Ваш радиоприемник

Картина движения электронов напоминает описанное чуть раньше коллективное преодоление препятствий в коридоре. Сами электроны движутся очень медленно, но ток начинается практически одновременно во всей цепи. При этом избыточные электроны, с «минуса» батареи сразу же начинают выталкиваться в проводник, а часть свободных электронов сразу же переходит на «плюс» из проводника. Для того чтобы остановить ток, достаточно разорвать цепь — ввести в нее участок из изолятора, например воздуха, в котором, как известно, свободных зарядов практически нет.

Внутри батареи за счет химических реакций электроны вновь перебрасываются с плюса на минус, чтобы оттуда вновь отправиться в свое путешествие по проводнику и, может быть, вновь добраться до плюса. Совершенно ясно, что если в проводнике есть свободные положительные заряды, то они будут двигаться в обратном направлении, а если заряды обоих «сортов», то в проводнике одновременно возникает два тока, противоположных по направлению. В дальнейшем для того, чтобы не вводить излишнюю путаницу, рассматривая различные электрические цепи, мы не будем вдаваться в подробности, не будем разбираться в том, каких зарядов больше, какие из них в основном создают ток, а всегда будем считать, что в проводнике есть только свободные положительные заряды, например положительные ионы, и что только они и создают ток. Поэтому мы всегда будем считать, что направление тока в проводнике одно — от плюса к минусу (рис. 4).

Рис. 4

Проходя по проводнику, заряды, и в частности электроны, «натыкаются» на неподвижные атомы и сталкиваются друг с другом. В результате этих соударений проводник нагревается и при достаточно высокой температуре светится.

Вернемся к нашему примеру — электрической цепи карманного фонаря, и попытаемся выяснить, от чего зависит величина тока и развиваемая им мощность. Прежде всего нужно отметить, что чем больше э. д. с., то есть чем с большей силой свободные электроны выталкиваются с минуса и притягиваются к плюсу, тем быстрее эти электроны движутся, тем большее их количество вовлекается в общий поток, тем, следовательно, больше и ток в цепи.

Кроме того, величина тока зависит и от размеров самого проводника — в нашем примере от нити лампочки. По толстому проводнику электронам легче пройти, чем по тонкому, по короткому — легче, чем по длинному. Многое зависит еще и от материала — от количества свободных электронов, которые могут создавать ток, от расположения атомов, с которыми электроны сталкиваются на своем пути. Одним словом, различные проводники по-разному способствуют появлению тока или, если пользоваться общепринятой терминологией, по-разному препятствуют ему. Здесь, кстати говоря, можно сказать и так и этак. Все зависит от точки зрения, от того, с чего начинать свои рассуждения — с идеального изолятора или с идеального проводника.

Для учета влияния проводника на величину тока введен специальный коэффициент, получивший название «сопротивление». Само это слово красноречиво говорит, что чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он препятствует движению зарядов, тем, следовательно, меньше ток. Иногда для удобства вычисления вместо сопротивления пользуются обратной величиной — проводимостью.

Основные соотношения, к которым мы пришли, четко и лаконично выражены в известном законе Ома: чем больше э. д. с., тем больше ток, чем больше сопротивление (чем хуже проводимость), тем меньше ток (рис. 5).

Рис. 5

В качестве единицы сопротивления выбран ом (ом). Таким сопротивлением обладает проводник, в котором под действием э. д. с. 1 в возникает ток 1 а. Естественно, что если под действием одного вольта ток будет меньше ампера, то значит сопротивление проводника больше, чем 1 ом.

Без особых доказательств ясно, что чем тоньше проводник и чем он длиннее, тем больше его сопротивление. Если взять несколько проводников из разных металлов, но с одинаковыми размерами, то окажется, что наименьшим сопротивлением обладает серебро, затем идут медь, алюминий, сталь и другие. Очень высокое сопротивление у специальных сплавов — нихрома, константана, никелина и других.

