Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
Человеческое ухо — замечательный прибор. Оно ощущает самые незначительные изменения частоты звука: достаточно частоте измениться всего на несколько десятых долей процента, как ухо тотчас же это услышит. Ухо отличается очень высокой чувствительностью к слабым звукам: оно слышит даже такие слабые звуки, которые оказывают на поверхность барабанной перепонки давление с силой 0,0000003 грамма. Под действием этих звуков сама барабанная перепонка колеблется с «размахом» не более одной десятимиллионной доли миллиметра!
И все же, несмотря на столь высокую чувствительность нашего слухового аппарата, мы можем разговаривать с собеседником, находясь лишь на сравнительно близком расстоянии от него. Можно крикнуть так, чтобы вас услышали на противоположной стороне улицы, но как бы громко вы ни кричали в Москве, вас все равно не услышат в Ленинграде. Это в первую очередь связано с тем, что звуковые волны по мере своего продвижения вперед очень быстро ослабевают.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГОНЕЦ
Вы разговариваете по телефону, и на другом конце линии далекий собеседник слышит ваш голос. Каким же образом человеческая- речь, которая обычно не слышна дальше чем на несколько десятков метров, проходит по телефонной линии сотни и тысячи километров? Неужели небольшой телефонный аппарат передаст возникающие при разговоре колебания воздуха на такие огромные расстояния? Конечно, нет! Звуковые колебания практически не выходят за пределы комнаты, где вы говорите, а для передачи разговора используется электрический ток, который проходит по проводам, соединяющим телефонные аппараты.
В трубке нашего аппарата имеется угольный микрофон — небольшая коробочка с угольным порошком и крышкой в виде тонкой угольной пластинки (лист 44). Микрофон вместе с батареей включен в телефонную цепь таким образом, что через угольный порошок все время проходит ток. При разговоре под действием звуковых волн меняется давление воздуха на порошок, а следовательно, и плотность порошка. При этом меняется и электрическое сопротивление микрофона: плотно сжатые крупинки угольного порошка намного легче пропускают электрический ток, чем тогда, когда они находятся в разрыхленном состоянии. Изменение сопротивления микрофона, в свою очередь, приводит к соответствующему изменению тока (в полном соответствии с законом Ома!), и поэтому при разговоре ток в цепи микрофона изменяется, в точности повторяя все изменения звукового давления.
На другом конце цепи включена намотанная тонким проводом катушка телефона (слово «телефон» имеет два значения; здесь под телефоном понимается прибор для воспроизведения звука, часто называемый наушником), к которой прилегает мембрана — тонкая стальная пластинка (лист 45). Под действием тока, проходящего по катушке (вы еще не забыли, что проводник с током — это тот же магнит?), мембрана телефона намагничивается и притягивается к ней. А так как при разговоре ток в цепи меняется, то меняется и сила притяжения мембраны.
Вследствие этого мембрана колеблется и создает звуковые колебания, почти в точности соответствующие звуку, произнесенному перед микрофоном.
Таким образом, при телефонном разговоре происходят два основных преобразования: на передающей стороне с помощью микрофона звуковые колебания преобразуются в электрические, а на приемной стороне электрические колебания преобразуются в звуковые. Между микрофоном и телефоном циркулирует только электрический ток (рис. 24).
Рис. 24. При разговоре меняется звуковое давление на угольный порошок микрофона, меняется его сопротивление, а значит, и ток в цепи. Это, в свою очередь, приводит к тому, что меняется сила притяжения мембраны к катушке (электромагниту) телефона, мембрана начинает колебаться и создает звуковые волны.
Целесообразность этих преобразований очевидна: электрический сигнал — это надежный, быстрый и неутомимый гонец: он проходит огромные расстояния с молниеносной быстротой, почти в миллион раз быстрее звука.
Но как быть, если нужно установить связь без проводов, например с самолетом, с кораблем, бороздящим моря у берегов Антарктики, или получить сообщение с борта космической ракеты?
Здесь-то и проявляются замечательные преимущества линий радиосвязи, на которых передача электрических сигналов осуществляется без проводов, с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве со скоростью света.
