две чашки весов положить по одинаковому числу копеечных монет, весы будут в равновесии. Валентные электроны, находящиеся на наибольшем удалении от ядра, удерживаются ядром слабее, чем более близкие к нему. При различных внешних воздействиях, например при нагревании, натирании или под влиянием света, валентные электроны некоторых веществ могут покидать свои атомы и даже пределы тела, в которые они входили. Такие электроны, покинувшие свои атомы, называют свободными.

А что же происходит с атомом, потерявшим один или несколько электронов? Его внутреннее электрическое равновесие нарушается. В нем начинает преобладать положительный заряд ядра и атом в целом становится положительным. Такой атом называют положительным ионом. В этом случае он, как и магнит, стремится притянуть к себе оказавшиеся поблизости свободные электроны или «отобрать» их у соседних атомов, чтобы восполнить потерю и снова стать электрически нейтральным. А если в электронной оболочке атома появится лишний электрон? Такой атом будет проявлять свойства отрицательного заряда. Это будет уже отрицательный ион. При первой же возможности он вытолкнет лишний электрон, чтобы вновь стать электрически нейтральным.

«Родственные» атомы или атомы разных химических элементов, соединяясь, образуют молекулы. Водород, например, обычно состоит из молекул, в каждую из которых входит по два водородных атома. При этом электронные оболочки обоих атомов сливаются (рис. 5). В такой молекуле оба электрона движутся вокруг двух атомных ядер. Здесь уже нельзя различить, какой из электронов какому из двух атомов принадлежит.

Рис. 5. При соединении двух атомов водорода в молекулу их электронные оболочки сливаются

Если же два атома водорода соединить с одним атомом кислорода, то получится молекула воды. Все тела строятся на основе молекул. Бумага, например, на которой напечатана эта книга, «соткана» из молекул клетчатки, в которые входят атомы водорода, кислорода и углерода.

Молекула, как и атом, электрически нейтральна, если общее число электронов в ней равно общему числу протонов, находящихся в ее атомных ядрах. Если число электронов в молекуле будет меньше числа протонов, то молекула будет нести положительный заряд, а если больше числа протонов — отрицательный заряд. Если перенести каким-либо способом часть электронов из атомов или молекул одного тела в другое, то и вокруг этих тел и в пространстве между ними возникнут электрические силы, или, как говорят, создастся электрическое поле.

Вот тебе и разгадка «секрета» расчески, натертой шерстяной тряпочкой или шелком! При трении о шерсть расческа отдает ей часть электрических зарядов, в результате чего сама электризуется. Вокруг наэлектризованной расчески возникает электрическое поле, вследствие чего она и приобретает способность притягивать легкие предметы. Электрическое поле действует и между двумя частями одного и того же тела, например, в куске металла, если в одной части его имеется избыток электронов, а в другой — недостаток. Возникают условия для перемещения избыточных электронов к той части тела, где их недостает.

Электрический заряд одного электрона ничтожно мал. Но если электронов много и если можно заставить их двигаться внутри тела в одну сторону, образуя поток отрицательных зарядов, получится то, что мы называем электрическим током.

Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами (рис. 6).

Рис. 6. В металле пространство между атомами заполнено свободными электронами

В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное «облако». Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.

В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока. К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами. Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.

Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда-то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов, с которыми будет связана большая часть твоего творчества.

Как заставить двигаться упорядоченно, в одном направлении, обилие свободных электронов, скажем, в нити накала электрической лампочки? Нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу или батарее гальванических элементов.

Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося химическим источником тока, показано на рис. 7.

Рис. 7. Устройство простейшего гальванического элемента и схематическое изображение замкнутой электрической цепи

Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот, — недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. О разнице между ЭДС и напряжением я расскажу тебе позже, во время экскурсии в электротехнику.

Ты уже знаешь, что полюсы элемента или батареи обозначают знаками «плюс» и «минус». Их ты видел, например, возле жестяных выводных пластинок батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис. 7, а сухих. Там их три. Несколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и называют батареей.