Давайте несколько усложним нашу «подопытную» цепь — подключим к батарейке две лампочки, соединенные последовательно (Л₁ и Л₂, рис. 6, а), то есть так, чтобы ток последовательно проходил через одну, а затем через другую. Если вы проделаете этот нехитрый опыт, то сами увидите, что лампочки горят очень слабо, настолько слабо, что свечение их нитей можно увидеть только в темноте. И это вполне понятно. Общее сопротивление двух соединенных последовательно лампочек и 2 раза больше, чем одной, — их можно рассматривать как одну лампочку с нитью удвоенной длины. Ну, а раз сопротивление цепи возросло, то, согласно закону Ома, ток в ней уменьшился, уменьшилось число работающих электронов, а значит и выполняемая ими работа. Одним словом, когда в цепи была лампочка Л₁, то вся электродвижущая сила батарейки действовала только на ней. Теперь эта величина распределится между двумя лампочками и на каждой из них будет действовать лишь половина э. д. с.

Сейчас настал момент ввести еще одно очень важное понятие — напряжение. Это та часть э. д. с., которая достается после дележа какому-нибудь участку цепи. В нашем случае на каждой лампочке действует напряжение 2,25 в (рис. 6, а), а если бы лампочек было три, то каждой из них досталось бы уже 1,5 в. Ну, а что будет, если собрать цепь из двух лампочек с разными сопротивлениями, например, одну с сопротивлением 10 ом, а другую 20 ом? На первой из них окажется напряжение 1,5 в, на второй — 3 в (рис. 6, б).

Рис. 6

* * *

ПОДСЧИТАЛИ — РАССМЕЯЛИСЬ

Перед нами простая задача. Электрическая лампочка с сопротивлением 405 ом нормально светится при токе 500 ма. На какую сеть рассчитана эта лампочка?

Расчет ведем по одной из формул закона Ома (рис. 5). Умножаем ток на сопротивление, то есть 500 на 405, и получаем… Вот это уже действительно смешно — по нашим расчетам, к лампочке нужно подвести напряжение 220 000 в! Неужели формула неверна?

Ошибку, конечно, допустили мы сами, причем ошибку грубую и смешную. Ток нужно было выразить просто в амперах или результат в милливольтах. Для того чтобы вы в дальнейшем не смеялись нал результатами своих расчетов, предлагаем вам табличку, где в вертикальных столбиках указаны «комплекты» единиц, которыми нужно пользоваться при расчетах по формулах закона Ома, а также при вычислениях мощности.

Если под руками нет этой таблички и вы встречаете затруднения в выборе единиц, то начинайте «от печки» — все величины выражайте в основных единицах: амперах, вольтах, омах, джоулях и ваттах.

* * *

Объясняется это очень просто. Ток во всех участках цепи должен быть одинаковым — сколько электронов вышло с «минуса», столько же должно войти в «плюс». Это условие обязательное. Если оно не выполняется, значит на одном из участков цепи заряды куда-то исчезают или, наоборот, откуда-то появляются. Ни то, ни другое, разумеется, невозможно. Для того чтобы ток во всей цепи был одинаковым, необходимо, чтобы на участках с большим сопротивлением заряды подталкивались с большей силой. Именно поэтому э. д. с. батареи автоматически распределяется так, что на участках с большим сопротивлением действует большая часть э. д. с. И еще один вывод, имеющий для нас большое практическое значение, — цепь из соединенных последовательно нескольких элементов фактически представляет собой делитель напряжения. Примером такого делителя может служить обычная елочная гирлянда, состоящая из большого числа низковольтных лампочек, соединенных последовательно.

Иногда делитель напряжения возникает помимо нашего желания. Вы, наверно, обращали внимание на то, что в карманном фонаре нормально горит лампочка, рассчитанная на 3,5 в, в то время как э. д. с. батарейки равна 4,5 в. То, что лампочка не только не сгорает, но даже не перекаливается, объясняется очень просто — напряжение на ней никогда не превышает 3,5–3,8 в. Куда же девается остальная часть э. д. с.?