НЕСКОЛЬКО СЛОВ О САМОМ СЛОЖНОМ
Наиболее сложные понятия, с которыми приходится сталкиваться при изучении электротехники и радиотехники, — это понятия об электрическом, магнитном и электромагнитном пале. И дело здесь, пожалуй, не в том, что электрическое или магнитное поля нельзя увидеть или потрогать рукой. Ведь мы довольно четко, хотя и упрощенно, представляем себе атом, несмотря на то что посмотреть на него не можем.
Основная трудность состоит в том, что невозможно представить себе какую-нибудь модель поля подобно тому, как мы рисуем в своем воображении упрощенную модель атома.
Понятие об электрическом, магнитном и электромагнитном полях лучше всего, взять из простейших опытов. Затем можно будет дополнить и развивать эти понятия, используя огромные достижения математики и физики в области изучения полей.
Электрическое поле возникает вокруг всякого электрического заряда или вокруг предмета, на котором имеется избыток зарядов какого-нибудь одного знака. Мы потерли о шерсть пластмассовую палочку или обычную гребенку, создав на ней избыток отрицательных зарядов, и пространство вокруг гребенки приобрело какие-то особые свойства: мелкие клочки бумаги, попадая в это пространство, начинают притягиваться к ней. Каким образом наэлектризованная гребенка действует на клочки бумаги? Может быть, действие электрических сил передается через частицы окружающего воздуха?
Ни в коем случае! Если мы проделаем свой опыт в пустоте, то клочки бумаги будут так же притягиваться к гребенке, как и в воздухе или в каком-либо другом газе (рис. 25).
Рис. 25. С электрическим зарядом связаны невидимые и неосязаемые, но реально существующие особые формы материи: вокруг неподвижного заряда всегда существует электрическое поле, а если заряд движется, то вокруг него возникает еще и магнитное поле.
Значит, дело здесь не в молекулах, атомах или других частицах окружающей среды. Значит, вокруг электрического заряда (в данном случае вокруг наэлектризованной гребенки) существует какое-то особое состояние пространства, какая-то особая форма материи, через которую и передается действие электрических сил. Эта особая форма материи, существующая наряду с такой известной нам формой материи, как вещество, и есть электрическое поле.
Науке уже многое известно об электрическом поле. Известно, например, что оно обладает определенной массой и запасом энергии (в нашем опыте эта энергия расходуется на перемещение к гребенке клочков бумаги). Многого об электрическом поле мы еще не знаем, однако факт его существования, подтвержденный многочисленными опытами, не может вызывать никаких сомнений.
Другая особая форма материи, существование которой также подтверждается опытами, — это магнитное поле. Магнитное поле появляется как следствие движения электрических зарядов. В этом легко убедиться, если поднести компас к проводнику, по которому течет постоянный ток (рис. 7). Под действием магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, стрелка компаса несколько отклонится, так же как она отклонилась бы под действием обычного магнита. Магнитное поле, как и электрическое, обладает запасом энергии (в нашем примере часть этой энергии расходуется на поворот стрелки компаса).
Электрическое и магнитное поля тесно связаны с электрическим зарядом или его движением: уберите заряд — и электрическое поле исчезнет; прекратите ток в цепи — и магнитного поля нет. Но можно получить электрическое и магнитное поля, а точнее, более сложное, электромагнитное поле, не связанное с электрическими зарядами, как бы оторванное от них.
Электромагнитное поле имеет черты как электрического поля (как говорят, имеет электрическую составляющую), так и магнитного поля (магнитная составляющая). Это значит, что электромагнитное поле могло бы при определенных условиях и поворачивать стрелку компаса, подобно магнитному полю, и перемещать электрические заряды, подобно электрическому полю.
Электрическая и магнитная составляющие тесно связаны между собой, и каждая из них обладает запасом энергии, определяющим энергию всего электромагнитного поля.
Электромагнитное поле возникает при любом, даже незначительном изменении тока в проводнике. Изменяясь вместе с током, оно воздействует на соседние участки пространства, передает им свою энергию, и в этих, соседних участках также образуется электромагнитное поле. Таким образом, во все стороны от проводника, со скоростью света — 300 000 км/сек — все дальше и дальше движется волна электромагнитного поля, перенося с собой запасы энергии, которые она получила еще в месте своего возникновения.