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны, как по мостику, перекинутому через овраг, будут двигаться туда, где их недостаток, — от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике — электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила. Такую простейшую электрическую цепь можно подразделить на два основных участка: внешний и внутренний. К внешнему участку цепи относится все, что подключается к полюсам источника тока (на рис. 7 — лампа накаливания и соединительные проводники), а к внутреннему — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.

Разноименные заряды можно сообщить двум изолированным телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитях. Шарики будут притягиваться, но тока между ними не будет, так как их разделяет диэлектрик воздух.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Ты можешь спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создаст, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках (об этом разговор пойдет в шестой беседе), таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.

Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным и обозначают латинской буквой I. Его можно изобразить графически, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Графическое изображение постоянного тока

Точка пересечения горизонтальной и вертикальной осей, обозначенная нулем, являются исходной для графического изображения времени t и количественного значения тока в электрической цели.

О чем может рассказать этот график? Сначала (отрезок времени Оа) тока в цепи вообще нет (ток равен нулю), так как к источнику тока не был подключен внешний участок цепи. Ток появился, когда цепь замкнули (точка а). Он быстро возрос до некоторого значения (точка б) и не изменялся до тех пор, пока цепь была замкнута (точка в). Когда цепь разомкнули, ток мгновенно прекратился (точка г). Если электрическую цепь снова замкнуть, в ней опять появится ток. Так примерно выглядит график тока, текущего через лампу накаливания карманного электрического фонаря, кот да его включают на короткие промежутки времени.

Через соединительные проводники и нить лампы накаливания, изображенные на рис. 7, электроны движутся слева направо — от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, тогда электроны в том же внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом конце участка цепи, а плюс - на левом. Изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.

А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами, в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опить в обратном и т. д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.

Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не ока жегся положительным, и т. д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодически изменяются.

Графически переменный ток изображают волнистой линией синусоидой, показанной на рис. 9. Здесь вертикальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направлению тока, названному мною «туда», а вниз — другому направлению тока, обратному первому, — «обратно».

Рис. 9. Графическое изображение переменного тока

О чем может рассказать такой график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении — «туда», достигая наибольшего значения (точка б), и также плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении — «обратно». Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет свои направление и значение.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответствующее участку графика от а до д или от в до ж (рис. 9). Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой.

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устройства — трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока мы будешь широко использовать в своей радиолюбительской практике.

Все то, о чем я рассказал тебе сейчас, знает каждый старшеклассник и, разумеется, каждый радиолюбитель. Ты пользуешься благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего-навсего каких-нибудь лет 100 назад только-только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Ты можешь в этом убедиться, если сам проведешь аналогичный опыт. Для этого потребуются: батарея гальванических элементов, например 3336Л, миниатюрная лампа накаливания, предназначаемая для карманного электрического фонаря, медный провод толщиной 0,2–0,3 мм в эмалевой, хлопчато-бумажной или шелковой изоляции и компас.

С помощью отрезков провода, удалив с их концов изоляцию, подключи к батарее лампу накаливания. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея в данном случае является источником питания этой цепи. Поднеси один из соединительных проводников поближе к компасу (рис. 10) и ты увидишь, как его магнитная стрелка сразу же станет поперек проводника. Она укажет направление круговых магнитных силовых линий, рожденных током. Наиболее сильное магнитное поле тока будет возле самого проводника. По мере удаления от проводника магнитное поле, рассеиваясь, ослабевает.

Рис. 10. При изменении направления тока в проводнике меняется и направление линий магнитного поля

А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами подключение его к полюсам батареи? Изменится и направление магнитных силовых линий — магнитная стрелка повернется в другую сторону. Значит, направление силовых линий магнитного поля, возбуждаемого током, зависит от направления тока в проводнике.