Батарейка не только создает электродвижущую силу, но и частично расходует ее. Внутренние цепи батареи сами обладают сопротивлением, которое так и называется внутренним сопротивлением. Именно на нем теряется часть э. д. с. (рис. 6, б). Чем дольше работает батарея, тем больше ее внутреннее сопротивление (ничего не поделаешь — такова природа химических процессов, которые происходят в электролите и электродах). Из-за этого постепенно уменьшается напряжение, которое достается лампочке, она светится все более слабо.

В радиоэлектронной аппаратуре очень часто возникает необходимость погасить какую-то часть имеющейся э. д. с., создать делитель напряжения. Для этой цели используются специальные детали — сопротивления. Они бывают разные — проволочные (рис. 7, б), непроволочные (рис. 7, а), постоянные (рис. 7, а, б), переменные (рис. 7, в), разной конструкции и размеров, рассчитанные на разную мощность (рис. 7, г).

Рис. 7

Переходим к следующему опыту. Давайте параллельно одной из двух лампочек, соединенных последовательно, подключим третью (Л₃, рис. 8, а). Параллельное соединение часто называют шунтированием. Шунтировать в переводе на русский язык означает создавать обходной, параллельный путь.

В данном случае действительно создается обходной путь для тока — в точке б ток разветвится — часть его пойдет по Л₂, а часть — по Л₃. При этом в каждой из двух параллельных ветвей ток окажется очень слабым, и обе лампочки практически светиться не будут. Но зато лампочка Л₁ будет гореть намного ярче, чем до подключения шунта (Л₃). Дело в том, что общее сопротивление двух параллельно включенных лампочек вдвое меньше, чем одной, — включить две лампочки параллельно это то же самое, что взять одну с более толстой нитью. Ну, а раз сопротивление какого-нибудь участка цепи уменьшилось (в нашем случае это участок бв), то на нем действует меньшая часть э. д. с. и поэтому возрастает напряжение, которое достается лампочке Л₁.

Рис. 8

Между прочим, если бы сопротивление лампочек Л₂ и Л₃ было неодинаковым, то по ним пошел бы и разный по величине ток. При параллельном соединении всегда выполняется такое правило: чем меньше одно из сопротивлений, тем большая часть тока в него ответвится (рис. 8, б). Одним словом, ток старается идти по пути наименьшего сопротивления.

Закон Ома соблюдается не только для простейшей, но и для любой сложной цепи, а также для каждого ее участка в отдельности. Так, в частности, для того, чтобы определить общий ток, потребляемый от батареи, нужно прежде подсчитать общее сопротивление всей цепи, а затем производить вычисления как обычно — по закону Ома. Ток I в любом участке цепи можно также подсчитать по закону Ома, если известно напряжение U на этом участке и его сопротивление R.

Отсюда можно сделать важный логический вывод: чем больше ток, проходящий по какому-нибудь сопротивлению, тем больше и действующее на нем напряжение (рис. 9).

Рис. 9

Это очень хорошо иллюстрируется предыдущим примером. Подключив третью лампочку, мы уменьшили сопротивление одного из последовательных участков цепи (участок бв), а значит, и ее общее сопротивление. При этом естественно увеличился общий ток (закон Ома!) и, значит, увеличилось напряжение (иногда еще говорят: падение напряжения) на лампочке Л₁, по которой этот общий ток проходит.

В заключение этой главы несколько слов о работе и мощности.

