Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
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.
Если любое изменение тока в проводнике вызывает появление электромагнитной волны, то что произойдет, если ток в проводнике будет переменным?
Прежде чем отвечать на этот вопрос, давайте несколько дополним наши сведения о переменном токе.
Когда мы говорим, что в цепи протекает переменный ток, то это значит, что направление движения электронов и их скорость все время меняются. Можно упрощенно представить себе картину движения электронов при переменном токе: сначала электроны двигаются медленно, затем скорость их постепенно нарастает и, наконец, достигает максимальной величины. В этот момент ток в цепи становится максимальным, или, как говорят, достигает амплитудного (наибольшего) значения. Затем скорость движения электронов уменьшается, и, наконец, они останавливаются. Однако заряды практически на месте не стоят — они моментально начинают двигаться в обратную сторону и, постепенно ускоряя свое движение, вновь набирают максимальную скорость. В этот момент ток в цепи опять нарастает до своего амплитудного значения (амплитуда тока противоположного направления), а затем вновь уменьшается до нуля. Этим и завершается полный цикл движения зарядов, после чего весь процесс повторяется снова и снова (рис. 26).
Рис. 26. При переменном токе заряды двигаются то в одну, то в другую сторону, но они так же хорошо могут «работать», как и заряды, двигающиеся в одном направлении.
Время, в течение которого происходит весь этот цикл изменений тока, называется периодом и обозначается буквой Т. Одно из направлений переменного тока (безразлично какое) условно называют положительным, а противоположное направление — отрицательным. В связи с этим часто употребляют такие выражения: «положительный полупериод» и «отрицательный полупериод». Имеется в виду половина всего периода, соответствующая положительному или отрицательному направлению тока (лист 49).
Важными характеристиками переменного тока являются его частота и амплитуда. Амплитуда, как и всякое другое значение тока, указывается в амперах (миллиамперах, микроамперах). Частота переменного тока (обозначается буквой f) так же, как и частота звуковых колебаний, — это число периодов в одну секунду, измеряемое в герцах.
Мы уже отмечали, что при всяком изменении тока от проводника отходит электромагнитная волна. Когда же в проводнике протекает переменный ток (давайте такой проводник сразу же назовем передающей антенной), то электромагнитные волны отходят от этого проводника одна за другой, подобно волнам, расходящимся по воде от вращающегося корабельного винта (рис. 28).
Электромагнитные волны, в отличие от магнитных и электрических полей, не связаны со своими источниками: они свободно перемещаются в пространстве и могут проходить огромные расстояния. Наиболее ярким подтверждением этого являются световые лучи (а лучи света по своей физической природе — это те же электромагнитные волны), пришедшие к нам от далеких звезд, многие из которых, может быть, уже давно прекратили свое существование.
Поскольку ток в передающей антенне все время меняет свою величину и направление, то и электромагнитные поля вокруг антенны тоже все время меняются. Рассматривая процесс очень упрощенно, можно представить себе, что в какой-то точке, расположенной вдали от передающей антенны, в различные моменты времени электромагнитное поле с различной силой будет поворачивать стрелку компаса или перемещать электрические заряды (рис. 27).
Рис. 27. Вокруг проводника, по которому течет переменный ток, появляются электромагнитные волны (радиоволны) — переменные электромагнитные поля, свободно перемещающиеся в пространстве со скоростью света.
Если бы удалось на короткое мгновение остановить движение электромагнитных волн, то мы увидели бы периодически чередующиеся районы с сильным электрическим и магнитным полем, причем с полями различного направления. Последнее упрощенно можно понимать так, что если поле одного направления двигает попавшие в него электроны (или поворачивает стрелку компаса) вверх, то поле противоположного направления двигает эти заряды вниз.
В действительности же электромагнитную волну остановить нельзя — порожденные переменным током, взаимно связанные друг с другом электрические и магнитные поля непрерывно расходятся от передающей антенны со скоростью света.
Важной характеристикой электромагнитного излучения, как, впрочем, и всякого волнового процесса, является длина волны (обозначается буквой λ). Весьма просто определить длину волны, которую создает брошенный в воду камень: она будет представлять собой расстояние между двумя соседними гребнями или между двумя впадинами. Подобно этому длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, где электромагнитные поля в один и тот же момент времени действуют с наибольшей силой и в одинаковых направлениях (рис. 28).
Рис. 28. Длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, где электрическая (или магнитная) составляющая поля в один и тот же момент времени действует с наибольшей силой и в одинаковых направлениях. Длина волны тем меньше, чем больше частота переменного тока в передающей антенне.
Длина волны зависит от частоты переменного тока (f), который создает излучение: чем выше эта частота, тем чаще следует одна волна за другой, тем меньше расстояние между их «гребнями». Кроме того λ зависит и от скорости распространения волн: чем быстрее движется волна, тем меньше расстояние она успеет пройти за время одного периода (одного полного цикла) переменного тока в передающей антенне, тем, следовательно, ближе будет отстоять одна волна от другой.
Для электромагнитных волн зависимость между длиной волны λ и частотой f определяется следующими простыми формулами:
Здесь с — это скорость распространения электромагнитных волн (скорость света), равная 300 000 км/сек. Существуют и более простые для вычислений формулы (см. табл. на листе 50).
Электромагнитные волны длиной от нескольких миллиметров до нескольких километров обычно называют радиоволнами, так как именно они используются для радиосвязи, радиовещания, радиолокации и телевидения. Более короткие электромагнитные волны — это инфракрасные, световые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.
Поместим на пути радиоволн обычный проводник (его можно сразу же назвать приемной антенной), и они тотчас же «наведут» в этом проводнике переменный ток (рис. 29), который будет точной копией тока в передающей антенне, но, конечно, будет несравненно слабее его.
Рис. 29. Электромагнитные волны наводят в приемной антенне переменный ток и, таким образом, переносят от передатчика к приемнику определенную энергию.
Наведение тока в приемной антенне можно объяснить упрощенно тем, что под действием электрической составляющей поля электроны в проводнике упорядоченно перемещаются, как перемещались кусочки бумаги, попавшие в электрическое поле гребенки. В перемещении электронов принимает участие и магнитная составляющая поля, так как электрон, кроме электрического заряда, обладает еще магнитными свойствами, чем-то напоминая стрелку компаса.
Радиоволны непрерывно движутся мимо приемной антенны, и непрерывно меняется направление и сила воздействия электромагнитного поля на свободные электроны проводника. Поэтому-то и ток в приемной антенне изменяется с той же частотой, что и ток в антенне передатчика.
Итак, с помощью переменного тока в передающей антенне мы получили такой же (конечно, не по силе!) переменный ток в приемной антенне: электромагнитные волны помогли нам установить связь между этими антеннами без соединительных проводов.