Какова в этих опытах роль лампы накаливания? Она служит как бы индикатором наличия тока в цепи. Она, кроме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только проводник, магнитное поле тока станет сильнее, но батарея быстро разрядится. Если в проводнике течет постоянный ток неизменного значения, его магнитное поле также не будет изменяться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток — усилится его магнитное поле, исчезнет ток — магнитное поле пропадет. Словом, ток и его магнитное поле неразрывно связаны и взаимно-зависимы.

Магнитное поле тока легко усилить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь ее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердечником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы (рис. 11). Это свойство тока используется во множестве электрических приборов.

Рис 11. Проводник с током, свернутый в катушку, становится электромагнитом

А если магнитную стрелку поднести к проводу с переменным током? Она станет неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с переменным током нет магнитного поля? Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей «неповоротливости» — инерционности, она не будет успевать следовать за быстрыми изменениями магнитного поля.

Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во многих современных электрических приборах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефонов, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу: если ток в обоих проводниках течет в одном направлении, то они притягиваются, а если в противоположных, отталкиваются.

Догадываешься, почему так происходит? В первом случае, когда направление тока в обоих проводниках одинаково, их магнитные поля, также имеющие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются и тем самым раздвигают проводники.

В первой половине прошлого столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Суть его заключается в следующем. Если внутрь катушки из изолированной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмерительного прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение отклонится от нулевой отметки на шкале прибора (рис. 12, а). При таком же быстром движении магнита внутри катушки, но уже в обратном направлении, стрелка прибора также быстро отклонится в противоположную сторону (рис. 12, б) и вернется в исходное положение.

Рис. 12. Энергия магнитного поля создаст движение электронов — электрический ток

Вывод мог быть один: магнитное поле пересекает провод и возбуждает (индуцирует) в нем движение свободных электронов — электрический ток. Впрочем, можно поступить иначе: перемещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат будет такой же. Магнит можно заменить катушкой, в которой течет постоянный ток. Магнитное поле этой катушки, вызванное током, при пересечении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижущую силу, создавая в ее цепи электрический ток.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия генератора переменного тока, представляющего собой катушку из провода, вращающуюся между полюсами сильного магнита или электромагнита (на рис. 13 катушка показана в виде одного витка провода). Вращаясь, катушка пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (вырабатывается) электрический ток.

Рис. 13. Схема генератора переменного тока

В 1837 г. русский академик B.C. Якоби открыл явление, обратное по действию генератора тока. Через катушку, помешенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вращаться. Это был первый в мире электромагнитный двигатель.

Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, опытным путем обнаружил еще очень важное явление — возможность передавать переменный ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный или прерывающийся (пульсирующий) ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое пересекает витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС На этой основе создан замечательный прибор трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

Опыты Майкла Фарадея и его соотечественника и последователя Кларка Максвелла привели ученых к выводу, что переменное магнитное поле, рождаемое непрерывно изменяющимся током, создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, магнитное поле — электрическое и т. д.

Взаимосвязанные, создаваемые друг другом магнитное и электрическое поля образуют единое переменное электромагнитное поле, которое непрерывно, как бы отделяясь и удаляясь от места возбуждения его, распространяется во всем окружающем пространстве со скоростью света, равной 300000 км/с.

Явление возбуждения переменным током электромагнитных полей принято называть излучением электромагнитных колебаний или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные составляющие электромагнитных колебаний возбуждают в этих проводниках переменное электрическое поле, создающее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнитные волны, только несравненно слабее. На этом замечательном явлении и основана техника радиопередачи и радиоприема.

Равенство скорости распространения электромагнитных волн, создаваемых переменным током, и скорости света не случайно, потому что световые лучи, как, между прочим, и тепловые, по своей природе тоже электромагнитные колебания.

Мысль о родстве световых и электрических явлений высказал русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще в середине XVIII в. Теорию электромагнитных волн развил Кларк Максвелл в первой половине прошлого столетия. Однако только в 1888 г. немецкому ученому Генриху Герцу удалось опытным путем доказать сам факт существования электромагнитных волн и найти возможность обнаружить их.