Мы с вами говорили, что э. д. с., а значит и напряжение на каком-либо участке цепи, характеризует ту силу, которая заставляет свободные заряды двигаться и таким образом создает электрический ток. Нужно признаться, что это не очень строгая формулировка — она скорее создает образ, чем дает четкое определение. Строго говоря, напряжение, или э. д. с., — это работа, которую сможет выполнить источник тока, перемещая заряды по цепи. Напомним, что единица работы в практической системе единиц — это джоуль (дж). Он соответствует поднятию груза в 102 г на высоту 1 м, то есть равен 0,102 килограммометра (кГм). Так вот, если, перемещая по цепи заряд в 1 к, источник выполняет работу в 1 дж, то э. д. с. такого источника равна одному вольту. Аналогично определяется и вольт напряжения на участке цепи. Совершенно ясно, что чем меньше силы, которые двигают заряд (первое определение), то есть чем меньше его работоспособность (второе определение), тем меньше и напряжение.

Мощность во всех случаях — это работа, отнесенная к единице времени. Единицей мощности служит ватт (вт), который показывает, какая работа в джоулях выполняется за одну секунду. Очень просто подсчитать мощность, выделяемую на каком-нибудь участке электрической цепи. Для этого нужно напряжение на этом участке умножить на величину проходящего по нему тока. Поскольку напряжение — работа в джоулях, которая приходится на один кулон, а ток в амперах — число кулонов за одну секунду, то произведение этих величии даст мощность в ваттах.

Мощность является характеристикой как генераторов, так и потребителей электрической энергии. В первом случае она говорит о том, что может дать генератор, чего можно от него ожидать. Во втором случае имеется в виду мощность, которую может поглотить тот или иной элемент цепи. Так, если к лампочке, рассчитанной на 200 вт, подвести 500 или даже 300 вт, то она перекалится и выйдет из строя. Точно так же существует предельно допустимая мощность, при которой обычное сопротивление еще в состоянии рассеять со своей поверхности выделяющееся в нем тепло. При большей мощности сопротивление сильно перегреется и в итоге сгорит.

Очень важно еще раз подчеркнуть, что мощность в одинаковой степени зависит и от тока и от напряжения. Это значит, что одну и ту же мощность можно получить при большом токе и малом напряжении или, наоборот, большом напряжении и малом токе (рис. 10).

Рис. 10

Вот мы с вами и выполнили программу-минимум — вспомнили основные элементы электротехники, без которых практически невозможно было бы знакомиться с приемником. Нам, правда, нужно будет еще кое-что вспомнить о переменном токе и об электромагнитной индукции. Но с этим мы легко справимся «по ходу дела», когда будем разбирать, как происходит радиопередача и радиоприем, как работают различные приемники и отдельные их узлы.

Почему охрип Бывалов

Наряду со множеством загадочных процессов, которые происходят в радиоприемнике, есть один, не вызывающий никаких сомнений, — это создание звуковых колебаний. Только очень маленькие дети, ну, скажем, от трех до пяти, могут поверить, что в футляре спрятались человечки, которые поют, играют и разговаривают. Что же касается детей постарше, то им эту сказку рассказывать не стоит. Они понимают, что в приемнике с помощью каких-то специальных устройств удается «подражать» настоящим голосам артистов, воспроизводить звонкие переливы флейты или многоголосье большого оркестра.

Следует прямо сказать, что разместившаяся в приемнике фабрика синтетического звука не так-то проста. Для того чтобы понять, как она работает, надо прежде всего знать, что такое звук и чем отличаются одни звуки от других.