В его опытной установке (рис. 14) излучателем электромагнитных волн был вибратор — два стержня с металлическими шарами на концах, источником напряжения питания вибратора — индукционная катушка Румкорфа (есть в каждом школьном физическом кабинете), а обнаруживателем электромагнитной энергии — резонатор, представляющий собой незамкнутый виток провода, тоже с шарами на концах. Половинки вибратора заряжались до столь высокого напряжения, что между внутренними шарами через воздух проскакивала электрическая искра искусственная молния в миниатюре. Происходил электрический разряд. В этот момент, длившийся малые доли секунды, вибратор излучал короткую серию быстропеременных затухающих, т. е. убывающих по амплитуде, электромагнитных волн. Пересекая провод резонатора, расположенного поблизости, электромагнитная энергия возбуждала в нем электрические колебания, о чем свидетельствовала очень слабая искра, появлявшаяся между шарами резонатора. Еще разряд и новая очередь затухающих электромагнитных колебаний возбуждала в резонаторе слабый переменный ток.

Так Генрих Герц нашел способ возбуждения электромагнитных волн и обнаружения их. Но он не представлял себе путей практического использования своего открытая.

Рис. 14. Опытная установка Г. Герца для возбуждения и обнаружения электромагнитных волн и графическое изображение затухающих электромагнитных волн

Первым, кто по достоинству оценил труды Герца, был преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте Александр Степанович Попов. Читая лекции об электромагнитных явлениях и сопровождая их демонстрацией приборов собственного изготовления, А. С. Попов высказал смелую по тому времени мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов.

Александр Степанович Попов

Это было в последнем десятилетии прошлого века. В то время русский военный флот оснащался новой боевой техникой. Для преодоления морских просторов обновленному флоту нужны были более совершенные средства связи. И русский ученый искал их. После множества опытов и экспериментов А. С. Попов сконструировал принципиально новый прибор, реагировавший на электромагнитные волны на значительном расстоянии. Источником электромагнитных волн был вибратор, такой же, как в опытной установке Герца, но дополненный отрезками проволоки для лучшего излучения. Прием осуществлялся другим отрезком проволоки, соединенным с прибором, сконструированным А. С. Поповым. Как только вибратор начинал излучать электромагнитную энергию, приемный прибор отзывался на нее трелью звонка. Этот прибор, который А. С. Попов демонстрировал 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества, был первым в мире радиоприемником, а присоединенный к нему отрезок проволоки — первой в мире антенной.

Продолжая опыты, А. С Попов обнаружил, что на сконструированный им прибор действуют и атмосферные электрические разряды — молнии. Это навело ученого на мысль об использовании приемника для сигнализации о приближающихся грозах, что и было проверено в одной из петербургских обсерватории.

Эскизный чертеж исторического приемника А. С. Попова ты видишь на рис. 15. Всмотрись в него внимательно, попробуй разобраться в нем и понять, как приемник действует.

Рис. 15. Эскизный чертеж приемника А. С Попова

Не считая батареи, в приемнике три прибора: когерер (изобретенный в 1890 г. французским ученым Эдуардом Бранли), электрический звонок и электромагнитное реле — электромагнит, притягивающий якорь, если через обмотку течет ток.

Когерер представляет собой стеклянную трубку с мелкими металлическими опилками внутри. С помощью тонких металлических полосок он подвешен между опорами 1 и 2. Через обмотку реле одна контактная пластинка когерера соединена с положительным, а вторая — с отрицательным полюсами батареи. Это первая электрическая цепь приемника. Если якорь реле прижать к сердечнику, чтобы конец его коснулся винта 3, то образуется вторая электрическая цепь приемника цепь электрического звонка.

Когерер в разных условиях обладает неодинаковой проводимостью тока. Находящиеся в нем металлические опилки в обычных условиях оказывают току большое сопротивление, т. е. плохо пропускают его. В это время ток в первой цепи, в которую включена обмотка реле, настолько мал, что якорь реле не притягивается к сердечнику. Но как только на когерер начнут действовать электромагнитные волны, сопротивление слоя опилок уменьшится, а ток первой цепи резко возрастет. В этот момент якорь реле притягивается к сердечнику и, коснувшись винта 3, замыкает цепь электрического звонка. Сразу же притягивается якорь электромагнита этой цепи, и молоточек ударяет по чашечке звонка. Но якорь электромагнита звонка отходит от контактной пружинки и разрывает вторую цепь. Теперь молоточек звонка, отпущенный электромагнитом, ударяет по кoгepepy и встряхивает опилки, восстанавливая их большое сопротивление. Если электромагнитные волны продолжают воздействовать на когерер, молоточек автоматически ударяет то по чашечке звонка, то по когереру.

Когда А. С. Попов присоединял к когереру антенну, чувствительность приемника заметно повышалась. В этом случае приемник реагировал на разряды молнии, происходящие на расстоянии до 30 км. А так как приемник реагировал не только на искусственно создаваемые электромагнитные волны, но и на те, которые возникают в атмосфере перед грозой, А. С. Попов назвал его грозоотметчиком.

Спустя менее года после исторического заседания Русского физико-химического общества, 24 март а 1896 г. произошло новое крупное событие в истории радио. В этот день А. С. Попов докладывал ученым о возможности передачи и приема радиосигналов с записью на ленту телеграфного аппарата. Когда докладчик умолк, в аудитории послышался стук телеграфного аппарата, соединенного с приемником: Александр Степанович принимал радиограмму, передаваемую его ближайшим помощником Петром Николаевичем Рыбкиным. Это была первая в мире радиограмма.

Совершенствуя приборы, А. С. Попов постепенно увеличивал дальность действия радиосвязи. Весной 1897 г. были переданы радиосигналы с корабля на берег на расстояние 640 м. А двумя годами позже, в 1899 г., после открытия возможности приема радиосигналов с помощью телефонных трубок на слух, дальность радиосвязи достигла уже 35 км. Это был новый блистательный успех изобретателя радио, послуживший толчком к дальнейшему развитию радиотелеграфа в России.

Однако только случай помог А. С. Попову доказать жизненную необходимость нового средства связи. В ноябре 1899 г. броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» во время снежного шторма сел на камни у пустынных берегов о. Гогланд в Финском заливе. От острова до ближайшего на материке г. Котки (Финляндия) около 44 км. Спасательные работы задерживались из-за трудности прокладки проводной линии связи между островом и материком. На помощь пришло радио. А. С Попов и П. Н. Рыбкин для обеспечения надежной двусторонней связи установили на острове и материке приемно-передающие радиостанции. Линия радиосвязи действовала с февраля по апрель 1900 г., пока велись спасательные работы. За это время было передано и принято 440 радиограмм. Одна из них оказала людям неоценимую услугу.

Рис. 16. Радиостанция А.С. Попова на о. Гогланд

Случилось это 6 февраля 1900 г. И. Н. Рыбкин, находившийся на о. Гогланд, принял от А. С. Попова из г. Котки радиограмму: «Командиру «Ермака». Около Лавенсаари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь». Ледокол «Ермак» немедленно вышел на поиски в море и снял с льдины 27 рыбаков. Люди были спасены благодаря радио.

Так действовала первая в мире линия радиосвязи, так радио завоевало право на жизнь.

А. С Попов сделал еще одно очень важное открытие. Летом 1897 г. во время опытов по передаче радиосигналов с транспортного судна «Европа» на крейсер «Африка» им было замечено, что когда между этими кораблями проходил какой-либо третий корабль, слышимость сигналов уменьшалась или даже вовсе пропадала. В связи с этим ученый высказал мысль о возможности обнаруживать при помощи радиоприемника корабли, находящиеся на пути радиоволн. Таким образом, он указал путь к радиолокации — современному средству обнаружения и определения местоположения предметов на земле, на воде, в воздухе и космосе.