Вы тронули гитарную струну, она пришла в движение и увлекла за собой окружающий воздух. Теперь во все стороны от струны со скоростью около 330 метров в секунду расходятся звуковые волны — непрерывно перемещающиеся области сжатого и разреженного воздуха. Все это немного похоже на обычные волны, которые расходятся по поверхности во все стороны от брошенного камня — участок с наибольшим давлением воздуха чем-то напоминает гребень волны, участок с наименьшим давлением — седловину. Кстати, в толще воды с помощью специальных излучателей можно создать и настоящие звуковые волны сжатия и разрежения, распространяющиеся широким фронтом. Сейчас уже точно установлено, что именно так переговариваются рыбы, обсуждая свои рыбьи дела. Звуковые волны могут возникать в любом твердом, жидком или газообразном веществе — в металле, бетоне, водяных парах, в потоке нефти. Их нельзя создать только в абсолютной пустоте — там просто нет вещества, которое могло бы сжиматься и разрежаться. Если, повторяя известный опыт со звонком, вы поместите приемник под большой стеклянный колпак и откачаете оттуда воздух, приемник ваш замолкнет, хотя все его узлы будут по-прежнему работать исправно.

Важнейшей характеристикой звука является его частота — число колебаний за одну секунду. Единицей частоты служит герц (гц), соответствующий одному колебанию в секунду. Этой единицей пользуются при измерении частоты любых колебаний, независимо от их физической природы. Время, в течение которого происходит полный цикл колебания, называется периодом.

Самая толстая струна гитары колеблется сравнительно медленно — с частотой 144 гц. Она создает такие же медленные, или, как обычно говорят, низкочастотные, звуковые колебания. Последняя, самая тонкая, струна создает значительно более высокий звук, его частота — 576 гц. Прижимая эту струну к грифу, то есть фактически укорачивая ее (чем короче струна, тем быстрее она колеблется), можно еще повысить частоту звука.

Разные люди обладают различными способностями слышать высокие и низкие звуки, однако в большинстве случаев нижняя граница определяется частотами 16–20 гц, а верхняя — 18–20 кгц. За этими границами уже находятся неслышимые звуки — инфразвуки, частота которых ниже 16 гц, и ультразвуки, частота которых выше 20 кгц.

Когда мы сталкиваемся с реальными звуками и, в частности, с музыкой или речью, то частота уже не может служить единственной характеристикой звуковых колебаний. Для того чтобы это стало понятней, вспомните, что одна и та же нота, то есть звук одной и той же частоты, у разных музыкальных инструментов звучит совершенно по-разному. Более того, в ряде случаев вообще невозможно говорить о частоте звука.

Как, например, определить частоту звука человеческой речи? И вообще, что в данном случае нужно понимать под частотой, если разные по высоте мужские и женские голоса одинаково произносят ту или иную букву?

Мы подошли к очень интересной характеристике звука — его спектральному составу, но прежде чем двигаться дальше, нам необходимо будет провести небольшую подготовительную работу — научиться понимать и самим строить графики.

Повесьте за окном термометр, каждый час отмечайте его показания и затем попробуйте рассказать, как менялась температура в течение суток. Рассказ ваш будет выглядеть примерно так: «В семь часов вечера температура была + 2 градуса, в восемь часов повысилась до +3 градусов, а в девять вновь понизилась до +2. Затем понижение температуры пошло быстрее, в десять часов было ноль градусов, в одиннадцать —3 и так далее». Не правда ли, однообразно? А что, если бы таким способом описывать изменение температуры за неделю или за месяц? Нет, это не годится.

Для того чтобы наглядно показать изменения какой-либо величины — электрического тока, температуры, отклонения маятника или годового производства стали, пользуются специальным рисунком-графиком. Его основа — две перпендикулярные линии, названные осями. Горизонтальную ось размечают в единицах времени, и она похожа на развернутый в длину циферблат часов. Вертикальную ось размечают в единицах той величины, изменение которой нужно описать.

Поскольку мы собираемся описывать изменение температуры, то вертикальную ось нужно будет разметить в градусах так, чтобы она напоминала шкалу обычного термометра. Теперь на поле графика можно делать отметки — против каждого деления времени отмечать соответствующее значение температуры. В результате появится целая серия точек, а когда мы соединим их, то получим сплошную линию, которая как раз и покажет, как меняется температура. Эта линия называется кривой. Так и говорят: «Кривая пошла вниз— температура падает» или «Кривая пошла вверх и пересекла ось времени — температура поднялась выше нуля». Посмотрев на график, на ход кривой, можно сразу определить, какова была температура в различные моменты времени, как она менялась, каким был характер этого изменения.