Велико значение трудов А. С. Попова. Он первым правильно оценил огромное практическое значение электромагнитных волн, сумел поставить их на службу человеку и тем самым положил начало новой эпохи в развитии мировой науки и техники — эпохи радиотехники.

Но по-настоящему заслуги великого русского ученого оценены были в нашей стране только после Великой Октябрьской социалистической революции. Постановлением советского правительства «Об ознаменовании 50-летия со дня изобретения радио А. С. Поповым» наш народ с 1945 г. отмечает 7 мая как День радио. Этим же постановлением учреждены золотая медаль имени А. С. Попова, присуждаемая советским и зарубежным ученым за выдающиеся научные работы и изобретения в области радио, нагрудный значок «Почетный радист СССР», которым награждаются лица, способствующие своим трудом развитию радиотехники, радиолюбительства, организации радиовещания и телевидения. В Ленинграде создан музей А. С Попова. Имя А. С. Попова носят Всесоюзное научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи, Куйбышевская радиовещательная станция, Научно-исследовательский институт радиовещательного приема и акустики.

Мы, советские люди, свято чтим память русского ученого А. С. Попова, давшего человечеству радио.

В день победы Октябрьской революции, 7 ноября 1917 г., радиостанция крейсера «Аврора» передала обращение «К гражданам России!», написанное Владимиром Ильичом Лениным и адресованное миллионам трудящихся. В исторические дни Великого Октября радиостанции молодой страны Советов передавали подписанные вождем революции радиограммы «Всем, всем, всем!», в которых давались указания органам власти на местах, опровергались клевета и ложь буржуазии о Советской республике. Радиограммы, принятые из центра революции Петрограда, печатались и широко распространялись во многих городах страны.

Владимир Ильич, следивший внимательно за развитием радиотехники, видел в ней огромную организующую силу. 29 июля 1918 г. им был подписан декрет Совета Народных Комиссаров о централизации радиотехнического дела в стране. В этом же году по указанию Ленина в Нижнем Новгороде (ныне г. Горький) была создана радиолаборатория. Это, по существу, был первый советский радиотехнический университет, сыгравший большую роль в развитии радиофикации и радиовещания в нашей стране. Позже Нижегородской лаборатории было присвоено имя В. И. Ленина, она дважды награждена орденом Трудового Красного Знамени.

Нижегородской радиолабораторией руководил крупнейший русский изобретатель в области радио, создатель первых мощных радиовещательных станций Михаил Александрович Бонч-Бруевич. Под его руководством было налажено производство радиоламп, а осенью 1920 г. закончена постройка первой радиотелефонной станции, передававшей по радио живую человеческую речь на большие расстояния.

Когда В. И. Ленин узнал об этих работах, он написал в теплом дружеском письме профессору М. А. Бонч-Бруевичу: «Газета без бумаги и без расстояний», которую Вы создаете, будет великим делом».

В марте 1920 г. за подписью В. И. Ленина было принято постановление Совета Труда и Обороны о постройке в Москве Центральной радиотелефонной станции с радиусом действия 2000 верст. Несколько позднее В. И. Ленин в записке, адресованной в Совет Народных Комиссаров СССР, писал: «…Вся Россия будет слушать газету, читаемую в Москве». А через два года, в 1922 г., вступает в строй первая радиовещательная станция, по тому времени самая мощная в мире. В 1924 г. Совет Народных Комиссаров СССР принимает постановление «О частных приемных станциях», положившее начало широкой радиофикации страны, развитию радиовещания и радиолюбительства. В том же 1924 г. многочисленные друзья радио, увлеченные радиотехникой, получили первый номер своего журнала «Радиолюбитель». С него-то, переименованного позже в «Радио фронт», а затем в журнал «Радио», по существу, и началась летопись советского радиолюбительства. Начался выпуск радиоприемников, деталей для самостоятельного изготовления радиоаппаратуры. Радиовещание все больше становится трибуной с миллионной аудиторией, о которой мечтал великий Ильич. Так зародилось и начало развиваться советское радиовещание, а вместе с ним и радиолюбительство.

* * *