Подобным же образом можно получить своеобразную летопись звука — график, показывающий, как изменяется давление в какой-либо «озвученной» точке пространства, например, вблизи колеблющейся струны. Только не подумайте, что такой график можно построить с помощью карандаша, бумаги и секундомера — даже при низких частотах весь цикл звуковых колебаний длится какие-то тысячные доли секунды. Для регистрации таких быстрых процессов служит специальный прибор — электронный осциллограф. Именно с его помощью удалось рассмотреть графики самых различных звуков.

На рисунке 11,а, б вы видите два графика одного и того же звука — это нота «ля» 1-й октавы (частота 440 гц), «исполненная» на флейте и кларнете. При построении графиков кверху от оси времени откладывались давления больше нормального (сжатие), книзу от этой оси давление меньше нормального (разрежение). Расстояния до излучателей звука были подобраны так, что амплитуды колебаний, то есть наибольшее сжатие или наибольшее разрежение, оказались одинаковыми. Одинаков период колебаний — это мы оговорили в самом начале, а кроме того, это прекрасно видно из самих графиков.

Внимательно посмотрите на графики. Кроме периода и силы звука, вы обнаружите еще одну его важную характеристику. Это — форма кривой, которая показывает, как меняется звук, с какой скоростью звуковое давление растет, насколько резко уменьшается, «уверенно» ли оно изменяется и т. д. и т. п.

Все эти особенности как раз и отличают одинаковые по частоте звуки, придают им, как говорят музыканты, различную тембровую окраску. Взгляните на график двух различных звуков человеческой речи (рис. 11, в, г). Здесь форма кривой самая главная характеристика, так как именно она отличает эти звуки, например «а» от «о».

Рис. 11

Вам, наверное, интересно узнать, как наш слуховой аппарат отличает звуки с различными формами кривой. Ведь слушая музыкальные инструменты, мы не вспоминаем ни о каких графиках и вместе с тем прекрасно чувствуем, когда играет рояль, а когда трамбон. Начнем с более простой, но очень похожей задачи.

Представьте, что необходимо точно измерить объем бесформенной гранитной глыбы. Несколько упрощенных методов по какой-то причине не подошли, и вы решили разрезать глыбу на кубики, измерить объем каждого из них, а затем просуммировать все эти объемы. Сначала вы вырежете большой, основной куб, в который войдет основная масса гранита, затем из оставшихся кусков нарежете кубы средней величины и, наконец, не дав пропасть ни одному осколку, ни одной крупинке камня, превратите их в тысячи маленьких кубиков, которые, если их определенным образом сложить, точно воссоздадут сложный рельеф глыбы.

* * *

10 + 10 или 20?

Есть такая смешная загадка-шутка: «Что лучше — две монеты по 10 копеек или одна в 20?» Оказывается, два гривенника иметь лучше — если одну монету потеряешь, хоть другая остается.

Подобную загадку можно придумать для сопротивлений и конденсаторов. Ответ на загадку будет примерно такой же, как и на предыдущую, но только шутки уже никакой не будет — иметь два сопротивления по 10 ком действительно лучше, чем одно в 20 ком.

Во-первых, каждое из них можно использовать как самостоятельную деталь, то есть как сопротивление 10 ком. Соединив сопротивления последовательно, мы получим уже новую деталь — сопротивление 20 ком. И, наконец, при параллельном соединении у нас окажется еще одна деталь — сопротивление 5 ком.

Вот несколько формул для подсчета общего сопротивления и общей емкости при параллельном и последовательном соединении конденсаторов и сопротивлений.

Мощность, которая приходится на каждое сопротивление, подсчитывается отдельно по известным формулам (рис. 10).